STUDIO DI MASSIMA DI UN ELICA OTTIMIZZATA PER UN RICOGNITORE STRATOSFERICO

Transcript

1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA STUDIO DI MASSIMA DI UN ELICA OTTIMIZZATA PER UN RICOGNITORE STRATOSFERICO Tesi di laurea di: Francesco Mantovani Relatore: Chiar.mo Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI Correlatori: Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI Dott. Ing. ENRICO TROIANI

2 OBIETTIVI TROVARE UN ELICA IN GRADO DI FORNIRE BUONE PRESTAZIONI PER LE SEGUENTI CONDIZIONI OPERATIVE: Altezza massima di funzionamento: metri; Potenza trasformabile compresa tra 150 CV e 300 CV; Velocità risultante all apice apice delle pale: 0,9 Mach. W = 0,9 0,9 M V U

3 CARATTERISTICHE DEL VOLO STRATOSFERICO BASSA DENSITA DELL ARIA (a metri ρ = 0,04 kg/m 3 ); BASSI NUMERI DI REYNOLDS (variabili tra e ). OCCORRONO VELIVOLI DALLE ELEVATE PRESTAZIONI: MOTORISTICHE AERODINAMICHE UTILIZZO DI PROFILI ALARI E PALE PARTICOLARI

4 Studi precedenti sulla propulsione ad elica ad altezze stratosferiche Programma ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology) della NASA SCOPO: Studiare le proprietà chimico-fisiche della stratosfera; Realizzare un velivolo in grado di operare in atmosfere rarefatte. CONDIZIONI DI PROGETTO: Altezza massima raggiungibile: metri; Potenza trasformabile: 63,4 kw; Velocità di crociera: 0,4 Mach.

5 Studi precedenti sulla propulsione ad elica ad altezze stratosferiche Programma ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology) della NASA SOLUZIONE: Elica singola a 3 pale; Diametro: 4,6 metri; Corda massima: circa 420 mm; Profilo Eppler 387 (progettato per bassi valori del numero di Reynolds).

6 Studi precedenti sulla propulsione ad elica ad altezze stratosferiche Programma ERAST (Environmental Research Aircraft and Sensor Technology) della NASA SOLUZIONE: Elica singola a 3 pale; Diametro: 4,6 metri; Corda massima: circa 420 mm; Profilo Eppler 387 (progettato per bassi valori del numero di Reynolds).

7 Fase preliminare dello studio Impiego della teoria di Theodorsen Tramite un coefficiente di massa k, si trovano il valore della velocità indotta w e la circolazione K(x) ad ogni sezione di pala, per via grafica. E possibile trovare e dimensionare l elical dalle migliori prestazioni, con l ausilio l di grafici e semplici calcoli

8 Fase preliminare dello studio In funzione di w, k e K(x) si trovano: Il rendimento indotto η i per via grafica Il coefficiente di avanzamento effettivo γ: V + w γ = nd L angolo d elica d Ф: 1 1+ w 1 V φ = arctan 2 π nd x La distribuzione del carico lungo la pala bc l : bc l = ( V + w) w K( x) Bn V 2senφ cos φ 2

9 La prima variante Realizzazione di fogli calcolo contenenti i dati relativi a varie eliche, per la determinazione dell elica elica a più elevato rendimento indotto Selezione delle eliche dalle migliori prestazioni e dimensionamento delle pale

10 La prima variante Si è confrontato il profilo Eppler 387 con un profilo classico, il Clark C Y, tramite il programma Profili, che si basa sul codice XFoil, sviluppato dalla NASA. Si è deciso di utilizzare l l Eppler 387, visti i valori maggiori di c l ottenibili a valori minori dell angolo di attacco α.

11 La prima variante L elica scelta presenta le seguenti caratteristiche: Diametro: 4,1 metri; Numero di pale: 5; Velocità di rotazione: 1000 giri/min.; Potenza trasformata: 220 CV; Rendimento indotto: η i = 86,7%; Spinta a m: T = 898 N; Corda a 0,7 R: b 0,7R = 231 mm; Calettamento a 0,7 R : β 0,7R = 56,71.

12 La prima variante Problemi: Ingombro elevato, a causa del grande valore del diametro; Possibili perdite dovute ad onde d urto d in prossimità dell apice delle pale dovuti a fenomeni di compressibilità. Cerchiamo una soluzione che permetta di risolvere questi problemi, oltre ad assicurare prestazioni altrettanto buone.

13 La soluzione adottata Si è deciso di studiare il comportamento di un elica controrotante, soggetta alle stesse condizioni di funzionamento. E E stato mantenuto il profilo Eppler 387, ma le pale sono state completamente ridisegnate, sempre seguendo la teoria di Theodorsen, per adeguarle alla diversa distribuzione del carico, caratteristica delle eliche controrotanti. nti. In queste ultime la circolazione assume valori massimi a circa 0,3R, anziché a 0,7R come avviene nelle eliche singole.

14 La soluzione adottata Si sono realizzati nuovi fogli di calcolo, che hanno permesso di scegliere l elica l dalle prestazioni migliori:

15 La soluzione adottata E stata quindi scelta la seguente elica: Diametro: 2,5 metri; Numero di pale: 6; Velocità di rotazione: 1250 giri/min; Potenza trasformata: 250 CV; Rendimento indotto: η i = 87,6%; Spinta a m: T = 770 N; Corda a 0,7 R: b 0,7R = 201 mm; Corda massima: b 0,3R = 291 mm; Calettamento anteriore a 0,7 R: β f0,7r = 71,14 ; Calettamento posteriore a 0,7 R: β r0,7r = 68,16 ; Peso elica senza ogiva: 62,9 kg.

16 La soluzione adottata Per il sistema di regolazione del passo è stato adottato il principio utilizzato per le eliche Hydromatic di Hamilton Standard, nella versione modificata per eliche controrotanti, realizzata nella tesi t dell Ing. Galotto, opportunamente ridimensionata per adattarsi alla presente elica: Radice della pala

17 La soluzione adottata Per il sistema di regolazione del passo è stato adottato il principio utilizzato per le eliche Hydromatic di Hamilton Standard, nella versione modificata per eliche controrotanti, realizzata nella tesi t dell Ing. Galotto, opportunamente ridimensionata per adattarsi alla presente elica: Crociera Gruppo pistone-camme anteriore

18 La soluzione adottata Per il sistema di regolazione del passo è stato adottato il principio utilizzato per le eliche Hydromatic di Hamilton Standard, nella versione modificata per eliche controrotanti, realizzata nella tesi t dell Ing. Galotto, opportunamente ridimensionata per adattarsi alla presente elica: Gruppo pistone-camme posteriore

19 La soluzione adottata Per il sistema di regolazione del passo è stato adottato il principio utilizzato per le eliche Hydromatic di Hamilton Standard, nella versione modificata per eliche controrotanti, realizzata nella tesi t dell Ing. Galotto, opportunamente ridimensionata per adattarsi alla presente elica: Regolazione del passo Cuscinetto assiale

20 La soluzione adottata Materiali impiegati: Acciaio 300 M AISI 4340: Indurito per nitrurazione ionica. Impiegato per camme, ruote dentate e rulli,, parti soggette ad usura. Presenta buona tenacità, durezza, resistenza. Titanio Ti6Al4V: Impiegato per scatole, crociere,pistoni e bulloni.. Buona duttilità, resistenza alla corrosione, stabilità alle alte temperature. Lega di alluminio T5: Impiegata per il duomo e l l involucro posteriore.. Lega di alluminio-silicio, leggera e facile da lavorare.

21 La soluzione adottata Materiali impiegati: Fibra di carbonio, M55J: prodotta da Toray America Corp. Utilizzata per le pale. Leggera e resistente. Tutti i materiali utilizzati sono di comune impiego nella industria aerospaziale

22 Conclusioni Da uno studio di massima è risultato vantaggioso l impiego l di un elica controrotante, la quale è in grado di fornire un elevato rendimento alla quota di metri, m e presenta inoltre le seguenti differenze rispetto ad un elica singola: Consistente diminuzione del diametro (da 4,1 m a 2,5 m); Aumento del rendimento indotto (dello 0,9%); Drastica diminuzione del peso; Aumento potenza trasformabile (da 220 CV a 250 CV); Minore probabilità del verificarsi di onde d urto d per compressibilità; Bilanciamento delle coppie giroscopiche; Minore probabilità del verificarsi del fenomeno del choking; Maggiore complicazione meccanica; Necessità di avere un propulsore con due alberi di uscita controrotanti; Diminuzione della spinta (da 900 N a 770 N).

23 Conclusioni Lavoro futuro: Durante un eventuale fase più approfondita del progetto potrà essere necessario ottimizzare il dimensionamento delle pale, e studiare i fenomeni di mutua influenza tra elica e velivolo. Potrà inoltre rendersi necessaria una fase di sperimentazione, con la realizzazione di un prototipo.