Studio di fattibilità di un elica ad alta velocità angolare

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BLGNA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica ELABRAT FINALE DI LAUREA In Disegno Tecnico Industriale Studio di fattibilità di un elica ad alta velocità angolare Candidato: Marco Domeniconi Relatore: Correlatori: Prof. Ing. Luca Piancastelli Prof. Ing. Franco Persiani Prof. Ing. Alfredo Liverani Dott. Ing. Veronica Rossi - Anno Accademico 2003/ Sessione I -

2 L elica è da installarsi su propulsore endotermico alternativo ad accensione per compressione di derivazione automobilistica, rivisto ed elaborato, in grado attualmente di fornire una potenza di 165 Hp e una velocità di rotazione max di 3800rpm

3 PRBLEMATICHE ELICA SPINTA ASSIALE Scopo di questa tesi è di far fronte ai problemi riguardanti l elica

4 Diminuzione considerevole del peso (circa 25 Kg); Eliminazione degli attriti degli ingranaggi, quindi maggior efficienza complessiva; Eliminazione del giunto elastico, situato all interno del riduttore, quindi aumento di affidabilità (il giunto elastico è soggetto a usura e necessita di costanti controlli); Diminuzione quindi dei costi di manutenzione del velivolo;

5 MPa Vibrazioni torsionali: con riduttore Tao Armoniche giri/min Ll Ll notevole picco di tensione all avviamento necessità di mantenere il minimo del motore sopra ai 1100 rpm invecchiamento del materiale polimerico del giunto elastico

6 MPa Vibrazioni nel collegamento diretto Albero di collegamento Tao Armoniche giri/min Ll Ll I picchi di tensione sono fuori dal regime di funzionamento del motore

7 Realizzazione di pale in fibra di carbonio da accoppiare a mozzo commerciale per eliche a passo variabile con pale in alluminio

8 M55J TRAYCA, miglior compromesso prestazioni / affidabilità 40% resina epossidica di ultima generazione 60% carbonio

9 Caratteristiche: Ex = MPa Ey = MPa Ez = MPa Gxy = MPa Gyz = MPa Gxz = MPa μ = 0.3 ρ tot = 1900 Kg/m 3 σ r = 2000 MPa

10 La modellazione della nuova pala costituente l elica viene effettuata tenendo conto della velocità angolare massima ipotizzata pari a 3800rpm

11 v= ω r ω= (2 π n)/60 v max = r (2 π n)/60 r max = v max 60/(2 π n) se consideriamo v max = 0.9 v suono La quota max di crociera è 6000 metri. A questa altitudine v suono = 648 Knots = 1170 Km/h 325 m/s v max = 0.9 v suono = 290 m/s r max = v max 60/(2 π n) 0.735m 735mm dove: v = velocità periferica ω = velocità angolare n = rpm v suono = velocità sonica r max = raggio elica massimo

12 con una velocità angolare maggiorata all albero, la punta dell elica, a parità di dimensioni, entra in regime supersonico. Questo significa che il raggio dell elica viene diminuito di circa 200. Si ha così che la spinta non risulterà più sufficiente. Si opterà quindi per una soluzione a tre pale anziché a due sempre utilizzando un mozzo commerciale.

13 Il laminato, costituito da più strati dello spessore di 1/10mm, non è mai inferiore a 1mm per motivi di fruibilità. Ciascuno strato è orientato differentemente rispetto al precedente al fine di conferire al laminato una maggiore resistenza. La pala, in funzione dello sforzo cui è sottoposta, è suddivisa in tre sezioni: 1 (sezione periferica) 10 strati = 1 mm 2 (sezione mediana) 16 strati = 1.6 mm 3 (sezione della radice) 22 strati = 2.2 mm

14 Sezione 1 (10 strati) Sezione 2 (16 strati) Sezione 3 (22 strati)

15 Risultati dell analisi ad elementi finiti: Con una velocità di rotazione di 398rad/sec (regime max), le tensioni σ sono massime in prossimità della radice dell elica e minime nel settore periferico e valgono: σ min = MPa Ricordando che la tensione di rottura (σ r ) dell M55J è 2000 MPa ed essendo il carico praticamente statico si può affermare la possibile realizzazione concreta del σprogetto max = in quanto MPa il dimensionamento della pala è corretto e l analisi ad elementi finiti risulta ampiamente soddisfacente.

16 ω max = 398 rad/sec 3800 rpm σ min = MPa σ max = MPa σ r = 2000 MPa σ max << σ r Peso complessivo = Kg 700 g

17 SCP: verifica di fattibilità strutturale di un elica a passo variabile in grado di sopportare velocità angolari superiori (3800rpm) a quelle usuali per eliche certificate di aeroplani leggeri ( rpm). Utilizzo di un mozzo commerciale tipo Hamilton Standard a passo variabile concepito per pale in alluminio. RISULTAT: l impiego di un composito in carbonio, consente di ridurre i pesi in maniera così rilevante rispetto all alluminio (grazie a una resistenza a trazione pari a quattro volte rispetto di un 2024 e una densità quasi dimezzata) da non porre problemi resistenziali rilevanti. Questo è ulteriormente migliorato dal fatto che le pale, dovendo rimanere subsoniche in ogni condizione di volo, risultano essere accorciate rispetto alle originali considerate di 200 mm. Proprio per questo motivo, al fine di ottenere spinte equivalenti, è necessario utilizzare eliche tripala in luogo delle bipala originali sempre con mozzi commerciali.