Studio di massima del fan di un convertiplano supersonico basato su uno studio NASA

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1 Studio di massima del fan di un convertiplano supersonico basato su uno studio NASA Tesi di Marco Bulgarelli Relatore Chiar.mo Prof.Ing Luca Piancastelli

2 Portanza e potenza richiesta per velivoli convenzionali e VTOL Il velivolo V/STOL può operare sotto le velocità convenzionali di stallo dei velivoli tradizionali, in una configurazione detta di hovering, ciò comporta una richiesta di potenza molto elevata e quindi un consumo di combustibile elevato.

3 Problema VTOL - Consumo di carburante. Un velivolo VTOL utilizza il 100% della potenza solo al decollo e all atterraggio, mentre in crociera il motore è utilizzato intorno al 30%. Quindi la turbina è molto svantaggiata avendo consumi specifici contenuti al 100% ed elevati al 30% (offdesign). Il diesel invece vanta una curva dei consumi specifici praticamente piatta.

4 Incidenti di velivoli sperimentali e di ricerca negli anni 60 V22 Osprey Velivolo P1127 Quello degli incidenti è un tema di rilievo, per quanto riguarda soprattutto velivoli sperimentali e di ricerca. Il velivolo VSTOL P1127 a deflessione della spinta offrì una visione più ottimistica per lo sviluppo di queste tipologie di velivoli.

5 Dimensionamento del lift fan Le richieste di progetto sono: Diametro massimo del fan: 700 mm Velocità di rotazione massima: rpm Potenza max assorbita: 9000 CV (6618 kw) Spinta necessaria: 2000 kgf (19.62 kn) CONFIGURAZIONE A TANDEM Lift fan Aircraft Design:A conceptual approach 1992 Daniel P.Raymer

6 Configurazione tandem del propulsore Aperture d aria ausiliarie Secondo fan Lift fan Ugello di scarico Blocker doors Aircraft Design: A conceptual approach 1992 Daniel P.Raymer Configurazione caratterizzata da un lift fan all ingresso per il volo verticale, e una presa d aria ausiliaria per il funzionamento del motore per mantenere in rotazione il lift fan. Un problema considerevole per questa tipologia è dato dalla transizione tra il volo verticale e quello orizzontale che può portare alla condizione di sourge e stallo del core. In volo verticale il flusso d aria all uscita del lift fan è deflesso verso il basso tramite dei blocker doors per generare la spinta necessaria. Il sistema non necessita di nessun riduttore di giri tra il lift fan e il motore.

7 LF460 (NASA CR ) Rapporto totale di pressione: 1.55 Efficienza del fan: Diametro di punta d ingresso: m Velocità del rotore: 4344 rpm Numero di pale rotoriche: 50 (I stadio), 70 (II stadio) Numero di pale statoriche: 27 Velocità del flusso d uscita: 261 m/s Spinta totale: kn Max potenza in VTO: kw Portata massica: 252 kg/s Ryan XV-5A

8 Applicazione della similitudine cinematica (* Similitudine cinematica 1: stessi triangoli di velocità, diametro 700 mm *) nnasa=4344; (*rpm*) DiametroNasa=1.448; (*m*) DiametroNostro=0.700; (*m*) Solve [DiametroNasa*nNasa=DiametroNostro*nNostro,nNostro] nnostro= rpm < rpm (condizione di progetto) Imponendo il diametro del fan a 700 mm, (valore max di progetto) si ottiene un valore della velocità di rotazione pari a rpm. Questo valore risulta maggiore, in particolare circa il doppio rispetto al numero di giri del fan originale. In base alle condizioni iniziali di progetto rappresenta un valore accettabile siccome è sotto ai rpm.

9 Calcolo della spinta del nostro lift fan nnostro= ; DiametroNasa=1.448 (*m*); DiametroNostro=0.700 (*m*); PortataMassicaNasa=252 (*kg/s*); AreaFanNasa=DiametroNasa^2*Pi/4 AreaNostro=DiametroNostro^2*Pi/4 SpintaNasa=83.89 (*kn*); DiskLoadingFanNasa=SpintaNasa/AreaFanNasa (*kn/m^2*) DiskLoadingFanNasa = N/m 2 SpintaNostro=(DiskLoadingFanNasa*AreaNostro) (*N*) SpintaNostro = kn Il valore della spinta ottenuto risulta accettabile per i parametri iniziali di progetto.

10 Calcolo della spinta e della potenza assorbita SpintaNostro= N SpintaNostrokgf=SpintaNostro*0.102 (*kgf*) Spinta in kgf: ( valore molto vicino ai 2000 kgf richiesti dalle condizioni iniziali di progetto) PortataMassicaNasa=252; (*kg/s*) VelocitaAriaUscita=261 (*m/s*); PotenzaNasa=20953 (*kw*); PortataMassicaNostro=SpintaNostro/VelocitaAriaUscita (*kg/s*) PotenzaNostro=PotenzaNasa*PortataMassicaNostro/PortataMassicaNasa (*kw*) PortataMassicaNostro = kg/s PotenzaNostro = kw Esprimendo la potenza in CV otteniamo: PotenzanostroCV=PotenzaNostro*1.36 del nostro lift fan PotenzanostroCV =8495 CV < 9000 CV (condizione limite di progetto)

11 Parametri di progetto delle pale Dai grafici presenti nel report è stato possibile ricavare i parametri caratteristici come lo spessore, la corda, angoli di stadio e curvatura dei palettamenti del lift fan a doppio stadio. Geometria della pala del II stadio rotorico

12 Applicazione della similitudine geometrica ed estrapolazione dei parametri per il dimensionamento (*Similitudine geometrica*) DiamNasa=1.448; (*m*) DiamNostro=0.700; (*m*) ScalaConversione=DiamNostro/DiamNasa Fattore di scala: Questo parametro rappresenta la scala di riduzione di tutte le dimensioni del lift fan originale, compresi diametri, angoli, spessori, lunghezze di pale, curvature. Sono stati ricavati i dati per il dimensionamento, e applicati successivamente per la modellazione degli schizzi dei profili palari.

13 Tabella dei dati per i palettamenti del primo stadio rotorico

14 Tabella dei dati per i palettamenti del secondo stadio rotorico

15 Tabella dei dati per i palettamenti dello stadio statorico intermedio

16 Disegno degli schizzi per la costruzione dei profili palari Dai dati ottenuti nelle tabelle precedenti e dai disegni presenti nel report sono state ricavate le pale rotoriche e statoriche per il nostro lift fan. Esecuzione degli schizzi dei profili per la pala rotorica I

17 Pale rotoriche e statoriche Pala stadio rotorico I Pala stadio statorico Pala stadio rotorico II

18 Complessivo del lift fan e relativa sezione Le caratteristiche di progetto trovate soddisfano i requisiti di progetto iniziali del nostro velivolo VTOL. In particolare si ha: Diametro del fan: 700 mm Spinta: kgf ( kn) Numero di giri: rpm Potenza: kw (8495 CV)

19 Conclusioni Lo studio del lift fan è stato ottenuto facendo riferimento al report NASA CR del lift fan LF460, configurazione peraltro molto simile alla nostra. Rimangono perplessità sulla fattibilità generale del progetto di massima a causa della complessità del sistema propulsivo tandem adottato e dei problemi generali riguardanti i velivoli VTOL.