di  -  lunedì 10 giugno 2013

Riprendiamo il discorso sui mezzi propulsivi aeronautici proseguendo con la propulsione ad elica, ed andando ad esaminare maggiormente in dettaglio il funzionamento di un’elica aeronautica.

UNA SORTA DI “ALA MOBILE” PER LA PROPULSIONE

L’elica , come brevemente anticipato due post fa, non è altro che una sorta di ala mobile, il cui moto è la composizione del moto di rotazione dovuto all’azione del motore e del moto di avanzamento della stessa nel fluido in cui è immersa (aria nel caso di eliche aeronautiche), condizione differente rispetto alle ali dell’aereo che viaggiano alla velocità di avanzamento del velivolo stesso.

A causa della composizione del moto di avanzamento e di rotazione, il moto complessivo dell’elica (valutato da un osservatore posto sulla pala) è roto-traslatorio, (analogo a quello di una semplice vite o di un cavatappi) e si possono individuare alcuni parametri molto importanti:

  • Passo geometrico dell’elica: il passo geometrico dell’elica rappresenta la distanza teorica percorsa dall’elica durante l’avanzamento dovuto ad un suo giro completo;
  • Passo reale o Avanzamento: rappresenta il reale avanzamento dell’elica nel flusso, e differisce da quello geometrico di una quantità, indicatrice (anche se non utilizzata per la sua definizione) del rendimento dell’elica, denominata Regresso;

passo_elica

(Passo geometrico, reale e Regresso dell’elica)

Nella figura soprastante sono rappresentati i parametri appena esposti.

Il funzionamento dell’elica può venire schematizzato in maniera semplice considerando il suo profilo in moto rispetto ad un flusso in quiete, e dalla loro interazione è immediato rilevare che l’azione dell’elica consiste nell’accelerare il flusso tra la sezione a monte e quella a valle generando così un’azione di spinta del fluido al quale corrisponde, per la 3a Legge della Dinamica un’azione uguale ed opposta che porta l’elica (e quindi il velivolo) ad avanzare.

Tale azione è strettamente dipendente dall’angolo di incidenza del flusso con il profilo palare, individuato dal calettamento dell’elica rispetto al mozzo.

Guardando l’elica in un piano meridiano è possibile individuare il triangolo di velocità che la caratterizza:

profilo_elica

(Sezione palare e triangolo di velocità)

In figura la velocità V è diretta verso il basso in quanto rappresenta la velocità dell’aria accelerata e non la velocità di avanzamento dell’elica che risulterà opposta.

Nella seguente figura sono rappresentate due differenti condizioni di incidenza della pala alle quali corrispondono differenti velocità di avanzamento:

Ipitch

(Sezione palare e triangolo di velocità per due condizioni di incidenza – Courtesy of www.phy6.org)

Poiché la pala è ben più complessa di un semplice profilo visto in sezione, è necessario considerare anche altri fattori per una analisi più dettagliata, in particolare è importante ricordare che la pala si estende per una certa lunghezza, ed allontanandosi dall’ogiva (il mozzo al quale risultano infulcrate le pale) verso la periferia si rileva una velocità dovuta al moto di rotazione sempre crescente in data dal prodotto tra la velocità angolare dell’albero motore (costante) per la distanza del punto considerato dal mozzo, pertanto al fine di ottenere una pala efficiente è necessario procedere allo svergolamento delle pale in modo da mantenere costante il più possibile la portanza lungo tutta la pala.

L’ELICA ED IL SUO IMPIEGO

Per quanto precedentemente esposto risulta evidente l’intrinseca complessità dell’elica soprattutto pensando al suo impiego vero e proprio, basti solo immaginare la variabilità delle condizioni che si incontrano durante il volo e le problematiche che pertanto devono essere affrontate da questo sistema propulsivo tanto vecchio quanto sofisticato.

Una prima considerazione, che nasce da quanto sopra esposto (seppure in maniera sintetica ed incompleta) è quella relativa all’accoppiamento con il motore, fattore basilare per il suo corretto funzionamento.

Tale problema nasce dalla necessità di fare operare l’elica in un range di velocità tali da massimizzare il rendimento dell’elica stessa (dato dal rapporto tra l’energia propulsiva prodotta e l’energia spesa dal motore) al fine di massimizzare l’autonomia del velivolo, contemporaneamente senza incorrere in condizioni critiche per le pale quali la perdita di portanza ed il conseguente stallo dell’elica.

A tal fine vengono utilizzate varie soluzioni in combinazione tra loro:

  • Riduttore di giri: permette di ridurre opportunamente il numero di giri dell’albero al quale è collegata l’elica rispetto al numero di giri del motore (generalmente molto elevato, soprattutto per la soluzione TurboElica);
  • Calettatura variabile: questa soluzione permette di variare l’incidenza delle pale e di conseguenza si ottiene una variazione del passo, permettendone un funzionamento più efficiente in quanto è possibile adeguarne il funzionamento alle vari condizioni di volo;

La soluzione del calettamento variabile non viene applicata su tutti i sistemi ad elica in quanto richiede dispositivi di una certa complessità e robustezza, ed è giustificata soprattutto per i velivoli di dimensioni rilevanti, mentre per i piccoli aerei da turismo si possono adottare eliche a passo fisso oppure variabile a terra (soluzione che permette di variare il passo solo a terra, modificando manualmente il calettamento delle pale).

Oltre a quanto esposto non si deve trascurare che un velivolo non opera esclusivamente in volo livellato, pertanto una qualunque manovra si rifletterà anche sulle pale dell’elica andando a modificare l’angolo di incidenza effettivo con il flusso e rendendo complessa la gestione del volo.

A tutto ciò bisogna ancora aggiungere che l’incidenza delle pale si ripercuote anche sulla resistenza all’avanzamento del velivolo, pertanto al variare della velocità di avanzamento si ha una variazione della resistenza allo stesso, e solo mediante la variazione dell’incidenza delle pale risulta possibile contrastarlo entro certi limiti senza incrementare la potenza richiesta al motore.

Con questo si chiude anche questa breve trattazione del funzionamento dell’elica, trattazione che vuole essere solo introduttiva in quanto esistono svariati testi che trattano la dinamica del volo e le problematiche ad esso connessa.

Vi saluto e vi raccomando di continuare a seguirci anche lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.

5 Commenti »

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  • # 1
    betalab
     scrive: 

    Come sempre articolo molto interessante!
    Curiosità: che quota può raggiungere mediamente un turboelica? Se non sbaglio volano più bassi e velocità minori rispetto a turbofan, qualcuno conosce qualche dato (magari di aerei simili ma uno turbofan e uno turboelica) di altitudine max e velocità max? giusto per fare un confronto ;)

  • # 2
    Roberto
     scrive: 

    Un piccolo appunto, il calettamento dell’elica non influisce sulla resistenza dell’aereo. In pratica la forza aerodinamica generata dai profili si può scomporre in due componenti, una nella direzione del moto, che è appunto la spinta fornita dall’elica, ed un’altra nella direzione perpendicolare alla pala e compresa nel piano di rotazione del rotore, questa (moltiplicata per la velocità di rotazione) è la potenza assorbita dall’elica. L’unico contributo che un’elica da’ alla resistenza dell’aereo è dovuto all’interazione della scia dell’elica stessa con le superfici dell’aereo (ma questa è di difficile interpretazione).

  • # 3
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ betalab

    a titolo di esempio:

    Turboelica
    ATR 72: Velocità max circa 500 km/h – Quota circa 7600 m
    Antonov An22: Velocità max 740 km/h – Tangenza 10000 m

    Il secondo è però un velivolo militare, seppure datato…

    Un aereo turbojet/turbofan (non supersonico) può volare indicativamente tra gli 800 ed i 950 km/h ad una quota superiore ai 10000 m, mentre spostandosi in campo militare le quote aumentano (il B-52 raggiunge i 15000 di tangenza)

    @ Roberto

    a parità di angolo di incidenza, se aumenta la velocità di rotazione del motore aumenta anche la resistenza che il profilo subisce, e questo limita la velocità massima raggiungibile. Agendo sul calettamento (entro certi limiti) è possibile aumentare la velocità del velivolo senza aumentare con la stessa proporzione la resistenza… in realtà il fenomeno è più complesso, perché gli angoli di incidenza dei profili non possono essere spinti oltre certi valori, pena il crollo della portanza dello stesso e lo stallo, ed anche questo è uno dei limiti da tenere in considerazione

  • # 4
    Roberto
     scrive: 

    Simone, un attimo.
    Se parliamo di resistenza del velivolo, allora il calettamento c’entra poco, se non in maniera estremamente indiretta.
    Se parliamo di resistenza della pala, allora possiamo infilarci il calettamento, unito a tanti altri fattori.

  • # 5
    Tobe Bofh
     scrive: 

    Il Piaggio P180 (doppia turboelica spingente) opera ad una velocità di 750 Km/h ad una quota operativa di 12.500m , più del’Antonov 22. ;)

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