UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
Studio di fattibilità di un’elica
ad alta velocità angolare
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
ELABORATO FINALE DI LAUREA
In
Disegno Tecnico Industriale
Candidato:
Marco Domeniconi
Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori: Prof. Ing. Franco Persiani
Prof. Ing. Alfredo Liverani
Dott. Ing. Veronica Rossi
- Anno Accademico 2003/2004 - Sessione I -
• 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
PROBLEMATICHE
ELICA SPINTA ASSIALE
Scopo di questa tesi è di far fronte ai problemi riguardanti l’elica
• 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;
Vibrazioni torsionali: con riduttoreTao Armoniche
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1000 2000 3000 4000
giri/min
MP
a
Ordine 0,5
Ordine 1
Ordine 1,5
Ordine 2
Ordine 2,5
Ordine 3
Ordine 3,5
Ordine 4
Ordine 4,5
Ordine 5
Ordine 5,5
Ordine 6
Ordine 6,5
Ordine 7
Ordine 7,5
Ordine 8
Ordine 8,5
Ordine 9
Ordine 9,5
Ordine 10
Ordine 10,5
Ordine 11
Ordine 11,5
Ordine 12
Lloyd fc
Lloyd ft
• notevole picco di tensione all’avviamento
• necessità di mantenere il minimo del motore sopra ai 1100 rpm
• invecchiamento del materiale polimerico del giunto elastico
Vibrazioni nel collegamento direttoTao Armoniche
0
20
40
60
80
100
120
140
0 1000 2000 3000 4000
giri/min
MP
a
Ordine 0,5
Ordine 1
Ordine 1,5
Ordine 2
Ordine 2,5
Ordine 3
Ordine 3,5
Ordine 4
Ordine 4,5
Ordine 5
Ordine 5,5
Ordine 6
Ordine 6,5
Ordine 7
Ordine 7,5
Ordine 8
Ordine 8,5
Ordine 9
Ordine 9,5
Ordine 10
Ordine 10,5
Ordine 11
Ordine 11,5
Ordine 12
Lloyd fc
Lloyd ft
I picchi di tensione sono fuori dal regime di
funzionamento del motore
Albero di
collegamento
• Realizzazione di pale in fibra di carbonio da accoppiare a mozzo commerciale per eliche a passo variabile con pale in alluminio
• M55J TORAYCA, miglior compromesso prestazioni / affidabilità
• 40% resina epossidica di ultima generazione
• 60% carbonio
Caratteristiche:
Ex = 172000 MPa
Ey = 30000 MPa
Ez = 30000 MPa
Gxy = 58000 MPa
Gyz = 10000 MPa
Gxz = 10000 MPa
μ = 0.3
ρ tot = 1900 Kg/m3
σr = 2000 MPa
• La modellazione della nuova pala costituente l’elica viene effettuata tenendo conto della velocità angolare massima ipotizzata pari a 3800rpm…
v= ω∙r ω= (2∙π∙n)/60
vmax= r∙(2∙π∙n)/60
rmax= vmax∙60/(2∙π∙n)
se consideriamo vmax = 0.9 vsuono
La quota max di crociera è 6000 metri.
A questa altitudine
vsuono= 648 Knots = 1170 Km/h ≈ 325 m/s
vmax = 0.9 vsuono= 290 m/s
rmax= vmax∙60/(2∙π∙n) ≈ 0.735m ≈ 735mm
dove:
v = velocità periferica
ω = velocità angolare
n = rpm
vsuono = velocità sonica
rmax = raggio elica massimo
• …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.
• 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
• Sezione 1 (10 strati)
• Sezione 2 (16 strati)
• Sezione 3 (22 strati)
Risultati dell’ analisi ad elementi finiti:
• Con una velocità dirotazione di 398rad/sec(regime max), le tensioniσ sono massime inprossimità della radicedell’elica e minime nelsettore periferico evalgono:
σmin = 0.511549 MPa
σmax = 825.538 MPa
Ricordando che la tensione dirottura (σr) dell’ M55J è2000 MPa ed essendo ilcarico praticamente statico sipuò affermare la possibilerealizzazione concreta delprogetto in quanto ildimensionamento della pala ècorretto e l’analisi ad elementifiniti risulta ampiamentesoddisfacente.
ωmax = 398 rad/sec ≈ 3800 rpm
σmin = 0.511549 MPa
σmax = 825.538 MPa
σr = 2000 MPa
σmax << σr
Peso complessivo = 0.70292 Kg ≈ 700 g
• SCOPO: 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 (2000 –2900rpm).
• Utilizzo di un mozzo commerciale tipo “Hamilton Standard” a passo variabile concepito per pale in alluminio.
• RISULTATO: 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.
