PROGETTO ELICA

Prima di entrare nel vivo dell'articolo sono necessariamente alcune premesse:

	l'elica in questione è stata progettata tenendo conto della motorizzazione e della vela in mio possesso, non è detto che la sua realizzazione ed il suo uso con motori e vele diverse dia le stesse performance;
	la realizzazione della stessa, anche se ampiamente documentata da foto e testo, implica necessariamente una buona conoscenza dei materiali compositi quali fibra di vetro e/o carbonio, kevlar, resine ecc. accompagnata da un buona "manualità " ;
	il calcolo di alcuni parametri relativi all'elica, ( fenomeni di rumorosità, compressibilità, viscosità cinematica) sono stati tralasciati o limitati all' indispensabile, a seguito delle limitate dimensioni della stessa e delle basse velocità di rotazione e di avanzamento impiegate;
	la realizzazione impiega la tecnica del master, successivamente la realizzazione dello stampo ed infine la realizzazione dell'elica vera e propria. Quest' ultima viene realizzata in due semi-pale unite al mozzo con incastro, al fine di ottenere due semipale quanto più possibile uguali geometricamente e sopratutto aerodinamicamente.

Ho suddiviso l'articolo in due sezioni:

	progettazione
	realizzazione;:

Cominciamo con la prima ...

Dopo alcuni mesi di studio su alcuni testi italiani ( pochi ) e inglesi ho capito il funzionamento di questa macchina atta a trasformare il moto circolare ( del mozzo alla quale è collegata ) in una spinta assiale perpendicolare al piano di rotazione. Non essendo dotato di software specifici e non essendo stato soddisfatto da quelli trovati in rete ( per lo più utilizzati per fini modellistici ...) ho seguito un classico schema di calcolo utilizzato dalla NACA nel report 339 del 1938 !!!

... Ok ! non sembra esattamente all'avanguardia ... ma quello che mi ha fatto decidere sono stati essenzialmente due fattori: il primo è che in un articolo sul report in questione alla domanda se si potevano ritenere ancora validi i parametri di calcolo, è stato risposto che l'aria dal 1938 ad oggi non è cambiata ( anche se in termini di respirabilità nutro qualche dubbio ...) !!! Il secondo ... di natura più semplice ... come già detto non disponendo di SW specifici era l'unica strada percorribile. Inoltre non volendo aprire una azienda di costruzioni aeronautiche ma facendo tutto per hobby e divertimento ho cercato di mantenere basse le spese, anche perchè non avrei saputo fino all'ultimo se la teoria avrebbe sposato la pratica ;-)))

Detto ciò, come prima cosa, per avere una prova tangibile che i calcoli fatti procedevano nella direzione giusta mi sono munito dell'attrezzo visibile nella foto1, con il quale ho rilevato i dati di un'elica in mio possesso.

foto 1

foto 2

Nella foto 3 il modo di utilizzo dello strumento. Dopo avere posizionato su un piano il mozzo dell'elica ed avere azzerato lo strumento (appoggiandolo sul mozzo) si procede alla misurazione delle varie sezioni dell'elica che sono state preventivamente tracciate con un pennarello dividendo il raggio dell'elica in 20 parti.

I dati fondamentali da raccogliere sono la distanza della singola sezione dal centro di rotazione, la lunghezza della corda (segmento che unisce il bordo d'uscita al bordo d'entrata ) e l'angolo di incidenza.

Il tutto è stato inserito in un foglio excel per essere confrontato con i calcoli eseguiti sull'elica in progetto per rilevare eventuali discordanze.

(foto 1) Questo strumento è un prova incidenze e viene venduto nei negozi di modellismo; serve per controllare il giusto calettamento (incidenza) dell'ala rispetto al piano di quota degli aeromodelli. Ovviamente la scala graduata che va fino 10° è un po' pochina per il controllo di un'elica e quindi con autocad ho fatto una mascherina che incollata su un pezzo di compensato e successivamente ritagliata, è andata a sostituire l'originale come si vede nella foto 2.

La maschera è scaricabile da qui ed è in formato pdf.

foto 3

N° SEZIONI	Angolo calettamento misurato con il prova incidenza	Lunghezza della corda in mm	RAGGIO in metri	r/R	Velocità in m/s di rotazione dell'elica
0	ASSE	77,5	0,000	0,00	0,0
1	MOZZO	75,0	0,052	0,08	12,06
2	25,5	95,0	0,097	0,16	22,36
3	22,5	100,0	0,118	0,19	27,40
4	20,5	110,0	0,149	0,24	34,52
5	19,2	117,0	0,180	0,29	41,65
6	18,5	120,0	0,211	0,34	48,88
7	17,7	120,0	0,243	0,40	56,33
8	17,0	118,0	0,274	0,45	63,57
9	16,2	115,0	0,308	0,50	71,24
10	15,5	112,0	0,339	0,55	78,47
11	13,5	110,0	0,369	0,60	85,49
12	13,5	106,0	0,400	0,65	92,72
13	12,5	102,0	0,431	0,70	99,96
14	11,0	97,5	0,464	0,75	107,41
15	9,8	92,0	0,495	0,80	114,64
16	8,5	82,0	0,525	0,85	121,66
17	7,5	69,0	0,555	0,90	128,67
18	6,5	56,0	0,587	0,95	135,90
19	6,5	30,0	0,615	1,00	142,48

Questa tabella riguarda l'elica in mio possesso che ha una apert.. pardon ! diametro ... di 1230 mm ed il passo sconosciuto ... l'ultima colonna a destra riguarda la velocità periferica ed è ottenuta moltiplicando i giri motore al secondo ( ad una certa velocità di rotazione ) per il rapporto di riduzione (di un eventuale riduttore, se presente ) per il raggio ( della sezione considerata ) per 2 * pi greco.

La progettazione si basa sulla teoria alare ( a me più consona ...) anzichè su quella impulsiva, inoltre non sono state considerate ne la campanatura principale , ne quella secondaria, demandando la resistenza delle sollecitazioni al materiale impiegato che, nel mio caso, risulta essere un composito di Kevlar - Carbonio. Ovviamente se si decidesse di realizzare l'elica con materiali diversi ( ad esempio legno ) sarebbe d'obbligo considerarle.

Dopo tutto il lavoro fatto sull'elica in legno , sono entrato in possesso di un'elica di una nota marca tedesca, in materiale composito, di conseguenza ho dovuto ripercorrere ex novo tutto il procedimento di rilevamento in quanto questa ultima sicuramente più precisa .

CARBON 125

N° SEZIONE

DISTANZA DAL MOZZO in metri
r/R

LUNGHEZZA DELLA CORDA IN mm.

CALETTAMENTO

PASSO in metri

0

0,000

100

0,0

0,00

1

0,053

97,5

0,0

0,00

2

0,098

92

15,0

0,17

3

0,120

89

23,0

0,32

4

0,151

88,4

23,3

0,41

5

0,183

91

22,0

0,46

6

0,214

94

20,3

0,50

7

0,247

96,5

19,0

0,53

8

0,279

98,5

18,0

0,57

9

0,313

100,5

16,5

0,58

10

0,344

101,8

15,8

0,61

11

0,375

102,5

14,8

0,62

12

0,407

103

13,8

0,63

13

0,438

102,2

12,8

0,62

14

0,471

99,3

12,0

0,63

15

0,503

96,2

11,0

0,61

16

0,534

90,5

10,5

0,62

17

0,564

81,8

9,5

0,59

18

0,596

67,5

8,5

0,56

19

0,625

45

8,0

0,55

Inizialmente avevo deciso di realizzare un'elica in composito costruendo il master, lo stampo ecc ecc, successivamente, in seguito al rilevamento dell'elica in carbonio, mi sono reso conto che l'intero inviluppo delle sezioni era tale per cui bene si sarebbe prestata alla realizzazione di quello che da sempre mi frulla per la testa e precisamente, l'elica a PASSO VARIABILE.

Sfatiamo subito alcune voci di corridoio che la danno come inutile per il paramotore (falso ), costosa ( vero, ma in realtà il vero costo sta nel mozzo, le pale costano come le altre pale in composito ).

Non mi dilungo sulla teoria dell'elica di cui potete trovare tanto in rete, si sappia però che l'elica fissa lavora alla sua massima efficienza solo ad un determinato numero di giri ACCOPPIATO ad una determinata velocità di avanzamento

Se consideriamo un’elica vista lateralmente, sezionata ad una certa distanza dall’asse di rotazione mediante un piano perpendicolare al raggio (figura a lato) ; nelle reali condizioni di volo, quando cioè l’elica ruota e, contemporaneamente, avanza nell’aria, la situazione aerodinamica sulla sezione considerata risulta essere la seguente :

U= velocità di rotazione; V=velocità di volo; W=risultante= velocità relativa tra sezione e aria;

β= angolo di calettamento; α=angolo di incidenza;

γ=angolo di funzionamento o di avanzamento.

Quello che mi preme fare notare è che, all’aumentare di U o di V, si modifica l’inclinazione di W.

Come detto all'inizio le varie fasi sono la progettazione e la realizzazione anche se, in effetti,

Siccome l’angolo di incidenza α della sezione di pala dipende da W, va da sè che la modifica di un valore comporta la modifica dell’altro. L’angolo α di maggior efficienza di un profilo viene studiato in galleria del vento e dipende sostanzialmente dalla forma del profilo e dal “Numero di Reynolds”, tale numero, senza complicare troppe le cose, è legato alla lunghezza del corpo alla velocità con la quale incontra l’aria.

Per concludere, facendo sempre riferimento alla figura sopra, risulta evidente come all’aumentare del numero di giri ( U ) o della velocità di avanzamento ( V ) sia necessario un dispositivo che adegui di conseguenza l’angolo di incidenza α, al fine di mantenere il profilo in condizioni di lavoro di massima efficienza.

Risulta ovvio, che se poi uno si accontenta, vanno bene anche le eliche fisse usate fino ad ora … che però sono realizzate cercando un compromesso tra le varie velocità di volo (decollo, salita, crociera) e che non lavorano quasi mai al loro rendimento migliore.

Come detto all'inizio le varie fasi sono la progettazione e la realizzazione anche se, in effetti, la progettazione riguarda più il mozzo e l'attacco della pala, mentre la realizzazione riguarda lo stampo della pala ed alcuni accorgimenti per la modifica dell'attacco.

La realizzazione dello stampo

foto 4

foto 6

foto 8

foto 5

foto 7

foto 9

Progetto e realizzazione di un'elica in composito

Cominciamo con la prima ...

La realizzazione dello stampo