Eliche avanzate per Mach 0,8 da crociera – II parte
Strategia e Difesa
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efficienza propulsiva, Mach 0.8, risparmio di carburante, rumore aerodinamico, Strategia e Difesa, turboprop avanzato 12 min read
Questa è “Strategia & Difesa”, numero 192 di marzo 1984.
Il risultato dei test aerodinamici
I dati dei risultati alla galleria del vento sono forniti in questo studio in termini di efficienza netta del propulsore. Questa consiste nella efficacia propulsiva delle sole pale dell’elica, dopo aver fatto le correzioni per isolare il flusso di trascinamento dell’ogiva e l’interazione delle turbolenze causate dalla vicinanza della gondola motore.
L’efficienza (netta, NET) e il coefficiente di potenza (Cp) calcolati a Mach 0,6 e 0,8 sono rappresentati per la SR-3 nella figura 11. I coefficienti sono stati basati su un diametro di riferimento dell’elica di 62,2 cm che era il diametro reale con le pale in posizione a bandiera. Per i modelli con eliche curve il diametro delle pale in movimento era leggermente più grande.
Il diametro dell’elica cambia con l’angolo delle pale e con la loro curvatura.
Per ciascun angolo e numero di Mach le eliche erano movimentate a vari livelli di potenza per ottenere la variazione dell’efficienza netta con rapporti diversi come mostrato dalla figura 11.
La potenza installata (SHP/D2) può essere descritta in termini di coefficiente dell’elica e in condizioni di flusso libero come:
Da questa equazione le linee di potenza installata costante sono state aggiunte alla figura 11 come percentuale del parametro di carico del progetto:
determinato alle condizioni operative di progetto con J = 3,06 e Cp = 1,7. I risultati a potenza installata costante sono stati calcolati con queste curve basiche. L’effetto della potenza installata e del rapporto di avanzamento sull’ efficienza netta a Mach 0,6 e 0,8 è mostrato nelle figure 12 e 13 rispettivamente.
Ciascuna combinazione ogiva/elica utilizzata è stata provata come un calcolo separato. La tipica variazione di efficienza con rapporto di avanzamento a una potenza installata costante e una curva con picco. La discesa dal picco con aumento del rapporto di avanzamento è dovuta alla combinazione di una più bassa efficienza ideale dovuta ai rapporti ad incremento del vortice e della più bassa spinta della sezione della pala al trascinamento (aumentando gli angoli relativi d’attacco).
A Mach. 0.8 la diminuzione dei risultati a basso rapporto d’avanzamento appare più severo per il modello SR-2 diritto che per quello con una configurazione curva e indica facilmente una precedente perdita di compressione nella regione della punta delle pale.
Sia a Mach 0,6 che a 0,8 la SR-1M appare avere meno perdita di risultati a un alto rapporto di avanzamento che la SR-1, cosa che può essere dovuta a una migliore distribuzione della torsione e della freccia.
Addizionando un’ogiva progettata con la regola delle aree al modello SR-1M migliorano i risultati a Mach 0,8 da un basso a un alto rapporto di avanzamento indicando una possibile riduzione delle perdite alla radice delle pale.
Il modello con curvatura di 45° (SR-3) che ha una ogiva progettata con la regola delle aree appare ottenere la maggior parte dei suoi migliorati risultati a un basso rapporto di avanzamento, se comparato alla migliore modello con curvatura di 30° dotato di ogiva progettata con le regola delle aree (SR1M). Questo indica il miglioramento per un aumentata curvatura riducendo la dimensione delle perdite di compressione alle punte delle pale.
In generale l’effetto di un carico di potenza ridotto ha portato un miglioramento nei risultati. Comunque, il risultato finale per l’aereo è un’elica più grande che può interferire con il disegno generale dell’aeromobile e causare un aumento del peso e dei costi. Il miglioramento dei risultati può più che sopperire a queste penalizzazioni, ma ciò dipende dalle applicazioni specifiche. Un completo studio dell’analisi delle missioni dell’aereo può determinare la desiderabilità di modificare l’elica al momento della progettazione per ottimizzare i risultati complessivi.
I risultati al 100% del carico di potenza e rapporto di avanzamento di progetto di 3,06 è stato ottenuto incrociando i calcoli delle figure 12 e 13 e anche ad altri numeri di Mach con lo stesso incrocio. Una somma dei risultati dei carichi di progetto della efficienza netta misurata per un numero di Mach da 0,6 a 0,85 è mostrata dalla figura 14.
Comparando le configurazioni a Mach 0,8 sì vede che ogni passo nel miglioramento del progetto fa diminuire un miglioramento dell’efficienza che si avvicina ai valori di studio usati per gli studi di efficienza del carburante tra le turboeliche e i turbofan. L’angolatura di 30° del SR-1 e SR-1M aumenta di circa l’1% il miglioramento (77%) sull’elica diritta SR-2 con un’efficienza del 75,8%.
Aggiungendo un’ogiva con la regola delle aree alla SR-1m si migliora i suoi risultati di una percentuale addizionale arrivando vicino al 78%. Il modello SR-3 con la sua angolatura di 45° e con ogiva con la regola delle aree ha non risultato più alto (78,7%) e un numero di Mach di progetto di 0,8 e ha un significativo miglioramento fino a Mach 0,85. Il miglioramento rispetto al modello SR-2 (o gradi di angolo) è di circa il 3% sul progetto. A Mach 0,6 e 0,7 la SR-1M (30°) e la SR-3 (45° di angolo) hanno circa la stessa efficienza di circa 1,81%. Questi risultati sono abbastanza incoraggianti e futuri modelli con 10 pale e une più bassa potenza installata potrebbero avere migliori capacità.
Risultati dei test acustici
In aggiunta ai dati dei risultati, sono stati anche effettuati misurazioni acustiche nel tunnel a vento Lewis (240x 180 cm) sui seguenti modelli: SR-2 (0° di angolatura) SR-1M (30°) con ogiva conica, SR-1M, SR-3 (45°).
Questi dati sono stati ottenuti da sei trasduttori di pressione montati nel cielo e nelle pareti come mostrato dalla figura 15. Le misurazioni sono state fatte con le eliche operanti vicino alle condizioni di progetto su un gamma di numeri di Mach da 0,6 a 0,85, ed anche con elica a bandiera per il modello SR-3. Sebbene il muro poroso del tunnel non sia fatto di materiale a permeabilità acustica e il livello assoluto di rumorosità sia soggetto di discussione a causa delle riflessioni, i dati ottenuti indicano che le informazioni circa la differenza di rumorosità tra le tre eliche sono utilizzabili.
Una bassa banda di analisi tra 0e 10.000 Hz, con una larghezza di banda di 26 Hz, sono mostrati dalla figura 16 comparandola SR-3 (45° di angolo) con la pala in posizione di crociera e a bandiera con trasduttori montati nel soffitto del tunnel leggermente sottovento rispetto al piano dell’elica. Il tono di passaggio della pala dell’elica e l’armonia sono visibilmente sopra il livello di fondo (eliche a bandiera) indicando che il rumore di fondo nel tunnel non era un problema rispetto al relativo livello di tono.
Sebbene non sia possibile provare definitivamente che i dati di rumorosità sono liberi da errori causati dalla riflessione, ci sono indicazioni che il problema non sia difficile.
I dati dai trasduttori laterali indicano anche una riduzione nel livello di rumorosità con la distanza. La direzionalità e il rumore che scendono con la distanza indica che le riflessioni del tunnel non sempre dominano i segnali di rumorosità diretta. Può essere che le aperture del tunnel e l’alta velocità non permettano l’aumento di un alto livello di riflessione. Queste osservazioni indicano che almeno il livello di tono trai vari disegni delle pale sono buoni.
Un raffronto della riduzione del rumore misurato in relazione alla SR-2 (0° di angolatura) è dato dalla figura 17 con il trasduttore nella posizione 3. L’SR1M (30gradidiangolatura) sembra essere meno rumorosa della SR-2. L’angolatura aerodinamica della SR-1M doveva ridurre il livello del rumore a causa della più bassa onda d’urto sulle punte delle pale inclinate di 30°. La SR-3 (45° di angolatura) era circa 5 o 6 dB meno rumorosa della SR-2 nel tono del passaggio della pala. Questa significante riduzione di rumore era in accordo con il valore previsto dal programma di analisi acustica (figura 16) dove il concetto di interferenza di fase è stato usato per progettare acusticamente la SR-3.
Piani futuri
Il progetto per una turboelica avanzata è stato messo a fuoco per quanto riguarda la necessità tecnologiche del futuro aereo commerciale. Comunque, gli incoraggianti risultati dell’elica e i risultati del rumore spiegati in questo studio potrebbero avere applicazioni commerciali specialmente nelle categorie con alte caratteristiche. I piani futuri della NASA per questo progetto comprendono le prove per altri quattro modelli di eliche che valuteranno i seguenti concetti: aumento del numero delle pale, profili aerodinamici aerocustici, più basse potenze installate e condizioni alternate di progetto e angolatura aumentata.
Numerosi programmi di analisi di eliche avanzate aerodinamicamente e acusticamente sono stati sviluppati recentemente o sono in via di sviluppo e dovrebbero facilitare la progettazione di questi modelli.
Questi programmi includono un’analisi di un’elica integrata con la gondola motore per eliche a singola e doppia rotazione l’analisi della superficie di portanza transonica tridimensionale, una analisi del campo della frequenza acustica con sorgenti di rumore non lineari quadruple. Inoltre, oltre ai lavori pianificati in acustica e aerodinamica, il Progetto per un’Elica Avanzata si indirizzerà per una tecnologia avanzata nell’aeroelasticità dell’elica, nella struttura delle pale e nelle tecniche di fabbricazione.
I lavori per una tecnologia avanzata dell’elica di questo progetto possono essere estesi agli aerei a più bassa essere velocità dell’aviazione generale. I lavori attualmente in corso alla NASA e inclusi nei piani di un programma chiamato GAP (General Aviation Propelier) si riferiscono ai risultati, al rumore. all’aeroelasticità e alle strutture composite in questa gamma di più basse velocità.
Note conclusive
Una turboelica avanzata potenziata da un turbofan per essere competitiva come proposto deve avere un’alta efficienza propulsiva alla velocità di Mach 0,8 sopra i 9144 m di quota con un rumore accettabile in cabina. Questo obiettivo richiede l’incorporazione di numerosi concetti avanzati sia aerodinamici che acustici.
L’elica deve essere progettata integralmente con il flusso di campo della gondola motore e avvantaggiarsi di tutte le soppressioni aerodinamiche possibili per superare le perdite di compressibilità relative a queste alte velocità di crociera.
Quattro eliche a otto pale sono state progettate impiegando vari concetti per ridurre le perdite di compressibilità. I risultati alla galleria del vento sono stati’ incoraggianti. Ciascun progetto appare dare qualche beneficio nei risultati.
La configurazione progettata aero acusticamente (SR-3) con le punte delle pale angolate di 45° e una ogiva progettata con la regola delle aree ha dato la più alta efficienza propulsiva (78,7% a Mach 0.8, rapporto di avanzamento 3,06, coefficiente di potenza 1,7) con un miglioramento di circa il 3% sulla configurazione a pale diritte (SR-2).
L’interferenza di fase, concetto di riduzione del rumore usato nella SR-3 ha dato circa 5 o 6dB di riduzione nei confronti della SR-2. Tecniche avanzate di progettazione aerodinamica e acustica hanno migliorato le caratteristiche dell’elica significativamente nelle applicazioni ad alta velocità. 1 prossimi raffinamenti includeranno la portanza, un’angolatura aumentata, più alto numero di pale, una più bassa velocità delle estremità delle pale e una potenza installata più bassa velocità e ci si può aspettare ulteriori progressi in questa importante area dei sistemi di propulsione a più alta efficienza energetica.
Era una rivista leader del settore, tanto che fu scritta in italiano e tradotta in inglese, francese ed arabo.
La storia della rivista è travagliata e all’epoca, per varie vicende, ebbe un destino infausto.
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