Potenza negli aerei ad elica

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Ciao a tutti,

vorrei sapere l'importanza della potenza negli aerei ad elica, in quanto ho notato che aerei con potenze simili hanno prestazioni nettamente differenti (nonostante dimensioni e pesi simili). Ad esempio ultraleggeri biposto con 100 cv hanno una velocità massima che varia da 200 ad oltre 300 km/h. E' tutta una questione di configurazione alare e di tipo di elica? E' inutile avere troppa potenza perchè l'elica perde di efficienza quando le pale raggiungono la velocità del suono?

[Flaggy]

Gli ultraleggeri sono una categoria molto particolare che vede aerei molto grezzi e dall’aerodinamica non particolarmente avanzata nello stesso calderone di capolavori di aerodinamica e materiali compositi col carrello retrattile e velocità più elevate (magari anche di stallo però).

I motori gira e rigira son sempre quelli (spesso e volentieri dei Rotax), ma l’aerodimamica può essere molto diversa. Si può puntare sulla velocità massima oppure sulla controllabilità a bassa velocità e sulle velocità di stallo ridicole.

 

Comunque per aerei relativamente lenti il problema della velocità del suono alle estremità delle pale non è presente proprio perchè alla velocità di rotazione dell’elica, si somma una velocità di avanzamento bassa.
Fermo restando che un motore più potente pesa e consuma di più (e quindi magari non è compatibile con il peso che si vuole avere) oppure anche solo costa di più, mettere più potenza sotto il cofano di un piccolo aereo è una cosa (quanto meno dal punto di vista propulsivo) relativamente facile da fare, scaricandola su un’elica più grande, a maggiore corda, con più pale o con una velocità di rotazione più grande. Insomma c’è margine prima di arrivare alla frutta.

 

Alla frutta ci arrivi con aerei più grossi e veloci (oltre i 700km/h).
Lì ti giochi tutte le carte: aumenti il diametro dell’elica, la corda e il numero delle pale (e quando sono tante metti pure due eliche controrotanti) e usi pesino delle pale a forma di scimitarra per massimizzare la velocità di rotazione tenendo lontani i problemi di comprimibilità alle estremità, un po’ come si fa con con le ali dei velivoli veloci che sono a freccia.

 

É al di sopra dei 500-600 km/h che aumenti considerevoli di potenza non portano a variazioni di velocità pazzesche proprio perchè più ti avvicinarsi ai limiti di questa formula propulsiva e meno questa diviene efficiente (non a caso si passa al turbofan).
Quando si stà ben sotto tali limiti, giocando con aerodinamica, pesi, potenze e costi del prodotto si possono anche ottenere risultati molto diversi dal punto di vista delle prestazioni.

Modificato 14 Marzo 2018 da Flaggy

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Credo che il problema della velocità delle pale ci sia anche alle basse velocità di avanzamento (200 km/h). Esempio: il Tecnam P92 con motore Rotax da 100 cv e 5800 giri/min utilizza un riduttore 1:2,43.

[Flaggy]

Il riduttore lo usi a prescindere se vuoi ottimizzare le velocità di rotazione del motore (alta) e dell’elica (necessariamente più bassa) e di per se stesso non è che sia indice di un’elica che all’estremità abbia problemi apocalittici.

 

Quando dico che ci sono margini, non intendo dire che puoi prendere il riduttore e buttarlo facendo girare l’elica 2.43 volte più veloce di quello per cui è stata progettata…

Se fai girare a 5800 giri al minuto un’elica come quella, la mandi decisamente dove non deve andare…con le estremità che si ritrovano a ruotare a ben oltre 500m/s quando la velocità del suono è intorno ai 340 a 20°C e quota 0.

Se però ci metti il riduttore ti ritrovi ben sotto, a poco più di 200m/s, con un bel margine anche per aggiungerci 50-80 m/s della velocità di avanzamento.

 

Non ho detto che un’elica piccola possa impunemente aumentare la velocità di rotazione, ma come naturale su quell’aereo non si son spremuti particolarmente per farla girare più veloce e certo non hanno fatto le pale a scimitarra (a che pro incasinarsi la vita?), segno che, oltre a poter lavorare su tutti gli altri fronti per adeguare l’elica a potenze diverse (il P92 ad esempio lo si vede con elica a 2 o 3 pale), potrebbero farlo lavorando anche sulla velocità di rotazione. Come detto è poco utile per questi velivoli, che hanno modi più semplici ed efficaci per farlo.

 

La velocità di rotazione incide parecchio, perché la portanza generata da una sezione di pala va col quadrato della velocità in quella sezione, quindi è ovvio che si cerchi di farla girare più veloce possibile, ma questo viene fatto compatibilmente col suo diametro e ovviamente con il design più o meno sofisticato delle pale scelte.

 

Comunque, tornando al punto iniziale, il Tecnam P92 è un aereo con carrello fisso e ala controventata: dico solo di non stupirti più di tanto se con lo stesso motore si possa fare un aereo che vada più veloce.

Modificato 14 Marzo 2018 da Flaggy

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Quindi per le prestazioni di un aereo ad elica (soprattutto relativamente semplice e lento) la potenza del motore è un fattore secondario? La velocità di rotazione dipende più dal numero e dal tipo di pale scelto rispetto alla potenza? Per questo il Rotax da 100 cv è usato su altri ultraleggeri che arrivano abbondantemente oltre i 300 km/h?

[Flaggy]

La potenza non è mai una cosa secondaria: il motore è sempre in stretta correlazione con il velivolo e con le prestazioni richieste, che sono ben più della semplice velocità massima. Ad esempio un velivolo STOL potrebbe avere un’aerodinamica non particolarmente adatta alle alte velocità per tenere bassa la velocità di stallo, ma potrebbe comunque avere una potenza elevata per accorciare la corsa di decollo. Questo indipendentemente dal fatto che l’aerodinamica non gli consenta velocità massime che su altri aerei quelle potenze potrebbero garantire.

 

La velocità di rotazione, il diametro, la forma e il numero delle pale dell’elica sono tutte cose in stretta correlazione fra loro e la scelta dell’elica dipende dalle prestazioni richieste: solitamente un’elica viene dimensionata ottimizzandone le caratteristiche sulla velocità di crociera dove deve generare la trazione richiesta con la più alta efficienza possibile.
Dato un certo peso e una certa aerodinamica è nota la potenza necessaria per mantenere la velocità di crociera alla quota di crociera e con essa si sceglie il motore. Nota la velocità, la quota, la potenza del motore e il numero di giri ottimale dell’albero di quel motore+riduttore, si sceglie la famiglia di eliche con una forma e numero di pale definito (e qui la scelta non è che sia univoca) e si ricava il diametro dell’elica in modo che il numero di Mach all’estremità sia intorno a 0.75 e 0.8 per le applicazioni più...umane.

 

Non è che sia un procedimento così semplice: bisogna sbattersi con formule e grafici in cui “divertirsi” andare a trovarsi cose simpatiche come il coefficiente di scelta, il rapporto di funzionamento e l’angolo di pala al 75% del raggio.

Modificato 14 Marzo 2018 da Flaggy

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Come è possibile allora che aerei di dimensioni e pesi uguali, velocità di stallo simili, ma con velocità di crociera nettamente diverse (oltre 100 km/h di differenza) abbiano lo stesso motore? Secondo il mio parere da inesperto questo significa che la potenza non è determinante, almeno per i motori moderni che hanno favorevoli rapporti peso/potenza anche nelle versioni più economiche. Ad esempio per il P92 mi dicevano che sarebbero sufficienti 80 cv. Cosa ne pensi?

[Flaggy]

Questi due aerei è richiesto abbiano lo stesso carico pagante, la stessa velocità di crociera e la stessa autonomia? Hanno gli stessi profili e superfici alari? Sono dotati degli stessi ipersostentatori? Hanno entrambi il carrello fisso o retrattile? Hanno entrambi eliche a passo fisso o variabile? Sono pensati per volare alla stessa quota di crociera (la potenza cala all'aumentare della quota), per fare le stesse manovre con gli stessi fattori di carico?

Se i due velivoli non hanno le stesse specifiche (target di costo incluso), e sicuramente è così, al di là del rapporto potenza/peso potranno avere prestazioni diverse ed efficienze propulsive diverse in una determinata condizione.

Come vedi sono tante le caratteristiche che concorrono alle scelte propulsive: come detto non è una questione della sola velocità massima, nemmeno con lo stesso peso e le stesse dimensioni (cose di per se un po' troppo generiche per definire un velivolo).

 

Il P-92 non ha un’aerodinamica da velocista e forse 20 cavalli non farebbero una gran differenza per farlo correre di più (magari più utile sarebbe un carrello retrattile e un’ala a bassa resistenza per questo scopo), ma potresti dire lo stesso delle prestazioni in decollo, o di quelle di virata, piuttosto che di salita o l’accelerazione per uscire da uno stallo?

 

La potenza è un aspetto di primaria importanza per qualunque velivolo e da essa, tanto quanto dalla struttura e dall'aerodinamica, dipende il suo inviluppo di volo che altro non è che la sintesi del confronto fra potenza necessaria e potenza disponibile per fare qualunque cosa gli si chieda di fare.
Il cielo sopra la testa e la pista dietro le spalle non servono a un tubo quando si mette male, mentre la potenza in più è utile anche quando non è in grado di farti andare veloce a causa di tutte le scelte progettuali che hanno reso il velivolo quello che è.

Modificato 14 Marzo 2018 da Flaggy

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Grazie della spiegazione, vedo che te ne intendi.