Generalità 

Elica in rotazioneLa spinta, o la trazione, necessaria alla propulsione di un aeromobile è ottenuta proiettando una massa fluida nel verso opposto alla direzione del moto. La trazione nasce, per il principio di azione e reazione,  come reazione alla forza che deve essere esercitata sulla massa per accelerarla. Nel caso dei propulsori ad elica (motoelica e turboelica) l’elica chiama a sé e poi proietta all’indietro aria ambiente.

Dispositivo meccanico che produce una forza, o spinta, lungo il proprio asse di rotazione quando viene fatto ruotare in un fluido (gas o liquido). Le eliche possono operare sia nell'aria (eliche aeree) sia nell'acqua (eliche marine), ma un'elica progettata per operare efficacemente in uno di questi mezzi sarebbe estremamente inefficiente nell'altro. Pressoché tutte le navi sono dotate di eliche e fino allo sviluppo della propulsione a getto anche gli aeromobili, a eccezione degli alianti, impiegavano quasi tutti la propulsione a elica. Anche il motore a turboelica, o turbofan, utilizza comunque un particolare tipo di elica intubata, cioè inserita in un condotto. Quando viene investita da una corrente d'aria l'elica agisce da aeromotore.

L'elica è essenzialmente una vite che, quando ruota, si spinge nell'aria o nell'acqua come la vite di un bullone si spinge nel dado. Le eliche hanno generalmente due, tre o quattro pale, ciascuna delle quali costituisce una sezione elicoidale, cioè il profilo geometrico del filetto di una vite. La distanza che un'elica o la pala di un'elica percorrerebbe in avanti a seguito di una rotazione completa del suo albero, se non ci fosse regresso, è detta passo geometrico e corrisponde al passo (cioè alla distanza fra due filetti adiacenti) di una normale vite. La distanza effettivamente percorsa dall'elica in una rotazione nell'aria o nell'acqua è detta avanzamento, o avanzo, per giro, mentre la differenza tra il passo geometrico e l'avanzamento è detta regresso dell'elica. In generale, un'elica efficiente ha un regresso piccolo e quindi il suo avanzamento, alle condizioni di progetto, è quasi uguale al passo geometrico; tuttavia il parametro per valutare il rendimento di un'elica non è il regresso ma è il rapporto tra l'energia propulsiva prodotta e l'energia consumata per far ruotare l'albero dell'elica. Le eliche aeree operano spesso con rendimenti prossimi al 90%, mentre le eliche marine operano con rendimenti inferiori.

La pala di un'elica aerea ha una sezione aerodinamicamente simile a quella di un'ala e, quando si muove nell'aria, genera portanza e resistenza aerodinamica perpendicolarmente e parallelamente alla velocità dell'aria rispetto alla sezione della pala. Le forze generate dal moto dell'elica possono essere scomposte in due singole componenti di cui una, la spinta, agisce nella direzione del volo mentre l'altra, giacente sul piano di rotazione, rappresenta la forza che deve essere vinta dalla coppia, o momento torcente, dell'albero motore. Il moto complessivo di ogni singolo elemento di pala risulta dalla combinazione della velocità in avanti, rappresentata dalla velocità di volo, e della velocità periferica dovuta alla rotazione della pala.

Negli ultimi anni il semplice concetto di elemento di pala per descrivere l'azione dell'elica è stato approfondito dagli studiosi di aerodinamica (un altro metodo per analizzare l'azione dell'elica, basato sulle variazioni di momento del flusso che attraversa il disco dell'elica, è meno esauriente). A una data velocità di rotazione, la velocità risultante di un elemento di pala aumenta all'aumentare della velocità di avanzamento e, contemporaneamente, aumenta anche l'angolo compreso tra il risultante vettore velocità e il piano di rotazione. Così, se la pala è a passo fisso, si può raggiungere una condizione in cui la pala produrrà una spinta minima o addirittura nulla. Per contro, quando la velocità di avanzamento diminuisce, l'angolo tra il vettore velocità e la pala diventerà così grande da causare lo stallo della pala stessa, con una conseguente drastica riduzione della sua efficienza.

Per poterle adattare ad aeroplani con caratteristiche di volo differenti, in genere si usano eliche a passo variabile, nelle quali cioè si può variare in volo l'angolo di calettamento sul mozzo, e quindi il passo, in modo da mantenere le condizioni operative il più vicino possibile a quelle ottimali. Di solito le eliche a passo variabile possono essere messe in bandiera, cioè con l'angolo di calettamento delle pale disposto parallelamente alla direzione di volo, in modo da impedire l'autorotazione che potrebbe verificarsi in seguito all'arresto del motore. In fase di progettazione si può anche prevedere la possibilità di disporre le pale a passo negativo per fornire una spinta contraria e un effetto di freno aerodinamico in fase di atterraggio.

Le pale delle eliche moderne possono essere di lega d'alluminio (piene), di acciaio (cave) o di materia plastica rinforzata e possono essere dotate di dispositivi antighiaccio. L'elica deve essere bilanciata in modo assai accurato, sia staticamente sia dinamicamente. Se, ad esempio, in un'elica bipala si attaccasse un peso di 50 grammi a metà di una pala e un peso di 25 grammi all'estremità dell'altra pala, l'elica sarebbe bilanciata staticamente, cioè non ruoterebbe se il suo albero fosse posto su una lama a coltello con le pale in qualunque posizione, ma non sarebbe bilanciata dinamicamente e comincerebbe a vibrare se fosse fatta ruotare ad alta velocità.

Il rotore dell'autogiro o dell'elicottero è essenzialmente simile a una normale elica aerea, in quanto è costituito da diverse pale, ciascuna con la sezione simile a un profilo alare. Le pale non sono sempre svergolate, ma, come per le normali pale delle eliche aeree, il loro passo può essere variabile.

Parti costitutive

Un’elica è formata dalle seguenti parti essenziali:

mozzo;

pale;

albero motore.

Il mozzo è la parte centrale, fissato all’albero, su cui sono calettate le pale. La sua forma deve essere ogivale per presentare la minima resistenza all’avanzamento.

Le pale sono gli elementi che creano la forza traente e sono vere e proprie ali rotanti.

L’albero motore è collegato tramite opportuno meccanismo al motore che applica ed esso la coppia necessaria a mettere in rotazione l’intero organo.

Nomenclatura

Le eliche che assorbono una coppia dal motore sono denominate eliche positive e possono creare una trazione positiva (funzione traente) o negativa (funzione frenante). Esistono però, anche eliche che forniscono una coppia all’albero; in tal caso sono denominate mulinelli o eliche negative.

Le eliche sono dotate di due moti diversi: rotazione e traslazione, da cui un moto risultante di tipo elicoidale. Se manca il moto rotatorio l’elica è detta bloccata, mentre se è assente il moto di traslazione l’elica è detta a punto fisso.

Un’ulteriore distinzione si può fare in considerazione della posizione occupata dall’elica rispetto al motore cui è collegata. Se è collocata davanti al motore è detta traente, se invece si trova dietro il motore è definita spingente.

In relazione al senso di rotazione, assumendo come punto di osservazione la posizione del pilota, un’elica può essere destrorsa o sinistrorsa a seconda che ruoti in verso orario o antiorario rispettivamente.

Si definisce diametro dell’elica il diametro del cilindro circolare minimo circoscritto all’elica, il cui asse coincide con quello di rotazione.

Si definisce disco dell’elica il cerchio di diametro pari al diametro dell’elica e giacente nel piano normale all’asse di rotazione.

Le pale rotanti dell’elica operano nell’aria come le ali degli aerei. Mentre queste ultime sono investite da una corrente di velocità pari a quella di volo dell’aeromobile, le pale dell’elica sono interessate da una corrente la cui velocità è la risultante delle velocità dei moti rotatorio e traslatorio, fig. 1.3.

 

Fig. 1.3  Velocità risultante VR che investe la pala

Poiché la velocità del vento relativo risulta variabile in direzione e intensità lungo la pala, il calettamento e lo spessore percentuale dei profili (sezioni della pala ottenuta con cilindri coassiali all’asse di rotazione) devono variare lungo il raggio, per motivi sia aerodinamici che strutturali.

Un punto qualunque della pala descrive, in condizioni di velocità di rotazione e di avanzamento costanti, un’elica cilindrica con angolo di pendenza b, detto passo aerodinamico relativo, tale che:

1.3 

ed avanza in un giro di una lunghezza, detta avanzo, pari a:

2.3 

dove n indica il numero di giri nell’unità di tempo.

Se invece del punto generico, si considerano i punti della corda o della retta di portanza nulla del profilo della pala, essi descrivono nel moto un elicoide i cui passi si definiscono rispettivamente geometrico e aerodinamico. Gli angoli che la corda e la retta di portanza nulla formano con il piano del disco dell’elica sono denominati rispettivamente angolo di calettamento geometrico e angolo di calettamento aerodinamico, fig. 2.3.

Fig. 2.3 Angoli di calettamento geometrico b ed aerodinamico bo

Se il passo geometrico è sempre lo stesso lungo tutto il raggio, la pala è detta a paso costante o uniforme, in caso contrario a passo variabile. In quest’ultimo caso se ne indica il valore nella sezione al 75% del raggio a partire dal mozzo.

Rappresentazione geometrica delle eliche

La rappresentazione geometrica della pala di un’elica avviene con riferimento ad una terna il cui asse x coincide con l’asse del propulsore e orientato nel senso del moto, l’asse z nel piano del disco orientato dal mozzo all’estremità, l’asse y perpendicolare al piano x-z. La proiezione della pala sul piano x-z è detta prima proiezione  o profilo, quella sul piano y-z pianta e quella sul piano x-y terza proiezione.

Si rappresenta la pala che volge il ventre a chi guarda; se l’elica è destra si rappresenta quindi alla destra del mozzo, il contrario per l’elica sinistra. Generalmente non si rappresenta la terza proiezione in quanto poco significativa. La prima e la seconda proiezione si sovrappongono su un unico disegno riportando in corrispondenza di un certo numero di sezioni i relativi profili (piano di costruzione dell’elica).

La prima è la seconda proiezione della linea dei baricentri delle sezioni, sono rispettivamente dette linea di campanatura principale e secondaria.

La campanatura permette, per una certa condizione di funzionamento, la compensazione dei momenti flettenti prodotti dalle forze centrifughe con i momenti delle forze aerodinamiche. La linea di campanatura principale presenta la concavità dalla parte dell’avanzamento, mentre quella secondaria volge la concavità dalla parte opposta alla rotazione.

Famiglie di eliche

Le infinite eliche geometricamente simili ad un’elica assegnata, hanno tutte in comune il rapporto:

3.3 

tra il passo H e il diametro D; a questo rapporto è dato il nome di passo geometrico relativo. Tutte le eliche geometricamente simili costituiscono un individuo. Facendo ruotare di un certo angolo le pale di un individuo si ottiene un altro individuo con diverso passo relativo. Tutti gli individui così ottenuti costituiscono una famiglia di eliche. In altre parole una famiglia di eliche è costituita da infinite eliche geometricamente simili, ottenute l'una dall'altra facendo variare con continuità l'angolo di calettamento b della pala.

Un’elica, quindi, è individuata precisandone:

la famiglia;

il passo relativo o l’angolo di calettamento delle pale;

il diametro D.

Rapporto di funzionamento

Con riferimento alla fig. 1.3, indichiamo con:

b - l’angolo di pendenza dell’elica descritta dal generico punto della pala, situato a distanza r dall’asse di rotazione;

V - la velocità di traslazione;

w - la velocità di rotazione.

Si deduce che:

4.3 

Se consideriamo come punto di riferimento non un punto generico, distante r dall’asse di rotazione, ma l’estremità della pala, distante R dall’asse di rotazione, la pendenza dell’elica da essa descritta sarà:

5.3 

A questa quantità, indicata con g, si attribuisce il nome di rapporto di funzionamento; avremo quindi:

6.3 

Aerodinamica delle eliche

Il comportamento aerodinamico delle eliche, ossia la determinazione della trazione da esse prodotta, può essere affrontato facendo ricorso a tre teorie:

di Rankine-Froude (o della variazione di quantità di moto);

vorticosa;

di Rénard (o dell’elemento di pala)

La teoria di Rankine-Froude è concettualmente estremamente semplice in quanto l’elica è vista nel suo complesso, facendo astrazione sia da parametri geometrici (forma e numero di pale) che cinematici  (numero di giri). La teoria consiste nel considerare un tubo di flusso a sezione variabile ed asse rettilineo e parallelo alla direzione del moto, in cui le sezioni iniziale e finale sono caratterizzate dall’avere le linee di corrente tra loro parallele. L’elica, che occupa la sezione intermedia del tubo di flusso ed è perpendicolare alla direzione del flusso indisturbato (quindi, della direzione della spinta erogata), è vista come un disco attuatore infinitamente sottile che imprime al fluido energia sotto forma di salto discontinuo di pressione, la quale aumenta istantaneamente nel passaggio da monte a valle del disco stesso. In base a tali assunzioni ed alle seguenti ipotesi:

fluido incompressibile; la densità del fluido è ovunque costante nel tubo di flusso e pari a quella del fluido indisturbato;

velocità dell’aria costante attraverso il disco;

pressione statica costante su tutto il disco, ma diversa se si guarda il disco da monte o da valle; in pratica la pressione statica prima del disco è minore di quella dopo il disco;

rotazione impressa al fluido durante l’attraversamento del disco trascurabile; questa ipotesi equivale a considerare solo le azioni sul fluido parallele all’asse, trascurando quelle contenute nel piano di rotazione;

fluido che attraversa il disco separato da quello circostante;

energia fornita dall’elica al fluido convertita integralmente in salto di pressione statica sul disco, senza incremento alcuno della pressione dinamica. Ciò ha come conseguenza che, mentre la pressione statica subisce un incremento istantaneo nell’attraversamento del disco, la velocità aumenta con regolarità lungo il tubo di flusso, senza alcuna discontinuità;

i risultati di questo modello, per quanto attiene alla sola trazione, possono essere riassunti dalle seguenti relazioni:

7.3  

8.3 

Nelle equazioni precedenti il significato dei simboli è il seguente:

Qm , portata massica che attraversa il disco dell’elica;

DV,  variazione di velocità tra monte e valle del disco dell’elica;

A , area della sezione del disco dell’elica;

Dp, variazione di pressione attraverso il disco dell’elica.

Come può facilmente intuirsi la teoria di Rankine-Froude è molto utile se interessa conoscere la trazione totale prodotta dall’elica, ma non dà alcuna informazione su come la trazione sia distribuita lungo le pale; ciò implica l’impossibilità di dar corso al dimensionamento delle sezioni delle pale stesse.

La teoria vorticosa è la più completa ma anche la più complessa. Essa consiste nel sostituire alla singola pala un opportuno vortice, investito da una corrente la cui velocità è la risultante di quella di traslazione e di quella di rotazione. Questa teoria permette di conoscere non solo il valore totale della trazione ma anche la sua distribuzione lungo la pala; si comprende, quindi, come con questo modello sia possibile non solo avere risposte sul comportamento aerodinamico, ma anche conoscere elementi che consentano di costruire l’elica stessa.

La terza teoria, di Rénard (o dell’elemento di pala), nonostante ipotesi e semplificazioni, conduce alla valutazione delle prestazioni dell’elica, quali la trazione, la coppia assorbita ed il rendimento propulsivo in funzione del numero delle pale, della loro forma geometrica nonché del numero di giri.

L’importanza degli studi teorici è certamente di fondamentale importanza, ma spesso per il progetto delle eliche si fa affidamento ad esperienze di laboratorio. Per applicare i risultati delle esperienze effettuate su modelli alle eliche al vero, è necessario che siano rispettate due condizioni fondamentali:

similitudine geometrica;

similitudine aerodinamica (o cinematica).

La similitudine geometrica è assicurata se tra modello ed elica al vero esiste un rapporto costante tra tutte le grandezze omologhe.

La similitudine aerodinamica si verifica se modello ed elica al vero presentano lo stesso rapporto di funzionamento.

Rénard, in base alle suddette condizioni, stabilì che:

in eliche geometricamente simili ed in condizioni simili di funzionamento, le spinte sono proporzionali alla densità del mezzo in cui operano, alle quarte potenze dei raggi ed alle seconde potenze delle velocità angolari, le coppie alla densità del mezzo, alle quinte potenze dei raggi ed alle seconde potenze delle velocità angolari, la potenza alla densità del mezzo alle quinte potenze dei raggi ed alle terze potenze delle velocità angolari.

Queste conclusioni possono essere sintetizzate nelle seguenti relazioni:

9.3  

in cui i termini  t, c e k sono coefficienti numerici denominati rispettivamente coefficiente di trazione, coefficiente di coppia e coefficiente di potenza.

Se invece del raggio dell’elica e della sua velocità angolare, si considerano il diametro ed il numero di giri, le relazione precedenti diventano:

10.3  

in cui i coefficienti t', c' e k assumono lo stesso significato di t, c e k.

Rendimento

Il rendimento dell’elica è il rapporto tra la potenza disponibile (o utile) e la potenza all’albero:

11.3  

Sostituendo alle potenze le relative espressioni ed utilizzando le 10.3, si ottiene:

12.3  

Ricordando l’espressione 6.3, si ottiene la relazione definitiva:

13.3  

da cui si deduce che anche il rendimento dipende dal rapporto di funzionamento.

Condizioni e stadi di funzionamento

I coefficienti di trazione e coppia ed il rendimento variano con il rapporto di funzionamento ed assumono la forma grafica della fig. 3.3, note come le curve caratteristiche dell’elica:

Fig. 3.3 Andamento dei coefficienti t, c e del rendimento h, in funzione del rapporto di funzionamento

Al variare del rapporto di funzionamento g, quindi al variare del numero di giri e/o della velocità di volo, le possibili condizioni di funzionamento di un’elica a passo positivo sono:

a punto fisso;

traente;

a trazione nulla (o passo limite inferiore);

frenante;

autorotante (o passo limite superiore);

motrice o mulinello.

Nelle funzionamento a punto fisso sono verificate le seguenti condizioni:

14.3 

L’elica esercita trazione e assorbe potenza, ma il rendimento è nullo perché tale è la velocità di avanzamento.

Il funzionamento traente si ha quando l’elica è caratterizzata dal un rapporto di funzionamento:

15.3 

In questo caso del vento relativo sulle pale sono tali da generare forze con componente positiva nel verso del moto e negativa nel senso di rotazione: l’elica esercita trazione e assorbe potenza. E’ questo il campo di normale impiego delle eliche.

A trazione nulla l’elica si trova nelle condizioni di funzionamento cui corrisponde:

16.3 

Il vento relativo genera delle forze che giacciono nel piano del  disco e si oppongono alla rotazione. Il rendimento è nullo perché nulla è la trazione.

Quando l’elica è frenante, il rapporto di funzionamento è:

17.3 

Questo caso può verificarsi, ad esempio, nel volo in discesa. Le forze generate dal vento relativo escono dal piano del disco, ma la componente nella direzione del moto di avanzamento è negativa, mentre quella nel piano del disco si oppone ancora alla rotazione.

L’elica è autorotante se:

18.3 

L’elica frena, ma la coppia assorbita è nulla; se non vi fossero attriti sull’albero l’elica ruoterebbe senza richiedere né erogare potenza.

Il funzionamento a mulinello si ha quando:

19.3 

(il caso limite, di elica bloccata, si ha se , cioè se la velocità di rotazione è nulla). L’elica si comporta da aeromotore: assorbe potenza dal vento relativo e la fornisce all’albero; inoltre, inevitabilmente, frena. Questo caso si presenta, ad esempio, quando il motore è in avaria: l’elica tende a trascinare in rotazione il motore, con possibili gravi conseguenze per lo stesso, oltre a produrre una pericolosa forza imbardante. E’ il caso di notare che un’elica progettata per fornire trazione è un pessimo aeromotore: riceve, infatti, il vento sul dorso dei profili invece che sul ventre, come avviene nel funzionamento normale.

Eliche a passo variabile

Si consideri un’elica a passo uniforme o costante, le cui pale abbiano la possibilità di ruotare contemporaneamente intorno al proprio asse. Imprimendo alla pala una rotazione costante intorno all’asse, varia il passo geometrico, che tende a crescere dal mozzo alla periferia, conseguentemente variano le caratteristiche aerodinamiche dell’elica rispetto a quella a passo fisso. Se si fa variare con continuità il calettamento delle pale, cioè si imprime una rotazione continua alle pale intorno all’asse, si ottengono tanti elementi della stessa famiglia. Se si determinano sperimentalmente le curve caratteristiche di ciascun elemento, si nota che i rendimenti sono diversi.

Se si immagina un’elica di tal tipo (detta a passo variabile) montata su un velivolo, il pilota alle varie condizioni di volo ha la possibilità si scegliere, tra i tanti possibili, il passo al quale corrisponde il rendimento massimo.

E’ il caso di osservare che l’espressione elica a passo variabile è imprecisa in quanto è l’angolo di calettamento che è variabile anche se ciò comporta una variazione anche del passo.

Conveniamo, quindi di indicare con lo stesso significato le espressioni elica a passo variabile e elica a calettamento variabile.

Agli inizi dell’aviazione il passo delle eliche era possibile variarlo solo a terra: le pale, cioè, potevano essere montate con diverso angolo sul proprio mozzo, scegliendo quello più idoneo ad una particolare condizione di funzionamento, ma in volo si comportavano come un’elica a passo fisso. Essa esprimeva il migliore rendimento nella condizione di volo per la quale era stata progettata, mentre nelle altre bisognava accontentarsi di un rendimento minore. La successiva evoluzione ha portato alla costruzione di eliche a calettamento variabile in volo; inizialmente con due sole posizioni, la massima per il volo veloce, la minima per quello lento. Attualmente si ha la possibilità di variare con continuità il passo delle eliche in volo; ciò conferisce al pilota la possibilità di scegliere in qualsiasi condizione di volo, il passo che permette di esprimere in quella condizione il massimo rendimento.

Le eliche a passo variabile permettono di avere a disposizione per il volo una potenza che può variare modificando la potenza all’albero e/o l’angolo di calettamento. Diversamente, un’elica a passo fisso può fornire una potenza variabile solo se si modifica la potenza al proprio asse, ossia il numero di giri, con conseguenze negative sul rendimento del propulsore e sul consumo.

Con le eliche a passo variabile le piccole variazioni di potenza disponibile si possono ottenere semplicemente variando il passo, entro i limiti consentiti, e mantenendo il numero di giri costante; ciò permette di mantenere il motore sempre nelle stesse condizioni di funzionamento, quindi stesso rendimento e consumo. Dovendo far fronte ad una variazione di potenza disponibile che esce dai limiti consentiti dalla variazione del passo, necessariamente occorre variare la potenza all’albero dell’elica con intervento sul motore.

Eliche a giri costanti

L’utilizzo delle eliche a passo variabile in volo richiede al pilota un impegno non indifferente, in quanto la scelta del passo più idoneo alle varie condizioni di volo richiede la considerazione contemporanea di fattori riguardanti sia il velivolo completo sia il motore. Il suo compito può essere agevolato ricorrendo al criterio di far ruotare l’elica, quindi il motore, a giri costanti ed affidando ad un regolatore il compito di modificare automaticamente il passo se i giri tendono a variare. Se, infatti, il numero di giri tende ad aumentare il regolatore fa aumentare il passo che incrementando la coppia resistente induce il motore a rallentare. Il fenomeno inverso si verifica quando il numero di giri tende a diminuire. Quando le eliche hanno un simile comportamento il pilota dispone sempre della stessa potenza nominale del motore (variabile solo in funzione della posizione della manetta), evitando gli inconvenienti connessi con le eliche a passo fisso che richiederebbero un continuo intervento sulla manetta del gas del motore.

Eliche con passo a bandiera

La possibilità di disporre di eliche a passo variabile in volo consente al pilota di porre le pale, in caso di necessità, ad angolo di calettamento di 90°. In tal caso le pale sono dette a bandiera, cioè di taglio rispetto alla corrente, e presentano la minima resistenza all’avanzamento.

I vantaggi dell’elica a bandiera sono notevoli nei velivoli plurimotori nei quali, in caso di avaria ad uno dei motori, la resistenza offerta dall’elica incrementa il momento imbardante dovuto all’eccentricità della trazione complessiva.

Eliche a passo reversibile

Un ulteriore vantaggio delle eliche a passo variabile deriva dalla circostanza che esse possano assumere calettamenti negativi. In queste condizioni di funzionamento si ha la possibilità di invertire il passo dell’elica, quindi la direzione della trazione, che esercita così un’azione frenante. L’inversione della spinta permette di utilizzare le eliche come freni aerodinamici, particolarmente utili durante il rullaggio al suolo in fase di atterraggio, nonché nelle manovre a terra degli aerei commerciali o degli idrovolanti in mare.

Mutua influenza tra elica e velivolo

L’elica e il velivolo hanno nel loro funzionamento isolato un comportamento alquanto diverso da quello che presentano quando sono accoppiati. Infatti, il campo aerodinamico prodotto dal velivolo (andamento delle linee di corrente determinato dalla sua architettura) modifica la direzione della corrente che investe l’elica, incidendo sulla componente utile della sua velocità perpendicolare al piano del disco. Allo stesso modo, la posizione dell’asse della spinta prodotta dall’elica e la sua scia determinano variazioni dei momenti aerodinamici (principalmente quello di beccheggio) e delle azioni prodotte dalle superfici aerodinamiche. E’ indispensabile quindi, nello studio aerodinamico sia dell’elica sia del velivolo,tenere conto della mutua influenza.

Focalizzando l’attenzione solo sull’elica, i suoi gli effetti sul velivolo si possono sintetizzare in:

diretti;

indiretti.

Effetti diretti

Gli effetti diretti sono quelli legati alla spinta e alla posizione della sua retta d’azione rispetto al baricentro del velivolo. Si annoverano in questa categoria, principalmente:

il momento di beccheggio;

la coppia di reazione;

l’effetto giroscopico.

Il momento di beccheggio è determinato sia dall’entità della trazione sia dalla sua direzione. Se l’asse di rotazione dell’elica passa per il baricentro del velivolo, la sua trazione non provoca momenti tendenti a modificare l’assetto del velivolo stesso. Se invece, esso è localizzato sopra o sotto il baricentro si determinano, quando il motore è in funzione, momenti picchianti o cabranti rispettivamente. In teoria la posizione ideale dell’asse della spinta è quella passante per il baricentro perché non avrebbe alcuna influenza sull’assetto longitudinale del velivolo. Talvolta viene fatto passare leggermente al di sotto del baricentro per compensare (almeno in parte) con la sua azione cabrante il momento picchiante cui il velivolo è soggetto per effetto del profilo alare (concavo-convesso) adottato. In altri casi la posizione al di sopra del baricentro, con decentramenti anche notevoli, è obbligata come nel caso degli idrovolanti; i momenti picchianti che si manifestano disturbano notevolmente il comportamenti dell’aereo costringendo il pilota a brusche e non istintive correzione.

In ogni caso, ove la variazione del momento di beccheggio derivante dall’azione dell’elica non sia compensata, il pilota è obbligato ad agire sulle superfici di governo per ripristinare il corretto assetto longitudinale del velivolo.

La coppia di reazione si manifesta sul velivolo come reazione alla coppia fornita dal motore all’elica. Per effetto di questa coppia l’aereo tende a ruotare intorno al proprio asse longitudinale (asse di rollio) in senso opposto a quello di rotazione dell’elica.

Indicando con:

  Pe , la potenza trasmessa all’albero dell’elica;

  n,  il numero di giri al minuto dell’elica,

la coppia di reazione, uguale e contraria a quella applicata all’elica, può essere valutata con la seguente espressione:

20.3 

Sono evidenti gli effetti non tollerabili della coppia di reazione sia in volo sia a terra, per cui è indispensabile la sua neutralizzazione. Mentre in volo è pensabile intervenire con le superfici di governo (alettoni e timone) in quanto le azioni aerodinamiche delle semiali sono sufficientemente elevate, a terra, a causa della bassa velocità, questo tipo di intervento è praticamente non realizzabile. Durante il decollo infatti, specialmente nella fase di rullaggio dove la azioni aerodinamiche sono poco efficaci e la potenza del motore è la massima, le ruote del carrello sono sottoposte a carichi notevolmente differenti che determinano una diversa resistenza di attrito col terreno; ciò causa una pericolosa instabilità della traiettoria per effetto della tendenza del velivolo ad imbardare.  Il fenomeno è ancora più marcato nel caso degli idrovolanti perché il valore della resistenza idrodinamica aumenta rapidamente col dislocamento e la sua differenza tra i due galleggianti è notevole.

Esclusa quindi, la possibilità di correggere la coppia di reazione con le superfici aerodinamiche il ricorso ad altri metodi è inevitabile.

La ricerca ha portato ad adottare soluzioni diverse per velivoli plurimotori (due o quattro) e monorotori.

Nel primo caso si può equilibrare la coppia di reazione adottando per i motori posti su una semiala senso di rotazione opposto rispetto a quello dei motori posti sull’altra; in tal caso anche le coppie di reazione sono opposte con risultante nulla. Questa soluzione, concettualmente semplice, non sempre trova applicazione in quanto mal si concilia con problemi economici di manutenzione, dovendo prevedere tra le parti di ricambio due notori (con rotazione diversa) invece di uno solo.

Per i monorotori, perché il velivolo non ruoti, è necessario introdurre un’asimmetria nella distribuzione della portanza lungo l’apertura alare al fine di spostare il centro aerodinamico fuori dal piano di simmetria; in tal caso la portanza totale non essendo più allineata alla forza peso, determina con questa una coppia uguale e contraria a quella di reazione, come mostra la fig. 3.4.

Fig. 3.4 Compensazione della coppia di reazione

 La citata asimmetria della portanza può essere ottenuta in due modi:

calettando le semiali alla fusoliera con diversi angoli;

costruendo le due semiali con diversa apertura.

In entrambi i casi occorre prestare attenzione a non modificare la portanza totale prodotta dall’ala. Ricorrendo al diverso calettamento, essendo la superficie delle semiali la stessa, se una semiala viene resa più incidente aumentando l’angolo di una certa quantità, l’incidenza dell’altra ala deve essere diminuito della stessa quantità. Il ricorso ad ali di diversa apertura, essendo uguale l’incidenza delle due semiali, la superficie totale non deve essere modificata; se di una semiala viene aumentata l’apertura, quella dell’altra deve essere diminuita. La differenza di apertura tra le due semiali può essere calcolata analiticamente, con riferimento ai simboli della fig. 3.5, nel modo appresso illustrato.

 

 Fig. 3.5  Compensazione della coppia di reazione con diversa apertura alare

 Indicando con  la differenza di apertura che devono avere le due semiali per compensare la coppia di reazione , il suo valore si ottiene risolvendo il sistema:

21.3 

da cui discende:

22.3 

La seconda espressione del sistema 22.3 indica che la differenza di apertura alare vale il doppio dello spostamento del centro di pressione dal centro di gravità del velivolo. Poiché quest’ultimo spostamento, fig. 3.5, vale:

23.3

in definitiva la differenza di apertura alare è espressa dalla relazione:

24.3 

Questa relazione evidenzia che la differente apertura alare è funzione dalla coppia applicata all’elica (o di reazione) che è variabile in quanto dipende dalla condizione di volo. E’ evidente che se si bilancia la coppia di reazione per una condizione di volo non lo sarà per tutte le altre. In pratica si corregge soltanto la metà della coppia massima allo scopo di evitare un’eccessiva tendenza a rollare durante il volo con motore a regime ridotto.

Si noti che, qualunque sia l’entità della correzione, la dissimmetria della portanza produce anche una dissimmetria nella resistenza, dando luogo ad un momento imbardante che tende a far ruotare il velivolo dalla parte della semiala la cui portanza è maggiore. Tale momento può essere corretto spostando opportunamente l’asse dell’elica parallelamente al piano di simmetria dalla parte della semiala più resistente, fig. 3.6.

Fig. 3.6  Compensazione della coppia imbardante

 L’effetto giroscopico si determina in quanto l’elica è una massa rotante e quindi si comporta come un giroscopio. La conseguenza di tale effetto è la nascita di una coppia giroscopica che si manifesta tutte le volte che il velivolo compie una manovra intorno ad uno degli assi fondamentali.

Indicando con:

, il momento d’inerzia dell’elica rispetto all’asse di rotazione;

, la velocità angolare dell’elica;

, la velocità angolare del velivolo intorno ad un asse perpendicolare a quello di rotazione dell’elica;

la coppia giroscopica, che tende a far ruotare il velivolo intorno ad un asse perpendicolare ai primi due, vale:

25.3 

E’ evidente che il pilota durante il volo deve tenere conto di tale coppia e mettere in atto azioni per bilanciarlo, a meno che il velivolo non sia dotato di un numero pari di eliche e controrotanti, caso in cui anche gli effetti giroscopici si equilibrano.

Effetti indiretti

Gli effetti indiretti sono legati all’azione del vento dell’elica sulle superfici aerodinamiche. E’ evidente che un’analisi accurata di tali effetti è impossibile in quanto dipendono dalle superfici interessate. In ogni caso si può affermare che le parti del velivolo investite dalla scia dell’elica sono soggette ad una variazione delle rispettive azioni aerodinamiche. Per correggere gli effetti indiretti il pilota non ha altra possibilità che affidarsi alle  superfici di governo.

Riduttore di velocità

Assume particolare importanza per le eliche il problema della demoltiplicazione, consistente nell’utilizzo di eliche non in presa diretta ma con l’interposizione di un riduttore del loro numero di giri rispetto a quello del motore. Ciò permette di accoppiare eliche lente, di più alto rendimento, con motori veloci, più leggeri.

Con le eliche lente si possono utilizzare maggiori diametri con conseguenti minori perdite e minori sollecitazioni del materiale.

Gli inconvenienti delle eliche lente sono da addebitare ad un maggior peso ed ingombro nonché ad una leggera perdita di rendimento del motopropulsore a causa della presenza del riduttore.

La presenza del riduttore si impone quando il numero di giri del motore supera i 2000 g/1‘ per non sottoporre il materiale dell’elica a pericolose sollecitazioni.

Materiali dell’elica

I materiali con cui può essere costruito un’elica sono:

legno, utilizzato agli albori del volo propulso;

duralluminio, introdotto con l’avvento della turboelica;

acciaio.

 Nel caso di utilizzo dell’acciaio, le pale sono cave. Ciò le rende più leggere e rigide rispetto al duralluminio e permette di istallare al loro interno i dispositivi antighiaccio; lo spostamento di tali dispositivi dall’esterno all’interno ha comportato un rilevante aumento del rendimento aerodinamico delle pale.

Anche la durata delle pale di acciaio cave è maggiore rispetto a quelle costruite interamente in duralluminio.