Eliche

L’elica deve avere la stessa portanza lungo tutto il braccio, e quindi la medesima spinta. Premesso che la portanza è direttamente proporzionale all’angolo d’attacco e l’angolo d’attacco varia con la velocità; essendo la velocità periferica delle pale crescente dal mozzo verso l’estremità, per mantenere costante la portanza dovrà essere per forza modificato il calettamento. Ed è per questa ragione che l’elica si presenta svergolata, cioè con un calettamento variabile dal mozzo verso l’estremità. Cioè il calettamento diminuisce man mano che aumenta sul profilo dell’elica la velocità periferica allontanandosi dal mozzo.

Passo geometrico trascura la velocità residua dovuta al suo moto nel fluido, che può essere maggiore, uguale o minore di zero. In campo aeronautico, immaginando l’aria densa a tal punto da muovere un aereo talmente leggero da non opporre resistenza, dopo un giro l’elica avrà percorso il suo passo geometrico; Con l’aereo fermo prima di dare manetta per partire, i giri che l’elica compie hanno tutti passo reale uguale a zero. Appena l’aereo si muove l’elica aumenta i suoi passi reali giro dopo giro. Passata una certa velocità il passo reale può essere maggiore del passo geometrico. In questo caso l’elica frena.

Nelle eliche aeronautiche a passo variabile, l’inclinazione delle pale viene modificata tramite dei servomeccanismi, per ottenere il massimo rendimento in un certo intervallo di velocità: infatti se il velivolo aumenta la velocità, diminuirà di conseguenza l’angolo d’incidenza della generica sezione dell’elica e, per mantenerlo costante, bisognerà aumentare il passo.

Le eliche aeronautiche possono avere, in genere, da due a sei pale. Solitamente gli aerei più piccoli e meno potenti hanno due o tre pale. Raramente i monomotori a pistoni hanno quattro pale. I turboelica invece adottano spesso anche quattro o sei pale, come gli ATR. Anche per gli elicotteri il numero di pale varia da due a sei a seconda della potenza.

È fondamentale che le punte delle pale dell’elica non raggiungano la velocità del suono altrimenti il rendimento diminuirebbe. I piccoli motori aeronautici in genere non superano i 3 000 giri al minuto al massimo, e quelli che raggiungono i 5 000-6 000 giri usano un riduttore, che è invece sempre presente nei turboelica, perché le turbine lavorano ad una frequenza di rotazione molto più elevata (in un motore a reazione di un aereo di linea il complesso di alta pressione – turbina AP e compressore AP – raggiunge i 50 000 giri al minuto). Per questo motivo, ai motori più potenti, si associano eliche piccole ma con più pale. Se le punte delle pale superassero velocità critiche anche le sollecitazioni sarebbero eccessive. Occorre tenere presente che le punte delle pale dell’elica di un normale aereo monomotore possono essere sottoposte ad un’accelerazione centrifuga di oltre 5 000 g (circa 50 000 m/s2: un grammo posto sulla punta della pala “peserebbe” 5 kg).

Parametri dell’Elica

Profilo di una pala, ove:
β è l’angolo di calettamento geometrico;
α è l’angolo d’attacco;
αi è l’angolo di incidenza indotta;
Vt è la velocità di rotazione della sezione d’elica;
Vo è la velocità di moto;
Vr è la velocità relativa;
Ve è la velocità effettiva;
w è la velocità indotta.

Le eliche sono caratterizzate da una serie di parametri fisici utili a descriverne le proprietà ed il comportamento.
  • Passo – è la grandezza che esprime la distanza percorsa da un’elica in un giro, si esprime come:
    • passo geometrico, che è la distanza teoricamente percorsa trascurando la cedevolezza del fluido e perciò corrispondente alla distanza che l’elica percorrerebbe se si muovesse all’interno di un corpo solido (la formulazione matematica del passo geometrico è p=tan(β)*2*π*r, si noti che non compare la velocità di avanzamento); un’elica è:
      • a passo uniforme se ogni sezione presenta lo stesso valore del passo (quindi il calettamento geometrico delle sezioni diminuisce all’aumentare della loro distanza dal mozzo),
      • a passo vario o passo non uniforme se le sezioni presentano diversi valori del passo,
      • a passo fisso se il valore del passo geometrico non può essere cambiato,
      • a passo variabile se esso può essere modificato tramite servomeccanismi;
    • passo reale, che è invece l’avanzamento effettivo dell’elica dopo un giro in condizioni normali ed è sempre inferiore al passo geometrico (e ovviamente dipende dalla velocità di avanzamento).
  • Regresso – è la differenza tra passo geometrico e passo reale.
  • Corda o corda locale – è il parametro rappresentativo della larghezza del profilo e risulta variabile con la distanza dal mozzo, a causa del fatto che la velocità lineare a cui è soggetta l’elica varia con il raggio; il disassamento laterale del centro della corda rispetto al raggio dà il rovesciamento (o skew) della pala.
  • Velocità di rotazione, la velocità con cui ruota attorno al mozzo una sezione di pala dell’elica, ovverosia:
dove ω è la velocità angolare (in radianti al secondo) r la distanza dal mozzo, n il numero dei giri al minuto ed infine il versore t indica la direzione tangenziale al disco dell’elica.
  • Velocità relativa, la somma della velocità di moto e della velocità di rotazione.
  • Velocità effettiva, la somma della velocità relativa e la velocità indotta.
  • Angolo di calettamento o angolo di calettamento geometrico, ovvero l’angolo che la corda forma con il piano dell’elica, perpendicolare all’asse del mozzo: la variazione dell’angolo di calettamento al variare della distanza dal mozzo è detta svergolamento.
  • Angolo di calettamento aerodinamico, ovvero l’angolo tra l’asse di portanza nulla del profilo dell’elica forma con il piano dell’elica, cioè l’angolo con cui il fluido indisturbato intercetta il profilo fluidodinamico.
  • Angolo d’attacco, angolo di incidenza o angolo di incidenza locale, angolo tra la velocità effettiva e la corda del profilo.
  • Il rapporto di funzionamento, indicato con γ, è il rapporto:
dove V indica la velocità, n sono i giri al secondo dell’elica e d il diametro dell’elica.
  • Rendimento effettivo, definito come il rapporto tra la potenza utile prodotta dal sistema e la potenza assorbita:
dove T rappresenta il valore della spinta, V la velocità, f la frequenza dell’elica e Q il momento resistente dell’elica.
  • Rendimento propulsivo, definito come il rapporto tra la potenza utile prodotta dal sistema e la potenza necessaria ad impartire alla massa di fluido agente sul motore, nell’unità di tempo, la variazione di quantità di moto che produce la spinta.

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