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Aerospace propeller useful for diesel engines with extreme excitation of vibrations

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Una progettazione delle eliche innovativa consente di utilizzare i motori diesel negli aeromobili

I motori a pistoni sono l’opzione più efficiente per i velivoli di piccole dimensioni e quelli diesel rappresentano tra questi la migliore tra quelle a disposizione; tuttavia, il loro utilizzo richiede innanzitutto una progettazione delle eliche ottimizzata.

Trasporti e Mobilità

La maggior parte degli aeromobili piccoli impiegano tradizionalmente motori a pistoni alimentati a benzina simili a quelli fabbricati per le automobili. Ciononostante, per l’impiego nell’aviazione essi non costituiscono una scelta ottimale; una migliore alternativa è offerta dai motori ad accensione per compressione, noti anche come diesel. Questi motori realizzano l’accensione mediante la compressione della miscela aria-carburante. Il rapporto di compressione più elevato dei motori diesel consente un utilizzo più efficiente dell’energia contenuta nel carburante, il che significa migliore efficienza di combustione e minore consumo di combustibile. La semplicità del motore a pistoni e il basso consumo di carburante sono aspetti che si traducono in un peso inferiore e una maggiore efficienza dell’aeromobile, con conseguenti ripercussioni positive sulle credenziali ambientali e sui costi operativi. Il motore diesel per aeromobili utilizza il carboturbo, un combustibile a bassa volatilità che contribuisce alla sicurezza operativa. L’impiego dei motori diesel nell’aviazione è una soluzione altamente auspicabile; tuttavia, prima che sia possibile, è necessario progettare un nuovo tipo di elica in grado di superare i problemi legati a questa tipologia di motore. Lo sviluppo di eliche appropriate a tal fine è stato l’obiettivo del progetto ARGOS, finanziato dall’UE.

I problemi da superare

Il primo problema associato ai motori diesel alimentati a carboturbo riguarda il fatto che funzionano in modo molto discontinuo in confronto alle progettazioni convenzionali. La distribuzione irregolare della coppia motrice provoca vibrazioni che, con il passar del tempo, causano l’affaticamento dell’elica, riducendone la durata di vita e incrementando il rischio di guasti. Il secondo problema concerne la progettazione dell’elica, che deve essere attentamente adattata al tipo di motore. L’impiego di una progettazione dell’elica concepita per un motore a benzina in un motore diesel aggrava il problema dell’affaticamento, oltre a configurarsi come una scelta inefficiente. I partner del progetto hanno in primo luogo provato a neutralizzare le vibrazioni utilizzando un dispositivo di ammortizzamento. Nelle automobili questa funzione viene espletata dalla trasmissione, ma il team ha preferito non avvalersi di questa opzione anche perché i motori diesel non sono dotati di questo insieme di elementi meccanici, tanto che la loro progettazione viene chiamata a trasmissione diretta. La squadra del progetto si è invece concentrata sull’aggiornamento della concezione dell’elica, conscia del fatto che in tal modo avrebbe potuto ridurre la massa e la complessità del sistema di trasmissione. I ricercatori hanno testato numerose combinazioni di forme, materiali e motori dell’elica. «Il risultato più importante raggiunto dal progetto sono stati i dati ottenuti da questi esperimenti», spiega Vilém Pompe, il coordinatore del progetto. «È facile affermare che un motore diesel funziona in modo discontinuo. Ma in che misura, e perché?» Il progetto ARGOS ha quantificato la risposta dell’elica nei motori a benzina e in quelli diesel.

Un nuovo prototipo di progettazione

I risultati dei test hanno contribuito alla progettazione di un prototipo di elica completamente nuovo, ottimizzato per i motori diesel. «La nostra soluzione ha previsto l’installazione di cuscinetti di mantenimento nelle pale dell’elica», aggiunge Pompe, «che assorbono l’energia vibrazionale. Abbiamo inoltre trovato materiali adatti alle pale e al mozzo dell’elica, in grado di incrementare l’assorbimento dell’energia». La nuova elica è più pesante e robusta di quelle concepite per i motori a benzina della stessa potenza. Sebbene sia più pesante, tuttavia, essa comprende intagli e concentratori di tensione minimi. La progettazione che ne deriva è più semplice delle alternative a disposizione per i motori a benzina e i costi di produzione sono analoghi. Completati i test di progettazione iniziali e la successiva fabbricazione e convalida del prototipo, nel periodo successivo al progetto si continuano a effettuare collaudi. Il team punta a certificare integralmente una progettazione basata sul prototipo e a immetterne i risultati sul mercato. Sulla base dei test attualmente in corso, i ricercatori hanno sviluppato un prototipo leggermente modificato, ora in fase di produzione, che verrà utilizzato per il processo di certificazione. Il team ha a breve in programma di collaudare l’elica in volo. La nuova progettazione dell’elica sviluppata da ARGON consentirà di utilizzare efficienti motori diesel nell’aviazione, rendendo i velivoli di piccole dimensioni meno costosi e più ecocompatibili.

Parole chiave

ARGOS, elica, progettazione, motore diesel, prototipo, piccolo aeromobile, aviazione

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