Una nuova servovalvola offre una maggiore efficienza nell’idraulica degli aeromobili
Le servovalvole elettroidrauliche sono utilizzate per il controllo del carburante, il controllo dei freni e dello sterzo e i comandi di volo principali (azionamento di elevatori, alettoni e timoni). Questi componenti fondamentali determinano ogni movimento di un aeromobile e se ne contano circa 40 su un tipico aereo di linea. Controllano prevalentemente il flusso del fluido idraulico dalle pompe ad alta pressione ai cilindri idraulici, fornendo un posizionamento preciso del pistone all’interno di ciascun cilindro. A sua volta, ciascun pistone è collegato a una superficie di controllo del volo o ai sistemi di sterzo o di frenatura, ad esempio. In una servovalvola, che è un componente di precisione, la contrazione di un motore elettrico in miniatura viene amplificata idraulicamente per spostare una bobina scorrevole, che a sua volta apre o chiude porte (fori) per controllare il flusso idraulico. Il motore elettrico «si contrae» per meno di 100 micron (lo spessore di un capello umano), dettando in definitiva il movimento dell’aeromobile, che può avere una massa di diverse centinaia di tonnellate. I costi di fabbricazione sono estremamente elevati per le servovalvole, a causa dell’elevato numero di parti, delle tolleranze rigorose e dei processi di installazione manuale richiesti per i progetti attuali. Queste attività di fabbricazione manuale possono comportare una certa variabilità tra le valvole e causare potenziali problemi di affidabilità, che rappresentano una vera preoccupazione per questi componenti critici per la sicurezza, per non parlare della loro generazione di cascame di lavorazione (rottami). Inoltre, i progetti attuali risentono dei flussi di perdite, che rappresentano un notevole consumo di energia.
Un approccio innovativo
Il progetto DNSVCFA, finanziato dall’UE, ha introdotto un cambiamento radicale nella tecnologia, per consentire la produzione di servovalvole più efficienti e affidabili nonché più economiche. La tecnologia principale è l’uso dell’attuazione piezoelettrica. La ceramica piezoelettrica cambia forma se soggetta a un campo elettrico, presentando un metodo di attuazione «a stato solido» per sostituire il complesso motore elettrico in miniatura. «Abbiamo anche introdotto un’innovativa “valvola a doppia cerniera”, il che significa che per la maggior parte del tempo la potenza persa attraverso la valvola a causa di perdite potrebbe essere ridotta quasi a zero», afferma Andrew Plummer, coordinatore del progetto e direttore del Centre for Power Transmission and Motion Control presso l’Università di Bath. Una simulazione che utilizzava la dinamica dei fluidi computazionale ha verificato il progetto, inclusa la previsione del flusso del fluido, che ha permesso di costruire un prototipo per testare e convalidare il concetto.
Benefici notevoli
La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie e il borsista di ricerca Paolo Tamburrano ha analizzato il processo di produzione della servovalvola mentre era distaccato presso un importante produttore di servovalvole. «Questa esperienza è stata estremamente utile e mi ha aiutato ad apprezzare meglio gli aspetti pratici della progettazione e della produzione di servovalvole nonché a riportare tale conoscenza nel progetto», ha osservato. Il risultato finale è una nuova progettazione della valvola, che funziona come una servovalvola convenzionale, ma con un numero di pezzi e una complessità ridotti. «Abbiamo anche mostrato un miglioramento dell’efficienza che dipende molto dal ciclo di lavoro, ma in genere dovremmo aspettarci che la potenza idraulica utilizzata da un sistema di attuazione di aeromobili con le nuove valvole venga dimezzata. La fase successiva consisterà nel quantificare i vantaggi della produzione, ma abbiamo buone speranze che saranno significativi», conclude Plummer.
Parole chiave
DNSVCFA, servovalvola, idraulica, piezoelettrica, aerospaziale, dinamica dei fluidi computazionale
