Elica

Ricerca eseguita su internet. maggio 2008

Monumento raffigurante un'elica

L'elica (o elica propulsiva o propulsore ad elica) è un organo intermediario in grado di trasformare la potenza meccanica di un albero rotante in variazione della quantità di moto di un fluido, allo scopo di generazione di una propulsione secondo il principio di azione e reazione. Il moto impresso al fluido è detto elicoidale e risulta essere la combinazione di un moto assiale e di un moto rotazionale.

L'elica è estesamente utilizzata come propulsiore in ambito sia nautico che aeronautico.

Indice

1 Caratteristiche generali

1.1 Forma e struttura

1.2 Tipologie

1.3 Parametri dell'elica

2 Eliche aeronautiche

3 Eliche marine

3.1 Caratteristiche tecniche

3.1.1 Cavitazione

3.1.2 Parametri delle eliche marine

3.2 Storia

4 Voci correlate

5 Note

6 Altri progetti

Caratteristiche generali

Forma e struttura

Un'elica è costituita da uno o più elementi fluidodinamici, chiamati pale, le quali si comportano come "ali rotanti" innestate su un mozzo, collegato all'albero rotante. Le caratteristiche geometriche delle pale determinano poi quali saranno le caratteristiche del propulsore, con particolare riferimento ai campi di velocità di funzionamento, alla potenza propulsiva e alle caratteristiche del fluido per l'ottimale funzionamento.
Le eliche vengono progettate e costruite con struttura in:

Tipologie [modifica]

Le eliche possono innanzitutto suddividersi sulla base del tipo di ambiente fluido nel quale agiscono:

Eliche aeronautiche: sono eliche studiate per agire in una miscela di vapori e gas che è l'aria. Data la scarsa densità di quest'ultima le eliche aeronautiche sono caratterizzate soprattutto dalle alte velocità di rotazione e dalla sottigliezza delle pale.
Eliche marine: al contrario delle precedenti, queste eliche agiscono all'interno di un liquido che è l'acqua e pertanto, date le maggiori densità, queste eliche sono caratterizzate da velocità di rotazione più basse e da pale più espanse.

Le eliche si possono poi suddividere sulla base delle modalità di funzionamento:

Eliche traenti: sono eliche poste sulla parte anteriore del mezzo propulso e perciò studiate per fornire la propulsione risucchiando il fluido indisturbato che si trova davanti al mezzo nella direzione di avanzamanto e quindi spingendolo sulle parti fluidodinamiche del mezzo. Si preferisce per semplicità schematizzare tale modalità di funzionamento sottoforma di trazione: appartengono a questa tipologia la maggior parte delle eliche aeronautiche utilizzate dagli aeromobili e alcune moderne applicazioni marine utilizzate sulle navi.
Eliche spingenti: sono analoghe alle traenti, ma collocate nella zona posteriore del mezzo. Perciò esse incontrano anteriormente un fluido in moto disuniforme che risente del passaggio tra le superfici fluidodinamiche del mezzo. Su tale moto l'elica produce une effetto omogeneizzante e pertanto risulta più semplicemente schematizzabile la sua azione sottoforma di spinta anziché trazione. A questa tipologia appartiene la stragrande maggioranza delle eliche marine utilizzate su tutti i tipi di imbarcazioni e alcune applicazioni aeronautiche (in particolare nei prototipi dell'inizio del XX secolo).
Eliche portanti: al contrario delle precedenti, questo tipo di eliche fornisce una spinta sostentatrice, cioè opposta alla forza di gravità. Sono perciò utilizzate sugli elicotteri.

Parametri dell'elica

Profilo di una pala, ove:

βè l'angolo di calettamento geometrico;
αè l'angolo d'attacco;
α_iè l'angolo di incidenza indotta;
V_tè la velocità di rotazione della sezione d'elica;
V_oè la velocità di volo;
V_rè la velocità relativa;
V_eè la velocità effettiva;
wè 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; 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.

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 cusa 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:

$\vec V_t = \vec \omega \times \vec r = \frac {2 \pi \, n}{60} r \hat t$

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 volo 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:

$\gamma = \frac{V}{n d}$

dove V indica la velocità, n il numero di giri 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:

$\eta_e = \frac{\Pi_u}{\Pi_a} = \frac{T V}{2 \pi n Q}$

dove T rappresenta il valore della spinta, V la velocità, n il numero di giri al secondo dell'elica e Q la coppia assorbita 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.

Eliche aeronautiche

L'elica di un aeroplano Macchi M.C.202.

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 di incidenza e l'angolo di incidenza 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 compiono 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 veicolo 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 un numero di giri molto più elevato (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).

Eliche marine

Caratteristiche tecniche

L'elica di una nave

Nel caso di applicazioni marine le eliche devono essere studiate con particolare cura rispetto all'ambiente liquido nel quale andranno ad operare. Inoltre, ad esclusione di particolari applicazioni, per ragioni di sicurezza contro l'impatto di corpi esterni, le eliche marine sono sempre poste nella zona poppiera delle imbarcazioni.
Le eliche marine (ad esclusione del caso particolare dei sottomarini), operano in prossimità della superficie di separazione tra due fluidi (aria ed acqua), soggetta alla generazione di fenomeni ondosi. Questo induce effetti di alterazione sul moto del fluido lungo la carena dell'imbarcazione e sull'elica. Similmente l'elica deve essere posta ad una sufficiente immersione per non incorrere nell'effetto superficie libera, consistente in una massiccia produzione ondosa nella quale va a scaricarsi il campo di pressione prodotto dall'elica, riducendo la spinta prodotta.
Inoltre una eccessiva vicinanza tra lo scafo e le pale può provocare colpi di pressione ed indurre vibrazioni sull'intero complesso nave-elica. La sensibile differenza di densità dell'acqua all'aumentare della profondità fa infine sì che le pale dell'elica, nel corso di una rotazione, si trovino ad operare in zone con caratteristiche differenti e differente campo di pressioni, in ciò inducendo ulteriori disuniformità di spinta e momenti vibratori estesi all'asse rotante.

Cavitazione

Danni prodotti da cavitazione sulla pala di un'elica marina.

Un particolare fenomeno cui possono andare incontro le eliche marine è la cavitazione, cioè la formazione di micro-bolle di gas nelle zone di massima depressione. Tali micro-bolle, migrando rapidamente verso le zone a maggior pressione finiscono poi per impattare e collassare sulla superficie della pala, provocando un vistoso effetto sia erosivo sia corrosivo, per la reattività dei gas disciolti. I danni provocati da tale fenomeno sono facilmente identificabili con una serie di piccoli e profondi fori nella zona interessata da cavitazione. Inoltre, la scia di bolle altera il campo di velocità e pressioni sulla pala stessa, comportandosi come una sorta di cuscino sul quale devia il flusso di corrente, modificando quindi la portanza della pala ed il rendimento dell'elica.
Per la sua correlazione con la tensione di vapore dell'acqua e dunque alla pressione, la cavitazione risulta legata ai seguenti parametri:

immersione - e dunque al battente idrostatico;
numero di giri - e dunque al campo di pressioni generato dalle pale.

La cavitazione può dunque essere combattuta aumentando l'immersione dell'elica, riducendone il numero di giri o, in generale, aumentando il rapporto tra spinta ed area espansa, cioè la spinta specifica per unità di superficie (in altre parole utilizzando un'elica con pale più grandi e dunque meno caricate). Le eliche marine si dividono quindi tra:

eliche non cavitanti, progettate per operare in assenza di cavitazione;
eliche a limite di cavitazione, progettate per operare normalmente in assenza di cavitazione;
eliche supercavitanti, progettate per operare normalmente in presenza di cavitazione;
eliche supercavitanti di superficie, progettate per operare ad elevatissimi livelli di cavitazione e con periodiche fuoriuscite in superficie.

Parametri delle eliche marine [modifica]

Rendimento di elica isolata - rappresenta il rendimento dell'elica in assenza della carena:

$\eta = \frac{T V}{2 \pi n Q}$

Rendimento idrodinamico - rappresenta l'effettivo rendimento dell'elica in accoppiamento con la carena:

$\eta = \frac{T V_A}{2 \pi n Q}$

Dove $V A$ $= V * (1 - w)$ rappresenta la velocità di avanzo, cioè la velocità effettivamente percepita dall'elica e ridotta, rispetto alla reale velocità della nave, per effetto della scia (rappresentata dal coefficiente $w$ ).

Storia

Raffigurazione dell'elica manuale di Bushnell, 1775.

L'elica iniziò a sostituire la propulsione a ruota attorno alla metà del XIX secolo. Già nel 1775 David Bushnell utilizzò per la prima volta un'elica a propulsione manuale nel suo progetto di sottomarino, il Turtle; attorno al 1827 l'ingegnere ceco Josef Ressel sperimentò la prima applicazione di propulsione con elica navale a vapore nel porto di Trieste. Esperimenti similari vennero condotti nel 1836, da parte di Francis Pettit Smith, e nel 1839, ad opera di John Ericsson, che permise ad una nave di attraversare l'Atlantico in quaranta giorni.
Le prime applicazioni prevedevano spesso eliche ad una o due pale, spesso molto espanse e quasi sempre in combinazione con la tradizionale ruota, considerata ancora più affidabile. Alla fine dell'Ottocento, comunque, l'elica era già divenuta la soluzione propulsiva principe nelle applicazioni navali.
Accoppiata a partire dalla II Guerra Mondiale coi nuovi motori a combustione interna, l'elica trova recenti e sempre più diffuse applicazioni combinate diesel-elettriche.

Voci correlate

Note [modifica]

Altri progetti [modifica]

Commons

Wikimedia Commons contiene file multimediali su Elica

Aerogeneratori ad asse orizzontale

Turbine ad asse orizzontale

Nell'immagine le principali tipologie di rotori ad asse orizzontale, attualmente sono utilizzati i rotori ad elica sopratutto per grandi sistemi e rotori multipala per sistemi da pochi kW di potenza.

Disegni schematici di altri tipi di rotori ad asse orizzontale: ifb.uni-stuttgart.de

Turbina ad elica

La pala dell'elica, come un'ala sottile offre una resistenza minima all'avanzamento, non crea turbolenze pericolose, ha una portanza elevata: tutto ciò si traduce in un alto coefficiente di potenza e in velocità di rotazione molto alte (alcuni rotori hanno eliche con velocità periferiche vicine a quelle del suono).

In conseguenza dell'alta velocità di rotazione tipica di queste macchine è possibile accoppiare dei generatori di elettricità, direttamente o con ingranaggi molto modesti, evitando che la gran parte della potenza estratta sia dissipata in trasmissioni complicate caratterizzate da elevati rapporti di trasmissione.

Turbina tripala

L'elica, per poter avere un rendimento costante ed elevato, deve sempre potersi orientare nel vento. I metodi utilizzati sono due: con un timone di opportune dimensioni che orienta tutto il complesso (elica controvento o up-wind ), oppure , ponendo l'elica posteriormente al complesso generatore-perno di rotazione e utilizzando la coppia giroscopica del motore stesso per orientare il mulino (elica sottovento o down-wind).

L'elica ha un profilo aerodinamico facilmente ricavabile da libri e pubblicazioni molto diffuse; in pratica per applicazioni modeste vengono impiegati profili standard.

Nell' immagine (sopra) di una turbina eolica, non c'è il moltiplicatore di giri. Si utilizza questa soluzione quando l' aerogeneratore è installato in siti con venti costanti e sostenuti, in genere queste qualità si hanno al largo delle coste.

Le turbine ad elica possono essere configurate nella soluzione sottovento (disegno in basso), questa soluzione permette una quasi automatica autoregolazione rispetto alla direzione del vento, oppure nella configurazione sopravento, in questo caso serve un sistema di regolazione meccanica o aerodinamica rispetto alla variazione della direzione dei venti.

Varianti sottovento o sopravento

Turbina multipala

Il suo rotore è costituito da un alto numero di pale in lamiera metallica, generalmente 18 o più, disposte a raggiera su un mozzo e ad angolo rispetto al piano di rotazione, come una grande ventola. Il diametro medio è di circa 1.5-3 metri. La rotazione dell'asse viene trasformata in moto alternativo per mezzo di un albero a gomito, oppure rinviata alla base del traliccio tramite una coppia di ingranaggi conici.

Questo tipo di mulini viene utilizzata nella grande maggioranza dei casi per pompare acqua dai pozzi. Il rotore è rigido e la sua superficie ed inclinazione non possono essere variate al variare della forza del vento; infatti oltre ad una certa velocità deve essere fermato manualmente oppure piegato in modo da disporre il rotore parallelo alla direzione del vento. Il grande numero di pale comporta una solidity elevata, per cui si ha una coppia molto alta anche a basso numero di giri; è sufficiente un vento debole per far lavorare il rotore in condizioni ottimali. Le pale sono leggermente incurvate e con angolo di calettamento variabile dal mozzo all'estremità. Per micro-generatori si possono utilizzare un numero inferiore di pale sagomate.

Turbina multipala

Mulino Cretese

E' il tipo più semplice, economico e sicuro. Il rotore è costituito da 8 o più braccia, tra le quali vengono tesi, per mezzo di cavi dei triangoli di stoffa. La superficie di questi ultimi può essere aumentata o ridotta a seconda dell'intensità del vento. I cavi hanno anche la funzione di irrigidire la struttura. Poiché tutta la struttura è elastica e flessibile, possiede una parziale autoregolazione, in quanto la pressione del vento sulle vele le deforma, modificando la loro superficie esposta, e ciò viene ottenuto arrotolando la tela sui sostegni.

La torre di sostegno può essere in muratura o con traliccio di legno o metallico. I mulini di questo tipo vengono usati nella maggioranza dei casi per pompare acqua, ma alcuni esemplari autocostruiti sono stati utilizzati per produrre elettricità con un alternatore accoppiato a ingranaggi e rinvii opportuni (difficilmente superano i 50 giri/min). Ciò è dovuto ad una alta solidity (0.6-0.7) e ad un rapporto ottimale u/v tra i più bassi (0.75). Non richiede dunque alte velocità del vento; infatti già con u=3 m/s fornisce una coppia elevata.
rotore cretese.

Rotore cretese

Mulino cretese

Perchè le nuove pale eoliche hanno una forma così strana?

Le pale dei moderni generatori eolici hanno una forma che si discosta molto da un semplice rettangolo. Soprattutto mi colpisce il fatto che siano più larghe al centro e affusolate sulle punte. Non sarebbe meglio il contrario?

Il fatto dell'essere affusolate sulle punte è per limitare la resistenza di vortice perchè una generica ala(anche le pale di eliche, elicotteri, turbine eoliche) quando funzionano necessariamente hanno su una "faccia" una pressione maggiore che sull'altra, ma all'estremità l'ala tende ovviamente a passare dalla zona di alta pressione a quella di bassa non incontrando alcun ostacolo....questo causa un vortice....e è desiderabile che questo vortice sia il più attenuato possibile....l'ala rettangolare genera un vortice maggiore di quelle rastremate(cioè con corda minore all'estremità), che a loro volta ne genera uno maggiore di quelle a pianta ellittica....una elica con una rastremazione inversa(cioè con corda maggiore all'estremità sarebbe la cosa peggiore possibile).
Negli anni '50 a qualcuno venne l'idea di fare un aereo con l'ala a rastemazione inversa(una versione di F-84) perchè pensava che più lontano dal flusso disturbato dalla fusoliera avrebbe funzionato meglio, ma si resero rapidamente conto che non era stata affatto una buona idea
Per quanto riguarda lo svergolamento invece è dovuto al fatto che le pale girano e quindi per il loro calettamento è necessario tenere conto sia della velocità del vento sia della velocità tangenziale della pala...il risultato è che l'angolo del vento sentito dalla pala cambia con la distanza dal mozzo...ma questa cosa è comune a tutte le eliche(di aereo, turbine eoliche e anche se un po' meno evidente anche nelle pale di elicottero)

ROTORE

Il rotore è proprio la parte che impatta con il vento e che trasforma l’energia del vento in energia meccanica. In genere si usano soluzioni a due o tre pale. Le pale devono essere ben bilanciate per evitare fenomeni di vibrazione e di eccessiva fatica dei materiali.

I rotori usati in prevalenza per generare energia elettrica, sono quelli ad asse orizzontale.

L'asse del rotore è parallelo alla direzione del vento e ruota su un piano perpendicolare alla direzione. Le caratteristiche peculiari sono: alta velocità di rotazione, elevato coefficiente di portanza e quindi elevata potenza. Gli svantaggi sono: difficoltà di realizzazione, grandi ripercussioni negative sulla macchina per minimi errori progettuali.

Un esempio di rotore ad asse orizzontale è il mulino ad elica:

Rotore ad asse orizzontale

La pala dell'elica offre una resistenza minima all'avanzamento, non crea turbolenze pericolose, ha una portanza elevata: tutto ciò si traduce in un alto coefficiente di potenza e in velocità di rotazione molto alte (alcuni rotori hanno eliche con velocità periferiche vicine a quelle del suono ). In conseguenza dell'alta velocità di rotazione tipica di queste macchine è possibile accoppiare dei generatori di elettricità, direttamente o con ingranaggi molto modesti, evitando che la gran parte della potenza estratta sia dissipata in trasmissioni complicate caratterizzate da elevati rapporti di trasmissione. L'elica richiede però una tecnologia più raffinata, maggior cura nella progettazione e costruzione poiché le forze agenti su ogni parte sono elevate e aumentano considerevolmente all'aumentare della forza del vento.

Il generatore ad elica, nel suo complesso, è una macchina che può essere estremamente pericolosa: piccoli errori o leggerezze nella sua costruzione possono creare condizioni tali da distruggere in modo esplosivo tutto il complesso, torre compresa. Durante il funzionamento si cerca di mantenere il numero di giri il più basso possibile e, soprattutto, costante. Per questa ragione vengono utilizzati particolari meccanismi che variano l'angolo di calettamento delle pale al variare della velocità del vento o freni vario tipo. L'elica inoltre, per poter avere un rendimento costante ed elevato, deve sempre potersi orientare nel vento.

Questo tipo di rotore raggiunge una velocità di fino a 1000 g/min, ha un rendimento medio superiore al 40%.

GENERATORE

Il generatore a magnete permanente consente di estrarre la massima potenza dal rotore che gira a basse velocità conciliando la semplicità di costruzione (e quindi i bassi costi) con la migliore efficienza nel caso di utilizzo per piccoli impianti.

CODA A BANDERUOLA
Il meccanismo a banderuola serve a direzionare l'asse della turbina in modo parallelo alla corrente ventosa a maggior velocità. La coda porta anche un sistema molto semplice di protezione dal vento troppo forte. Se il vento supera all'incirca i 10 m/s la coda si abbassa portando l'asse del rotore verso l'alto; in questo modo le pale rallentano e si evitano fenomeni che potrebbero essere distruttivi per l'intero sistema.

ELICA TIMONE

Galleria d'immagini relativa al Modello in legno d'elica da timone, Malfi, © D 2003. Foto 1: lo strumento; foto 2: particolare del rotismo; foto 3: l'elica ruotata di 30 gradi.