A.S.D. Club Italiano Autogiro


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Aerodinamica Rotore

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CONCETTI E DEFINIZIONI BASE

LA PALA DEL ROTORE

L’autogiro ha un rotore costituito da due pale, rotore bipala o a bilanciere. Osserviamo una pala dall’alto, potremo allora facilmente individuare l’estremità interna o radice, dove viene fissata alla testa del rotore, l’estremità esterna, la lunghezza della pala, distanza tra le due estremità (generalmente fornita in piedi 1 feet = 1 ft = 30.48 cm = 0.3 m).

Il raggio R, distanza tra l’estremità esterna e il centro di rotazione del rotore. Il centro di pressione Cp, punto di applicazione della forza aerodinamica (approssimativamente posto a circa 70% del raggio della pala). Il centro di gravità G, punto di applicazione della forza peso.

TIPI DI ROTORE

I rotori possono essere classificati in base al numero di pale, quindi 2 pale (bipala), tre pale (tripala) e così via. Un’altra classificazione è in base ai gradi di libertà (movimenti) che le pale possono compiere. Possiamo avere rotori di tipo rigido, alla pala non è concesso alcun movimento, in tal caso si sfruttano le deformazioni elastiche del materiale. Rotori semirigidi con un solo movimento verticale che prende il nome di flappeggio. Rotori articolati con due movimenti, uno verticale, flappeggio, e uno orizzontale, brandeggio. Noi ci occuperemo più avanti del tipo semirigido parlando del movimento di flappeggio


DISTRIBUZIONE DELLA PORTANZA LUNGO IL ROTORE

Consideriamo una pala che ruota su di un punto fisso, non c’è movimento di traslazione ma solo di rotazione.
La risultante della portanza generata dal rotore può essere pensata applicata in un punto chiamato centro di pressione (Cp) posto, come abbiamo visto in precedenza, a circa il 70% del raggio della pala. La distribuzione delle singole componenti di portanza, calcolata in ogni punto, ha un andamento abbastanza singolare. Quando abbiamo parlato del moto circolare, si è visto che la velocità periferica aumenta all’aumentare del raggio descritto dal punto durante la sua rotazione. Allo stesso modo, se consideriamo diversi punti della pala, questi avranno una velocità periferica V sempre maggiore man mano che ci allontaniamo dal centro di rotazione. Ricordando allora la formula della portanza, P = ½ r S Cp V2, notiamo subito come ogni singolo elemento di pala fornisce un contributo sempre maggiore alla portanza. La distribuzione non sarà costante ma aumenta dalla radice all’estremità. Una pala di questo tipo si dice non svergolata, l’angolo del passo è costante lungo tutta la lunghezza della pala. L’uso di una pala di questo tipo, non svergolata, con forte componente della portanza verso l’estremità è utile per favorire il movimento di flappeggio, di cui ci occuperemo più avanti. In alcuni casi, tipo elicottero, si preferisce invece avere una distribuzione della portanza uniforme lungo la pala. Si fa in modo allorache la pala abbia un diverso angolo di passo lungo il suo raggio. In tal modo si agisce sull’angolo di incidenza aumentando così la portanza verso la radice e diminuendola all’estremità.


PALA AVANZANTE E PALA RETROCEDENTE

Consideriamo ora, oltre alla rotazione, anche il movimento di traslazione in avanti. In questo caso possiamo distinguere le due pale del nostro rotore. La pala avanzante sarà quella che "avanza" nella direzione del moto, viceversa quella che "retrocede" rispetto alla direzione di moto sarà la pala retrocedente. Questa distinzione è molto importante per quello che vedremo fra poco.


DISSIMETRIA LATERALE DELLA PORTANZA

Quando al rotore, oltre al movimento rotatorio, si aggiunge la traslazione in avanti si crea un fenomeno che, se non fosse annullato nel modo in cui vedremo più avanti, renderebbe l’autogiro ingovernabile. Tale comportamento è dovuto alla composizione della velocità periferica, della pala in rotazione, e la velocità di traslazione in avanti. Il vento relativo che investe la pala passerà allora da un valore minimo, verso della velocità periferica V opposto alla velocità di traslazione Vt , e un valore massimo, velocità periferica e velocità di traslazione Vt con verso concorde.

Esaminando la pala avanzante e quella retrocedente si può notare un contributo di portanza molto maggiore da parte della pala avanzante rispetto a quella retrocedente. Il risultato è appunto una dissimetria laterale, nel senso che è localizzata dal lato della pala avanzante, della portanza. Questo è un effetto assolutamente indesiderato che viene annullato, senza alcun intervento esterno o da parte del pilota, dal movimento di flappeggio.






FLAPPEGGIO



Il flappeggio è il movimento che consente alla pala di salire e scendere verticalmente. Tale libertà di movimento è fondamentale per un rotore poiché annulla la dissimetria laterale della portanza che abbiamo appena esaminato. Il movimento della pala si arresta quando essa è allineata con la risultante fra la forza aerodinamica Fn e la forza centrifuga Fc cui è soggetta la pala. Tale escursione è di circa 8°.





Per comprendere l’azione del flappeggio dobbiamo prima di tutto osservare come nel rotore, e in tutti i corpi in rotazione, l’effetto agisce novanta gradi in ritardo rispetto alla causa che l’ha generato. Questo comportamento è dovuto alle forze d’inerzia giroscopiche. In parole povere se noi agiamo con una forza che tende a muovere lungo una certa direzione una trottola essa tenderà a muoversi lungo una direzione ortogonale. Nel caso del rotore se nel punto D in cui ho il massimo valore del vento relativo Vr, causa, la massima portanza, effetto, si avrà novanta gradi dopo, quindi nel punto A, in questo punto avrò la massima escursione di flappeggio verso l’alto. Viceversa il minimo di Vr si ha nel punto B mentre il minimo di portanza si avrà solo nel punto C, punto di massima escursione di flappeggio verso il basso.



Il movimento di flappeggio è in grado di eliminare la dissimetria laterale della portanza grazie al suo effetto sull’angolo di incidenza i. Nel caso della pala avanzante, flappeggio verso l’alto, l’angolo d’incidenza diminuisce. Se osserviamo attentamente noteremo infatti che la direzione della velocità periferica V è lungo la traiettoria che la pala assume mentre sale. Questa si compone con la velocità di traslazione Vt. La velocità risultante Vris che otteniamo è uguale ed opposta al vento

relativo Vr che investe la pala. Il movimento della pala che sale, molto semplicemente, modifica la direzione del vento relativo. Esso investe la pala con un angolo, angolo d’incidenza i, piccolo.

Viceversa l’angolo di incidenza della pala retrocedente, flappeggio verso il basso, aumenta.

Come nel caso precedente è necessario comporre la velocità di traslazione Vt con la velocità periferica V disposta sulla traiettoria della pala in discesa. Il vento relativo Vr risultante assume un angolo d’incidenza maggiore.

L’effetto della variazione dell’angolo di incidenza compensa l’effetto della variazione del vento relativo dovuto alla combinazione della velocità periferica e quella di traslazione.



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