Rotore BERP - BERP rotor

Dipartimento di polizia metropolitana di Tokyo EH101 (AW101)

Il design della pala del rotore BERP è stato sviluppato nell'ambito del British Experimental Rotor Program . Le pale del rotore BERP iniziali furono sviluppate tra la fine degli anni '70 e la metà degli anni '80 come programma di joint venture tra Westland Helicopters e il Royal Aircraft Establishment (RAE), con il professor Martin Lowson come co-titolare del brevetto. L'obiettivo era aumentare la capacità di sollevamento e la velocità massima degli elicotteri utilizzando nuovi design e materiali.

Come funziona

Quando gli oggetti si avvicinano alla velocità del suono , le onde d'urto si formano nelle aree in cui il flusso locale è accelerato al di sopra della velocità del suono. Ciò si verifica normalmente su aree curve, come le finestre della cabina di pilotaggio, i bordi d'attacco dell'ala e aree simili in cui il principio di Bernoulli accelera l'aria. Queste onde d'urto irradiano via una grande quantità di energia che deve essere fornita dai motori, che appare all'aereo nel suo insieme come una grande quantità di resistenza aggiuntiva, nota come resistenza d'onda . È stato l'inizio della resistenza delle onde a dare origine all'idea di una barriera del suono .

Gli elicotteri hanno l'ulteriore problema che i loro rotori si muovono rispetto alla fusoliera mentre ruotano. Anche in bilico, le punte del rotore possono viaggiare a una frazione significativa della velocità del suono. Man mano che l'elicottero accelera, la sua velocità complessiva viene aggiunta a quella delle punte, il che significa che le pale sul lato che si muove in avanti del rotore vedono una velocità significativamente maggiore rispetto al lato che si muove all'indietro, causando una dissimmetria di portanza . Ciò richiede modifiche nell'angolo di attacco delle pale per garantire che il sollevamento sia simile su entrambi i lati, nonostante le grandi differenze nel flusso d'aria relativo.

È la capacità del rotore di cambiare il proprio schema di portanza che pone un limite alla velocità di avanzamento di un elicottero; a un certo punto la velocità di avanzamento significa che le pale che si muovono all'indietro sono al di sotto della loro velocità di stallo . Il punto in cui ciò si verifica può essere migliorato facendo girare il rotore più velocemente, ma poi affronta il problema aggiuntivo che alle alte velocità le pale che si muovono in avanti si stanno avvicinando alla velocità del suono e iniziano a soffrire di resistenza delle onde e altri effetti negativi.

Una soluzione al problema della resistenza delle onde è la stessa che si vedeva sui caccia a reazione degli anni '50, l'uso dello spazzamento alare . Ciò riduce l'effetto della resistenza delle onde senza effetti negativi significativi tranne che a velocità molto basse. Nel caso dei caccia, questa era una preoccupazione, soprattutto all'atterraggio, ma nel caso degli elicotteri questo è un problema minore perché le punte del rotore non rallentano in modo significativo, anche durante l'atterraggio. Tali punte spazzate possono essere viste su molti elicotteri degli anni '70 e '80, in particolare l' UH-60 Blackhawk e l' AH-64 Apache .

Tuttavia, così non otteniamo il centro di gravità o i movimenti aerodinamici del centro dietro l'asse elastico della pala (che possono introdurre accoppiamenti aerodinamici e inerziali indesiderati), quindi la punta deve essere configurata con uno spostamento di area in avanti. Questo può essere ridotto al minimo riconoscendo che il numero di Mach sta variando lungo la lama, quindi non dobbiamo usare un angolo di sweep costante, riducendo così al minimo la quantità di spostamento dell'area in avanti.

La metodologia utilizzata nella progettazione della lama BERP garantisce che il numero di Mach effettivo normale alla lama rimanga nominalmente costante sulla regione spazzata. Lo sweep massimo impiegato sulla maggior parte della lama BERP è di 30 gradi e la punta inizia con un raggio non dimensionale r / R = cos 30 = raggio 86%. La distribuzione dell'area di questa regione della punta è configurata per garantire che il centro di pressione medio della punta si trovi sull'asse elastico della pala. Questo viene fatto spostando la posizione dell'asse della corda locale 1/4 in avanti con un raggio dell'86%.

Questo offset produce anche una discontinuità nel bordo d'attacco (indicato come una tacca), che si traduce in altri effetti interessanti. Ad esempio, calcoli recenti utilizzando un codice CFD basato sulle equazioni di Navier-Stokes , hanno dimostrato che questa "tacca" effettivamente aiuta a ridurre ulteriormente la forza delle onde d'urto sulla pala. Pertanto, un sottoprodotto inaspettato della tacca oltre all'effetto fondamentale dello sweep è quello di aiutare a ridurre ulteriormente gli effetti di compressibilità.

Dobbiamo anche riconoscere che una geometria della punta spazzata di questo tipo non migliorerà necessariamente le prestazioni della pala ad un angolo di attacco elevato corrispondente al lato in ritirata del disco. In effetti, l'esperienza ha dimostrato che una lama a punta spazzata può avere una caratteristica di stallo inferiore rispetto alla punta della lama standard.

La lama BERP impiega una geometria finale che si comporta come una punta spazzata a numeri di Mach elevati e angoli di attacco bassi, ma consente anche alla punta di funzionare ad angoli di attacco molto alti senza stallo. Quest'ultimo attributo è stato ottenuto aumentando radicalmente lo sweep della parte più esterna della punta (il 2% esterno circa) ad un valore (70 gradi) in cui qualsiasi angolo di attacco significativo causerà la separazione del flusso dal bordo anteriore.

Poiché il bordo d'attacco è così altamente spazzato, questa separazione del bordo d'attacco si sviluppa in una struttura a vortice che rotola attorno al bordo d'attacco e alla fine si trova sulla superficie superiore (come su un aereo ad ala delta). Questo meccanismo è migliorato rendendo il bordo anteriore del profilo alare in questa regione relativamente affilato.

All'aumentare dell'angolo di attacco, questo vortice inizia a svilupparsi da un punto sempre più in avanti lungo il bordo d'attacco, seguendo la geometria della pianta nella regione più moderatamente spazzata. Ad un angolo di attacco sufficientemente alto, il vortice inizierà vicino alla parte più avanzata del bordo d'attacco vicino alla regione "tacca".

Le prove hanno dimostrato che si forma anche un forte vortice di "tacca", che viene trascinato lungo la lama. Questo vortice agisce come un recinto aerodinamico e ritarda la regione di separazione del flusso dall'invasione nella regione della punta. Ulteriori aumenti dell'angolo di attacco apportano poche modifiche alla struttura del flusso fino a quando non viene raggiunto un angolo di attacco molto alto (in prossimità di 22 gradi!), Quando il flusso si separerà grossolanamente. Per una forma in pianta dell'estremità convenzionale, si prevede che si verifichi una simile interruzione del flusso lordo a circa 12 gradi di angolo di attacco locale.

Pertanto, la lama BERP riesce a sfruttare al meglio entrambi i mondi riducendo gli effetti di compressibilità sulla lama che avanza e ritardando l'inizio dello stallo della lama in ritirata. Il risultato netto è un aumento significativo dell'inviluppo del volo operativo.

Programmi

Il programma iniziale, BERP I, studiava la progettazione, la produzione e la qualificazione delle pale del rotore in composito . Ciò ha portato alla produzione di un nuovo rotore principale e di pale del rotore di coda per il Westland Sea King . Dopo il primo, il secondo programma, BERP II, ha analizzato sezioni di profilo alare avanzate per future pale del rotore. Ciò ha contribuito al programma BERP III.

I modelli BERP III hanno una tacca verso l'estremità esterna della pala del rotore, con una maggiore quantità di sweepback dalla tacca all'estremità della pala rispetto all'interno della tacca. BERP III è culminato in una dimostrazione tecnologica su un elicottero Westland Lynx . Nel 1986, un Lynx appositamente modificato registrato G-LYNX e pilotato da Trevor Egginton stabilì un record di velocità assoluto per elicotteri su un percorso di 15 e 25 km raggiungendo 400,87 km / h (249,09 mph). Dopo il successo della dimostrazione tecnologica, la lama BERP III è entrata in produzione.

BERP IV utilizza: un nuovo profilo alare, una forma della punta della lama rivista e una maggiore torsione della lama. Dopo 29 ore di test si è scoperto che "migliora le prestazioni dell'inviluppo di volo del rotore, riduce il fabbisogno di potenza durante il volo stazionario e in avanti, ... diminuisce le vibrazioni della cellula e del motore per una gamma di pesi al decollo". Inoltre "è stato riscontrato che il carico del mozzo del rotore è uguale o inferiore a quello della pala BERP III ora montata sull'elicottero EH101 ". Per prevenire l'erosione del bordo anteriore, la lama utilizzerà un nastro a base di gomma anziché il poliuretano utilizzato sui Sea Kings della marina britannica. Durante il test è stato riscontrato che dura cinque volte di più, 195 minuti contro 39 min. Il programma si è concluso nell'agosto 2007

Applicazioni della tecnologia BERP

Le applicazioni attuali sono:

• BERP III:

AgustaWestland AW101

Westland Super Lynx aggiornato

• BERP IV:

AgustaWestland AW101

VH-71 Kestrel

Riferimenti

Ulteriore lettura

• Brocklehurst, Alan. AIAA-1990-3008, "Studio sperimentale e numerico della pala del British Experimental Rotor Program". AIAA, 1990.

link esterno

• La lama del British Experimental Rotor Program (BERP)
• Vettori aerei: The Westland Scout, Wasp e Lynx
• "Fastest Blades in the World" , 27 dicembre 1986 Articolo di Flight International sul rotore BERP del Lynx