GUAP - Gurney flap Attivato Pneumaticamente

Progetto finanziato nell’ambito del POR Campania FESR 2014-2020

 

 

                       

 

 

AMBITO DI INTERVENTO: “Propulsione ed efficienza energetica”

DOMINIO TECNOLOGICO-PRODUTTIVO: “Aerospazio”

TRAIETTORIA TECNOLOGICA: “Sviluppo di pale di turbina innovative”. 

 

OBIETTIVO PRINCIPALE DEL PROGETTO

Ottimizzazione dell'efficienza propulsiva del rotore di un elicottero in condizioni di volo traslatorio, a mezzo dello sviluppo di un dispositivo pneumatico, chiamato GUAP, per l’azionamento del Gurney flap, un’appendice aerodinamica in grado di modificare il comportamento aerodinamico delle pale dell’elicottero soprattutto alle alte incidenze che, se estesa sulle pale del rotore retrocedenti rispetto al moto di avanzamento, può migliorare globalmente le prestazioni del rotore stesso riducendone i consumi e le emissioni, oltre ad aumentare la velocità massima raggiungibile dal velivolo.

 

CARATTERISTICHE ED INNOVATIVITÀ DEL SISTEMA GUAP

Principali applicazioni e descrizione del GUAP

Il sistema GUAP trova possibili applicazioni in diversi settori industriali, in particolare nel campo dell’industria aeronautica ma con potenziali applicazioni anche in quello dell’energia eolica.

Nel campo dell’industria elicotteristica il controllo del flusso intorno al rotore principale riveste un ruolo primario. Tra le problematiche riscontrate in questo tipo di applicazioni, assumono particolare rilevanza quelle legate all’asimmetria del campo di moto osservata dal rotore durante il volo traslatorio orizzontale del velivolo. Tale asimmetria comporta il raggiungimento di condizioni di stallo dinamico in alcune zone della pala retrocedente, che limitano le prestazioni dell’aeromobile, richiedono, in genere, un incremento della potenza necessaria al moto e quindi maggiori consumi, e causano problemi vibrazionali ad acustici.          

 

Il GUAP consiste in un dispositivo per l’attuazione di un’aletta aerodinamica, denominata Gurney flap, che se installata sulle pale di un rotore e movimentata in modo tale da essere retratta sulla pala avanzante ed estesa su quella retrocedente, può attenuare gli effetti negativi dell’asimmetria del campo di moto appena accennati, migliorando le prestazioni dell’elicottero sia in termini di consumi che di velocità massima raggiungibile.

Il sistema GUAP utilizza un principio di attuazione pneumatico per il controllo attivo di tale appendice aerodinamica: in particolare, un elemento deformabile viene sottoposto all’azione di un fluido in pressione e la conseguente deformazione di tale corpo viene utilizzata per estendere il Gurney flap attraverso un opportuno cinematismo di collegamento.

Come citato, applicazioni con funzioni similari possono, comunque, essere ritrovate in altri campi, come ad esempio in relazione a pale per turbine eoliche per controllarne i carichi in diverse condizioni di funzionamento.
 

FLUSSO SU UN ROTORE DI ELICOTTERO

Principali vantaggi e criticità del GUAP

VANTAGGI: Rispetto ad altre tecnologie di attuazione, l’uso di un sistema pneumatico costituisce un punto di potenziale vantaggio per la tecnologia sviluppata: tale soluzione, infatti, da un lato richiede una minore complessità costruttiva rispetto ad alcuni tipi di sistema meccanico, dall’altro, rispetto ad alcuni sistemi basati sulla tecnologia piezoelettrica, consente di raggiungere deflessioni e forze di attuazione adeguate notevoli con minori incrementi in peso. La semplicità costruttiva è, inoltre, associata ad un miglioramento delle caratteristiche di affidabilità.

 

CRITICITA’: Tra le principali criticità si può notare la possibile difficoltà di provvedere ad una fornitura continua di fluido in pressione al rotore. Tale problematica può comunque essere affrontata con l’utilizzo di opportuni sistemi di distribuzione, comportando l’ulteriore beneficio di un’estensione della ricaduta tecnologica su altre aree di ricerca industriale.

 

Accenni sul Gurney flap e il suo effetto sull’aerodinamica di un profilo alare

Più in dettaglio, l’aletta Gurney è un’appendice aerodinamica introdotta con lo scopo di migliorare il comportamento aerodinamico di una superficie portante, come un’ala o una pala di rotore.

Essa è costituita da una piccola piastra disposta su un profilo aerodinamico,  estesa in direzione approssimativamente ortogonale alla corda (distanza tra il bordo di attacco e il bordo di uscita del profilo) ed, in genere, posizionata sul ventre del profilo in prossimità del bordo di uscita (sul lato in pressione nella parte posteriore del profilo).

Generalmente, le dimensioni del Gurney flap sono relativamente ridotte: l’altezza della piastra necessaria ad ottimizzare le prestazioni è in genere dell’ordine dell’1%-2% della lunghezza della corda del profilo. Ciò fa sì che questo tipo di flap sia preferibile al flap classico in questo tipo di applicazioni perché richiede minore potenza per essere azionato.

 

L’effetto principale del Gurney flap consiste in un incremento fittizio della curvatura del profilo che comporta un aumento del coefficiente di portanza (Cl) ai diversi angoli di attacco, e quindi anche del Cl massimo (Cl in condizioni di stallo). Tale incremento del Cl è accompagnato, in genere, anche da un aumento del coefficiente di resistenza (Cd). Questo comporta una variazione limitata, se non un peggioramento, dell’efficienza aerodinamica (CL/Cd) a bassi angoli di incidenza, mentre ad angoli elevati (in corrispondenza dello stallo) si può ottenere un miglioramento anche dell’efficienza oltre che del coefficiente di portanza.

 

Il Gurney flap è stato inizialmente sviluppato per applicazioni statiche, non controllabili attivamente, su sezioni alari; ma, come evidenziato anche dallo studio dello stato dell’arte, successivamente è stato proposto l’uso di Gurney flap attivi, controllati da un opportuno sistema di attuazione che ne permette la deflessione nelle condizioni di flusso in cui ne è richiesto l’intervento.

 

Nel caso di rotori elicotteristici, per quanto detto, questo tipo di dispositivo può trovare impiego per incrementare il coefficiente di portanza sulla pala nelle condizioni di flusso stallato che si possono realizzare sulla pala retrocedente durante le fasi di volo traslatorio orizzontale, aumentando la velocità massima raggiungibile dal velivolo (per l’aumento del Cl) e riducendo la potenza necessaria al volo e quindi i consumi (per l’aumento dell’efficienza aerodinamica in condizioni di stallo). In questo tipo di applicazioni, quindi, il Gurney flap deve essere attivato periodicamente ad ogni rotazione della pala.

In altre condizioni di volo l’aletta Gurney può avere comunque effetti positivi sulle prestazioni, con strategie diverse di attivazione. Ad esempio, nelle fasi di volo in hovering (cioè con elicottero in volo a punto fisso), un Gurney flap esteso può permettere di  incrementare il carico massimo o il tempo di volo stazionario.

 

 

 

Sviluppi e ricadute industriali del GUAP

L’avanzamento del progetto ha consentito di individuare da un lato i settori industriali che potrebbero beneficiare dell’innovazione introdotta dal sistema GUAP, dall’altro le possibili aree di competenza necessarie all’ulteriore sviluppo commerciale del dispositivo. In particolare, per quanto indicato in precedenza, uno dei settori primari di applicazione del sistema è costituito dall’industria elicotteristica. Ciò può comportare significative ricadute nel tessuto produttivo territoriale, in particolare in presenza di una ampia filiera produttiva connessa al settore aeronautico in genere.

Come evidenziato in precedenza, prospettive di sviluppo sono identificabili anche nel settore delle turbine eoliche, con opportuni adattamenti progettuali per le specifiche esigenze dei rotori per aerogeneratori.

D’altro canto, ulteriori ricadute industriali sono individuabili nella necessità di acquisire ed utilizzare competenze e risorse produttive diverse. In particolare, per una futura produzione commerciale del sistema, si prevede la definizione di relazioni industriali con aziende operanti nel settore della produzione di componenti in materiale composito, con competenze nella produzione di pale per rotori. Come già indicato, inoltre, per la realizzazione finale del prodotto sono necessari i contributi di capacità progettuali e produttive in altri ambiti, ad esempio nel settore degli attuatori pneumatici e dei sistemi di controllo, con ulteriore potenziale estensione della ricaduta economica.

 

 

ATTIVITA’ SVOLTE

Nel corso del progetto è stato condotto uno studio di fattibilità dello sviluppo del dispositivo di azionamento GUAP, con lo scopo di effettuare un’analisi costi-benefici  ed individuare le problematiche e le prospettive di un suo eventuale sviluppo industriale.

 

Lo svolgimento del progetto ha seguito un percorso definito dalle seguenti attività di ricerca:

1) Stato dell’arte e normativa vigente

Individuazione di un quadro degli studi di base connessi a sistemi con applicazioni analoghe a quelle del GUAP e ricerca su soluzioni progettuali alternative già brevettate, con analisi di vantaggi e svantaggi di ognuna di esse.

 

2) Analisi del mercato di riferimento (domanda/offerta)

Definizione dei possibili fruitori dell’innovazione introdotta e dei competitors offerenti soluzioni alternative.

 

3) Posizionamento prodotto/Business planning

Valutazione del potenziale posizionamento del prodotto nel mercato e dei possibili target di vendita per i settori di mercato individuati nell’attività precedente.

Sono stati ipotizzati proventi e quantità di vendite per ogni tipologia di target ed in base ad essi è stato previsto uno scenario di mercato per un periodo di riferimento di 4 anni. Per lo stesso periodo sono stati ipotizzati i costi fissi e di personale e sulla base di tali dati è  stata delineata, infine, un’ipotesi preliminare di business plan per lo sviluppo e la commercializzazione del sistema GUAP. È stata, infine,  elaborata una proiezione della marginalità della iniziativa in esame, al fine di rilevare la redditività/profittabilità del prodotto oggetto di studio.

 

4) Fattibilità tecnica e analisi tecnico-funzionale del componente innovativo

A valle dello studio dello stato dell’arte e della definizione delle caratteristiche generali del sistema GUAP, è stato effettuato un dimensionamento preliminare del dispositivo, ipotizzandone l’applicazione su un elicottero preso come riferimento, per valutarne la compatibilità con la pala dell’elicottero in termini di ingombro e  peso, oltre alla capacità di assicurare frequenze di azionamento del Gurney flap compatibili con le velocità di rotazione tipiche degli elicotteri, genericamente molto elevate. A supporto di quest’attività è stato sviluppato un modello in ambiente Simulink del dispositivo GUAP, preventivamente validato tramite l’ausilio di prove su un prototipo in scala  del sistema stesso.

È stato, inoltre, condotto un insieme di analisi numeriche CFD (Computational Fluid Dynamics) per lo studio dell’effetto del Gurney flap al variare dei parametri geometrici (soprattutto la lunghezza del flap e la sua posizione lungo il profilo alare) e di attuazione (frequenza), con i seguenti principali obiettivi:

- 

determinare i parametri geometrici del Gurney flap ottimali o, comunque, necessari ad ottenere risultati soddisfacenti per il tipo di applicazione di interesse;

- 

verificare l’entità dell’eventuale  variazione del suo effetto sulle prestazioni dei profili qualora tali parametri dovessero discostarsi da quelli ottimali per motivi costruttivi (compatibilità con le geometrie e le dimensioni tipiche delle pale di elicottero) ed in funzione della frequenza di azionamento.

 

DESIGN PRELIMINARE DEL GUAP

 

PROTOTIPAZIONE
 

 

 

Analisi CFD con Gurney flap fisso

 

 

 

Analisi CFD con Gurney flap attivo (Alfa = 5° con flap estratto al 50%)

 

 

 

5) Analisi costi-benefici (interni ed esterni)

Gli studi bibliografici effettuati, il dimensionamento preliminare del GUAP applicato su un elicottero di riferimento e i risultati delle analisi CFD  hanno permesso di  effettuare una valutazione quantitativa dei vantaggi del dispositivo, in termini di miglioramento delle prestazioni dell’elicottero, e dei suoi costi potenziali, almeno come ordine di grandezza essendo una fase molto preliminare di progetto.

 

6) Ricerca dei partner

È stata effettuata una  ricognizione di potenziali portatori di interesse da poter eventualmente coinvolgere nello sviluppo commerciale del dispositivo GUAP, identificabili in soggetti industriali e commerciali, come operatori (produttori di elicotteri o turbine eoliche) e clienti finali.

 

7) Proprietà intellettuale

Copertura brevettuale del dispositivo sviluppato tramite deposito richiesta di brevetto per invenzione industriale (Domanda numero: 102019000006562, data di presentazione: 6/5/2019)