ITCZ20130005A1 - Sistema ad alta efficienza per l'azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero - Google Patents
Sistema ad alta efficienza per l'azionamento ad aria compressa delle pale di un elicotteroInfo
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“Sistema ad alta efficienza per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicotteroâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un sistema ad alta efficienza per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero.
Com’à ̈ noto gli elicotteri sono provvisti di un rotore principale composto da un albero di rotazione, generalmente verticale, e di pale che generano la portanza necessaria al sostentamento in volo. Il rotore ha una velocità e un’inclinazione regolabili ed à ̈ azionato da uno o più motori. Il rotore, che può avere due o più pale, à ̈ calettato in testa all’ albero e in certe condizioni posto in rotazione libera.
Il rotore, per la sua complessità , costituisce un sistema fondamentale degli aerogiri comprendenti sia gli elicotteri che gli autogiri. Le pale di un aerogiro sono dei lunghi e stretti profili alari, cioà ̈ dotati di un alto indice di allungamento alare, e una forma che minimizzi la resistenza causata dai vortici d'estremità .
Un elicottero, in generale, può avere due rotori, quello principale e quello secondario, detto anche anticoppia, come mostrato in figura 1. Il rotore principale presenta due tipi di rotazione: - rotazione orizzontale, ovvero le pale ruotano ad alta velocità sviluppando una portanza, o spinta, verticale maggiore e opposta rispetto alla forza peso dell’elicottero; - rotazione inclinata, ovvero la rotazione veloce delle pale che sviluppano una portanza che ha una componente verticale che sostiene il peso dell’elicottero ed una orizzontale di spinta. In generale, il rotore s’inclina nella direzione di avanzamento. Il rotore secondario viene collocato in coda all’elicottero per sviluppare una spinta di compensazione che mantenga la coda ferma, che invece, reagendo alla rotazione del rotore, tenderebbe a girare nella direzione opposta.
Esistono, poi, alcuni elicotteri nei quali il rotore di coda, o anticoppia, à ̈ stato sostituito da una ventola posta alla radice del trave di coda cavo dentro il quale viene canalizzata l’aria in pressione proveniente dalla ventola e che viene espulsa lateralmente alla fine del trave di coda creando la forza anticoppia voluta.
L'elicottero à ̈, inoltre, dotato di motori che muovono i rotori, i quali portano in rotazione le pale.
Vi sono anche, nella tecnica nota, delle soluzioni in cui non viene generata la potenza meccanica, ma vi à ̈ un turbomotore che genera un fluido compresso. In queste soluzioni, infatti, la propulsione delle pale viene ottenuta mediante l’eiezione di gas caldo generato nel motore: sostanzialmente il fluido viene spillato al compressore del motore avendo però come conseguenza la modifica del ciclo termodinamico del motore con riduzione drastica del rendimento globale. Il fluido, poi, viene trasferito dal motore alle pale mediante tubi fissi previsti all’esterno della struttura meccanica di rotazione del rotore dell’elicottero, per poi essere immesso in una scatola composta di due parti: una fissa alla struttura dell’elicottero e l’altra rotante con la testa del rotore. Tuttavia, queste soluzioni presentano il problema di rendere stagna la scatola con il fluido caldo a pressione di svariate atmosfere (circa 5). Tali tubi, che costituiscono la condotta del fluido, infatti, sono soggetti a rotazione relativa nella zona della testa del rotore che, per di più, à ̈ soggetta alle vibrazioni proprie del rotore dell’elicottero. Pertanto, non à ̈ stagnabile e con ridotta garanzia di tenuta nel tempo, e conseguente à ̈ soggetta a perdite con ulteriore diminuzione del rendimento globale.
Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un sistema ad alta efficienza per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero che superi il problema della tenuta stagna e il problema dell’efficienza globale dell’elicottero, avente caratteristiche tali da superare i limiti che ancora influenzano gli elicotteri precedentemente descritti con riferimento alla tecnica nota.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema ad alta efficienza per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero, come definito nella rivendicazione 1.
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- le figure 1a-1b mostrano rispettivamente una vista laterale e una vista dall’alto di un elicottero con rotore anticoppia, secondo l’arte nota;
- la figura 2 mostra una vista schematica laterale di un elicottero comprendente un sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale, secondo l’invenzione;
- le figure 3a-3b mostrano viste schematiche di una prima forma realizzativa e di una seconda forma realizzativa di un sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero, secondo l’invenzione;
- la figura 4 mostra una prima vista schematica del percorso compiuto dall’aria compressa in un sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero, secondo l’invenzione;
- la figura 5 mostra una seconda vista schematica del percorso compiuto dall’aria compressa in un sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero, secondo l’invenzione.
Con riferimento a tali figure, e, in particolare, alle figure 2 e 3, à ̈ mostrato un sistema 20 per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero, secondo l’invenzione.
Nel dettaglio, l’elicottero, indicato con 1, comprende un rotore 3, pale 2 con ugelli 4 per la fuoriuscita dell’aria e un sistema 20 per l’azionamento delle pale ad aria compressa, comprendente una prima macchina dedicata alla generazione della potenza meccanica, una seconda macchina configurata per generare una massa fluida di gas, ad esempio aria compressa, a bassa temperatura (circa 50°C) e alla pressione di circa 2,5 atmosfere per l’azionamento delle pale 2, ed elementi di accoppiamento della prima macchina con la seconda macchina e della seconda macchina con le pale 2.
Più precisamente, la prima macchina comprende un motore 5 e la seconda macchina comprende un compressore 8.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il motore 5 può essere un qualsivoglia motore che genera potenza meccanica.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, l’aria compressa viene generata dal compressore 8 che utilizza la potenza meccanica del motore 5.
Gli elementi di accoppiamento della prima macchina con la seconda possono comprendere un elemento 6 di sgancio, ad esempio meccanico a monte del compressore, come mostrato in figura 3b oppure fluidodinamico a valle del compressore, come mostrato in figura 3a, per la libera rotazione del motore 5, e un variatore di giri 7 atto ad attivare il compressore 8. Gli elementi di accoppiamento della seconda macchina con le pale 2 sono formati dall’albero cavo del rotore 3, che funge da condotta 9, e da una testa oscillante cava 13 del rotore 3.
Secondo un aspetto dell’invenzione, l’elemento di sgancio 6 à ̈ un elemento di sgancio meccanico a monte del compressore, ad esempio una frizione.
Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione, l’elemento di sgancio 6 à ̈ un elemento di sgancio fluidodinamico a valle del compressore, ad esempio una valvola.
La figura 4 illustra, in dettaglio, la testa cava oscillante 13 del rotore 3 che consente all’albero cavo del rotore 3 di supportare le pale 2.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, la testa cava oscillante 13 à ̈ configurata in modo tale che, sul lato rivolto verso l’albero cavo del rotore 3, presenta un ingrossamento 14, a superficie cilindrica, atto ad impegnarsi con l’albero cavo del rotore 3 in corrispondenza di una sede 15, anch’essa cilindrica, prevista all’estremità superiore dell’albero cavo 3.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, questa particolare configurazione della testa cava oscillante 13 e dell’estremità superiore dell’albero cavo del rotore 3 permette l’oscillazione della testa 13 del rotore 3 e consente di creare un percorso per l’aria compressa destinata ad arrivare agli ugelli 4 delle pale 2. Il bordo di contatto tra la testa 13 del rotore 3 e l’albero cavo del rotore 3 à ̈ configurato in modo da rendere stagno l’accoppiamento tra questi elementi.
La figura 4 mostra schematicamente, secondo l’invenzione, che l’aria compressa fornita dal compressore 8 viene incanalata nella condotta 9, nel senso indicato dalla freccia f e si suddivide, all’interno della testa cava oscillante 13, come indicato dalle frecce tratteggiate, i, per scorrere nelle condotte 16 delle pale 2 fino al raggiungimento degli ugelli 4, da cui la corrente d’aria fuoriesce, come indicato dalle frecce k in figura 2.
In funzionamento, il motore 5 agisce sull’elemento di sgancio 6, che mediante il variatore di giri 7, attiva il compressore 8. Quest’ultimo alimenta aria compressa all’interno della condotta 9 dell’albero rotore 3 rotante.
Vantaggiosamente secondo l’invenzione, l’aria compressa generata passa attraverso la testa cava oscillante 13 del rotore e si ripartisce all’interno delle pale 2 fino ad arrivare agli ugelli 4.
Pertanto, vantaggiosamente, secondo l’invenzione, l’aria compressa viene trasferita dal compressore 8 agli ugelli 4 posti sulle estremità delle pale 2 dell’elicottero 1 mediante un percorso comprendente un primo tratto A interno all’albero cavo del rotore 3 (o “mast†) un secondo tratto B interno alla testa cava oscillante 13 del rotore e un terzo tratto sdoppiato in due tratti C e D interni alle condotte 16 delle pale cave. La figura 5 mostra schematicamente tale percorso.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, il sistema 20 può essere realizzato all’interno di elicotteri con rotori tanto bipala che pluripala, ovvero aventi un numero di pale maggiore di due. In tal caso, vantaggiosamente secondo l’invenzione, la distribuzione dell’aria dall’albero cavo alle pale può essere conseguita tramite un distributore anche elastico, o una pluralità di canalizzazioni anche elastiche, tante quante sono le pale del rotore che portano così l’aria compressa dall’albero alle singole pale.
Secondo un altro aspetto dell’invenzione, l’elicottero 1, à ̈ privo di rotore secondario in quanto privo di coppia di reazione. In tal caso, vantaggiosamente secondo l’invenzione, un flusso di aria compressa viene inviato ad un ugello 11 posto in prossimità della coda 12 dell’elicottero 1. In particolare, secondo questa forma realizzativa, l’elicottero 1 comprende uno o più canali 10, realizzati all’interno o all’esterno del trave di coda o costituiti dal trave di coda stesso dell’elicottero 1, configurato per far fluire l’insieme del surplus d’aria compressa, generata dal sistema 20, e dall’aria di raffreddamento del motore e dai gas di scarico (anche dell’eventuale marmitta) dell’elicottero 1, non mostrata in figura 2, verso l’ugello 11, allo scopo di ottenere un concorso di spinta supplementare al volo ed anche una controllabilità in rotazione intorno all’asse verticale dell’elicottero.
Pertanto, il sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero secondo l’invenzione consente di eliminare i tubi fissi esterni usati per convogliare la massa fluida di gas alle pale del velivolo, grazie alla particolare conformazione della testa cava oscillante del rotore e dell’albero cavo.
Un altro vantaggio del sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero secondo l’invenzione consiste nel guadagno di carico utile dovuto alla riduzione di peso totale del velivolo, avendo eliminato tutti i meccanismi di azionamento nonché il rotore secondario stesso.
Ulteriormente, il sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero secondo l’invenzione consente di ottenere maggiore sicurezza, grazie all’eliminazione del rischio di rottura del sistema di trasmissione meccanica del moto al rotore secondario.
Infine, il sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero secondo l’invenzione consente di avere un rendimento eguagliabile a quello di un sistema classico di trascinamento meccanico del rotore principale e del rotore secondario.
Risulta infine chiaro che al sistema per l’azionamento ad aria compressa delle pale di un elicottero qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Claims (19)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema (20) ad alta efficienza per l’azionamento ad aria compressa delle pale (2) di un elicottero (1), caratterizzato dal fatto di comprendere: - almeno una prima macchina configurata per generare la potenza meccanica necessaria all’elicottero (1); - almeno una seconda macchina configurata per generare l’aria compressa per l’azionamento delle pale (2); - mezzi di accoppiamento della prima macchina con la seconda macchina; e - mezzi di accoppiamento della seconda macchina con le pale (2).
- 2. Sistema (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la prima macchina comprende un motore (5).
- 3. Sistema (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la seconda macchina comprende un compressore (8).
- 4. Sistema (20) secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i mezzi di accoppiamento della prima macchina con la seconda macchina possono comprendere almeno un elemento di sgancio (6), atto a consentire la libera rotazione del motore (5), e almeno un variatore di giri (7) configurato per attivare il compressore (8).
- 5. Sistema (20) secondo le rivendicazioni 3 e 4, caratterizzato dal fatto che l’elemento di sgancio (6) à ̈ un elemento di sgancio meccanico a monte del compressore (8).
- 6. Sistema (20) secondo le rivendicazioni 3 e 4, caratterizzato dal fatto che l’elemento di sgancio (6) à ̈ un elemento di sgancio fluidodinamico a valle del compressore (8).
- 7. Sistema (20) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi di accoppiamento della seconda macchina con le pale (2) comprendono un albero cavo del rotore (3), atto a fungere internamente da condotta (9), e una testa oscillante cava (13) del rotore (3) atta a consentire al rotore (3) di supportare le pale (2).
- 8. Sistema (20) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la testa oscillante cava (13) presenta, sul lato rivolto verso l’albero cavo del rotore (3), un ingrossamento (14) a superficie cilindrica atto ad impegnarsi con l’albero cavo del rotore (3) in corrispondenza di una sede (15), di forma cilindrica, prevista all’estremità superiore dell’albero cavo del rotore (3).
- 9. Sistema (20) secondo le rivendicazioni 7 e 8, caratterizzato dal fatto che la testa cava oscillante (13) e l’estremità superiore dell’albero cavo del rotore (3) sono configurate per permettere l’oscillazione delle pale (2) e creare un percorso per l’aria compressa generata dal compressore (8) e diretta agli ugelli (4) delle pale (2).
- 10. Sistema (20) secondo le rivendicazioni 7-9, caratterizzato dal fatto che il bordo di contatto tra la testa (13) del rotore (3) e l’albero cavo del rotore (3) à ̈ configurato in modo da rendere stagno l’accoppiamento tra la testa (13) e l’albero cavo del rotore (3).
- 11. Sistema (20) secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il percorso per l’aria compressa comprende un primo tratto (A) interno all’albero cavo del rotore (3), un secondo tratto (B) interno alla testa oscillante cava (13) del rotore (3) e un terzo tratto suddiviso almeno in distinti tratti (C, D) interni a condotte (16) delle pale (2) internamente cave.
- 12. Sistema (20) secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le pale (2) sono almeno due.
- 13. Sistema (20) secondo le rivendicazioni 1-11, caratterizzato dal fatto di comprendere un numero di pale (2) maggiore o uguali a due.
- 14. Sistema (20) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che il percorso per l’aria compressa comprende un primo tratto (A) interno all’albero cavo del rotore (3), un secondo tratto (B) di collegamento, formato da elementi elastici, con l’albero cavo del rotore (3) e le pale (2) cave e un terzo tratto composto da canalizzazioni (C, D, E….Z), ciascuna interna a condotte (16) dirette verso le pale (2).
- 15. Elicottero (1) comprendente il sistema (20) ad alta efficienza per l’azionamento ad aria compressa delle pale (2) dell’elicottero (1), secondo le rivendicazioni precedenti.
- 16. Elicottero (1) secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto di comprendere solo un rotore primario (3).
- 17. Elicottero (1) secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un canale (10) cha va dal sistema (20) verso la coda (12) dell’elicottero (1) e configurato per far fluire un surplus d’aria compressa, generata dal sistema (20), insieme all’aria di raffreddamento del motore (5) ed i gas di scarico del motore (5) verso almeno un ugello (11) posto in prossimità della coda (12) dell’elicottero (1).
- 18. Elicottero (1) secondo la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che almeno un canale (10) à ̈ compreso nel trave di coda dell’elicottero (1).
- 19. Elicottero (1) secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che almeno un canale (10) à ̈ il trave di coda stesso dell’elicottero (1).
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