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L'elica ,questa sconosciuta...o quasi... PDF Stampa E-mail

ELICHE A PASSO FISSO , VARIABILE E A GIRI COSTANTI
di Claudio Fogliato  ( che ringraziamo per la grande cortesia e  disponibilità )   -   adattamento di Andrea Minari          

Un particolare  ringraziamento alla ditta GT Propellers di Riccione  per il  supporto tecnico.


Parte prima : ELICA A PASSO FISSOElica a passo fisso


Spesso ci rendiamo conto di quanto poco sappiamo sui principi fondamentali e sulle basi che
regolano il pilotaggio di un aeromobile a tre assi. Nello specifico la cosa è ancora più marcata per
quello che riguarda le eliche. Una spessa coltre di nebbia cala quando ci troviamo a dovere  gestire
un elica a passo variabile, fino al raggiungimento del buio totale quando ne abbiamo davanti una a
giri costanti.. Molti piloti   AG o VDS non ne sanno quasi nulla, probabilmente perchè non è stato
loro insegnato.
In questo piccolo manuale cercheremo di spiegare nel modo più semplice l'utilizzo corretto di
questo componente fondamentale per il funzionamento del nostro aereo.
Facciamo innanzitutto luce sul funzionamento di un'elica a passo fisso e cerchiamo di ricordare quei
pochi termini che ci torneranno utili più avanti.
L'elica è ovviamente il sistema di propulsione degli aerei a pistoni e turboelica. La forza che
sviluppa viene chiamata TRAZIONE. La nostra elica altro non è che un'ala rotante che genera
portanza ( che chiameremo appunto TRAZIONE ) . La differenze rispetto ad un' ala sono evidenti:
le pale dell'elica spostano una massa d'aria lungo l'asse longitudinale dell'aereo e ruotano sull'asse
della propria radice ( il mozzo ) anziché procedere “ diritte “ , ma il principio è il medesimo.
Osservando le pale dell'elica noterete che queste sono “ inclinate “ naturalmente. Questa
inclinazione fa si che che le pale avanzino nella massa d'aria con un determinato angolo di
incidenza, e la corda del profilo delle pale forma con il piano di rotazione il cosiddetto ANGOLO
DI CALETTAMENTO. Quest'ultimo equivale, quando l'elica gira con l'aereo fermo al
suolo,all'angolo di incidenza rispetto alla massa d'aria. La pala quindi genera portanza , e quindi
trazione, grazie al proprio profilo e all'angolo di calettamento. Noterete poi che le eliche hanno
profili e angoli di calettamento molto complessi e mai costanti, questo perchè la pala incontra l'aria
a velocità molto diverse lungo il suo sviluppo: basse in prossimità della radice ( il mozzo ) e via via
sempre più elevate verso le estremità. Una buona pala riesce a produrre e mantenere la massima
trazione lungo tutto il suo sviluppo nonostante la variazione della velocità.
La misurazione del calettamento medio viene effettuato a circa 7/10 sulla lunghezza della pala.
Il nostro angolo di calettamento , sempre con aereo fermo al suolo, , determina il PASSO
DELL'ELICA ( passo geometrico, per la verità, ma qui semplifichiamo ), punto fondamentale di
tutto il nostro discorso.
Cos'è il passo ?
Immaginate l'elica che si “ avvita “ nell'aria davanti ad essa trascinando l'aereo. Ad ogni giro, in
teoria, si avviterebbe nell'aria sfruttando le proprie caratteristiche di portanza ( trazione ) e
avanzandolo di una determinata distanza. Esattamente come il filetto di una vite, ne più, ne meno.
Ricapitolando: il PASSO DELL'ELICA è la distanza con cui l'aereo avanza per ogni suo giro.
Questo in teoria, ed è vero fino a quando l'aereo è fermo al suolo con l'elica in movimento.
Ora immaginate che, rilasciati i freni, incominci a fare il proprio dovere e a tirare l'aereo.
Consideratela come se si stesse “ avvitando nell'aria”. All'atto pratico è ovviamente impossibile che
l'elica possa avvitarsi nell'aria come fosse in un corpo solido, quindi il prima citato passo
geometrico, che abbiamo asimilato per semplicità al PASSO DELL'ELICA , va a farsi benedire.
L'elica non avanzerà, per ogni suo giro, di quando ci aspettiamo con il mero calcolo geometrico.
La differenza fra il passo geometrico e il PASSO REALE ( cioè il reale AVANZO per ogni giro
dell'elica all'aria ) è detto REGRESSO.


AVANZO + REGRESSO = PASSO GEOMETRICO


Ora immaginatevi l'aereo in volo con l'elica che gira e fornisce trazione. Ovviamente oltre alla
massa che sposta per generare trazione, l'elica farà i conti anche con la massa d'aria nella quale
trasla orizzontalmente insieme all'aereo . Un po come un'ala che, a parità di angolo di assetto, salga
nella massa d'aria.
Cosa succede quindi ?
Succede che l'angolo di incidenza della nostra pala varia, così come la trazione generata e l'avanzo.
In buona sostanza avrete già capito che un'elica a PASSO FISSO on è molto versatile: offre una
velocità ottimale, sotto o sopra della quale non può che fare aumentare il regresso. Normalmente le
eliche a passo fisso installate su velivoli venduti di serie offrono discrete velocità di crociera ma
scarse caratteristiche in decollo. In questo caso vengono chiamate a passo LUNGO. Se si tratta di
aerei STOL , utilizzato per voli in montagna o comunque usato in condizioni generalmente
costituita da una elevata altitudine di densità allora avremo bisogno di un'elica a passo CORTO
( basso angolo di calettamento ) , in grado di arrampicarsi bene ad elevato numero di giri ( più giri a
parità di distanza percorsa o se preferite minor distanza percorsa per ogni giro ). Questa sarà però
penalizzata nella crociera, poiché alle alte velocità bisogna avere un passo maggiore, più distanza
percorsa per ogni giro dell'elica. Faremo un esempio molto semplice anche se con motivazioni
fisiche differenti. Immaginate di avere un'auto che abbia solamente la prima marcia: spunto
fantastico , grande tiro in salita ma inutilizzabile oltre i 40 all'ora. Per contro un'altra con la quinta
sempre inserita: molto efficiente sugli allunghi e alle alte velocità , purchè non si incontri una salita
o non si debba ripartire da fermo. Questa ovviamente è una semplificazione ma che riteniamo
sufficientemente chiara avendo acquisito i termini tecnici. Va da sé che negli aerei a passo fisso ( la
maggioranza nel VDS e di AEROCLUB ) l'elica venga impostata per essere un buon compromesso
per l'utilizzo che se ne fa del mezzo. Inoltre molte eliche a PASSO FISSO sono in realtà adattabili a
terra: in questo caso si dice che hanno il PASSO VARIABILE AL SUOLO.
In pratica, con molta cautela e nessuna improvvisazione, è possibile adattare la propria elica al
proprio mezzo a seconda delle caratteristiche richieste. Detto questo iniziamo ora con la parte più
divertente: il PASSO VARIABILE IN VOLO.

 

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NOTA IMPORTANTE !

 

ROTAX RACCOMANDA DI NON IMPIEGARE ELICHE A PASSO FISSO TROPPO CARICHE ( PASSO ECCESSIVO ).

A PUNTO FISSO IL MOTORE NON DEVE MAI GIRARE AL DI SOTTO DEI 5200 RPM CON TUTTA MANETTA SPALANCATA.

NEL CASO VENGA IMPIEGATO IN QUESTE CONDIZIONI POSSONO INSORGERE FENOMENI DI DETONAZIONE CHE SE PROTRATTI NEL

TEMPO POSSONO ARRIVARE IN CASI ESTREMI ALLA COMPLETA DISTRUZIONE DEL MOTORE.

 

NELLA SEZIONE " TECNICA "  POTETE LEGGERE L'ARTICOLO SPECIFICO SU QUESTO FENOMENO E VEDERE LE FOTO DI PISTONI

DANNEGGIATI. NEL 2012 ABBIAMO AVUTO CINQUE CASI DI MOTORI DISTRUTTI DA QUESTO SUBDOLO FENOMENO.

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Parte seconda : PASSO VARIABILE IN VOLOgt_eliche_021


Da non confondere assolutamente con i GIRI COSTANTI , il PASSO VARIABILE IN VOLO è
un sistema in cui al pilota viene lasciata la totale libertà di variare il passo o l'angolo di
calettamento in base alle condizioni di volo del momento. Come vedremo quelle con passo
variabile a giri costanti hanno modalità di gestione differente pur partendo dallo stesso concetto.
Eravamo rimasti al nostro aereo con elica a passo fisso, ottimizzata per le prestazioni e l'utilizzo                                                                                                    
tipico, ma sicuramente non ottimale in qualsiasi condizione di volo. La necessità di avere un elica a
passo variabile arriva generalmente quando si inizia a fare un po di turismo, oppure quando il nostro
aeroplano può darci prestazioni superiori. Andare più forte e soprattutto consumare meno ( avere un
passo più lungo e quindi percorrere più distanza per ogni giro dell'elica ) .
Allo stesso tempo ci farà comodo avere un decollo molto corto ( passo minimo ) se ci troveremo
presso qualche campo corto, con elevazione od ostacoli. Sugli aerei di AG la leva di comando del
passo è di colore blu, mentre nelle macchine del VDS non esiste standardizzazione. Non stiamo a
spiegare come funzionino i vari meccanismi di variazione : elettrici, meccanici, idraulici, elettronici
e altro , il fine è sempre quello di variare il passo della nostra elica in modo da avere sempre il
massimo delle prestazioni. Agendo quindi manualmente sul comando avremo una variazione del
nostro famoso PASSO e potremo cosi realizzare quanto fino ad ora descritto.
Come uso questo ben di Dio ?
Una volta assorbita la noiosa parte teorica fino ad ora sciorinata,è molto più semplice metterla in
atto che spiegarla. In buona sostanza , essendo un comando manuale, è il pilota che corregge il
passo dell'elica a sua discrezione, e qui le cose si complicano. Perchè variare il PASSO dell'elica
significa in realtà variare i GIRI della stessa e la MAP ( pressione di alimentazione totale,
semplificando la chiameremo POTENZA richiesta ). Ma non pensate male, sono concetti che con
la pratica sono molto più semplici di quanto pensiate. Innanzitutto diciamo che ogni aereo fornito
di elica a passo variabile dovrebbe avere una tabella delle prestazioni tipiche e dei settaggi
RPM/MAP ( che vado a raggiungere variando il passo e la potenza ) per le varie fasi del volo.
Vediamo ora di farci un voletto con un aeromobile munito di elica a passo variabile. Gli strumenti e
i comandi che ci interesseranno sono: manetta del gas, regolatore del passo,indicatore giri motore e
magari indicatore della MAP. Ricordiamoci come idea l'esempio delle marce dell'automobile. Fatti
tutti i controlli dobbiamo decollare; cosa ci viene in mente ? Abbiamo bisogno del massimo spunto
possibile , massima trazione dell'elica per erogare il massimo della spinta, quindi PASSO
MINIMO = MANETTA DEL PASSO TUTTA DENTRO/AVANTI. Daremo tutta manetta e cosa
accadrà ? L'elica raggiungerà il massimo dei suoi giri che prenderà molto facilmente grazie al basso
angolo di calettamento dandoci il massimo della trazione. In buona sostanza , guardando la cosa da
un'altra angolazione, potremmo dire di aver regolato il sistema del passo in modo da avere MAX
RPM e MAX MAP ( discorso propedeutico alla questione dei giri costanti che vedremo in
seguito ).
La MAP , è bene ricordarlo, è la pressione di alimentazione al motore, gli indicatori sono graduati
in pollici di mercurio con valori generalmente compresi fra 10 e 30 ( motori non sovralimentati ) .
E' un ottimo parametro per vedere la potenza erogata e anche se non viene utilizzata direttamente a
questo scopo ( come invece avviene ai giri costanti ) , ci serve per verificare la corretta
configurazione MOTORE/MAP in base alle tabelle fornite dal costruttore del motore. Dopo il
decollo, come sempre, diminuiremo dolcemente la potenza portandola alla spinta di salita. A questo
punto però la nostra elica è ancora al passo MINIMO ( comando TUTTO AVANTI ) e dato
l'aumento progressivo di IAS ( velocità indicata all'aria ) fino alla nostra Vy ( velocità per miglior
rateo di salita ) tenderà a “rendere” meno
Occorre allora ricalibrare il passo portandolo a quello ottimale per la salita, ovvero
AUMENTARLO ( comando che viene portato INDIETRO ) rispetto all'attuale posizione “
modalità impiccati all'elica “ ! E qui entra in gioco la tabella fornita dal costruttore del motore.
Infatti , al di là delle proprie sensazioni, avere una tabella con una indicazione precisa dei GIRI e
dalla MAP riferiti alla salita è molto più salutare. Infatti , variando il passo, a parità di giri del
motore, varierà la MAP o potenza erogata. Se sappiamo che la MAP ottimale per la salita è
diversa da quella attuale, ad esempio, AUMENTANDO PASSO ( comando INDIETRO ) o
DIMINUENDO PASSO ( comando AVANTI ) raggiungeremo la MAP che ci interessa e avremo
uno sforzo minore del motore a parità di giri, un rendimento migliore e un miglior consumo. Per
continuare l'esempio automobilistico abbiamo messo la seconda ( o la terza ) …..Ricordate che tutti
i motori danno parametri di giri per il decollo da mantenere per un certo periodo di tempo, quindi
ricordate di ridurre i giri motore come indicato sui manuali. ( Il Rotax 912 può sopportare 5800
RPM per 5 minuti ).
Giunti a livello di crociera e dopo aver ridotto i giri motore come da manuale possiamo regolare
ulteriormente il passo dell'elica. In questo momento dobbiamo cercare la maggiore IAS possibile a
parità di giri. Raggiungeremo anche la MAP più bassa d'esercizio ( che varierà ancora con la
quota ). Ridurremo alla potenza di crociera , AUMENTEREMO il passo ( comando indietro , giri
dell'elica che scendono insieme agli RPM del motore e IAS in aumento ). L'elica si sta ora
“ avvitando “ coprendo la maggior distanza possibile per giro, quindi maggiore velocità e minor
consumo. Abbiamo messo la quinta ! Esattamente come in auto , provate ora a a spingere la manetta
a fondo: vedrete che l'aumento di giri del motore e dell'elica sarà lento.. Per forza, siamo in quinta !
Se provate a mantenere la Vy con questa configurazione la IAS decadrà in fretta, i giri
scenderanno :il passo è troppo lungo per poter essere mantenuto in salita, l'elica non prenderà i giri.
In discesa potete variare il passo per mantenere un dato numero di giri o una determinata IAS.
Considerate che con giri alti e PASSO TENDENTE AL MINIMO avrete un buon effetto frenante
da parte dell'elica che andrà in effetto mulinello, trascinata dall'aria relativa. In avvicinamento /
atterraggio , la norma è mantenere il passo al MINIMO , cioè comando tutto avanti ( almeno in
finale, per l'avvicinamento o il circuito regolatelo in base alla velocità ) , in modo da avere sia
l'effetto frenante, che migliora la rampa, che tutta la potenza in caso di riattaccata ( se darete tutta
potenza avrete l'elica che prenderà tutti i giri velocemente, idem il motore, e la MAP ad alti valori,
ad indicare l'erogazione di potenza. Detto questo la cosa più importante è FARE PRATICA.

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ATTENZIONE !!!!!!  I CARICHI DI UTILIZZO SU  ELICA E MOTORE DEVONO ESSERE IMPOSTATI  NEL RISPETTO DELLE TABELLE RIPORTATE SUL MANUALE DI UTILIZZO DEL MOTORE , SOPRATTUTTO VA RISPETTATA  QUELLA RELATIVA ALLA QUOTA DI UTILIZZO .INDIPENDENTEMENTE DAL TIPO DI ELICA UTILIZZATO. CONSULTATE SEMPRE IL MANUALE DEL VOSTRO TIPO DI MOTORE.

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Parte terza : ELICHE A GIRI COSTANTIElica a passo variabile e giri costanti certificata


Presa confidenza con il concetto di passo variabile e con quanto induce la regolazione dello stesso
sulla gestione del motore e sulla condotta del velivolo, possiamo affrontare il “ problema “ delle
eliche a giri costanti, anche se di problema non si tratta, visto che sono un'ulteriore evoluzione delle
possibilità del propulsore, e rendono la gestione del volo, dei consumi, e della spinta un po più
semplice – una volta che si siano compresi i criteri d'impiego.
Intanto, cos'è un sistema a giri costanti ?
Come suggerisce il nome stesso , è un sistema che varia automaticamente l'angolo di calettamento
delle pale dell'elica in modo da mantenere un dato RPM ( dell'elica ) costantemente e
indipendentemente dalla coppia motrice applicata o dalla coppia resistente che grava sull'elica.
Detto così può spaventare, ma anche questa volta è più semplice di quanto si pensi. In un aereo
equipaggiato con questo sistema, in cabina abbiamo la solita manetta del gas e il comando dell'elica.
Ma in questo caso, e fate attenzione, non si tratta di un comando per variare il passo, bensì di un
REGOLATORE DEI GIRI DELL'ELICA.
Rispetto a quanto visto finora sul passo variabile,l'idea è opposta: non vado a variare il calettamento
delle pale, bensì indico al sistema i GIRI DESIDERATI e sarà il sistema ( in base alla potenza,
alla resistenza ecc ) a VARIARE IL PASSO IN MODO DA MANTENERE I GIRI
DESIDERATI.
Vediamo come funziona.
Diciamo che tecnicamente non è proprio un apparato semplicissimo, non per niente di norma è
installato su velivoli a pistoni di fascia alta e sui turboelica.
Come potete intuire, abbiamo un meccanismo di VARIAZIONE del passo dell'elica accoppiato a
un REGOLATORE ; quest'ultimo REAGISCE ALLE VARIAZIONI DI RPM della nostra elica
( rispetto a quanto impostato ) comandando un meccanismo di variazione di conseguenza. I giri
vengono quindi tenuti costantemente sotto controllo sulla base di quanto impostato dal pilota. In
buona sostanza, se ho impostato 5000 RPM e sono in volo livellato , una salita provocherebbe un
calo di RPM ( aumento della resistenza , passo troppo elevato ) , quindi il regolatore si occuperà
istantaneamente di DIMINUIRE il passo quel tanto che basta per mantenere i 5000 RPM
impostati, ( sulla POTENZA e sulla MAP che varia torneremo dopo ). Ricordiamoci sempre che i
giri non sono più indicativi della potenza erogata: infatti un aereo con giri costanti necessita sempre
e comunque di un indicatore RPM dell'elica o del motore e di un indicatore MAP o TORQUE.
La potenza erogata e la potenza ottenuta vanno infatti considerate sulla base di questi due strumenti.
Su velivoli equipaggiati con questo sistema esiste sempre una tabella per i valori di settaggio delle
varie fasi del volo, inutile dire che devono assolutamente essere rispettate, pena possibili OVER
TORQUE del sistema con possibile grave danneggiamento di tutto il sistema, elica e motore
compresi.
Proviamo a volare, facciamo tutti i controlli previsti e andiamo:
Manetta tutta avanti per avere il massimo dei giri, nel caso del 912 5800 RPM. In questa
condizione il motore eroga tutta la sua potenza e sia MAP che RPM sono al loro valore massimo.
Durante la salita manteniamo le regolazioni in questo modo fino al raggiungimento dei 500 ftGND,
o comunque come indicato da eventuali tabelle, a questo punto possiamo cominciare a RIDURRE
lentamente i giri dell'elica ( comando indietro ) . In pratica , aumenteremo leggermente il passo
andando a rendere più efficiente l'elica rispetto alla potenza richiesta , conseguentemente avremo
un aumento della IAS . Giunti alla quota di livellamento , possiamo ulteriormente ridurre i giri
portandoli a quanto richiesto dalle tabelle o comunque ad un valore intermedio dell'arco verde.
Porteremo successivamente la manetta in posizione di MASSIMA POTENZA CONTINUA . Se
il regime di decollo del 912 ( 5800 RPM ) non può essere mantenuto per più di 5 minuti , quello di
massima potenza continua ( 5500 RP ) può essere usato sempre, ovviamente con un consumo
proporzionato, e lo manterremo fino a quando la nostra quota sarà quella voluta per il volo di
trasferimento o crociera. A questo punto porteremo la MAP sui valori prescritti dalla casa
costrittrice del motore rispettando le tabelle riportate sui manuali operativi.
Consideriamo comunque sempre questa regola fondamentale:
QUANDO DEVO AUMENTARE LA POTENZA AUMENTERO' PRIMA I GIRI POI LA
MAP.
QUANDO DEVO TOGLIERE POTENZA DEVO TOGLIERE PRIMA LA MAP POI I GIRI.
Quindi , supponendo di dover salire dal volo livellato, aumenterò prima i giri portandoli al valore
ottimale di salita, successivamente adeguerò la MAP. In discesa ,invece, posso anche lasciare tutto
come impostato in crociera, a meno che non voglia ridurre la IAS e scendere più rapidamente. In
questo caso è utile aumentare il numero dei giri ( PASSO RIDOTTO , maggiore resistenza ) e
togliere potenza per non fare salire la MAP o aumentare la IAS ,anche se non è mai il caso di
ridurre troppo per evitare fenomeni di raffreddamento eccessivamente repentino soprattutto durante
i mesi invernali. In avvicinamento , le regolazioni dovranno essere adattate al circuito come da
tabelle, in finale ,invece, RPM al massimo e controllo della potenza tramite la MAP . In questo
modo, come per il decollo, in caso di necessità dando tutta manetta avremo a disposizione il
massimo numero di giri ( PASSO MINIMO ) e la massima potenza disponibile . La cosa migliore
comunque è fare pratica, provare e riprovare fin a quando le operazioni diverranno automatiche
Queste semplici operazioni devono comunque sempre essere eseguite in modo dolce e progressivo
evitando smanettate improvvise che provocherebbero pericolosissimi fenomeni di OVER
TORQUE sull'elica e sull'albero motore. Le prove del passo dell'elica a terra prima del decollo
devono essere eseguite a 4000 RPM di motore e il comando del passo deve essere portato da passo
minimo a quello massimo nel modo più dolce possibile per tre volte. Il calo di giri motore non deve
essere superiore i 300 RPM.

 


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