Variable speed rotor helicopters: optimization of main rotor-turboshaft engine integration

I rotori a velocità di rotazione variabile (Variable Speed Rotors, VSR) rappresentano un argomento di ricerca innovativo per lo sviluppo di nuove configurazioni di velivoli a decollo verticale, quali l’elicottero o il convertiplano. La possibilità di modificare la velocità di rotazione del rotore principale, in funzione della specifica condizione di volo, permette di ottenere prestazioni ottimali e significative riduzioni del consumo di carburante. Tuttavia, le problematiche connesse all’impiego di una velocità di rotazione variabile sono numerose e richiedono un approccio di analisi interdisciplinare. Il presente studio si configura come il primo esempio in letteratura di analisi prestazionale eseguita con simulazioni accoppiate rotore e motore turbo-albero per un modello di VSR. Due strumenti di simulazione sono stati implementati al fine di effettuare la suddetta analisi accoppiata: un codice di simulazione di turbomotori a gas (TSHAFT) e un software per la stima dell’assetto e delle prestazioni di un elicottero (TCOPTER). La validità del concetto di rotore a velocità variabile è stata testata su un caso reale: a tale scopo i modelli di un elicottero UH-60 Black Hawk e di un motore turbo-albero GE T700 sono stati implementati e sottoposti a validazione su dati sperimentali. Successivamente, si è proceduto alla costruzione di una routine di ottimizzazione capace di individuare le velocità ottimali del rotore, in funzione delle diverse condizioni di volo dell’elicottero; tali velocità corrispondono alla condizione di minimo consumo di carburante. Sono state analizzate a livello puramente prestazionale due differenti tipologie di VSR: la prima contempla l’utilizzo di una trasmissione tradizionale a rapporto di riduzione fisso (Fixed Ratio Transmission, FRT); la seconda prevede l’impiego un’ipotetica trasmissione a variazione continua (Continuously Variable Transmission, CVT). Nel caso FRT, poiché le velocità di rotazione della turbina e del rotore principale sono in un rapporto fisso, la velocità ottimale è stata calcolata come il miglior compromesso tra la velocità ottimale del rotore principale e quella della turbina. Nel caso CVT, invece, lo studio è stato effettuato assumendo che le velocità di rotore e turbina fossero libere di ruotare alle rispettive velocità ottimali. Diversi casi di simulazione sono stati analizzati, al fine di quantificare i benefici legati alla possibilità di operare alla velocità ottimale del rotore in funzione delle condizioni di volo, dell’altitudine e del peso dell'elicottero. L'accoppiamento del modello dell'elicottero e del modello di motore turbo-albero è risultato determinante per un’adeguata individuazione della velocità corrispondente a consumo minimo. La massima riduzione nei consumi di carburante è stata stimata attorno al 13%. Infine, sono state studiate possibili soluzioni progettuali in grado di apportare ulteriori margini di miglioramento a elicotteri operanti con VSR. In particolare, è stato effettuato un tentativo di riprogettazione preliminare della turbina di potenza del GE T700 con l’obiettivo di incrementarne l’intervallo di funzionamento a massima efficienza. In sostanza si è cercato di rendere le prestazioni della turbina meno sensibili alle variazioni nel numero di giri, cercando di estendere la zona di rendimento massimo attorno al punto di progetto.