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Studio di fattibilità di conversione di un
deltaplano da motore termico a motore
elettrico
Tesi di Laurea di: Relatore
Lorenzo Volta Chiar.mo Prof. Luca Piancastelli
ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA
OBIETTIVO
Oggetto della tesi è convertire la propulsione di un deltaplano da motore termico a motore
elettrico alimentato da batterie a polimeri di litio (Li-Po) mantenendo un’autonomia minima di un
ora di volo. L’ultraleggero in oggetto nel presente studio è un deltaplano con telaio in acciaio e
carenature in fibra di carbonio, avente una massa a pieno carico di 409 kg e una potenza di 75 cv
fornita da un motore Rotax 912
MOTORE: 4 cilindri,4 tempi
Potenza: 75 cv@5800 rpm
Coppia max: 103Nm@4800 rpm
Massa(motore+radiatore): 100 kg
Telaio DELTAPLANO: acciao
Carenature: fibra di carbonio
Massa: 410 kg
Conversione alla propulsione elettrica
MOTORI: Elettrici Brushless
BATTERIE: polimeri di Litio
MASSA consentita dalla legge(monoposto):
300 kg
Scelta motore e batterie
La scelta del motore si è rivolta verso i brushless commerciali con i migliori parametri
peso/potenza disponibili, scegliendo tra questi l’Hacker A200:
Potenza max: 15 kW
N° max di Li-po in serie:
12
Voltaggio : 42V
Rpm/Volt: 122 kV
Rpm:5120
Massa: 2590 g
Regolatore non integrato
Calcolo assorbimento motore in 1 h
di utilizzo
• 5% max potenza
• 95% metà potenza
Scelta delle batterie
INSTALLAZIONE DI TRE MOTORI
Amperaggio medio motore
Scelta fattore di
scarica C
Scelta motore e batterie
Le batterie Li-Po commerciali con il minor rapporto massa/capacità sono le Hyperion G3 35C-
65C da 6500mAh,con una massa(pacco da 6 in serie) di 359 g.
Algoritmo di calcolo della massa totale del sistema propulsivo:
Potenza max: 15 kW
Massa motore: 2,59 kg
rpm/Volt: 122kV
rpm: 5120 rpm
Voltaggio motore: 42 V
Ampere motore: (max power) 350 A
Tot Ah: Ampere motore*[ (5%)3600 ]+ (Ampere motore)/2*[(95%)*3600] 180 Ah
Num batterie: Tot Ah/(6,5*0,81) 35
Massa batterie: Num batterie*0,351*6 74 kg
Massa controllore (MasterSpin 220) 0,46 kg
Num controllori: 30
MassaTot controllori: 16,1 kg
Massa Tot Motore: 92,5 kg
Massa Tot 3 Motori: 277,5 kg
Calcolo diametro ottimale e spinta dell’elica
Costanti fisiche atmosferiche
• La spinta disponibile all’elica è calcolabile da:
POTENZA[cv]* 9.81[N/ mm2 ]* 1,65 = 1214 N
Velocità del suono alla quota prestabilita(300 m.)
Diametro ottimale dell’elica
1025 mm
• Quota di volo
• Rpm motore
• Velocità avanzamento
• Vincolo 0,81 Mach
Confronto spinta FAN NASA
APPLICAZIONE
FATTORE DI SCALA
Valutazione installazione del FAN NASA LF460
• Rapporto totale di pressione:1,55
• Efficienza generale:0,843
• Velocità rotore: 4467 [RPM]
• Potenza assorbita:12727 [cv]
• Potenza erogata:10181 [cv]
• Diametro FAN:1522 [mm]
• Area :1,82[m2 ]
• Spinta FAN: 63980 N
• Potenza specifica FAN=(Potenza erogata)*0,7355/Spinta= 0,117 [kw/kN]
• Spinta specifica= (1/Potenza specifica)= 8,54 [kN/kw]
• Spinta totale con FAN =Potenza 3 motori elettrici*spinta specifica FAN
525 N
Calcolo del Disk Loading
Nell’ottica di ridurre ulteriormente il peso si calcola il disk loading caratteristico
dell’elica basandosi sui grafici e dati N.A.C.A .:
• Raggio elica[feet]=512,5
• Area disco attuatore[feet2]=7,58
• Potenza singolo motore[hp]=20,4
DiskLoading=Potenza[hp]/Area[feet2]=8
= 8/2,2[kgf/mm2] in S.T.
2 MOTORI SUFFICIENTI
MASSA TOTALE SISTEMA PROPULSIVO 2 MOTORI : 180 kg
POTENZA DISPONIBILE: 30 kW
Dimensionamento pala
Teoria di riferimento: Theodorsen
• Partenza dai dati di progetto: diametro ottimale elica,
velocità avanzamento V, RPM, potenza all’albero e numero di
pale
•Si procede a calcolare i coefficenti di perdita di energia ce
e di trazione ct tramite le formule di Rènard
•Si trovano due coefficenti di potenza Pc e Pct attraverso i
quali con l’ausilio del software Mathematica si può calcolare
il valore delle velocità indotte w (assiali e
tangenziali)supposte costanti lungo la lunghezza della pala.
nD
Vae
Dimensionamento pala
• Per ogni sezione della pala si calcola la
funzione circolazione K(x), i cui grafici
sono tabellati in funzione del tipo e
numero di pale costituenti l’elica
• Il valore del rendimento indotto ηi è ricavabile
graficamente al variare di үe
• Diventa dunque possibile calcolare la perdita di energia ε e il coefficiente di
massa k in funzione del coefficiente di avanzamento effettivo үe ,
attraverso i grafici contenuti nei Report
• Per la realizzazione del profilo pala si è scelto il profilo asimmetrico NACA 38010
dimensionato con coefficiente di portanza cl pari a 0,5:
• Attraverso un procedimento iterativo si sono calcolati i valori dell’angolo di calettamento e
della larghezza corda delle varie sezioni:
Dimensionamento pala
x
w
nD
V 2
11
1arctan
2cos2
1
2)(
)(
V
senxK
Bn
wwVbcl
Dimensionamento pala
Distanza da mozzo Angolo di calettamento (gradi) Larghezza corda (mm)
0,1R 51,10 167,25
0,2R 31,79 105,41
0,3R 22,45 74,36
0,4R 17,22 56,96
0,5R 13,92 46,03
0,6R 11,67 38,57
0,7R 10,04 33,17
0,8R 8,81 29,09
0,9R 7,84 25,90
0,95R 7,43 24,46
Risultato del dimensionamento:
Schema di assemblaggio
Conclusioni
Il risultato della conversione in propulsione elettrica ha mostrato come sia
possibile rimanere all’interno dei limiti di massa concessi dalla legge per un
deltaplano monoposto (300 kg), ma con la stretta limitazione dell’autonomia di
volo di 1 h, decisamente scarsa per un’applicazione pratica.
Il solo sistema propulsivo ha una massa di 180 kg con un ingombro dei pacchi
batterie molto importanti, contro i 100 kg di un sistema termico che con
ingombri assai più modesti raggiunge un’autonomia di circa 4 ore.