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.