Innovative methodology for the study of the whirl flutter for a turboprop

In this study a innovative and more completed method is developed to deeper study the whirl flutter stability and the influence of different factors having impact on that. Starting from a literature researches on Rodden method, it is possible to recognize which parameters, relative to the whirl flutter stability, have to be deeply analyzed and which could be neglected doing some assumptions. With the Rodden method, there is the possibility to calculates downwash and sidewash angles. After that, it is prepared the input data for the external preprocessor to calculate the propeller aerodynamic matrices. The preprocessor is a program named «propf.f» written in FORTRAN language, where may optionally include the ‘*.pch’ file with the downwash and sidewash data. The output matrices are written by means of the NASTRAN direct matrix input cards (DMIG) that are to be put on the NASTRAN input file. The flutter stability is solved by means of the P-K method using the NASTRAN solver no. 145. In this work, once the analysis of the influences of the parameters and the reproduction of the Rodden's methodology is done, it is translated the FORTRAN code named «propf.f» in a MATLAB code named «AF_MAIN_GENERATION_DMIG». The aim of the next step is to studied a way to improve the methodology and include all the effects neglected: the helical wake effect, the compressibility factor, the slipstream, the different lift curve slope for each section of the blade and the possibility to study a scimitar blade. This method, more than consider several effects neglected by Rodden, gives the possibility to choose which effect the user wants to consider, then also performing a sensitivity analysis. Therefore, there is the opportunity to perform a preliminary design analysis in order to verify and/or compare the stability of each changing. The performed analysis are: the comparison of each cases to understand the influences of each effect on the stability, the analysis for all the model of the whirl flutter and flutter stability. Moreover, it is performed the sensitivity analysis considering the variation of the Lift Curve Slope, the Propeller Moment of Inertia, the Blade Geometry, the Propeller Radius.

Leonardo-Finmeccanica S.p.a. attualmente leader mondiale nella produzione di velivoli turboelica per il trasporto regionale e velivoli per il pattugliamento/sorveglianza del territorio. Produce un velivolo turboelica leader mondiale nella categoria degli aerei militari da trasporto tattico medio di nuova generazione. Nell’ambito del progetto finanziato dalla Comunità Europea, Leonardo-Finmeccanica S.p.a. partecipa allo sviluppo concettuale di un velivolo turboelica di nuova generazione. È quindi necessario, per quanto riguarda gli aspetti aeroelastici, supportare lo sviluppo del progetto preliminare ed identificare quali effetti hanno una maggiore influenza rispetto ad altri. E' stata progettata una nuova metodologia per lo studio e l'analisi degli effetti che influenzano la stabililtà di whirl flutter. Considerando inizialmente l'influenza di vari parametri in modo da comprendere quali approssimazioni si possano o meno fare e se alcuni di essi necessitavano un ulteriore approfondimento. Questa analisi è fondamentale in modo da poter migliorare la metodologia creata da Rodden per lo studio del whirl flutter. L'analisi permette di considerare gli angoli dovuti al downwash ed al sidewash eseguendo un calcolo mediante NASTRAN. Il programma NASTRAN DMAP (Direct Matrix Abstraction Program) utilizzato è denominato propa.alt. I risultati vengono salvati in un formato «.pch», per poi essere utilizzati come input per il calcolo delle matrice aerodinamiche (DMIG) tramite il programma FORTRAN denominato «propf.f». Si ottengono in output le matrice aerodinamiche in un formato che possa permettere di utilizzarle come input per il calcolo finale mediante NASTRAN. Il calcolo delle forze aerodinamiche è basato sulla teoria delle strisce, considerando l'elica rigida e in condizioni di windmill. Il calcolo di whrl flutter è quindi eseguito mediante il metodo PK utilizzando la sol 145 di NASTRAN. E' stata quindi riprodotta l'analisi svolta da Rodden, traducendo il codice FORTRAN «propf.f» nel codice MATLAB «AF_MAIN_GENERATION_DMIG». Sono quindi state introdotte delle migliorie computazionali e sono stati considerati molti effetti trascurati. E' stato analizzato l'effetto generato dall'onda ad elica, per descriverlo è stata computata la funzione di Theodorsen modificata. Come fattore di comprimibilità è stato utilizzato quello di Prandtl-Glauert da Rodden. Sono quindi stati computati i fattori di Karman-Tsien e Laitone in modo da considerare una migliore e più accurata correzione di comprimibilità. Inoltre nel codice computato è stata aggiunta la possibilità di considerare un differente distribuzione del coefficiente di portanza lungo la pala. E' stata aggiunta la possibilità di analizzare le pale di forma sciabolata. Per quanto riguarda il calcolo degli angoli dovuti al downwash ed al sidewash, il modello è stato partizionato in un modo differente, dividendo i corpi in due tipi di elementi: slender elements, utilizzati per simulare il moto del modello, ed interference element, utilizzati per simulare un'interazione tra il modello ed i box aerodinamici. Infine è stata considerata la scia computando in MATLAB un codice denominato «AF_SLIPSTREAM», il quale genera i moduli NASTRAN, in modo da includere gli effetti della scia generati dell'elica. Questa metodologia innovativa permette di considerare molti effetti trascurati da Rodden e di verificarne l'impatto. E' quindi stata performata un'analisi di sensibilità per evidenziare l'influenza di ciascuno di questi effetti, inoltre è stato verificato anche l'impatto aerodinamico di alcuni parametri fisici per approfondire l'effetto di essi sulla stabilità. La metodologia computata permette inoltre di eseguire un'analisi di design prelilminare molto efficacie.