Aerodynamic modifications to improve the whirl flutter stability of tiltrotors

The whirl flutter is an aeroelastic instability that affects tiltrotors during high speed flights and could reduce their flight envelopes. In this work, the blades are modified to improve the aeroelastic stability of the system. The modification are purely aerodynamic, indeed, the structure is fixed to keep the problem simple. The study is conducted using a multibody semi-model of a tiltrotor based on the well known WRATS model by NASA. A new solution, gurney flaps, is used. The application of them is done through the aerodynamic coefficients. They have been estimated by curve fitting on experimental data. The method is based on previous works; an extension to estimate the drag coefficient is presented in the thesis. A parametric analysis of the gurney flaps introduction on tiltrotors has been done and reported. The use of gurneys is capable of introducing a beneficial pitching down moment on the blade, however, the rotor torque and the loads increase. An important variation of whirl flutter speed has been found. The use of advanced geometry blades is studied in detail. Some parametric studies on blades with swept tips, tip anhedral and double sweep angle are provided. Also in this case, there is a general increase of loads and power requirements. The blades with simple swept tips are capable of increasing the whirl flutter speed, instead, the double sweep reduces it as well as the tip with anhedral. The causes of the increase of stability are studied in detail, the application of swept blades and gurney flaps generates an elastic twist down of the blade, reducing the perturbational forces responsible for the whirl flutter. The consequence is an increase of loads. An optimisation based on a genetic algorithm is set up to combine the effects of the solutions. The fitness function studies the response of the system in the time domain to evaluate an objective value related to the damping. The optimal shape is capable of increasing the whirl flutter speed but increases the loads and the torque of the rotor as well.

Il whirl flutter è un’instabilità aeroelastica che affligge i tiltrotor durante i voli ad alta velocità e può ridurre il loro inviluppo di volo. In questo lavoro, le pale sono modificate per incrementare la stabilità aeroelastica del sistema. Le modifiche sono solamente aerodinamiche, la struttura non viene modificata per mantenere il problema semplice. Lo studio è condotto usando un semi-modello multicorpo di un tiltrotor basato sul modello WRATS della NASA. Viene presentata una nuova soluzione basata sui gurney flaps. L’introduzione di questi viene effettuata attraverso i coefficienti aerodinamici. Essi sono stati stimati con il metodo, sviluppato in lavori precedenti, del curve fitting sui dati sperimentali. Un’estensione al coefficiente di resistenza è presentata nella tesi. E’ stato eseguito uno studio parametrico dell’applicazione dei gurney flaps e i risultati vengono discussi. L’utilizzo di questo apparato genera un vantaggioso momento aerodinamico a picchiare sulle pale, tuttavia, vi è un aumento dei carichi e della coppia del rotore. E’ stato trovato un importante incremento di velocità di whirl flutter. L’utilizzo di pale con geometria avanzata è studiato nel dettaglio. Sono stati effettuati degli studi parametrici sulle pale con freccia in estremità, angolo diedro e doppia freccia, e vengono qui riportati. Anche in questo caso vi è un aumento dei carichi e della potenza necessaria. Le pale con freccia in estremità incrementano la velocità di flutter, invece, le pale con doppia freccia e con angolo diedro la riducono. Le cause dell’aumento di stabilità sono studiate nel dettaglio. L’applicazione della freccia e dei gurney flaps genera una torsione della pala, riducendo le forze aerodinamiche responsabili del whirl flutter. La conseguenza è un aumento dei carichi. E’ stata eseguita un’ottimizzazione basata su un algoritmo genetico per combinare gli effetti delle soluzioni adottate. La funzione di fitness studia la risposta del sistema nel dominio del tempo per valutare un obiettivo collegato con lo smorzamento. La geometria ottima è capace di incrementare la velocità di whirl flutter ma aumentano sia i carichi che la coppia del rotore.