Preliminary investigation over a reconfigurable blade tip for rotors

The aim of this thesis is to perform a preliminary investigation over a reconfigurable blade tip passively actuated through aeroelastic loads. Although several tip shapes have been designed, a fixed configuration is commonly used. Modern blades typically incorporate a negative dihedral angle, the so-called anhedral which, in the past, has proven effective in reducing the disadvantages of a swept planform and improving the hover efficiency, but turned out to be a major source of noise, namely Blade Vortex Interaction (BVI), particularly in approaching operative conditions. Recent patents, however, have put forward the idea of a movable tip with an intrinsic objective of mitigating such a problem. The idea is to either reduce or increase the blade tip anhedral angle in flight using active actuation techniques. In light of the patent and literature survey, a multibody model of an entire rotor is delineated inside this thesis, starting from the geometry definition up to the detailed description of the tip orientation. Consequently, simulations are performed both in hovering and forward flight in order to assess whether a passive actuation technique can be used in lieu of aforementioned active ones. Therefore, a tip pivotally attached to the fixed inboard part of the blade through a hinged mechanism is considered. Moreover, the moment with respect to the tip hinge axis plays a key role in the investigation and its azimuthal trend is depicted in different configurations. Promising results are obtained, proving suitability for reconfiguration in both directions, namely either an increase or a decrease in anhedral angle. This can be controlled with forward flight speed. In fact, while in hovering and low-speed forward flight an increase in anhedral may be achieved, higher speed results in an anhedral decreasing possibility.

Lo scopo di questa tesi è lo studio preliminare di una tip riconfigurabile che può essere attuata passivamente attraverso carichi aeroelastici. Sebbene nel corso degli anni siano state progettate diverse tip per pale di elicottero, è sempre stata adottata una configurazione fissa. Oggigiorno, la progettazione prevede l'uso di un angolo di diedro negativo, il cosiddetto anedro, che nel passato si è dimostrato efficace nel ridurre gli effetti di una superficie a freccia (in particolare il baricentro arretrato) e nell’aumento dell’efficienza in hovering. Allo stesso tempo, tuttavia, tale design ha contribuito negativamente all'impatto acustico dell'elicottero, in particolare nel fenomeno del Blade Vortex Interaction (BVI), accentuato nella fase di discesa. Brevetti recenti hanno avanzato ipotesi su tip mobili, con l'obiettivo di mitigare questo problema, per ridurre o aumentare l'angolo di anedro in volo tramite sistemi di attuazione attivi. Alla luce dei brevetti e delle ricerche bibliografiche effettuate, all'interno di questa tesi è delineata la realizzazione di un modello multi corpo dell'intero rotore, partendo dalla definizione della geometria della pala per arrivare alla descrizione dettagliata dell'orientazione della tip. Il modello comprende una tip incernierata alla restante parte della pala. In seguito, per poter definire la fattibilità di un sistema di attuazione passivo, una serie di simulazioni sono state svolte sia in hovering sia in volo avanzato. Inoltre, il momento attorno all'asse della cerniera ha un ruolo primario all'interno delle analisi e il suo andamento azimutale è analizzato in differenti configurazioni. I risultati ottenuti aprono la strada ad una opportunità di riconfigurazione in entrambe le direzioni, sia per incrementare che per diminuire l'angolo di anedro. Questo sembra controllabile tramite la velocità di volo. Infatti, mentre in hovering e a basse velocità di avanzamento si può ottenere un incremento dell'angolo di anedro, a velocità più elevate la tip può essere ruotata verso l'alto.