Whirl flutter stability enhancement by rotor twist optimization

Nowadays Whirl flutter is one of the major challenge for the development of tilt rotor aircraft, due to the fact that this instability limiting strongly the forward flight velocity for this kind of aircrafts. To avoid this problem the current solution is to use rigid and thick wings in order to increase the torsional stiffness. Consequently the thesis purpose is to improve the whirl flutter velocity, acting on two different parameters: The wing structure and the rotor blade twist. Variations on the rotor twist blade are able to improve the hirl flutter stability, generating an increase in the required power. To maintain the power unchanged, the thickness of the wings is modified, this changes the torsional resistance value, but in turn also the drag produced. In this way, is possible to find an optimal configuration that can increase stability, leaving the maximum power unchanged. Basing on a detailed model of the Bell XV-15, modal and aerodynamic analysis, changing the wing thickness are done, in order to obtain the necessary parameters for the stability analysis in CAMRAD/JA. An optimization process is made to generate optimal solutions that combine thick and blade twist variation capable of improving the whirl flutter velocity without increase the required power. On the best solutions, trim and loads results are investigated in order to study the effects of variations. Finally, the best solutions are analysed in different condition, trim with a maximum power limit and in helicopter configuration, to show the effects on aircraft performance in a different trim condition. The results shown that with blade twist modification is possible to obtain an optimal wing thickness able to improve the whirl flutter velocity, maintaining the same power plant.

Attualmente, l’instabilità aerodinamica chiamata Whirl flutter, rappresenta una delle sfide più ardue nello sviluppo e nella diffusione del tilt rotor, perché questa stessa impone delle forti limitazioni sulle prestazioni del velivolo in fase di volo rettilineo. Per eliminare questo problema, la soluzione attualmente utilizzata è quella di impiegare nel velivolo ali con elevato spessore, in modo da irrigidire la struttura ed evitare le instabilità. Sulla base di questa riflessione, l’obiettivo della tesi è quello di incrementare la velocità limite imposta dal whirl flutter, andando ad agire su due diversi parametri: la struttura dell’ala e lo svergolamento delle pale del rotore. Lo svergolamento delle pale è in grado di influire sul limite di stabilità del Whirl flutter causando però un aumento della potenza richiesta. Per mantenere la potenza inalterata, si va ad agire sullo spessore delle ali, questo modifica il valore di resistenza torsionale, ma a sua volta anche la resistenza prodotta. In questo modo, si cerca di trovare una configurazione ottimale che possa incrementare la stabilità, lasciando invariata la potenza massima.\\ Utilizzando come riferimento il velivolo sperimentale Bell XV-15, sono state fatte diverse analisi modali e aerodinamiche al variare del valore dello spessore, in modo da ottenere i parametri richiesti per l’analisi di stabilità in CAMRAD/JA. Attraverso un processo di ottimizzazione, si cerca di ottenere la soluzione ottimale, che incrementi la velocità di whirl flutter senza aumentare la potenza, combinando al meglio la variazione nello spessore delle ali con lo svergolamento delle pale. Sulle soluzioni ottimali ottenute, si analizzano i valori di trim e dei carichi, in modo da valutare gli effetti prodotti dalle modifiche effettuate. Infine, sulle soluzioni ottimali vengono effettuate due ulteriori analisi, una a potenza massima fissata e una in modalità elicottero, per verificare gli effetti delle modifiche in due diverse condizioni di funzionamento. I risultati ottenuti mostrano come attraverso la modifica nella legge di svergolamento delle pale del rotore sia possibile trovare uno spessore delle ali in grado di incrementare il limite di stabilità del whirl flutter, mantenendo inalterato il valore di potenza massima erogabile dal motore.