Feasibility study of an electric lead-lag damping system for helicopter rotors

The traditional approach to electric generators involves harnessing electrical energy from mechanical movements and, in this context, their counter-torque is often viewed as a necessary consequence. However, this thesis explores an unconventional perspective where increased counter-torque is sought after as it serves as the source of damping for the rotorcraft blades. The basic idea behind the system proposed is to find an electrical alternative to conventional lead-lag damping systems by connecting each blade to an electric generator. With such a system the goal is to obtain performances comparable to those of conventional hydraulic and elastomeric systems, avoiding the ground resonance phenomenon that afflicts many rotorcrafts. This feasibility study begins from scratch, focusing on the basic idea. In order to establish a perimeter for the analysis, only Permanent Magnet Direct Current generators and only passive solutions are considered. Different system configurations are analyzed and optimized in order to assess the performance of the application. The configurations include both independent and interconnected circuits designs, also investigating, in this last case, effects similar to the mechanical interblade. The thesis concluded that the proposed system exhibits an overall lack of performance compared to conventional hydraulic and elastomeric dampers. In order to achieve results comparable to the benchmark of the industry, the Hammond's results, a 120\% increase in the electric constant of generators available on the market is required. Despite the modest outcomes, the physical principle remains valid, and this thesis paves the way for further discussions on the topic. Two promising avenues for future development include exploring different types of electric generators and investigating active electric damping solutions.

I generatori elettrici sono stati inventati al fine di trasformare l'energia meccanica di un corpo in movimento in energia elettrica. In questa applicazione, invece, il generatore elettrico e' sfruttato al fine di creare una coppia meccanica che smorzi il sistema. L'idea di base del sistema proposto è di smorzare l'oscillazione della pala sull'angolo di ritardo collegandola ad un generatore elettrico. Con un tale sistema, l'obiettivo è ottenere prestazioni paragonabili a quelle dei sistemi idraulici ed elastomerici convenzionali, evitando il fenomeno della "ground resonance" che affligge molti elicotteri. Questo studio di fattibilità parte da un foglio bianco e si concentra sul principio fisico alla base dell'applicazione. Con lo scopo di limitare il perimetro dell'analisi vengono presi in considerazione solo generatori a corrente continua e magneti permanenti ed esclusivamente soluzioni passive, ovvero senza l'utilizzo di uno smorzamento attivo. Vengono analizzate e ottimizzate diverse configurazioni del sistema al fine di valutarne le prestazioni. Le configurazioni includono soluzioni sia con circuiti di pala indipendenti tra di loro che interconnessi, investigando, in quest'ultimo caso, l'effetto "interblade" ottenibile elettricamente. In conclusione il sistema proposto mostra complessivamente prestazioni inferiori rispetto agli smorzatori idraulici ed elastomerici utilizzati convenzionalmente. Per ottenere risultati paragonabili a quelli di Hammond, riferimento dell'industria, è necessario un aumento della costante elettrica del 120\% rispetto ai generatori elettrici disponibili sul mercato. Nonostante i modesti risultati, il principio fisico rimane valido e la tesi apre la strada ad ulteriori approfondimenti sull'argomento. Due vie promettenti per gli sviluppi futuri includono: l'esplorazione di diversi tipi di generatori elettrici e l'utilizzo di soluzioni attive di smorzamento elettrico.