ELICA
ELICA (XIII, p. 791)
Elica navale (p. 792). - Il mezzo principale di studio dell'elica isolata resta tuttora la ricerca sperimentale presso le vasche, o meglio, data la difficoltà di una rigorosa applicazione della legge di similitudine meccanica, la sperimentazione dell'elica al vero. Oltre ai metodi di proporzionamento ormai tradizionali di W. e R. Froude, di W. Taylor e di W. Schaffran, si è venuto sviluppando quello di L. C. Burrill, fondato sulla presunta analogia di funzionamento dell'elemento geometrico dell'elica marina con l'elemento d'ala di aereo.
Oggetto di profondi studî è stata la cavitazione, in cui si comprendono tutti quei diversi ed irregolari fenomeni perturbatori del funzionamento dell'elica, oltre allo specifico fenomeno del distacco parziale, continuativo o intermittente, della vena fluida dalla superficie delle pale, dovuto alla formazione di vapori d'acqua per difetto di pressione. Esperienze condotte in apposite gallerie di cavitazione, dove le eliche in diversi regimi di moto vengono investite da correnti d'acqua a velocità e pressione regolabili, hanno messo in evidenza alcune cause dell'irregolarità del funzionamento: discontinuità della scìa, insufficiente pressione idrostatica, eccessivo carico unitario, velocità periferiche troppo elevate, probabile influenza della forma e natura della superficie, ecc. Per l'elica dietro carena, conviene quindi un largo proporzionamento, moderata velocità periferica in rapporto alla pressione unitaria, afflusso regolare dell'acqua al propulsore coordinando armonicamente elica ed estremità poppiera della carena con le sue appendici (timone, bracci porta elica, ecc.), anche per consentire un parziale sfruttamento della scìa. Conseguenza della cavitazione è anche la corrosione dovuta al martellamento idraulico della superficie metallica per l'intermittente rottura della vena fluida che fa vibrare le pale talvolta fino a frequenze musicali (elica cantante).
Nonostante tutto, il rendimento ottimo dell'elica navale rimane piuttosto basso (75% per elica isolata, 65% per elica dietro carena) in confronto a quello delle turbine idrauliche dello stesso tipo (Kaplan 90%): e ciò per quelle irregolari e sfavorevoli condizioni di funzionamento già menzionate.
Allo scopo di avvicinarne le condizioni di funzionamento sono stati proposti varî dispositivi; il solo che abbia dato un risultato concreto è l'elica a mantello (ideata da G. Büchi in Italia e da L. Kort in Germania) che risulta da una combinazione di un'elica con una bocca idraulica a reazione e costituisce un'elica-pompa (Büchi), coordinata o meno, con particolari forme poppiere della carena. L'elica in queste condizioni di funzionamento dà, a pari numero di giri, una spinta minore dell'elica libera, rimanendo così meno caricata, mentre il mantello ne produce un'altra concomitante tale, che, nel complesso, pur tenendo conto dell'incremento di resistenza al moto dovuto al mantello, la spinta risultante è maggiore, e il rendimento dell'insieme migliorato. Tale sistemazione è particolarmente favorevole per eliche funzionanti con grandi regressi, per le quali si raggiunge un aumento nella spinta del 15 ÷ 20% e nel rendimento del 5 ÷ 10%; il mantello viene quindi applicato con vantaggio, sia pure per valori di potenza limitati per non complicarne l'applicazione pratica, su rimorchiatori e navi che debbano superare resistenze eccezionali (rapide, correnti, ecc.).
Un altro tipo di elica navale di recente applicazione è l'elica reversibile, o meglio a pale orientabili: il suo studio è precedente a quello delle analoghe eliche aeree, ma lo sviluppo ne è stato meno esteso, in quanto il problema della regolazione della spinta dell'elica navale, a pari numero di giri, si verifica solo in casi particolari per necessità di manovra (frequenza delle inversioni, grandi variazioni di resistenza al moto della nave) o per ragioni meccaniche intrinseche all'apparato motore (difficoltà o impossibilità di inversione o regolazione dei giri). Variando l'orientamento delle pale sul mozzo, pur mantenendo inalterato il regime di giri del motore, si modificano tutte le caratteristiche idrodinamiche dell'elica, fino a rendere negativo il passo e invertito il senso della spinta, così che per variare la velocità della nave, in grandezza e senso, è sufficiente agire sulla sola elica. In questo modo si può utilizzare sempre l'intera potenza del motore, anche a velocità ridotte, ottenendo una spinta maggiore (fino al 15%), a scapito però del rendimento, in quanto le condizioni ottime di funzionamento corrispondono, per determinato numero di giri, a un determinato valore del passo. Altra causa della diminuzione del rendimento (fino al 2%), sia in marcia avanti che in marcia indietro, è l'influenza del diametro del mozzo, che ha dimensioni notevoli per contenere il congegno di manovra delle pale.
Le eliche a pale orientabili, di cui esistono già molti tipi in servizio, per potenze individuali di 7000 e più CV-asse, hanno trovato applicazione su rimorchiatori, navi rompighiaccio, navi traghetto, pescherecci, ecc., e se ne preconizza da alcuni un grande sviluppo futuro, connesso con la adozione nella propulsione navale della turbina a gas, di difficile regolazione e impossibile inversione.
Elica aerea (p. 799). - Con la variazione del passo in volo, introdotta verso il 1930 ed ora di uso generale, l'elica è stata messa in grado di assorbire, alle diverse velocità e quote di volo, tutta la potenza del motore ai giri più convenienti. Questo fatto da solo ha permesso di migliorare notevolmente tutte le caratteristiche di volo, specialmente il decollo, la salita, l'autonomia. La fig. 8 mostra il confronto delle prestazioni dell'elica nei casi di passo fisso e passo variabile (cfr. fig. 17, XIII, p. 800): da essa risulta come l'elica a passo variabile consenta un campo di rapporti γ (che nel caso di giri costanti sono proporzionali alla velocità) più vasto, e possa sviluppare una trazione superiore a quella dell'elica a passo fisso.
Fino a potenze di 200 CV il passo può essere comandato direttamente dal pilota, mediante trasmissione meccanica che provoca la rotazione delle pale sul loro asse. Per potenze maggiori la variazione del passo è sempre automatica ed è regolata di solito dal numero di giri del motore che il pilota intende mantenere (eliche "a giri costanti", ing. constant speed). La trasmissione del comando del passo è di solito idraulica (Hydromatic, ecc.) (fig. 6) o elettrica (Piaggio).
L'escursione dell'angolo β (angolo collegato al passo p dalla relazione p = 2 π r tg β essendo r = il raggio della sezione in cui si ha β), necessaria nei varî assetti di volo è di 20-30°; gli angoli minori servono per il decollo e la salita, i maggiori per il volo veloce e ad alta quota. Le eliche dei plurimotori permettono di portare l'angolo β fino a circa 90° (elica "in bandiera" o a passo infinito, ingl. feathering), da usare in caso di arresto di un motore in volo per ridurre la resistenza all'avanzamento della relativa elica ferma. Molte eliche hanno anche la possibilità di portare β ad un valore negativo (elica "reversibile" o frenante, ingl. braking) efficace per frenare la velocità in picchiata, ridurre la corsa di atterramento, e anche per facilitare le manovre in acqua degli idrovolanti plurimotori.
Nello sviluppo dell'elica si è ben presto incontrato, prima che per l'ala, a motivo della più alta velocità, risultante della velocità di rotazione e di quella di avanzamento, il complesso di fenomeni legato alla compressibilità dell'aria, che peggiora gravemente le qualità aerodinamiche dei profili all'approssimarsi della velocità del suono. Malgrado queste difficoltà, l'elica ha potuto adattarsi con soddisfacente rendimento a potenze e velocità sempre più elevate, grazie ai seguenti orientamenti: 1) limitazione della velocità periferica, con riduzione ulteriore dei giri; 2) aumento del numero delle pale (fino a 5 per un'elica semplice); 3) aumento della larghezza delle pale, specie verso l'estremità; 4) adozione di profili appositamente studiati per ritardare i fenomeni dovuti alla compressibilità. Allo stesso scopo si tende a piegare all'indietro le pale verso la loro estremità (analogia con l'ala a freccia dei velivoli velocissimi v. aeroplano, in questa App.); 5) eliche coassiali controrotanti (fig. 7). Con questa disposizione (già adottata sul Macchi-Castoldi 72, primatista di velocità 1934-1939) si raddoppia la potenza rispetto all'elica semplice, si migliora il rendimento ricuperando l'energia cinetica di rotazione della scìa, si elimina la coppia di reazione sul velivolo. Il motore a turbina, di recente introdotto, ha già fatto risentire all'elica i vantaggi della regolarità della coppia motrice e dell'assenza di vibrazioni, in confronto col motore alternativo, e ha permesso di ridurre lo spessore delle pale aumentandone il rendimento.
La propulsione ad elica è ormai vicina al limite di velocità oltre il quale essa non è più applicabile perché il suo rendimento decade per i motivi aerodinamici accennati. Tale limite, via via aumentato dai progressivi perfezionamenti, sembra essere verso i 900 km./ora a bassa quota, e un po' minore ad alte quote. Le velocità e le quote più elevate sono di dominio della propulsione a reazione.
Il materiale più comune per la costruzione delle pale d'elica è, per tutte le dimensioni, il duralluminio. Per le piccole e medie potenze è anche largamente impiegato il legno migliorato (laminato e pressato); mentre per le più grandi potenze vi è tendenza alla costruzione in acciaio cavo. Le pale cave permetteranno la protezione antighiaccio per via termica. Attualmente è usato per tale protezione un liquido anticongelante che viene immesso alla radice delle pale sul bordo d'attacco e centrifugato su tutta la lunghezza; a tal fine le pale possono essere provviste di guaine in gomma con adatte scanalature. Dimensioni e pesi: da 2 metri e 25 kg. circa (compreso mozzo e meccanismo variazione passo) per eliche bipale di potenza sotto 200 CV, si giunge a 4 ÷ 5 m. e 200 ÷ 300 kg. per eliche quadripale fino a 3000 CV, e 400 kg. per eliche controrotanti per 4000 CV. Sono previste per il prossimo futuro eliche controrotanti di potenza fino a 10.000 CV.
Bibl.: E. Pistolesi, Aerodinamica, Torino 1932; W. F. Durand, Aerodynamic Theory, IV, Berlino 1935; Weinig, Theorie der Luftschraube, Berlino 1940; W. C. Nelson, Airplane propeller principles, Londra 1944; R. Siestrunck, Le développement moderne de la théorie de l'hélice, Parigi 1947.