Analisi dell’elica transonica NASA SR-3 mediante un approccio di fluidodinamica computazionale (CFD)

In recent years, the aerospace propulsion sector has shown renewed interest in the use of turboprop engines for transonic flight regimes. This trend is driven by the fact that such systems offer high propulsive efficiency and consequently lower fuel consumption at low speeds compared to conventional turbo-fan engines. However, the performance of turboprop engines deteriorates significantly as the aircraft approaches the speed of sound, making them unsuitable for long-range activities where high cruising speeds are required. In this context, combining the high efficiency of turboprops at low speeds with the capability to operate effectively under transonic conditions would be highly advantageous. This objective has guided NASA’s development of the SR-3 prop-fan in the 80s; a propeller designed to cruise at an altitude of 35 000 feet, at Mach 0.8, with an advance ratio of J=3.06. This thesis focuses on the CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis of a CAD model of the SR-3 propeller under various operating conditions. The simulations aim to evaluate the propulsive efficiency of the system, compare the numerical results with experimental data obtained from tests conducted at the NASA Lewis 8- by 6-foot Supersonic Wind Tunnel, and investigate the flow characteristics at different radial positions along the blade. Additionally, the simulation work allows for an assessment of the quality and suitability of the available 3D model.

Negli ultimi anni, il settore della propulsione aeronautica ha mostrato un rinnovato interesse verso l’impiego di motori turboelica in condizioni di volo transonico. Questa tendenza è motivata dal fatto che tali sistemi, alle basse velocità, offrono elevate efficienze propulsive e conseguenti consumi di carburante inferiori rispetto ai tradizionali turbo-fan. Tuttavia, le prestazioni dei motori turboelica tendono a degradarsi rapidamente man mano che la velocità del velivolo si avvicina a quella del suono, rendendoli inadatti per attività a lungo raggio, dove è essenziale mantenere elevate velocità di crociera. Alla luce di ciò, risulterebbe particolarmente vantaggioso riuscire a combinare l’elevata efficienza dei turboelica alle basse velocità, con la capacità di operare efficacemente anche in regime transonico. In questa direzione si inserisce lo sviluppo negli anni ’80 del prop-fan SR-3 da parte della NASA; un’elica progettata per operare in crociera a una quota di 35 000 piedi, Mach 0.8 e con un rapporto di funzionamento J=3.06. Il presente lavoro di tesi è dedicato all’analisi CFD (Computational Fluid Dynamics) di un CAD dell’elica SR-3 in diverse condizioni operative. Le simulazioni sono condotte con l’obiettivo di calcolare l’efficienza propulsiva del sistema, confrontare i risultati con i dati sperimentali ottenuti durante i test al NASA Lewis 8- by 6-foot Supersonic Wind Tunnel e analizzare le proprietà del flusso a diversi valori del raggio dell’elica. L’attività di simulazione consentirà, inoltre, di valutare la qualità e l’adeguatezza del modello 3D a disposizione.