Variable speed rotor helicopters: optimization of main rotor-turboshaft engine integration

Variable speed rotors (VSRs) represent an innovative research field for the development of new rotorcraft designs. The possibility to change the rotational speed of a helicopter rotor, as a function of the specific flight condition, makes it possible to achieve optimum performance and relevant fuel consumption reductions. However, issues related to employing a main rotor variable speed are numerous and require an interdisciplinary approach. The present study represents the first effort in the open literature aimed at understanding the performance implications of coupling helicopter trim and turboshaft engine simulations for a VSR model. A gas turbine simulation code, TSHAFT, and a helicopter performance tool, TCOPTER, have been implemented in order to be able to carry out the coupled analysis. Following this, the VSR concept has been tested on a real helicopter case: the models of a UH-60 Black Hawk helicopter and a GE T700 turboshaft engine have been implemented and validated against experimental data. Subsequently, an optimization routine has been employed to find the optimal main rotor speeds which minimize fuel consumption in different helicopter flight conditions. Two different approaches to VSRs have been analyzed: the former employing a traditional fixed ratio transmission (FRT), the latter assuming a continuously variable transmission (CVT). In the FRT case, since the turbine and main rotor speeds are in a fixed ratio, the optimal speed has been calculated as the best compromise between optimal main rotor speed and optimal turbine speed. In the CVT case, the study has been carried out assuming that main rotor and turbine speeds were free to rotate at their optimal speeds. Different simulation cases have been analyzed in order to quantify the benefits related to the optimal main rotor speed depending on flight conditions, altitude and helicopter gross weight. It has been found that coupling both the helicopter and engine model is important to adequately determine the correct rotational speed corresponding to minimum fuel consumption. More than 13% fuel saving has been shown to be feasible. Finally, possible improvements to the VSR concept have been studied. In particular, a trial has been made to redesign the power turbine of the GE T700 in order to improve the efficiency of the engine in a wide speed variation range.

I rotori a velocità di rotazione variabile (Variable Speed Rotors, VSR) rappresentano un argomento di ricerca innovativo per lo sviluppo di nuove configurazioni di velivoli a decollo verticale, quali l’elicottero o il convertiplano. La possibilità di modificare la velocità di rotazione del rotore principale, in funzione della specifica condizione di volo, permette di ottenere prestazioni ottimali e significative riduzioni del consumo di carburante. Tuttavia, le problematiche connesse all’impiego di una velocità di rotazione variabile sono numerose e richiedono un approccio di analisi interdisciplinare. Il presente studio si configura come il primo esempio in letteratura di analisi prestazionale eseguita con simulazioni accoppiate rotore e motore turbo-albero per un modello di VSR. Due strumenti di simulazione sono stati implementati al fine di effettuare la suddetta analisi accoppiata: un codice di simulazione di turbomotori a gas (TSHAFT) e un software per la stima dell’assetto e delle prestazioni di un elicottero (TCOPTER). La validità del concetto di rotore a velocità variabile è stata testata su un caso reale: a tale scopo i modelli di un elicottero UH-60 Black Hawk e di un motore turbo-albero GE T700 sono stati implementati e sottoposti a validazione su dati sperimentali. Successivamente, si è proceduto alla costruzione di una routine di ottimizzazione capace di individuare le velocità ottimali del rotore, in funzione delle diverse condizioni di volo dell’elicottero; tali velocità corrispondono alla condizione di minimo consumo di carburante. Sono state analizzate a livello puramente prestazionale due differenti tipologie di VSR: la prima contempla l’utilizzo di una trasmissione tradizionale a rapporto di riduzione fisso (Fixed Ratio Transmission, FRT); la seconda prevede l’impiego un’ipotetica trasmissione a variazione continua (Continuously Variable Transmission, CVT). Nel caso FRT, poiché le velocità di rotazione della turbina e del rotore principale sono in un rapporto fisso, la velocità ottimale è stata calcolata come il miglior compromesso tra la velocità ottimale del rotore principale e quella della turbina. Nel caso CVT, invece, lo studio è stato effettuato assumendo che le velocità di rotore e turbina fossero libere di ruotare alle rispettive velocità ottimali. Diversi casi di simulazione sono stati analizzati, al fine di quantificare i benefici legati alla possibilità di operare alla velocità ottimale del rotore in funzione delle condizioni di volo, dell’altitudine e del peso dell'elicottero. L'accoppiamento del modello dell'elicottero e del modello di motore turbo-albero è risultato determinante per un’adeguata individuazione della velocità corrispondente a consumo minimo. La massima riduzione nei consumi di carburante è stata stimata attorno al 13%. Infine, sono state studiate possibili soluzioni progettuali in grado di apportare ulteriori margini di miglioramento a elicotteri operanti con VSR. In particolare, è stato effettuato un tentativo di riprogettazione preliminare della turbina di potenza del GE T700 con l’obiettivo di incrementarne l’intervallo di funzionamento a massima efficienza. In sostanza si è cercato di rendere le prestazioni della turbina meno sensibili alle variazioni nel numero di giri, cercando di estendere la zona di rendimento massimo attorno al punto di progetto.