Lelica (o elica propulsiva o propulsore ad elica) è un organo intermediario in grado di trasformare la potenza meccanica di un albero rotante in variazione della quantità di moto di un fluido, allo scopo di generare una propulsione (spinta) secondo il principio di azione e reazione. Il moto impresso al fluido è detto elicoidale e risulta essere la combinazione di un moto traslatorio rettilineo, lungo l'asse, e di un moto rotatorio intorno al predetto asse.
Le eliche, per la loro apparente semplicita` realizzativa, sono estremamente diffuse ed utilizzate sia la propulsione in ambito nautico ed aeronautico, nonché per l'impiego anche per lo spostamento di masse di fluido (aria, acqua), ovvero nel settore della ventilazione, da cui i ventilatori, indispensabili per il condizionamento ambientale (scambio termico con talune superfici radianti); pertanto sono impiegate in tutti quei dispositivi meccanici (motori, compressori, scambiatori per elettrodomestici, elettronica, etc...) che hanno la necessità di operare uno scambio termico tra il dispositivo in questione ed il fluido movimentato o, semplicemente, generando un ricambio di quest'ultimo.
Caratteristiche generali Forma e struttura Un'elica è costituita da due o più elementi fluidodinamici chiamati pale, le quali si comportano come "ali rotanti" che impongono una variazione di quantità di moto nella stessa direzione della velocità di avanzamento, al contrario delle ali convenzionali, la cui variazione di quantità di moto è normale alla direzione di avanzamento. Le pale sono calettate su un mozzo, quest'ultimo collegato all'albero.
Le caratteristiche geometriche delle pale determinano poi quali saranno le caratteristiche prestazionali del propulsore, con particolare riferimento ai campi di velocità di funzionamento, alla potenza propulsiva e alle caratteristiche del fluido per l'ottimale funzionamento. Le eliche vengono progettate e costruite con struttura in: legno; metallo (acciaio, leghe di bronzo o leghe di alluminio); materiali compositi e plastici.
Tipi Le eliche possono innanzitutto suddividersi sulla base del tipo di fluido nel quale operano: Eliche aeronautiche: sono eliche studiate per operare in un fluido gassoso e/o miscele di vapori e gas, come ad es. l'aria. Data la scarsa densità di quest'ultima, le eliche aeronautiche sono caratterizzate soprattutto da alte velocità di rotazione e periferiche delle pale, nonché da ridotti spessori relativi e corde delle pale stesse. Eliche marine: al contrario delle precedenti, queste agiscono all'interno di un fluido pesante o liquido, come l'acqua e, pertanto, date le maggiori densità, tali eliche sono caratterizzate da velocità di rotazione più basse e da pale più espanse nel senso della loro corda.
Le eliche si possono poi suddividere anche in base alla loro modalità di funzionamento: Eliche traenti: sono eliche poste sulla parte anteriore del mezzo da muovere e, perciò, studiate per fornire la propulsione aspirando il fluido indisturbato che si trova a monte del mezzospingendolo nella direzione opposta d'avanzamento (quindi spingendolo sulle superfici esposte del mezzo). Si preferisce per semplicità schematizzare tale modalità di funzionamento sotto forma di trazione: sono di questo tipo la maggior parte delle eliche utilizzate sugli aeromobili e alcune moderne applicazioni marine utilizzate sulle navi. Eliche spingenti: sono analoghe alle traenti, ma collocate nella parte posteriore del mezzo. Perciò esse incontrano anteriormente un fluido in moto non uniforme che risente del passaggio tra le superfici fluidodinamiche del mezzo. Su tale moto l'elica produce un effetto omogeneizzante e pertanto risulta più semplicemente schematizzabile la sua azione sotto forma di spinta anziché trazione. Di questo tipo sono la grande maggioranza delle eliche marine utilizzate su tutti i tipi di imbarcazioni e alcune applicazioni aeronautiche (in particolare nei prototipi dell'inizio del XX secolo e su molti velivoli canard). Eliche portanti: spesso denominate anche "rotori", al contrario delle precedenti questo tipo di eliche fornisce una spinta sostentatrice grazie alla loro rapida rotazione, cioè opposta alla forza di gravità; sono perciò utilizzate sugli elicotteri ed autogiri.
Parametri geometrici dell'elica
Le eliche sono caratterizzate da una serie di parametri geometrici utili per descriverne le principali proprietà e comportamenti. Passo - è la grandezza che esprime la distanza percorsa da un'elica in un giro completo (2π rad o 360°); la si esprime come: passo geometrico, che è la distanza teoricamente percorsa, trascurando il regresso del fluido e, perciò, corrispondente alla distanza che l'elica percorrerebbe se si muovesse all'interno di un corpo solido (la formulazione matematica del passo geometrico è: p = tan(β)*2π*r; si noti che non compare la velocità di avanzamento); inoltre un'elica puo` essere: a passo uniforme se ogni sezione presenta lo stesso valore del passo nel senso radiale, ovvero il calettamento geometrico delle sezioni non cambia all'aumentare della distanza dal mozzo; a passo vario o passo non uniforme se le sezioni presentano valori diversi del passo in senso radiale (in genere diminuisce); a passo fisso se il valore del passo geometrico non può essere cambiato con elica ferma o in movimento; a passo variabile se esso può essere modificato tramite servomeccanismi durante il funzionamento; passo reale, che è invece l'avanzamento effettivo dell'elica dopo un giro in condizioni normali ed è sempre inferiore al passo geometrico (e ovviamente dipende dalla velocità di avanzamento). Regresso - è definito come la differenza tra il passo geometrico ed il passo reale; non è mai nullo. Corda o corda locale - è il parametro rappresentativo della larghezza del profilo e risulta variabile con la distanza dal mozzo, a causa del fatto che la velocità lineare a cui è soggetta l'elica varia con il raggio; il disassamento laterale del centro della corda rispetto al raggio dà il rovesciamento (o skew) della pala. Velocità di rotazione, è la velocità tangenziale (ossia nel piano dell'elica) con cui una data sezione della pala, posta a distanza "r" dall'asse di rotazione, ruota attorno all'asse stesso, ovverosia:
dove "ω" è la velocità angolare espressa in [rad/s], "r" la distanza dall'asse di rotazione in [m], "n" il numero dei giri al minuto (convertito in [rad/s]) ed infine il versore t indica la direzione tangenziale al disco dell'elica per la sezione usata. Velocità relativa, è la velocita` ottenuta sommando vettorialmente alla velocità di traslazione nel senso del moto la precedente velocità di rotazione. Velocità effettiva, la somma della velocità relativa e la velocità indotta. Angolo di calettamento o angolo di calettamento geometrico, ovvero l'angolo che la corda forma con il piano dell'elica, perpendicolare all'asse del mozzo: la variazione dell'angolo di calettamento al variare della distanza dal mozzo è detta svergolamento. Angolo di calettamento aerodinamico, ovvero l'angolo tra l'asse di portanza nulla del profilo dell'elica forma con il piano dell'elica, cioè l'angolo con cui il fluido indisturbato intercetta il profilo fluidodinamico. Angolo d'attacco, angolo di incidenza o angolo di incidenza locale, angolo tra la velocità effettiva e la corda del profilo. Il rapporto di funzionamento, indicato generalmente con "γ", è definito come il rapporto:
dove "V" indica la velocità assiale di traslazione dell'elica in [m/s], "n" sono i giri al minuto dell'elica (convertito in [rad/s]) e "d" il diametro dell'elica in [m]; si ricorda che il rapporto di funzionamento e` adimensionale. Rendimento effettivo, definito come il rapporto tra la potenza utile prodotta dal sistema e la potenza assorbita:
dove T rappresenta il valore della spinta, V la velocità, f la frequenza dell'elica e Q il momento resistente dell'elica. Rendimento propulsivo, definito come il rapporto tra la potenza utile prodotta dal sistema e la potenza necessaria ad impartire alla massa di fluido agente sul motore, nell'unità di tempo, la variazione di quantità di moto che produce la spinta.
Eliche aeronautiche
L'elica deve avere la stessa portanza lungo tutto il braccio, e quindi la medesima spinta. Premesso che la portanza è direttamente proporzionale all'angolo d'attacco e l'angolo d'attacco varia con la velocità; essendo la velocità periferica delle pale crescente dal mozzo verso l'estremità, per mantenere costante la portanza dovrà essere per forza modificato il calettamento. Ed è per questa ragione che l'elica si presenta svergolata, cioè con un calettamento variabile dal mozzo verso l'estremità. Cioè il calettamento diminuisce man mano che aumenta sul profilo dell'elica la velocità periferica allontanandosi dal mozzo.
Il passo geometrico trascura la velocità residua dovuta al suo moto nel fluido, che può essere maggiore, uguale o minore di zero. In campo aeronautico, immaginando l'aria densa a tal punto da muovere un aereo talmente leggero da non opporre resistenza, dopo un giro l'elica avrà percorso il suo passo geometrico; in altre parole è la distanza che percorrerebbe l'elica qualora si "avvitasse" in un medium solido per un giro.
Con l'aereo fermo prima di dare manetta per partire, i giri che l'elica compie hanno tutti passo reale uguale a zero. Appena l'aereo si muove l'elica aumenta i suoi passi reali giro dopo giro. Passata una certa velocità il passo reale può essere maggiore del passo geometrico. In questo caso l'elica frena.
Dal momento che, come è facile dedurre anche intuitivamente, la potenza che l'elica può assorbire e convertire in spinta aumenta all'aumentare del numero di giri, del diametro e (entro certi limiti) del passo geometrico, può sembrare che si possa scegliere arbitrariamente, per una data potenza, una qualsiasi combinazione di parametri; in realtà la scelta di un'elica frutto di un processo di valutazione molto attento.
In prima battuta, si può dire che generalmente un'elica di maggiore diametro è più efficiente, ma nell'aumentare il diametro si riscontra un primo importante limite: è fondamentale che le punte delle pale dell'elica non raggiungano la velocità del suono altrimenti il rendimento diminuirebbe e si innescherebbero pericolose vibrazioni e sollecitazioni dovute alle onde di compressibilità. I piccoli motori aeronautici in genere non superano i 3 000 giri al minuto al massimo, e quelli che raggiungono i 5 000-6 000 giri usano un riduttore, che è invece sempre presente nei turboelica, perché le turbine lavorano ad una frequenza di rotazione molto più elevata (in un motore a reazione di un aereo di linea il complesso di alta pressione – turbina AP e compressore AP – raggiunge i 50 000 giri al minuto). Delle eliche supersoniche sono state testate, ma davano luogo a notevoli inconvenienti tra cui un rumore talmente assordante da incapacitare in breve tempo piloti e personale di terra. Nella pratica, si fa in modo che le estremità delle pale raggiungano una velocità periferica nell'intorno dei 250 metri al secondo.