I Propulsori navali - Nauticokr.it
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7. −−−− I <strong>Propulsori</strong> <strong>navali</strong>.<br />
7.1 – General<strong>it</strong>à sui propulsori <strong>navali</strong>.<br />
Le navi sono classificate in base al<br />
tipo di propulsore di cui sono dotate. Nella<br />
classificazione delle navi si fa una differenza<br />
tra :<br />
- navi o imbarcazioni a remi<br />
- navi o imbarcazioni a vela<br />
- navi o imbarcazioni a motore.<br />
Queste ultime vengono a loro volta<br />
suddivise in navi o imbarcazioni entrobordo<br />
o fuoribordo, asseconda che il motore sia<br />
sistemato nello scafo o al di fuori di esso. Le<br />
grandi navi da traffico, i motopescherecci ed i<br />
grossi yacht hanno sistemazioni del tipo<br />
entrobordo con motori sol<strong>it</strong>amente a ciclo<br />
diesel. Ovviamente esistono svariati tipi di<br />
motori, ma qui intendiamo occuparci<br />
esclusivamente dei propulsori e non degli<br />
apparati motori di cui sono dotate le navi.<br />
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
Il propulsore per eccellenza in campo<br />
navale è l’elica, oggi universalmente<br />
applicata e di cui ci occuperemo ampiamente<br />
nel segu<strong>it</strong>o. Tuttavia nel corso dello sviluppo<br />
della propulsione meccanica, che soppiantò la<br />
propulsione velica unica conosciuta per le<br />
navi da traffico fino alla fine del XIX secolo e<br />
fino alla metà del XX secolo, fecero la loro<br />
comparsa altri tipi di propulsori. Il primo ad<br />
essere ideato ed utilizzato fu la ruota a pale,<br />
cost<strong>it</strong>u<strong>it</strong>a da un cilindro sulle cui generatrici<br />
venivano fissate delle pale.<br />
L’elica comparve sub<strong>it</strong>o dopo e dopo<br />
di essa sono arrivati il propulsore vo<strong>it</strong>h ( o<br />
cicloide), cost<strong>it</strong>u<strong>it</strong>o da un disco cilindrico<br />
dotato di pale e sporgente dalla carena<br />
ruotante orizzontalmente e, più recentemente,<br />
l’idrogetto, che sfrutta il principio<br />
dell’azione-reazione per far avanzare lo scafo<br />
pompando dell’acqua.
7.2 − La ruota a pale.<br />
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
La propulsione meccanica venne adottata sulle navi con il perfezionamento e la diffusione<br />
delle macchine a vapore a partire dai primi anni del XIX secolo. Il primo propulsore navale ad<br />
essere adottato fu la ruota a pale cost<strong>it</strong>u<strong>it</strong>a da un cilindro sulle cui generatrici sono fissate in varia<br />
maniera le pale. Essa agisce eserc<strong>it</strong>ando una pressione sull’acqua, dovuta al moto rotatorio che ad<br />
essa viene forn<strong>it</strong>o da un sistema di bielle collegato al motore. La ruota è generalmente posta a<br />
poppa, con l’asse del cilindro ortogonale all’asse long<strong>it</strong>udinale della nave.<br />
7.3 – L’elica .<br />
In figura è mostrato quanto appena<br />
descr<strong>it</strong>to. Come si può vedere tale sistema di<br />
propulsione è adoperata su battelli fluviali a<br />
scopo turistico, soprattutto negli Stati Un<strong>it</strong>i,<br />
dove un<strong>it</strong>à di questo tipo hanno segnato<br />
un’epoca. Nell’esempio di figura è<br />
rappresentata una ruota a pale fisse che risulta<br />
essere poco efficiente in termini di<br />
rendimento, soprattutto durante il beccheggio<br />
della nave. Per migliorare le prestazioni venne<br />
ideata la ruota a pale articolate, dotate di un<br />
sistema di biellismi atto a mantenere sempre<br />
perpendicolare alla superficie del liquido la<br />
sezione della pala. Un’altra via che venne<br />
segu<strong>it</strong>a fu quella di sistemare due ruote a pale<br />
una per murata in prossim<strong>it</strong>à della sezione<br />
maestra, ma le oscillazioni dovute al rollìo<br />
della nave provocavano la fuoriusc<strong>it</strong>a delle<br />
stesse con conseguente aumento delle<br />
vibrazioni e rotture del sistema di biellismo.<br />
La prima nave a vapore costru<strong>it</strong>a in Italia che<br />
adottava un simile sistema di propulsione fu<br />
la Ferdinando I costru<strong>it</strong>a nel 1818 a Napoli<br />
dal cantiere Filosa (rappresentata nella figura<br />
della pagina precedente) era lunga 39 metri e<br />
raggiungeva una veloc<strong>it</strong>à di 6 nodi .<br />
L’elica navale deriva dall’elica geometrica che è una linea tracciata su di cilindro che<br />
interseca le sue generatrici secondo un angolo costante. Si può pensare decr<strong>it</strong>ta da un punto<br />
materiale che si muova di un moto composto da una rotazione uniforme attorno ad un asse e dalla<br />
traslazione uniforme in direzione dell’asse stesso; questo è chiamato moto elicoidale. L’asse ed il<br />
raggio del cilindro che contiene l’elica sono detti asse e raggio dell’elica. Le parti che cost<strong>it</strong>uiscono<br />
l’elica navale sono il mozzo, simile ad un’ogiva, sul quale vengono calettate in vario modo le pale.<br />
Un’elica navale è caratterizzata da alcuni elementi geometrici :<br />
- il diametro<br />
- il numero di pale<br />
- la proiettata<br />
- l’angolo di calettamento<br />
- il senso di rotazione<br />
- il passo<br />
- il regresso<br />
- il regresso percentuale
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
Il diametro è ovviamente dato dal doppio del raggio della circonferenza che contiene l’elica<br />
in esame. Il numero di pale è variabile tra 2 e 8÷10 e dipende dalle caratteristiche di veloc<strong>it</strong>à e<br />
potenza necessarie alla nave cui l’elica è accoppiata.<br />
La proiettata rappresenta l’area utile delle pale ottenuta proiettando la loro superficie su di<br />
un piano perpendicolare all’asse dell’elica.<br />
L’angolo di calettamento α rappresenta l’angolo di inclinazione che la corda della sezione<br />
della pala forma con l’asse dell’elica. L’angolo di calettamento risulta variabile procedendo dal<br />
mozzo verso il bordo esterno delle pale.<br />
Il senso di rotazione può essere destrorso ( o sinistrorso) se guardando da poppa verso<br />
prora l’elica ruota in senso orario ( o antiorario) all’avanzare della nave.<br />
Dal diametro e dal numero di pale può già intuirsi qualche caratteristica dell’elica. Eliche di<br />
potenza ( per esempio quelle dei rimorchiatori o dei pescherecci a strascico) hanno un grande<br />
diametro, 4 o 5 pale ed una bassa veloc<strong>it</strong>à di rotazione. Eliche destinate a navi veloci hanno<br />
diametro più piccolo e una maggiore veloc<strong>it</strong>à di rotazione ( per esempio le eliche dei fuoribordo).<br />
Il passo dell’elica p rappresenta lo spazio di cui avanza l’elica in un giro completo. Il<br />
valore del passo dipende dal raggio dell’elica e dall’angolo di calettamento α come mostrato nella<br />
figura in apertura di pagina. Nella figura sottostante sono rappresentati esempi di eliche a tre,<br />
quattro e cinque pale.<br />
7.4 −−−− Il regresso.<br />
Il passo p rappresenta lo spazio di cui avanza in un giro completo di 360° l’elica da sola,<br />
cioè senza essere accoppiata alla nave. In realtà quando l’elica è accoppiata ad una carena lo spazio<br />
di cui avanza in un giro completo di 360° il complesso elica-nave è inferiore e viene indicato con il<br />
nome di avanzo a.<br />
La differenza tra p ed a viene detta regresso dell’elica ed indicato con r :<br />
r = p – a
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
Il regresso rappresenta in qualche modo una misura dell’energia dissipata dal propulsore per<br />
vincere le resistenze al moto di avanzamento della nave.<br />
Consideriamo l’espressione:<br />
ε =<br />
p − a<br />
⋅⋅⋅⋅ 100<br />
p<br />
essa rappresenta il cosiddetto regresso percentuale dell’elica. Se ragioniamo sul fatto che la<br />
veloc<strong>it</strong>à di avanzamento in acqua dell’elica dipende sicuramente dal passo p e dal numero di giri al<br />
minuto n che la stessa fa, si può ottenere facilmente la veloc<strong>it</strong>à teorica dell’elica Vt secondo la<br />
semplice relazione :<br />
p ⋅ n<br />
Vt =<br />
60<br />
Analogamente, considerando l’avanzo a può ottenersi la veloc<strong>it</strong>à della nave Vn :<br />
a ⋅ n<br />
Vn =<br />
60<br />
Ricavando da ciascuna di queste espressioni il valore del passo p e dell’avanzo a si ottiene:<br />
Vt Vn p = ⋅60 e a = ⋅60<br />
n<br />
n<br />
Sost<strong>it</strong>uendo quanto adesso ricavato nell’espressione del regresso percentuale si ottiene:<br />
Vt Vn 60<br />
⋅ 60 − ⋅ 60 (Vt − Vn) ⋅ (Vt − Vn)<br />
n n<br />
n<br />
ε = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⋅ 100 = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⋅ 100 = ⎯⎯⎯ ⋅ 100<br />
Vt 60<br />
⋅ 60 Vt⋅ Vt<br />
n<br />
n<br />
La relazione sopra ottenuta permette di valutare l’ent<strong>it</strong>à del regresso percentuale ε note la<br />
veloc<strong>it</strong>à teorica dell’elica Vt e la veloc<strong>it</strong>à della nave Vn (che può essere sost<strong>it</strong>u<strong>it</strong>a anche con la<br />
veloc<strong>it</strong>à propulsiva Vp ), ciò consente in defin<strong>it</strong>iva di comprendere in maniera intu<strong>it</strong>iva che l’elica<br />
“perde” in veloc<strong>it</strong>à quando lavora accoppiata ad una carena e permette di dedurre l’esistenza delle<br />
resistenze idrodinamiche dello scafo.<br />
7.5 – Funzionamento dell’elica.<br />
Due sono le teorie che tentano di spiegare il funzionamento dell’elica marina: la teoria<br />
impulsiva e la teoria alare.<br />
La teoria impulsiva è stata formulata per prima e permette di determinare la spinta T che l’elica<br />
fornisce alla nave. Non spiega però come la spinta ha origine sulla singola pala.
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
Nella teoria impulsiva si considera la traslazione assiale del flusso d’acqua attraverso il<br />
disco dell’elica e mette in relazione la massa (dell’acqua) con la variazione di veloc<strong>it</strong>à e di<br />
pressione.<br />
In figura è schematicamente mostrato il principio di funzionamento dell’elica in base alla<br />
suddetta teoria. Si nota bene dal grafico che la massa d’acqua che entra nel disco dell’elica<br />
attraversandolo ne esce con una maggiore veloc<strong>it</strong>à, mentre il moto che ne risulta è<br />
contemporaneamente rotatorio e traslatorio. Anche la pressione del flusso d’acqua che attraversa<br />
l’elica subisce importanti variazioni; si può notare una diminuzione di pressione a monte del disco<br />
dell’elica, un notevole aumento di questa in corrispondenza del disco dell’elica ed una progressiva<br />
diminuzione a valle di questo. Il valore della pressione finale eguaglia quello iniziale a sufficiente<br />
distanza dall’elica.<br />
La teoria impulsiva pur con i suoi lim<strong>it</strong>i sull’origine della spinta T forn<strong>it</strong>a dall’elica permette<br />
di quantificarla, fornendo comunque utili informazioni sui parametri di accoppiamento tra elica e<br />
carena.<br />
Sappiamo dalla fisica che la quant<strong>it</strong>à di moto q di un corpo è forn<strong>it</strong>a dal prodotto della<br />
massa per la veloc<strong>it</strong>à ovvero :<br />
q = m⋅ V
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
La variazione della quant<strong>it</strong>à di moto della quant<strong>it</strong>à di acqua che attraversa il disco dell’elica<br />
può essere indicato da :<br />
Δq = m ⋅ Δ(V – V’)<br />
dove con V si indica la veloc<strong>it</strong>à d’ingresso dell’acqua e con V’ la veloc<strong>it</strong>à di usc<strong>it</strong>a dell’acqua a<br />
valle del disco dell’elica; evidentemente il termine Δ(V – V’) rappresenta la variazione di veloc<strong>it</strong>à<br />
dell’acqua attraverso il disco dell’elica.<br />
In fisica si definisce impulso il prodotto di una forza F che agisce per un piccolo intervallo<br />
di tempo dt ovvero :<br />
I = F ⋅ dt<br />
l’impulso I può però essere espresso anche mediante la variazione della quant<strong>it</strong>à di moto; quindi<br />
ragionando per analogie si può scrivere:<br />
e ponendo dt = 1 si ottiene :<br />
I = F ⋅⋅⋅⋅ dt = Δq = m ⋅ Δ(V – V’)<br />
F = m ⋅ Δ(V – V’)<br />
relazione che esprime la Teoria Impulsiva dell’elica e secondo la quale una stessa forza di spinta T<br />
può essere forn<strong>it</strong>a:<br />
- o agendo su di una grande massa d’acqua che subisce una piccola variazione di veloc<strong>it</strong>à<br />
- o agendo su di una piccola massa d’acqua facendole subire una forte variazione di veloc<strong>it</strong>à.<br />
Con la prima soluzione si ottengono eliche di grande diametro ed a bassa veloc<strong>it</strong>à come<br />
quelle dei rimorchiatori, con la seconda soluzione si ottengono le eliche veloci e di piccolo diametro<br />
come i motoscafi, i fuori bordo o per le navi bielica (a due eliche) come è il caso delle navi mil<strong>it</strong>ari<br />
o navi dove la veloc<strong>it</strong>à è una necessaria qual<strong>it</strong>à nautica.<br />
La teoria alare trae origine dallo studio della portanza, la forza che permette ad un aereo di<br />
volare mantenendosi in aria. La portanza P si origina quando una lastra posta in fluido si trova in<br />
moto relativo rispetto ad esso e viene inclinata rispetto al flusso della corrente: nascerà una forza P<br />
perpendicolare alla veloc<strong>it</strong>à dei filetti fluidi che compongono la corrente ed una forza R opposta<br />
alla veloc<strong>it</strong>à degli stessi filetti fluidi. La somma R + P rappresenta la forza F che agisce sulla<br />
lastra.<br />
La genesi della portanza P si può spiegare con il fatto che la presenza della lastra costringe i<br />
filetti fluidi ad addensarsi sulla faccia superiore e a diradarsi su quella inferiore; ciò provoca una<br />
depressione sul dorso che risucchia la lastra verso l’alto ed una pressione sul dorso inferiore che<br />
tende a spostarla nello stesso verso. La portanza è dunque generata dall’azione combinata di una<br />
pressione e di una depressione. Se al posto di una lastra si considera un profilo alare, ovvero una<br />
superficie spessa le cui facce sono curvate in maniera diversa, la portanza generata risulta essere<br />
superiore a quella della lastra. È questo che si fa con le ali degli aerei, da cui il termine profilo<br />
alare cioè sezione di un’ala.
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
In figura è rappresentata la sezione di una pala dell’elica assai simile al profilo di un’ala: si notano<br />
l’angolo di calettamento α, la corda del profilo alare, la portanza P. Quest’ultima si scompone nelle<br />
due componenti :<br />
φφφφ = P⋅ cos α e r = P⋅ sin α<br />
Il termine φ rappresenta la spinta utile prodotta dalla sezione di pala, mentre il termine r<br />
rappresenta la resistenza al moto. Ovviamente quanto appena ricavato vale per la sezione di pala in<br />
considerazione per determinare la spinta complessiva forn<strong>it</strong>a dalla pala risulta necessario<br />
considerare l’infin<strong>it</strong>à di possibili sezioni ottenibili, quindi moltiplicare per il numero di pale tenendo<br />
però presente la diversa veloc<strong>it</strong>à che ciascuna di esse avrà rispetto all’acqua e nei diversi istanti. Ne<br />
consegue che il calcolo non è per nulla facile. Come si diceva all’inizio del paragrafo, per<br />
determinare la spinta T forn<strong>it</strong>a dall’elica si adopera la teoria impulsiva, per spiegare l’origine della<br />
spinta è necessario considerare la teoria alare.<br />
7.6 – Il fenomeno della cav<strong>it</strong>azione dell’elica.<br />
La sezione di una pala si presenta simile ad<br />
un profilo alare quindi il moto relativo all’acqua<br />
determina una depressione sul dorso ed un aumento<br />
di pressione sulla faccia. Il principale contributo alla<br />
spinta prodotta dall’elica proviene dalla depressione.<br />
Se la pressione in un punto qualunque della pala<br />
scende al di sotto di un valore lim<strong>it</strong>e si producono<br />
delle bolle di vapore che successivamente<br />
implodono. Questo fenomeno è detto cav<strong>it</strong>azione e<br />
può risultare dannoso per il buon funzionamento<br />
dell’elica in quanto l’implosione delle bolle ( o<br />
cav<strong>it</strong>à ) produce rumore, corrosione della superficie<br />
delle pale, aumento delle vibrazioni e diminuzione<br />
del rendimento.<br />
Per ev<strong>it</strong>are il fenomeno della cav<strong>it</strong>azione si tende a far diminuire le differenze di pressione<br />
che si hanno sul profilo delle pale, allo scopo di compensare la diminuzione della spinta propulsiva<br />
viene aumentata la superficie di queste.
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
Durante le fasi di carenaggio è<br />
ab<strong>it</strong>udine ripristinare la superficie delle<br />
pale mediante levigazione come mostrato in<br />
figura. Sulle eliche lente e molto immerse<br />
come quelle delle navi mercantili il fenomeno<br />
della cav<strong>it</strong>azione è raro.<br />
È più frequente nelle eliche molto<br />
veloci e poco immerse come quelle dei<br />
motori fuoribordo o nelle navi mil<strong>it</strong>ari.<br />
Tuttavia oggi si progettano anche<br />
eliche supercav<strong>it</strong>anti, nelle quali il numero di<br />
giri è talmente elevato che la cav<strong>it</strong>azione è<br />
estesa uniformemente a tutta la superficie<br />
delle pale.<br />
Eliche di questo tipo richiedono l’impiego di materiali dotati di elevate caratteristiche<br />
meccaniche.<br />
7.7 – Eliche a pale reversibili.<br />
Per accoppiare un elica ad una carena (nave) è necessario eseguire dei calcoli sui dati di<br />
partenza sui quali il progetto si sviluppa:<br />
- la veloc<strong>it</strong>à della nave<br />
- la potenza all’asse occorrente per tale veloc<strong>it</strong>à<br />
- il numero di giri al minuto (rpm)<br />
Poiché questi elementi dipendono dal<br />
variare delle condizioni di esercizio della nave,<br />
nasce la necess<strong>it</strong>à di stabilire il valore di detti<br />
parametri per una determinata condizione<br />
operativa della nave.<br />
In questa condizioni l’elica funziona con il<br />
massimo rendimento, mentre allontanandosi da<br />
esse il rendimento tende a diminuire.<br />
Si deduce quindi che il funzionamento ottimale dell’elica si verificherà solo per la<br />
condizione d’esercizio presa a riferimento per la sua progettazione.<br />
Per eliminare questo inconveniente sono state ideate e realizzate le eliche a passo variabile<br />
o eliche a pale reversibili. Si tratta di eliche le cui pale possono ruotare intorno al proprio asse; la<br />
rotazione delle pale provoca conseguentemente la variazione del passo dell’elica p, per cui queste<br />
eliche sono dette a passo variabile.<br />
I principali vantaggi delle eliche a passo variabile sono :<br />
- possibil<strong>it</strong>à di mantenere inalterato il regime di funzionamento della macchina pur variando<br />
la veloc<strong>it</strong>à della nave con il variare del passo;<br />
- massimo rendimento in ogni condizione di carico e per qualunque veloc<strong>it</strong>à;<br />
- inversione del moto della nave indipendentemente dalla macchina con evidenti vantaggi per<br />
la sicurezza;
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
- facil<strong>it</strong>à e rapid<strong>it</strong>à di manovra, in quanto le variazioni di veloc<strong>it</strong>à della nave e l’inversione del<br />
moto si ottengono variando l’orientamento delle pale direttamente dalla plancia, senza<br />
variare il regime di funzionamento della macchina, con ulteriore notevole beneficio di<br />
quest’ultima.<br />
Eliche a passo variabile trovano<br />
applicazione sulle navi traghetto (vedi foto)<br />
che hanno necess<strong>it</strong>à di manovre pronte e<br />
frequenti durante l’attracco in porto e, per le<br />
identiche ragioni, sulle navi passeggeri.<br />
Difficilmente eliche a passo variabile<br />
trovano applicazione sulle grosse navi da<br />
carico.<br />
7.8 – Il propulsore Vo<strong>it</strong>h Shneider.<br />
Il propulsore Vo<strong>it</strong>h Shneider o rotor o<br />
cicloide è un sistema di propulsione<br />
alternativo all’elica.<br />
Si presenta come un grosso disco dal<br />
diametro di 5 metri circa con asse di rotazione<br />
verticale e con delle pale articolate<br />
(sol<strong>it</strong>amente cinque) sporgenti verso il basso,<br />
visibili nella figura a lato .<br />
Sol<strong>it</strong>amente una nave che adotta tale tipo di propulsione monta due vo<strong>it</strong>h uno a prua e uno a<br />
poppa. Per alloggiare un propulsore vo<strong>it</strong>h la carena deve avere una forma piatta verso le estrem<strong>it</strong>à<br />
prodiera e poppiera, per questa ragione sol<strong>it</strong>amente questo tipo di propulsore viene impiegato sulle<br />
navi traghetto bidirezionali quali le un<strong>it</strong>à<br />
classe “Agata” e classe “Riace” delle Ferrovie<br />
dello Stato in sevizio nello Stretto di Messina<br />
o le un<strong>it</strong>à classe “Isola di Caprera” della<br />
Saremar di Navigazione del gruppo Tirrenia<br />
Finmare in servizio in Sardegna.<br />
Un tale sistema di propulsione non richiede la presenza di eliche di manovra. Usualmente ad<br />
ogni vo<strong>it</strong>h è abbinato un motore collegato tram<strong>it</strong>e un asse ed un giunto cardanico. Una sistemazione
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
di questo tipo permette alla nave di ruotare anche di 360° da ferma e di accostare ed evoluire<br />
liberamente. L’articolazione delle pale consente un rapido passaggio dalla marcia indietro alla<br />
marcia avanti e viceversa, una rapida partenza da fermo e una buona manovrabil<strong>it</strong>à in fase di<br />
attracco e alle basse veloc<strong>it</strong>à.<br />
Di contro tra i lim<strong>it</strong>i del propulsore vo<strong>it</strong>h<br />
vi è la scarsa immersione e la chiglia piatta che<br />
espone questo tipo di nave ai movimenti di<br />
rollìo e beccheggio, la vulnerabil<strong>it</strong>à delle pale<br />
che sporgendo dal profilo della carena possono<br />
toccare il fondo danneggiandosi, la veloc<strong>it</strong>à<br />
massima non molto elevata, sol<strong>it</strong>amente intorno<br />
ai 15 nodi.<br />
7.9 – L’idrogetto.<br />
Come mostrato in figura un sistema di propulsione a idrogetto è cost<strong>it</strong>u<strong>it</strong>o essenzialmente da<br />
una presa a mare da dove entra l’acqua, da una pompa e da un ugello orientabile che rappresenta<br />
l’usc<strong>it</strong>a.
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
L’acqua aspirata entra dalla presa a mare e, attraverso il tunnel, giunge alla girante della<br />
pompa dove acquista veloc<strong>it</strong>à, quindi viene pompata verso l’ugello da dove fuoriesce fornendo la<br />
spinta all’imbarcazione.<br />
La pompa è connessa meccanicamente<br />
mediante un asse ed un riduttore ad uno o più<br />
motori diesel o ad una turbina a gas.<br />
L’idrogetto è assimilabile ad un<br />
propulsore entro fuoribordo.<br />
Il sistema di propulsione a idrogetto ha<br />
trovato una prima applicazione nella nautica<br />
da diporto come utile alternativa al motore<br />
fuoribordo.<br />
Successivamente ha cominciato ad<br />
essere applicato sulle un<strong>it</strong>à più grandi, trovando<br />
una diffusione notevole sulle un<strong>it</strong>à veloci HSV<br />
(High Speed Vessel) capaci di raggiungere<br />
veloc<strong>it</strong>à anche di 40 nodi e oltre come il<br />
“Guizzo” della Tirrenia Finmare prima un<strong>it</strong>à<br />
HSV a svolgere servizio regolare di linea in<br />
Italia.<br />
Una delle caratteristiche delle un<strong>it</strong>à HSV è lo scafo costru<strong>it</strong>o in leghe di alluminio allo scopo<br />
di garantire la necessaria robustezza allo scafo e contemporaneamente un dislocamento leggero che<br />
lo faccia immergere poco.
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
Proprio la scarsa immersione rappresenta uno dei lim<strong>it</strong>i degli HSV che hanno difficoltà a<br />
tenere il mare in presenza di moto ondoso e sono molto sensibili all’azione del vento.<br />
Ma la stessa scarsa immersione e la leggerezza dello scafo contribuiscono a dare a queste<br />
un<strong>it</strong>à una buona manovrabil<strong>it</strong>à in porto e con poco fondale a disposizione, elementi che hanno<br />
decretato il loro successo e la crescente diffusione.<br />
Tra gli altri vantaggi va considerato il maggiore comfort per i passeggeri data la notevole<br />
riduzione di rumore e di vibrazioni rispetto alle navi ad elica.<br />
Un punto debole si è rivelato il consumo di carburante a par<strong>it</strong>à di potenza impiegata rispetto<br />
alle navi tradizionali, anche se compensato dalla possibil<strong>it</strong>à di invertire la marcia senza provocare<br />
contraccolpi al basamento del motore e sul riduttore come avviene sulle navi ad elica.<br />
Tuttavia oggi il propulsore a getto trova larga applicazione nei catamarani passeggeri che<br />
riescono a compensare i problemi di consumo che invece hanno affl<strong>it</strong>to gli HSV.<br />
7.10 – Il propulsore azipodale (AZIPOD).<br />
A partire dagli anni novanta ha cominciato a trovare applicazione sulle navi il propulsore<br />
azipodale , cioè azimutale con motore propulsivo elettrico montato in un “pod” (piede a guscio
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
sommerso) che porta un’elica a passo fisso. Il nome con il quale è maggiormente noto questo tipo di<br />
propulsore è AZIPOD. Pur trattandosi di un nome commerciale legato alla d<strong>it</strong>ta che lo ha proposto,<br />
brevettato, prodotto e commercializzato per prima, nell’amb<strong>it</strong>o di questo lavoro verrà indicato con<br />
tale nome.<br />
L’azipod è un propulsore ad elica a passo fisso connessa ad un motore elettrico alloggiato<br />
all’interno di in un “siluro” che può ruotare di 360° intorno al suo asse verticale. La veloc<strong>it</strong>à del<br />
motore è controllata da convert<strong>it</strong>ore di frequenza che rende possibile la sua rotazione da zero alla<br />
massima veloc<strong>it</strong>à in entrambi i sensi di marcia . Tutto il blocco del propulsore è posto sotto la<br />
chiglia della nave. Delle appos<strong>it</strong>e guarnizioni garantiscono la tenuta stagna del blocco e la libera<br />
rotazione del sistema.<br />
Dal 1997 la produzione e la<br />
commercializzazione degli azipod<br />
inizia ad interessare le grandi navi<br />
passeggeri da crociera con propulsione<br />
diesel/elettrica.<br />
Su ogni impianto nave vengono<br />
montati due azipod laterali azimutali.<br />
In alcuni casi ne vengono istallati tre,<br />
con quello centrale fisso così da<br />
eliminare il timone convenzionale.<br />
Ciò rappresenta una piccola rivoluzione<br />
in campo navale in quanto l’ azipod<br />
unifica le funzioni di propulsione e di<br />
governo della nave.<br />
Nello schema di figura è mostrato lo<br />
spaccato di un impianto azipod con le<br />
sue componenti. Partendo dall’alto si<br />
nota sulla sinistra il motore elettrico<br />
per il moto azimutale, al centro<br />
l’ingranaggio di interfacciamento,<br />
sulla destra l’impianto di<br />
raffreddamento a circolazione di aria<br />
fredda. Scendendo si nota il blocco di<br />
installazione e sub<strong>it</strong>o sotto il siluro che<br />
contiene il motore elettrico connesso<br />
all’elica schematicamente<br />
rappresentata a sinistra e i cuscinetti di<br />
accoppiamento sulla destra.<br />
L’installazione di un propulsore<br />
azipod comporta un risparmio del<br />
10÷15 % sul costo totale della nave,<br />
risparmio e facil<strong>it</strong>à di manutenzione.
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
A fianco è mostrato un impianto pilota a<br />
tre azipod per una moderna nave passeggeri.<br />
Ai lati si vedono bene i due azipod capaci di<br />
ruotare a 360° mentre quello centrale è fisso<br />
ed ha una disposizione che richiama la tipica<br />
sistemazione per le eliche tradizionali.<br />
I principali vantaggi dell’impiego<br />
dell’azipod sono:<br />
- l’eliminazione del timone<br />
- l’eliminazione della linea d’assi<br />
dell’elica<br />
- l’eliminazione dei ringrossi e dei<br />
braccetti<br />
- il miglioramento del fattore di scia<br />
- la semplificazione della forma della carena<br />
- il miglioramento della propulsione e della manovrabil<strong>it</strong>à<br />
- l’aumento del comfort per i passeggeri a causa delle ridotte vibrazioni<br />
Le applicazioni del propulsore azipodale riguardano tipicamente navi bielica passeggeri da<br />
crociera come la “Costa Fortuna” (mostrata in figura) e le un<strong>it</strong>à gemelle Costa atlantica e Costa<br />
Med<strong>it</strong>erranea, numerose altre un<strong>it</strong>à della Carnival Cruise (Carnival Paradise, Carnival Pride,<br />
Carnival Glory, Carnival Spir<strong>it</strong>) navi traghetto, navi posatubi, navi posacavi, rompighiaccio, navi<br />
feeder chimichiere e shuttle tanker.<br />
Tuttavia, proprio a causa del fatto<br />
che i grossi motori elettrici sporgono<br />
sotto la poppa, l’azipod risulta esposto al<br />
rischio di danneggiamenti esterni durante<br />
la navigazione e nelle manovre in porto<br />
o su bassi fondali.<br />
Inoltre la tenuta stagna del blocco<br />
propulsivo potrebbe essere compromessa<br />
in caso di urti con il fondo.<br />
L’introduzione degli azipod ha di<br />
fatto incrementato l’utilizzo della propulsione diesel elettrica con una progressiva riduzione della<br />
lunghezza degli assi delle eliche e un sensibile miglioramento del confort dei passeggeri a causa<br />
della progressiva diminuzione delle vibrazioni.
A. Vega − I propulsori <strong>navali</strong><br />
Molto interessante risulta il sistema<br />
CODLAG (COmbined Diesel-eLectric And Gas)<br />
che è un sistema di propulsione navale basato<br />
sull'impiego di motori elettrici direttamente<br />
connessi agli assi (generalmente due) delle eliche. I<br />
motori vengono alimentati da generatori diesel e<br />
per avere veloc<strong>it</strong>à maggiori, viene inser<strong>it</strong>a la<br />
turbina a gas che viene disconnessa dal sistema di<br />
trasmissione per tornare alla veloc<strong>it</strong>à di crociera,<br />
come avviene nei sistemi di propulsione CODAG<br />
(COmbined Diesel And Gas -- Combinato diesel e<br />
gas) che a sua volta è un tipo di propulsione navale<br />
per imbarcazioni che richiedono una veloc<strong>it</strong>à<br />
massima considerevolmente superiore a quella di<br />
crociera, in particolare navi mil<strong>it</strong>ari.<br />
Quest’ultimo sistema consiste in motori diesel per la veloc<strong>it</strong>à di crociera e turbine a gas che<br />
possono essere inser<strong>it</strong>e per i tratti ad alta veloc<strong>it</strong>à. Nella maggior parte dei casi la differenza di<br />
potenza tra il solo motore diesel e il combinato tra diesel e turbina a gas, è tanta da richiedere eliche<br />
a passo variabile per lim<strong>it</strong>are la rotazione in modo che i motori diesel possano continuare ad operare<br />
senza cambiare il rapporto di trasmissione degli ingranaggi<br />
Il sistema CODLAG che usa i motori diesel sia per la propulsione che per la produzione di<br />
energia elettrica per i servizi di bordo riduce notevolmente i costi, poiché diminuisce il numero dei<br />
motori diesel destinati ai diversi servizi della nave e i motori elettrici necess<strong>it</strong>ano una minore<br />
manutenzione. Inoltre potendo i motori elettrici lavorare più efficacemente in un più ampio numero<br />
di giri, e potendo essere direttamente collegati all'asse dell'elica, risultano più semplici i sistemi di<br />
trasmissione per accoppiare e disaccoppiare i sistemi diesel-elettrici con la turbina a gas.<br />
Altro vantaggio della trasmissione diesel-elettrica<br />
è che, non essendo necessaria una connessione<br />
meccanica, i generatori diesel possono essere isolati<br />
acusticamente dallo scafo della nave, rendendola<br />
meno rumorosa. L'isolamento acustico dello scafo,<br />
molto usato nei sottomarini risulta molto utile anche<br />
in navi di superficie<br />
L'energia prodotta, oltre che ad alimentare i servizi di bordo della nave, alimenta anche i<br />
motori elettrici di propulsione collegati direttamente alle eliche (diversamente dal CODAG elettrico<br />
dove i motori elettrici sono collegati alle eliche tram<strong>it</strong>e degli ingranaggi di trasmissione). Questo<br />
sistema è usato sulla nave passeggeri inglese Queen Mary 2 con propulsori azimutali.<br />
La propulsione diesel-elettrica sulle<br />
navi da crociera è una soluzione ampiamente<br />
diffusa poiché offre le più alte prestazioni in<br />
termini di rumoros<strong>it</strong>à e di spazio e migliora<br />
l'esperienza dei passeggeri a bordo. Questa<br />
soluzione sta diventando sempre più utilizzata<br />
anche su altri tipi di navi tra cui: navi<br />
mercantili, FPSO (Floating Production,<br />
Storage and Off-loading vessel) e altre navi<br />
per applicazioni speciali perché offre minori<br />
costi di manutenzione e spazio ridotto.