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Corso di Macchine II

La propulsione navale

Facoltà di IngegneriaUniversità degli Studi di Lecce


L’acqua viene accelerata mediante un elica che funziona come una macchina operatrice comunicando al fluido energia cinetica

L’accelerazione del fluido determina una spinta in senso contrario sull’organo che ha prodotto la variazione di velocità

La spinta si trasmette alla nave mediante un cuscino reggispinta


La propulsione navaleIn condizioni di moto uniforme la spinta deve uguagliare la resistenza globale incontrata nell’avanzamento della nave (che dipende dalle proprietà del fluido, dalle dimensioni e dalla forma della nave e varia approssimativamente con il quadrato della velocità della nave)

La potenza necessaria a muovere la nave è data dal prodotto della spinta per la velocità della nave (andamento cubico con la velocità)

Rendimento dell’elica ηe

Perdite di natura meccanica lungo la linea d’assi (ηm)

propeff

e m

PP

η η=

Formula dell’Ammiragliato:

D: dislocamento della nave in tonnellate

v: velocità della nave in nodi (miglia/h)

K: coefficiente variabile tra 300 e 500 dalle medie alle grandi navi mercantili

233D vP

K=


L’elica è formata da due o più pale, opportunamente sagomate

La velocità relativa del liquido non può superare certi valori oltre i quali si verifica il distacco della vena fluida con aumento delle perdite, diminuzione del rendimento dell’elica e fenomeni di cavitazione


All’aumentare della potenza richiesta si ha una graduale riduzione della velocità di rotazione dell’elica:

grandi navi passeggeri 55-10 rpm

navi più piccole 150-180 rpm

L’accoppiamento diretto motore-elica è realizzabile solo con motori diesel in cui la diminuzione della velocità di rotazione può essere compensata aumentando il diametro dei cilindri e la corsa (aumento dell’ingombro)

Nel caso di turbine è necessario ricorrere all’accoppiamento indirettomediante riduttori meccanici ad ingranaggi o con sistemi di trasmissione elettrica

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La propulsione navalePROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE

- impianti con semplice surriscaldamento (T0=500°C);

- pressioni in caldaia non molto elevate (40-60 bar);

Il rapporto di riduzione giri turbina/giri elica è molto elevato:

- le turbine azionano generatori elettrici e la corrente prodotta è usata per alimentare motori elettrici collegati all’albero porta elica (trasmissione elettrica)

- libertà di disposizione dei motori

- facilità nelle manovre di arresto, partenza e inversione

- trasmissione meccanica

- più economica, silenziosa, leggera ed efficiente

- necessità di disporre di una turbina principale per la marciaavanti (MAV) e una turbina più piccola per la marcia addietro(MAD)

La propulsione navalePROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE


T’’ T’ T

ingresso vapore

scarico vapore

apparato di distribuzione

ruota regolata

V’

V’’

V’’

V

T: turbina principale

T’: turbina di crociera

T’’: turbina di extracrociera

La propulsione navalePROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS

Si utilizzano nel settore militare:

- rapidità di avviamento e ingombro modesto;

- in cicli combinati con motore diesel:

- CODOG (combined diesel or gas): il motore diesel assicura l’andatura di crociera e la turbina a gas interviene per l’andatura di tutta forza;

- CODAG (combine diesel and gas): il motore diesel funziona per la crociera mentre a tutta forza sono in funzione sia il diesel sia la turbina a gas

L’inversione di marcia è realizzata con eliche a passo invertibile oppure con speciali giunti inversori

Le turbine utilizzate sono derivata da adattamenti di versione aeronautiche

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La propulsione navalePROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS

La propulsione navalePROPULSIONE CON MOTORI DIESEL

Sono i più utilizzati grazie alle elevate efficienze (bassi consumi)

Il motore può girare in entrambi i versi di rotazione (dotando il motore di due serie di camme per il controllo dell’iniezione e delle valvole)

L’accoppiamento è diretto (motori 2T) oppure indiretto (motori 4T) a seconda delle potenze richieste

Il collegamento meccanico è realizzato con appositi giunti in grado di assorbire le vibrazioni caratteristiche del funzionamento del motore alternativo

La sovralimentazione è sempre utilizzata (turbogruppo)

Il principio di funzionamento è lo stesso dei motori per autotrazione ma presentano notevoli differenze costruttive

I motori 2T sono dotati di testacroce e hanno maggiori ingombri


La propulsione navalePROPULSIONE CON MOTORI DIESEL

La propulsione navalemedium speed low speed


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Motori diesel per applicazioni marine

Medium-speed engine3 motori Wärtsilä 9L20potenza totale: 4,455 kW a 1000 rpm.

Obiettivi strategici:

AffidabilitàBassi costi di progettoInstallazione facile ed economicaBassi costi di funzionamentoBasse emissioni di NOxConsumi minimi


Motori diesel per applicazioni marineI pistoni sono di tipo composito con acciaio sulla parte superiore e mantello in ghisa nodulare.

Questo tipo di realizzazione è la soluzione migliore per motori navali che operano ad alte pressioni e temperature.

La riduzione dell’attrito è ottenuto con un sistema brevettato di lubrificazione del mantello.

Motori diesel per applicazioni marineE’ noto che la maggior parte delle perdite per attrito nei motori alternativi sono dovute agli anelli.

Sulla corona sono collocati i due anelli di tenuta e quello raschia-olio

Ogni anello è dimensionato e progettato in funzione del compito che deve compiere

L’anello superiore è rivestito in modo da resistere alle sollecitazioni termiche.

Motori diesel per applicazioni marineNella testata sono ricavati i condotti dell’acqua per il raffreddamento delle valvole di scarico e della testa del cilindro in modo da minimizzare le sollecitazioni termiche e garantire una temperatura di scarico sufficientemente bassa.


Il motore è progettato per applicazioni che richiedono drastiche capacità di rispondere ad aumenti del carico e funzionamento prolungato ai bassi carichi. Per questo tutte le configurazioni sono dotate di un sistema di ottimizzazione degli impulsi per sfruttare i fenomeni di risonanza.

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Motori diesel per applicazioni marineSISTEMA DI AUTOMAZIONE:

- strumentazione per monitorare la velocità del motore e del turbogruppo- misura della temperatura dei gas esausti a valle di ciascun cilindro e all’uscita della turbina;- contatore delle ore di funzionamento del motore - modulo elettronico per la misura della velocità e il controllo della temperatura dell’aria di sovralimentaizone;- collegamento al sistema di controllo esterno;- la cabina di controllo è montata in modo rigido sul motore per isolarla dalle vibrazioni del motore;



I motori diesel producono emissioni nocive in misura ridotta rispetto alle altre forme di produzione di energia essendo in grado di soddisfare facilmente i livelli di NOx fissati dalla IMO (International Maritime Organisation).

Per ridurre gli NOx è necessario agire sullo sviluppo della combustione.

In alternativa è possibile dotare il motore di catalizzatori in grado di ridurre del 95% le emissioni di NOx portandole a valori inferiori a 1g/kWh.



Abbattimento degli NOx

Per ridurre le emissioni di NOx del 50% senza compromettere l’efficienza termica:

aumento della temperatura in camera all’inizio dell’iniezione per ridurre il ritardo di accensione

iniezione ritardata e di durata limitata per ottimizzare la combustione

miglioramento dell’atomizzazione del combustibile

modifica della camera di combustione per migliorare il miscelamentoaria-combustibile

iniezione diretta di acqua


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Motori diesel per applicazioni marineINIEZIONE DIRETTA DI ACQUA

L’iniezione dell’acqua avviene a 210 bar ed è controllata elettronicamente in funzione delle condizioni del motore


Low-speed enginesPetroliera da 285,000 tdwPotenza richiesta: 27,000 kW Velocità di crociera: 15.5 knots. Velocità del motore: 70-79 rpmDiametri del propulsore: previsti dalle regolamentazioni MARPOL

Obiettivi strategici:

OTTIMIZZARE POTENZA E VELOCITA’

COSTI COMPETITIVI

CONSUMO MINIMO DI COMBUSTIBILE SULL’INTERO CAMPO DI FUNZIONAMENTO (da ‘full speed’ a ‘slow steaming’)

REVISIONE OGNI TRE ANNI

BASSI COSTI DI MANUTENZIONE MIGLIORANDO AFFIDABILITA’ E DURATA

CONFORMITA’ ALLE REGOLAMENTAZIONI IMO PER GLI NOX





La riduzione del consumo di combustibile è ottenuta migliorando la flessibilità con sistemi VEC (Variable Exhaust valve Closing) e VIT (Variable Injection Timing) .

Il sistema VIT migliora l’efficienza del motore agli alti carichi mantenendo la pressione massima nel cilindro al valore di pieno carico agendo sull’anticipo iniezione

Il sistema VEC system è utilizzato ai medi carichi per aumentare il rapporto di compressione effettivo e, quindi, ridurre il consumo di combustibile

La camicia ‘low port’, combinata con turbogruppi sempre più efficienti garantisce una riduzione globale del consumo di combustibile

Non ci sono penalizzazioni nè riguardo le temperature troppo alte a cui sono soggetti i componenti nè temperature troppo basse nei gas di scarico

L’uso di porte ribassate consente un aumento della corsa di espansione

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La lubrificazione del cilindro è un elemento critico


Nel caso di motori con corsa molto lunga la strutta deve essere molto rigida.

La progettazione della struttura è effettuata calcolando sforzi e deformazioni mediante metodi numerici ad elementi finiti su un modello completo tridimensionale in modo da determinare la configurazione ottimale

Motori diesel per applicazioni marineI blocchi cilindro sono realizzati separatamente per fusione e poi uniti insieme a formare una struttura rigida

Le pompe sono posizionate su un lato della struttura, mentre le porte di lavaggio sono sulla parte opposta

L’accesso al pistone dalla parte inferiore è effettuato dal lato pompa.

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Nei moderni motori diesel, la camera di combustione ha una influenza fondamentale sull’affidabilità del motore. E’ necessario fare molta attenzione alla disposizione e al percorso degli spray di combustibile per garantire temperature di superficie moderate ed evitare depositicarboniosi

Nei motori lenti, comunque, l’elevato valore del rapporto corsa/diametro consente camere di combustione relativamente più profonde con maggiore libertà nella disposizione degli spray.

L’ottimizzazione dell’iniezione è effettuata con analisi CFD. I risultati delle simulazione sono validati mediante verifiche sperimentali.

Si utilizza anche il raffreddamento di tutti gli elementi della camere per controllarne la temperatura oltre che gli sforzi termini e meccanici

Sovralimentazione e lavaggio

Le porte di lavaggio sono posizionate nella parte bassa del cilindro mentre lo scarico è effettuata con un’unica valvola di scarico

L’aria di lavaggio è fornita da un sistema di sovralimentazione a pressione costante con uno o più turborgruppi a seconda del numero del cilindro

In partenza e ai bassi carichi il lavaggio è incrementato mediante compressori ausiliari comandati elettricamente

I turbogruppi sono montati sul ricevitore dell’aria di lavaggio che passa prima attraverso un separatore per l’acqua formato da condotti allineati che separano il flusso d’aria e raccolgono l’acqua

La separazione dell’acqua è fondamentale per garantire la corretta lubrificazione del pistone durante il suo moto


Il motore è dotato di un’unica valvola centrale di scarico in Nimonic 80Ae tre valvole di iniezione simmetricamente distribuite

Si utilizzano, inoltre, rivestimenti anti-corrosione a valle degli iniettori per proteggere il cilindro da corrosioni a caldo ed erosioni

L’iniezione del combustibile

La disposizione degli spray è scelta in modo che le zone ad altaconcentrazione di combustibile si generino lontano dalla superficie della camera di combustione

L’iniezione del combustibilePer ogni cilindro si utilizzano tre valvole di iniezione non raffreddate

Nei motori lenti tradizionali si usano pompe di iniezione comandate da camme

Il timing dell’iniezione è controllato mediante valvole comandate da attuatori idraulici (sistemi VIT: variable fuelinjection timing)

Ciò consente di migliorare i consumi a basso carico e di regolare l’anticipo di iniezione in funzione della qualità del combustibile utilizzato

L’iniezione del combustibile

Rispetto alle tradizionali pompe ad elica, le pompe di iniezione con valvole controllate hanno maggiore efficienza volumetrica, garantiscono iniezioni più stabili ai carichi molto bassi e velocità di rotazioni dell’albero a camme più basse del 15%.

L’uso delle valvole controllate consente di ridurre il deterioramento nel tempo causato dall’usura e dalla cavitazione

Per ogni cilindro è presente un servomotore idraulico collocato nell’alloggiamento pompa

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Vantaggi del sistema common rail:

- controllo preciso della quantità di combustibile iniettata

- profilo di iniezione variabile

- adatto a oli combustibili pesanti

- utilizzo di pompe ad alta efficienza

- libertà nella scelta della pressione di iniezione

Il timing dell’iniezione, la quantità iniettata, la forma del profilo e la pressione di iniezione sono regolati dalla centralina elettronica che controlla ciascun cilindro

Le tre valvole di iniezione per cilindro sono controllate separatamente e possono essere escluse dal funzionamento




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Motori diesel per applicazioni marineRiduzione del fumo:

ottimizzazione del timing di iniezione e della pressione di alimentazione

qualità del combustibile e del lubrificante

iniettori mini-sac

sistema di iniezione common rail

filtro dei gas di scarico (alti costi e ingombri)

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Altri schemi

Altri schemi

Altri schemi

Altri schemi

Altri schemi

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Altri schemi

Altri schemi

Altri schemi

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