La propulsione navale

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Facoltà di Ingegneria
Università degli Studi di Lecce
In 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)
Peff =
Pprop
Rendimento dell’elica ηe
ηe ηm
Perdite di natura meccanica lungo la linea d’assi (ηm)
Formula dell’Ammiragliato:
D: dislocamento della nave in tonnellate
2
Corso di Macchine II
D 3 v3
P=
K
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
v: velocità della nave in nodi (miglia/h)
K: coefficiente variabile tra 300 e 500 dalle medie
alle grandi navi mercantili
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
La spinta si trasmette alla nave mediante un cuscino reggispinta
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 motoreelica 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 indiretto
mediante riduttori meccanici ad
ingranaggi o con sistemi di
trasmissione elettrica
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PROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE
ingresso
vapore
V
V’
V’’
T’’
T’
T
apparato di
distribuzione
ruota
regolata
V’’
scarico
vapore
T: turbina principale
T’: turbina di crociera
T’’: turbina di extracrociera
PROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE
PROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS
- impianti con semplice surriscaldamento (T0=500°C);
Si utilizzano nel settore militare:
- pressioni in caldaia non molto elevate (40-60 bar);
- rapidità di avviamento e ingombro modesto;
Il rapporto di riduzione giri turbina/giri elica è molto elevato:
- in cicli combinati con motore diesel:
- 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 marcia
avanti (MAV) e una turbina più piccola per la marcia addietro
(MAD)
- 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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PROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS
PROPULSIONE CON MOTORI DIESEL
PROPULSIONE CON MOTORI DIESEL
medium speed
low speed
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
3
Motori diesel per applicazioni marine
Medium-speed engine
3 motori Wärtsilä 9L20
potenza totale: 4,455 kW a 1000 rpm.
E’ 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
Obiettivi strategici:
Affidabilità
Bassi costi di progetto
Installazione facile ed economica
Bassi costi di funzionamento
Basse emissioni di NOx
Consumi minimi
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.
Nella 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.
I pistoni sono di tipo
composito con acciaio
sulla parte superiore e
mantello in ghisa nodulare.
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.
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.
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SISTEMA 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;
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 miscelamento
aria-combustibile
iniezione diretta di acqua
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.
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INIEZIONE DIRETTA DI ACQUA
L’iniezione dell’acqua avviene a 210 bar ed è controllata
elettronicamente in funzione delle condizioni del motore
Low-speed engines
Petroliera da 285,000 tdw
Potenza richiesta: 27,000 kW
Velocità di crociera: 15.5 knots.
Velocità del motore: 70-79 rpm
Diametri 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
6
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
I 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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L’iniezione del combustibile
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 depositi
carboniosi
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 80A
e tre valvole di iniezione
simmetricamente
distribuite
Si utilizzano, inoltre,
rivestimenti anticorrosione a valle degli
iniettori per proteggere il
cilindro da corrosioni a
caldo ed erosioni
La disposizione degli spray è scelta in modo che le zone ad alta
concentrazione di combustibile si generino lontano dalla
superficie della camera di combustione
Per 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 fuel
injection timing)
Ciò consente di migliorare i
consumi a basso carico e di
regolare l’anticipo di iniezione in
funzione della qualità del
combustibile utilizzato
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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9
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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Riduzione del fumo:
9
ottimizzazione del timing di iniezione e della
pressione di alimentazione
9
qualità del combustibile e del lubrificante
9
iniettori mini-sac
9
sistema di iniezione common rail
9
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
Altri schemi
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La propulsione navale

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