4 Gli impianti oleodinamici

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1 4 Gli impianti oleodinamici Gli azionamenti elettrici L energia per l azionamento dei macchinari degli impianti di bordo è essenzialmente di origine elettrica, proveniente dalla rete di distribuzione che fa capo ai gruppi elettrogeni (Diesel generatori), presenti in numero adeguato a soddisfare con flessibilità le diverse esigenze che nascono per i servizi di propulsione, dello scafo e del carico. Generalmente sono presenti dai 2 ai 3 generatori identici, di potenza adeguata alle esigenze che nascono dalle varie condizioni operative in cui la nave può trovarsi ad operare (da 10 MW dei grandi generatori per navi passeggeri, a kw dei generatori di una nave mercantile). Anche per quanto riguarda i generatori di emergenza le potenze sono molto variabili, indicativamente su una nave mercantile oceanica può essere installato un gruppo elettrogeno di emergenza di almeno 300 kw. L energia elettrica per i vari servizi è fornita con corrente alternata a 60 Hz (più raramente 50 Hz) per gli indubbi vantaggi che essa garantisce in termini di rapporto fra peso e potenza sia alla generazione, sia alla distribuzione, sia ancora agli utilizzatori, per la facilità di trasformazione a potenziali diversi e di trasformazione in energia meccanica all asse di un motore. La maggior parte delle navi ha un sistema di distribuzione trifase a 440 V, e talvolta a 380 V, per i motori dei diversi impianti ed un sottosistema a 220 V, più raramente a 110 V, per i sistemi di illuminazione, i servizi agli alloggi, i piccoli impianti di servizio (cucine, lavanderie, etc.) e gli impianti ausiliari di piccola potenza. Inoltre, in ambienti pericolosi si usano impianti a basso voltaggio a 55 V o 24 V (per esempio per telecomandi). I motori elettrici degli impianti di bordo per i vari servizi sono usualmente motori asincroni trifase con indotto a gabbia, i quali offrono vantaggi di semplicità di costruzione ed affidabilità. Essi sono usualmente alimentati alla tensione di 440 V ma per servizi particolari, quali le eliche trasversali, le pompe del carico e grandi compressori di gas o d aria, si usano motori alimentati a 3.3 kv o 6.6 kv. I motori asincroni trifase sono prodotti in più di 60 diverse taglie, da potenze di circa 300 W a potenze di 500 kw. Motori a singola fase sono usati per basse potenze legate per lo più ai servizi di alloggio. L uso di motori in corrente continua è limitato a quei casi in cui il controllo continuo della velocità diventa fondamentale (ma esistono 1

2 Corso di Allestimento Navale soluzioni alternative con motori in corrente alternata). I motori per utilizzi navali sono progettati per temperature ambiente di 45 C e con un grado di protezione IP (Ingress Protection Number) piuttosto elevato. Infatti, per avere un alto grado di protezione si ricorre ai motori con cassa completamente sigillata: non è permesso l ingresso d aria ed il raffreddamento è favorito da una pronunciata alettatura superficiale o da un ventilatore esterno. I motori esposti all ambiente marino sul ponte di coperta hanno cassa stagna, ventilazione naturale e cuscinetti sigillati, il loro grado di protezione è definito dal codice IP 56. I motori che si usano in ambienti ove possono essere presenti gas esplosivi hanno la caratteristica di avere la cassa ben sigillata e devono essere classificati a prova di fiamma. Per quanto riguarda il motore asincrono, va rimarcato che esso mostra un interessante stabilità, infatti quando aumenta il torcente resistente, aumenta anche la sfasatura che determina a sua volta l aumento del flusso concatenato fra induttore ed indotto, richiamando dal generatore una maggiore corrente con il risultato di fornire un accresciuto momento motore. Comportamento analogo si manifesta al diminuire del momento resistente. Inoltre è importante notare che la variazione di sfasamento è piccola e di conseguenza la velocità si mantiene praticamente costante. In sostanza, quando il carico applicato si dimezza rispetto a quello massimo continuativo di esercizio, la velocità rimane quasi costante (subisce solo un piccolo incremento), mentre quando si manifesta un sovraccarico la velocità mostra un decremento proporzionale al sovraccarico, in genere accettabile fino a valori limite del 200% del carico. Per quanto riguarda invece il motore in corrente continua, il suo punto di forza è rappresentato dal mantenimento di una coppia percentualmente elevata rispetto a quella di regime anche per velocità molto basse ed al limite anche per condizioni di stallo. Il controllo della velocità in un motore asincrono trifase con indotto a gabbia può essere fatto in diversi modi, in funzione del tipo di variazione che si desidera: continua o discreta. Per ottenere una variazione discreta della velocità il metodo più semplice è quello di cambiare il numero di poli dell induttore statorico. In genere la variazione viene fatta su due diversi valori di velocità, ma si possono avere anche motori a tre velocità: il motore ha due induttori diversi sullo stesso albero, per esempio uno con 24 poli per la bassa velocità ed uno doppio per la media (8 poli) e l alta velocità (4 poli). Il controllo della velocità e del verso di rotazione si effettua con opportuni interruttori. Utenti che generalmente a bordo richiedono al più due valori di velocità sono le pompe. Motori a due velocità con regolazione basata sul numero di poli statorici inseriti in linea sono usati per esempio negli impianti di ventilazione, mentre motori a tre velocità sono utilizzati per i verricelli. 2

3 Il controllo della velocità in maniera continua risulta più complicato e può essere ottenuto nei seguenti metodi: con un impianto elettro idraulico realizzato con un motore elettrico che, ruotando a velocità costante, fornisce potenza ad una pompa a portata variabile alla quale fanno capo le condotte di alimentazione dell olio in pressione di un motore idraulico. con un motore in corrente alternata avente un indotto ad avvolgimenti collegato tramite contatti striscianti ad un resistore anch esso trifase aumentando la resistenza degli indotti si ottiene la riduzione della velocità anche se contemporaneamente si riduce il rendimento complessivo. con un motore in corrente continua i motori a corrente continua trovano infatti frequenti applicazioni dove si riscontra l opportunità di regolare in campi estesi la velocità, sia a vuoto che a carico; il grande vantaggio dei motori a corrente continua è infatti quello di mantenere una coppia elevata anche a basse velocità. con un motore a corrente alternata alimentato da un tristore per il controllo della frequenza della corrente, come noto infatti la velocità di rotazione è proporzionale alla frequenza della corrente di alimentazione. Per quanto riguarda l utilizzo del motore in corrente continua si effettua con il sistema di trasformazione del tipo Ward Leonard. Esso consiste in un gruppo formato da un motore in corrente alternata collegato all asse di una dinamo che a sua volta alimenta un motore in corrente continua. Dalla rete in corrente alternata viene prodotta corrente continua per l eccitazione indipendente delle due macchine elettriche: controllando manualmente la tensione di eccitazione della dinamo si varia la tensione della corrente fornita al motore e conseguentemente si modifica la velocità di rotazione del motore. In alternativa a questi sistemi si usano anche trasformatori della corrente da alternata in continua. Per quanto concerne infine il quarto metodo, nel sistema di controllo della frequenza la corrente elettrica fornita dalla rete di bordo viene trasformata in corrente continua e trasmessa al motore ad impulsi: per effetto della sua induttanza, al motore la forma della corrente apparirà pressoché sinusoidale. Negli impianti di bordo si utilizza quasi esclusivamente il semplice ed affidabile motore asincrono con indotto a gabbia e la regolazione continua della velocità per gru, verricelli, argani, salpa ancore, soffianti e tanti altri utenti viene realizzata prevalentemente con il sistema elettro idraulico ed eventualmente con il sistema a controllo di frequenza nei motori elettrici di media e grande potenza. In pratica perciò, quando l utente richiede una velocità variabile, si usano sistemi elettro idraulici, che sono considerati più 3

4 Corso di Allestimento Navale affidabili e robusti, sia per impianti di trasmissione di potenza sia per sistemi di controllo. La trasmissione idraulica interposta tra il motore primo e l azionatore costituisce una soluzione ottimale per un funzionamento sicuro e flessibile dell impianto, essendo in grado di assorbire efficacemente le variazioni di velocità preservando contemporaneamente il motore primo da pericolosi sovraccarichi. Con tale interposizione il motore può mantenere una velocità di rotazione costante quanto più prossima a quella di progetto (e di massimo rendimento). I circuiti idraulici sono caratterizzati da prontezza di risposta, facilità di trasmissione e trasformazione del movimento (anche a distanza dal motore di azionamento e con moti complessi dell utilizzatore), capacità di assorbire forti riduzioni di velocità ed anche inversioni ed intermittenze ripetute del moto. Tali impianti possiedono inoltre il grande vantaggio di essere di facile regolazione e controllo. In virtù della facilità di regolazione, i sistemi idraulici trovano applicazione nella regolazione automatica di processi e nei servomeccanismi. Inoltre, questi impianti richiedono scarsa manutenzione (anche grazie all auto lubrificazione) e l unico svantaggio è costituito dalla necessità di un controllo continuo della quantità di fluido a disposizione per il corretto funzionamento (contro le perdite per trafilamenti o per rottura delle tubazioni). Ciò si traduce complessivamente in una notevole sicurezza di esercizio (alta affidabilità). La trasmissione idraulica si presta perciò per le trasmissioni, dal motore all utilizzatore, sia di forze anche di elevata intensità, sia di potenza: quando viene sfruttato il solo termine di pressione del fluido (la quasi totalità delle applicazioni) le trasmissioni sono dette trasmissioni oleostatiche, quando invece viene sfruttato prevalentemente il termine cinetico (per esempio nei giunti cinetici per alberi e nei convertitori di coppia), sono dette trasmissioni oleodinamiche. Nelle trasmissioni di forze non elevate, ossia in generale nei circuiti di controllo e di comando (telecomandi), si utilizzano anche circuiti pneumatici. A confronto fra loro, le trasmissioni idrauliche trasmettono potenze maggiori a pari ingombro (anche rispetto a quelle meccaniche!), hanno minori costi di esercizio, si prestano alla regolazione automatica, hanno risposta più rapida e precisa, mentre quelle pneumatiche presentano minori costi di installazione, maggiore semplicità di funzionamento e sono quindi preferibili per realizzare rapidi comandi di apertura e chiusura senza necessità di regolazione intermedia. Un circuito di aria compressa è generalmente presente a bordo per i telecomandi (per esempio delle valvole a due posizioni) oltre che per generici servizi di pulizia di meccanismi o impianti (per esempio delle condotte e delle prese a mare). 4

5 L applicazione dell oleodinamica sulle navi (il termine oleodinamica ha impropriamente soppiantato, nel linguaggio corrente, quello di oleostatica, e quello più obsoleto di idraulica usato quando il fluido in pressione era l acqua) è molto vasto, si hanno infatti trasmissioni a fluido per argani e verricelli, salpa ancore, portelloni e porte stagne, timoni e pinne, eliche trasversali, pale delle eliche a passo variabile, chiusure di boccaporta, monitori antincendio, valvole, etc. con pressioni di lavoro da 30 bar a 250 bar in pratica le utilizzazioni sono sempre più frequenti e diversificate. Le trasmissioni oleodinamiche constano in generale di: componenti operatori (pompe), che trasformano la potenza meccanica proveniente da un motore di azionamento (usualmente un motore elettrico) in potenza associata al fluido in pressione; linea di trasmissione, composta dalle tubazioni di collegamento fra il generatore di energia e gli organi finali, dal fluido in pressione, dagli elementi di distribuzione (cassetti di distribuzione), elementi di regolazione (valvole di regolazione della portata o della pressione), dagli organi ausiliari (valvole di sicurezza e di ritegno), filtri, scambiatori di calore, strumenti di controllo (manometri, termometri) ed accumulatori. componenti attuatori, che trasformano l energia idraulica del fluido in energia meccanica all utilizzatore, dando luogo ad un movimento lineare (per esempio pistoni) o rotativo (per esempio motori oleodinamici volumetrici). I componenti operatori ed attuatori I componenti operatori ed attuatori, in conseguenza agli alti valori di pressione ed alle non elevate portate in gioco, sono generalmente di tipo volumetrico, ossia con camere di lavoro chiuse. Essi si possono classificare in rotativi o lineari (rispettivamente per camera di lavoro ad elemento rotante o a stantuffo), ma è più usuale fare riferimento agli elementi costruttivi adottati per la realizzazione di tali camere a volume variabile. Si hanno così: macchine ad ingranaggi e a vite macchine a palette macchine a pistoni macchine lineari e semirotative. Le macchine ad ingranaggi vengono utilizzate come pompe in molti circuiti relativamente semplici in quanto non hanno parti in movimento alternato e non necessitano di valvole di controllo. Esse vengono infatti collegate all asse motore e forniscono portate dipendenti esclusivamente dalla velocità dell asse. 5

6 Corso di Allestimento Navale Come noto, le pompe ad ingranaggi sono pompe formate da una cassa entro la quale una coppia di ruote dentate (un pignone ed una ruota trascinata) ingrana trasportando fluido nel meato periferico fra i denti ed il corpo (pompa ad ingranaggi esterni e pompe a lobi). Una configurazione alternativa è quella in cui le due ruote sono concentriche, ma non coassiali, una con ingranaggio esterno ed una con ingranaggio interno e un numero maggiore di denti (pompa ad ingranaggi interni). In questo caso il fluido rimane imprigionato fra i denti delle ruote. Un aspetto importante di queste macchine è rappresentato dalle forze nette che si scaricano sull asse e che non possono essere bilanciate. Questo fattore, assieme alla difficoltà di realizzare le tenute (sia laterali, sia fra i denti, sia ancora fra denti e cassa), ne rende meno opportuno (ed affidabile) l uso alle alte pressioni. Per pressioni elevate si trovano applicazioni in serie, per portate elevate si hanno corpi identici via via più larghi. Le pompe a vite sono costituite da una cassa entro la quale ruotano più alberi con filettatura a vite: quando le viti sono due (moto sincronizzato da un accoppiamento meccanico fra gli assi) o tre (una di esse è conduttrice e le altre sono trascinate) i due principi delle viti trascinate (senso di filettatura contrario rispetto alla principale) e quello unico della vite conduttrice costituiscono, insieme alla cassa, dei vani chiusi che vengono trascinati verso la mandata. In queste pompe si può ottenere un certo bilanciamento laterale ed assiale e una maggiore silenziosità. Il vantaggio delle pompe descritte è rappresentato dalla loro semplicità e dalla possibilità di essere collegate direttamente ad un motore elettrico (fino a rpm), gli svantaggi sono l impossibilità di regolazione e la bassa efficienza. Raramente le macchine ad ingranaggi vengono utilizzate come motori. In genere a bordo si trovano pompe ad ingranaggi nei circuiti ausiliari delle pompe a portata variabile (per esempio per il riempimento dei circuiti), ma si possono trovare anche motori compatti ad ingranaggi esterni con camere di immissione del fluido regolabili in modo da poterne disattivare alcune per aumentare la velocità e ridurre il momento torcente (fino a valori di 750 rpm e 150 Nm a 125 bar). Nelle macchine a palette il volume di trasporto è generato da palette alloggiate radialmente nel corpo di un rotore eccentrico rispetto alla cassa: esse possono scorrere radialmente seguendo con l estremità il profilo della cassa, alla quale sono tenute premute da molle e dalla forza centrifuga. Ogni coppia di palette delimita quindi, con il rotore e la parete della cassa una camera a volume variabile. La cassa può essere opportunamente sagomata per ottenere, ad ogni giro dell albero, più cicli di lavoro per ogni coppia di palette, in modo da equilibrare i carichi radiali sul rotore e poter ottenere 6

7 anche una regolazione discreta della velocità e del torcente (al massimo su tre valori diversi). Queste macchine vengono utilizzate come pompe accoppiate direttamente ad un motore elettrico e come motori. Anch esse mostrano problemi di tenuta che si manifestano soprattutto nei motori quando, alle basse velocità o in condizione di stallo, la mancanza della forza centrifuga non è d ausilio alle palette affinché esse aderiscano alla cassa. A bordo si trovano in diversi impianti quando è sufficiente effettuare un controllo discreto della velocità e assieme del torcente, infatti si possono usare motori a palette a 2 o 3 camere di immissione del fluido per ottenere, a parità di velocità di rotazione del motore, una bassa velocità con alto valore del torcente (3 camere in pressione) oppure un alta velocità a scapito del torcente (1 camera in pressione). Lo stesso discorso vale per le pompe, nelle quali si può variare la portata in maniera discreta in funzione del numero di camere attive. Le applicazioni più tipiche sono per i macchinari di coperta dedicati ai servizi di ormeggio, ancoraggio e per il carico. Esistono anche pompe e motori a palette con regolazione continua della velocità, utilizzate per impianti a basse e medie pressioni. La regolazione si ottiene con lo spostamento eccentrico del rotore rispetto allo statore. Una pompa simile a quella descritta è quella in cui il rotore porta una doppia camma che trasporta radialmente il fluido con l ausilio di una coppia di palette fissate sulla cassa. In generale, per le pompe fin qui descritte l uso è limitato dai problemi di tenuta, che aumentano nel tempo con l usura degli elementi striscianti, e dal fatto che, proprio per le perdite elevatissime che si manifestano in posizione di arresto, si ha un notevole calo del rendimento volumetrico ed in definitiva calo della coppia a disposizione, a valori percentuali assai ridotti rispetto a quella a regime. In pratica con queste macchine si hanno basse coppie di avviamento e di stallo. Le macchine a pistoni sono macchine in cui gli elementi operatori o attuatori sono pistoni disposti in maniere diverse, ci sono infatti macchine con pistoni in linea, a V, paralleli all asse della macchina o ancora disposti su un piano ortogonale a detto asse. Le macchine con pistoni in linea o a V, con un sistema di trasformazione del moto rettilineo in alternato tramite un meccanismo del tipo biella manovella sono piuttosto complesse e, anche se si prestano per pressioni molto elevate, non hanno praticamente applicazione nell oleodinamica navale, a causa proprio della complessità dei cinematismi, e quindi della minore affidabilità. 7

8 Corso di Allestimento Navale Nelle macchine con pistoni assiali, questi sono disposti parallelamente all asse di rotazione della macchina. In esse sia i pistoni che le relative cavità di scorrimento (cilindri) sono portati in rotazione dall asse; le teste dei pistoni sono collegate ad un disco inclinato rispetto all asse e realizzano perciò un ciclo completo, dal punto morto superiore a quello inferiore, ad ogni rotazione completa dell asse; il fluido è immesso ed espulso da luci praticate sull estremità dei cilindretti. Con questa configurazione si possono ottenere perciò macchine a portata variabile facendo variare l inclinazione del disco, ma esistono configurazioni più semplici a portata costante, nelle quali il disco è normale all asse motore ed il blocco dei cilindri e dei pistoni è contenuto in una cassa inclinata. Queste macchine sono compatte e robuste, inoltre le tenute realizzate tra pistoni e cilindri possono essere molto efficaci; nel complesso sono macchine molto affidabili anche se necessitano di un sistema ausiliario di controllo dell inclinazione del disco. Il grande vantaggio è indubbiamente quello di poter regolare con continuità la portata esse vengono infatti usate a bordo come pompe collegate direttamente ad un motore elettrico anche per installazioni in cui sono richieste alte pressioni di esercizio. Il tipo a pistoni assiali è infatti molto utilizzato in virtù delle alte pressioni di esercizio (fino a bar) accoppiate a medie portate (fino a 350 l/min) e soprattutto alla possibilità di raggiungere velocità di rotazione all asse tali da permettere l accoppiamento diretto con il motore elettrico ( rpm). Con questa macchina si realizzano esclusivamente pompe. Nelle macchine con pistoni radiali i cilindri sono disposti su un piano perpendicolare all asse di rotazione della macchina. Anche in queste macchine le pressioni di esercizio possono essere molto alte ma, in genere, le portate sono ridotte. Ciò comporta che queste macchine siano impiegate più favorevolmente come motori a bassa velocità di rotazione ed alto valore del torcente (slow speed high torque motors) ma non mancano applicazioni come pompe, in alternativa a quelle con pistoni assiali. I motori a pistoni radiali possono essere del tipo a superficie di guida interna o esterna: nei primi, i pistoni disposti radialmente esercitano, a turno, una forza sulla camma fissata all albero di rotazione della macchina; in essi i cilindri sono incernierati alla cassa, infatti non hanno l asse fisso rispetto alla cassa poiché devono far si che l estremità del pistone si adatti alla camma ad ogni angolo di rotazione. nei secondi, i pistoni esercitano una forza verso l esterno, ovvero verso la cassa sulla quale è stato ricavato un profilo ondulato che svolge lo stesso ruolo della camma; in essi i pistoni ruotano con 8

9 l albero e con la cassa cilindri (si osservi che non ci sono masse eccentriche). In ogni caso si deve avere moto di rotazione relativo fra la guida ed il blocco porta pistoni, è indifferente infatti che sia rotante il sistema di comando o il blocco motore, la scelta viene operata in base a ragioni d ingombro, leggerezza, riduzione dei momenti d inerzia, etc. In tutte le macchine a pistoni, per avere una migliore qualità del flusso, ossia per ridurre le pulsazioni, è necessario che almeno un pistone sia in pressione in ogni istante, per questo motivo i pistoni delle pompe assiali sono in numero dispari (9 o 11). Nelle macchine a pistoni radiali sono almeno 3 ma arrivano anche ad 8 e le camme hanno analogamente un profilo con più ondulazioni per permettere più cicli di lavoro per ogni pistone ad ogni giro dell asse (il numero delle ondulazioni deve essere inferiore a quello dei pistoni, per esempio rispettivamente 6 ed 8 ciò garantisce da inversioni del moto a partire da situazioni di stallo ma impedisce l invertibilità della coppia generata dal motore). Come detto, il tipo a pistoni radiali si presta a basse velocità ed alti momenti torcenti: tipicamente da 500 Nm a 40 knm con velocità di rotazione rispettivamente di 500 rpm e 100 rpm (ma si può arrivare a 130 knm con 16 rpm). Le pompe a pistoni radiali Si osservi ancora che le tipologie a pistoni assiali e radiali permettono il controllo della portata se utilizzate come pompe e della velocità se utilizzate come motori, rispettivamente variando l inclinazione del disco e l eccentricità del rotore. Ciò conferisce il vantaggio di ottenere una facile regolazione del circuito e, nelle pompe, il vantaggio di fornire portate variabili mentre l asse, e quindi anche il motore elettrico, ruotano a velocità costante. A bordo, nei vari impianti oleodinamici si trovano pompe soprattutto assiali (anche per il loro minore ingombro), mentre le macchine a pistoni radiali sono usate come motori nei servizi di coperta per l ormeggio e l ancoraggio. Le macchine lineari convertono l energia idraulica nel lavoro di una forza, la quale crea uno spostamento che, a differenza dei motori idraulici fin qui descritti, non si traduce in un moto rotativo continuo. Si tratta essenzialmente di motori, detti anche cilindri o martinetti o torchi, che forniscono lavoro all estremità dello stelo che fuoriesce dal corpo della macchina realizzando una forza di spinta o di tiro. Essi hanno geometrie molto simili con un cilindro realizzato in corpo unico per fusione (per alte pressioni) oppure con coperchio saldato o imbullonato. Le tenute fra cilindro e quelle fra cilindro ed asta sono realizzate con fasce elastiche. Il cuscinetto può essere con bronzina, le aste sono infine più o meno robuste in funzione 9

10 Corso di Allestimento Navale del carico di punta cui devono sottostare. Per le alte pressioni si realizzano pistoni tuffanti, ovvero pistoni aventi aste di diametro pari a quello del cilindro, e la tenuta si fa con contatto metallico sfruttando l auto lubrificazione del circuito oleodinamico. Quando infine è richiesta una riduzione della velocità verso la fine della corsa, per esempio per pistoni che lavorano fra due posizioni fisse, si realizzano sistemi a resistenza variabile, con meccanismi interni al cilindro o con valvole esterne di regolazione, comandate da camme mosse direttamente dai pistoni. Il tipo più semplice di pistone è quello a semplice effetto e ad uno stelo; altri tipi sono a doppio effetto con doppio stelo per esercitare forze uguali nelle due direzioni (oppure con un solo stelo ma con circuito di compensazione per bilanciare le forze nelle due direzioni). Queste motori sono adatti alla trasmissione di movimenti a velocità limitate (al massimo m/s) e trovano applicazione a bordo nei sistemi di telecomando (comando a distanza delle valvole, etc.) e per tutti quegli utenti che necessitano di un controllo sicuro della posizione fra due posizioni estreme (freni a nastro, aperture di boccaporta, portelloni, etc.) oppure ancora per il controllo della posizione di elementi soggetti a carichi velocemente variabili in intensità e direzione (timoni e pinne di stabilizzazione). Una interessante evoluzione degli attuatori a pistoni è quella degli attuatori semi rotativi (detti a palmole ), che realizzano spostamenti rotativi ma con angoli massimi limitati (esistono anche a cremagliera ma non trovano ormai utilizzo). Si tratta in pratica di una cassa cilindrica suddivisa da setti in più camere, all interno un rotore munito di palette viene fatto ruotare per azione del fluido in pressione su un lato delle palette. La configurazione geometrica permette angoli massimi di rotazione di 280 con una sola camera e di 100 con due camere, ovviamente all aumentare delle camere aumenta il torcente trasmesso. Questo motore offre il vantaggio di ottenere elevati momenti torcenti, sebbene a bassa velocità, con macchinari compatti e resistenti, prestandosi a sostituire i pistoni nelle timonerie. Per quanto riguarda le caratteristiche di progetto di una pompa per circuiti oleodinamici, i parametri che interessano il progetto sono essenzialmente la velocità di rotazione all asse, la portata (se variabile in maniera continuativa i suoi valori massimo e minimo, se variabile in maniera discreta i valori da essa assunti) e la pressione massima garantita in funzione delle tenute e della resistenza meccanica dei componenti. Il rendimento assume un significato secondario dal momento che il tipo di macchina deve essere selezionato più che altro in funzione del compito che deve essere espletato, infatti per trasmissione di potenza si usano: pompe ad ingranaggi per basse pressioni e velocità costanti, a palette per medie 10

11 pressioni e velocità variabili in maniera discreta, ed a pistoni assiali per alte pressioni e velocità variabili in maniera continuativa. I rendimenti di queste pompe presentano la caratteristica di variare molto poco con la portata (sono quasi costanti). Il problema della cavitazione, infine, viene risolto utilizzando pompe ausiliarie che mantengono riempiti i rami a bassa pressione del circuito e che generano in essi una minima pressione. Per i motori i fattori importanti sono costituiti dalla potenza fornita e dalle coppie velocità/torcente realizzabili. Si osservi che è usuale parlare di attuatori quando il motore oleodinamico ha il compito di realizzare il controllo di un movimento, anche con movimenti discontinui ed alternati, mentre ci si riferisce usualmente al termine motore quando ciò che interessa è la trasmissione continua del momento torcente ad opportune velocità di rotazione (potenza all asse di rotazione). I primi sono realizzati con macchine lineari o semi rotative, mentre i veri e propri motori sono ottenuti con macchine ad ingranaggi per le trasmissioni meno impegnative, con macchine a palette quando si vuole controllare la coppia velocità/torcente a medie pressioni (e quindi per momenti torcenti non elevati) e con macchine a pistoni quando invece si vuole controllare la coppia velocità/torcente ad alte pressioni. Vale sempre in generale, la regola di utilizzare motori a pistoni quando si vuole realizzare un alta coppia percentuale allo spunto ed allo stallo. Il simbolo utilizzato per indicare una pompa in un circuito è realizzato con un cerchio collegato da due linee che rappresentano l aspirazione e la mandata, entro il quale viene posto un triangolo in corrispondenza della linea di mandata, appoggiato con un vertice al cerchio. Se la pompa è a portata variabile si sovrappone obliquamente al cerchio una freccia e se la pompa è bidirezionale si disegnano due triangoli, uno in corrispondenza di ogni linea. Per le pompe manuali si utilizza un simbolo particolare, per i motori vale la stessa rappresentazione simbolica, ma con il triangolo avente il vertice orientato verso il centro del cerchio ed infine per gli attuatori si usa la rappresentazione schematica del cilindro e del pistone. Per concludere la trattazione delle pompe idrauliche, è opportuno osservare che esse vengono accoppiate ad accumulatori idraulici sia per smorzare le pulsazioni di pressione alla mandata, sia come ausilio quando il circuito richiede un aumento repentino di portata. Come noto l accumulatore permette infatti di mantenere una pressione costante nel circuito, per un tempo che è proporzionale alla sua capacità. L accumulatore serve anche a tenere riempito il circuito e a pressurizzarlo nel caso di improvviso calo di portata della pompa, purché l azione della pompa sia subito ripristinata, o addirittura nel caso di avaria della stessa, facendo da autoclave per le utenze di emergenza. 11

12 Corso di Allestimento Navale In genere si utilizzano accumulatori formati da un corpo cilindrico contenente gas (in genere azoto) in pressione in una sacca flessibile, in alternativa esistono anche accumulatori a pistone, ove il pistone fa da diaframma fra l olio ed il gas. La linea di trasmissione L elemento fondamentale della linea di trasmissione è ovviamente il fluido contenuto nelle tubolature del circuito. Un tempo si trattava di soluzioni acquose ma al giorno d oggi viene utilizzato olio minerale (di origine petrolifera con additivi per esaltare le caratteristiche chimico-fisiche, presenti in proporzioni fino al 20% in volume), che possiede un elevato potere lubrificante, non è corrosivo e non lascia depositi ed alle temperature di esercizio non presenta problemi di evaporazione. L olio adatto al circuito è un olio che ha una viscosità bassa ed il più possibile indipendente dalla temperatura (all avviamento è quella ambiente ed a regime raggiunge (80) C). Si osservi però che la viscosità e la tensione di vapore aumentano proporzionalmente, perciò quando è previsto un esercizio della nave in ambienti freddi è consigliabile un olio a bassa viscosità, ma per esercizi in zone calde è preferibile un olio più viscoso (meno volatile). Altre caratteristiche che deve possedere un buon olio sono la resistenza all invecchiamento per azione dell ossigeno contenuto nell aria (un olio minerale ha una vita corrispondente a circa ore di funzionamento del circuito), la demulsionabilità, il buon potere lubrificante, la buona conduttività termica, la bassa dilatabilità termica, la bassa massa volumica e la bassa comprimibilità, tutte caratteristiche da mantenersi al variare della temperatura e della pressione. Per alcune applicazioni sono richiesti olii resistenti al fuoco, ossia con una temperatura di flash point di almeno C, per evitare che una perdita d olio su una superficie calda dia inizio ad un incendio. Si usano olii termo resistenti quando il circuito si trova in vicinanza a superfici calde di macchinari. Si tratta di soluzioni acquose (acqua con glicerina, etc.) o di liquidi sintetici (idrocarburi clorurati, esteri fosforici, etc.), entrambi hanno proprietà lubrificanti inferiori rispetto all olio minerale e richiedono installazioni più costose con circuiti indipendenti per la lubrificazione. I tubi di collegamento sono prevalentemente in acciaio ricotto per proteggerli dalla ruggine, oppure sono in leghe di rame. La velocità dell olio non supera in generale 8 m/s e le condotte devono essere più corte possibile per ridurre le perdite dinamiche; esse sono realizzate con tubi filettati o flangiati per favorire la manutenzione. Usualmente il calcolo della prevalenza della pompa deve tenere conto delle perdite dinamiche (in un circuito ben progettato il rendimento di pressione è pari a circa ) e 12

13 del battente statico presente fra la pompa e l attuatore, mentre le perdite di flusso nelle linee sono trascurabili o al massimo conteggiabili nell ordine del 2% nei circuiti con molti organi di controllo, altrimenti le perdite sono insignificanti (rendimento volumetrico pari a circa ). Le condotte fanno capo, oltre che alle macchine, anche al serbatoio dell olio. Va premesso che un circuito oleodinamico si dice chiuso quando le tubolature di ritorno dal motore fanno capo direttamente alla pompa, mentre si dice aperto se esse terminano nel serbatoio dal quale la pompa aspira. Perciò in un circuito chiuso è presente un serbatoio di compenso (completo di un sistema di refrigerazione) per tenere riempite le condotte e per ripristinare la quantità d olio persa nei trafilamenti, mentre in un circuito aperto il serbatoio svolge la funzione di cassa di accumulo: nel primo caso l impianto è più complesso e nel secondo caso il serbatoio è più grande. In generale la capacità del serbatoio è fissata per sicurezza a 2 4 volte la capacità del circuito idraulico. Il serbatoio è rappresentato con un simbolo diverso se è di accumulo o di compenso. I componenti di regolazione dei circuiti oleodinamici sono quegli elementi che permettono di ottenere quelle caratteristiche di flessibilità che sono un punto forte degli impianti oleodinamici. La regolazione dei circuiti è infatti molto semplice e viene realizzata con valvole di diversi tipi qui di seguito illustrate. Un elemento importante degli impianti oleodinamici è rappresentato dai distributori: si tratta di valvole che servono per controllare la direzione del flusso verso l attuatore. Tali elementi vengono anche detti cassetti di distribuzione e sono costituiti da una cassa parallelepipeda entro la quale è ricavato un alloggiamento per un cursore cilindrico, a tale cavità fanno capo una serie di luci di comunicazione con le condotte delle linee del circuito. Il cursore può scorrere assialmente andando a chiudere o aprire le luci in modo da mettere in comunicazione fra loro le condotte desiderate. Esso è infatti dotato di ringrossi sulla superficie, in modo che un suo movimento assiale porti tali ringrossi in corrispondenza delle luci delle condotte da sezionare. Esiste una grande varietà di cassetti di distribuzione classificati in funzione delle condotte che essi possono collegare (numero di vie ) e delle posizioni che il cursore può assumere (numero di posizioni), ovvero delle diverse possibili azioni che possono essere esercitate per il controllo del circuito: collegamento della pompa con il motore, inversione del collegamento fra pompa e motore (inversione del moto), riposo (sezionamento), collegamento al serbatoio, collegamento a by pass. L azionamento dei cassetti di distribuzione può essere fatto con intervento manuale e ritorno a molla, con elettromagneti (a solenoide) 13

14 Corso di Allestimento Navale oppure con aria compressa o con olio in pressione fornito da un circuito ausiliario. Il simbolo di base utilizzato per descrivere in un circuito funzionale un cassetto di distribuzione è un quadrato: si riportano tanti quadrati allineati a contatto uno con l altro per quante sono le posizioni di un distributore. Al suo interno delle frecce indicano i possibili collegamenti con le condotte che fanno capo al distributore stesso, queste ultime disegnate esternamente ai quadrati nella condizione di riposo. Il comando è indicato all estremità della schiera di quadrati con un rettangolino che riporta internamente un simbolo per indicare se è del tipo elettrico, pneumatico, manuale o oleodinamico (un segno a zig zag in un rettangolino simile indica la molla di ritorno). Altri tipi di valvole, oltre a quelle citate (che possono essere indicate come valvole di distribuzione), sono rappresentate dalle valvole di regolazione delle caratteristiche del flusso, ossia della portata e della pressione. Le valvole utilizzate sono fondamentalmente di tre tipi: limitatrici di pressione (o di sicurezza) esse proteggono l impianto da sovraccarichi di pressione scaricando nel serbatoio la portata della pompa quando la pressione dell olio in un circuito supera il livello assegnato (definito dall azione di una molla antagonista su un otturatore); esse sono poste alla mandata della pompa ed in corrispondenza di attuatori (a pistoni o semi rotativi) sono sistemate in modo da creare un by pass di sicurezza se nei cilindri la pressione sale oltre il valore tollerabile. La designazione delle valvole di sicurezza è realizzata con un quadrato in cui è contenuta una freccia che indica il flusso di scarico, ed al quale è affiancata la designazione della molla antagonista. riduttrici di pressione trovano applicazione in particolari circuiti nei quali in una o più derivazioni è richiesta una pressione inferiore a quella del circuito principale; esse forniscono al sottosistema l olio a pressione ridotta prefissata, ad un valore proporzionale a quello in ingresso o ad un valore che differisce di una quantità costante da quello di ingresso, e garantiscono che la pressione non superi quella massima consentita. di sequenza tali valvole chiudono un circuito quando la pressione raggiunge il valore prestabilito e si prestano all azionamento di attuatori con un prestabilito ordine di successione. Nel caso di grandi portate e di alte pressioni si usano valvole pilotate per ridurre i valori di sovrappressione conseguenti alle notevoli inerzie delle parti mobili ed all elevata rigidità delle parti elastiche (le molle dovrebbero essere molle molto robuste e quindi poco sensibili alle variazioni della pressione). 14

15 Le più semplici valvole riduttrici di portata sfruttano la caduta di pressione, proporzionale alla portata, che viene generata attraverso opportune strozzature eventualmente regolabili, in modo che l aumento del carico conseguente ad una maggiore velocità nella strizione (ossia ad una maggiore portata) faccia si che intervenga una valvola di sicurezza o un accumulatore. Se questa valvola viene messa in serie con il motore (tra la pompa ed il motore), si crea una regolazione automatica solo se la pressione nel circuito supera quella di taratura delle valvole di sicurezza, ovvero funziona solo ad alte pressioni. Se tale valvola viene posta in parallelo con il motore lavorando crea anche un effetto indesiderato di riduzione della pressione al motore. Per effettuare una regolazione del flusso a qualsiasi pressione di lavoro si utilizzano valvole connesse al circuito in parallelo ad una strizione, ovvero collegate allo stesso sia a valle sia a monte di detta strizione: le due connessioni portano la pressione sulle due facce di un pistone che è in equilibrio grazie all effetto di una molla e, quando, in seguito ad un aumento della portata, la differenza delle pressioni a monte e a valle della strizione cambia, il pistone non è più in equilibrio e sfoga l olio verso la cassa di raccolta. Queste valvole diventano necessarie quando la pompa fornisce olio in pressione a più utenze, per evitare che il flusso verso quelle attive superi il valore richiesto. Quando invece l utenza è unica, un alternativa è quella di utilizzare una o più pompe a portata variabile. Esistono anche valvole di priorità, che in caso di insufficienza della portata privilegiano l alimentazione di alcune utenze bloccando le rimanenti, o valvole che, più in generale chiudono un circuito solo quando la portata è quella prestabilita: entrambe lavorano in serie con un venturimetro. Altre valvole sono quelle di divisione del flusso, che suddividono la portata di alimentazione in due parti proporzionali fra loro, e quelle di regolazione della potenza, che intervengono contemporaneamente sulla pressione e sulla portata del fluido. Si osservi che con le valvole descritte opportunamente inserite nel circuito si può ottenere un sistema a velocità costante, a forza costante, oppure ancora a potenza costante. Inoltre, questi componenti si prestano alla realizzazione di asservimenti. Gli organi ausiliari di un circuito assicurano il buon funzionamento di un impianto garantendone la sicurezza: si tratta di valvole di non ritorno, di filtri, di sistemi di refrigerazione, di strumenti di misura oltre che del circuito di controllo. Le valvole di non ritorno sono semplici valvole in linea con un otturatore comandato da una molla antagonista, che si sposta assialmente 15

16 Corso di Allestimento Navale permettendo il flusso solo quando la pressione è esercitata su una delle due estremità in condizioni di riposo apre il circuito. Le valvole di non ritorno servono anche ad evitare che il circuito si svuoti quando non è in pressione. Esistono anche valvole di ritegno ad apertura comandata. Le valvole di non ritorno sono rappresentate con una pallina imprigionata in un imbuto. I filtri impediscono che corpi estranei possano trovarsi in circolazione danneggiando le macchine. Essi sono di due tipi, meccanici (a rete sottile, a fogli di carta, a tessuto di fibre, etc.) o magnetici, questi ultimi sono selettivi nei confronti delle particelle meccaniche provenienti dall usura dei diversi organi del circuito. I filtri a maglia sottile sono posti alla mandata delle pompe lungo il circuito in prossimità degli elementi da proteggere (con maglie di 5 10 µm per proteggere le valvole ma anche di frazioni di micron di fronte agli utilizzatori), quelli a maglia larga (10 40 µm) sono posizionati all aspirazione delle pompe, spesso in serie, e alle estremità del circuito nel serbatoio. Si osservi che i filtri sono inseriti in linea con una valvola di by pass che devia il flusso in caso di intasamento del filtro. I filtri sono rappresentati con un rombo in cui la diagonale normale al flusso è tratteggiata. Si osservi infine che per una migliore pulizia dell olio in circolazione, nel serbatoio si promuove la sedimentazione per decantazione. Un circuito ausiliario di raffreddamento dell olio è previsto solo nel caso che esso possa superare la temperatura di 65 C, in tal caso si usano scambiatori ad aria o ad acqua a fascio tubiero. Lo scambiatore è rappresentato con un rombo in cui la diagonale normale al flusso porta alle estremità delle frecce ad indicare un flusso trasversale (quello del refrigerante). Per quanto riguarda la simbologia utilizzata negli schemi funzionali, si rammenta che è uso quella in conformità alla tabella UNI ISO 1219 (mentre per i termini e le definizioni si deve fare riferimento alla norma UNI ISO 5598). I circuiti oleodinamici elementari Per la comprensione delle funzioni che possono essere espletate da un circuito oleodinamico, verranno di seguito esaminati alcuni circuiti elementari. Si osservi innanzitutto che il circuito di tipo aperto si presta per le utenze di tipo rettilineo alternativo in quanto l inerzia degli elementi comporterebbe, in un circuito chiuso, problemi di cavitazione alla pompa e di sovrapressione. Inoltre, la pompa che serve attuatori lineari non deve rimanere sotto carico in condizione di stallo, ma il carico dell utilizzatore deve scaricarsi sulle valvole del cassetto di distribuzione, e quindi la pompa deve poter lavorare indipendentemente dal circuito a valle del cassetto di 16

17 distribuzione. Il circuito aperto è il più sicuro, infatti una rottura sul circuito di ritorno non compromette l utilizzo della pompa. Il circuito di tipo chiuso si presta invece alle trasmissioni continue con componenti attuatori rotativi, anche a cilindrata variabile, infatti la pressione di scarico previene l insorgere della cavitazione. Questo è più complesso del precedente in quanto necessita di un sistema di sovralimentazione (cassa di compenso) e di un sistema di prelievo dell olio per la refrigerazione, ma non serve in linea di principio un serbatoio di accumulazione. Un primo esempio è rappresentato dal circuito che deve realizzare il movimento lineare a distanza fra due pistoni a doppio effetto: uno dei due funge da pompa, l altro da attuatore e le condotte si limitano al doppio collegamento fra le casse dei cilindri. Questo sistema si presta alla trasmissione di un comando ad un attuatore per l azionamento di una valvola tra due posizioni estreme (telecomando idraulico). Il circuito è del tipo chiuso. Un esempio un po più complesso è rappresentato dal circuito che realizza indipendentemente il comando di azionamento a distanza e quello di scarico di un pistone a semplice effetto: il pistone di comando aspira dalla cassa e manda il fluido nel cilindro dell utilizzatore grazie ad un opportuno sistema di valvole di ritegno, mentre la disattivazione del pistone utente viene fatta attraverso un cassetto di distribuzione. In questo modo il pistone di comando è sempre pronto per iniziare il suo ciclo di azionamento a partire dalla stessa posizione. Il circuito è del tipo aperto. L esempio successivo è realizzato con una centralina oleodinamica che manda olio in pressione in un attuatore a doppio effetto. Questa è costituita da una elettro pompa mono direzionale sempre in moto, corredata di filtri, valvola di sicurezza e manometro. Essa, tramite un cassetto di distribuzione fa muovere il pistone in una o nell altra direzione, oppure fa scaricare l olio per lasciare il pistone a riposo. Il circuito si presta al movimento di un elemento che, quando è fermo, non è sotto carico. Se la posizione centrale del cassetto di distribuzione avesse permesso il sezionamento del circuito, questo avrebbe potuto servire un utente che, quando è fermo, rimane sotto carico. Il circuito è del tipo aperto. Si consideri ora il caso precedente in cui il cassetto di distribuzione è quello con posizione centrale di sezionamento, e l attuatore viene sostituito con un motore oleodinamico bidirezionale. In tal modo si ottiene la rotazione del motore in una direzione alla massima velocità e nella direzione opposta a velocità ridotta a causa della presenza di una valvola di regolazione della portata all uscita del motore. Tale valvola è a sezione variabile e quindi la velocità può essere modificata. In aggiunta ci sono delle valvole limitatrici di pressione per evitare sovrappressioni dovute all inerzia del motore e 17

18 Corso di Allestimento Navale dell utilizzatore collegato (per esempio all avvio o per brusche fermate o inversioni del moto), esse sono in pratica valvole di by pass. Un sistema di questo tipo si presta per esempio per l azionamento di un verricello. Il circuito è del tipo aperto. Un circuito come quello appena descritto, ma completato da una schiera di accumulatori (posti nel circuito a monte delle valvole di distribuzione e collegati con due valvole in parallelo: una di ritegno sulla condotta di caricazione ed una di regolazione sulla condotta di mandata) si presta all azionamento, per esempio, delle porte sulle paratie stagne, ovvero di quegli utenti ai quali è necessario garantire un circuito sempre pressurizzato, anche in caso di avaria delle pompe o di mancanza di energia elettrica. Il circuito con motore rotativo prima descritto può essere, più correttamente, di tipo chiuso. In tal caso, se anche la pompa è a portata invertibile, il cassetto di distribuzione non serve più. Si noti che in questo circuito è necessario un sistema ausiliario di riempimento e di refrigerazione. Il circuito si presta all azionamento di un motore per la trasmissione della potenza, per esempio ad una pompa immersa ma in questo caso non sarebbe necessario che il motore fosse a portata variabile. La centralina oleodinamica è il cuore del circuito perché raccoglie gli elementi che generano e distribuiscono la potenza agli utilizzatori. La nave è equipaggiata con centraline oleodinamiche che forniscono olio in pressione, ciascuna ad un certo numero di utenze (attuatori, motori) che hanno esigenze simili in termini di pressione di lavoro (e per i quali non è previsto il funzionamento simultaneo). Queste centraline vanno poste in corrispondenza degli utenti in modo da non dover stendere lunghe linee di trasmissione, alle quali sono legate inevitabilmente perdite di carico crescenti con la lunghezza. Per questo motivo gli utenti verranno raggruppati non solo per omogeneità ma anche per collocazione. Esse sono poste in idonei locali e sono pre assemblate su un telaio rettangolare che poggia sul ponte nei quattro angoli. Nella configurazione tipica per un circuito aperto, sul telaio poggia il serbatoio e su questo sono collocate orizzontalmente le elettro pompe (pompa e motore elettrico) complete degli accessori (l elettro pompa può anche essere verticale, con pompa immersa nella cassa) ed eventualmente gli accumulatori. Nel caso di circuiti chiusi il serbatoio può essere posto più in alto per realizzare il compenso, ma è più facile che il compenso sia realizzato con una pompa ausiliaria ed il serbatoio sia posto in basso come nel caso precedente. Un ultimo accenno interessante può essere fatto ai meccanismi di asservimento che possono essere realizzati con i circuiti idraulici. L asservimento consiste nell autoregolazione di un processo in modo che, al 18

19 comando di esecuzione di un certo compito (per esempio il brandeggio di una gru di un certo angolo α 0 ), seguano: l attivazione dell attuatore (l invio dell olio al pistone e la conseguente rotazione della gru), l esecuzione del compito (il raggiungimento dell angolo α 0 ) ed infine la disattivazione dell attuatore, che rimane pronto ad eseguire un successivo comando. L autoregolazione di un processo si ottiene con un circuito ausiliario che agisce sui componenti del sistema oleodinamico principale, facendo eseguire a quest ultimo il comando ricevuto. Tale circuito deve essere composto da uno strumento che misuri in maniera continuativa il valore della caratteristica del processo da regolare (per esempio l angolo di brandeggio α), uno strumento che confronti tale valore con quello comandato (l angolo α 0 ) ed infine uno strumento di controllo del motore, in modo che si blocchi una volta eseguito il comando (α = α 0 ). Il sistema di asservimento può essere composto da elementi idraulici, pneumatici, meccanici o elettrici e deve espletare la sua azione andando a manovrare quella valvola (detta servovalvola) che modifica le condizioni di trasmissioni della potenza dalla pompa al motore. Inoltre, può essere prevista la possibilità di modifiche continue del comando durante l esecuzione. 19