"Sistemi innovativi di propulsione e trasmissione per applicazioni nella nautica da diporto". Politecnico di Milano, ATENA, 3 giugno 2013

Transcript

1 "Sistemi innovativi di propulsione e trasmissione per applicazioni nella nautica da diporto". Politecnico di Milano, ATENA, 3 giugno 2013 From Concept to Sea: ZF Marine development of ZF POD 4000, co-design with shipyards and efficient drive integration into pleasure crafts. Ing. Paolo Di Muro, ZF Marine Propulsion Systems Abstract I sistemi POD rappresentano un innovazione di rilievo nel panorama motonautico mondiale grazie a rendimenti superiori delle eliche controrotanti, minore resistenza all avanzamento e vantaggi in termini di spinta e scia rispetto a tradizionali sistemi in linea d asse, cui si sommano maggiore manovrabilità e facilità di installazione. ZF propone una gamma di sistemi per potenze fino a 930kW (a 2450rpm), nel cui sviluppo particolare attenzione è stata rivolta alla sicurezza in caso di impatto, prevedendo il distacco programmato dell unità inferiore. Centrale nello sviluppo delle applicazioni risulta il rapporto con architetti navali e cantieri per la corretta integrazione del sistema, dalla progettazione e realizzazione fino alla messa in acqua e alla definizione dei parametri di controllo specifici per l imbarcazione. Si riportano, infine, dati sperimentali di performance, efficienza e virata da scafi prototipo. 1. I sistemi POD I sistemi POD rappresentano un innovazione di rilievo nel panorama motonautico mondiale, a buon titolo la principale degli ultimi dieci anni nel settore della propulsione. In estrema sintesi, si tratta di unità integrate cui è demandata non solo la propulsione, per mezzo di una catena di ingranaggi e assi che collega il motore entrobordo a una coppia di eliche controrotanti, ma anche la virata e la manovra dell imbarcazione per mezzo di un unità esposta inferiore, altrimenti detta gamba, sterzante che opera come timone. I primordi di sistemi così concepiti sono riscontrabili nei sistemi azimutali per applicazioni navali o in sistemi poco più che artigianali, come quello, geniale, del marchese Soriano nei primi anni trenta del secolo scorso Già in quelle applicazioni erano stati definiti e riscontrati i vantaggi in termini di resistenza di una gamba con ridotta superficie e un profilo avviato per una minima resistenza complessiva, così come il vantaggio apportato da eliche controrotanti (principalmente il recupero di energia rotazionale) e ben distanziate dallo scafo, oltre alla spinta parallela alla chiglia, diversamente dai tradizionali sistemi in linea d asse. 2. I sistemi ZF POD L evoluzione dei POD da componenti artigianali a impianti per la nautica da diporto su larga scala ha richiesto l intervento di aziende di caratura mondiale e forte competenza e capacità di investimento in ricerca e sviluppo: è il caso del gruppo ZF Friedrichshafen AG, meglio noto con il semplice acronimo ZF. Azienda fondata nel 1915 dal conte Zeppelin, ZF è oggi uno dei principali fornitori di drivelines automotive e per trasporti terrestri in genere, oltre che leader nel settore invertitori marini e moltiplicatori eolici.

2 ZF propone oggi una gamma completa di sistemi POD abbinabili a motori a controllo elettronico da 240 a 930 KW (a 2450rpm). Il controllo è gestito dal collaudato sistema ZF Smart Command, che aziona in modo sinergico motore, innesti marcia, sterzo e gestisce funzionalità evolute come il controllo in retroazione ( close loop ) e il mantenimento della posizione, simulando l ancoraggio. La sicurezza è garantita dal distacco controllato dell unità inferiore in caso di impatto, risultato di analisi numeriche e prove in scala reale: è forse questo il massimo valore aggiunto nel confronto con sistemi tradizionali o meno evoluti. 3. La collaborazione con cantieri e progettisti ZF ha individuato come elemento centrale per il positivo esito delle applicazioni, un supporto dedicato a cantieri e progettisti che, sin dai primi passi, agevoli un cambio culturale e operativo rispetto a sistemi precedenti, al fine di integrare con efficacia la propulsione nelle fasi di sviluppo, come definizione della sala macchine, laminazione, analisi di navigabilità e prestazioni, predisposizione alla manutenzione e ottimizzazione del comportamento dello scafo. Circa quest ultimo punto, si pensi alla novità del numero e ampiezza di parametri disponibili per la gestione di spinta e sterzatura per le fasi di manovra, ormeggio e navigazione: impensabile fino a qualche anno fa, questa innovazione rappresenta oggi un ampio spettro di opzioni capaci di caratterizzare il comportamento dinamico dello scafo e, di conseguenza, il feeling che l armatore ne riceverà. Ugualmente, é centrale il ruolo del cantiere e del progettista nella corretta definizione e realizzazione della laminazione, secondo procedure semplici e comuni generate da ZF, per garantire che la rottura in caso di impatto riguardi esclusivamente il POD e avvenga in modo programmato, senza ripercussioni su scafo e galleggiabilità. 4. ZF POD 4000 Lo ZF POD 4000 é il modello di categoria superiore della gamma di ZF: condivide con i modelli progettati per potenze minori le caratteristiche fondamentali, ma si differenzia concettualmente per un sistema brevettato di montaggio a scafo. Il sistema ZF POD 4000 con leve di comando e centralina di controllo Smart Command

3 Anziché gli ormai comuni anelli di interfaccia inseriti nel fondo, il sistema prevede l utilizzo di quattro supporti, ciascuno montato su una coppia di resilienti, che collegano il POD alle strutture longitudinali dello scafo. Nessuno sforzo viene imposto, quindi, dalla propulsione direttamente al fondo, riducendo drasticamente lo spessore di vetroresina e le sue necessarie caratteristiche di resistenza, con vantaggi in termini di costi e tempi di laminazione, oltre che di riduzione di peso. ZF POD 4000: il sistema di ancoraggio 5. Prove sperimentali Nel corso dello sviluppo del sistema POD 4000, ZF ha effettuato prove di endurance e funzionali su scafi prototipali e di pre-serie volte anche alla dimostrazione sperimentale dell incremento dei rendimenti propulsivi dei sistemi POD. Nello specifico, si citano qui due casi salienti di scafi progettati per applicazioni di diporto di alta gamma: Azimut 62s e Montecarlo Yachts 76. In entrambi i casi, il confronto naturale è la propulsione in linea d asse. 5.1 AZ 62s In estrema sintesi, i vantaggi sono risultati in un aumento della velocità massima nell ordine del 12-15% a parità di condizioni di carico e di motorizzazione. A pari velocità di 34.0 nodi, la riduzione di consumo calcolata arriva al 17% nel caso dei sistemi POD, grazie al più basso regime di rotazione dei motori e al minore carico. La sperimentazione ha anche confermato come l utilizzo dei sistemi POD, senza particolari modifiche nella distribuzione dei pesi, non incida sugli angoli di assetto dinamico dello scafo, spostandone altresì il valore massimo a velocità inferiori, quindi ragionevolmente a favore di sicurezza. L utilizzo di sistemi interceptors è risultato ulteriormente migliorare il picco di angolo misurato, riducendolo da 4.5deg a 4.2deg. Particolarmente interessanti le misurazioni effettuate sui diametri di virata in velocità, con riduzioni nell ordine del 50%, nel caso limite di controlli elettronici di angolo di attacco della gamba disattivati.

4 AZ62s: confronto di velocità tra scafo con linea d asse (arancione) e con POD (blu), quest ultimo con peso aggiuntivo a causa delle strutture aggiuntive derivanti dalla rimotorizzazione. Linea tratteggiata: simulazione numerica di prestazioni dello scafo con POD a dislocamento pari al caso in linea d asse. AZ62s: confronto di angoli di assetto tra scafo con linea d asse (arancione) e con POD (blu) in assenza di variatori di assetto. La linea nera rappresenta il caso POD con interceptors attivi.

5 5.2 Montecarlo Yachts 76 Nel caso MCY76, anziché un incremento di velocità rispetto alla configurazione in linea d asse, l obiettivo, raggiunto, era quello di mantenere pari velocità con l utilizzo di motori di potenza del 15% inferiore (880kW contro 1030 kw). Parallelamente, è stata riscontrata, come ampiamente preventivabile per la riduzione di potenza e cubatura dei motori, una riduzione dei consumi nell ordine del 20%. MCY76: confronto di velocità tra scafo con linea d asse (arancione) e con POD (blu). Dati (caso linea d asse): Nautica (09.10) e MBY (10.11) DISCLAIMER: Le indicazioni riportate hanno intento di divulgazione tecnica e valore generale, non vincolante e non contrattuale. Non hanno carattere di promessa commerciale o tecnica da parte di relatore o azienda rappresentata. Documento protetto da proprietà intellettuale degli intestatari, non divulgabile nella sua totalità o in parte senza autorizzazione scritta dell autore. Commenti o richieste di approfondimenti possono essere inviate all indirizzo paolo.dimuro@zf.com.