4.4 SISTEMAZIONE A BORDO
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- Corinna Leonzia Franco
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1 Vittorio BUCCI Progetto di impianti di propulsione navale 4.4 SISTEMAZIONE A BORDO Anno Accademico 2017/2018 1
2 Motori diesel 2T Interfacce con il sistema nave Ogni motore installato a bordo ha sostanzialmente quattro tipologie di interfacce con la nave, precisamente: Trasmissione potenza: collegamento meccanico diretto con la linea d alberi; Meccanica: con la struttura di fondazione e con la struttura di scafo; Idraulica e/o pneumatica: collegamenti tubazioni di tutti i fluidi di servizio, in entrata e in uscita, e tubazioni gas di scarico; Elettrica e/o pneumatica: connessioni con l automazione di bordo per il completo monitoraggio, il controllo e gli allarmi relativi ai parametri di funzionamento; La trasmissione di potenza, l interfaccia idraulica e quella elettrica saranno esaminate nei capitoli dedicati; L interfaccia meccanica può essere divisa in due tipologie: Collegamento con la struttura di fondazioni che vincola il motore e trasmette allo scafo la spinta dell elica; Collegamento del corpo cilindri del motore con le strutture di scafo per evitare le vibrazioni laterali del motore; In questo capitolo si esaminerà soltanto il collegamento del basamento motore con la struttura di fondazioni mentre il collegamento superiore del corpo cilindri con lo scafo sarà illustrato in uno dei capitoli successivi. Data: 15/01/2007 1
3 Motori diesel 2T Basamento motore Wärtsilä Il basamento motore è una struttura scatolare fusa/saldata che si integra con la struttura di fondazione (doppio fondo della nave); Deve essere sufficientemente rigida per sopportare il peso del motore, per resistere alle azioni dinamiche interne del motore (forze e momenti), per resistere alle deformazioni imposte dalle fondazioni e per trasmettere la spinta dell elica; La spinta dell elica per mezzo del reggispinta è trasmessa alle fondazioni o attraverso le Thrust brackets (motori della penultima generazione) o con manicotti calibrati, soluzione dei motori attuali; La massima inclinazione longitudinale ammissibile di installazione del motore è generalmente di 3. Data: 15/01/2007 2
4 Motori diesel 2T Basamento motore Wärtsilä Utilizzando le Thrust brackets, il motore può essere installato sulle fondazioni con l interposizioni di zappoli o metallici (ghisa o acciaio) o di resina epossidica. Utilizzando i manicotti calibrati, il motore è installato sulle fondazioni con l interposizione di zappoli in resina epossidica. Data: 15/01/2007 3
5 Motori diesel 2T Basamento motore Wärtsilä Dettaglio tirante e manicotto calibrato Data: 15/01/2007 Il notevole vantaggio di tale soluzione è di poter eseguire le fondazioni piane (senza inclinazione trasversale di 1:100) e non lavorate, e di preforarle, o con foratura o con taglio di fiamma, prima di installare il motore; Il Thrust sleeve è un manicotto calibrato sul basamento motore ed fornito dal costruttore del motore; Gli zappoli sono realizzati in resina epossidica e includono anche il manicotto che trasmette la spinta dell elica; Il tirante di fondazione nella parte inferiore deve essere serrato con un dado/rondella a contatto sferico per compensare le inevitabili differenze di parallelismo tra i due piani inferiore e superiore di appoggio dei dadi 4
6 Motori diesel 2T Basamento motore Wärtsilä Data: 15/01/2007 5
7 Motori diesel 2T Dettaglio reggispinta motore MAN/B&W S50MC-C Thrust Data: 15/01/2007 6
8 Motori diesel 2T Dettaglio fondazioni motore MAN/B&W serie MC Data: 15/01/2007 7
9 Motori diesel 2T Pianta fondazioni motore MAN/B&W serie MC Data: 15/01/2007 8
10 Motori diesel 2T- Sistemazioni Interfacce con lo scafo 1. Superfici al contorno: doppio fondo, fasciame, ponte superiore, paratie poppiera e prodiera, cofano e fumaiolo; 2. Piano di costruzione; 3. Geometrie fondamentali: campi ossature trasversali e longitudinali,ordinate rinforzate ecc.; 4. Strutture speciali: rampe, portelloni ecc.; 5. Continuità strutture provenienti dalla zona carico, sovrastrutture, zona poppiera: puntellature, copertini, correnti, pareti longitudinali ecc.; 6. Cielo del doppiofondo e posizione dell elica, configurazione dell astuccio; 7. Condotte scarichi gas, prese e scarichi ventilazione locale apparato motore (LAM); 8. Locale diesel alternatore di emergenza (DAE); 9. Ingresso in apparato motore da zona alloggi; 10. Ascensore e montacarichi; 11. Sfuggite tagliafuoco e poppiera; 12. Garitta e locale pompa emergenza; 13. Osteriggio imbarco/sbarco e relativo mezzo di sollevamento fuori apparato motore; 14. Trunk tubazioni e cavi elettrici; 15. Pompe del carico e della zavorra (per navi cisterna e trasporto prodotti chimici); 16. Collettori zavorra e posizione pompe (per navi tipo bulk). Data: 15/01/2007 1
11 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 5RTA62U Data: 15/01/2007 2
12 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 5RTA62U Data: 15/01/2007 3
13 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 5RTA62U Data: 15/01/2007 4
14 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 5RTA62U Data: 15/01/2007 5
15 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 5RTA62U Data: 15/01/2007 6
16 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 5RTA62U Data: 15/01/2007 7
17 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 5RTA62U Data: 15/01/2007 8
18 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 5RTA62U Data: 15/01/2007 9
19 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 7RTA84C Data: 15/01/
20 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 7RTA62U M/N Ro-Ro Container Data: 15/01/
21 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 8RTA62UB M/N Ro-Ro Carrier Pianta bassa Data: 15/01/
22 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 8RTA62UB M/N Ro-Ro Carrier Pianta alta Data: 15/01/
23 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 8RTA62UB M/N Ro-Ro Carrier Sezione longitudinale Data: 15/01/
24 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 8RTA62UB M/N Ro-Ro Carrier Data: 15/01/2007 Sezione trasversale 15
25 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 7RT-Flex50 Nave cisterna con elica a passo variabile, inusuale per tale applicazione ma scelta per la classe ghiacci; Il motore si avvia con elica a passo nullo. Quindi la pala presenta il suo profilo nel senso di rotazione ed è molto più resistente agli urti con eventuali ghiacci. Sezione longitudinale Data: 15/01/
26 Motori diesel 2T- Sistemazione motore 7RT-Flex50 Comando passo Manicotti flangiati tipo SKF Cuscinetto Data: 15/01/2007 Dettaglio sezione longitudinale 17
27 Motori diesel 2T- Sistemazione motori delle SCV Gli impianti propulsivi delle navi mercantili sono per la maggior parte mono-motori, come quelli finora esaminati; Dagli anni 50 e fino all inizio degli anni 70, furono realizzati anche impianti bimotori, principalmente per navi passeggeri senza particolari esigenze di livelli di rumorosità nelle cabine e nelle sale pubbliche; Attualmente, per ragioni di sicurezza e per ridurre i rischi di disastri ambientali è richiesta una piena ridondanza del sistema propulsivo per navi cisterne e trasporto di prodotti chimici in generale; Piena ridondanza si intende che la nave deve essere in grado di mantenere una velocità maggiore di 6 nodi (velocità di steering) in condizioni di vento e mare Beaufort 8, con solo il 50% della potenza nominale disponibile per la propulsione; Tale ridondanza richiede pertanto due impianti propulsivi completamente separati, con i motori sistemati in due sale macchine, e ciascuno motore dotato di ausiliari, linea d alberi, elica e timone indipendenti; Tale soluzione bi-motore è molto spesso adottata anche per navi porta containers molto grandi (SCV), con oltre TEU e velocità di 25 nodi, per le quali è richiesta una potenza installata superiore a quella di un solo motore. La sezione trasversale di tale tipologia di navi è rappresentata nella pagina successiva. Data: 15/01/
28 Motori diesel 2T- Sistemazione motori di una SCV Sezione trasversale di una Super Container Vessel Data: 15/01/
29 Motori diesel 2T- Sistemazione motori di una SCV Sezione longitudinale di una Super Container Vessel Data: 15/01/
30 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria La potenza elettrica è normalmente generata a bordo da uno o più dei seguenti sistemi che possono funzionare isolati o in parallele tra loro: Gruppi diesel-alternatori ; Alternatori asse trascinati dal motore principale per mezzo di P.T.O. (Power Take Off); Turbo-generatori a gas di scarico, spillato dal motore principale, o a vapore prodotto dalla caldaia a gas di scarico; Gruppi diesel-alternatori di emergenza: Le navi più semplici, con servizio su rotte brevi e senza particolari esigenze energetiche hanno almeno un gruppo diesel-alternatore di emergenza, che volge la sua funzione di alimentare le utenze per la sicurezza nave e gli ausiliari necessari per far ripartire i motori in caso di black-out, e due o più gruppi diesel-alternatori per alimentare i servizi di bordo; La scelta di installare a bordo uno o più alternatori asse e turbo-generatori che funzionano in parallelo con i diesel-alternatori è dettata da: Richieste di energia su navi particolari per il sistema di condizionamento, il carico refrigerato, gli ausiliari di macchina ecc.; Obiettivi di risparmio energetico che stimolano il recupero di energia dai gas di scarico per aumentare il rendimento globale dell impianto propulsivo. 1
31 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Lo schema più completo di generazione di energia con recupero dai gas di scarico proposto dalla Wärtsilä è rappresentato nella figura seguente: 2
32 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Con la configurazione dell impianto di recupero della precedente figura, dotato di un motore tipo 12RT-Flex 96C, è possibile ottenere il seguente incremento di rendimento: 3
33 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Una configurazione simile della generazione di energia con un impianto di recupero è proposta dalla MAN B&W secondo il seguente schema: 4
34 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Con la configurazione dell impianto di recupero della precedente figura, per un impianto con il motore 12K98ME/MC è possibile ottenere il seguente incremento di rendimento: 5
35 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Tali sistemi hanno tre generazioni ausiliarie di energia, precisamente: Una turbina a gas di scarico e una turbina a vapore funzionanti a velocità costante e collegate ad un riduttore di velocità, che trascina un alternatore connesso in parallelo direttamente sulla rete di bordo; Un alternatore asse sistemato sulla linea d alberi funzionante a velocità variabile e connesso alla rete di bordo per mezzo di un convertitore di frequenza a tiristori; La configurazione più idonea dell impianto è scelta in base alle esigenze operative, alle valutazioni economiche dell investimento, dei costi operativi e di manutenzione; La generazione ausiliaria di energia era molto conveniente economicamente fino alla fine degli anni 80 quando i gruppi diesel-alternatori funzionavano a gasolio o MDO, mentre il motore principale funzionava a HFO IFO 380, combustibile molto più economico; Con i gruppi diesel-alternatori che funzionano con lo stesso HFO del motore principale, con la produzione di vapore della caldaia gas di scarico sempre di più utilizzata per i servizi di bordo, principalmente riscaldamenti, e con l abbandono dei turbo-generatori a gas di scarico per la bassa affidabilità di esercizio, l energia ausiliaria di bordo è oggi praticamente quasi esclusivamente prodotta da alternatori asse comandati direttamente dal motore principale tramite una PTO, con potenze variabili tra 800 e 1650 kw. 6
36 Impianti di propulsione navale Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Le soluzioni adottate per produrre energia con gli alternatori asse si possono dividere in tre categorie, seguendo di massima la schematizzazione proposta dalla MAN B&W, precisamente: PTO con alternatore senza controllo di velocità o frequenza: è un semplice alternatore o installato direttamente sulla linea d alberi o comandato da un moltiplicatore di velocità, che può essere installato o sulla linea d alberi o direttamente sul motore, generalmente lateralmente a proravia. E utilizzato a velocità costante per produrre energia a frequenza costante e pertanto il motore principale deve essere accoppiato ad un elica a passo variabile per mantenere costante la velocità durante il servizio. Tale alternatore non è idoneo a funzionare in parallelo con i gruppi dieselalternatori per un lungo periodo, a causa delle inevitabili fluttuazioni di velocità del motore principale anche nel funzionamento a velocità costante. E utilizzato pertanto come unica fonte di produzione dell energia durante i viaggi di lunga durata, con i diesel-alternatori fermi o in stand-by. Durante le manovre, può essere utilizzato come fonte separata di energia per alimentare le eliche trasversali, le quali possono funzionare a frequenza variabile, con i gruppi diesel-alternatori che alimentano tutte le altre utenze di bordo. Il rendimento di questa soluzione è circa 90 92%, ma si devono considerare per il funzionamento a velocità costante la minore efficienza dell elica e il rendimento termico più basso del motore rispetto al funzionamento in combinata. 7
37 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria PTO con alternatore con controllo elettro-meccanico di velocità o frequenza: la velocità dell alternatore è mantenuta costante da un moltiplicatore di velocità epicicloidale, sviluppato dalla società Renk, il cui principio di funzionamento è illustrato nella seguente figura: 8
38 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria La corona esterna del riduttore, a doppia dentatura interna ed esterna, può ruotare in entrambe le direzioni per mezzo di un sistema pompa-motore idrostatici controllati da un unità di controllo elettronica. Il controllo elettronico rileva continuamente la velocità dell albero di uscita e in presenza di una variazione della velocità dell albero di entrata modifica opportunamente la velocità della corona, agendo sul sistema pompa-motore, in modo da mantenerla costante. Il riduttore permette di mantenere costante la velocità dell albero di uscita fino ad una variazione del 30% della velocità dell albero di entrata: E normalmente regolato in modo da mantenere costante la velocità dell albero di uscita per una velocità del motore tra il 70 e il 100% della velocità nominale. Il riduttore è sempre dotato di una frizione a dischi, installata sull albero di entrata, che permette di inserire e disinserire il sistema in funzione delle necessità operative dell impianto. Con tale sistema, l alternatore è in grado di funzionare in parallelo con i dieselalternatori e può essere installata un elica a pale fisse. Il sistema è dotato di un controllo automatico di tutte le funzioni necessarie a garantire l operatività e la protezione (allarmi e disinserimento frizione). Il rendimento elettro-meccanico totale varia tra 88 e 91% in funzione della velocità dell albero di ingresso. 9
39 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria PTO con alternatore con controllo elettronico della frequenza: l alternatore genera potenza elettrica a frequenza variabile che poi per mezzo di un convertitore statico di frequenza a tiristori è convertita a frequenza costante. L alternatore può essere istallato o a poppavia del motore, con il rotore integrato in un albero intermedio, o all estemità libera del motore, come indicato nella seguente figura: 10
40 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria La soluzione con il rotore parte integrante di un albero intermedio è molto più utilizzata in quanto non aumenta l ingombro longitudinale del motore In passato sono stati installati anche alternatori comandati da un moltiplicatore di velocità e dotati di un sistema elettronico integrato per mantenere costante la frequenza della potenza elettrica. Il vantaggio di tale soluzione è che non richiede il convertitore statico di frequenza ma ha il grande svantaggio di utilizzare almeno un giunto elastico, una frizione opzionale, e un moltiplicatore di velocità, organi molto costosi. Per tale motivo non sono quasi più utilizzati. L alternatore è in grado di funzionare in parallelo con i diesel-alternatori ed eroga la potenza nominale per una variazione di velocità compresa nel campo ra il 75 e il 100% della velocità nominale del motore. La potenza erogata si riduce proporzionalmente al di sotto del 75% della velocità fino ad un valore di circa il 50% della nominale tra il 40 e il 50% della velocità. L impianto può essere dotato di un elica a pale fisse o a passo variabile, e la scelta non dipende dalla presenza dell alternatore ma dalle esigenze operative e di manovra della nave. Il rendimento totale di questa soluzione varia tra l 84 e il 90% in funzione della velocità di rotazione del motore e della potenza erogata, con il rendimento minimo a bassa velocità e potenza. 11
41 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 1: Alternatore asse installato all estremità libera del motore e dotato di un convertitore statico di frequenza a tiristori Il convertitore statico di frequenza è composto da una parte statica, sistema controllo e tiristori, e da una macchina elettrica rotante, il condensatore sincrono che è in pratica un semplice alternatore sincrono. Tale condensatore o alternatore è necessario per fornire potenza reattiva in quanto il convertitore utilizza corrente continua (DC) tra le due conversioni di frequenza e non è in grado di fornire tale potenza reattiva. 12
42 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 2: Alternatore asse installato sulla linea d alberi a poppavia del motore. Il rotore è integrato nell albero intermedio. 13
43 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 3: Sezione di un alternatore asse installato sulla linea d alberi. 14
44 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 4: Vista di un rotore di un alternatore asse installato sulla linea d alberi. 15
45 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 5: Alternatore asse installato all estremità libera del motore e trascinato da un moltiplicatore di velocità di costruzione Flender: 16
46 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 6: Alternatore asse installato all estremità libera del motore e trascinato da un moltiplicatore di velocità di costruzione Renk: 17
47 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 7: Alternatore asse installato all estremità libera del motore e trascinato da un moltiplicatore di velocità epicicloidale di costruzione Renk: 18
48 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 8: Alternatore asse installato a poppavia del motore e trascinato da un moltiplicatore di velocità del tipo shaft tunnel gear di costruzione Renk: 19
49 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 9: Vista laterale schematica di un impianto con alternatore asse installato a poppavia del motore e trascinato da un moltiplicatore di velocità del tipo shaft tunnel gear di costruzione Renk: 20
50 Motori diesel 2T Generazione di potenza elettrica ausiliaria Esempio 10: Vista laterale e sezione di un moltiplicatore di velocità del tipo shaft tunnel gear di costruzione Renk: 21
51 Motori diesel 2T Installazione a bordo Lo scopo di quest ultimo capitolo sui motori 2T è quello di dare alcune semplici e sintetiche informazioni in merito all installazione del motore a bordo e dei suoi collegamenti con le strutture di scafo, precisamente: Ingombri, masse e schemi sollevamenti; Schemi dei grigliati di camminamento intorno al motore; Viti di livellamento per l allineamento; Collegamento con la linea d alberi; Zappolatura e collegamento con le fondazioni; Installazione degli ancoraggi trasversali. 1
52 Motori diesel 2T Installazione a bordo Vista trasversale del motore 8RTA62U-B 2
53 Motori diesel 2T Installazione a bordo Vista laterale del motore 8RTA62U-B 3
54 Motori diesel 2T Installazione a bordo Pianta del motore 8RTA62U-B 4
55 Motori diesel 2T Installazione a bordo Pesi della serie motori tipo RTA62U-B Peso motori e turbosoffianti ABB Peso dei fluidi contenuti nel motore 5
56 Motori diesel 2T Installazione a bordo Schema smontaggi del motore RTA62U-B 6
57 Motori diesel 2T Installazione a bordo Vista trasversale dei grigliati e delle scale del motore RTA62U-B 7
58 Motori diesel 2T Installazione a bordo Pianta dei grigliati superiori del motore 8RTA62U-B 8
59 Motori diesel 2T Installazione a bordo Pianta dei grigliati intermedi del motore 8RTA62U-B 9
60 Motori diesel 2T Installazione a bordo Viste laterale e trasversale del motore RTA62U-B sulle fondazioni 10
61 Motori diesel 2T Installazione a bordo Dettaglio della sezione trasversale del motore RTA62U-B sulle fondazioni 11
62 Motori diesel 2T Installazione a bordo Dettaglio dei tiranti di collegamento motore-fondazioni Tiranti con manicotto calibrato Tirante calibrato Zappolatura in resina epossidica di spessore mm 12
63 Motori diesel 2T Installazione a bordo Dettaglio riscontri laterali e loro disposizione in pianta per il motore 8RTA62U-B Pianta Vista trasversale in dettaglio 13
64 Motori diesel 2T Installazione a bordo Pianta della disposizione zappoli del motore 8RTA62U-B 14
65 Motori diesel 2T Installazione a bordo Riepilogo dati zappolatura in resina del motore 8RTA62U-B Riepilogo carichi sulla zappolatura del motore 8RTA62U-B: Peso motore: P= kg Area superficie resina: S= cm 2 Pressione specifica statica dovuta al peso: p sp =9,81xP/100xS= 0,925 N/mm 2 Forza di serraggio di ogni tirante: F s = 320 kn Forza totale di serraggio: F st =56x320= kn Pressione specifica dovuta al serraggio: p ss =1000xF st /100xS= 3,52 N/mm 2 Pressione specifica totale: p st =p sp + p ss = 4,44 N/mm 2 15
66 Motori diesel 2T Installazione a bordo Sistemi di allineamento per il motore RTA62U-B Il motore viene allineato in verticale per mezzo di viti di livellamento disposte a coppia per ogni cilindro, uno per ciascun lato, più una coppia per ogni estremità. Ne risulta che sul motore a 8 cilindri ci sono 20 viti, come nella figura di sinistra; In alternativa si possono utilizzare, sempre per il motore a 8 cilindri, n. 6 martinetti idraulici, come nella figura di destra, disposti tra i cilindri 1-2, 4-5 e
67 Motori diesel 2T Installazione a bordo Collegamento albero a manovelle-linea d alberi per il motore RTA62U-B E un collegamento molto importante in quanto trasmette la coppia motrice, le fluttuazioni di coppia generate dalle vibrazioni torsionali e la spinta assiale in marcia indietro; Le flangie sono forate a controllo numerico con una tolleranza molto stretta sulla posizione del centro dei fori, i quali sono finiti con tolleranza H7 sul diametro; I bulloni sono lavorati finiti con tolleranza g6 sul diametro; L accoppiamento finale ha le seguenti tolleranze: Foro: ,035 / - 0; Bullone: 105-0,012 / -0,034; Gioco minimo: 0,012 mm; Gioco massimo: 0,069 mm; 17
68 Motori diesel 2T Installazione a bordo Ancoraggi della parte alta del motore alle strutture di scafo Come è stato già illustrato, al fine di ridurre le vibrazioni in direzione trasversale e longitudinale, il motore è vincolato alle alle strutture di scafo mediante travi laterali, che possono essere a frizione o del tipo idraulico, e longitudinali a frizione; Le travi idrauliche lavorano solo in compressione e quindi devono essere installate su entrambi i lati del motore; Le travi a frizione possono lavorare sia a trazione sia a compressione e quindi possono essere installate su un solo lato; Entrambi i sistemi reagiscono in modo rigido agli spostamenti indotti dalle vibrazioni ma consentono spostamento relativi quasi statici tra motore e strutture di scafo per compensare le inevitabili deformazioni dello scafo in funzione delle condizioni di carico; 18
69 Motori diesel 2T Installazione a bordo Dettagli del sistema di ancoraggio trasversale idraulico Pianta Sezione Vista laterale del sistema idraulico 19
70 Motori diesel 2T Installazione a bordo Dettagli del sistema di ancoraggio trasversale e longitudinale a frizione Pianta Sezione Vista in pianta del sistema a frizione 20
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