La propulsione navale

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1 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) P eff Pprop = η η e m Rendimento dell elica η e Perdite di natura meccanica lungo la linea d assi (η m ) Corso di Macchine II Formula dell Ammiragliato: D v P = K D: dislocamento della nave in tonnellate v: velocità della nave in nodi (miglia/h) K: coefficiente variabile tra 300 e 500 dalle medie alle grandi navi mercantili L acqua viene accelerata mediante un elica che funziona come una macchina operatrice comunicando al fluido energia cinetica L accelerazione del fluido determina una spinta in senso contrario sull organo che ha prodotto la variazione di velocità La spinta si trasmette alla nave mediante un cuscino reggispinta L elica è formata da due o più pale, opportunamente sagomate La velocità relativa del liquido non può superare certi valori oltre i quali si verifica il distacco della vena fluida con aumento delle perdite, diminuzione del rendimento dell elica e fenomeni di cavitazione All aumentare della potenza richiesta si ha una graduale riduzione della velocità di rotazione dell elica: grandi navi passeggeri rpm navi più piccole 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

2 PROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE ingresso vapore V V V T T T apparato di distribuzione ruota regolata V T: turbina principale T : turbina di crociera T : turbina di extracrociera scarico vapore PROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE - impianti con semplice surriscaldamento (T 0 =500 C); - pressioni in caldaia non molto elevate (40-60 bar); Il rapporto di riduzione giri turbina/giri elica è molto elevato: - le turbine azionano generatori elettrici e la corrente prodotta è usata per alimentare motori elettrici collegati all albero porta elica (trasmissione elettrica) - libertà di disposizione dei motori - facilità nelle manovre di arresto, partenza e inversione - trasmissione meccanica - più economica, silenziosa, leggera ed efficiente - necessità di disporre di una turbina principale per la marcia avanti (MAV) e una turbina più piccola per la marcia addietro (MAD) PROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS Si utilizzano nel settore militare: - rapidità di avviamento e ingombro modesto; - in cicli combinati con motore diesel: - CODOG (combined diesel or gas): il motore diesel assicura l andatura di crociera e la turbina a gas interviene per l andatura di tutta forza; - CODAG (combine diesel and gas): il motore diesel funziona per la crociera mentre a tutta forza sono in funzione sia il diesel sia la turbina a gas L inversione di marcia è realizzata con eliche a passo invertibile oppure con speciali giunti inversori Le turbine utilizzate sono derivata da adattamenti di versione aeronautiche

3 PROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS PROPULSIONE CON MOTORI DIESEL PROPULSIONE CON MOTORI DIESEL Sono i più utilizzati grazie alle elevate efficienze (bassi consumi) Il motore può girare in entrambi i versi di rotazione (dotando il motore di due serie di camme per il controllo dell iniezione e delle valvole) L accoppiamento è diretto (motori 2T) oppure indiretto (motori 4T) a seconda delle potenze richieste Il collegamento meccanico è realizzato con appositi giunti in grado di assorbire le vibrazioni caratteristiche del funzionamento del motore alternativo La sovralimentazione è sempre utilizzata (turbogruppo) Il principio di funzionamento è lo stesso dei motori per autotrazione ma presentano notevoli differenze costruttive I motori 2T sono dotati di testacroce e hanno maggiori ingombri medium speed low speed

4 Obiettivi strategici: Affidabilità Bassi costi di progetto Installazione facile ed economica Bassi costi di funzionamento Basse emissioni di NOx Consumi minimi 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 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. 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. 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.

5 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 NO x Per ridurre le emissioni di NO x 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.

6 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: 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 NO X 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

7 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.

8 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 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 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 L iniezione del combustibile 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 L iniezione del combustibile 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 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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10 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

11 Riduzione del fumo: ottimizzazione del timing di iniezione e della pressione di alimentazione qualità del combustibile e del lubrificante iniettori mini-sac sistema di iniezione common rail filtro dei gas di scarico (alti costi e ingombri)

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