Ministero dell Istruzione dell Università e della Ricerca ESAME DI STATO DI ISTITUTO TECNICO NAUTICO 2010 CORSO SPERIMENTALE Progetto NAUTILUS Indirizzo : APPARATI E IMPIANTI MARITTIMI Tema di : MACCHINE E DISEGNO Una nave cisterna, adibita al trasporto di nafta pesante, viene propulsa da due motori Diesel a 2 tempi ad otto cilindri in linea del tipo a corsa lunga, che forniscono la potenza effettiva N eff = 970 KW /cil al regime di n = 2,35 giri/s. La pressione media effettiva dei motori è data da p me = 12,98 bar Allo svuotamento di una cisterna del volume V = 700m 3 provvedono due pompe centrifughe con prevalenza H = 92 m. Le tubazioni dell impianto di discarica, con diametro interno D =150 mm, consentono una velocità massima del fluido W = 8,5 m/s. Il candidato, dopo aver assunto con motivato criterio i dati ritenuti necessari, esegua il dimensionamento di massima dei motori di propulsione della nave, e calcoli: - il rendimento termico effettivo; - il consumo orario di combustibile; - la potenza effettiva di ciascuna pompa; - il tempo necessario per la discarica di una sola cisterna. Il candidato, infine, esegua uno schizzo a mano libera dell apparato motore.
Ipotesi di svolgimento Dimensionamento di massima Dall espressione della potenza al freno in funzione della pressione media effettiva di un cilindro data da: 3.33 N eff = ------- p me * Vcg * n è possibile ricavare il volume della cilindrata geometrica unitaria t N eff t 2 * 970 KW V cg = ---------------- = ------------------------------ = 0,3183 m 3 / cil 3.33 p me n 3.33 * 12,98 bar * 141 3 3 D 3 4 V cg 4 * 0,3183 Si ha poi V cg = ---------- * da cui D = ----------- = -------------- = 0,5021 m 4 * 3,2 dove = C / D si è assunto pari a 3,2, essendo il motore in esame a 2T a corsa lunga. La corsa, invece, è ottenuta dalla : C = D = 3,2 * 0,5021 = 1,606 m. Segue la verifica tramite il calcolo della velocità media dei pistoni W m = 2 C n / 60 2 * 1,606 * 141 W m = -------------------- = 7,54 m/s valore a norma perché nei motori a 2T è compresa 60 tra 6 9 m/s Per inciso i motori della serie L 50 MC della MAN, progettati per funzionare in condizioni di MCR, hanno caratteristiche molto simili a quelle dei motori in oggetto: disponibili in 4 8 cilindri in linea, = 3.24, D = 500mm, n = 141 giri/min, N eff / cil = 970 KW. Consumo orario di combustibile. Bruciando un combustibile con potere calorifico ISO standard pari a 42700 KJ/Kg e assumendo un c s = 0,168 Kg/KWh si ottiene un consumo orario per ogni motore pari a:. m c = c s * N eff = 0,168 Kg/KWh * 970 KW * 8 = 1303,68 Kg/h = 0,3621 Kg/s Rendimento termico effettivo. Per rendimento termico effettivo si intende la percentuale della potenza sviluppata dal combustibile, N d = m c * H i, che si trasforma in potenza utile N eff 7760 KW eff = ----. -------- = ------------------ = 0,501 valore ammissibile perché per i motori in esame m c H i 15463,09 KW il eff è incluso tra 48 52%
Potenza effettiva di ciascuna pompa Innanzitutto si ipotizza per la movimentazione del carico, anche se non richiesto, il seguente schema seguito da un breve commento. La pompa oleodinamica trascinata dal motore Diesel fa circolare nell impianto una portata costante di olio. L olio entra nei motori idraulici unidirezionali che azionano direttamente le pompe centrifughe e, poi, attraverso la tubazione di ritorno arriva nuovamente all aspirazione. Sulla tubazione di mandata della pompa è montata una valvola di non ritorno e lateralmente alla tubazione di mandata è derivata la tubazione della valvola di sicurezza e la linea by-pass per la protezione della pompa e del circuito da possibili sovraccarichi.
Sulla condotta di aspirazione è montato un filtro meccanico-magnetico con le valvole di intercettazione onde permettere l estrazione della cartuccia del filtro per la pulizia periodica. A monte di ciascun motore idraulico è inserito una valvola limitatrice di portata che serve per regolare la velocità dell attuatore. È presente, infine un gruppo di sovralimentazione che provvede a reintegrare tutte le perdite volumetriche del circuito ed evitare la cavitazione della pompa. Per potenza effettiva si intende la potenza meccanica assorbita all asse della pompa e si determina mediante la :. g V H N ass = ------------------ KW dove p 10 3 = 990 Kg/m 3 ( massa volumica della nafta pesante ) g = 9,81 m/s 2 ( accelerazione di gravità ) H = 92 m ( prevalenza ) p = 0,78 ( rendimento totale pompa ). D 2 V = A * W = --------- W = 0.150 m 3 /s = 540 m 3 / h ( portata volumetrica ) 4 W = 8,5 m/s ( velocità massima del fluido ) D = 150 mm ( diametro interno tubazione ) per cui 990 * 9,81 * 0,150 * 92 N ass = ---------------------------- = 171 KW 780 Tempo di discarica Il tempo occorrente per la discarica di ogni cisterna è data dal rapporto tra il volume del carico della cisterna e la portata volumetrica delle due pompe centrifughe in essa immerse: V 700 m 3 t = --- -.---- = --------------- = 0,648 h V 2 * 540 m 3 / h Tale durata potrà essere realizzata nell ipotesi che la nave sia dotata di doppio fondo e quindi ogni pigna di aspirazione prelevi il carico dal pozzetto sistemato a poppa di ogni cisterna e nell ipotesi che si mantenga nella fase finale della discarica la nave opportunamente appoppata. In tal modo essendo il fondo della cisterna libero da strutture trasversali e longitudinali non ci saranno ostacoli al flusso del carico verso la pigne di aspirazione delle pompe, che potranno funzionare alla massima portata per l intera discarica. Schema apparato motore Si può ritenere che nella nave sia utilizzata una trasmissione monoelice oppure a due eliche, a pale orientabili. Si riporta uno schizzo riferita alla prima soluzione. Dato che la velocità di rotazione dei motori a 2T va da un minimo di 60-70 giri/min ad un massimo di 250 giri/min e tenendo presente che per diversi tipi di navi la velocità di rotazione dell elica è compresa nell intervallo suddetto, nel
collegamento motore - elica è assente il riduttore. I pignoni dei motori affiancati ingranano direttamente con la ruota dentata condotta che non interviene a modificare il numero dei giri. 1) motore 5) cuscinetto reggispinta 2) giunto 6) cuscinetto portante 3) pignone 7) astuccio 4) ruota condotta Il collegamento tra motore ed elica viene realizzato con la cosiddetta linea d assi. Essa è formata da più assi ( o tronchi ) consecutivi ed opportunamente accoppiati tra loro. Il primo verso poppa è il tronco porta-elica come rappresentato in figura. Detto tronco, racchiuso in un apposito astuccio, va dall elica fino all uscita della paratia del pressatrecce; quest ultimo ha lo scopo di impedire l ingresso dell acqua di mare all interno ed è costituito da un manicotto di tenuta che comprime idonee guarnizioni di tipo elastico. Al tronco porta-elica sono collegati mediante giunti uno o più tronchi intermedi, sino all ultimo tronco destinato, tramite il cuscinetto di spinta, a trasmettere la spinta stessa alla struttura dello scafo. I tipi più comuni di accoppiatoi sono i giunti a flange, i quali nella soluzione rappresentata sono di pezzo con l albero e quindi impedirebbero di sfilare il tronco portaelica da poppa. Le flange sono tenute unite da un certo numero di bulloni serrati in modo adatto. Se invece si desidera poter sfilare il tronco portaelica da poppa si ricorre ai giunti a gusci. Le estremità dei due tronchi da accoppiare sono pressate da due gusci serrati da due coppie di bulloni, con le teste e dadi alloggiati in apposite nicchie ricavate sulla superficie laterale dei gusci stessi. Le estremità dei tronchi presentano delle scanalature longitudinali dove sono sistemate chiavette necessarie alla trasmissione del moto rotatorio. Lungo la linea d assi vi sono i cuscinetti portanti i quali sostengono il peso della linea d assi stessa, e il cuscino reggispinta con il compito di trasmettere allo scafo la spinta dell elica.
Di solito sono impiegati due cuscini per ogni tratto della linea d assi non superiore ad 8 metri. In tutti i moderni impianti navali è da tempo è utilizzato l uso dei reggispinta tipo Mitchell, nei quali una delle due superfici attive attraverso cui avviene la trasmissione della spinta è in grado di orientarsi in relazione al regime di funzionamento 1) Ruota dentata 6) Cuscini portanti 11) Cuscini portanti albero portaelica 2) Collare di spinta 7) Albero portaelica 12) Flange di accoppiamento 3) Cuscino di spinta 8) Tenute astuccio 13) Albero intermedio 4) Paratia 9) Elica 14) Albero di spinta 5) Pressatrecce paratia 10) Timone 15) Doppio fondo 15 1 Tronco portaelica 1) Elica 4) Pressatrecce 2) Astuccio 5) Collare di sicurezza 3) Paratia pressatrecce 6) Accoppiatoio
Giunto a flange Giunto a gusci A) Guscio B) Bullone C) Nicchia D) Chiavetta
Supporto portante Cuscino portante 1) Anello rotante 2) Pattino oscillante 3) Basamento Testo consultato : DELLA VOLPE Impianti motori per la propulsione navale Il professore Saba Leonardo