La rugosità nell’ingegneria navale

Università degli studi di Trieste

Facoltà di Ingegneria

Esame: Tecnologia Meccanica

Studenti:

Suhadolc Matjaž

Di Francesco Patrizio

Introduzione

Rugosità Nave

Rugosità Modello e Nave

• Cos’ è ?

• Perché è importante ?

• Aspetti economici

• Tecniche di misura I.T.T.C. e B.S.R.A.

Rimedi

Strumenti di misura • Rugosimetri digitali

• Vernici antivegetative

• Bacini di carenaggio

• Insuflazione d’aria

Rugosità elica • Misura e importanza

Rugosità Nave

Rugosità iniziale • Finitura superficiale lamiere

• Saldature fasciami

Rugosità progressiva

•attacco e crescita di organismi animali e vegetali (Fouling)•fenomeni corrosivi•deformazioni da cause accidentali (impatti, strisciature)•distacchi tra le diverse mani di pittura applicate in carenaggi successivi•discontinuità della superficie legata alle saldature•disomogeneità di applicazione delle pitture•modifica della struttura del film di vernice antivegetativa durante l’esercizio

Tecniche di misura

1) Il metodo del NSFI (Norwegian Ship Research Institute) consiste nel confrontare a vista la superficie rugosa considerata con un’altra superficie rugosa assunta come campione. A questo scopo il NSFI ha definito una serie di campioni.

2) Il metodo del B.S.R.A. (British Ship research Association) si avvale di misure dirette su più punti della carena per la stima della altezza media tra picchi e valli con strumenti digitali.

Vantaggio: semplicità e basso costo delle operazioni

Svantaggio: necessità di periti esperti e soggetività della stima

Strumenti di misuraUn rugosimetro particolarmente usato nel campo navale è il Hull Roughness Analyser del British Maritime Technology.

Modulo elaborazione dati

Carrello con rilevatore

Stylus sferico (Tester)

Misura della rugosità B.S.R.A.

Dall’elaboratore dati

Essendo la superficie di carena molto estesa di dimensione si procede normalmente a rilevare la rugosità in punti diversi della stessa eseguendo da 80 a 150 registrazioni (record). Ogni record è composto da 7 o 15 intervalli di 50 mm.

Altezza media picco-valle dell’intervallo KSi

Registrazione rugosità

Misura della rugosità B.S.R.A.I rilievi sono eseguiti secondo uno schema preciso poiché diverse zone hanno rugosità differenti.

Il numero di misure effettuate su tutti gli intervalli aumenta al crescere della rugosità e della approssimazione voluta nella misurazione. Le esperienze del B.S.R.A. indicano che occorrono da 500 a 2000 misure dei Ksi per avere un dato affidabile.

Diagrammi di distribuzione della rugosità

Distribuzione di Reyleigh

Diagrammi di distribuzione della rugosità

Distribuzione di Gauss

Architettura Navale

I.T.T.C. (International Towing Tank Conference)

Prove in Vasca

• Prova di rimorchio

• Prova di elica isolata

• Prova di autopropulsione

RisultatiParametri di progetto

• Potenza effettiva

• Velocità

• Rendimento elica

• Indici di SeakeepingMetodi di trasferimento

• I.T.T.C. 57’• I.T.T.C. 78’

Prova di Rimorchio1) Preparazione modello

2) Serie di corse

3) Misura resistenza al moto

4) Analisi risultati

• Metodo di Froude

Fasi:

5) Trasferimento dati al vero• I.T.T.C. 57’• I.T.T.C. 78’

Metodo di Froude

( ) ( )T M FM eM RM nMR R R R F

e

V LR

n

VF

g L

Numero di Reynolds

Numero di Froude

Viscosità cinematica

RTM : resistenza totale modello

RFM : resistenza d’attrito di una lastra piana equivalente

RRM : resistenza residua

Protocollo I.T.T.C. 57’

2

0.075

(log 2)Fn

CR

s MV V : fattore di scala

S : superficie bagnata di carena

s : peso specifico acqua

CF : coefficiente d’attrito

PES : potenza effettiva

FC

FC

Fattore di Rugosità

I.T.T.C. 57’4 40.2 10 0.4 10

FC

I.T.T.C. 78’

KS : altezza media della rugosità della nave

LWL : lunghezza della nave alla linea di galleggiamento

6150 10 m

Correlazione Potenza-Rugosità

103dCF 1,05K

L

1/ 3

0,64

dP 9,493S

100dCF

V

10

3

103

I.T.T.C. 78’

Incremento CF

Incremento Potenza [HP]

Ogni cavallo di potenza circa 0.75 KW necessita mediamente di 4 kg di combustibile al giorno

K : altezza media della rugosità della nave

Importanza del fattore di rugosità

Aumento della rugosità di carena

Maggiore resistenza al moto

Motori più potenti da installare sulla nave

Incremento consumo combustibile

Rugosità dell’elicaIl comparatore più usato è il Rubert propeller Replica Gauges il quale consiste in 6 campioni di grado A, B, C, D, E o F, i quali sono repliche di superfici dell’elica all’avanzare dell’età della stessa. Il grado A rappresenta la condizione di elica nuova. Il grado F è considerato normalmente inaccettabile.

Rubert Grade Ra (CLA)* Micron Rz Micron

A 0.65 5.0

B 1.92 12.0

C 4.70 32.0

D 8.24 51.0

E 16.6 97.0

F 29.9 154.0

Elica

Rugosità dell’elica

Grade Power Increase

Rubert A ...

Rubert B Negligible

Rubert C 1.50%

Rubert D 3%

Rubert E 5%

Rubert F 6%

La presenza di irregolarità superficiali sulle pale determinano una diminuzione di portanza sul dorso dei profili diminuendo in questo modo la spinta propulsiva.

Rugosità dell’elica

Rubert Grade Cost of propeller roughness relative to Rubert Grade A

($ per annum)

Constant speed operation Constant power operation

  Ship A Ship B Ship C Ship A Ship B Ship C

B* 15 000 3000 5000 10 000 3000 10 000

C 54 000 14 000 24 000 36 000 13 000 48 000

D 106 000 32 000 55 000 71 000 29 000 109 000

E 155 000 52 000 88 000 103 000 48 000 174 000

F* 205 000 70 000 122 000 135 000 62 000 240 000

* Approximate

Dalle prove in vasca ed esperienze in mare si è evidenziato come la rugosità sulle pale influisca sul rendimento dell’elica aumentando i consumi di combustibile della nave.

Rimedi1) Sabbiatura:

operazione che permette di ripulire accuratamente una superficie da incrostazioni e residui o di ottenere una finitura che assicuri un buon ancoraggio per trattamenti successivi. La sabbiatura viene eseguita da apposite macchine (sabbiatrici) sfruttando un getto, ad alta pressione, di sabbia oppure di sabbia e acqua, o di graniglia metallica. Il getto, indirizzato sulla superficie, asporta per urto e abrasione il materiale incrostante; indirizzato su di una superficie pulita, la erode leggermente rendendola ruvida e quindi idonea a trattenere vernici o collanti.

Rimedi2) Pitture antivegetative:

Le pitture esplicano la loro azione prottettiva principalmente attraverso due meccanismi. Il primo si basa sulla formazione di uno strato isolante all’acqua e all’ossigeno che costituisce una barriera che peraltro non è mai in grado di isolare perfettamente la carena dall’ambiente circostante. Il secondo su un’addizionale azione protettiva di tipo elettrochimico data dai pigmenti attivi inseriti nel film. L’efficacia prottetiva della barriera dipende dallo spessore e dalla omogeneità della pittura.

Spessore da raggiungere: 150/300 micron

Spessore mano di pittura: 35/40 micron

Pitturazione in bacino

Pitturazione in bacino

Bacino di carenaggio

Rimedi

3) Insuflazione d’aria sotto la carena:

La nave gode oltre alla spinte idrostatica di Archimede anche una spinta aerostatica creando una grande bolla d’aria tra pelo libero dell’acqua ed il fondo della carena. La superficie rugosa non entra in contatto con il fluido.

S.E.S. (Surface Effect Ship)

FINE