propulsione navale

8/3/2019 propulsione navale

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Corso di Macchine II

La propulsione navale

Facolt di Ingegneria

Universit degli Studi di Lecce


Lacqua viene accelerata mediante un elica che funziona come una macchina

operatrice comunicando al fluido energia cinetica

Laccelerazione del fluido determina una spinta in senso contrario sullorgano

che ha prodotto la variazione di velocit

La spinta si trasmette alla nave mediante un cuscino reggispinta



In condizioni di moto uniforme la spinta deve uguagliare la resistenza globale

incontrata nellavanzamento della nave (che dipende dalle propriet del fluido,

dalle dimensioni e dalla forma della nave e varia approssimativamente con il

quadrato della velocit della nave)

La potenza necessaria a muovere la nave data dal prodotto della spinta per

la velocit della nave (andamento cubico con la velocit)

Rendimento dellelica e

Perdite di natura meccanica lungo la linea dassi (m)

prop

eff

e m

PP

=

Formula dellAmmiragliato:

D: dislocamento della nave in tonnellate

v: velocit della nave in nodi (miglia/h)

K: coefficiente variabile tra 300 e 500 dalle medie

alle grandi navi mercantili

2

33D vP

K=


Lelica formata da due o pi pale, opportunamente sagomate

La velocit relativa del liquido non pu superare certi valori oltre i quali si

verifica il distacco della vena fluida con aumento delle perdite, diminuzione del

rendimento dellelica e fenomeni di cavitazione


Allaumentare della potenza richiesta si ha una graduale riduzione della

velocit di rotazione dellelica:

grandi navi passeggeri 55-10 rpm

navi pi piccole 150-180 rpm

Laccoppiamento diretto motore-

elica realizzabile solo con motori

diesel in cui la diminuzione della

velocit di rotazione pu essere

compensata aumentando il

diametro dei cilindri e la corsa

(aumento dellingombro)

Nel caso di turbine necessario

ricorrere allaccoppiamento indiretto

mediante riduttori meccanici ad

ingranaggi o con sistemi di

trasmissione elettrica


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PROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE

- impianti con semplice surriscaldamento (T0=500C);

- pressioni in caldaia non molto elevate (40-60 bar);

Il rapporto di riduzione giri turbina/giri elica molto elevato:

- le turbine azionano generatori elettrici e la corrente prodotta usata

per alimentare motori elettrici collegati allalbero porta elica

(trasmissione elettrica)

- libert di disposizione dei motori

- facilit nelle manovre di arresto, partenza e inversione

- trasmissione meccanica

- pi economica, silenziosa, leggera ed efficiente

- necessit di disporre di una turbina principale per la marcia

avanti(MAV) e una turbina pi piccola per la marcia

addietro

(MAD)


PROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE


T T T

ingresso

vapore

scarico

vapore

apparato di

distribuzione

ruota

regolata

V

V

V

V

T: turbina principale

T: turbina di crociera

T: turbina di extracrociera


PROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS

Si utilizzano nel settore militare:

- rapidit di avviamento e ingombro modesto;

- in cicli combinati con motore diesel:

- CODOG (combined diesel or gas): il motore diesel assicura

landatura di crociera e la turbina a gas interviene per

landatura 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

Linversione di marcia realizzata con eliche a passo invertibile oppure con

speciali giunti inversori

Le turbine utilizzate sono derivata da adattamenti di versione aeronautiche


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PROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS


PROPULSIONE CON MOTORI DIESEL

Sono i pi utilizzati grazie alle elevate efficienze (bassi consumi)

Il motore pu girare in entrambi i versi di rotazione (dotando il motore di due serie

di camme per il controllo delliniezione e delle valvole)

Laccoppiamento diretto (motori 2T) oppure indiretto (motori 4T) a seconda delle

potenze richieste

Il collegamento meccanico realizzato con appositi giunti in grado di assorbire le

vibrazioni caratteristiche del funzionamento del motore alternativo

La sovralimentazione sempre utilizzata (turbogruppo)

Il principio di funzionamento lo stesso dei motori per autotrazione ma

presentano notevoli differenze costruttive

I motori 2T sono dotati di testacroce e hanno maggiori ingombri



PROPULSIONE CON MOTORI DIESEL


medium speed low speed



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Motori diesel per applicazioni marine

Medium-speed engine3 motori Wrtsil 9L20

potenza totale: 4,455 kW a 1000 rpm.

Obiettivi strategici:

Affidabilit

Bassi costi di progetto

Installazione facile ed economica

Bassi costi di funzionamento

Basse emissioni di NOx

Consumi minimi



I pistoni sono di tipo

composito con acciaio

sulla parte superiore e

mantello in ghisa nodulare.

Questo tipo di

realizzazione la

soluzione migliore per

motori navali che operano

ad alte pressioni e

temperature.

La riduzione dellattrito

ottenuto con un sistema

brevettato di lubrificazione

del mantello.


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 dimensionato

e progettato in funzione del

compito che deve

compiere

Lanello superiore

rivestito in modo da

resistere alle sollecitazioni

termiche.


Nella testata sono ricavati i condotti dellacqua

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.


Il motore progettato per applicazioni che richiedono drastiche capacit 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.


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SISTEMA DI AUTOMAZIONE:

- strumentazione per monitorare la velocit del motore e del turbogruppo

- misura della temperatura dei gas esausti a valle di ciascun cilindro e alluscita

della turbina;

- contatore delle ore di funzionamento del motore

- modulo elettronico per la misura della velocit e il controllo della temperatura

dellaria di sovralimentaizone;

- collegamento al sistema di controllo esterno;

- la cabina di controllo montata in modo rigido sul motore per isolarla dalle

vibrazioni del motore;



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 necessario agire

sullo sviluppo della combustione.

In alternativa possibile dotare il

motore di catalizzatori in grado di

ridurre del 95% le emissioni di NOx

portandole a valori inferiori a 1g/kWh.



Abbattimento degli NOx

Per ridurre le emissioni di NOx del 50% senza compromettere lefficienza

termica:

aumento della temperatura in camera allinizio delliniezione per

ridurre il ritardo di accensione

iniezione ritardata e di durata limitata per ottimizzare la combustione

miglioramento dellatomizzazione del combustibile

modifica della camera di combustione per migliorare il miscelamento

aria-combustibile

iniezione diretta di acqua



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INIEZIONE DIRETTA DI ACQUA

Liniezione dellacqua avviene a 210 bar ed controllata

elettronicamente in funzione delle condizioni del motore


Low-speed enginesPetroliera da 285,000 tdw

Potenza richiesta: 27,000 kW

Velocit di crociera: 15.5 knots.

Velocit del motore: 70-79 rpm

Diametri del propulsore: previsti dalle

regolamentazioni MARPOL

Obiettivi strategici:

OTTIMIZZARE POTENZA E VELOCITA

COSTI COMPETITIVI

CONSUMO MINIMO DI COMBUSTIBILE SULLINTERO 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 NOX





La riduzione del consumo di combustibile ottenuta migliorando la flessibilit

con sistemi VEC (Variable Exhaust valve Closing) e VIT (Variable Injection

Timing) .

Il sistema VIT migliora lefficienza del motore agli alti carichi mantenendo la

pressione massima nel cilindro al valore di pieno carico agendo sullanticipo

iniezione

Il sistema VEC system 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 pi efficienti

garantisce una riduzione globale del consumo di combustibile

Non ci sono penalizzazioni n riguardo le temperature troppo alte a cui sono

soggetti i componenti n temperature troppo basse nei gas di scarico

Luso di porte ribassate consente un aumento della corsa di espansione


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La lubrificazione del

cilindro un

elemento critico


Nel caso di motori

con corsa molto

lunga la strutta deve

essere molto rigida.

La progettazione

della struttura

effettuata calcolando

sforzi e deformazioni

mediante metodi

numerici ad elementi

finiti su un modello

completo

tridimensionale inmodo 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

Laccesso al pistone dalla parte inferiore

effettuato dal lato pompa.


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Nei moderni motori diesel, la camera di combustione ha una influenza

fondamentale sullaffidabilit 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, lelevato valore del rapporto corsa/diametro

consente camere di combustione relativamente pi profonde con

maggiore libert nella disposizione degli spray.

Lottimizzazione delliniezione effettuata con analisi CFD. I risultati dellesimulazione 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

Sovralimentazione e lavaggio

Le porte di lavaggio sono posizionate nella parte bassa del cilindro

mentre lo scarico effettuata con ununica valvola di scarico

Laria di lavaggio fornita da un sistema di sovralimentazione a pressione

costante con uno o pi turborgruppi a seconda del numero del cilindro

In partenza e ai bassi carichi il lavaggio incrementato mediante

compressori ausiliari comandati elettricamente

I turbogruppi sono montati sul ricevitore dellaria di lavaggio che passa

prima attraverso un separatore per lacqua formato da condotti allineati

che separano il flusso daria e raccolgono lacqua

La separazione dellacqua fondamentale per garantire la corretta

lubrificazione del pistone durante il suo moto


Il motore dotato di

ununica valvola centrale

di scarico in Nimonic 80A

e tre valvole di iniezione

simmetricamente

distribuite

Si utilizzano, inoltre,

rivestimenti anti-

corrosione a valle degli

iniettori per proteggere il

cilindro da corrosioni a

caldo ed erosioni

Liniezione del combustibile

La disposizione degli spray scelta in modo che le zone ad alta

concentrazione di combustibile si generino lontano dalla

superficie della camera di combustione


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 delliniezione

controllato mediante valvole

comandate da attuatori idraulici

(sistemi VIT: variable fuel

injection timing)

Ci consente di migliorare i

consumi a basso carico e di

regolare lanticipo di iniezione in

funzione della qualit del

combustibile utilizzato


Rispetto alle tradizionali pompe

ad elica, le pompe di iniezione

con valvole controllate hanno

maggiore efficienza volumetrica,

garantiscono iniezioni pi stabili

ai carichi molto bassi e velocit di

rotazioni dellalbero a camme pi

basse del 15%.

Luso delle valvole controllate

consente di ridurre il

deterioramento nel tempo

causato dallusura e dalla

cavitazione

Per ogni cilindro presente un

servomotore idraulico collocatonellalloggiamento pompa


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Vantaggi del sistema common rail:

- controllo preciso della quantit di combustibile iniettata

- profilo di iniezione variabile

- adatto a oli combustibili pesanti

- utilizzo di pompe ad alta efficienza

- libert nella scelta della pressione di iniezione

Il timing delliniezione, la quantit 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





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Motori diesel per applicazioni marineRiduzione del fumo:

ottimizzazione del timing di iniezione e della

pressione di alimentazione

qualit 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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Altri schemi

Altri schemi

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Altri schemi

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