Corso di Macchine II La propulsione navale - …

1 1 Corso di Macchine IILa propulsione navaleFacolt di IngegneriaUniversit degli Studi di LecceLa propulsione navaleL acqua viene accelerata mediante un elica che funziona come una macchina operatrice comunicando al fluido energia cineticaL accelerazione del fluido determina una spinta in senso contrario sull organo che ha prodotto la variazione di velocit La spinta si trasmette alla nave mediante un cuscino reggispintaLa propulsione navaleLa propulsione navaleIn condizioni di moto uniforme la spinta deve uguagliare la resistenza globale incontrata nell avanzamento 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 dell elica ePerdite di natura meccanica lungo la linea d assi ( m)propeffemPP =Formula dell Ammiragliato:D: dislocamento della nave in tonnellatev: velocit della nave in nodi (miglia/h)K: coefficiente variabile tra 300 e 500 dalle medie alle grandi navi mercantili233 DvPK=La propulsione navaleL elica formata da due o pi pale, opportunamente sagomateLa 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 dell elica e fenomeni di cavitazioneLa propulsione navaleAll aumentare della potenza richiesta si ha una graduale riduzione della velocit di rotazione dell elica.

2 Grandi navi passeggeri55-10 rpmnavi pi piccole150-180 rpmL accoppiamento direttomotore-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 dell ingombro)Nel caso di turbine necessario ricorrere all accoppiamento indirettomediante riduttori meccanici ad ingranaggi o con sistemi di trasmissione elettrica2La propulsione navaleLa propulsione navaleLa propulsione navalePROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE- impianti con semplice surriscaldamento (T0=500 C);- 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 all albero 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 marciaavanti(MAV) e una turbina pi piccola per la marcia addietro(MAD)La propulsione navalePROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORELa propulsione navaleT T Tingresso vaporescarico vaporeapparato di distribuzioneruota regolataV V V VT: turbina principaleT : turbina di crocieraT.

3 Turbina di extracrocieraLa propulsione navalePROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGASSi 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 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 gasL inversione di marcia realizzata con eliche a passo invertibile oppure con speciali giunti inversoriLe turbine utilizzate sono derivata da adattamenti di versione aeronautiche3La propulsione navalePROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGASLa propulsione navalePROPULSIONE CON MOTORI DIESELSono 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 dell iniezione e delle valvole)L accoppiamento diretto (motori 2T) oppure indiretto (motori 4T)

4 A seconda delle potenze richiesteIl collegamento meccanico realizzato con appositi giunti in grado di assorbire le vibrazioni caratteristiche del funzionamento del motore alternativoLa sovralimentazione sempre utilizzata (turbogruppo)Il principio di funzionamento lo stesso dei motori per autotrazione ma presentano notevoli differenze costruttiveI motori 2T sono dotati di testacroce e hanno maggiori ingombriLa propulsione navaleLa propulsione navalePROPULSIONE CON MOTORI DIESELLa propulsione navalemedium speedlow speedLa propulsione navale4 Motori diesel per applicazioni marineMedium-speed engine3 motori W rtsil 9L20potenza totale: 4,455 kW a 1000 strategici:Affidabilit Bassi costi di progettoInstallazione facile ed economicaBassi costi di funzionamentoBasse emissioni di NOxConsumi minimiMotori diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineI pistoni sono di tipo composito con acciaio sulla parte superiore e mantello in ghisa tipo di realizzazione la soluzione migliore per motori navali che operano ad alte pressioni e riduzione dell attrito ottenuto con un sistema brevettato di lubrificazione del diesel per applicazioni marineE noto che la maggior parte delle perdite per attrito nei motori alternativi sono dovute agli corona sono collocati i due anelli di tenuta e quello raschia-olioOgni anello dimensionato e progettato in funzione del compito che deve compiereL anello superiore rivestito in modo da resistere alle sollecitazioni diesel per

5 Applicazioni marineNella 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 diesel per applicazioni marineIl 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. 5 Motori diesel per applicazioni marineSISTEMA DI AUTOMAZIONE:- strumentazione per monitorare la velocit 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 velocit e il controllo della temperatura dell aria di sovralimentaizone;- collegamento al sistema di controllo esterno;- la cabina di controllo montata in modo rigido sul motore per isolarla dalle vibrazioni del motore.

6 Motori diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineI 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 alternativa possibile dotare il motore di catalizzatori in grado di ridurre del 95% le emissioni di NOx portandole a valori inferiori a 1 diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineAbbattimento degli NOxPer ridurre le emissioni di NOxdel 50% senza compromettere l efficienza termica:aumento della temperatura in camera all inizio dell iniezione per ridurre il ritardo di accensioneiniezione ritardata e di durata limitata per ottimizzare la combustione miglioramento dell atomizzazione del combustibilemodifica della camera di combustione per migliorare il miscelamentoaria-combustibileiniezione diretta di acquaMotori diesel per applicazioni marine6 Motori diesel per applicazioni marineINIEZIONE DIRETTA DI ACQUAL iniezione dell acqua avviene a 210 bar ed controllata elettronicamente in funzione delle condizioni del motore Motori diesel per applicazioni marineLow-speed enginesPetroliera da 285,000 tdwPotenza richiesta: 27,000 kW Velocit di crociera: knots.

7 Velocit del motore: 70-79 rpmDiametri del propulsore: previsti dalle regolamentazioni MARPOL Obiettivi strategici:OTTIMIZZARE POTENZA E VELOCITA COSTI COMPETITIVICONSUMO MINIMO DI COMBUSTIBILE SULL INTERO CAMPO DI FUNZIONAMENTO (da full speed a slow steaming )REVISIONE OGNI TRE ANNIBASSI COSTI DI MANUTENZIONE MIGLIORANDO AFFIDABILITA E DURATACONFORMITA ALLE REGOLAMENTAZIONI IMO PER GLI NOXM otori diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineLa riduzione del consumo di combustibile ottenuta migliorando la flessibilit con sistemi VEC(Variable Exhaust valve Closing) eVIT(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 utilizzato ai medi carichi per aumentare il rapporto di compressione effettivo e, quindi, ridurre il consumo di combustibileLa camicia low port.

8 Combinata con turbogruppi sempre pi efficienti garantisce una riduzione globale del consumo di combustibileNon ci sono penalizzazioni n riguardo le temperature troppo alte a cui sono soggetti i componenti n temperature troppo basse nei gas di scaricoL uso di porte ribassate consente un aumento della corsa di espansione7 Motori diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineMotori diesel per applicazioni marineLa lubrificazione del cilindro un elemento criticoMotori diesel per applicazioni marineNel 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 in modo da determinare la configurazione ottimale Motori diesel per applicazioni marineI blocchi cilindro sono realizzati separatamente per fusione e poi uniti insieme a formare una struttura rigidaLe pompe sono posizionate su un lato della struttura, mentre le porte di lavaggio sono sulla parte oppostaL accesso al pistone dalla parte inferiore effettuato dal lato pompa.

9 8 Motori diesel per applicazioni marineNei moderni motori diesel, la camera di combustione ha una influenza fondamentale sull affidabilit del motore. E necessario fare molta attenzione alla disposizione e al percorso degli spray di combustibile per garantire temperature di superficie moderate ed evitare depositicarboniosiNei motori lenti, comunque, l elevato valore del rapporto corsa/diametro consente camere di combustione relativamente pi profonde con maggiore libert nella disposizione degli ottimizzazione dell iniezione 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 meccaniciSovralimentazione e lavaggioLe porte di lavaggio sono posizionate nella parte bassa del cilindro mentre lo scarico effettuata con un unica valvola di scaricoL aria di lavaggio fornita da un sistema di sovralimentazione a pressione costante con uno o pi turborgruppi a seconda del numero del cilindroIn partenza e ai bassi carichi il lavaggio incrementato mediante compressori ausiliari comandati elettricamenteI 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 acquaLa separazione dell acqua fondamentale per garantire la corretta lubrificazione

10 Del pistone durante il suo motoMotori diesel per applicazioni marineIl motore dotato di un unica valvola centrale di scarico in Nimonic 80Ae tre valvole di iniezione simmetricamente distribuiteSi utilizzano, inoltre, rivestimenti anti-corrosione a valle degli iniettori per proteggere il cilindro da corrosioni a caldo ed erosioniL iniezione del combustibileLa disposizione degli spray scelta in modo che le zone ad altaconcentrazione di combustibile si generino lontano dalla superficie della camera di combustioneL iniezione del combustibilePer ogni cilindro si utilizzano tre valvole di iniezione non raffreddateNei motori lenti tradizionali si usano pompe di iniezione comandate da cammeIl timing dell iniezione controllato mediante valvole comandate da attuatori idraulici (sistemi VIT: variable fuelinjectio)