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8/3/2019 propulsione navale
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Corso di Macchine II
La propulsione navale
Facolt di Ingegneria
Universit degli Studi di Lecce
La propulsione navale
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
La propulsione navale
La propulsione navale
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=
La propulsione navale
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
La propulsione navale
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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La propulsione navale
La propulsione navale
La propulsione navale
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)
La propulsione navale
PROPULSIONE CON IMPIANTI A VAPORE
La propulsione navale
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
La propulsione navale
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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La propulsione navale
PROPULSIONE CON IMPIANTI A TURBOGAS
La propulsione navale
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
La propulsione navale
La propulsione navale
PROPULSIONE CON MOTORI DIESEL
La propulsione navale
medium speed low speed
La propulsione navale
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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
Motori diesel per applicazioni marine
Motori diesel per applicazioni marine
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.
Motori diesel per applicazioni marine
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.
Motori diesel per applicazioni marine
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.
Motori diesel per applicazioni marine
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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Motori diesel per applicazioni marine
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;
Motori diesel per applicazioni marine
Motori diesel per applicazioni marine
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.
Motori diesel per applicazioni marine
Motori diesel per applicazioni marine
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
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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
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Motori diesel per applicazioni marine
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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Motori diesel per applicazioni marine
Motori diesel per applicazioni marine
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Motori diesel per applicazioni marine
La lubrificazione del
cilindro un
elemento critico
Motori diesel per applicazioni marine
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
Motori diesel per applicazioni marine
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
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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
Liniezione 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 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
Liniezione del combustibile
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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