Il progetto idrodinamico del timone: posizione e vari tipi di timone

Un altro importante fattore da considerare, prima di iniziare il progetto del timone, è quello di stabilire il numero dei timoni da impiegare e la loro posizione. La scia di carena diminuisce la velocità della vena fluida che investe il timone, mentre la scia dell’elica produce l’effetto opposto.

Nelle navi a poppa stretta a un’elica i due effetti in gran parte si elidono a vicenda, mentre nelle navi a due eliche, con timone dietro alle eliche stesse, l’effetto della scia dell’elica risulta senz’altro preponderante.

Oltre che modificare la velocità di efflusso dell’acqua al timone la presenza dell’elica ritarda in misura notevole il fenomeno di stallo, migliora notevolmente le prestazioni del timone per incidenze superiori a quelle di stallo (Figura 15). Quindi, il timone sviluppa la sua massima efficacia quando è investito dalla scia dell’elica: le navi monoelica hanno sempre un solo timone; le navi bielica un solo timone centrale o due timoni dietro le eliche; le navi a tre eliche, generalmente, un solo timone dietro l’elica centrale; le navi a quattro eliche, generalmente, due timoni investiti dalla scia delle eliche poppiere.

Nelle navi a due o quattro eliche la soluzione a due timoni laterali, dietro le eliche, è notevolmente più efficiente di quelle a un solo timone centrale anche a parità di area complessiva, perché la velocità sui timoni aumenta in conseguenza del basso valore del coefficiente di scia di carena e dell’effetto della scia dell’elica.

Inoltre, a parità di area complessiva i due timoni laterali hanno allungamento maggiore, e quindi coefficiente di portanza, a parità di angolo di barra, più elevato (Figura 6).

Come è noto, la portanza aumenta con l’aumentare dell’angolo di attacco e cresce con il quadrato della velocità d’impatto. Infatti

\(F_L = C_L \cdot {1 \over 2} \cdot \rho \cdot A_R \cdot U^2\)

dove

\(C_L\) = Coefficiente di portanza

\(A_R\) = Area del timone proiettata

\(\rho\) = Densità del fluido

\(U\) = Velocità del fluido

Nel sistemare il timone a poppavia dell’elica, occorre fare in modo che lo stesso, pur beneficiando della zona a maggiore velocità, non sia investito dal vortice del mozzo dell’elica (Figura 8), che non solo ha come effetto quello di far cadere la portanza, ma ha anche quello di provocare delle erosioni e possibili fastidiose vibrazioni.

Per questo motivo si usa sistemare il timone leggermente all’interno rispetto al centro dell’elica. Inoltre si deve tenere presente che sulla manovrabilità e, conseguentemente, sul diametro di girazione incide se l’elica è sinistrorsa o destrorsa (Figura 17).

Soddisfatte le condizioni anzidette, il timone dovrà essere sistemato il più a poppa possibile con l’evidente scopo di ottenere il massimo braccio K rispetto al centro di gravità della nave e di conseguenza le migliori caratteristiche evolutive (Figura 9).

Si possono distinguere tre tipi di timone: il tipo a Flap, il tipo Horn e il tipo a Spada (Figura 5). I timoni a Flap e Horn possono essere convenienti in tutti quei casi in cui, per motivi di stabilità direzionale, si ha bisogno di un’area aggiuntiva, oltre a quella esistente e non convenga che tutta la suddetta area sia mobile, oppure quando, per non caricare eccessivamente con il momento flettente l’asse del timone e quindi i suoi supporti, si preferisca disporre di una struttura di appoggio fissa.

Per migliorare le qualità evolutive si richiede l’aumento della superficie del timone rispetto alla superficie di deriva, mentre l’aumento di entrambe le superfici migliora la stabilità dinamica della carena e quindi la sua stabilità di rotta.

Tuttavia bisogna fare molta attenzione nel sistemare il timone e la superficie di deriva, poiché possono condizionare in maniera negativa la stabilità dinamica. Infatti, come è stato esplicato nell’articolo precedente sulla manovrabilità, quando si porta il timone ad un angolo di barra \(\delta_R\), e la nave inizia a virare, si generano una serie di forze, i cui momenti \((F \cdot h)\) fanno sbandare la nave (Figure 7 e 10).

Se viene messa la barra a dritta e il momento dato da \(F_L \cdot h_L\) (la forza generata dal timone moltiplicata per la distanza verticale tra il suo centro di applicazione ed il centro di applicazione \(P\) della resistenza totale trasversale che la nave trova in virata (Figura 10) è maggiore del momento \(F_C \cdot h_C\) (la forza centrifuga della nave applicata al centro di gravità \(G\) moltiplicata per la distanza verticale tra \(G\) e \(P\)) la nave sbanderà a destra, viceversa, se il momento del timone è minore del momento dato dalla forza centrifuga, la nave sbanderà a sinistra.

Nella terza parte parlerò del rapporto di figura e dei vari coefficienti del timone.

Angelo Sinisi