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Il progetto idrodinamico del timone: l’areazione, la cavitazione e l’angolo di stallo

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Figura 7
Figura 7

La generazione della componente trasversale \(F_L\) è il solo scopo dell’esistenza del timone.

Il prodotto della forza \(P\) per la distanza \(C_{CP}\) tra il suo punto di applicazione e l’asse del timone (Figura 7) dà luogo al momento torcente, mentre il prodotto di detta forza \(P\) per la distanza verticale \(Z_P\) tra il suo punto di applicazione ed il cuscinetto portante (Figura 11) dà luogo al momento flettente.

Come è noto, i suddetti due momenti sono gli elementi principali per dimensionare l’asse del timone e l’impianto idraulico della timoneria.

Figura 11
Figura 11

La massima portanza che può essere generata da un timone in funzione del suo angolo di attacco \(δ_R\) è limitata da un complesso di fenomeni, che provocano lo stallo del timone.

Quando un timone raggiunge la condizione di stallo, la portanza cade bruscamente a valori molto bassi o nulli (Figura 6), per cui in fase di progetto questa possibilità deve essere attentamente studiata ed evitata.

Il fenomeno di stallo avviene senz’altro quando il flusso si distacca dalla zona di bassa pressione del timone e inviluppa una zona di flusso vorticoso (Figura 13).

Figura 13
Figura 13

Come già detto, questa separazione si manifesta con un improvviso cadere della portanza. Il distacco della vena fluida, principalmente, è funzione del numero di Reynolds (Figura 15), cioè:

Figura 15
Figura 15

\(R = {{U \cdot C_m} \over {V}}\)

dove

\(U\) = Velocità del fluido

\(C_m\) = Larghezza media del timone

\(v\) = Coefficiente di viscosità cinematica = \(\mu / \rho\) = \(1,1873 \cdot 10^6 \)  \(m^2 / sec\)

\(\mu\) = Coefficiente di viscosità dinamica = \(v \cdot \rho\) = \(1,242 \cdot 10^4\)  \({(Kg \cdot sec)}/m^2\)

\(\rho\) = densità dell’acqua di mare a 15°C = \(\gamma / g\) = 104,61  \({(Kg \cdot sec^2)}/m^4\)

\(\gamma\) = peso specifico = \(1,026 \)  \(tonn/m^3\)

\(g\) = accelerazione di gravità = \(9,81\)  \(m/sec^2\)

L’angolo di stallo \(\delta_s\)cresce rapidamente col diminuire del coefficiente di allungamento o di forma \(a\), come risulta dalla Figura 6. I fenomeni che interessano lo stallo sono tre: la separazione dei filetti fluidi, la cavitazione e l’aerazione.

Figura 6
Figura 6

Dei tre il più deleterio, cioè quello che da solo può provocare lo stallo, è il fenomeno della separazione dei filetti fluidi, seguito dall’aerazione e infine dalla cavitazione. La cavitazione, sebbene in forma minore, è una possibile causa di caduta di spinta del timone.

Figura 14
Figura 14

L’effetto della cavitazione non è molto disastroso, in quanto si traduce in una diminuzione di pendenza della curva della portanza rispetto alla velocità, piuttosto che in una caduta di spinta vera e propria (Figura 14).

L’aerazione, come la cavitazione, è conseguenza dei bassi valori di pressione che si verificano nel flusso adiacente alla faccia passiva del timone. Per aerazione s’intende il risucchio d’aria che avviene tra l’atmosfera e la zona di bassa pressione che avviene sulla faccia passiva del timone. Il fenomeno, generalmente, appare solo quando il timone è troppo vicino alla superficie dell’acqua e quando la differenza di pressione, tra l’atmosfera e la faccia passiva del timone (Figure 7 e 13), supera la resistenza al passaggio dell’aria attraverso l’acqua frapposta. Questo fenomeno dipende dal valore del numero di Weber:

\(W_n = U \cdot {(r \cdot {1 \over \sigma})^{0,5}} = U \cdot \sqrt{(r/\rho)} \)

Figura 16
Figura 16

dove

\(U\) = Velocità del fluido

\(r\) = Raggio del becco di entrata del profilo

\(\sigma\) = Indice di cavitazione =

\(P_a\) = Pressione atmosferica

\(P_h\) = Battente idrostatico

\(\rho\) = Densità del fluido

In pratica, a questo fenomeno si ovvia, come noto, frapponendo un’aletta separatrice (Figura 16) tra il lato superiore del timone e il livello dell’acqua. In molti casi tale aletta è costituita dallo stesso scafo. Il fenomeno di stallo è ovviamente da evitare sia perché riduce la prestazione dell’organo di governo, sia perché induce vibrazioni.

Nella quinta e ultima parte parlerò del timone a spada e dell’area di compensazione.

Angelo Sinisi

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