Elica navale
L’albero portaelica: i fenomeni che incidono sui giri critici dell’asse
In questa prima parte dell’articolo, formato da quattro parti, verranno trattati i fenomeni che incidono su i giri critici dell’asse. In un progetto la scelta delle forme della carena e dell’elica vanno di pari passo perché una condiziona l’altra in forma determinante, sia direttamente che indirettamente. Possiamo dire che l’elica e la carena sono legate da un vincolo di matrimonio indissolubile, che, se riuscito bene, non procurerà danni ma, al contrario, poiché il divorzio è difficilissimo, saranno guai.
Tra le due, come terzo incomodo, c’è la linea d’asse (Figura 1), che non sempre si inserisce in maniera negativa, ma se lo fa, addio! ....
Nella prima fase di un progetto di una nave si determina il volume necessario a contenere ciò che il progetto operativo ha determinato, il dislocamento approssimativo, che in una fase successiva sarà meglio definito, e la potenza necessaria per la velocità richiesta dal progetto. Tutti questi dati sono necessari per determinare, in prima approssimazione, il diametro dell’elica, necessario per definire, in funzione di una certa inclinazione della linea d’asse, la posizione del motore propulsivo e quindi il centro di gravità. Se la posizione della sala macchine è vincolante, sicuramente condizionerà la posizione del centro di gravità e quindi la posizione del centro di carena.
Tutto questo è necessario per iniziare la ricerca di carena che soddisfi le condizioni poste dal progetto operativo.
La determinazione del diametro dell’elica in fase iniziale del progetto, anche se alla fine del progetto sarà ottimizzato, è importante perché condiziona le forme di carena della poppa. La scelta dei dati iniziali deve essere fatta in completa armonia con le caratteristiche della nave e dei giri dell’asse, se vincolati dal riduttore, mediante un vero e proprio procedimento di ottimizzazione.
Ciò che conta è il complesso elica-asse-nave e di conseguenza sicuramente l’elica non può e non deve essere trattata indipendentemente.
Le vibrazioni di uno scafo (Figura 2), oltre a creare disagio per quelle parti e oggetti della nave che si muovono con un’alta frequenza, sono causa di rumore altrettanto negativo per il comfort a bordo. Le vibrazioni a bordo di una nave possono essere quelle proprie dello scafo, quelle prodotte dai gruppi elettrogeni, da tutti gli impianti che hanno motori con masse rotanti o alternative, dalle eliche, dagli assi, se superano i giri critici, e dai motori. Le principali per entità sono quelle dello scafo, delle eliche, degli assi e dei motori propulsivi.
Lo scafo di una nave può considerarsi nel suo complesso come un corpo elastico dotato di numerose frequenze proprie che dipendono dalle sue dimensioni e dalla distribuzione delle sue masse e dei carichi (Figura 2). Inoltre lo scafo, come tutti i corpi elastici, può compiere oscillazioni forzate di carattere periodico se sollecitato da azioni di tipo pulsante. Le vibrazioni della trave-nave, come quelle di una qualsiasi trave, possono essere quindi libere (o naturali) e forzate: sono libere quando la trave è eccitata da una forza e lasciata libera nel suo moto, sono forzate quando alla trave è applicata una forza variabile nel tempo.
Nel primo caso la trave, una volta lasciata libera si mette a vibrare con una frequenza detta “prima frequenza propria”. L’ampiezza della vibrazione, che è il valore dello spostamento dell’oscillazione (Figura 3), risulta modesta, compatibilmente con l’intensità della causa eccitante, se la trave viene fatta vibrare con una frequenza diversa da quella propria; ma, se la frequenza eccitante coincide con la frequenza propria di vibrazione della trave-scafo, si ha la condizione di “risonanza”. In conseguenza del fenomeno della risonanza, che appunto si verifica quando una delle frequenze di vibrazione dello scafo coincide o è molto vicina alla frequenza di una qualsiasi azione pulsante che si scarichi sulle strutture resistenti della nave, l’ampiezza (Figura 3) delle vibrazioni forzate viene esaltata.
Per questo lo scafo è sottoposto a moti vibratori talvolta di forte entità e quindi molesti. Infatti, se i giri dell’elica sono molto vicini alla frequenza propria di vibrazione dello scafo e l’elica stessa non è perfettamente bilanciata dinamicamente, nascono delle oscillazioni che, anche se non elevate in valore assoluto, possono far vibrare lo scafo con elevata entità.
Si devono quindi evitare le cause che esaltano le vibrazioni nella nave o in parte di essa, producendo un aumento pericoloso di sollecitazione del materiale e condizioni di abitabilità insopportabili per l’equipaggio e per i passeggeri.
La frequenza propria e le vibrazioni strutturali della nave, che cadono nel campo delle frequenze dell’elica, nel caso di vibrazioni limitate a singole parti strutturali si elimineranno localmente mediante opportuni rinforzi. Nel caso di vibrazioni di tutto lo scafo si può limitare il numero di giri di servizio in un dato campo, dove le vibrazioni non siano dannose, oppure si deve spostare il numero di giri di esercizio modificando l’elica e la regolazione del motore. Si può ottenere un’efficace diminuzione delle vibrazioni sistemando un’elica di diverso numero di pale, rilevando tuttavia se con tale provvedimento altre parti non entrino in vibrazione in corrispondenza delle nuove frequenze. Oltre alle vibrazioni dello scafo, possono verificarsi anche dei rumori che dall’elica si trasmettono allo scafo attraverso l’acqua e che vengono amplificate dalle lamiere di questo, che entrano in vibrazione. Anche quest’ultimo fenomeno ci dice quanto sia importante l’accoppiamento dell’elica allo scafo e quanto le forme di poppa dello scafo con la scia influenzino l’elica (Figura 4). Infatti, la velocità del flusso determinato dalla poppa di una nave è, spesso, grandemente variabile in corrispondenza del disco elica. A tale configurazione estremamente varia della velocità corrispondono variazioni d’incidenza del flusso rispetto alle pale. Ciò comporta notevoli conseguenze di carattere idrodinamico e meccanico-strutturale.
Infatti, le eliche operanti in scia disuniforme sono interessate dal fenomeno di cavitazione. Esse diventano così un’importante sorgente di eccitazione delle vibrazioni dello scafo e dell’albero portaelica che, se i suoi giri massimi sono vicino ai giri critici, entrerebbe in forte vibrazione. Inoltre, a causa dell’asimmetria del flusso, il centro di spinta risulta marcatamente eccentrico. Tale situazione comporta una successiva sollecitazione di flessione sull’albero portaelica.
Angelo Sinisi
