Transcript Tesi Alessandro Ruoc.. - Università degli Studi di Napoli Federico II

Università degli Studi di Napoli Federico II
SCUOLA POLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE
CORSO DI LAUREA INGEGNERIA NAVALE
Tesi di Laurea
Definizione e calcolo degli elementi della linea
d’asse di una Passenger Ro/Ro Cargo ship
Relatore:
Candidato:
Ch.mo Prof. Franco Quaranta
Alessandro Ruocco
Matricola N48/310
ANNO ACCADEMICO 2013/2014
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Indice
Capitolo 1
1.1 Introduzione alla linea d’assi……………………………………………………………………………2
1.2 Elementi costitutivi………………………………………………………………………………………….4
1.2.1 Asse portaelica…………………………………………………………………………………….5
1.2.2 Astuccio………………………………………………………………………………………………..6
1.2.3 Albero intermedio………………………………………………………………………………….7
1.2.4 Albero e cuscinetto reggispinta……………………………………………………………..7
1.2.5 Cuscinetti portanti…………………………………………………………………………………10
1.2.6 Accoppiatoi……………………………………………………………………….....................11
1.2.7 Freno e Viratore…………………………………………………………………………………….13
1.2.8 Smorzatori…………………………………………………………………………………………….13
1.2.9 Ivertitore e Riduttore……………………………………………………………………………..13
Capitolo 2
2.1 Progetto della linea d’asse……………………………………………………………………………….14
2.1.2 Premessa……………………………………………………………………………………………….14
2.1.1 Individuazione e sistemazione linea d’asse……………………………………………..15
Capitolo 3
3.1 Dimensionamento Regolamentare…………………………………………………………………..19
3.1.1 Considerazioni preliminari…………………………………………………………………….19
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3.2 Materiali………………………………………………………………………………………………………….21
3.3 Alberi………………………………………………………………………………………………………………22
3.3.1 Alberi intermedi ed alberi reggispinta……………………………………………………22
3.3.2 Alberi portaelica…………………………………………………………………………………….23
3.4 Camicie…………………………………………………………………………………………………………….24
3.5 Cuscinetti dell’astuccio…………………………………………………………………………………….24
3.6 Accoppiatoi……………………………………………………………………………………………………..25
3.6.1 Accoppiatoi flangiati…………………………………………………………………………….25
3.6.2 Accoppiatoi forzati……………………………………………………………………………….26
3.7 Calcolo degli organi………………………………………………………………………………………..27
3.8 Tavole…………………………………………………………………………………………………………….30
Capitolo 4
4.1 Verifica diretta………………………………………………………………………………………………30
4.2 Sollecitazioni su albero intermedio………………………………………………………………..30
4.3 Sollecitazioni su albero portaelica…………………………………………………………………33
4.4 Modello strutturale………………………………………………………………………………………33
4.5 Scelta del coefficiente di sicurezza……………………………………………………………….34
4.6 Analisi dei risultati……………………………………………………………………………………….37
Bibliografia……………………………………………………………………………………………………….39
Ringraziamenti…………………………………………………………………………………………………40
3
Capitolo 1
1.1 INTRODUZIONE
La linea d’asse è il dispositivo che permette di trasmettere l’energia meccanica dal
motore al propulsore (elica),il quale provvede a sua volta alla realizzazione della
spinta necessaria a vincere la resistenza al moto incontrata dalla nave.
ṁc
Hc
MACCHINA
PRINCIPALE
ηmec
PB
TRASMISSIONE
PROPULSORE
ηTR
ηD
PD
PD
PE
ṁc = portata massica di combustibile [kg/s]
Hc = potere calorifico inferiore del combustibile [J/kg]
PE = potenza effettiva [W]
Durante la trasmissione una parte di questa energia viene dissipata a causa della
presenza di attriti interni , e per questo si introduce un coefficiente adimensionale
che esprime il rendimento della linea d’asse:
PD = ηasse PB
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Il termine PD è la potenza disponibile all’elica, mentre PB è la potenza al freno,
ovvero a valle del volano del motore.
Tali potenze sono ottenute dal prodotto della coppia per il numero di giri:
2πn MD = ηasse 2πn MB
dove MD ed MB sono rispettivamente il momento torcente in corrispondenza
dell’elica e del volano del motore.
La linea d’asse ha anche il compito di trasmettere alla struttura dello scafo la spinta
realizzata dall’elica, quindi oltre allo sforzo di torsione è presente anche una
sollecitazione assiale, di compressione nella marcia avanti o di trazione nella marcia
indietro. Inoltre poiché l’asse è composto da elementi dotati di peso proprio sarà
presente anche una sollecitazione di flessione. Dovranno quindi essere previsti
elementi in grado di
sorreggere ed assorbire sia i carichi verticali che i carichi assiali.
In ragione di questa sua importante funzione, la linea d'asse deve possedere i
seguenti requisiti:
- trasmettere potenza
- assicurare una navigazione in sicurezza
- supportare l’elica
- minima manutenzione
- comfort in termini di rumori e vibrazioni
La disposizione della linea d’assi dipende dalla tipologia della nave e dal numero di
eliche.
Con navi mono-elica, la linea d’asse è disposta sul piano diametrale della nave e in
ragione della posizione sfalsata del centro dell’elica con il centro del motore,
generalmente, è inclinata longitudinalmente.
Con navi bi-elica gli assi divergono rispetto al piano diametrale in modo tale da
evitare le interazioni idrodinamiche che si verrebbero a creare tra le eliche; inoltre
anche in questo caso gli assi vengono inclinati longitudinalmente. I valori delle
inclinazioni devono comunque essere limitati in modo da non influire poi sul
rendimento dell’elica.
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Nelle navi da carico solido come le bulk carrier dove lo spazio è utilizzato in gran
parte per il trasporto merce, il motore è collocato a poppa della nave collegato ad
una linea d’assi corta, con un numero limitati di assi intermedi al fine di aumentare il
volume per il carico pagante.
Nel caso di navi militari in ragione di sicurezza e di necessità di spazi, tale simmetria
diametrale si perde disponendo le turbine in locali diversi.
1.2 ELEMENTI COSTITUTIVI DELLA LINEA D’ASSE
La linea d’asse è composta dai seguenti elementi:
-
Asse porta elica
Astuccio
Asse e cuscinetto reggispinta
Assi intermedi
Altri accessori come cuscinetti portanti, viratore, accoppiatoi, giunti,
smorzatori e tenute
- Invertitore-riduttore
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Illustrazione 1: disposizione degli elementi principali di una linea d’asse
1.2.1 Asse portaelica:
Il primo tronco della linea d’asse verso poppa, è l’albero portaelica su cui è calettato
il propulsore. L’asse portaelica ha il compito di sorreggere l’elica ed è parzialmente a
contatto con l’acqua di mare; inoltre su di esso vengono montate le tenute che
assicurano che l’acqua non entri nello scafo. La parte fuori scafo spesso è lunga
svariati metri ( per allontanare l'elica dallo scafo) ed è sorretta da uno o più braccetti
all'interno dei quali trovano alloggio delle boccole; queste ultime sorreggono il
propulsore e la parte di porta-elica a sbalzo e sono perciò soggette ad elevate
pressioni; il valore limite per tali pressioni di contatto prescritto dal RINA è di 0,8
Mpa. Il moto rotatorio è trasmesso dall'asse all'elica in ragione dell'attrito che nasce
dal forzamento dell'elica con interferenza (diametro dell'albero maggiore del
diametro del mozzo dell'elica. All'estrema poppa il portaelica termina,
generalmente, con una zona tronco-conica sulla quale viene ad infilarsi l'elica a
mezzo di una chiavetta e dove è presente un appendice filettata su cui si avvita il
dado di arresto dell'elica.
Il portaelica può essere lubrificato ad olio o ad acqua.
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Nel primo caso la parte di portaelica fuori scafo è immersa in olio sintetico ed è
contenuta in un sistema stagno costituito dall'astuccio, e da una coppia di tenute
poste alle estremità.
Nel secondo caso il portaelica ruota direttamente in mare con una sola protezione in
vetroresina la quale ha scopo di protezione dalla corrosione marina; con questo tipo
di lubrificazione è necessaria una sola tenuta a proravia del portaelica atta ad
impedire l'ingresso di acqua marina nello scafo.
1.2.2 Astuccio:
L’astuccio ha due compiti fondamentali:
1. Sorreggere l’albero portaelica
2. Impedire l’ingresso di acqua nello scafo e allo stesso tempo limitare la
fuoriuscita di lubrificante (olio) in mare in modo da rispettare le norme
antinquinamento.
È realizzato normalmente in due elementi portanti, uno poppiero, di dimensioni
longitudinali maggiori ed uno prodiero meno esteso.
L’astuccio presenta due cuscinetti i quali vanno lubrificati per ridurre l’attrito e la
conseguente usura. Fino alla seconda metà del secolo scorso la lubrificazione era
realizzata ad acqua di mare; il cuscinetto era costituito da una anello recante delle
doghe in legno santo, molto resistente, e l’acqua di mare provvedeva alla
lubrificazione ed al raffreddamento, dagli anni settanta si è affermata la
lubrificazione ad olio grazie anche allo sviluppo di nuove tenute. Attualmente si
tende a ritornare alla lubrificazione ad acqua di mare per rispettare le norme
antinquinamento che penalizzano le navi con astuccio lubrificato ad olio con la
differenza che gli attuali cuscinetti sono costruiti con materiali a base di gomma
poiché hanno una minore usura.
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Illustrazione 2: Asttuccio in sezione
1 albero
2 camicia di bronzo
3 canali per il passaggio acqua
4 boccola di gomma
5 boccola porta elementi di gomma
6 supporti di bronzo per gli elementi in gomma
1.2.3 Assi intermedi:
Al tronco portaelica sono collegati, mediante opportuni accoppiatoi o
giunti, uno o più alberi intermedi; Il numero e la lunghezza dei tronchi intermedi di
linea d’asse dipende dalla lunghezza complessiva della linea, dalla disponibilità sul
mercato di assi di determinata lunghezza e soprattutto da problematiche legate alla
necessità di sfilare i vari tronchi e l’albero portaelica. Inoltre tutti i tronchi intermedi
e lo stesso albero portaelica sono realizzati per forgiatura.
1.2.4 Asse e cuscinetto reggispinta:
L'ultimo tronco intermedio è collegato all'asse reggispinta il quale è l'albero
destinato a trasmettere la spinta dell'elica alla struttura dello scafo(sia in marcia
avanti che in marcia indietro)senza scopo di supporto. A tal fine, è presente,
immediatamente prima dell'impianto motore o del riduttore, un particolare tipo di
cuscinetto, detto reggispinta. In passato venivano utilizzati reggispinta anelli ad che
venivano ricavati sull'albero e trasmettevano la coppia con le loro superfici attive
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rotanti alle corrispondenti superfici ricavate sulla parte fissa del cuscino. Affinché su
tutti gli anelli arrivi la stessa aliquota della spinta complessiva è necessario che
lavorino tutti contemporaneamente e che quindi questi siano disposti con estrema
precisione e in modo che ci sia perfetta corrispondenza tra l'asse dell'albero con
quello delle loro superfici attive; eventuali disuniformità di distribuzione della spinta
verranno poi evidenziate da un eccessivo riscaldamento dell'olio lubrificante.
Oggi si è affermato un particolare cuscinetto detto di Mitchell (dal nome del suo
inventore); si tratta di un cuscinetto costituito da pattini oscillanti in direzione
radiale aventi la forma di settori circolari non vincolati rigidamente alla struttura
fissa del cuscino reggispinta, ma sono appoggiati (con appoggio cilindrico o
sferico)alla struttura fissa intorno ad un disco fisso. Tra disco fisso e pattini il
contatto avverrà tramite uno strato di olio che si introdurrà tra le superfici
trascinato dal moto di rotazione relativo tra le parti. La possibilità che il pattino ha di
ruotare intorno all’asse di contatto con il disco fisso gli conferisce la possibilità di
trovare l’equilibrio idrodinamico tra la pressione esercitata sul collare e il moto
dell’olio.
Illustrazione 3: reggispinta Mitchell
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Illustrazione 4: particolare di un reggispinta Mitchell in sezione
I pattini sono in grado di adattare automaticamente la propria inclinazione al variare
delle condizioni funzionali; inoltre si prevederà un circuito di raffreddamento
dell'olio per smaltire il calore venutosi a creare per attrito.
Illustrazione 5: differenti posizioni dei pattini al variare della marcia
Si può notare nella marcia avanti il minor gioco sul lato verso prua dove è diretta la
spinta, mentre il contrario – ossia minor gioco verso poppa – avviene quando
invertendo il senso di rotazione dell’albero, e quindi dell’anello centrale, cambia il
verso della spinta.
Infine un ulteriore tipo di cuscinetto reggispinta è costituito dal cuscinetto
Kingsbury, in cui i pattini ruotano intorno ad un punto piuttosto che un asse come
nel cuscinetto Mitchell, in maniera che vi sia un ulteriore grado di libertà.
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Illustrazione 6: cuscinetto Kingsbury
1.2.5 Cuscinetti portanti:
I cuscinetti portanti vengono disposti lungo la linea d’assi in numero variabile in
funzione della lunghezza della linea e dei singoli trochi intermedi, con il compito di
sostenere il peso della linea d’assi stessa. Il loro dimensionamento risulta
importante in fase di progettazione in quanto influenti su vibrazioni laterali,
flessibilità e affidabilità delle linea d'asse Si usa parlare di cuscini facendo
riferimento alle parti in diretto contatto con l’albero motore, mentre la restante
parte prende il nome di supporto, i quali in genere sono costituiti da due parti per
consentirne il montaggio. All’interno del supporto viene alloggiato il cuscino del tipo
a strisciamento nel senso che le superfici dell’albero e del cuscino, a parte la
presenza del lubrificante, sono a contatto tra loro. Nei supporti delle linee d’assi,
dove i carichi dovuti al peso dell’albero sono importanti, la lubrificazione si realizza
con olio in pressione mediante circuiti di adduzione;l’olio stesso deve a sua volta
essere raffreddato in circuiti separati da quelli di adduzione.
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Illustrazione 7: supporto portante per albero linea d’asse
La lunghezza della zona portante deve essere proporzionata in modo tale che:
- la pressione specifica non superi un determinato valore (circa 1,5 bar). La pressione
specifica è individuata dalla relazione:
ps = G/dl < 1,5 bar
avendo indicato con G il peso scaricato sul singolo supporto, con d il diametro e con
l la lunghezza della zona portante.
- Il coefficiente di usura non superi un determinato valore (1000 kg/cm s). Tale
coefficiente è dato dalla relazione:
cs = ps⋅ velocità periferica = ps πdn/60 [kg/cm s]
1.2.6 Accoppiatoi:
Il collegamento dei vari tronchi alla linea d’asse avviene mediante accoppiatoi o
giunti. Il tipo più comune e più semplice è il giunto a flange, che sono realizzate
all’estremità degli alberi e tenute unite tramite un certo numero di bulloni
opportunamente serrati non permettono di sfilare il tronco portaelica da poppa.
L'accoppiamento deve essere tale da evitare laschi e per rafforzare la sicurezza
bulloni, e rispettivi fori sono numerati per precisione in fase di smontaggio e
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rimontaggio. Il diametro dei bulloni viene ricavato dal R.I.N.A mentre lo spessore
della flangia, generalmente è maggiore del diametro dei bulloni tranne che per
l'accoppiatoio dell'albero porta-elica che deve essere non minore del 27% del
diametro regolamentare.
Illustrazione 8: accoppiamento flangiato
Se invece si desidera poter sfilare il tronco portaelica da poppa, è possibile utilizzare
il giunto a guscio dove le estremità dei due trochi da accoppiare sono presentate da
due gusci adeguatamente serrati da alcune coppie di bulloni, con teste e dadi
alloggiati in apposite nicchie ricavate sulla superficie laterale dei gusci stessi. Le
stesse estremità presentano scanalature longitudinali dove sono sistemate le
chiavette necessarie alla trasmissione del moto rotatorio, e scanalature
circonferenziali nelle quali penetrano corrispondenti risalti dei gusci onde evitare
movimenti di traslazione assiale.
Illustrazione 9: giunto a guscio
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1.2.7 Freno e Viratore:
Il freno è l'organo che ha la funzione di bloccaggio dell'albero per manutenzione e/o
riparazione degli organi della macchina motrice. Con navi a più eliche, ad esempio,
con avaria di una linea d'asse, quest’ultima viene bloccata per evitare il suo
trascinamento da parte dell'elica.
Il viratore permette di far compiere alla linea d'asse e con essa anche all'albero del
motore, lente e graduali rotazioni senza ricorrere all'uso del motore principale.
Manovre di questo tipo sono utili per svolgere operazioni di verifica come ad
esempio controllare una pala dell'elica ( con galleggiamento al di sotto del normale
,a nave vuota, in modo che la sommità dell'elica possa sporgere). Il viratore quindi è
azionato da un motore elettrico.
1.2.8 Smorzatori:
Lo smorzatore torsionale (o smorzatore di vibrazione) è un dispositivo che assorbe le
vibrazioni prodotte dall'albero motore; sono dispositivi largamente usati per
impedire disagi, danni e cedimenti causati dalle vibrazioni. Installando un giunto
flessibile tra invertitore ed asse elica si ottiene una netta riduzione del passaggio di
vibrazione allo scafo dell'imbarcazione con una conseguente riduzione del rumore.
1.2.9 Invertitore e Riduttore:
L'invertitore-riduttore svolge due ruoli fondamentali: trasmette il moto all'elica ,
riducendo il numero di giri del motore, consentendo alla stessa di lavorare al
numero di giri ottimale, e inverte il senso di rotazione dell'elica e quindi di marcia
della nave.
L' INVERTITORE-RIDUTTORE è usato e quindi applicato su tutte le barche con
sistema di trasmissione a linea d'asse. E’ collegato al motore tramite una
carcassa chiamata "CAMPANA" all’interno della quale viene eseguito il collegamento
tra l’albero motore e l’albero di entrata dell’invertitore utilizzando un “parastrappi”
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che permette di "smorzare" le più comuni sollecitazioni (vibrazioni del motore al
minimo, colpi al momento dell’innesto o dell’inversione di marcia).
Il tipo più semplice di invertitore, usato per piccole potenze, è l'invertitore
meccanico dotato di ingranaggi a denti dritti.
Capitolo 2
2.1 PROGETTO LINEA D’ASSE
2.1.1 Premessa:
Il progetto della linea d'assi inizia in una fase piuttosto avanzata della progettazione
dell'intera nave e parte da una serie di informazioni di base noti quali la geometria
dello scafo, gli appendici di carena, tipo di servizio, tipo di sistema propulsivo e
prestazioni richieste.
Dimensionare gli alberi della linea d'assi significa calcolare il diametro dei singoli
tronchi e la loro lunghezza e assegnare le giuste dimensioni alle flange di
collegamento tra questi. Affinché ciò sia possibile è previsto che siano state scelte le
caratteristiche geometriche della carena e che siano note le prestazioni richieste,
cioè atte ad assicurare alla nave il rispetto dei requisiti operativi e contrattuali in
termini di velocità. A partire da questi dati e una volta stabiliti i criteri di progetto
(il tipo di trasmissione, di propulsore, ecc.), è possibile determinare una
localizzazione di primo tentativo del motore e dei cuscinetti di supporto, con
particolare riguardo alle limitazioni spaziali, alle distanze minime richieste,
all'inclinazione della linea d'assi, alle limitazioni costruttive e alle necessità dettate
dalla manutenzione ordinaria e straordinaria.
L’inquadratura della giusta linea d’assi come già espresso nel capitolo 1 dipende
dalla tipologia di nave; inoltre in base alla conformazione della poppa della nave, è
possibile in generale distinguere due tipologie di linee d'assi. Per le navi con poppa
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“tradizionale” l'elica è posta nelle immediate adiacenze dello scafo. Allorquando il
motore sia collocato all'estrema poppa la linea d'assi è molto corta e
costruttivamente semplice in quanto in molti casi si può fare anche a meno
dell'utilizzo di cuscinetti interni e di alberi intermedi (bulk carrier). Se invece il
motore o i motori sono collocati lontano dalla poppa, è necessario fare uso di linee
d'assi molto lunghe e quindi di un significativo numero di tronchi intermedi e di
cuscinetti interni. È il caso ad esempio dei vecchi mercantili con locale apparato
motore centrale. Per le navi con la poppa a specchio e per le navi bielica è
necessario assicurare sufficiente spazio tra lo scafo e l'elica e si impone quindi
l'utilizzo di alberi portaelica lunghi e sporgenti dalla carena. È richiesta quindi la
presenza di uno o più bracci con cuscinetto che vadano a sostegno dell'asse e del
propulsore. Applicazioni di questo tipo di sistemazione sono diffuse nelle navi
passeggeri, nelle ro-ro e nelle navi militari.
2.1.2 Individuazione e sistemazione linea d’assi:
Fatte queste premesse, ora si può di individuare una linea d’assi adatta per un
imbarcazione del tipo Roll on/Roll off in particolare una Cruise-ferry ovvero un
traghetto da crociera, adibito al trasporto di passeggeri, auto e mezzi pesanti, con
allestimenti e servizi simili alle navi da crociera come la “Vincenzo Florio” le cui
caratteristiche sono descritte nelle tabelle tecniche.
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Illustrazione 10: immagine del traghetto “Vincenzo Florio”
Da tali schede tecniche si evince che la nave presenta una lunghezza fuori tutto di
180,30 metri, di una larghezza fuori ossatura di 26,80 metri ed un immersione di
8,80 metri.
Inoltre prevede due motori Wartsila 12V46C quattro tempi con una potenza di
12.600 kW ed un numero di giri dell’albero motore di 500 rpm e ben 3 motori
ausiliari anch’essi Wartsila 6L26 quattro tempi con una potenza di 1770 kW
cadauno. In questo tipo di nave la sala macchine è situata nella zona poppiera, e i
due motori principali vengono disposti simmetricamente rispetto al piano
diametrale.
Il sistema propulsivo prevede invece due eliche a passo variabile, ognuna delle quali
servita da uno dei motori principali. Tale sistema garantisce una velocità alle prove
ministeriali di 23 nodi.
Sono ivi presenti dei riduttori posti tra i motori e gli alberi intermedi, come
schematizzato in figura.
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Illustrazione 11: schema di disposizione riduttore
Gli alberi saranno paralleli al piano diametrale. Per essi si ipotizza una lunghezza
complessiva di 38,50 metri, da intendersi misurata dalla flangia di accoppiamento
dell'elica a quella del riduttore. Si considererà la seguente suddivisione delle linee
d'assi: dapprima le si riterranno suddivise in due parti di eguale misura , l'albero
portaelica e quello intermedio. Avendo un unico tronco intermedio,
l’accoppiamento tra l'albero portaelica e l’albero intermedio stesso sarà realizzato
attraverso un accoppiatoio di tipo a pressione per dare la possibilità di effettuare le
operazioni di verifica e manutenzione sfilando l'asse portaelica dall'esterno.
Le pale sono orientabili grazie ad un sistema idraulico alloggiato all'interno del
mozzo e i cui comandi (i tubi dell'olio) passano attraverso la cavità degli alberi. Tale
sistema, chiamato CPP (contollable pitch propeller), si presta molto bene alla
continua variazione di carico richiesta (ad esempio durante le operazioni di dynamic
positioning o nelle manovre sottopiattaforma) e inoltre consente di passare dalla
marcia avanti alla marcia indietro senza dover invertire il senso di rotazione
dell'elica. Questo consente di ridurre al minimo il tempo e la distanza necessari
ad arrestare la nave in caso di emergenza. Il sistema prevede la presenza di un
pistone all'interno del mozzo grazie al quale, variando la pressione da un lato o
dall'altro dello stesso, le pale ruotano attorno al proprio asse (che è perpendicolare
a quello del mozzo) e si posizionano in una posizione compresa tra quella di
massima potenza in marcia avanti e massima potenza in marcia indietro.
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Illustrazione 12: schema sezione del mozzo
Si può inoltre illustrare schematicamente l'effettiva rotazione delle pale in funzione
della posizione del pistone in un sistema simile a quello adottato.
Illustrazione 13: schema di funzionamento pistone-pale.
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La linea d'assi in questione si estenderà al di fuori dalla carena per una distanza di
circa 19 metri al fine di assicurare una opportuna distanza dell'elica da essa; si rende
perciò necessario utilizzare un braccio di sostegno a supporto dell’albero portaelica.
Inoltre sulla linea d’asse sarà presente l’astuccio il quale, oltre a consentire
l'attraversamento stagno dello scafo, evita che l'albero portaelica rimanga
esposto all'azione deleteria dell'acqua di mare. Alle estremità dell'astuccio sono
presenti dei cuscinetti di metallo bianco, una lega di nichel e stagno. La
lubrificazione e il raffreddamento dei cuscinetti dell'astuccio sono assicurati da olio.
La tenuta stagna a poppavia e a proravia sarà invece garantita mediante appositi
anelli di tenuta. Per sorreggere l’albero all'interno dello scafo, si ipotizza l'utilizzo di
2 cuscinetti portanti uniformemente distribuiti lungo i 19 metri della linea d'assi
entroscafo.
Si ipotizza che i cuscinetti reggispinta, sono presenti e sono adiacenti al riduttore, i
quali assicurano che la spinta generata dalle eliche venga
trasmessa allo scafo.
Capitolo 3
3.1 DIMENSIONAMENTO REGOLAMENTARE
3.1.1 Considerazioni preliminari:
In primis bisogna specificare che dimensionare una linea d'assi vuol dire innanzitutto
calcolarne il diametro, che è l'unico parametro sul quale si può agire per aumentare
la capacità che gli alberi hanno di resistere ai carichi cui sono ordinariamente
sottoposti.
Poiché, come si vedrà in seguito, la linea d'assi presenta tratti in cui è più caricata e
tratti in cui lo è di meno, si considererà sin dall'inizio la possibilità di assegnare
diametri diversi all'albero portaelica e a quello intermedio. Le sollecitazioni cui è
soggetta la linea d’asse sono sollecitazioni costanti di flessione che scaturisce dal
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peso proprio della stessa linea, compressione attribuita alla spinta dell’elica, e la
torsione che sarà una sollecitazione tangenziale generata dalla coppia motrice.
Ogni elaborato di ingegneria deve essere concepito e realizzato con l’obbiettivo di
possedere un determinato grado di sicurezza affinché si eviti il raggiungimento
di tutte le condizioni di lavoro limite e non idonee durante l’uso per cui esso è
destinato. Risulta quindi importante verificare, con un opportuno margine di
sicurezza, che non sussistano le condizioni limite in corrispondenza delle quali possa
manifestarsi una delle temute incapacità. D'altronde non è detto che queste ultime
si palesino sempre in coincidenza di un evento catastrofico, ma possono consistere
anche nella semplice inabilità dell'opera ad essere utilizzata nel rispetto delle norme
vigenti o delle condizioni per le quali è stata progettata.
In questo capitolo si affronterà quindi il problema del dimensionamento di una linea
d'assi servendosi dei registri di classificazione (RINA), affrontando quindi un
dimensionamento regolamentare.
3.1.2 Materiali:
I generale gli alberi devono essere in acciaio fucinato avente il carico di rottura per
trazione, Rm , compreso fra i 400 e 800 N/mm2. Gli accoppiatoi e le parti rigide dei
giunti elastici che trasmettono il momento torcente devono anch’essi essere in
acciaio fucinato o acciaio fuso o ancora in ghisa sferoidale; invece le viti degli
accoppiatoi devono essere in acciaio fucinato, laminato o trafilato.
In generale, il valore del carico di rottura per trazione, RmB , del materiale delle viti
deve soddisfare le seguenti condizioni:
- Rm ≤ RmB ≤ 1,7 Rm
- RmB ≤ 1000 N/mm2
22
3.3 ALBERI
3.3.1 Alberi intermedi e alberi reggispinta :
La normativa del RINA (registro navale italiano) stabiliscono che il diametro minimo
da assegnare agli assi intermedi e dell’albero reggispinta non debba essere inferiore
al valore d, in mm, dato dalla seguente formula:
d=
∙
∙
∙
∙
1/3
essendo:
• Q
- il termine che esprime il rapporto tra il diametro interno e il diametro esterno nel
caso di alberi cavi;
- da assumere pari a 0 nel caso di alberi pieni;
- se risulta Q ≤ 0,3 allora si assume Q = 0;
• F è un fattore che vale:
- 95, per apparati di propulsione con motori diesel muniti di giunto a scorrimento o
con turbine o con motori elettrici;
- 100, per apparati di propulsione con motori diesel aventi accoppiamento di tipo
diverso da quello suddetto;
• k è un fattore, il cui valore è funzione della tipologia degli elementi che
compongono la linea d’asse; il suo valore è assegnato in base a valori tabellari:
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Illustrazione 14: Tabella del RINA relativa al fattore k
• n esprime la velocità di rotazione dell’albero, in giri/min ;
• P è la massima potenza continuativa erogata dal motore ;
• Rm è il carico di rottura a trazione per il materiale di cui è costituito l’asse. Esso
viene generalmente limitato a 800 N/mm2, a meno di particolari valutazioni
specifiche per il caso in esame da parte dell’ente di classifica.
3.3.2 Alberi portaelica :
Nel caso di alberi portaelica il dimensionamento è maggiorato, per tener conto della
presenza dell’elica.
Detto ciò, Il diametro minimo degli alberi portaelica deve essere non inferiore al
valore dp , in mm, calcolato con la formula seguente:
dp = 100 ∙
∙
∙
∙
1/3
essendo:
Il termine kp viene scelto in funzione del tipo di calettamento dell’elica all’asse e del
tipo di lubrificazione dell’astuccio, e può assumere valori pari a 1.15, 1.22, 1.26 a
24
seconda dei casi. Questo dimensionamento va applicato alla parte di albero
portaelica che va dall’estremità prodiera del supporto più a poppavia alla faccia del
mozzo dell’elica. Inoltre l’estensione di questo tratto deve essere almeno 2.5 volte il
diametro d calcolato con il valore di kp.
Q, F, n, P e Rm hanno lo stesso significato di quelli esposti al paragrafo precedente.
Infine ai fini della determinazione del diametro regolamentare dp, il valore di Rm da
introdurre nella suddetta formula deve, in generale, essere assunto non superiore a
600 N/mm2.
3.4 CAMICIE :
Allorquando l’albero portaelica non sia costituito di materiale anticorrosivo , si
prevede l’utilizzo di camicie protettive di metallo.
Le camicie sistemate sugli alberi portaelica o sugli alberi intermedi entro l’astuccio,
devono avere spessore non inferiore al valore t, in mm, calcolato con la formula
seguente:
d + 230
t =
32
essendo:
d : diametro effettivo dell’albero, in mm.
Nel tratto fra i supporti tale spessore t può essere ridotto del
25%.
3.5 CUSCINETTI DELL’ASTUCCIO :
- I supporti con metallo bianco, od altro metallo antifrizione, lubrificati ad olio, con
dispositivi di tenuta dell’olio approvati dalla Società, devono avere lunghezza non
inferiore a 2 volte il diametro regolamentare dell’albero portaelica in
corrispondenza del supporto stesso.
- I supporti in gomma sintetica, resina rinforzata o materiali plastici, approvati dalla
Società per essere impiegati come supporti poppieri degli astucci lubrificati ad olio,
devono avere lunghezza non inferiore a 2 volte il diametro regolamentare
dell’albero portaelica in corrispondenza del supporto stesso.
25
- I supporti in legno santo e quelli rivestiti di metallo antifrizione devono avere
lunghezza non inferiore a 4 volte il diametro regolamentare dell’albero portaelica in
corrispondenza del supporto stesso.
3.6 ACCOPPIATOI :
Dimensionare gli accoppiatoi a flange significa determinare lo spessore delle flange
e il diametro delle viti di collegamento.
3.6.1 Accoppiatoi flangiati:
- Le flange degli accoppiatoi degli alberi intermedi e degli alberi reggispinta e la
flangia dell’accoppiatoio prodiero dell’albero portaelica devono avere spessore non
inferiore a 0,2 volte il diametro regolamentare dell’albero intermedio di pezzo e non
inferiore al diametro delle viti di accoppiamento calcolato per il carico di rottura
uguale a quello dell’albero corrispondente.
- Quando l’elica è collegata ad una flangia di pezzo con l’albero portaelica, lo
spessore della flangia stessa non deve essere minore di 0,25 volte il diametro
regolamentare della parte poppiera dell’albero portaelica.
Inoltre il raggio di raccordo alla base delle flange fucinate di pezzo con gli alberi non
deve essere inferiore a 0,08 volte il diametro effettivo dell’albero.
Si procede, quindi, di seguito prima alla determinazione del diametro delle viti.
Esso, in corrispondenza delle superfici di contatto delle flange, deve
essere non inferiore al valore db , in mm, calcolato con la formula seguente:
d = 0,65 ∙ #$∙ % ∙&' ∙
0,5
%
dove:
26
d: diametro regolamentare dell’albero intermedio, in mm;
nB: numero delle viti calibrate;
Dc: diametro della circonferenza passante per i centri dei fori per le viti, in mm;
Rm: valore del minimo carico unitario di rottura per trazione del materiale dell’albero
intermedio, assunto per il calcolo di d, in N/mm2;
RmB: valore del minimo carico unitario di rottura per trazione del materiale delle viti,
in N/mm2;
3.6.2 Accoppiatoi forzati :
Gli accoppiatoi di tipo smontabile, forzati sull’albero con pressione d’olio o con altri
metodi, possono essere accettati sulla base di un calcolo del forzamento e delle
tensioni indotte. A tale scopo la forza dovuta all’attrito fra le superfici di contatto
non deve essere inferiore a 2,8 volte la forza totale dovuta al momento torcente
trasmesso ed alla spinta. Entrambi sono espressi dalle relazioni:
*
2∙+∙,
La forza dovuta al momento torcente si ricava dalla relazione:
() = F=
-.
/
Invece la spinta è espressa attraverso la relazione:
*
0 = 1
27
con:
P è la potenza trasmessa dalla macchina motrice in (W);
n è il numero di giri dell’albero motore (in giri/s);
v è la velocità dell’imbarcazione (in m/s);
r è il diametro interno del giunto applicato (in m);
3.7 CALCOLO DEGLI ORGANI :
Albero intermedio:
Nel caso in esame si è vincolati all'utilizzo di un albero cavo di diametro
interno di 90 mm, quindi si assumerà Q ≤0 e quindi Q=0 . F sarà assunto
pari a 100 poiché si sta utilizzando un motore diesel quattro tempi. Si suppone che il
raggio di raccordo delle flange sia conforme a quanto stabilito in [2.5.1] parte
C, Capitolo 1, Sezione 7, del RINA , e quindi si pone k = 1,0. Per quanto riguarda n,
esso sarà pari a 200 rpm (velocità di rotazione dell'elica). Nell'assegnare la potenza
si considera la potenza massima data dalla potenza del singolo motore che serve
la linea d'asse, quindi P = 12.600 kW. Rm sarà invece pari a 600 N/mm2.
La formula, con i dati inseriti, diventa:
d= 100 ∙ 1,0 ∙
2
2
∙
∙
1/3
dalla quale risulta d = 359,39 mm che può essere approssimato a 360 mm.
28
Albero portaelica:
L'accoppiamento tra elica e albero è realizzato mediante flange inoltre si ipotizza
una lubrificazione ad acqua, quindi si assumerà per kp il valore di 1,15 . Ciò comporta
evidentemente una maggiorazione del 15% del diametro dell'albero portaelica
rispetto al diametro di quello intermedio, e dunque dp risulta essere 413,30 mm che
può essere approssimato a 415 mm
Accoppiatoio forzato:
La forza dovuta una ad un momento torcente è espressa dalle seguenti relazioni:
() = *
12600000
=
= 602513,344 ∙ 5
2 ∙ + ∙ , 2 ∙ + ∙ 3,33
E quindi:
Ft =
-.
= 602513,34/0,430 = 1401,19x103 N
/
Invece per quanto concerne la spinta è fornita dalla relazione:
S =
P
v
questa può essere trascurata in quanto il solo contributo è dato dalla condizione
funzionale di marcia indietro dove le potenze in gioco e le velocità risultano molto
basse.
29
Come anticipato precedentemente la forza dovuta all’attrito fra le superfici di
contatto non deve essere inferiore a 2,8 volte la forza totale dovuta al momento
torcente trasmesso ed alla spinta, quindi:
9
≥ 2,8
Ovvero :
9 ≥
Infine si avrà :
9 ≥
2,8
)
3923,33=>4?
Accoppiatoio flangiato:
Bisogna infine calcolare il diametro dei bulloni presenti sull’accoppiamento del
reggispinta, il quale è adiacente al riduttore.
Si assume l’utilizzo di 12 viti con carico di rottura pari a 600 N/mm2. Si ipotizza
inoltre un diametro della flangia di 580 mm e un diametro della circonferenza
passante per il centro dei fori di 530 mm. Inserendo i valori nella formula si ha :
d = 0,65 ∙ @ A,@A $ ∙ 2∙ @ ∙
0,5
= 62,6 mm
Il quale può essere approssimato a 63 mm;
Si prevede per la flangia invece uno spessore pari 0,2 volte il diametro dell’albero
intermedio quindi, lo spessore della flange sarà 72 mm
30
3.8 TAVOLE
La rappresentazione della linea d’asse è effettuata mediante l’utilizzo di un
programma CAD (computer aided design).
Capitolo 4
4.1 VERIFICA DIRETTA
Per effettuare una verifica diretta, bisogna andare ad analizzare le sollecitazioni cui è
soggetta la linea d’assi.
Si verificheranno le sollecitazioni che agiscono sull’albero intermedio e sull’albero
portaelica.
4.2 SOLLECITAZIONI SU ALBERO INTERMEDIO :
Una di queste è la sollecitazione è quella di compressione espressa dalla relazione:
σc =
B∙C
D∙#E
dove:
T è la spinta dell’elica fornita dalla relazione:
31
P
S = = 1065,08x10@ N
v
σc =
Inserendo i valori :
B∙
, B∙
D∙@
E
$
= 10,4 N/mm2
Ulteriore sollecitazione da considerare è quella di flessione espressa dalla relazione:
σf =
-H
IH
=
B∙J∙K E
D∙#$
dove :
- Mf = MN 2
L
rappresenta il momento flettente calcolato considerando i vincoli come appoggio,
definendo “ l ” la campata tra due di essi e “q” il peso della linea d'asse come :
q1 = + ∙
#E
B
O = 7845 N/m
dove:
γ è il peso specifico dell’acciaio ed è pari a 77110 N/m3
- Wf =
D∙#$
@2
Rappresenta il minimo modulo di resistenza a flessione della sezione.
Inserendo i valori , si ottiene:
σf =
B∙PLB ∙
D∙ .@
,@@ E
$
= 8,6 N/mm2
32
L’ultima sollecitazione da prendere in considerazione è quella di torsione. La coppia
prodotta dal motore genera una sollecitazione di torsione, che risulta essere
tangenziale e non assiale come le precedenti.
τt =
-.
I.
=
L∙
∙DE ∙#$
dove:
- Mt =
2∙ ∙D
Rappresenta il momento torcente, dato dal rapporto della potenza P e della velocità
angolare.
R∙S
$E
- Wt = S
E
Rappresenta il minimo modulo di resistenza a torsione della linea d’assi.
Inserendo i valori si ottiene:
τt =
L∙ 2
@,@∙DE ∙
,@
$
= 66,40 N/mm2
33
4.3 SOLLECITAZIONI SU ALBERO PORTAELICA:
Le precedenti sollecitazioni sono calcolate allo stesso modo con il valore del
diametro dell’albero portaelica. Da ciò ne deriva che :
B∙
σc =
σf =
τt =
B∙
D∙
$
, B∙
E
D∙B
B2 ∙ A E
,B
L∙ 2
@,@∙DE ∙
$
= 7,8 N/mm2
= 67 N/mm2
,B
$
= 43,3 N/mm2
4.4 MODELLO STRUTTUALE :
L'analisi ingegneristica di un fenomeno reale necessita della determinazione di un
modello astratto che lo semplifichi. La scelta del modello da applicare alla linea
d'assi è intuitiva. Gli alberi hanno forma allungata e sezione di forma costante e
quindi ad essi si può applicare la teoria di trave; su tale albero-trave agiscono tre
carichi esterni :
- la spinta S , che gli assi trasmettono dal propulsore allo scafo.
- il peso degli assi q.
34
- il momento torcente Mt che gli assi trasmettono dal motore al propulsore.
I tre carichi esterni che agiscono sulla trave generano tre sollecitazioni interne ,
espresse nel precedente paragrafo.
Per considerare l'azione simultanea delle tre sollecitazioni, è necessario
fare ricorso a una tensione ideale. Servendosi di un criterio di tipo energetico (cioè
per il quale le condizioni di sicurezza nell'intorno di un punto dipendono
esclusivamente dal valore che nell'intorno di detto punto assume il potenziale
elastico), questa tensione ideale sarà intesa come una tensione monoassiale che dia
luogo allo stesso potenziale ottenibile in regime di stato tensionale triassiale.
Si utilizzerà il criterio di Hencky-von Mises , per il quale la tensione ideale è data da:
σequivalente = TUV2 + UW2 + 3X)2
Avendo considerato la linea d'assi a sezione variabile, è necessario trovare i due
diametri esterni che soddisfino il criterio di verifica scelto. Tale criterio sarà quindi
impiegato due volte: una prima volta per
il tratto di albero portaelica, che ha diametro esterno d1, e una seconda volta
per il tratto di albero intermedio, che ha diametro d2.
4.5 SCELTA DEL COEFFICIENTE DI SICUREZZA:
A prescindere dal criterio che si è scelto di utilizzare, il dimensionamento di un
organo (sia esso meccanico o strutturale) si riduce a verificare la seguente
disuguaglianza:
σequivalente ≤ σammissibile
Una classica prova di trazione fornisce il valore dello sforzo di snervamento ( σY ) per
l'acciaio utilizzato. La tensione ammissibile sarà data dalla relazione:
35
σammissibile =
YZ
[
Dove “s” rappresenta il coefficiente di sicurezza, il quale riveste grandissima
importanza nella progettazione strutturale. Tale coefficiente è quella grandezza che
racchiude le incertezze, le approssimazioni e le imprecisioni che caratterizzano il
modello scelto e le ipotesi assunte.
La moderna pratica è solita attribuire a tale coefficiente di sicurezza un valore che
rappresenti il giusto compromesso tra sicurezza ed economicità ( 1.3 ≤ \ ≤ 2 ).
Tale coefficiente deve tener conto delle seguenti voci:
- incertezza sull’entità e sulle modalità di applicazione dei carichi
- incertezza sul calcolo dello stato tensionale
- incertezza sulla determinazione della tensione di snervamento del materiale
- esigenza di ridurre i costi
- conseguenze del cedimento
- qualità di fabbricazione del materiale
- manutenzione e grado di ispezione durante l’esercizio
- gravità delle condizioni operative
Il coefficiente di sicurezza si ipotizza che sarà lo stesso per l'albero portaelica e per
quello intermedio.
Per la verifica dell'albero portaelica si utilizzerà quindi un coefficiente
di sicurezza pari a:
s=2
Ipotizzando che per l'acciaio che si suppone di utilizzare la tensione
di snervamento σY è pari a 300 N/mm2, si ha per l'albero portaelica che:
36
σammissibile =
@
2
= 150 [N/mm2]
In egual modo per l'albero intermedio:
σammissibile =
@
2
= 150 [N/mm2]
È necessario a questo punto determinare le tensioni che andranno a comporre
quelle ideali, da confrontare infine con quelle ammissibili.
La tensione ideale relativa all’albero intermedio si ottiene inserendo i valori nella
formula:
σequivalente = TUV2 + UW2 + 3X)2 = ]10,42 + 8,62 + 3 66,42 = 115,8 N/mm2
confrontando con il valore della tensione ammissibile si nota che la disuguaglianza è
verificata:
115,8 ≤ 150 [N/mm2]
Infine la tensione ideale relativa all’albero portaelica si ottiene in egual modo.
Inserendo i valori nella formula si ottiene:
σequivalente = TUV2 + UW2 + 3X)2 = ]7,82 + 67,2 + 3 43,32 = 101 N/mm2
anche in tale caso la condizione di disuguaglianza risulta verificata:
101 ≤150 [N/mm2]
37
4.6 ANALISI DEI RISULTATI:
Dai risultati ottenuti si può osservare come per entrambi gli organi la condizione di
sicurezza è ampiamente verificata utilizzando i diametri ottenuti rispettando le
norme del RINA. Inoltre confrontando le tensioni equivalenti verificate, con le
tensioni di snervamento del materiale utilizzato è possibile individuare il grado di
sicurezza preso in considerazione per l’albero intermedio:
s=
YZ
Y_`abcde_fg_
=
@
,L
= 2,6
e per albero portaelica:
s=
YZ
Y_`abcde_fg_
=
@
= 2,9
Il coefficiente di sicurezza preso quindi in considerazione dal RINA risulta essere
maggiorato rispetto quello ipotizzato proprio per tener conto delle numerose
incertezze a cui si va incontro nella progettazione del determinato organo.
Con un coefficiente di sicurezza molto elevato è possibile comunque presentare al
RINA un eventuale progetto in cui il coefficiente stesso venga ridotto ( s=2 circa) allo
scopo di utilizzare un diametro minore.
L’utilizzo di diametro minore comporta una diminuzione di peso e di ingombro con il
conseguente vantaggio di poter aumentare il carico pagante.
38
Bibliografia
[1] Renato della Volpe, “Impianti motore per la propulsione navale” , 2004.
[2] Renato della Volpe, “Macchine”, 2011.
[3] Franco Quaranta, Flavio Balsamo, ”La linea d’asse” (appunti del corso 2011/2012)
[4] Rina parte C, cap1, Sez 7, “ Linee d’alberi di propulsione”.
[5] E. Chirone, S. Tornincasa "Disegno Tecnico industriale 2" , 2010.
39
Ringraziamenti
Nel periodo di stesura di questo elaborato mi sono spesso soffermato a pensare alla
famosa pagina dei ringraziamenti e ogni volta mi ripromettevo di non volerla inserire
nel mio lavoro. Invece credo che le persone che mi sono state accanto nella buona e
nella cattiva sorte durante questi anni, meritino il giusto rispetto e il giusto
ringraziamento.
In primo luogo mi preme ringraziare mia madre Cinzia, mio padre Enrico e mio
fratello Gianluca che hanno sopportato i miei continui sbalzi di umore e stress pre e
post esame. Con la promessa che questo sia un punto di partenza per il futuro e non
un punto di arrivo.
A seguire desidero ringraziare mia zia Vincenza per i suoi preziosi consigli, mio nonno
che rappresentava un esempio da seguire nella vita per la sua compostezza, serietà e
per la sua dedizione al lavoro.
Un pensiero va al mio relatore Professore Franco Quaranta che mi ha seguito nello
sviluppo della tesi.
Ed infine un ringraziamento va anche ai miei più cari amici Alfino, Stefano, Andrea,
Iuri, Gabriele, Alessandro i quali hanno reso più leggeri e spensierati i periodi di
corso e di esame.
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