SUPERYACHT #513
Gennaio 2005

Articolo estratto dalla nostra omonima rivista trimestrale dedicata alle imbarcazioni più grandi e lussuose con fotografie, schede tecniche, articoli didattici, ultime notizie e novità dal mercato

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Articolo di
Angelo Sinisi

IL BRACCIO PORTAELICA

Il fine del presente articolo è di dare una visione generale del progetto del braccio portaelica. Lo scopo del braccio portaelica è quello di sostenere l'albero portaelica e l'elica. Il disegno della sua sezione ed il numero sono determinati dalle forme della carena della nave, dalla lunghezza dell'albero portaelica e dalle caratteristiche operative della nave. Il braccio per rappresentare la sua funzione di supporto in modo soddisfacente deve possedere diversi requisiti sia strutturali sia idrodinamici, che comportano notevoli difficoltà di progetto. Come struttura esposta è un'appendice di carena soggetta, sia in condizioni di funzionamento normale sia in condizione di carico straordinario (quale urto contro un corpo galleggiante, sollecitazione dovuta ad un danno all'elica, al cuscinetto o all'albero), ad azioni dinamiche che generano sollecitazioni difficili se non impossibili da valutare.

È quindi impossibile premunirsi contro tutti gli inconvenienti e le accidentalità che il braccio può incontrare durante l'impiego operativo della nave.

Il requisito fondamentali del braccio è quello di essere adeguatamente robusto per sostenere il cuscinetto nelle condizioni normali operative fino alla massima potenza sviluppabile dall'apparato motore. Tali condizioni di funzionamento comportano il carico causato dalla forza centrifuga non equilibrata e la spinta idrodinamica, le forze d'inerzia dovute al movimento della nave in mare ondoso, l'azione della gravità sul complesso albero-elica. Poiché le sollecitazioni generate saranno del tipo alternato, esse devono essere contenute ben al disotto del limite di fatica del materiale; essere proporzionato per sopportare le sollecitazioni generate nelle condizioni limiti di perdita di una pala dell'elica o d'ingranamento del cuscinetto del braccio; essere rigido abbastanza per non consentire vibrazioni e per assorbire le eventuali vibrazioni provocate dall'azione del complesso albero-elica; avere un margine di sicurezza per permettere al braccio di resistere ad azioni straordinarie, quali battimento provocato dall'elica che emerge durante il moto in mare tempestoso o tocco su uno scoglio o sul fondo; avere caratteristiche idrodinamiche tali che resistenza ed interferenza con il flusso dell'acqua all'elica siano contenute al minimo. Una causa principale delle vibrazioni di un'imbarcazione è la variazione del flusso sul disco dell'elica, per cui il braccio non deve aggravare queste condizioni; deve essere studiato e costruito per quanto possibile esente dagli effetti distruttivi di erosione dovuti alla cavitazione.

I tipi fondamentali di braccio portaelica, sia per braccio principale che per braccio intermedio, sono :

• a ringrosso (Figura 1)
• a cavalletto (Figura 2)
• a trave singola o a pinna (Figura 3)

Figura 1 - Forma di un braccio a ringrosso

Figura 2 - Forma di un braccio a cavalletto

Figura 3 - Forma di bracci a pinna Figura 4 - Sezioni trasversali forme di poppa

Primo carattere di distinzione, ed il più evidente, è che normalmente le navi mercantili hanno bracci a ringrosso, mentre le navi veloci bracci a cavalletto o a pinna.

Per tanto la ragione prima della scelta deve essere attribuita alle differenti caratteristiche delle navi relativamente al loro impiego. Molto importante è l'azione del flusso controelica prodotto da un ringrosso o da un braccio a pinna. Nelle navi mercantili, che presentano delle forme poppiere con deriva molto piena e bracci a ringrosso, se si avviano le forme della poppa in modo da creare con la superficie della carena e del ringrosso tale effetto controelica, si ottengono buoni risultati. Il flusso generato da una poppa simmetrica presenta alcune zone di flusso stagnante e altre in cui le linee di flusso risultano opposte, per cui non solo l'elica si trova a lavorare in un flusso non uniforme, ma in più è portata a trasmettere al suo asse ed ai cuscinetti relativi forze idrodinamiche intermittenti che causano forti e pericolose vibrazioni allo scafo. Adottando, così, una forma della poppa asimmetrica, progettata in modo che la parte immersa superiore ed inferiore della poppa rispetto alla linea d'asse siano disposte in una direzione contraria alla rotazione dell'elica, il flusso dell'acqua sarà costretto a muoversi verso la parte più povera di linee del disco dell'elica. In pratica si ottiene un vero e proprio svergolamento del flusso che è opposto al moto dell'elica e forma un flusso uniforme su tutto il disco dell'elica e quindi un aumento del rendimento propulsivo.

La Figura 4 mostra le sezioni trasversali della poppa di una nave dove è stato previsto tale effetto controelica, ricavato avviando opportunamente la superficie della carena e del ringrosso.

Un braccio a pinna, pur presentando rispetto ad un braccio a cavalletto delle forme più grosse e quindi una maggiore resistenza d'appendice, essendo capace di produrre un'azione controelica sul flusso, ha portato ad ottenere dei rendimenti propulsivi decisamente alti, tali da annullare la sua maggiore resistenza e ad apportare risparmi notevoli in potenza al mozzo dell'elica fino all'8%.

Al contrario i bracci a cavalletto, data la forma molto snella di appendice, non portano alcun beneficio per effetto controelica, e la posizione migliore è quella intorno agli zero gradi. Discostando di poco la posizione da tale valore (4ö5 gradi), si possono produrre aumenti di potenza fino al 4% . Questo diverso comportamento è dovuto ai fenomeni di cavitazione che insorgono e che alterano il flusso dell'acqua verso l'elica.

In relazione alla manovrabilità, i bracci portaelica a ringrosso risultano svantaggiosi se la nave ha una velocità relativa alta, cioè una elevata potenza rispetto alla lunghezza. Inoltre la presenza di ringrossi molto pronunciati, a causa delle grandi potenze in gioco, può produrre una forte concentrazione di scia nel flusso verso l'elica causando fenomeni di cavitazione sulle pale dell'elica.

Figura 5 - Angoli di inclinazione per rollio su una nave bielica a velocità zero

I bracci a ringrosso, però, comportano altri vantaggi di carattere pratico che non possono essere trascurati. Infatti, essi possono permettere l'accesso dall'interno della nave alla linea d'asse per la quasi totalità della sua lunghezza e proteggono la linea d'asse ed i relativi cuscinetti dagli elementi estranei presenti nell'acqua.

La trave o le travi del braccio costituiscono quindi l'elemento strutturale che deve soddisfare i diversi requisiti richiesti.

Figura 6 - Prove di autopropulsione con modello Figura 7 - Distribuzione della pressione lungo un profilo alare Figura 8 - Cavitazione, coefficiente di portanza ed angolo di attacco per un profilo simmetrico

Nasce così la necessità di creare una struttura che sia in sostanza adeguatamente robusta e sufficientemente rigida e che presenti delle ottime caratteristiche idrodinamiche. La determinazione della forma migliore della sezione della trave e della caratteristica fondamentale della sollecitazione rappresentano la risoluzione al problema del progetto.

I carichi che agiscono sulla struttura di un braccio sono di natura dinamica e di natura statica. Quelli di natura statica sono talmente piccoli che poco possono intervenire nella determinazione più idonea delle caratteristiche della sollecitazione e quindi del carico di sicurezza.

Le forze che possono agire sul braccio sono:

• forze dovute al peso dell'elica, asse e braccio;

• forze d'inerzia dovute al beccheggio, rollio ed all'accostata;

• forze causate da una pressione non uniforme sulle pale dell'elica quando la nave è in accostata;

• forze generate dall'ingranamento dell'asse portaelica nella boccola del braccio;

• forze create da una forza centrifuga, causata da un baricentro dei pesi in rotazione non al centro dell'asse portaelica, che risulterà massima con la perdita di una pala dell'elica;

• vibrazioni determinate dal funzionamento dell'elica.

Queste azioni generano nelle travi o nella trave del braccio uno sforzo normale, un momento flettente longitudinale e trasversale ed un momento torcente che secondo il tipo di struttura sarà più o meno preponderante.

I bracci a due travi, cioè a cavalletto, si sono rivelati più efficaci dei bracci ad una trave o a pinna. Le travi dei bracci a cavalletto hanno sezione uniforme per tutta la loro lunghezza, invece la trave dei bracci a pinna ha sezioni variabili lungo la lunghezza.

Si è visto che, nei bracci a cavalletto, è possibile ottenere adeguata robustezza e rigidità anche con travi che sembrano considerevolmente sottili e snelle. Però tali forme sottili possono comportare cavitazione, specialmente quando esse giacciono con un angolo rispetto alla direzione del flusso locale. Realizzare una sistemazione che presenti il profilo investito dalla corrente con angolo di attacco nullo è pressoché impossibile.

Infatti, Il flusso locale cambia col variare di direzione nella manovra della nave, con la rotta della nave rispetto al moto delle onde, con il moto della nave in mare ondoso, con l'assetto ed il dislocamento. L'effetto della presenza di un angolo di attacco è determinante ai fini della cavitazione, considerando che l'immersione della parte superiore della trave di un braccio è piccola e l'indice di cavitazione corrispondente molto basso specialmente alle alte velocità. La presenza della cavitazione e della separazione del flusso potranno causare vortici intermittenti e vibrazioni laterali delle travi, erosione sulla superficie delle travi e, quello che è più grave, disturbi notevoli al flusso che converge all'elica. Molta cura deve essere dedicata per ottenere un accurato allineamento delle travi del braccio con le linee di flusso alla velocità di progetto. Tale allineamento, comunque, non può eliminare l'inevitabile angolo di attacco dovuto ai moti della nave.

La progettazione pratica deve riconoscere l'esistenza di questi angoli di attacco, quindi la forma risultante del braccio deve essere tale da minimizzare gli effetti deleteri detti.

L'angolo più appropriato da tenere presente nel progetto può essere stimato sperimentalmente con prove sul modello alla vasca (Figura 6) durante la prova di autopropulsione, in cui si stabilisce il flusso intorno alla poppa del modello mentre l'elica sviluppa la sua spinta normale tenendo conto dell'influenza della velocità indotta nell'acqua che attraversa il disco dell'elica. In linea di massima, l'angolo di attacco non varia più di un grado a tutte le velocità operative nel moto d'avanzo rettilineo della nave e la nave si muove in questo moto per circa il 98% della sua vita operativa.

La correlazione fra l'angolo di attacco delle travi di un braccio e la possibilità di cavitazione è ben mostrata dalle curve della Figura 7, in cui le linee a tratto rappresentano la distribuzione della pressione, lato depressione del profilo, lungo un profilo, posto a vari angoli di attacco con la direzione del flusso. Se i picchi di pressione negativa sul lato in depressione delle travi del braccio superano una certa pressione critica, si avrà l'inizio della cavitazione. Le zone tratteggiate della figura evidenziano che si può avere cavitazione anche con valori della velocità relativamente bassi e a normali angoli di attacco. Per cui analizzando i dati del diagramma della Figura 7 si può vedere che la cavitazione può essere evitata o diminuita riducendo il valore dell'angolo di attacco, inoltre, dall'andamento delle curve della distribuzione della pressione lungo il profilo e dalla posizione del picco di pressione che a parità d'angolo di attacco la cavitazione può essere evitata o diminuita agendo sulla forma della sezione. Basandosi sui valori desunti dalle curve di distribuzione teorica della pressione è stato costruito il diagramma della Figura 8 dove i coefficienti di pressione En , relativi a ciascuno dei 58 differenti profili bidimensionali simmetrici sperimentati, sono riportati in funzione del rapporto raggio del naso / lunghezza della corda a vari angoli di attacco.

L'andamento delle curve medie dei valori riportati nella Figura 8 evidenzia l'influenza caratteristica della forma del naso (bordo di entrata) sul valore del picco di pressione negativa a valori dell'angolo di attacco diversi da zero. Risulta così necessario evitare forme di naso aguzze ed anzi, aumentando il valore dell'angolo di attacco, bisogna adottare forme di naso molto grosse, cioè un maggiore raggio del bordo di entrata. Inoltre nel suddetto diagramma è possibile individuare la posizione lungo la corda del valore del picco di pressione negativa.

Studi effettuati con forme di sezione che hanno dato risultati che si discostano molto dalle linee della Figura 8 hanno indicato che, assumendo costante il valore del raggio di naso, le seguenti altre caratteristiche di forma del profilo intervengono ai fini della cavitazione:

• posizione rispetto alla corda del massimo spessore
• rapporto corda/spessore
• avviamento particolare della forma della sezione fra il naso e il massimo spessore.

Figura 9 - Forme di sezioni di bracci portaelica

Da quanto riportato sopra per progettare un buon braccio si utilizza una sezione di trave che minimizzi tutte le forze idrodinamiche agenti, la probabilità di danno da cavitazione e massimizzi il modulo di resistenza della sezione a parità di unità di peso.Tali requisiti sono compatibili e possono essere raggiunti bilanciando, nel progetto della sezione, grandi raggi di naso, spessore della sezione e posizione media del massimo spessore.

Figura 10 - Separazione del fluido per passaggio dell'aria della superficie

Per le navi veloci è preferibile adottare il tipo di braccio a cavalletto le cui travi hanno un rapporto corda/spessore che può variare tra 5 e 6. Deve essere evitato che la trave superiore di un braccio si colleghi allo scafo in un punto sopra lo specchio libero, poiché, in queste condizioni, sicuramente si formerebbe una cavità nell'acqua sulla superficie libera dietro il braccio a causa della bassa pressione presente. La separazione del fluido dietro il bordo di uscita formerebbe un passaggio per l'aria che si estenderà dalla superficie del mare lungo la trave giù fino al mozzo e all'elica riducendone la spinta e generando vibrazioni (Figura 10).

Particolare cura deve essere data nel collegamento strutturale delle travi del braccio allo scafo e al barilotto. La struttura dello scafo, che sopporta una trave del braccio, deve essere progettata per assorbire il completo sforzo delle travi. Quindi la particolare attenzione posta alla realizzazione della struttura della zona dello scafo sopportante il braccio e relativa sua struttura impediscono la formazione di vibrazioni che molte volte presenta la parte poppiera di una nave.