SUPERYACHT #517
Maggio 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
di Mario Felli, dell'Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale (INSEAN), Laboratorio di Propulsione e Cavitazione

L'ELICA DIETRO CARENA
effetto dei bracci portaelica e della linea d'assi

Il funzionamento e le prestazioni di un'elica navale risentono pesantemente della non uniformità del flusso incidente, i cui effetti vanni accuratamente calibrati al fine di non pregiudicare l'efficienza del sistema propulsivo, il comfort di bordo e la resistenza delle strutture. La disuniformità del flusso incidente, determina, infatti, una distribuzione del carico idrodinamico variabile sia radialmente che lungo l'azimut, dando origine a fluttuazioni periodiche dei valori della spinta e della coppia, con conseguente innesco di vibrazioni, rumore, instazionarietà della spinta e sollecitazione a fatica delle strutture. In questi casi la scia rilasciata dall'elica risente in maniera significativa della posizione reciproca tra le pale e la corrente rilasciata a monte dalla carena, presentando sensibili alterazioni rispetto alla morfologia assialsimmetrica tipica delle eliche in condizioni di flusso uniforme. La presenza della carena induce una sensibile distorsione del flusso incidente che nelle carene bielica è particolarmente accentuata a ridosso dei braccetti portaelica e della linea d'assi. Nelle carene bielica, infatti, a causa della posizione decentrata dei propulsori, il flusso tende a risentire poco della perturbazione indotta dallo scafo, presentando un coefficiente di scia nominale tipicamente superiore a 0.95. L'effetto principale è, invece, da ricercare nella presenza dei braccetti portaelica e della linea d'assi, la cui perturbazione si manifesta sottoforma di un difetto di velocità della corrente e lo sviluppo di turbolenza.

Figura 1. Idrodinamica di un braccetto portaelica: flusso intorno ad un profilo portante Figura 2. Idrodinamica della linea d'assi: flusso intorno ad un cilindro in una corrente uniforme Figura 3. Distribuzione della scia della linea d'assi e dei braccetti in una carena bielica Figura 4. Effetto dell'orientamento dei bracci portaelica sulla distribuzione della scia turbolenta a monte e a valle di un'elica. Figura in alto: configurazione con braccetti a incidenza geometrica nulla (configurazione 1). Figura in basso: configurazione con braccetti in contro rotazione rispetto al propulsore (configurazione 2). Figura 5. Distribuzione della scia turbolenta nella regione tra il propulsore ed i braccetti portaelica

L'azione esercitata da un braccetto portaelica può essere modellizzata ricorrendo al modello di una superficie alare di lunghezza finita, investita da una corrente, con un angolo di incidenza legato alle caratteristiche locali della scia rilasciata dal corpo poppiero della carena (figura 1). L'azione idrodinamica del braccetto si manifesta sottoforma di uno squilibrio del campo di pressione tra le superfici dorsale e ventrale che determina, da un lato, il rallentamento della corrente nella direzione del moto e, dall'altro, la deviazione del flusso verso la zona in pressione.

L'azione frenante è legata, in particolare, a due effetti, il primo di natura potenziale dovuto alla resistenza di forma, la seconda, di natura viscosa, legata alla presenza dello strato limite. L'azione deviante esercitata sul flusso può essere facilmente interpretata ricorrendo al terzo principio della dinamica come l'effetto di una forza uguale ed opposta alla portanza, che tenderà a ruotare la corrente nella direzione della superficie in pressione. L'entità di tale azione è, dunque, legata all'intensità della forza di portanza, e, quindi, aumenterà al crescere dell'incidenza idrodinamica del braccetto (attraverso il coefficiente di portanza), al crescere della pressione dinamica del flusso incidente, e naturalmente all'aumentare della superficie bagnata. Nel caso dei braccetti portaelica, tale forza viene spesso utilizzata per produrre una componente di flusso controrotante rispetto all'elica, che determina un aumento del carico idrodinamico palare, controbilanciando il difetto di pressione dinamica indotto dalla scia di carena. Tale effetto è molto simile a quello che ispira l'adozione di forme poppiere asimmetriche nelle imbarcazioni monoelica, in cui la conformazione delle linee di costruzione nella parte immersa, superiore ed inferiore alla linea d'assi, spinge il flusso controelica, minimizzando gli effetti di non uniformità del carico palare, durante la rotazione . Il rallentamento del flusso nella direzione del moto si distribuisce lungo una regione di spessore finito la cui ampiezza, per valori piccoli dell'incidenza idrodinamica, è circa un ordine di grandezza inferiore allo spessore massimo del profilo stesso. Al crescere dell'incidenza il gradiente di pressione avverso sulla superficie dorsale del braccetto provoca il distacco dello strato limite, a cui si associa un notevole ispessimento della scia e una caduta delle prestazioni del braccetto stesso (stallo idrodinamico).

Il comportamento idrodinamico della linea d'assi può essere descritto ricorrendo al modello idrodinamico di un cilindro immerso in una corrente fluida (figura 2). Contrariamente a quanto visto per un corpo con sezione profilata, nel caso di un corpo tozzo (bluff-body), con caratteristiche idrodinamiche simili a quelle di una linea d'assi, il flusso non riesce a rimanere aderente sul corpo ma tende a separare piuttosto rapidamente, rilasciando una scia turbolenta caratterizzata da un forte difetto di velocità ed uno spessore dello stesso ordine di grandezza del diametro del corpo. Il distacco di vena che si verifica sulla linea d'assi crea una scia di vortici alternati che produce sul corpo forze di resistenza e di portanza variabili nel tempo con una frequenza ben definita, indipendentemente dal fatto che la carena si stia muovendo con velocità costante.

La scia dei bracci portaelica e della linea d'assi costituiscono dei picchi di discontinuità del campo di velocità il cui effetto si amplifica se non opportunamente dimensionati dal punto di vista idrodinamico. A tale riguardo, in figura 4 vengono riportati gli andamenti del campo di turbolenza di una carena bielica, relativamente a due configurazioni di braccetti con incidenza geometrica nulla (configurazione 1: figura 4 in alto) ed in contro rotazione rispetto al propulsore (configurazione 2: figura 4 in basso). Le misure sono state realizzate presso il Canale di Circolazione dell'Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale con un sistema anemometrico Laser Doppler. La distribuzione dell'intensità turbolenta fornisce informazioni molto utili per valutare le condizioni di funzionamento dell'elica e gli effetti dovuti all'interazione con la scia della carena e delle sue appendici.

La turbolenza, infatti, è un'importante indicatore dell'efficienza del propulsore, in quanto rappresenta quella parte dell'energia trasferita dall'elica al flusso che viene "persa", in quanto non contribuisce attivamente allo sviluppo della spinta. In questo senso, le regioni in cui si riscontrano i valori più elevati dell'intensità turbolenta costituiscono potenziali sorgenti di rumore e di innesco della cavitazione, a causa dei processi di generazione e di destabilizzazione delle bolle, attivati dalla turbolenza. La scia turbolenta dei braccetti portaelica e della linea d'assi, in particolare, costituisce la principale sorgente di innesco di processi destabilizzanti della scia dell'elica. Ritornando all'esempio di figura 4, questo comportamento è particolarmente evidente nel braccetto verticale della configurazione 2 (figura 4 in basso), che provoca un sensibile aumento dei livelli di turbolenza dei vortici d'estremità palari ogni qual volta si trovano a passare a valle del braccetto stesso.

Tale perturbazione si propaga sottoforma di rumore e vibrazioni sulla volta di poppa, pregiudicando di conseguenza il comfort di bordo. Inoltre, come accennato in precedenza, la scia turbolenta del braccetto promuove l'insorgenza di fenomeni di cavitazione sull'elica che amplificano i già citati effetti idroacustici e vibrazionali, oltre che, naturalmente, determinare fenomeni di tipo erosivo sulle pale del propulsore. La scelta del calettamento dei bracci portaelica viene tipicamente realizzata ricorrendo a prove di autopropulsione nelle Vasche Navali, cercando l'orientamento che minimizza la spinta richiesta al propulsore, per una data velocità. Tale approccio, basato sulla misura di una grandezza globale (la spinta appunto), tiene conto solo di aspetti legati alla propulsione, trascurando, di fatto, ogni implicazione di tipo idroacustico e strutturale con lo scafo stesso. In questo senso, dunque, l'idea di orientare i braccetti in modo tale da generare un flusso controelica, deve essere pesata con il "rumore" provocato dalla scia e dalla sua interazione con il propulsore, i cui effetti si amplificano all'aumentare dell'incidenza. Il supporto di tecniche diagnostiche non intrusive (anemometria Laser Doppler, anemometria PIV , misura delle pressioni indotte sulla volta di poppa, misura della superficie cavitante con tecniche di image processing, ecc) costituisce, a tale riguardo, un potente strumento per monitorare le caratteristiche della scia intorno all'elica in termini di flusso medio e turbolento, e qualificare il "rumore" prodotto dall'interazione del propulsore con la scia della carena e delle sue appendici. La disponibilità di tali tecniche mette a disposizione del progettista una serie di informazioni utili per migliorare sensibilmente le prestazioni di un'imbarcazione sia in termini propulsivi che di comfort, e deve essere, dunque, parte integrante dell'iter progettuale.

Nota: la pressione dinamica è data dal semi prodotto della densità del mezzo fluido per la velocità al quadrato della corrente indisturbata
Vedi anche: "Il braccetto portaelica" di A. Sinisi, Superyacht, Gennaio 2005
"Misure anemometriche di flussi per applicazioni underwater" di M. Felli, Superyacht, settembre 2004