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MANUALE di Macchine
IMPIANTI DI PROPULSIONE NAVALE
riduttore del numero dei giri (3), nei cuscinetti portanti (4), nel cuscinetto
GENERALITA’ SULLA PROPULSIONE NAVALE
reggispinta
La propulsione meccanica delle navi
(5) e nelle
Sappiamo che, se vogliamo che una nave avanzi in acqua a una
tenute
data velocità, si deve imprimere allo scafo una potenza propulsiva
dell’astuccio (6), l’elica (7) riceve una POTENZA ASSE Pa [kW] (shaft
uguale e contraria alla potenza resistente che si oppone al moto.
power)
Tale potenza propulsiva è esercitata da un propulsore che,
attriti idraulici e moti vorticosi dell’acqua circa il 30 % della potenza
azionato da un motore installato a bordo, esercita una spinta
asse che riceve, per cui trasmette allo scafo una
sull’acqua. Il classico propulsore navale è un’ ELICA
PROPULSIVA
deve poter ricevere energia meccanica da un
(propeller)
che
che è circa il 90 % di quella effettiva. L’elica disperde poi in
Pp [kW]
(propulsion power)
POTENZA
che, a seconda del tipo di
MOTORE PRIMO
motore primo, varia tra il 25 % e il 35 % della potenza chimica
(primary engine) presente a bordo, che è sempre un MOTORE TERMICO
disponibile. Tutte queste potenze e perdite di potenza si possono
(heat engine).
rappresentare con un DIAGRAMMA – FIUME o DIAGRAMMA DI SANKEY
In teoria potrebbe essere di tipo nucleare o chimico,
con le seguenti precisazioni: nei
MOTORI TERMICI NUCLEARI (nuclear heat engine)
(flow
il calore
diagram,
diagram),
Sankey
in cui sono
primario è fornito da processi di fissione. Sono però presenti
espresse
solo su alcune navi militari;
da strisce di larghezza
nei
MOTORI TERMICI A COMBUSTIONE (combustion heat engine)
il
graficamente
proporzionale
al
loro
calore primario proviene da processi di combustione chimica
valore, in kW oppure in
e sono i più diffusi.
percentuale (vedi figura).
Potenze e perdite dei motori a combustione
Rendimento termico effettivo di un motore termico
Per un motore di propulsione navale a combustione, la potenza di
Un parametro fondamentale per esprimere in misura quantitativa
riferimento è la POTENZA CHIMICA DISPONIBILE NEL COMBUSTIBILE Pc
le prestazioni di un motore termico è il rapporto e fra la potenza
[kW] (potential chemical power, fuel input):
effettiva Pe che il motore cede realmente al carico e la potenza
Pc = GmcHi
chimica disponibile nel combustibile Pc: ηe =
in cui Gmc [kg/s] rappresenta il consumo di combustibile o portata massica di combustibile e Hi [kJ/kg] il potere calorifico inferiore del combustibile. Il motore trasforma però solo in parte tale potenza chimica in potenza meccanica, e ciò a causa delle seguenti cause di perdita: calore uscito al fumaiolo con i gas di scarico, calore sottratto dai circuiti di raffreddamento e di lubrificazione, calore emesso per irraggiamento, energia assorbita dagli organi ausiliari del motore, perdite per attriti meccanici. Al netto di queste perdite, il motore sviluppa una POTENZA EFFETTIVA Pe [kW] (power output) che
Pe Pe = Pc Gmc ∙Hi
Questo rapporto prende il nome di RENDIMENTO TERMICO EFFETTIVO (thermal efficiency). Per i classici motori termici usati nella propulsione
navale tale rendimento assume molto orientativamente i seguenti valori: Tipo di impianto Turbine a vapore Turbine a gas Motori diesel
e 35 % 40 % 50 %
può variare dal 35 % a poco più del 50 % della potenza chimica
Altro parametro fondamentale è il consumo specifico di
fornitagli. La struttura della linea d’assi dal motore primo all’elica è
combustibile Cc [kg/kWh] definito:
(1), tramite un giunto di accoppiamento (2), cede la potenza effettiva alla linea d’assi ma, a causa di attriti in un eventuale per conduttori e costruttori del mezzo navale
Cc =
Gmc Pe
Pag.51
rappresentata in figura. Da tale figura si evince che l’albero motore
MANUALE di Macchine ove il consumo di combustibile Gmc è espresso in kg/h. Il
ove p è il numero di coppie polari ed f [Hz] è la frequenza (60 Hz
rendimento effettivo di un motore è tanto più elevato quanto più
o 50 Hz per navi adibite a sola navigazione in Europa).
basso è il consumo specifico di combustibile, infatti si ha:
Produzione di potenza elettrica tramite dieselalternatori
ηe =
1 Cc ∙Hi
La classica soluzione d’impianto prevede che, oltre al motore di propulsione,
esistano
a
bordo
uno
o
più
L’accoppiamento del motore primo all’asse del propulsore
DIESELALTERNATORI,
Il motore primo può essere accoppiato all’asse dell’elica in vari
alternatore azionato da un motore diesel (vedi figura).
gruppi
ognuno dei quali è cioè costituito di un
modi:
ACCOPPIAMENTO MECCANICO DIRETTO:
il motore primo è
collegato direttamente con la linea d’assi tramite un giunto; ciò è possibile se il motore primo ha velocità di rotazione compatibile con quella dell’elica, come nel caso di motori Gli alternatori sono azionati quasi universalmente da motori diesel
diesel a due tempi;
il motore primo ha
a quattro tempi veloci o semiveloci ad accoppiamento diretto. La
velocità di rotazione troppo alta rispetto all’elica, quindi va
velocità di rotazione assume pertanto un numero discreto di valori,
collegato con l’asse di questa tramite un riduttore del numero
come mostra la tabella nel caso che la frequenza sia di 60 Hz.
ACCOPPIAMENTO MECCANICO INDIRETTO:
dei giri, come nel caso di motori diesel a quattro tempi e di
Tipo di motore
turbine a vapore o a gas;
PROPULSIONE ELETTRICA:
il motore primo MP (motore diesel,
diesel veloce
turbina a vapore o a gas) aziona un alternatore A, il quale eroga potenza al motore
diesel semiveloce
elettrico M che muove infine il propulsore (vedi figura).
LA PRODUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA A
n (rpm) 900 1200 1800 400 450 514 600 720
p 4 3 2 9 8 7 6 5
Il combustibile utilizzato è generalmente di tipo leggero o
BORDO DELLE MOTONAVI
medioleggero, vale a dire un MDO o un IFO 180. La potenza di un
Brevi richiami sull’alternatore
con consumi specifici di combustibile compresi fra 0,19 kg/kWh
L’ALTERNATORE (alternator) è un generatore sincrono costituito di un
per grossi motori medioveloci fino a oltre 0,22 kg/kWh per piccoli
rotore interno con funzione di induttore che, azionato da un motore
motori veloci.
dieselalternatore varia da poche centinaia a diverse migliaia di kW,
primo, ruota entro uno statore con funzione di indotto. Il rotore presenta un certo numero pari di poli magnetici; con la rotazione, le sommità dei poli scorrono davanti ad avvolgimenti alloggiati entro cave ricavate sulla superficie interna dello statore e generano in essi, per induzione, un sistema di tensioni alternate, solitamente trifasi e alla tensione di 440 V. La velocità di rotazione n [rpm] del rotore è stabilita dalla nota relazione di sincronismo: 60∙f p
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.52
n=
MANUALE di Macchine Produzione di potenza elettrica tramite alternatore – asse
trasmettano al moltiplicatore di giri (3) il quale, tramite una frizione
L’ALTERNATORE – ASSE è un generatore sincrono azionato dallo
idraulica (4) e il con – speed (5), aziona l’alternatore – asse (6).
stesso motore di propulsione (vedi figura). I principali vantaggi
Quando la velocità dell’albero motore passa da 95 a 126 rpm il moltiplicatore di giri porta l’asse d’ingresso al con – speed da 955 a 1 268 rpm, mentre l’uscita da quest’ultimo è costante e pari a 1 200 rpm. Attualmente il problema della costanza del numero dei giri
derivanti da questa soluzione rispetto a quella rappresentata da
dell’alternatore – asse è stato risolto eliminandolo: si monta cioè
gruppi dieselalternatori derivano dal fatto che un alternatore –
l’alternatore – asse coassiale rispetto al motore di propulsione, con
asse: produce potenza elettrica a costi decisamente inferiori a
un inverter a tiristori si raddrizza la corrente alternata prodotta e si
quelli di un dieselalternatore (sia perché il motore principale
ricostruisce una sinusoide di ampiezza e frequenza volute (vedi
utilizza combustibili di minor pregio ma soprattutto perché li brucia
figura).
con un consumo specifico molto minore di quello di un dieselalternatore); ha costi di manutenzione minori di quelli di un gruppo di dieselalternatori di pari potenza; consente di attenuare la rumorosità in sala macchine. Quanto alle modalità di sistemazione con cui l’asse dell’alternatore è azionato da quello
La propulsione elettrica
del motore principale, si possono avere le seguenti due soluzioni:
La propulsione elettrica consiste nell’utilizzare il motore principale
alternatori – asse su asse parallelo, che può essere a sua volta
della nave per azionare un generatore elettrico, la cui corrente
disposto o sull’estremità libera del motore, oppure a valle del
alimenta poi un motore elettrico che aziona il propulsore. Molte
motore (tramite un pignone che ingrana sul volano o sul
grandi navi da crociere sono oggi a propulsione elettrica, con due
riduttore) oppure ancora di lato, tramite una presa di potenza
assi azionati da motori sincroni ad alta tensione ed eliche a pale
detta PTO (Power Take Off);
orientabili o fisse a seconda del tipo di convertitore statico
alternatori – asse di tipo coassiale.
adottato, oppure con propulsori di tipo azimutale. La propulsione
In generale tutte le soluzioni possono prevedere un ingranaggio
elettrica ha lo svantaggio che i macchinari elettrici comportano
moltiplicatore o riduttore del numero dei giri a seconda che il
pesi, ingombri e costi aggiuntivi oltre che maggiori consumi
motore sia a quattro tempi oppure a due tempi. Il sistema di
specifici di combustibile. Ma per alcuni tipi di navi prevalgono i
trasmissione meccanico – elettroidraulico, proposto dalla Sulzer,
vantaggi, quali per esempio: sistemazione ottimale di motori
detto con – speed (constant – speed) consentiva all’alternatore –
principali e generatori; possibilità di variare la velocità della nave
asse di ruotare a velocità praticamente costante anche al variare
agendo sul numero dei gruppi in funzione; marcia più silenziosa;
del regime rotazionale del motore di propulsione. Tale sistema fu
possibilità di invertire la marcia in manovra agendo solo sul motore
installato su molte navi, tra cui la “Repubblica di Venezia”. In essa
elettrico; efficace automazione per la condotta della propulsione e
la propulsione è affidata a un motore diesel a due tempi Sulzer –
il bilanciamento dei carichi a bordo. La figura mostra uno schema
GMT 8RTA58 il quale sviluppa la potenza di 12,7 MW a 127 rpm
semplificato di una centrale per la propulsione elettrica di una
con un’elica a pale orientabili. Nel primo tratto della linea d’assi
generica nave da crociera.
(vedi figura), subito dopo il diesel (1), un giunto elastico (2)
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.53
impedisce che le oscillazioni torsionali del momento motore si
MANUALE di Macchine Con chiaro significato dei simboli, i due motori diesel azionano un
da crociera è formato da sei motori diesel MAN B&W del tipo
alternatore ciascuno,
L58/64 della potenza installata complessiva di 50,7 MW, così
i quali alimentano le
ripartita: tre motori nella versione a sei cilindri erogano 7,8 MW
sbarre di un quadro
ciascuno a 400 rpm e tre motori nella versione a sette cilindri
principale
alta
erogano 9,1 MW ciascuno a 400 rpm. La centrale elettrica
tensione (6 kV); a
alimenta due motori AEG da 15 MW azionanti eliche a pale
questa
tensione
orientabili in grado di imprimere alla nave (76 000 tonnellate di
vengono alimentati a
stazza lorda, 2 464 passeggeri con 800 membri di equipaggio) la
loro
alcuni
velocità di crociera di 21 nodi (massima 24 nodi). Completano
grossi utenti forza,
l’impianto di propulsione tre eliche di manovra di prora e due di
come per esempio quelli del gruppo di condizionamento e delle
poppa, tutte da 2,4 MW ciascuna, due timoni e quattro pinne di
eliche di manovra, mentre il motore elettrico di propulsione è
stabilizzazione.
volta
in
alimentato a 3 kV. Un trasformatore abbassa poi la tensione a 440 V per tutti i piccoli e medi utenti forza della nave (macchina del
I PROPULSORI NAVALI
timone, pompe servizi generali, pompe dei circuiti di
L’elica a pale fisse (fixed pitch propeller, FPP)
raffreddamento del motore, ecc.) e da questa linea altri
L’elica a pale fisse (vedi figura accanto) è costituita da due o più
trasformatori abbasseranno ulteriormente la tensione per i circuiti
pale, fissate a uguale distanza su un mozzo solidale con un asse
luce. La figura accanto illustra in modo semplificato le modalità di
portaelica
produzione e utilizzo di potenza su un’altra nave da crociera a
fuoriesce dallo scafo.
propulsione
Un’elica è destrorsa se,
elettrica: un certo
vista
numero di motori
mentre la nave si
diesel
quattro
allontana in marcia
tempi (D) aziona
avanti, ruota in senso
altrettanti alternatori
orario, sinistrorsa se ruota in senso antiorario. Si definisce PASSO
(A)
(pitch)
a
che
poi
da
che
poppavia
la distanza di cui essa avanzerebbe a ogni giro; dato però
alimentano un quadro principale (QP) che fornisce potenza ai due
che le pale di un’elica hanno una forma elicoidale non regolare, il
motori elettrici di propulsione (M), a quelli di comando delle eliche
passo varia da punto a punto della pala, sia in senso radiale sia in
trasversali di manovra (m) e a tutti gli altri utenti elettrici di bordo
senso circonferenziale, per cui per passo si sottintende il “passo
(U). La figura accanto la pianta della sala macchine della nave da
medio”. Purtroppo non si riesce a evitare che l’elica disperda, in
crociera Costa Victoria. L’apparato di propulsione di questa nave
attriti e in moti vorticosi dell’acqua, parte della potenza che riceve dall’asse, per cui essa ne trasmette allo scafo solo il (70 80) % circa. Per le classiche eliche a pale fisse, la velocità di rotazione è mediamente compresa tra 60 e 350 giri al minuto. I diametri massimi delle eliche possono raggiungere i 9 metri e il peso può anche superare le 50 tonnellate. Molto impiegati sono gli acciai a basso tenore di carbonio e variamente legati, ma anche speciali
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.54
leghe di bronzo.
MANUALE di Macchine LE ELICHE IN TANDEM
L’elica a pale orientabili (controllable pitch propeller, CPP)
(twin – propeller).
Sono due eliche a pale
Il nome di questo propulsore (vedi figura accanto) deriva dal fatto
fisse rotanti nello stesso verso e azionate da un asse che può
che le sue pale possono essere
ruotare intorno all’asse verticale (vedi
variamente
facendole
figura accanto). Rispetto a un’elica –
ruotare intorno al proprio asse. Oggi
timone di pari potenza, le eliche in
sono disponibili in versioni a tre,
tandem hanno un rendimento superiore
quattro o cinque pale, con diametri
di circa il 20 %. Tali eliche arrivano fino
da 300 mm a oltre 7 m e potenze da 1 MW a oltre 50 MW. Le
a potenze di 4,5 MW, con diametri da
eliche a pale orientabili sono logicamente più costose di quelle a
800 a 3 600 mm, pesi da 1 a 82 t.
pale fisse ma, oltre ad avere un buon rendimento al variare del
Trovano impiego su traghetti, navi
orientate
numero di giri, presentano i seguenti vantaggi:
passeggeri, yacht, navi per ricerche oceanografiche,
l’inversione di marcia può avvenire senza che i motori
rimorchiatori, ecc.
debbano essere reversibili o dotati di giunti invertitori;
IL POD (pod’s propeller).
Trova impiego su molte navi a
poiché si varia la velocità della nave agendo solo sul passo, i
propulsione elettrica, soprattutto da crociera. Benché richieda
motori di propulsione possono essere fatti funzionare a giri
elevati costi d’investimento e sviluppi meno potenza di un’elica
costanti in condizioni di regime ottimale;
tradizionale (circa 30 MW) è
portando le pale a passo zero si può annullare la spinta senza
prevedibile una sua crescente
dover fermare le macchine;
diffusione su numerosi tipi di
allineando invece le pale secondo l’asse di chiglia si riduce
navi mercantili (portacontenitori,
notevolmente la resistenza che la nave oppone durante una
bulk carrier, metaniere, ecc.). Il
eventuale manovra di traino.
propulsore pod è un modulo che, appeso sotto lo scafo della
I propulsori azimutali (azimuth propellers)
nave, può ruotare di 360° intorno al proprio asse verticale e
Rientrano in questa categoria quei propulsori a elica il cui mozzo
contiene al proprio interno un motore sincrono che aziona
è in grado di ruotare di 360° intorno a un asse verticale. I principali
un’elica a pale fisse. Il pod è quasi sempre installato nella zona
propulsori azimutali sono:
poppiera e può funzionare con azione traente, spingente o
L’ELICA – TIMONE
(rudder – propeller).
Trova impiego (vedi figura
doppia. Le navi da crociera installano di solito due propulsori
accanto) sia come organo di governo
traenti (vedi figura accanto) oppure anche tre, di cui due
prodiero
propulsore
laterali traenti e uno centrale fisso spingente, con potenze
principale a bordo di traghetti, battelli
unitarie da 10 a 30 MW. Per questi tipi di navi il pod offre i
turistici,
seguenti vantaggi:
sia navi
come
rompighiaccio,
rimorchiatori, piattaforme petrolifere, ecc. Può essere a pale orientabili o fisse, è quasi sempre provvista di mantello e arriva fino a potenze di 7 MW e a diametri di oltre 4 m.
elevata manovrabilità in virata, negli arresti rapidi e nell’inversione di marcia; eliminazione del timone e riduzione dello spazio occupato dal locale agghiaccio; eliminazione delle eliche laterali di manovra poppiere; non necessità di eliche a pale orientabili; ulteriore recupero dello spazio essendo i motori elettrici esterni
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.55
allo scafo;
MANUALE di Macchine riduzione delle sollecitazioni sullo scafo, delle vibrazioni e della rumorosità.
di manovra di poppa) o in ambedue. Potendo ruotare in senso destrorso o sinistrorso, questo propulsore è in grado di imprimere
Il propulsore cicloidale (cycloidal propeller)
alla nave una spinta trasversale verso dritta o verso sinistra che le
Il propulsore cicloidale o Voith – Schneider (vedi figura accanto) è
consente di ormeggiare senza dover richiedere il supporto di
presente
su
elevata
rimorchiatori, facilita la navigazione lungo fiumi, canali o in acque
traghetti,
ristrette e, abbinamento con il timone, aumenta la manovrabilità in
rimorchiatori, ecc. Questo propulsore,
caso di incagli o rischi di collisione. Trovano impiego su navi
azionabile con motori diesel o elettrici, è
petroliere e petrolchimiche, navi portacontenitori, navi ro – ro,
formato da quattro a sei pale verticali,
trivelle, rimorchiatori, traghetti, navi passeggeri, ecc. Valgono in
disposte alla periferia di un tamburo
sintesi le seguenti precisazioni: l’elica di manovra sviluppa il
rotante intorno a un asse verticale e in grado esse pure di ruotare
massimo di spinta a nave ferma; il diametro di un’elica di manovra
intorno al proprio asse. Agendo sul numero di giri del tamburo (80
varia in genere da 500 mm a oltre 3 000 mm; il regime rotazionale
130 giri/min) e sull’inclinazione delle pale, si genera una spinta
è solitamente compreso fra 150 e 500 giri/min; la potenza
propulsiva in qualsivoglia direzione. Esistono sistemazioni con un
assorbita può variare da 0,1 MW fino a oltre 3,5 MW; per elevate
solo propulsore (installato sotto la slancio di poppa) o con due (a
potenze propulsive è preferibile impiegare più unità, sia prodiere
poppa e a prua o anche laterali), ma la complessità del sistema e
sia poppiere; il propulsore trasversale può essere a pale fisse o
il suo ingombro sotto la carena hanno limitato la diffusione di
orientabili, costituito di una sola elica o di due eliche controrotanti.
manovrabilità
natanti come
a
questo propulsore alle sole navi con grandi esigenze di manovra. L’idrogetto (hydrojet propeller) L’idrogetto (vedi figura accanto) genera una spinta propulsiva per
LA PROPULSIONE NAVALE A VAPORE La propulsione navale a vapore (steam propulsion)
reazione di un getto d’acqua
L’impianto ha struttura di principio schematizzata nella figura
espulso ad alta velocità. Un
accanto. Un generatore di
motore aziona una pompa
vapore (GV) produce vapore
semiassiale o assiale che aspira l’acqua da una presa mare e la
surriscaldato
spinge sotto pressione in uno o più ugelli da cui esce un getto, la
dall’elevata
cui variazione di quantità di moto subita nell’attraversare l’ugello
caldaia e richiamato a valle
crea un impulso di reazione che spinge avanti la nave. Il sistema
dal
offre vantaggi di leggerezza e manovrabilità soprattutto per piccoli
condensatore (CV), cede
natanti, ma non mancano applicazioni su navi militari, mercantili a
potenza
vuoto
che,
spinto
pressione vigente
meccanica
di nel alla
alcuni traghetti veloci.
turbina (TV) collegata all’elica tramite un riduttore del numero dei
L’elica trasversale (transverse tunnel thruster)
giri (R), dopo di che si scarica nel condensatore dove, subendo
L’elica trasversale o elica di manovra o elica di governo (vedi
una sottrazione di calore da parte di acqua di mare a minor
figura accanto) è un propulsore
temperatura, ritorna allo stato liquido. La condensa è quindi
ausiliario installato in un tunnel
compressa dalle pompe e inviata di nuovo in caldaia come acqua
cilindrico
due
di alimento. Punto di partenza dello studio è il ciclo di Rankine, già
estremità e praticato da una
accennato in precedenza. Il calore massico primario scambiato in
murata all’altra nella zona
caldaia q1 vale:
aperto
alle
prodiera (elica di manovra di
q1 = h3 – h0
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.56
prora), in quella poppiera (elica
MANUALE di Macchine mentre, nell’ipotesi di ritenere trascurabile lo scambio di lavoro che
reale q2’ maggiore di quello teorico atteso q2. In termini di potenza,
avviene nelle pompe (cioè ponendo 5 0), il calore massico
il vapore cede alla turbina una potenza interna minore di quella
secondario scambiato nel condensatore q2 vale:
teorica e il condensatore deve pertanto smaltire un flusso termico reale maggiore di quello teorico. Come appare dal diagramma di
|q2 | = h4 - h5 ≅ h4 - h0
Mollier, circa metà della curva di espansione si sviluppa dentro la
e il lavoro massico esterno netto teorico in turbina l:
campana: ciò significa che all’interno della corrente di vapore che
l = lT - |lP | ≅ lT = h3 - h4
attraversa la turbina si vengono a creare delle piccolissime gocce
Trascurando il lavoro di compressione assorbito dalle pompe, il
cercare di contenere il più possibile il tratto di curva di espansione
rendimento termodinamico del ciclo di Rankine è dato da: ηT =
di condensa. Per contenere l’effetto erosivo dell’umidità si deve che si sviluppa dentro la campana e fare in modo che il titolo allo
l h3 - h4 ≅ q1 h3 - h0
scarico non scenda sotto il 90 % circa. Il rendimento del ciclo di
Il flusso termico primario in caldaia 1, è il flusso termico che i fumi della combustione cedono alla portata in massa Gmv di acqua di alimento entrante per trasformarla in vapore surriscaldato, vale:
Rankine assume valori molto bassi (supera di poco il 40 %), pertanto la potenza propulsiva scende a circa il 30 % di quella chimica. L’impianto a vapore ha quindi una resa complessiva molto bassa. Per cercare di aumentarla si può solo intervenire
1 = Gmv q1
sulla termodinamica del ciclo e le uniche vie percorribili sono le
Il flusso termico secondario ceduto al condensatore 2, è il flusso
seguenti: calo della pressione al condensatore; aumento della
termico che l’acqua di mare attraversante il condensatore sottrae
pressione
alla portata di vapore in arrivo Gmv per trasformarlo in acqua di
surriscaldamento; risurriscaldamento; rigenerazione.
condensa, vale:
Le caldaie marine (marine steam boilers) La
2 = Gmv q2
CALDAIA
in
(o
caldaia;
aumento
GENERATORE DI VAPORE)
della
temperatura
di
è l’organo al cui interno
viene ceduto il calore primario al fluido. Nella caldaia avvengono
La potenza teorica della turbina PT, è la potenza meccanica teorica
pertanto due processi distinti e cioè la liberazione dell’energia
che il vapore cede alla palettatura della turbina nel caso di
chimica del combustibile sotto forma di calore di combustione e la
espansione adiabatica e isoentropica e senza perdite
trasmissione di questo calore dai fumi prodotti dalla combustione
meccaniche, vale:
al fluido. Indicando con: Gmc [kg/s]
A causa di attriti fluodinamici che il vapore incontra nei condotti fissi e mobili della turbina l’espansione reale si svolge a entropia crescente (vedi figura accanto): da ciò deriva che il vapore, uscendo
con
entalpia maggiore di quella attesa, cede
un
lavoro
reale l’ minore di quello atteso
teorico l
e
il
condensatore deve smaltire un calore per conduttori e costruttori del mezzo navale
la portata massica di combustibile bruciato
nella caldaia Hi [kJ/kg]
il potere calorifico inferiore del combustibile
Gmv [kg/s]
la portata massica di acqua di alimento che
diventa poi vapore ha [kJ/kg]
l’entalpia massica dell’acqua di alimento
hs [kJ/kg]
l’entalpia massica del vapore surriscaldato
prodotto alla caldaia viene fornita la POTENZA CHIMICA DISPONIBILE c [kW]: c = Gmc Hi e nel fluido entra il FLUSSO TERMICO PRIMARIO 1 [kW]: 1 = Gmv (hs – ha)
Pag.57
PT = Gmv l
MANUALE di Macchine Le caldaie bruciano di norma nafte residuali con potere calorifico
esercizio. Una caldaia a tubi d’acqua (vedi figura) è
inferiore di (38 000 41 000) kJ/kg, aria teorica intorno a 14 ed
fondamentalmente costituita di un involucro coibentato contenente
eccessi d’aria variabili dal 5 % al 20 %. La cessione del calore
al proprio interno un sistema di collettori e di fasci tubieri dentro i
primario avviene con le seguenti inevitabili perdite della caldaia:
quali circola il sistema acqua – vapore. L’acqua, inviata dalla
perdita per incombusti i, perdita per dispersioni di calore d,
pompa, è preriscaldata in un economizzatore e dopo il quale un
perdita per calore sensibile f. Pertanto il bilancio termico in caldaia è dato da: Gmc Hi + Gmv ha = Gmv hs + i + d + f cioè: c = 1 + i + d + f La perdita per incombusti, dovuta a inerti presenti nel combustibile (sabbie, scorie metalliche) e a idrocarburi pesanti che non bruciano, vale circa l’1 % della potenza chimica (i = 0,01 c). La perdita per dispersioni di calore si aggira intorno all’1 % della potenza chimica ( d = 0,01 c). La perdita per calore sensibile è il flusso termico uscente nell’atmosfera con i fumi ancora caldi. Indicando con Gmf [kg/s] la portata massica dei fumi, con cf [kJ/kg K] il loro calore specifico, con T0 [K] la temperatura ambiente esterna e con Tf [K] quella dei fumi espulsi nell’atmosfera, la perdita per calore sensibile f è
preriscaldatore d’aria, sottraendo ulteriore calore ai fumi, innalza la temperatura dell’aria comburente che, grazie a un ventilatore, è inviata in un’intercapedine detta cassonetto e infine ai bruciatori della nafta. Dopo l’economizzatore, l’acqua entra in un collettore superiore, pieno di acqua fino a circa metà e di vapore nella parte alta, collegato tramite fasci tubieri a uno o più collettori inferiori
data dalla relazione: f = Gmf cf (Tf – T0)
pieni di sola acqua. Grazie all’intenso flusso termico ceduto dai gas combusti, in caldaia si crea una circolazione naturale per cui
Tale perdita è la più consistente perché si aggira sul (7 10) %
la miscela acqua – vapore tende a salire verso l’alto nei tubi più
della potenza chimica disponibile [f = (0,07 0,1) c]. Il
vicini ai bruciatori e la sola acqua tende a scendere verso il basso
RENDIMENTO GLOBALE DI CALDAIA
ηc =
c è il rapporto:
Φ1 Gmv ∙ (hs - ha ) = Φc Gmc ∙Hi
nei tubi più arretrati; grossi tubi di caduta esterni all’involucro collegano comunque il collettore superiore a quello inferiore e ne garantiscono l’alimentazione anche ai regimi di combustione più
assume valori mediamente compresi tra (75 90) % passando dai
elevati. Il vapore che sfocia nel collettore superiore gorgoglia
piccoli ai grandi impianti, con punte del 92 % per caldaie moderne
nell’acqua, si libera in superficie e raggiunge un surriscaldatore
di elevata potenzialità. Si definisce poi POTERE VAPORIZZANTE DEL
dopo il quale è finalmente inviato in turbina. Le caldaie marine tipo
COMBUSTIBILE
D raggiungevano produzioni di vapore fino a 200 t/h con pressioni
Pv il rapporto: Pv =
Gmv Gmc
di 60 80 bar, temperature di surriscaldamento di 500 540 °C, eccessi d’aria del 10 %, rendimenti sul 90 %, altezze di 15 m e
che esprime il numero di kg di vapore prodotti bruciando un kg di
masse di varie centinaia di tonnellate. Una caldaia marina
combustibile e varia fra 10 e 14. Dopo le prime caldaie a tubi di
principale può avere altezza compresa fra 10 e 20 metri e un peso
fumo si affermarono le caldaie a tubi di acqua, più leggere, piccole,
a secco che può andare da 100 a 300 tonnellate, a cui vanno
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.58
elastiche, sicure e in grado di tollerare maggiori pressioni di
MANUALE di Macchine aggiunte 10 30 tonnellate di acqua. I particolari costruttivi delle
vaporizzatori e surriscaldatori variano fra 30 e 50 mm, mentre
caldaie marine sono:
lo spessore può andare da 5 a 25 mm;
l’involucro della caldaia, con il compito d’isolamento termico;
i preriscaldatori d’aria, servono a preriscaldare l’aria
il cassonetto, è una intercapedine ed è attraversata dall’aria
comburente. Infatti il fatto di inviare ai bruciatori aria
comburente inviata ai bruciatori e serve per preriscaldare
preriscaldata ha il duplice vantaggio di migliorare la
ulteriormente l’aria;
polverizzazione del combustibile e di aumentare la
i fasci tubieri vaporizzatori, sono sistemati nella parete della
temperatura di combustione; i bruciatori. La nafta è inviata dalla pompa nella canna del
camera di combustione; il collettore superiore, è un grosso involucro cilindrico a fondi
polverizzatore;
bombati. Pieno fino a circa metà di acqua, è collegato con i
i sistemi per il tiraggio.
fasci tubieri vaporizzatori che vi fanno affluire una miscela
Materiale principe per la costruzione delle caldaie marine è
acqua – vapore a titolo relativamente basso (10 30) %, per
l’acciaio al carbonio, ma per i fasci tubieri più sollecitati si
cui il vapore saturo si libera nella parte alta per andare al
impiegano acciai speciali variamente legati (al Cr – Mo, al Cr – Ni,
surriscaldatore, mentre l’acqua scende verso il basso lungo i
al Cr – Ni – Mo). Gli accessori delle caldaie marine sono
fasci tubieri meno esposti al calore dei fumi o tramite i tubi di
principalmente: i soffiatori di fuliggine, valvole di alimento, valvole
caduta.
di presa vapore, indicatori di livello, allarmi di basso livello,
Esso
è
alimentato
dall’acqua
che
arriva
dall’economizzatore;
manometri, vacuometri, valvole di sicurezza, valvole di estrazione
i collettori inferiori, detti anche collettori d’acqua. Hanno come
dal fondo, valvole di riduzione della pressione, giunti di dilatazione
scopo alimentare tutti i fasci tubieri vaporizzatori e pertanto
per le tubolature, separatori di acqua, scaricatori di condensa,
anche la loro alimentazione è garantita con sicurezza tramite
valvole di rapida chiusura nafta ai bruciatori, ecc. Le grandi aree
i tubi di caduta;
che un sistema integrato di automazione caldaia deve gestire
l’economizzatore, è il primo scambiatore interno alla caldaia
sono: la pressione del vapore, la portata di combustibile, la
che l’acqua incontra dopo i preriscaldatori d’alimento; posto
combustione, il livello in caldaia e la temperatura di
nella parte alta della caldaia, è lambito dai gas ormai scesi a
surriscaldamento.
una temperatura compresa in media fra 400 e 500 °C.
Le turbine a vapore (steam turbine)
L’acqua, ricevendo ulteriore calore da questi, si porta a una
La TURBINA A VAPORE è un motore termico che converte in lavoro
temperatura vicina a quella di equilibrio, dopo di che è
meccanico l’entalpia del vapore prodotto da una caldaia in tre fasi
ammessa nel collettore superiore;
distinte e successive:
il surriscaldatore, è lo scambiatore termicamente più
il vapore trasforma parte della sua entalpia in energia cinetica,
sollecitato di tutti. I tubi, nel numero di svariate decine, sono
fluendo attraverso condotti a sezione variabile con continuità
quasi sempre a forma di U per consentire la dilatazione
detti UGELLI dai quali esce a pressione e temperatura minori di
termica e sono saldati a due collettori di alimentazione e di
quelle entranti, ma a maggiore velocità;
mandata a sezione circolare o rettangolare; i desurriscaldatori. Il vapore saturo richiesto da molti utenti non viene prelevato dal collettore superiore ma desurriscaldando parte di tutto il vapore surriscaldato; i tubi, devono essere distanziati tra loro in modo che i gas possano fluire a una velocità da 3 a 20 m/s perché lo scambio
i getti di vapore investono con una particolare angolazione le palette ancorate alla periferia di una GIRANTE e le cedono gran parte della loro energia cinetica; la girante spende continuamente l’energia meccanica che riceve dal vapore per vincere la resistenza di un carico esterno, compiendo su di esso del lavoro meccanico.
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.59
termico sia efficace. I diametri esterni di tubi economizzatori,
MANUALE di Macchine Gli ugelli sono di tipo semplicemente convergente (vedi figura a)
u assume in media valori compresi fra 100 e 200 m/s, con punte
negli efflussi subcritici (pressione a valle
di 350 m/s nelle turbine di minori dimensioni. Il regime di rotazione
dell’ugello p maggiore della pressione
n delle turbine a vapore varia da 1 000 a 7 000 rpm, con punte fino
critica pc) e critici (pressione a valle
a 30 000 rpm per le macchine di dimensioni più piccole. Il diametro
dell’ugello p uguale alla pressione critica
medio m delle giranti varia da valori minimi di circa 200 mm per
pc), di tipo convergente – divergente negli
le turbine più piccole fino a massimi di circa 2 000 mm per le grandi
efflussi supercritici (vedi figura b) (pressione a valle dell’ugello p
turbine di propulsione. Le turbine si dividono in turbine ad azione
minore della pressione critica pc). La forma della sezione degli
e turbine a reazione. Nelle TURBINE AD AZIONE il vapore espande
ugelli può essere trapezoidale,
solo negli ugelli e attraversa a pressione costante e a velocità
rettangolare o altro, l’asse rettilineo
relativa costante i condotti mobili, i quali sono a sezione costante;
o più spesso curvilineo, proprio per
di conseguenza il vapore esercita sulla palettatura una spinta per
poter indirizzare il getto di vapore
sola deviazione. Nelle TURBINE A REAZIONE il vapore espande negli
nella direzione voluta. Quanto allo sviluppo assiale, il tratto
ugelli sia nei condotti mobili, che attraversa quindi a pressione
convergente ha una curvatura più marcata (30° 60°), quello
decrescente e a velocità relativa crescente; di conseguenza il
divergente più ridotta (8° 12°). La velocità di efflusso ideale c1
vapore esercita sulla palettatura una spinta sia per deviazione sia
[m/s] all’uscita di un ugello generico, nel quale il vapore sia entrato
per rinculo. Si definisce GRADO DI REAZIONE R il rapporto tra il salto
con velocità iniziale c0 [m/s] trascurabile rispetto c1 cioè c0 p3. Anche qui la
espresso dal
compressione è con buona approssimazione adiabatica ma non
RENDIMENTO
ISOENTROPICO
o
DELLA TURBINA
sT:
SPECIFICO
ηsT =
isoentropica, per cui la compressione reale 3 – 4’ comporta un salto entalpico hr maggiore di quello isoentropico h associato
Δhr cp ∙(T1 - T2' ) T1 - T2' = ≈ Δh cp ∙(T1 - T2 ) T1 - T2
alla compressione ideale 3 – 4 (vedi figura accanto). Il discostamento
vale mediamente (89 90) %. Note o stimate la temperatura T1
compressione reale da quella
[K] e la pressione p1 [bar] dei gas di scarico all’ingresso della
ideale si esprime attraverso
turbina e la contropressione di scarico p2 [bar], la temperatura di
un RENDIMENTO ISOENTROPICO
per conduttori e costruttori del mezzo navale
della
Pag.84
Nelle turbine a gas dell’ultima generazione questo rendimento
MANUALE di Macchine o SPECIFICO DEL COMPRESSORE sC: ηsC =
in cui p3 [bar] rappresenta la pressione di inizio compressione
∆h cp ∙(T4 - T3 ) T4 - T3 = ≈ ∆hr cp ∙(T4' - T3 ) T4' - T3
dell’aria stessa. Il collegamento fra gli scarichi dei cilindri e la turbina a gas di scarico può essere di due tipi e cioè:
Le soffianti attuali hanno rendimenti isoentropici compresi fra (85
a pressione costante (vedi figura a);
87) %. La potenza meccanica assorbita dal compressore PmC
a impulsi di pressione (vedi figura b).
[kW] è ovviamente uguale alla potenza meccanica effettiva erogata dalla turbina PmT [kW]: PmC = PmT
Nella
SOVRALIMENTAZIONE A PRESSIONE COSTANTE
si ha che gli
Indicando con mC il rendimento meccanico del compressore (mC
scarichi di tutti i cilindri confluiscono in un unico collettore. La
= 98 99 %), la potenza interna PiC [kW] che il compressore
pressione, dovuta agli scarichi dai cilindri, si stabilizza su un valore
trasmette all’aria è data da:
quasi costante con cui viene alimentata la turbina, la quale lavora
PiC = mC PmC mentre il lavoro interno massico di compressione liC [kJ/kg], cioè che la palettatura della soffiante cede realmente all’unità di massa (kg) di aria aspirata, risulta: P |liC | = iC Gma
quindi in condizioni di buon rendimento. Poiché questo sistema non ha buona resa ai regimi di carico ridotto e durante le rapide variazioni di carico, è preferibile nei motori 2t, caratterizzati da lunghi periodi di esercizio a carico costante. Un collettore di scarico a pressione costante può alimentare senza problemi più turbine, poste alle estremità o in punti intermedi, esigenza sentita proprio nei grandi motori 2t. Nella SOVRALIMENTAZIONE A IMPULSI DI
Essendo:
PRESSIONE
si ha che ogni cilindro è collegato alla turbina tramite
|liC | = h4' - h3 = cp ∙(T4' - T3 )
un proprio condotto di sezione contenuta e il meno tortuoso
si ricava quindi la temperature di fine compressione reale dell’aria
possibile, proprio per sfruttare anche le punte di pressione che i
T4’ [K]:
gas possiedono nel momento in cui escono dai cilindri. In tal modo T4' = T3 +
|liC | cp
in cui cp [kJ/kgK] rappresenta il calore specifico medio a pressione costante dell’aria e T3 [K] la temperatura iniziale della sala macchine, che è nota o assumibile con facilità. A questo punto si ricava, dall’espressione del rendimento isoentropico del compressore (noto o assunto), la temperature di fine compressione teorica dell’aria T4 [K]: T4 = T3 + sC (T4’ – T3)
si mette a disposizione della turbina una potenza maggiore, che viene
però
utilizzata
con
minore
rendimento.
Tale
sovralimentazione risulta vantaggiosa nei motori più soggetti a carico ridotto, in quelli a carico rapidamente variabile nel tempo e nelle rapide prese di carico, tutte condizioni che si vengono a realizzare soprattutto nei motori 4t. In ogni caso, poiché in un motore sia a 2t sia a 4t la fase di scarico dura circa un terzo dell’angolo di manovella dell’intero ciclo, il regime della turbina risulta meno soggetto a pulsazioni se la si alimenta con lo scarico di tre cilindri, per cui la sovralimentazione a impulsi di pressione
Infine si determina, mediante l’equazione di Poisson, la pressione
risulta più indicata per motori con un numero di cilindri multiplo di
di fine compressione dell’aria p4 [bar]:
tre. Un collettore di scarico a impulsi di pressione può alimentare
T3 p4 = p3 ∙ √ T4
per conduttori e costruttori del mezzo navale
solo una turbina, quindi un diesel 4t sarà servito da una sola turbina se in linea, da due turbine se a V (una per bancata).
Pag.85
1-k k
MANUALE di Macchine I possibili schemi di collegamento fra cilindri e collettore di scarico
rappresentazione nel piano (p, v) delle trasformazioni subite
sono numerosi e diversi tra loro (vedi figura), in funzione del tipo
dall’aria di
di motore, potenza, numero di cilindri, impiego previsto, grado di
carica.
sovralimentazione, ecc.
La figura mostra lo schema di principio di un impianto di sovralimentazione
per
un
motore diesel a 4t e 4 cilindri. Si notano: 1 valvola di scarico; 2 condotti di scarico; 3 turbina a gas di scarico; 4 uscita gas di scarico;
5 compressore;
6
ingresso aria; 7 refrigerante dell’aria;
8
collettore
di
valvola
di
Si notano: A turbosoffiante; B refrigerante intermedio; C
aspirazione. La figura mostra lo
compressore alternativo; D refrigerante finale; E collettore di
schema di principio di un impianto di sovralimentazione del motore
lavaggio; F collettore di scarico; G turbina a gas di scarico. Posta
diesel a 2t a lavaggio
pari a 100 l’aria di carica inviata nel cilindro di un motore a 2t a
trasversale FIAT 1060S
lavaggio trasversale (figura a),
(D = 1 060 mm; C = 1 900
si può stimare che circa un terzo
mm; n = 106 rpm; pme = 10
vada
bar; Pe,cil = 2 940 kW/cil.).
ovvero, indicata con Ar l’aria che
Si notano: 1 iniettore; 2
deve rimanere nel cilindro per la
testata; 3 collettore di
combustione, l’aria di carica A
lavaggio;
4
da inviare nel cilindro vale circa:
lavaggio;
5
aspirazione;
9
luci
di
valvole
perduta
allo scarico
A 1,5 Ar
(lavaggio trasversale)
automatiche di lavaggio; 6 compressore volumetrico alternativo; 7 basamento; 8 carter; 9 albero a manovelle; 10 incastellatura; 11 biella; 12 asta; 13 camicia; 14 collettore di scarico; 15 luci di scarico; 16 pistone;
In un motore a 2t a lavaggio assiale (figura b) l’aria perduta allo scarico è invece circa il 20 % di quella inviata nel cilindro, per cui questa vale circa: A 1,25 Ar
(lavaggio assiale)
17 turbosoffiante. La figura riporta i valori numerici della pressione (bar assoluti) e della temperatura (°C) in alcuni punti del circuito
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.86
di sovralimentazione del motore FIAT 1060S, unitamente alla
MANUALE di Macchine La figura mostra lo schema di principio di un impianto di sovralimentazione
ordinate la potenza effettiva sviluppata Pe, ha la forma di un
della
trapezio avente per vertici il regime di potenza massima
serie di motori diesel a 2t a
continuativa R1 (MCR, Maximum Continuous Rating) e tre regimi
lavaggio assiale Sulzer
R2, R3 ed R4 denominati DEPOTENZIATI o anche ECONOMICI (ECR,
RTA.
Economic Continuous Rating), ognuno caratterizzato da un
Si
notano:
1
collettore di scarico; 2
differente
turbosoffiante;
3
del
4
specifico
di
collettore di lavaggio; 5
combustibile
Cc
valvole a libretto; 6 camera
(vedi figura). Nella
di lavaggio (air box); 7
figura le curve a Cc
refrigerante
dell’aria;
valore consumo
sottopistone (oil box); 8 canale di spurgo dell’olio; 9 porta di visita.
costante
Valgono le seguenti osservazioni:
tratteggiate
i gas uscenti dal motore possiedono un pressione residua di
crescono
circa (2 5) bar; i gas, mentre attraversano il collettore di scarico, subiscono un rialzo termico di circa (50 80) °C nei motori a 2t e anche 100 °C nei motori a 4t;
sono verso
l’alto. La tabella seguente riporta le prestazioni del motore a 2t lento Sulzer RTA84M ai quattro regimi R1, R2, R3 ed R4. Regime
n (rpm)
Pe (kW/cil)
Cc (kg/kWh)
R1 R2 R3 R4
78 78 56 56
3 460 1 900 2 490 1 900
0,170 0,159 0,169 0,162
il calo di temperatura subito dai gas durante l’espansione in turbina vale in media circa (60 150) °C; la soffiante comprime l’aria portandola a una temperatura che può andare da 60 °C fino ad oltre 150 °C, con pressioni che possono superare i 5 bar assoluti. L’aria compressa è poi refrigerata fino a circa (40 50) °C. La figura riporta alcuni valori molto orientativi delle temperature, in un impianto di sovralimentazione, lungo i circuiti dei gas di scarico e dell’aria per un motore a 4t e uno a 2t. Molti costruttori configurano lo stesso motore per più regimi di funzionamento in
quanto
a
potenza, numero di giri e consumo specifico di combustibile. Ogni motore risulta così contraddistinto da un campo di variabilità delle
e
Fra le serie di turbocompressori ABB vanno citate la VTR, TPL e la TPS. Invece fra le serie di turbocompressori MAN vanno citate la NA/S, NA/T9 e la NR/S. Dal 2002 è in produzione la serie TCA con turbina assiale e dal 2004 è entrata in produzione la serie di turbocompressori radiali TCR. Il raffreddamento dei motori diesel Generalità Sappiamo che le parti del motore esposte alle alte temperature del processo di combustione devono essere raffreddate per non compromettere la loro resistenza meccanica ed evitare l’insorgere di processi di corrosione. Il raffreddamento rappresenta ovviamente una perdita di potenza, il cui ammontare varia con il tipo di motore, il regime di funzionamento e l’anno di costruzione. Comunque parte del calore di raffreddamento può venir recuperato utilmente per vari scopi.
sue prestazioni che, rappresentato in un diagramma (layout
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.87
diagram) che riporta in ascisse il numero di giri al minuto n e in
MANUALE di Macchine Circuiti di raffreddamento dei cilindri
schema, è sottointeso che le pompe di circolazione dell’acqua
I circuiti di raffreddamento dei cilindri utilizzano senza eccezione
sono due, poste in parallelo, delle quali una è in servizio e l’altra
acqua dolce come fluido refrigerante. In via del tutto generale, un
in stand – by; lo stesso discorso vale per il refrigerante ad acqua
circuito di raffreddamento dei cilindri nel suo complesso è a sua
di mare. Si notano: 1 motore principale; 2 elettropompa di
volta formato dai seguenti tre circuiti:
circolazione dell’acqua dolce; 3 ingresso dell’acqua nel motore; 4
un primo circuito, detto CIRCUITO HT (High Temperature), in cui
uscita dell’acqua dal motore; 5 refrigerante ad acqua di mare; 6 by
l’acqua dolce raffredda i cilindri e spesso anche il primo stadio
– pass; 7 cassa di compenso. La figura accanto sottolinea, sempre
di raffreddamento dell’aria di carica;
per alcuni motori a 2t Sulzer RTA, alcuni aspetti del circuito acqua
un secondo circuito, detto CIRCUITO LT (Low Temperature), in
mare: questa è aspirata da due prese mare basse (se in alto mare)
cui l’acqua dolce raffredda il circuito HT e spesso anche l’olio lubrificante e il secondo stadio di raffreddamento dell’aria di carica; un terzo circuito, detto
CIRCUITO ACQUA MARE
(sea water
circuit), che sottrae calore ai primi due e che, mentre questi sono di tipo chiuso, è ovviamente di tipo aperto perché è alimentato da prese mare e confluisce in scarichi a mare. A grandi linee questi tre circuiti possono essere collegati fra loro come rappresentato in figura. Nel SCAMBIATORE DI CALORE
SISTEMA CON SINGOLO
(a) il circuito HT è raffreddato senza
oppure alte (su bassi fondali, in canali o in porto) collegate da una traversa e alimenta poi le pompe, le quali la inviano prima ai refrigeranti dell’olio di lubrificazione poi a due circuiti in parallelo fra loro, il primo che raffredda l’aria di carica e quindi il circuito HT dei pistoni, il secondo che raffredda il circuito HT dei cilindri (circuiti non segnati nella figura); l’acqua di mare, previo un ricircolo o by – pass regolato dall’automazione dell’impianto, è infine mandata
ricorrere a uno scambiatore di calore, ma per mescolamento con
agli scarichi fuori bordo. Si notano: 1 motore principale; 2 presa
il circuito LT, il quale è a sua volta raffreddato in uno scambiatore
mare bassa; 3 presa mare alta; 4 filtro acqua mare; 5 pompa
ad acqua di mare. Nel
(b) il circuito HT è
acqua mare; 6 refrigerante olio di lubrificazione; 7 refrigerante aria
raffreddato in uno scambiatore di calore alimentato dal circuito LT
di carica; 8 refrigerante acqua dolce di raffreddamento pistoni; 9
e quest’ultimo è raffreddato in uno scambiatore ad acqua di mare.
refrigerante acqua dolce di raffreddamento cilindri; 10 scarico fuori
Infine, nel SISTEMA CON SCAMBIATORI DI CALORE SEPARATI (c) i due
bordo; 11 linea di ritorno acqua mare. La figura si riferisce al
SISTEMA A CASCATA
circuiti HT e LT sono raffreddati separatamente in scambiatori ad acqua di mare posti in serie. La figura accanto mostra lo schema semplificato
del
dell’acqua
dolce
raffreddamento
dei
circuito di cilindri
(circuito HT) di un generico motore diesel a 2t Sulzer RTA.
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.88
Anche se non indicato dallo
MANUALE di Macchine motore diesel a 4t medioveloce Wärtsilä 16V32DF, nel quale il
canna del cilindro e nella testata. Tutte le pompe di circolazione
circuito LT raffredda prima il secondo stadio dell’aria di carica
sono di tipo centrifugo, con una sola girante. Quelle del circuito HT
quindi l’olio lubrificante, mentre il circuito HT raffredda prima i
hanno prevalenza maggiore (da 30 m a 50 m). Mentre la pompa
cilindri quindi il primo stadio dell’aria. Nello schema riportato nella
del circuito acqua mare è trainata sempre da un motore elettrico,
figura accanto EXP sta per expansion tank (cassa di compenso),
quelle dei circuiti HT e LT sono spesso trainate dal motore diesel. Pur variando il carico del motore, la temperatura dell’acqua entrante nei cilindri è mantenuta costante sul valore prestabilito attraverso un sistema di regolazione automatica che, rilevando la temperatura uscente dal motore, varia la portata di acqua inviata al refrigerante. Ciò avviene grazie a una valvola a tre vie che, quando la temperatura dell’acqua uscente dal motore supera il valore prestabilito (set – point), aumenta la portata di acqua mandata al refrigerante e riduce quella che lo scavalca attraverso
HTC per High Temperature Circuit (circuito di alta temperatura) e
il circuito di by – pass; quando invece la temperatura dell’acqua
LTC per Low Temperature Circuit (circuito di bassa temperatura).
uscente dal motore tende a scendere sotto il valore prestabilito, la
Pre – heater è lo scambiatore che preriscalda l’acqua di
valvola a tre vie riduce l’invio di acqua al refrigerante e aumenta
raffreddamento nella fase di preparazione all’avviamento del
quella del circuito di by – pass. Si dice
motore. L’acqua dolce è chiaramente il fluido ideale per i circuiti di
(thermostatic valve)
raffreddamento HT e LT grazie al suo alto calore specifico a alla
termostatico che ne fa variare il grado di parzializzazione. Nella
bassa viscosità. Solo quando si debbano raffreddare parti in
fase di preparazione all’avviamento di un motore, soprattutto dopo
movimento come i pistoni si preferisce talvolta ripiegare sull’olio
una lunga fermata e ancor più se in climi freddi, si devono
lubrificante, pur avendo questo, rispetto all’acqua, un minore
preriscaldare gradualmente camicie, testate e pistoni, sia per
calore specifico e una viscosità molto più elevata. Per raffreddare
consentire alle varie parti meccaniche di dilatarsi in modo
il circuito LT (e talvolta lo stesso circuito HT) si impiega poi acqua
omogeneo, sia per evitare al motore lo shock termico conseguente
di mare, che presenta però il rischio di originare corrosioni,
a una brusca partenza a freddo. A tale scopo il circuito HT è dotato
incrostazioni e sviluppo di prodotti gelatinosi e biomasse vegetali
di una unità di preriscaldamento a vapore o elettrica che porta
o animali. La temperatura media del circuito HT è all’incirca di (80
l’acqua a temperature vicine a quelle di esercizio, mentre una
÷ 90) °C, con punte fino a oltre 100 °C. Il salto di temperatura fra
pompa apposita fa circolare l’acqua così preriscaldata. I
ingresso e uscita del motore vale circa (7 ÷ 8) °C, comunque mai
refrigeranti in cui l’acqua dolce è raffreddata a sua volta da acqua
meno di 5 °C né oltre 10 °C. La temperatura media del circuito LT
di mare possono essere a fascio tubiero o a piastre; questi ultimi
varia da valori minimi di (35 ÷ 40) °C fino a valori massimi di (55
sono più usati perché più piccoli e compatti. La portata dell’acqua
÷ 60) °C. Oltre al motore principale, a bordo sono raffreddati
del circuito HT si calcola con un bilancio termico, uguagliando il
anche i motori ausiliari, i gruppi di condizionamento, l’aria
flusso termico R [kW] che si deve sottrarre al motore e quello che
compressa, le centrali oleodinamiche, tutti i circuiti di lubrificazione
porta via la portata massica Gm [kg/s] di acqua, di calore specifico
distinti da quello dei motori, ecc. L’acqua entra nei cilindri dal
c (assumendo c = 4,19 kJ/kgK), e che entra nel motore alla
basso, percorre l’intercapedine fra camicia e involucro esterno e,
temperatura tE [°C] per uscirne alla temperatura tU [°C]:
dopo aver raffreddato anche le testate, esce dall’alto. Poi si è cioè:
Pag.89
per conduttori e costruttori del mezzo navale
l’insieme di valvola a tre vie e di gruppo
ϕR = Gm∙c∙(tU - tE )
diffusa la tecnica del bore – cooling, cioè un raffreddamento ottenuto facendo circolare l’acqua attraverso canali ricavati nella
VALVOLA TERMOSTATICA
MANUALE di Macchine ϕR c∙(tU - tE )
Gm =
collegato alla struttura del motore e al circuito di raffreddamento, mentre l’altro scorre a tenuta all’interno del primo. L’acqua sale
Si noti che il flusso termico R è la somma di quello che va sottratto
lungo l’intercapedine tra tubo esterno e tubo interno, raggiunge la
ai cilindri e di quello che si è deciso o si sa di dover sottrarre al
testa del pistone, lo raffredda e quindi si scarica attraverso il tubo
primo stadio di raffreddamento dell’aria di carica. Si può stimare
più interno, per essere poi inviata al refrigerante. Quando si teme
che, detta g [kg/kWh] la
PORTATA SPECIFICA DI ACQUA DI
che possano verificarsi perdite di acqua attraverso le tenute dei
RAFFREDDAMENTO (cioè il rapporto fra la portata massica oraria Gm
tubi telescopici con conseguente inquinamento dell’olio
[kg/h] di acqua e la potenza effettiva Pe [kW] sviluppata dal motore
lubrificante, si preferisce il raffreddamento a olio, in cui si ricorre a
diesel), risulta mediamente:
particolari collegamenti articolati detti tubi a ginocchiera (vedi
g=
Gm = (20 ÷ 50) kg/kWh Pe
figura, per i pistoni del motore FIAT), i quali sono formati da due coppie di tubi snodati che fanno capo
La cassa di compenso è un serbatoio posto in posizione
da una parte alla struttura fissa e
sopraelevata rispetto al circuito di raffreddamento e ad esso
dall’altra al testacroce. Sempre con
collegato nei suoi punti più alti e in quello più basso. È provvista di
riferimento alla figura, l’olio incaricato
regolatore di livello, allarmi di alto e basso livello, tubazione di
di raffreddare i pistoni entra nella
alimento, passi d’uomo, vetri di ispezione e scarico di fondo. Ha
estremità fissa (1) e, percorrendo la
un volume pari a circa il 10 % dell’intero volume dell’acqua nel
ginocchiera (2), raggiunge il braccio
circuito. Compiti della cassa di compenso sono i seguenti:
laterale forato (3) solidale con il
svolgere il ruolo di polmone di accumulo per l’intero impianto;
testacroce (4), quindi risale lungo
garantire una conveniente pressione statica sull’aspirazione delle
l’asta (5) del pistone, attraverso una
pompe di circolazione onde evitare fenomeni di cavitazione;
intercapedine anulare (6) e arriva fino
evitare, tramite i suoi eventuali cali di livello, perdite di acqua nel
a raffreddare la testa dello stantuffo (7), dopo
circuito; servire come ambiente di sfogo dei gas presenti nel
di che imbocca il tubo interno (8), scende
circuito; consentire, quando richiesto, l’aggiunta di reagenti per il
attraverso il tubo coassiale più interno (9) fino
trattamento chimico dell’acqua.
alla ginocchiera (10) e raggiunge infine lo
Raffreddamento dei pistoni
scarico (11). La figura accanto indica più in
Il raffreddamento dei pistoni si rende necessario solo nei motori di
dettaglio il percorso dell’olio attraverso le
medie e grandi dimensioni. Nei motori a 2t la bassa velocità di
ginocchiere.
rotazione dell’asse rende possibile che i pistoni siano collegati al
La lubrificazione dei motori diesel
circuito
di
raffreddamento
tramite
Impiego dei lubrificanti
tubazioni mobili che possono essere del
L’olio lubrificante gioca un ruolo vitale perché preserva il motore
tipo a tubi telescopici o del tipo a
da surriscaldamenti, usure, incrostazioni e corrosioni. Nei motori
ginocchiere. Si ricorre ai tubi telescopici
diesel si distingue fra:
(vedi figura, per i pistoni del motore
LUBRIFICAZIONE ESTERNA o GENERALE o DEI MOVIMENTI, la quale
Sulzer RTA 58) se il fluido refrigerante è
invia olio ai cuscinetti di banco, ai manovellismi, agli organi
acqua. Consistono in due tubi concentrici
della distribuzione, alle pompe di iniezione, ecc.;
che
attraversano
il
diaframma
parallelamente all’asta del pistone: dei
LUBRIFICAZIONE INTERNA,
la quale invia invece a intervalli
regolari l’olio fra i pistoni e le camicie.
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.90
due tubi, quello esterno è fisso e
MANUALE di Macchine Nei motori diesel 2t i circuiti di lubrificazione esterna e interna sono
lubrificazione generale per motori diesel a 4t. La pompa di
separati e richiedono olii di differenti caratteristiche: per la
circolazione (1) aspira dal pozzetto (2) tramite un filtro grossolano
lubrificazione esterna è più indicato un olio con viscosità SAE 30
(3) e invia l’olio alla valvola termostatica (4) che regola la portata
con BN da 2 a 6, contenuto di acqua minore dell’1 % ed elevata
da inviare al refrigerante (5); dopo il filtro in fino (6) l’olio entra nel
demulsività; mentre per quella interna è preferibile un SAE 50 con
motore (7) e ne lubrifica le parti in movimento. In un circuito
BN da 60 a 100, buone qualità detergenti ed elevato flash point.
parallelo il separatore centrifugo (8), provvisto di proprio
Nei motori diesel 4t medioveloci l’olio di lubrificazione è unico e
riscaldatore (9) e di propria pompa di circolazione (10), aspira l’olio
potrà essere indicato un olio lubrificante con viscosità SAE 30 o
dal pozzetto, lo tratta e lo immette di nuovo nel pozzetto. La figura
SAE 40, con BN da 20 a 40, buone proprietà antiossidanti,
mostra un analogo schema per il motore diesel a 4t Wärtsilä Vasa
detergenti e disperdenti, resistenza a carichi elevati. Infine anche
32. Si riporta ora una breve descrizione dei principali componenti
nei motori diesel 4t veloci l’olio di lubrificazione è unico ed in
di
questo caso potrà essere usato un olio lubrificante con viscosità
lubrificazione. Se il
SAE 30 o SAE 40, con BN da 10 a 20, buone proprietà
vano
antiossidanti e detergenti, flash point elevato e controllato con
l’olio,
frequenza. Valori consigliati sono i seguenti:
lubrificato il motore, fa
esterna dei 2t unica dei 4t veloci unica dei 4t medioveloci interna dei 2t
dopo
ricade aver
carter umido”. Se invece il vano di raccolta dell’olio fa parte delle
2÷6 10 ÷ 20 20 ÷ 40 60 ÷ 100
strutture dello scafo prende il nome di cassa dell’olio e si parla di “motori a carter secco”. Tale soluzione è frequente nei grandi motori a 4t e in quelli a 2t. Il pozzetto ha un volume di circa (1,0 ÷
Poiché la quantità di olio in circuito cala di continuo a causa dei trattamenti di depurazione che subisce, è necessario effettuare, a scadenze regolari, aggiunte di olio (rabbocchi). Le parti fondamentali di cui è composto il circuito di lubrificazione generale sono: un serbatoio di raccolta dell’olio con la funzione di polmone (denominato pozzetto dell’olio); una pompa di circolazione che preleva l’olio dal pozzetto e lo invia al motore; filtri di differente finezza disposti in vari punti del circuito; un separatore centrifugo inserito in parallelo rispetto al circuito principale; refrigeranti che sottraggono all’olio il calore che questo ha prima sottratto al motore; valvole termostatiche che regolano la portata di olio ai refrigeranti. Completano l’impianto numerosi dispositivi di misura, regolazione e sicurezza. La figura mostra
1,5) m3 per ogni MW di potenza del motore. Il filtro grossolano posto sull’aspirazione della pompa di circolazione ha una finezza modesta (100 ÷ 500) m. Sul collettore di mandata al motore è invece previsto un filtro principale più fine (circa 15 m) seguito da
Lubrificazione generale dei motori diesel a quattro tempi
lo
schema di un circuito di per conduttori e costruttori del mezzo navale
dove
di
parte del carter prende il nome di pozzetto e si parla di “motori a
BN
accanto
circuito
un filtro di sicurezza leggermente più fine (circa 10 m). La pompa di circolazione dell’olio è di norma del tipo a viti. Può essere trainata dal motore diesel o azionata da motore elettrico. Le sue caratteristiche sono le seguenti: portata specifica (10 ÷ 50) kg/kWh, pressione di mandata (2 ÷ 6) bar, temperatura massima di lavoro 100 °C e viscosità dell’olio lubrificante SAE 30 o SAE 40. I refrigeranti dell’olio possono essere a fascio tubiero o a piastre. Se a fascio tubiero, l’olio fluisce fuori tubi e il fluido refrigerante (acqua dolce del circuito LT o acqua di mare) entro tubi. Valori medi della temperatura dell’olio nel pozzetto (65 ÷ 80) °C, della temperatura dell’olio all’ingresso del motore (45 ÷ 70) °C, della temperatura dell’olio all’uscita dal motore (65 ÷ 90) °C e il salto di temperatura nei refrigeranti (15 ÷ 20) °C. Anche per il circuito di lubrificazione si pone l’esigenza che la temperatura dell’olio entrante nel motore si mantenga costante sul valore prestabilito
Pag.91
Tipo di lubrificazione
un
MANUALE di Macchine pur al variare del carico. E anche in questo caso tale risultato viene raggiunto attraverso una valvola termostatica a tre vie che, in base ad un segnale di temperatura rilevata sulla mandata della pompa di circolazione, ripartisce variamente la portata di olio lubrificante in arrivo fra quella inviata al refrigerante e quella che lo scavalca attraverso un circuito di by – pass. È sempre prevista
Gv = (1,2 ÷ 1,5)Pe ove Pe [kW] rappresenta la potenza effettiva del motore. Lubrificazione generale dei motori diesel a due tempi Nei 2t la lubrificazione dei pattini dei testacroce risulta difficoltosa perché è problematico creare quel meato a sezione variabile che consente la lubrificazione fluida. Si ricorre allora alla lubrificazione
un’elettropompa di prelubrifica a viti, i cui compiti sono i seguenti:
idrostatica, cioè si invia ai
riempire il circuito e fornire una certa pressione prima
testacroce
dell’avviamento del motore; tenere caldo il motore affinché sia
pressione, derivando dal
impianti non previsti di pompe trainate è raccomandata la
circuito dei cuscinetti di
presenza di una cassa di servizio sopraelevata, utile in caso di
banco
interruzione dell’alimentazione elettrica. Il volume di tale cassa la sopraelevazione deve essere tale da garantire una pressione idrostatica di almeno 0,5 bar. Osservando la figura accanto, una parte dell’olio (1) lubrifica il cuscinetto in cui ruota il perno di banco (2), quindi ricade nella parte bassa del carter, mentre la frazione restante entra dentro il perno di banco attraverso
una
foratura
radiale.
Questa porta a un canale che percorre assialmente il perno di banco e poi piega ad angolo retto per attraversare la manovella (3) fino all’asse del perno di biella. A questo punto il canale piega una seconda volta e prosegue lungo l’asse del perno di biella (4) da cui, dopo aver piegato una terza volta, affiora attraverso un’analoga foratura radiale (5) che distribuisce l’olio in una gola circolare ricavata sulla superficie interna della testa della biella. E anche qui una parte dell’olio lubrifica il cuscinetto di testa di biella mentre la frazione restante fluisce lungo un canale assiale che attraversa tutto il fusto della biella per risalire fino a lubrificare il cuscinetto del piede di biella. L’olio superstite a quest’ultimo servizio va infine a raffreddare l’interno del pistone, quindi ricade nel carter. Ogni motore deve avere un proprio separatore centrifugo, provvisto di pompa di circolazione (azionata dal separatore stesso) e di riscaldatore (elettrico o a vapore). Il valore medio della temperatura di separazione è di circa (80 ÷ 95) °C mentre la portata nominale
elevata
portata di olio a maggior
sempre pronto alla partenza dopo una fermata breve. Negli
deve essere pari a circa 1 m3 ogni 5 MW di potenza del motore e
una
un
secondario
circuito che
viene
portato alla pressione di (15 ÷ 16) bar e inviato poi ai testacroce (vedi figura). Si notano: 1 motore; 2 pozzetto dell’olio; 3 filtro; 4 pompe circuito di bassa pressione; 5 refrigerante; 6 valvola termostatica; 7 pompe circuito di alta pressione; 8 ingresso dell’olio ai testacroce; 9 ingresso dell’olio ai cuscinetti di banco; 10 olio al separatore centrifugo; 11 olio dal separatore centrifugo. Lubrificazione interna dei motori diesel Nei 2t e nei grandi 4t si pone il problema di lubrificare in modo efficace la zona di contatto fra il pistone e la camicia, onde ridurre l’usura dei materiali soggetti a contatto strisciante e per rimuovere con continuità i prodotti acidi e carboniosi che si formano con la combustione. Provvede a questi incarichi un LUBRIFICAZIONE INTERNA
o
DELLE CAMICIE,
CIRCUITO DI
il quale prevede che
sottile spazio compreso fra il pistone e la camicia di ogni cilindro avvenga un’iniezione di olio lubrificante a ogni corsa di risalita del pistone. Tale olio, caratterizzato da una viscosità SAE 50, elevato BN, buone qualità detergenti e alto flash point, proviene (vedi figura) da una cassetta di lubrificazione (1), solitamente una per cilindro, comandata dall’albero motore e da cui si diramano 6 ÷ 8 tubicini i quali raggiungono altrettanti iniettori denominati “cannòle” (quills) (2) che, attraversando esterno
del
prima cilindro,
l’involucro quindi
l’intercapedine percorsa da acqua di
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.92
media Gv [l/h] vale:
MANUALE di Macchine raffreddamento e infine la camicia, terminano con una valvola di
Gmo [ kg⁄h ] =
non ritorno (3) e sfociano all’interno del cilindro (4), in
Gmo [ g⁄h] = 1 000∙Gmo [ kg⁄h]
corrispondenza di un solco praticato lungo tutta la circonferenza della superficie interna della camicia al fine di distribuire più uniformemente l’olio. In alcuni grandi motori 4t la lubrificazione interna è invece assicurata dall’olio di lubrificazione generale. È interessante notare come l’olio di lubrificazione interna svolga un ruolo fondamentale nel garantire una tenuta efficace e commisurata all’effettivo grado di compressione interna al cilindro
Si riportano di seguito le proprietà tipiche di due olii lubrificanti commerciali “AURELIA XL 3040”. “TALUSIA HR 80”. Il primo impiegato in: motori sovralimentati principali ed ausiliari di tutti i tipi e di tutte le potenze funzionanti con il Marine Diesel Oil pesante contenente un’elevata percentuale di zolfo; cuscinetti e tubi dritti d’elica e del timone; riduttori.
(vedi figura). Infatti l’olio, obbligato a fluire
Proprietà
verso il basso dalla pressione interna al cilindro,
poiché
le
fasce
elastiche
aderiscono già contro la camicia in virtù della propria elasticità, si infiltra nelle cave alle loro spalle facendole aderire con più forza ancora, garantendo così una tenuta crescente con la pressione interna al cilindro. Consumi specifici e giornalieri dell’olio lubrificante L’olio lubrificante in circuito è soggetto a varie cause di consumo, per cui sono richiesti frequenti sondaggi e periodici reintegri che prendono il nome di rabbocchi. Si definisce CONSUMO SPECIFICO DI OLIO LUBRIFICANTE
Co [g/kWh] il rapporto tra la portata in massa
Gmo [g/h] di olio consumato (pari ai rabbocchi che si sono resi necessari) e la potenza meccanica effettiva Pe [kW] sviluppata dal motore: Co =
Gmo [ kg⁄giorno] 24
Gmo Pe
viscosità SAE densità a 15 °C viscosità cinetica a 40 °C viscosità cinetica a 100 °C punto di infiammabilità (COC) ASTM D 92 punto di scorrimento BN (ex TBN) ASTM D 2896
Il secondo destinato alla lubrificazione dei cilindri dei motori Diesel 2t lenti con testa a croce. Concepito per delle condizioni d’impiego molto severe che si riscontrano in servizio. Proprietà viscosità SAE densità a 15 °C viscosità cinetica a 100 °C punto di infiammabilità (COC) ASTM D 92 punto di scorrimento BN (ex TBN) ASTM D 2896
La tabella riporta valori medi di larga massima del consumo
Il motore diesel nella propulsione navale
specifico di olio per i vari circuiti di lubrificazione:
Tipi di navi e loro esigenze di propulsione.
Tipo di circuito di lubrificazione
Co (g/kWh)
lubrificazione generale dei motori a 2t lubrificazione interna dei motori a 2t lubrificazione generale dei motori a 4t medioveloci lubrificazione generale dei motori a 4t veloci
0,3 ÷ 0,5 0,5 ÷ 1,2 1,2 ÷ 2,0 1,0 ÷ 1,5
AURELIA XL 3040 30 920 kg/m3 110 mm2/s 12 mm2/s > 220 °C - 9 °C 40 mg KOH/g
La
STAZZA
TALUSIA HR 80 50 945 kg/m3 20 mm2/s > 220 °C - 9 °C 80 mg KOH/g
(tonnage) esprime il volume di tutti gli spazi chiusi o
chiudibili della nave. La stazza lorda comprende gli spazi non direttamente utili ai fini commerciali del vettore perché destinati a equipaggio, apparato motore, altri impianti e depositi necessari per la navigazione. Deducendo dalla stazza lorda tali spazi, si ricava la stazza netta. L’unità di misura della stazza è la tonnellata
specifico di olio lubrificante, ma questo dato va dedotto con un calcolo molto semplice conoscendo la potenza Pe [kW] dell’apparato motore e l’entità dei rabbocchi effettuati nel tempo, cioè la quantità Gmo [kg/giorno] di olio lubrificante aggiunto in un giorno: per conduttori e costruttori del mezzo navale
di stazza, pari a 100 piedi cubici inglesi, cioè 2,832 m 3. Le tonnellate di stazza lorda si indicano in italiano con TSL, in inglese con GT (da gross tons), quelle di stazza netta con TSN, in inglese con NT (da net tons). Il
DISLOCAMENTO
(displacement) è il peso
della nave in tonnellate.
Pag.93
A bordo non è possibile misurare direttamente il consumo
MANUALE di Macchine La PORTATA (capacity) è il peso in tonnellate del carico massimo
(12 16) nodi e che richiedono apparati di propulsione capaci di
che una nave può trasportare ed è la differenza fra il dislocamento
sviluppare potenze medie, di norma non superiori a 15 MW. I
al massimo galleggiamento ammesso dalle regole del bordo libero
motori di propulsione impiegati sono diesel a 2t e grossi 4t in grado
e il dislocamento a nave vuota. In genere si fa riferimento alla
di bruciare anche nafte pesanti. Il fabbisogno di potenza elettrica
portata lorda espressa in TPL (Tonnellate di Portata Lorda) o DWT
supera raramente 3 MW ed è assicurato da alternatori – asse e da
(Dead – Weight Tons). Il
gruppi elettrogeni di tipo convenzionale.
TONNELLAGGIO
per le navi militari si
NAVI PORTACONTENITORI.
identifica di norma col dislocamento, per le navi mercantili con la
Il contenitore o container è un robusto cassone da trasporto a
stazza o con la portata ed infine per le navi passeggeri sempre
forma di parallelepipedo a sezione
con la stazza. Si illustrano brevemente le esigenze di propulsione
quadrata del lato di 8 piedi; la
dei principali tipi di navi da carico.
La nave
lunghezza può invece essere di 10, 20,
cisterna (o tanker) indica una nave il cui
30 o 40 piedi e la versione lunga 20
scafo è suddiviso in stive adibite al
piedi viene usata come unità di misura di riferimento ed è indicata
trasporto di carichi liquidi in generale, la
con l’acronimo TEU (Transcontainer Equivalent Unity). Le attuali
petroliera (o crude carrier) è adibita al
navi portacontenitori hanno velocità di navigazione elevate, cioè
solo trasporto di petrolio greggio. Navi
comprese fra 20 nodi e 25 nodi, che richiedono apparati di
cisterna di dimensioni maggiori sono denominate VLCC (Very
propulsione in grado di sviluppare potenze effettive da 5 MW a 50
Large Crude Carrier) e ULCC (Ultra Large Crude Carrier).
MW. I motori impiegati sono grandi motori diesel a 4t ma più
L’attuale tendenza è quella di costruire navi con portate comprese
spesso a 2t.
fra 80 000 TPL e 250 000 TPL, velocità di (14 18) nodi e potenze
dalle
dell’apparato motore variabili fra 10 MW e 30 MW. Per navi di
pescherecci d’alto mare, dalle
portata media o medioalta la propulsione può essere affidata a
metaniere (o LNG – carrier
grandi motori diesel a 4t in grado di bruciare combustibili pesanti
perché trasportano metano liquefatto o Liquefied Natural Gas) alle
come l’IFO 600, ma la tendenza è quella di privilegiare il motore
gasiere (o LPG – carrier perché trasportano gas di petrolio
diesel a 2t. Le petroliere richiedono poi una elevata potenza
liquefatto o
elettrica installata, soprattutto per comandare gli impianti in
portacontenitori esclusivamente adibite a quelli refrigerati, sono
servizio durante la scaricazione (carico, zavorra, stripping, COW,
caratterizzate da potenze di propulsione variabili da 1,5 MW fino a
LOT, gas inerte, ecc.). Pertanto, mentre in navigazione è
40 MW ma hanno in comune una elevata velocità di navigazione,
abbastanza diffuso l’impiego dell’alternatore – asse, devono
che può arrivare a punte di 25 nodi. Logicamente la presenza dei
essere previsti anche grossi gruppi elettrogeni comandati da
gruppi frigoriferi richiede gruppi elettrogeni di elevata potenza,
motori diesel a 4t per la produzione di energia elettrica quando la
mentre la propulsione è affidata a motori diesel a 4t; non rara,
nave è ferma al porto. PETROCHIMICHIERE. Si possono riunire sotto
soprattutto nei pescherecci, è la propulsione elettrica.
questa denominazione tutte quelle
PORTARINFUSE. Prendono il
NAVI PETROLIERE.
NAVI REFRIGERATE.
bananiere
Le navi refrigerate di vario tipo,
ai
Liquefied Petroleum Gas) fino alle navi
NAVI
nome di rinfuse le merci trasportate in
navi di dimensioni piccole e medie
massa da navi dette appunto bulk –
che trasportano frazioni del greggio
carrier. Le merci trasportate alla rinfusa
ottenute per distillazione, prodotti
sono di vario tipo e vanno dal cemento
petrolchimici e prodotti chimici della
ai minerali, dai legumi secchi a molti
natura più varia, quindi le cosiddette productor carrier o productor
prodotti chimici. Le attuali portarinfuse
tanker o chemical tanker o chimichiere. Sono navi con portate
hanno una portata che va dalle 3 000 TPL alle 250 000 TPL ma
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.94
comprese fra 3 000 TPL a 70 000 TPL, che viaggiano a velocità di
MANUALE di Macchine non richiedono una grande velocità di navigazione, solitamente
SULZER affiancò ai suoi rivoluzionari motori diesel a 2t anche due
contenuta fra 11 nodi e 16 nodi. Agli apparati motori è richiesta
motori diesel a 4t che ebbero grande successo e diffusione in tutto
una potenza fra 2 MW e 30 MW e si ricorre a motori diesel a 4t per
il mondo: i motori S20 e ZA40. Il motore diesel a 4t S20, introdotto
le navi medie e a motori diesel a 2t per quelle più grandi. NAVI RO
nel 1988 per essere impiegato come gruppo elettrogeno e come
– RO. Queste navi, la cui sigla deriva da roll – on/roll – off, sono
motore di propulsione per navi di minori dimensioni (pescherecci,
traghetti
di
petrochimichiere, gasiere, portacontenitori, ecc.), in pochi anni fu
rotabili
introdotto in centinaia di esemplari e concesso in licenza a diverse
ferroviari o su gomma imbarcabili e
case costruttrici europee ed asiatiche. Un motore di successo
sbarcabili con propri mezzi. Le
ancora maggiore è stato il diesel 4t medioveloce ZA40, entrato in
potenze richieste agli apparati di propulsione variano da 5 MW a
produzione nel 1963 e continuamente migliorato nel corso degli
25 MW e la velocità di navigazione da 15 nodi a 22 nodi.
NAVI
anni fino ad assumere la sigla ZA40S nel 1985. MOTORI
La propulsione di una nave passeggeri è
WÄRTSILÄ. La casa costruttrice WÄRTSILÄ è un’industria fondata
trasportare
PASSEGGERI.
multiuso in container
grado e
caratterizzata da: due propulsori,
nel 1834 a Turku (Finlandia). I motori a 4t rappresentano il settore
quindi due linee d’assi e due motori
di produzione in cui la WÄRTSILÄ ha accumulato più esperienza e
separati per esigenze di sicurezza;
a cui deve il proprio successo commerciale. La serie classica di
non convenienza dei motori diesel a
questi motori si è poi arricchita con gli apporti delle case costruttrici
2t perché troppo ingombranti in altezza, utilizzo invece di quelli a
acquisite e, soprattutto, con il prestigioso Sulzer ZA40S. MOTORI
4t, da montare in vario numero (due, tre o quattro) su ogni asse;
MAN B&W.
elevata potenza elettrica impegnata per i servizi di bordo estranei
Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg, fondendosi nel 1981 con la
alla propulsione (refrigerazione, condizionamento, cucine,
danese Burmeister & Wain diede vita la gruppo MAN B&W. Nel
illuminazione, locali di intrattenimento, servizi di cabina, eliche di
1980 nacquero i primi motori della serie L – MC (da Long – stroke,
manovra, ecc.), con la conseguente necessità di una o più centrali
con rapporto corsa/alesaggio 3,24), ai quali faceva seguito la serie
elettriche di notevole potenza o l’adozione di un’unica centrale per
S – MC (da Superlong – stroke, con rapporto corsa/alesaggio
la propulsione elettrica e i servizi elettrici di bordo; buone
3,82) con la possibilità di offrire questi motori, contraddistinti dalla
possibilità di impiego dei propulsori azimutali.
sigla MCE (E = Economic), anche a regime di funzionamento
Dati caratteristici di alcuni motori diesel navali.
economico. L’attuale produzione MAN B&W nel campo dei motori
MOTORI SULZER. La casa costruttrice SULZER AG è
a 2t comprende ventisei tipi di motori (S26MC, L35MC, S35MC,
un’industria fondata nel 1834 a Winterthur (Svizzera). Nel 1969 la
L42MC, S42MC, S46MC – C, L50MC, S50MC, S50MC – C, L60MC,
SULZER introdusse i motori diesel a 2t a lavaggio trasversale della
L60MC – C, S60MC, S60MC – C, L70MC, L70MC – C, S70MC, S70MC
serie RND, poi nel 1976 i motori diesel a 2t della serie RND – M
– C, K80MC – C, L80MC, S80MC, S80MC – C, K90MC – C, K90MC,
ed infine nel 1980 i nuovi motori della serie RL ancora a lavaggio
S90MC –C, fino a due giganti K98MC –C e K98MC). A questi motori
trasversale. Nel 1984 vennero realizzati i motori diesel a 2t a
si aggiungono altre quindici versioni con controllo elettronico
lavaggio assiale della serie RTA. Negli anni successivi la SULZER
dell’iniezione e indicate con la sigla ME (S50ME –C, L60ME – C,
(nel 1997 la New Sulzer Diesel Ltd. è stata acquistata dalla
S60ME – C, S65ME – C, L70ME – C, S70ME – C, K80ME – C, S80ME –
Wärtsilä, dando origine alla Wärtsilä NSD Corporation) ha poi
C, S80ME, K90ME – C, K90ME, S90ME – C, K98ME – C, K98ME e il
apportato ai motori RTA una lunga serie di perfezionamenti, che
gigante K108ME –C). I motori a 4t sono rappresentati da tredici
hanno dato vita alla realizzazione dei motori RT – flex a iniezione
versioni (L21/31, L23/30A, V23/30A, L27/38, L28/32A, V28/32A, L32/40,
elettronica common rail e successivamente alla nuova serie
V32/40, V40/50, L40/54, L48/60B, V48/60B e L58/64), molti dei quali in
“Generazione X”. Per rispondere alle richieste del mercato, la
versione common rail.
Pag.95
per conduttori e costruttori del mezzo navale
La casa costruttrice MAN, acronimo di
MANUALE di Macchine
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.96
APPENDICE
MANUALE di Macchine SEZIONE TRASVERSALE DEL MOTORE DIESEL A 2T SULZER DELLA SERIE RTA
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.97
VISTA D’INSIEME DEL MOTORE DIESEL A 4T SULZER S20
MANUALE di Macchine VISTA D’INSIEME DEL MOTORE DIESEL A 4T SULZER ZA40S IN CONFIGURAZIONE A V
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.98
SEZIONE TRASVERSALE DEL MOTORE DIESEL A 2T SULZER RT – FLEX60C
MANUALE di Macchine CONFIGURAZIONE DI APPARATO DI PROPULSIONE PER NAVI DA CROCIERA REALIZZATA CON MOTORI DIESEL A 4T SULZER ZA40S
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.99
SEZIONE TRASVERSALE DEL MOTORE DIESEL A 4T MEDIOVELOCE MAN B&W L58/64
MANUALE di Macchine CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEI MOTORI DIESEL A 2T SULZER DELLA SERIE RTA (Condizioni ISO di riferimento: pressione
1,0 bar; temperatura aria aspirata 27 °C; temperatura acqua di raffreddamento aria 27 °C; potere calorifico inferiore del combustibile 42 707 kJ/kg). MOTORI a due tempi SULZER serie RTA Alesaggio (mm)
Corsa (mm)
corsa/alesaggio
84M
840
2900
3,45
84
840
2400
2,85
76
760
2200
2,90
72
720
2500
3,46
68
680
2000
2,90
62
620
2150
3,46
58
580
1700
2,90
52
520
1800
3,46
48
480
1400
2,90
38
380
1100
2,90
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Regime MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4 MCR R2 R3 R4
n (rpm) 78 78 56 56 90 90 65 65 98 98 71 71 91 91 66 66 108 108 78 78 106 106 76 76 127 127 92 92 126 126 91 91 154 154 111 111 196 196 141 141
P (kW/cil.) 3460 1900 2490 1900 3310 1820 2380 1820 2710 1490 1950 1490 2570 1410 1860 1410 2170 1190 1560 1190 1900 1050 1360 1050 1590 870 1140 870 1330 740 960 740 1090 600 780 600 680 370 490 370
Cc (kg/kWh) 0,170 0,159 0,169 0,162 0,171 0,163 0,170 0,163 0,173 0,165 0,171 0,165 0,171 0,160 0,170 0,163 0,174 0,166 0,173 0,166 0,173 0,162 0,171 0,165 0,175 0,167 0,174 0,167 0,174 0,163 0,173 0,166 0,178 0,170 0,177 0,170 0,181 0,173 0,179 0,173
n. cilindri 4 12
4 12
4 12
48
48
48
49
48
49
49
Pag.100
Tipo
MANUALE di Macchine
2T SULZER (Condizioni ISO di riferimento: pressione 1,0 bar; temperatura aria aspirata 25 °C; umidità relativa 30 %; temperatura acqua di raffreddamento aria 25 °C; potere calorifico inferiore del combustibile 42 700 kJ/kg). CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEI MOTORI DIESEL A
Tipo
RTA48T - B
RT – flex 50 RTA50
RTA52U - B
RT – flex 58T – B RTA58T – B
RT – flex 60C
RTA62U – B
RT – flex 68T – B RTA68T – B
RTA72U – B
D (mm)
480
500
520
580
600
620
680
720
C (mm)
2000
2050
1800
2416
2250
2150
2720
2500
per conduttori e costruttori del mezzo navale
C/D
z
4,17
5 6 7 8
4,1
3,46
4,17
3,75
3,47
4,0
3,47
5 6 7 8
5 6 7 8
5 6 7 8 5 6 7 8 9 5 6 7 8
5 6 7 8
5 6 7 8
wm (m/s)
Altezza motore (m) Lunghezza motore (m)
Massa motore (t)
9,0 171 250
8,5 6,0 8,5
9,35 200 280
8,5 6,1 8,7
9,1 210 300
8,2 6,6 9,4
10,8 281 418
8,5 7,0 10,0
10,5 268 480
8,6 7,2 11,4
10,6 320 470
8,2 7,5 10,8
12,7 412 593
8,6 8,2 11,7
12,4 485 715
8,3 8,7 12,5
Regime
n (rpm)
Pe (kW/cil.)
Cc (kg/kWh)
pme (bar)
MCR
127
1455
0,171
19,0
R2
127
1020
0,163
13,3
R3
102
1165
0,171
18,9
R4
102
1020
0,167
16,6
MCR
124
1620
0,171
19,5
R2
124
1130
0,165
13,6
R3
99
1300
0,171
19,5
R4
99
1130
0,167
17,1
MCR
137
1600
0,174
18,3
R2
137
1120
0,168
12,8
R3
110
1285
0,174
18,3
R4
110
1120
0,170
16,0
MCR
137
1600
0,174
18,3
R2
137
1120
0,168
12,8
R3
110
1285
0,174
18,3
R4
110
1120
0,170
16,0
MCR
114
2360
0,170
19,5
R2
114
1650
0,164
13,7
R3
91
1880
0,170
19,5
R4
91
1650
0,166
17,0
MCR
115
2285
0,173
18,4
R2
115
1600
0,167
12,9
R3
92
1830
0,173
18,4
R4
92
1600
0,169
16,1
MCR
95
3070
0,169
19,6
R2
95
2150
0,161
13,7
R3
76
2450
0,169
19,6
R4
76
2150
0,165
17,2
MCR
115
2285
0,173
18,4
R2
115
1600
0,167
12,9
R3
92
1830
0,173
18,4
R4
92
1600
0,169
16,1
Pag.101
MOTORI a due tempi SULZER
MANUALE di Macchine
MOTORI a due tempi SULZER
D (mm)
Tipo
RT – flex 84T – D RTA84T – D
RTA84C
RT – flex 96C RTA96C
840
840
960
C (mm)
3150
2400
2500
C/D
z
3,75
5 6 7 8 9
wm (m/s)
Lunghezza motore (m)
740 1260
8,0 10,5 17,5
6 7 8 9 10 11 12 14
2,6
Massa motore (t)
14,6
6 7 8 9 10 11 12
2,86
Altezza motore (m)
13,5 485 715
8,2
Regime
n (rpm)
Pe (kW/cil.)
Cc (kg/kWh)
pme (bar)
MCR
76
4200
0,167
19,0
R2
76
2940
0,160
13,3
R3
61
3370
0,167
19,0
R4
61
2940
0,164
16,6
MCR
102
4050
0,171
17,9
R2
102
2840
0,163
12,6
R3
82
3250
0,172
17,9
R4
82
2840
0,167
15,6
MCR
102
5720
0,171
18,6
R2
102
4000
0,163
13,0
R3
92
5160
0,171
18,6
R4
92
4000
0,164
14,4
12,7 23,3
13,0 1160 2300
8,5 12,9 27,3
CARATTERISTICHE PRINCIPALI DI DUE MOTORI DIESEL A 4T SULZER. MOTORI a quattro tempi SULZER
D (mm)
C (mm)
C/D
z
Lunghezza motore (m)
Massa motore (t)
Regime
200
300
1,5
-
-
-
-
6 8 9 ZA40S
400
560
L
per conduttori e costruttori del mezzo navale
V
7,1 10,26
750 900
MCR
59 145 12 14 16 18
Cc (kg/kWh)
pme (bar)
95 160
0,188 0,196
16,6 18,7
720
0,183 0,185
24,0
660
0,179 0,181
22,0
600
0,176 0,178
20,0
1000
4,15 (L) 4,85 (V)
1,4
Pe (kW/cil.)
720
S20
n (rpm)
ECR1
ECR2
510
Pag.102
Tipo
Altezza motore (m)
MANUALE di Macchine CARATTERISTICHE PRINCIPALI DEI MOTORI DIESEL A 4T VELOCI E MEDIOVELOCI
WÄRTSILÄ (Condizioni ISO di riferimento: pressione 1,0 bar; temperatura aria aspirata 25 °C; umidità relativa 30 %; temperatura acqua di raffreddamento aria 25 °C; potere calorifico inferiore del combustibile 42 700 kJ/kg). MOTORI a quattro tempi WÄRTSILÄ D (mm)
C (mm)
C/D
n (rpm)
wm (m/s)
z
Pe (kW/cil.)
pme (bar)
Massa motore (t)
200
200
240
1,2
1200 1500
9,6 12,0
12 – 16 – 18 V
175 200
21,2 23,2
2,4 3,6
20
200
280
1,4
720 1000
6,7 9,3
4–5–6–7–8–9 L
130 200
22,5 28,0
7,2 11,6
26
260
320
1,23
900 1000
9,6 10,7
6–8–9L 12 – 16 – 18 V
295 325
23,0 24,3
18,0 41,0
Vasa 32LN
320
350
1,09
720 750
8,4 8,8
4–6–8–9L 12 – 16 – 18 V
370 375
21,3 21,9
20,3 61,4
32
320
400
1,25
720 750
9,6 10,0
6–8–9L 12 – 16 – 18 V
450 460
22,9 23,3
35,5 82,5
32DF
320
350
1,09
720 750
8,4 8,75
6–9L 12 – 18 V
335 350
19,8 19,9
30,0 62,0
32LNGD
320
350
1,09
720 750
8,4 8,75
4–6–8–9L 12 – 16 – 18 V
370 375
21,3 21,9
20,3 61,4
38
380
475
1,25
600
9,5
6–8–9L 12 – 16 V
725
26,9
51 110
ZA40S
400
560
1,4
510
9,5
6–8–9L 12 – 14 – 16 – 18 V
750
25,1
59 145
46
460
580
1,26
450 500 514
8,7 9,9
6–8–9L 12 – 16 – 18 V
905
21,9 22,5 25,0
93 237
50DF
500
580
1,16
500 514
9,7 9,9
6–8–9L 12 – 16 – 18 V
950
19,5 20,0
96 240
64
640
900
1,41
327,3 333,3
9,8 10,0
6–7–8–9L 12 V
2010
25,0 25,5
233 432
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.103
Tipo
MANUALE di Macchine
CARATTERISTICHE PRINCIPALI DI DUE MOTORI DIESEL MAN B&W. MOTORE a due tempi MAN B&W
D (mm)
Tipo
K108ME – C
1080
C (mm)
2660
C/D
2,46
wm (m/s)
z
6 7 8 9 10 11 12 14
Altezza motore (m)
Massa motore (t)
Lunghezza motore (m)
Regime
n (rpm)
Pe (kW/cil.)
Cc (kg/kWh)
pme (bar)
MCR
94
6950
0,171
18,2
L2
94
5570
0,162
14,6
L3
90
6650
0,171
18,2
L4
90
5340
0,162
14,6
15,3 L
8,0 8,3
1326 2828 14,3 32,6
MOTORE a quattro tempi MAN B&W
L58/64
D (mm)
580
C (mm)
640
C/D
z
1,10
6 7 L 8 9
per conduttori e costruttori del mezzo navale
wm (m/s)
Lunghezza motore (m)
Massa motore (t)
5,1 8,5 9,1
n (rpm)
Pe (kW/cil.)
Cc (kg/kWh)
400
1300
0,176
pme (bar)
23,0
151 213 9,2 12,6
428
1390
0,177
Pag.104
Tipo
Altezza motore (m)
MANUALE di Macchine INCROCIATORE PORTAEROMOBILI “GARIBALDI”
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.105
CACCIATORPEDINIERE CLASSE “LUIGI DURAND DE LA PENNE”
MANUALE di Macchine INCROCIATORE LANCIAMISSILI “VITTORIO VENETO” e CACCIATORPEDINIERE “ARDITO E AUDACE”
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.106
FREGATE CLASSE “MAESTRALE”
MANUALE di Macchine FREGATE CLASSE “LUPO”
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.107
FREGATE CLASSE “ALPINO”
MANUALE di Macchine
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.108
PROPRIETÀ TERMODINAMICHE DELL’ACQUA: LIQUIDO SATURO – VAPORE SATURO IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA DI SATURAZIONE
MANUALE di Macchine
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.109
PROPRIETÀ TERMODINAMICHE DELL’ACQUA: LIQUIDO SATURO – VAPORE SATURO IN FUNZIONE DELLA PRESSIONE DI SATURAZIONE
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.110
MANUALE di Macchine
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.111
MANUALE di Macchine
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.112
MANUALE di Macchine
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.113
MANUALE di Macchine
per conduttori e costruttori del mezzo navale
Pag.114
MANUALE di Macchine