Manuale Di Macchine - Parte 3 [PDF]

Zitiervorschau

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 = GmcHi

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

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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

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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)

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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

48

48

48

49

48

49

49

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