In questa sezione sono stati trattati organicamente i fondamenti di Macchine Marine
partendo dai Propulsori per eccellenza - ovvero le ELICHE -, passando per i dispositivi di INVERSIONE e RIDUZIONE del MOTO , fino ad arrivare alla descrizione dei Motori a 2 ed a 4 Tempi .
Argomenti Trattati
Caratteristiche geometriche dell'Elica
DIAMETRO: L'elica ruotando descrive un cerchio. Il diametro di questo cerchio è quello dell'elica.
PASSO: Indica la distanza percorsa dall'elica durante una rotazione completa sia avanti che indietro. Il passo si può paragonare come lo spostamento di una vite che viene avvitata in un solido. Dato che il passo non è costante in quanto le pale sono svergolate vicino al mozzo, ossia hanno i profili vicini al mozzo più inclinati di quelli all'estremità, si assume per convenienza come passo dell'elica quello della sezione che dista dall'asse di un'entità pari a sette decimi del raggio. Tuttavia dato che l'acqua non è un elemento solido, il passo dell'elica è una misura teorica.
Nell'acqua lo spostamento dell'elica corrisponde infatti al 70% 90% di questo spostamento teorico, il rimanente 10% 30% si chiama regresso. Poichè la nave, per avanzare deve vincere la resistenza del mezzo in cui si trova la Vn (velocità nave) sarà Vn minore di Ve inferiore alla velocità dell'elica, quindi la differenza tra la velocità dell'elica e nave viene detta regresso dell'elica
REGRESSO = Ve-Vn .
All'inizio del moto della nave il regresso è notevole, ma poi, man mano che la nave spostandosi vince le varie resistenze il regresso diminuisce e si stabilizza ad un certo valore quando la nave regolarizza in modo uniforme il suo moto.
Le eliche normalmente impiegate sulle navi hanno almeno tre pale; le eliche a due pale sono riservate al naviglio minore. Le eliche a tre pale sono le più diffuse in quanto danno un ottimo rendimento (vedi caratteristiche dinamiche) con motori di media potenza. Quelle a quattro o meglio a cinque pale vengono adattate quando si necessita una grande superfice sviluppata, capace di sopportare gli elevati carichi imposti da grandi potenze (navi da guerra, super petroliere, ecc.). Con l'aumentare del numero delle pale scende il rendimento, ma si ottengono altri benefici quali: diametro minore (per una più agevole installazione), costruzione più semplice del profilo, minore vibrazione e minore rumore. In funzione di ciò, il numero delle pale deve essere dispari e per tanto si sono costruite eliche a 7-9 pale, per tutte quelle navi ove il problema della silensiosità sia risolto (sottomarini, navi da ricerca, ecc.).
FORMA DELLE PALE
Viene elaborata caso per caso in funzione di determinati fattori, quali il numero di giri, la velocità, la spinta, oppure per particolari esigenze come la riduzione del rumore, della cavitazione. Per conseguire tali risultati i progettisti operano non solo sulla forma della superfice ma anche sull'inclinazione delle pale.
PROFILO DELLE PALE
Il profilo della pala è la sezione della pala ottenuta con una superfice cilindrica coassiale dell'elica e sviluppata sopra una superfice piana. I profili possono essere di tre tipi, e sono: subcavitanti,transcavitanti,supercavitanti.
SENZO DI ROTAZIONE
Le eliche si dividono in destrorse e sinistrorse a seconda che, guardandone il verso si vedono girare in verso antiorario o orario. Conoscere il senzo di rotazione dell'elica è utile, fra l'altro, per prevedere l'effetto evolutivo, cioè la tendenza a respingere la poppa in fuori, da un lato o dall'altro sopratutto durante le manovre.
Idrogetto
All'aumentare della velocità, e superati i 40 - 45 nodi, l'elica navale specie per gli scafi plananti non risulta essere il mezzo più efficace di propulsione; anche le cosiddetta eliche supercavitanti, studiate appositamente per attenuare i fenomeni della cavitazione che alle alte velocità, presentano inconvenienti di funzionamento ancora non superati.
Pertanto per la propulsione di mezzi speciali di tipo planante e degli aliscafi è stata presa in considerazione la cosiddetta propulsione ad idrogetto. Tale propulsione ha trovato fra l'altro un allettante impiego nell'applicazione sui mezzi da diporto , in quanto elimina la presenza di appendici pericolose e delicate quali l'elica ed il timone.
La propulsione ad idrogetto infatti si ottiene mediante la proiezione, in senso contrario al moto del natante, di una determinata massa di acqua. Per reazione nasce la spinta propulsiva sul mezzo navale.
In figura è rappresentato il sistema ad idrogetto installato su di un motoscafo veloce; l'acqua captata attraverso la bocca ( presa dinamica ) aperta sul fondo della imbarcazione, viene aspirata da una pompa che la espelle ad alta velocità attraverso un ugello di scarico.
Si governa facendo girare il getto con una valvola a farfalla, il DEFLETTORE, o facendo girare l'ugello allo specchio.
Tale sistema idoneo per navi di medie e grandi dimensioni, può risultare conveniente ( come abbiamo già detto ) poiché riduce le appendici di carena, consente la navigazione su fondali molto bassi ed in zone paludose ed elimina il pericolo di urti da parte dell'elica su corpi semisommersi.
Grazie al deflettore del getto è possibile inoltre realizzare facilmente l'inversione della spinta conferendo grande manovrabilità all'imbarcazione.
Realizzando l'ugello di fuoriuscita orientabile ed invertibile si ottiene da un lato l'azione del normale timone e dall'altro l'inversione di marcia.
Per concludere tale nuovo sistema propulsivo si presenta particolarmente interessante, rispetto ad altri sistemi propulsivi, sul naviglio veloce "planante" in genere ed in special modo sugli aliscafi, in quanto per tali mezzi sollevati dall'acqua, la propulsione ad elica tradizionale presenta notevoli difficoltà tecniche ( linea d'assi molto lunghe ed inclinate con scarso rendimento dell'elica ).
Questo sistema presenta quindi doti pregevoli quali l'ottima manovrabilità, l'assenza delle vibrazioni ( presenti invece con linee d'assi con molti rinvii ), facilità di condotta , buoni rendimenti propulsivi e semplicità di sistemazioni ( assenze del timone e del riduttore -invertitore di marcia ).
Resta pur sempre l'inconveniente di non poter operare con masse d'acqua eccessive e quindi le potenze installabili sono limitate; inoltre il getto d'acqua poppiero crea un certo disturbo nell'ambiente circostante.
Invertitori e Riduttori
A) Invertitore di marcia ad ingranaggi
Il motore di piccola potenza ha generalmente un sol senso di rotazione e che per ottenere la marcia avanti (AV) e addietro (AD) si ricorre ad un meccanismo esterno, il quale, permettendo pure la marcia a vuoto del motore, ne facilita l'avviamento ed anche le manovre, perché una volta che il motore sia in moto, fa ottenere con speditezza le inversioni di marcia della nave ed inoltre evita durante tali manovre, che possono prolungarsi, il ripetuto impiego d'aria compressa, non disponendo per la sua ricarica, come nei maggiori impianti marini, di un compressore indipendente azionato da motore ausiliario.
Il meccanismo d'inversione indiretta più usato è l'invertitore ad ingranaggi che comprende un sistema di ruote dentate ed un innesto a frizione, agenti in stretta dipendenza fra loro. Uno di questi tipi d'invertitore è quello a ruote dentate coniche con frizione a cono.(Vedi fig.1) Ad esso fanno capo l'estremità dell'albero motore A e la estremità dell'albero dell'elica B che portano calettate rispettivamente le ruote coniche C e F, le quali ingranano con una serie di due o più ruote intermedie D, coniche anch'esse, che hanno i loro assi disposti a raggiera sul tamburo T.
Il tamburo a poppavia ha una superficie conica interna, contro la quale si può spingere in attrito il cono di frizione E calettato sull'albero B, ma scorrente assialmente lungo quest'ultimo. Lo scorrimento del cono E si esegue mediante la leva di comando L avente il fulcro in un perno fisso ed il tacchetto P in corrispondenza di una gola praticata sul mozzo del cono stesso. Inoltre la leva L, con il tirante I, può stringere un freno a cravatta elastica N che abbraccia il tamburo.
* Per la marcia avanti (AV) si sposta la leva L verso prora facendo agire la frizione ; in tal modo i denti delle ruote satelliti D, che ricevono l'urto da quelli della ruota planetaria C non possono svolgersi né su questa , né sull'altra E. Il sistema diviene perciò un insieme solidale e sia l'albero motore che quello dell'elica ruotano nello stesso verso, senza alcuna perdita di potenza nella trasmissione del moto perché i ruotismi, che assorbirebbero una percentuale di lavoro motore, restano inattivi.
* Quando si vuole far marciare a vuoto il motore, basta tenere in posizione verticale la leva L. Così facendo si disattiva la frizione, perché il cono si allontana dalla superficie di attrito del tamburo e quest'ultimo, ancora libero dal freno, gira trasportato dalle ruote satelliti D che si svolgono intorno alla ruota E, la quale per l'azione frenante dell'acqua sull'elica , resta ferma insieme al propulsore.
* Per la marcia indietro (AD) si sposta verso poppa la leva di comando; la frizione resta a maggior ragione disattivata , ma il freno che entra allora in azione, mantiene fermo il tamburo e conseguentemente rimangono fissi gli assi delle ruote satelliti. Così il movimento di rotazione che esse ricevono dalla ruota C del motore, lo trasmettono a quella E dell'elica in senso contrario.
Simile a quello ora descritto è l'invertitore a ruote coniche , ma con la frizione a dischi (fig. 2 ). Varia dall'altro solo per il sistema di frizione che qui è costituito da una serie di dischi metallici scorrevoli, calettati alternativamente sul tamburo T e sull'albero dell'elica B. pertanto nella marcia avanti le griffe H, mediante la ghiera mossa dalla leva L , spingono in forte aderenza tra loro i dischi anziché il cono di frizione dell'altro sistema.
Analogamente ai precedenti opera pure il meccanismo di inversione a ruote cilindriche, con la frizione a dischi (fig.3). In questo invertitore vi sono però due serie di rocchetti satelliti. La ruota planetaria C dell'albero del motore A ingrana con una serie di satelliti D e questi con quelli E di una seconda serie, i quali sono in presa anche con l'altra ruota planetaria F dell'albero dell'elica B.
La marcia AV si ottiene con il solito modo di inserzione della frizione. Allora i satelliti, aventi i loro assi sul tamburo T, non possono in alcun modo svolgersi e così trasmettono l'urto che ricevono dalla ruota C alla ruota E. tutto l'insieme girerà con l'albero motore. La marcia a folle - come comprensibile - avviene con la frizione levata ed il tamburo libero. La marcia AD è ottenibile con il freno a cravatta bloccato e la frizione disattivata.
Osservando bene l'insieme dei ruotismi (vedi il particolare della figura 3) si comprende come con tale manovra la rotazione dell'albero motore venga trasmessa in senso invertito all'albero dell'elica dalle due serie di satelliti. Il comando diretto a mano dell'invertitore di marcia può essere sostituito da un dispositivo idraulico, più facilmente manovrabile.
La lubrificazione degli ingranaggi dell'invertitore di marcia avviene generalmente mediante olio o grasso consistente con cui si riempie la scatola dei ruotismi. Le manovre d'inversione devono essere seguite sempre col motore ad andamento ridotto, per evitare fra le varie ruote urti violenti che possono provocare avarìe alle dentature
