SUPERYACHT #513
Gennaio 2005

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

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Articolo di
Mario Felli

L'INTERAZIONE ELICA-TIMONE
Il timone svergolato

Figura 1. Andamento della portanza sviluppata dal timone in funzione dell'incidenza idrodinamica e della velocità del flusso incidente. Un aumento della velocità del flusso sul timone produce, da una parte un incremento dei valori del CLmax e dell'incidenza critica, dall'altra, una maggiore pendenza della retta di portanza Figura 2. Visualizzazione della cavitazione sulla superficie di un timone operante in scia ad un'elica, eseguita presso il Canale di Circolazione dell'Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale (INSEAN) Figura 3. Visualizzazione degli effetti erosivi sulla superficie di un timone. La cavitazione e l'impatto dei vortici d'estremità dell'elica portano a problemi di erosione sul timone, con ripercussioni negative sui costi di manutenzione (foto tratta da: "Twisted rudder reduces cavitation", Warship Technology, Gennaio 2002) Figura 4. Visualizzazione dell'impatto dei vortici di estremità palari sulla superficie di un timone (foto tratta da: "Rudder in the slipstream of a propeller", Kracht et al., International Symposium on Ship Resistance and Powering Performance, Shanghai, 1989) Figura 5. Effetto della non uniformità del flusso al bordo d'attacco del timone, per una generica posizione angolare dell'elica. La presenza di forti gradienti di velocità nella scia del propulsore determina una distruibuzione disuniforme dell'incidenza idrodinamica lungo il bordo d'attacco e, con essa, una forte variabilità del campo di pressione sulle superfici dorsale (linea tratteggiata in rosso) e ventrale (linea tratteggiata in blu). In alcune sezioni dell'appendice, in particolare, il valore dell'incidenza può essere tale da provocare forti picchi di depressione sul dorso con possibile innesco di cavitazione e separazione del flusso Figura 6. Effetto della non stazionarietà del flusso al bordo d'attacco del timone. Le isolivello e le linee bianche descrivono, rispettivamente, l'intensità della camponente assiale di velocità, e l'andamento delle linee di corrente delle componenti trasversali, per due posizioni angolari dell'elica. Il valore dell'incidenza idrodinamica e la distribuzione del campo di pressione sulle superfici dorsale (linea in rosso) e ventrale (linea in blu) del timone variano in funzione della posizione angolare dell'elica Figura 7. Effetti di distorsione e destabilizzazione del vortice d'estremità dell'elica prodotto dall'interazione con il timone. Le isolivello mostrano l'evoluzione della distribuzione dei livelli di energia cinetica turbolenta per quattro posizioni angolari dell'elica, acquisiti con tecniche di campionamento in fase Laser Doppler, presso i Bacini Rettilinei dell'INSEAN. In prossimità del timone il vortice d'estremità è sottoposto ad un intenso processo di scuotimento e di deformazione, accompagnato da un sensibile aumento della turbolenza. (foto tratta da: "Analysis of the propeller-hull interaction by LDV phase sampling techniques", Felli et al., Journal of Visualization, Vol.7, N. 1, 2004) Figura 8. Inviluppo dei punti di innesco della cavitazione nel caso di un timone convenzionale (linea rossa) e di un timone svergolato (linea blu). A parità di incidenza, l'adozione di una configurazione svergolata determina un aumento di circa il 20% dei valori di velocità per cui si registra l'innesco della cavitazione Figura 9. Andamento del coefficiente di portanza in funzione dell'angolo di incidenza nel caso di un timone convenzionale (linea in blu) e di un timone svergolato (linea in rosso). L'adozione di una configurazione svergolata contribuisce positivamente alla manovrabilità dell'imbarcazione: la maggiore inclinazione della retta di portanza rispetto ai modelli convenzionali si traduce, infatti, in una maggiore risposta alle variazioni dell'angolo di barra

L'aumento della velocità conferisce, inoltre, una maggiore energia al flusso, che tenderà a separare dalla superficie del timone per valori sempre più alti dell'incidenza, come dimostrato dall'aumento del CLmax (coefficiente di portanza massimo) e dell'incidenza critica (figura 1).

A fronte di tali vantaggi, tuttavia, l'installazione del timone dietro elica introduce numerosi effetti collaterali, legati essenzialmente alla non stazionarietà della scia rilasciata dal propulsore e alla sua interazione con l'appendice. In particolare: la scia dell'elica è caratterizzata da forti componenti trasversali di velocità per effetto della rotazione impressa dal propulsore. In questo modo il timone, anche se realizzato con profili simmetrici e in assetto da crociera, si trova a lavorare con valori non nulli dell'incidenza idrodinamica, con conseguente possibile aumento dei picchi di depressione sulla superficie dorsale ed innesco di cavitazione, già a partire da velocità intorno ai 20 nodi (figura 2).

La presenza di regioni cavitanti porta ad una progressiva erosione della superficie del timone con notevoli ripercussioni sia in termini economici, legate alla necessità di effettuare periodiche riparazioni o sostituzioni delle parti danneggiate, che idroacustici e di comfort per il personale di bordo e i passeggeri (figura 3).

L'impatto dei vortici d'estremità palari con la superficie del timone determina una complessa sollecitazione di tipo impulsivo alla frequenza di pala (data dal prodotto del numero di pale del propulsore per la sua velocitàdi rotazione in Hz), che alimenta forti vibrazioni strutturali, emissioni acustiche e sollecitazioni a fatica delle strutture (figura 4). Tale effetto è amplificato al crescere della spinta esercitata dal propulsore, come conseguenza della maggiore intensità delle strutture vorticose rilasciate dall'elica.

La presenza del timone può essere causa di un generale decadimento delle prestazioni e dell'efficienza propulsiva dell'elica, accompagnato in alcuni casi dell'insorgenza di fenomeni di cavitazione anche sulle pale del propulsore stesso (configurazioni con timone molto attaccato all'elica o propulsori di tipo pulling-POD).

Al fine di fornire uno spunto per poter meglio interpretare la risposta del timone all'azione perturbatrice del propulsore vale la pena aprire una parentesi sulle caratteristiche idrodinamiche del flusso a monte e a valle dell'appendice.

Il campo fluidodinamico intorno a un timone installato dietro elica, si manifesta attraverso una complessa fenomenologia che scaturisce dalla natura non stazionaria e tridimensionale del flusso, nel quale coesistono grosse strutture vorticose (vortici d'estremità palari, vortici d'estremità del timone), forti gradienti di velocità ed elevati valori della turbolenza.

A monte dell'appendice il flusso si presenta periodoco e non uniforme per effetto della scia rilasciata dal propulsore.

La distribuzione delle velocità al bordo d'attacco dell'appendice modifica la distribuzione dell'incidenza idrodinamica rispetto alle condizioni nominali di funzionamento (timone in flusso uniforme), con variazioni sia in termini spaziali, lungo l'apertura del timone (figura 5), che temporali, a causa delle caratteristiche fortemente non stazionarie del flusso incidente (figura 6).

Tutto questo ha una ripercussione diretta, sulle caratteristiche della scia a valle, in particolare:

La natura periodica della scia dell'elica, determina un andamento non stazionario dell'angolo di incidenza lungo il bordo d'attacco del timone, che si manifesta attraverso un complesso rilascio di vorticità innescato dalla modulazione della circolazione alle variazioni di carico (teorema di Helmholtz);

la presenza di componenti trasversali di velocità nella scia del propulsore induce alte incidenze idrodinamiche sul timone anche in assetto da crociera. Tale circostanza determina il rilascio di intense strutture vorticose in corrispondenza delle sezioni alla radice e all'estremità dell'appendice che interagiscono con la scia rilasciata dalla girante, contribuendo alla forte distorsione e destabilizzazione dei vortici d'estremità palari.

l'interazione tra le strutture vorticose del propulsore ed il timone è accompagnata da un sensibile aumento della turbolenza, e di riflesso da un generale decadimento dell'efficienza dell'appendice. L'energia assorbita dai moti turbolenti, infatti, costituisce un'importante indicatore dell'efficienza idrodinamica del sistema elica-timone, in quanto rappresenta quella parte dell'energia trasferita dal propulsore al flusso che non contribuisce attivamente allo sviluppo della portanza ma viene, piuttosto, dissipata o convertita sottoforma di rumore e vibrazioni. In questo senso dunque, le regioni di flusso dove si registrano i picchi d'intensità turbolenta costituiscono potenziali sorgenti di "rumore" e di cavitazione (figura 7).

Il valore dell'incidenza idrodinamica su alcune sezioni del timone può raggiungere in alcuni casi il valore critico, causando il distacco della vena fluida e di conseguenza una perdita d'efficienza dell'appendice (condizione di stallo idrodinamico).

La maggior parte dei timoni direzionali adottati in campo navale impiegano profili simmetrici, con spessore progressivamente crescente spostandosi dalle sezioni d'estremità a quelle alla radice e, in alcuni casi, pianta rastremata al fine di ridurre il carico idrodinamico nelle sezioni d'estremità. Tale soluzione, naturalmente, a fronte dei minori costi per le fasi di progettazione e costruzione, presenta modeste prestazioni in termini idrodinamici, dal momento che prescinde da ogni implicazione derivante dall'interazione con la scia del propulsore.

Un sensibile miglioramento delle prestazioni può essere ottenuto pensando di allineare i profili alla direzione locale del flusso incidente, in modo da compensare le variazioni sull'angolo d'attacco indotte dalla scia del propulsore.

Naturalmente la natura non stazionaria del carico idrodinamico sul timone rende del tutto ideale tale condizione, non essendo in pratica possibile modificare lo svergolamento dell'appendice contestualmente alle variazioni dell'incidenza idrodinamica. Una soluzione praticamente realizzabile è piuttosto quella di allineare ciascun profilo del timone alla direzione media del flusso incidente durante la rotazione dell'elica.

L'allineamento dei profili del timone alla direzione del flusso incidente ha una ripercussione positiva sull'efficienza idrodinamica dell'appendice, in particolare: minimizzando il valore locale dell'incidenza idrodinamica si riduce l'entità dei picchi di depressione sulla superficie dorsale del timone, ritardando di conseguenza le condizioni di innesco della cavitazione. A tale proposito in figura 8 è mostrato un diagramma che riporta il limite di innesco della cavitazione in funzione dell'angolo di barra e della velocità di crociera dello scafo, su un timone convenzionale e su un timone svergolato: l'adozione di una configurazione svergolata produce un aumento delle velocità per cui si registra l'insorgere della cavitazione di circa il 20 %.

La riduzione dell'incidenza idrodinamica determina una minore intensità dei vortici rilasciati dal timone e dunque riduce gli effetti derivanti dall'interazione con le strutture vorticose dell'elica.

L'allineamento dei profili alla direzione media del flusso incidente riduce l'entità delle variazioni d'incidenza sul bordo d'attacco durante la rotazione dell'elica, minimizzando di conseguenza i problemi connessi con la non stazionarietà del flusso incidente.

Studi sperimentali hanno mostrato un leggero aumento delle prestazioni in manovra rispetto alle configurazioni tradizionali. In particolare si osserva come l'allineamento dei profili alla direzione locale del flusso produce due effetti positivi sul coefficiente di portanza, aumentando, da una parte, l'angolo di incidenza critico e producendo, dall'altra, una maggiore risposta alle variazioni dell'angolo di barra, come conseguenza della maggiore inclinazione della retta di portanza (figura 9).

L'utilizzo di timoni svergolati rappresenta dunque il miglior compromesso tra le esigenze contrapposte di collocare l'appendice in un flusso accelerato e di minimizzare gli effetti negativi innescati dalla sua interazione con la scia rilasciata dal propulsore.

La disponibilità di potenti tecniche diagnostiche di tipo sperimentale e di avanzati strumenti per la simulazione numerica e l'ottimizzazione idrodinamica, pongono le basi per realizzare la progettazione di timoni svergolati con un elevato grado di accuratezza, nel rispetto degli obiettivi di comfort e manovrabilità dell'imbarcazione. A questo proposito, l'Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale (INSEAN) ha recentemente avviato un programma finalizzato alla messa a punto di una metodologia che integri le competenze acquisite nello sviluppo di innovative tecniche numeriche e sperimentali per la progettazione e la verifica di timoni di nuova concezione ad alte prestazioni. L'obiettivo è quello di proporre e mettere a disposizione della cantieristica uno strumento che diventi parte integrante nella progettazione di un'imbarcazione, garantendo un ritorno sia in termini prestazionali che sotto il profilo economico.