SUPERYACHT 10
Autunno 2006

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
Martino Motti

EVOLUZIONE DELLE ELICHE:
DAL REALE AL VIRTUALE

L'elica è conosciuta da tutti perché, dopo la vela, è il sistema propulsivo più diffuso. Ing. Travi, può sintetizzare anche per i non addetti ai lavori, come viene da voi progettata e prodotta un'elica?

In effetti si tratta di un lavoro regolato da concetti complessi e articolati. Innanzitutto bisogna fare un distinguo tra materiali di costruzione, dimensioni e utilizzo, e per rendere più chiaro il concetto possiamo provare a utilizzare la sintesi della seguente tabella:

Un capitolo a parte riguarda, invece, la progettazione che si sta evolvendo verso tecnologie sempre più perfezionate.

Quali sono le eliche che montate sui superyacht e in che materiali le realizzate, utilizzate cioè materiali più moderni del bronzo?

Quelle che progettiamo e produciamo per gli yacht, sono eliche che rientrano nella fascia delle eliche medie, quelle cioè tra i 700 e i 2500 mm di diametro. Per quanto riguarda i materiali il re, anche in questa fascia, è tutt'ora il bronzo, poi a seguire l'acciaio e i materiali compositi. Il bronzo all'alluminio legato al nickel, questa è la definizione del miglior bronzo per fusioni di eliche, ha ottime caratteristiche meccaniche che, combinate con eccellenti doti di duttilità e di compatibilità con l'ambiente marino, ne fanno il materiale per eccellenza per questo tipo di utilizzo, senza limitazioni di dimensioni e applicazioni.

L'acciaio inox, invece, molto utilizzato nelle eliche di piccole dimensioni, viene adoperato anche in questo campo?

L'acciaio usato per eliche convenzionali, rispetto al bronzo, è più costoso, più difficilmente lavorabile, necessita di trattamenti dopo la fusione e, seppur con un carico di rottura di poco superiore ed un valore di snervamento decisamente più alto, non consente riduzioni di spessori tali da consentire un miglioramento significativo delle prestazioni. Altro discorso è quello delle eliche da competizione che funzionano parzialmente immerse e dove, a fronte di una richiesta esasperata di prestazioni, si impone l'utilizzo di acciai speciali che, attraverso il procedimento della microfusione e di successivi trattamenti del materiale, consentono di ottenere caratteristiche meccaniche elevatissime che trovano diretto riscontro nel miglioramento delle prestazioni.

Quali sono i materiali del futuro allora, forse i materiali compositi?

Nemmeno. I materiali compositi, cioè le fibre di carbonio ed affini, avrebbero il grande pregio di consentire una deformabilità controllata della pala, attraverso un'opportuna progettazione della stratificazione e, quindi, dell'orientamento delle fibre; ciò consentirebbe alla pala di deformarsi sotto carico, migliorando le accelerazioni e riducendo eventuali vibrazioni indotte da variazioni di velocità sul disco dell'elica (buchi di scia). L'estrema leggerezza e l'elevata resistenza meccanica non compensano comunque, in applicazioni convenzionali, i costi molto elevati, la mancanza di sicurezza, causata dalla robustezza locale estremamente limitata in caso di urto, e la delaminazione alle alte velocità per i processi di cavitazione.

Allora potrebbe essere il titanio, metallo notoriamente molto resistente e poco soggetto alla corrosione?

Il titanio potrebbe essere preso in considerazione perché più leggero e inattaccabile dalla corrosione, ma è decisamente molto costoso e, per essere compatibile con la duttilità richiesta dai materiali per eliche, risulta avere qualità specifiche meccaniche del tutto analoghe a quelle del bronzo.

Veniamo ora alla progettazione dell'elica: come avviene oggi e di quali dati avete bisogno per la sua customizzazione?

La progettazione dell'elica fino ad oggi è stata affidata a software di calcolo idrodinamico, con successive verifiche basate su programmi a pannelli o prove al tunnel di cavitazione. I codici di calcolo utilizzati per definire la geometria della pala (lunghezze di corda, passo, skew, rake) e delle sezioni (distribuzione degli spessori e della linea media) sono basati sulla teoria della linea e superficie portante, mentre attraverso il calcolo della distribuzione delle pressioni (e quindi anche l'estensione della cavitazione) sulle superfici della pala effettuati con i programmi a pannelli si verifica il corretto funzionamento dell'elica, anche in presenza di scia non uniforme. Comunque la progettazione dei sistemi di propulsione è ancora gestita separatamente da quella dello scafo, e utilizza come base per il calcolo il risultato delle previsioni di resistenza di carena e dei coefficienti propulsivi derivati da programmi di elaborazione o da prove alla vasca che legano il funzionamento dell'elica stessa alla carena.

Fino ad oggi è stato così, ma nel futuro la tecnologia permetterà di approcciare in maniera diversa la progettazione?

La continua evoluzione dei mezzi di calcolo a disposizione, in effetti, ci porterà a breve a considerare l'insieme barca come un sistema unico in cui i diversi aspetti di idrodinamica, propulsione e tenuta al mare, interagiscono in un unico modello matematico che si muove attraverso condizioni di equilibrio alle diverse velocità, così come succede nella realtà. La differenza fondamentale è che né la barca reale né il modello per le prove sperimentali saranno realizzati in fase di progetto, ma esisterà solo un modello matematico completo definito al computer che possiamo correttamente chiamare "barca virtuale". Ciò è possibile e sempre più lo sarà in futuro, grazie alla fluidodinamica computazionale CFD (Computational Fluid Dynamics).

Ma, rispetto alle prove tradizionali, la CFD non fornirà informazioni limitate?

No, anzi. Le informazioni che questo tipo di approccio fornisce sono molto più complete rispetto a quelle oggi disponibili con i metodi tradizionali. Esse consentono una gestione completa del progetto in un unico ambiente virtuale: la carena, le appendici, la propulsione, possono essere studiate, modificate ed ottimizzate ottenendo direttamente gli effetti del cambiamento proiettati sul sistema nel suo complesso, comportamento in mare ondoso compreso. Questo settore della fluidodinamica numerica è attualmente in grande evoluzione e possiamo aspettarci risultati importanti per i prossimi anni, anche se oggi i tempi lunghi richiesti per la definizione del modello matematico, il tempo macchina necessario per l'effettuazione dei calcoli e l'affidabilità e precisione dei risultati, ne limitano ancora molto l'applicazione.

Riassumendo in uno schema:

Dunque, la CFD sarà la strada giusta da percorrere?

Per noi la strada è sicuramente questa. Molte aziende che operano nel settore, infatti, stanno facendo importanti investimenti in ricerca per supportare adeguatamente un mercato in continua evoluzione, che chiede risposte ingegneristicamente sempre più evolute e qualificate. La Detra, in collaborazione con la Sydac Yacht Design, crede in un futuro così tracciato, in nome di una qualità irrinunciabile.