IT201800006486A1 - Scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo:

“SCAFO PLANANTE AD INSUFFLAZIONE DEL GAS DEL MOTORE IN ACQUA”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad uno scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua.

In generale, la presente invenzione si riferisce a caratteristiche idrodinamiche o idrostatiche degli scafi o degli aliscafi.

In particolare, la presente invenzione si riferisce a mezzi per variare le caratteristiche idrodinamiche intrinseche degli scafi riducendo l'attrito superficiale utilizzando bolle di gas o strati di gas, utilizzando i gas di scarico dei motori.

Il problema della riduzione della resistenza all’avanzamento di natanti, imbarcazioni e navi è da sempre oggetto di studio e ricerca per ridurre i costi e l’impatto ambientale.

Dagli studi di Froude in poi, la resistenza all’avanzamento viene tradizionalmente suddivisa in una componente ondosa ed una viscosa.

Alla componente ondosa sono principalmente ascrivibili i fenomeni dovuti alle pressioni presenti vicino all’interfaccia aria/acqua responsabili della generazione del campo ondoso.

Alla componente viscosa sono invece ascrivibili i fenomeni attribuibili alla viscosità del mezzo, ossia, a fenomeni che tipici di un fluido non ideale e viscoso.

Tali fenomeni sono essenzialmente quelli di attrito fluido e di pressione in profondità, quali vortici, separazione dello strato limite, ecc.

Grazie anche al supporto di tecniche sperimentali, statistiche e numeriche, un’accurata progettazione delle forme permette di ottimizzare il comportamento del natante rispetto alla componente ondosa e a quella viscosa. Tuttavia, il livello attuale di conoscenza consente una riduzione di consumi abbastanza contenuta rispetto agli standard.

Per questo, la ricerca sempre di più tende a discostarsi da un approccio classico. Infatti, una tipologia di carene, nota come navi a cavità d’aria, Air Cavity Ships, ACS, o veicoli a cuscino d'aria, Air Cushion Veichles, ACV, teorizzata negli anni ’60 ma a tutt’oggi pochissimo diffusa, ha trovato, anche recentemente, numerose applicazioni, perlopiù come prototipi sperimentali.

Le carene a cavità d’aria, ACS, possiedono una cavità sul fondo atta ad ospitare aria, in modo da sfruttare la sua viscosità, molto più bassa di quella dell’acqua, e ridurre conseguentemente la componente di resistenza viscosa.

Le carene a cavità d’aria, ACS, distinte in carene dislocanti e carene plananti sono essenzialmente ascrivibili a due grandi categorie: carene a cuscino d’aria, in cui l’aria convogliata assume l’aspetto di uno strato, più o meno spesso e più o meno stabile, sotto carena; e carene a microbolle, in cui una miscela fine di acqua e aria viene pompata sul fondo e sulle murate.

In entrambe le categorie, l’aria viene generalmente prodotta da ventilatori o compressori che convogliano, attraverso un sistema di canali e ugelli, il flusso di aria o di miscela fine di acqua e aria sotto carena.

Una ulteriore categoria, in un numero limitato di casi, riguarda le carene in cui il convogliamento dell’aria atmosferica avviene sfruttando canali che trasformano la pressione dinamica dovuta alla velocità di avanzamento del mezzo.

Ciò che al momento ha frenato la diffusione di questa tipologia di mezzi, oltre ad un ridotto numero di esperienze scientifiche e pubblicazioni mirate ad orientare il disegnatore nelle scelte progettuali, è il rischio imprenditoriale a scegliere soluzioni tecniche controproducenti, per via di costi elevati di impianto e per la riduzione degli spazi a bordo.

Infatti, un impianto per carene a cavità d’aria è costituito generalmente da un ventilatore o compressore, di ingombro e peso rilevanti, munito di un proprio motore elettrico o idraulico, difficilmente collegabile all’albero motore del natante.

Il costo di un tale tipo di impianto riduce il ritorno economico dei consumi. Inoltre anche il costo energetico per mantenere in funzione il ventilatore o il compressore sottrae risorse al bilancio energetico complessivo.

Riassumendo, le problematiche tecnologiche principali che hanno frenato la diffusione dei mezzi ACS tradizionali sono: peso e ingombro del ventilatore o del compressore; necessità di un motore per l’alimentazione del ventilatore o del compressore; peso e ingombro; costi di impianto, di esercizio per l’azionamento del ventilatore o del compressore e costi indiretti conseguenti all’aumento dei pesi a bordo; difficoltà a quantificare in maniera certa e affidabile il risparmio globale.

Lo stato dell’arte è rappresentato dalla domanda di brevetto DE 100 53 453 A 1 riguardante l’applicazione mediante ugelli di un sottile strato di gas tra lo scafo e l'acqua circostante nella parte sommersa dello scafo. Gli ugelli sono progettati in modo da assorbire l'aria dalla sottopressione dell'acqua. Ad una maggiore profondità il gas viene premuto sotto il serbatoio da un compressore. Una guida nella parte anteriore dello scafo regola il movimento della nave ed espelle un mix di gas e acqua per formare il film di gas permettendo di ridurre l'attrito sotto lo scafo. Sono distribuite diverse guide distribuite lungo la parte sommersa dello scafo per imbarcazioni più grandi. È possibile utilizzare il gas di combustione dell'azionamento per formare il film di gas come richiesto. In una prima soluzione, il film d'aria viene trasportato tramite autogetti nell'area sottomarina di una imbarcazione con un pescaggio poco profondo. In una seconda soluzione, per una barca o scafo di una nave con una profondità maggiore, l’aria del film aderente allo scafo viene compressa per mezzo di un compressore. Per moto d'acqua con pescaggio ridotto, come barche a motore, derive, il cuscinetto d’aria per il film che riduce l'attrito è formato tramite ugelli di scarico che generano tramite lo scorrimento dell'acqua un vuoto parziale. Con l'aumentare della velocità, la pellicola d'aria aderente alla superficie dello scafo della barca viene aumentata, così che la resistenza di attrito diminuisce. Per navi con pescaggio maggiore, come barche a motore, navi da carico, il gas o l'aria viene premuto contro lo scafo con l'aiuto di un compressore, in modo che gli ugelli di uscita relativamente costosi possano essere sostituiti da semplici aperture di uscita.

Inoltre, lo stato dell’arte è rappresentato dal brevetto US 5 207 379 A riguardante un controllore con due anelli di controllo PID in cascata nel controllo di ventilatori, del tipo con una bobina di riscaldamento, un ventilatore e una serranda per l'immissione di aria esterna in una stanza in cui si trova il ventilatore dell'unità. Il controllore utilizza la temperatura ambiente rilevata e un setpoint della temperatura ambiente per generare un setpoint per la temperatura dell'aria scaricata dal ventilatore dell'unità e utilizza il setpoint della temperatura di scarico e la temperatura di scarico rilevata per controllare la posizione dell'ammortizzatore e il funzionamento delle serpentine di riscaldamento del ventilatore dell'unità.

Un problema riguardante uno scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua riguarda il controllo del valore della pressione e della temperatura dei gas di scarico.

In tal senso, si deve ricorrere a soluzioni come: un apparato di raffreddamento dei gas di scarico, al fine di ridurre il danneggiamento delle parti dello scafo a contatto con i gas caldi; una valvola di sicurezza per impedire ai gas di raggiungere delle sovrapressioni eccessive, a salvaguardia dei rendimenti dei motori principali; una cassa di compensazione per uniformare le pressioni dei gas, in modo da ridurre i picchi in ingresso derivanti dai cicli termodinamici dei motori principali e uniformare le pressioni a valle della condotta di uscita dei gas di scarico; una pluralità di ugelli conformati per garantire una corretta portata dei gas di scarico ed evitare pressioni critiche presso la cassa di compensazione.

Nonostante l’apporto di un apparato di raffreddamento dei gas di scarico, una valvola di sicurezza, una cassa di compensazione e ugelli opportunamente conformati, la soluzione del problema enunciato si deve avvalere di un modello di controllo automatico retroazionato per garantire un funzionamento efficace.

Lo spunto viene dato dal brevetto US 5 207 379 A riguardante un controllo formato da una coppia di anelli di controllo PID in cascata.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo uno scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua munito di un apparato di controllo retroazionato per intervenire sulle variabili termodinamiche responsabili del funzionamento del ciclo termodinamico dei motori e del mantenimento delle caratteristiche strutturali dei materiali costituenti lo scafo.

Un ulteriore scopo è quello di fornire uno scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua i cui apparati di raffreddamento dei gas di scarico, valvola di sicurezza, cassa di compensazione e ugelli abbiano dimensioni di ingombro ridotte al minimo indispensabile sfruttando il funzionamento retroazionato per ridurre l’escursione degli apparati sopra enunciati.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con uno scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

I vantaggi di questa invenzione, oltre a quelli già tipici delle carene ACS rispetto alle tradizionali, ovverosia la riduzione dei consumi e il miglioramento delle prestazioni del mezzo, sono: semplificazione dell’impianto di ventilazione e conseguente risparmio nei costi di realizzazione e di gestione; riduzione o eliminazione dei costi energetici di compressione; riduzione dei pesi e degli ingombri a bordo dell’impianto di compressione.

L’invenzione consiste in un metodo di riduzione della resistenza viscosa di carene ad alta velocità basato sul convogliamento dei gas di scarico dei motori sotto carena.

L’invenzione può essere impiegata su carene di nuova concezione o trasformando carene esistenti.

L’invenzione può essere applicata su carene veloci come carene plananti, semiplananti, ad effetto superficiale, aliscafi, sfruttando le basse pressioni che si generano alle alte velocità.

La carena può essere appositamente sagomata per ospitare i gas oppure può non avere specifiche geometrie.

Il gas di scarico, prima di essere inviato in acqua, può essere trattato con sistemi quali quello di raffreddamento, di compensazione della pressione o di incremento della pressione e può essere miscelato con aria o altri gas o liquidi nebulizzati allo scopo di incrementare la portata o l’efficienza.

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la FIG. 1 mostra una vista schematica in direzione longitudinale della distribuzione della pressione fluidodinamica di una realizzazione dello scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua secondo la presente invenzione;

la FIG. 2 mostra una vista schematica degli apparati importanti di una realizzazione dello scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua secondo la presente invenzione;

la FIG. 3 mostra una vista schematica della sezione trasversale di una realizzazione dello scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua secondo la presente invenzione; e

la FIG. 4 mostra una vista schematica del controllo del funzionamento di una realizzazione dello scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua secondo la presente invenzione.

Facendo riferimento alle figure, è possibile notare che uno scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua comprende un apparato di motori principali 1, almeno una condotta di uscita dei gas di scarico 2, un apparato di raffreddamento dei gas di scarico 3 per ridurre il danneggiamento delle parti dello scafo a contatto con i gas caldi, una valvola di sicurezza 4 per impedire ai gas di raggiungere delle sovrapressioni eccessive a salvaguardia dei rendimenti dei motori principali 1, una cassa di compensazione 5 per uniformare le pressioni dei gas in modo da ridurre i picchi in ingresso derivanti dai cicli termodinamici dei motori principali 1 e uniformare le pressioni a valle della condotta di uscita dei gas di scarico 2, una pluralità di ugelli 6 conformati per garantire una corretta portata dei gas di scarico ed evitare pressioni critiche presso la cassa di compensazione 5, una porzione di superficie dello scafo a contatto con i gas di scarico 7.

Vantaggiosamente, un controllore 10 con due anelli di controllo PID in cascata è collegato all’apparato di raffreddamento dei gas di scarico 3 e alla cassa di compensazione 5.

Il controllore 10 è atto ad utilizzare la temperatura rilevata Tr5 ed un valore impostato della temperatura Ti5, in un punto a valle della cassa di compensazione 5, per generare un valore impostato della temperatura dei gas di scarico Ti2, in un punto lungo la condotta di uscita dei gas di scarico 2.

Inoltre, il controllore 10 è atto ad utilizzare il valore impostato della temperatura dei gas di scarico Ti2 e la temperatura rilevata dei gas di scarico Tr2, nel punto lungo la condotta di uscita dei gas di scarico 2, per controllare la posizione di un ammortizzatore 51 della cassa di compensazione 5.

Il controllore 10 funziona durante cicli successivi per determinare la differenza tra il valore impostato della temperatura e la temperatura misurata DELTA T5 = Ti5-Tr5, del punto a valle della cassa di compensazione 5.

Inoltre, il controllore 10 è atto a fornire un punto di regolazione del valore della temperatura, del punto lungo la condotta di uscita dei gas di scarico 2, in funzione della differenza di temperatura DELTA T5 = Ti5-Tr5, del punto a valle della cassa di compensazione 5.

Il controllore 10 è anche atto a determinare un segnale di controllo applicato all’ammortizzatore 51 per controllare una pressione P5 a valle della cassa di compensazione 5.

Il valore impostato della temperatura Ti5 dipende dal valore di un segnale di controllo D51 applicato all’ammortizzatore 51, per controllare la pressione P5 a valle della cassa di compensazione 5.

L’ammortizzatore 51 della cassa di compensazione 5 è azionato tramite un attuatore.

Uno scafo planante con sistema di insufflazione dei gas di scarico dei motori sul fondo per la riduzione dei consumi e il miglioramento delle prestazioni, oggetto della presente invenzione, si distingue con l’acronimo SIGMA, Scafo planante ad Insufflazione dei Gas Motore in Acqua.

L’invenzione di uno scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua trae spunto dalle carene ACS cercando di superare la maggioranza delle note criticità con l’innovativa idea di sfruttare i gas di scarico dei motori anziché l’aria atmosferica compressa.

Lo scafo planante con sistema di insufflazione dei gas di scarico dei motori sul fondo per la riduzione dei consumi e il miglioramento delle prestazioni è particolarmente idoneo per applicazioni su carene plananti in quanto, sfruttando la naturale depressione che si instaura a poppavia del picco di pressione, i gas esausti possono essere inviati direttamente, senza compressione ulteriore, secondo un principio simile della ventilazione naturale sfruttata dalle carene multistep o a redan.

Nella FIG. 1, è possibile notare l’andamento tipico delle pressioni sul fondo delle carene plananti, sulla cui distribuzione esiste ampia letteratura scientifica. A valle del picco di pressione, nel punto di minima, si trova la miglior collocazione degli ugelli. Ad elevate velocità, la depressione instauratasi, tende a richiamare naturalmente i gas esausti senza necessità di ulteriori compressioni.

In questo modo si consente di ottenere impianti più economici, non occorrendo un compressore dedicato che sottrae potenza per l’esercizio, con minor ingombro e senza aggiuntivi costi di manutenzione.

Lo scafo planante con sistema di insufflazione dei gas di scarico dei motori sul fondo per la riduzione dei consumi e il miglioramento delle prestazioni non comporta ulteriori aggravi per l’ambiente in termini di emissioni. I gas di scarico vengono comunque inviati in acqua in moltissime applicazioni, o in aria nelle altre.

L’invenzione si presta ad essere impiegata anche su carene ad effetto superficiale, surface effect ships, in cui la rilevanza della componente dinamica della pressione permette di ricavare dei punti di pressione relativa negativa.

Nella carena realizzata secondo la presente invenzione si impiega, invece dell’aria, il gas di scarico proveniente dai motori recuperando in questo modo il contenuto entalpico e cinetico in termini di portata e pressione, altrimenti disperso. In questo modo si sfrutta qualcosa già presente a bordo, senza un ulteriore costo se non quello di un adeguamento degli impianti e delle condotte.

Una volta fuoriuscito dall’impianto di propulsione, il gas può essere raffreddato con spray di acqua, come normalmente avviene, e può essere inviato in una camera di stabilizzazione della pressione e da lì, attraverso degli ugelli, sul fondo.

Per incrementare i rendimenti è possibile sagomare il fondo in modo da convogliare in maniera ottimale i gas di scarico.

Inoltre, è possibile incrementare la portata o la pressione, qualora necessario, con un compressore a valle o con un parzializzatore per ottenere un effetto contrario.

Nella FIG. 2, viene raffigurato uno schema di funzionamento mediante i seguenti apparati: motori principali; condotta di uscita dei gas di scarico; raffreddamento dei gas di scarico, opzionale. I gas di scarico possono essere raffreddati con spray di acqua dolce o di mare. Il raffreddamento riduce il danneggiamento della carena e della cassa a contatto con i gas caldi; valvola di sicurezza, tarata a una pressione di esercizio limite, per impedire ai gas di raggiungere delle sovrapressioni eccessive che potrebbero ridurre i rendimenti dei motori principali; cassa di compensazione, cofferdam, ossia una cassa che ha lo scopo di uniformare le pressioni dei gas in modo da ridurre i picchi in ingresso derivanti dai cicli termodinamici dei motori principali e uniformare le pressioni sui vari ugelli; ugelli. La geometria degli ugelli può essere di varia natura con lo scopo essenzialmente di garantire la corretta portata dei gas in uscita, evitando di portare la cassa di compensazione a pressioni che possano influire sul rendimento dei motori; zona areata dai gas, ossia la zona raggiunta dai gas di scarico.

Nella FIG. 3, viene raffigurata una vista trasversale della carena oggetto della presente invenzione.

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L’articolo “un”, “uno” o “una” precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralità di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua, comprendente un apparato di motori principali (1), almeno una condotta di uscita dei gas di scarico (2), un apparato di raffreddamento dei gas di scarico (3) per ridurre il danneggiamento delle parti dello scafo a contatto con i gas caldi, una valvola di sicurezza (4) per impedire ai gas di raggiungere delle sovrapressioni eccessive a salvaguardia dei rendimenti dei motori principali (1), una cassa di compensazione (5) per uniformare le pressioni dei gas in modo da ridurre i picchi in ingresso derivanti dai cicli termodinamici dei motori principali (1) e uniformare le pressioni a valle della condotta di uscita dei gas di scarico (2), una pluralità di ugelli (6) conformati per garantire una corretta portata dei gas di scarico ed evitare pressioni critiche presso la cassa di compensazione (5), una porzione di superficie dello scafo a contatto con i gas di scarico (7), caratterizzato dal fatto di comprendere un controllore (10) con due anelli di controllo PID in cascata collegato all’apparato di raffreddamento dei gas di scarico (3) e alla cassa di compensazione (5), detto controllore (10) atto a utilizzare la temperatura rilevata (Tr5) ed un valore impostato della temperatura (Ti5), in un punto a valle della cassa di compensazione (5), per generare un valore impostato della temperatura dei gas di scarico (Ti2), in un punto lungo la condotta di uscita dei gas di scarico (2), e utilizzare il valore impostato della temperatura dei gas di scarico (Ti2) e la temperatura rilevata dei gas di scarico (Tr2), nel punto lungo la condotta di uscita dei gas di scarico (2), per controllare la posizione di un ammortizzatore (51) della cassa di compensazione (5), detto controllore (10) funzionante durante cicli successivi per determinare la differenza tra il valore impostato della temperatura e la temperatura misurata (DELTA T5 = Ti5-Tr5), del punto a valle della cassa di compensazione (5), e fornire un punto di regolazione del valore della temperatura, del punto lungo la condotta di uscita dei gas di scarico (2), in funzione di detta differenza di temperatura (DELTA T5 = Ti5-Tr5), del punto a valle della cassa di compensazione (5), detto controllore (10) atto a determinare un segnale di controllo applicato a detto ammortizzatore (51) per controllare una pressione (P5) a valle della cassa di compensazione (5).
2. 2. Scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto valore impostato della temperatura (Ti5) dipende dal valore di un segnale di controllo (D51) applicato a detto ammortizzatore (51) per controllare la pressione (P5) a valle della cassa di compensazione (5).
3. 3. Scafo planante ad insufflazione del gas del motore in acqua secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto ammortizzatore (51) della cassa di compensazione (5) è azionato tramite un attuatore.