IL TIMONE
EFFETTI EVOLUTVI – TEORIA DEL TIMONE-VARI TIPI DI TIMONE
La stabilità di rotta e le qualità evolutive e di manovrabilità di una nave
dipendono,oltre che dalle dimensioni principali e dalla forma della
carena,dalla forma e dalla dimensione del timone. E’ evidente che mentre le
dimensioni e la forma della carena sono determinate da altre esigenze(ad es.
resistenza al moto),le dimensioni e la forma del timone sono determinate
esclusivamente per assicurare alla nave stabilità di rotta e qualità evolutive.
Esistono diversi tipi di timoni a seconda che la nave abbia
o meno il dritto di poppa e dalle forme
del suo corpo poppiero,in relazione al numero di timoni e dal grado di compenso
del timone. Un timone si dice a profilo costante se ha identiche sezioni per
tutta la sua altezza (h);un timone a spada o a semispada non e’ a profilo
costante. Un timone si dice compensato se si sviluppa sia a poppavia che a
proravia del proprio asse di rotazione.
Nella figura 1 :
A)timone non compensato ed
a profilo costante a piu’ agugliotti,per nave monoelica dotata di telaio
di tipo chiuso(dritto del timone + dritto dell’elica)
B)timone compensato ed a profilo costante a due
agugliotti,per nave monoelica dotata di telaio di poppa di tipo aperto(privo
del dritto del timone)
C)timone compensato ed
a profilo costante senza agugliotti intermedi,per nave monoelica dotata
di telaio di poppa di tipo aperto(privo del dritto del timone)
D)timone tipo SIMPLEX,compensato ed a profilo costante senza
agugliotti intermedi,per nave monoelica dotata di telaio di poppa di tipo
aperto al quale e’ reso solidale un particolare dritto del timone a sezione
circolare e smontabile.
E)timone semicompensato ed a semispada con un solo
agugliotto,semisospeso ad una pinna di sostegno,per nave monoelica.
F)timone semicompensato ed a semispada con due agugliotti,
semisospesa dritto di poppa,per nave bielica.
G)timone semicompensato ed a semispada con un solo
agugliotto,semisospeso ad una pinna di sostegno,per nave bielica.
H)timone compensato ed a spada sospeso per nave bielica.
I) timone compensato ed a spada sospeso per nave bielica.
Una stima grossolana della superficie del timone può essere
fatta in relazione al piano di deriva della nave e,quindi, più
semplicemente,dal prodotto Lpp x T.I -valori consueti dell’area del
timone,proiettata sul piano diametrale sono riportati nella tabella 2.
Una stima meno grossolana dell’area del timone può essere
fatta con la seguente formula dovuta al
Det Norske Veritas :
Ar = 0.01
Lpp T [ 1+50 ( Cb B/Lpp )2 ]
Valida per timone ubicato nel flusso dell’elica.
Una valutazione abbastanza precisa dell’area proiettata del
timone puo’ essere fatta con la formula:
Ar = 0.01 Lpp T [ 54 Cb/ 7.2-30 x V/Lpp x B/Lpp +0.0008 x
B/Lpp x( Lpp/B Cb)2
Nella quale V e’ la velocita’ di esercizio.
Il rapporto di figura(rapporto tra l’altezza h e la
lunghezza media del timone)e’ di norma uguale a 1.5
Il grado di compenso,cioe’ il rapporto tra la superficie a
proravia dell’asse di rotazione e la superficie totale del timone e’ di norma
contenuto,a seconda dei tipi di timone,tra
0 e 0.20 per le navi da carico,mentre per le navi passeggeri e militari varia
tra 0.15 e 0.30.La lunghezza della superficie di compenso non deve superare il
35% della lunghezza totale della pala. Le sezioni dei timoni sono di norma a
profilo alare.
Uno dei dati principali ed utili per il progetto del timone
e’ il raggio di evoluzione,che condiziona l’area del timone in conformita’ delle
caratteristiche dello scafo di una nave. Una volta definita l’area del timone
da usare,occorre dare a questa area una forma ,delle proporzioni,delle
dimensioni e una posizione precisa per ottenere il miglior compromesso
idrodinamico accettabile. Anche se e’ difficile mettere in relazione le forze e
i momenti generati dal timone,con le caratteristiche di manovrabilita’ di una
nave,la conoscenza di queste grandezze e’ essenziale,inquanto da esse dipendono
lo spessore del timone,il diametro dell’asse e la dimensione dell’impianto per
la movimentazione dello stesso(agghiaccio).
Prima di proseguire con il nostro approfondimento e’
necessario fare un richiamo di fisica e cioe’
l’effetto di Bernoulli:
Il principio di Bernoulli stabilisce che per un fluido
ideale su cui viene applicato un lavoro,per ogni incremento della velocita’ si
ha simultaneamente una diminuizione della pressione o un cambiamento
nell’energia potenziale gravitazionale del fluido. Questo principio e’ una
applicazione pratica dell’equazione di BERNOULLI ,sotto riportata,che stabilsce
che la somma di tutte le forme di energia di un fluido ideale che scorre lungo
un percorso chiuso(linea di flusso) e’ identica in qualsiasi due punti del
percorso. Nel caso di fluidi senza viscosita’,nei quali quindi l’unica forza di
accelerazione e’ il gradiente di pressione,il principio e’ equivalente alla
legge di Newton del moto dei fluidi.
V2
P + j ------ + j x g x h = costante
V= velocita’ del fluido lungo la linea di flusso
g = accelerazione di gravita’
h = quota altimetrica(altezza rispetto ad un riferimento
orizzontale ,di un qualsiasi punto all’interno di un condotto)
p = pressione lungo la linea di flusso
j = densita’ del fluido.
L’equazione di Bernoulli e’ anche in grado di quantifcare la
portanza,ovvero la componente della forza perpendicolare al moto del fluido che
agisce su un corpo immerso.Questo permette il volo agli aereoplani.La portanza
e’ data infatti dalla differenza di velocita’ che si ottiene volutamente dalla
particolare forma dell’ala,che e’ costruita in
modo da rendere la velocita’ dell’aria sulla faccia superiore maggiore
di quella sulla faccia inferiore. Questa tecnica permette di generare una forza
diretta verso l’alto data da una pressione sulla faccia inferiore maggiore di
quella sulla faccia superiore. Quindi la differenza di pressione tra la faccia
inferiore e superiore dell’ala sara’:
(pi – ps ) = ½ j vs2
- ½ j vi2
Questa differenza di pressione (pi – ps) ha
semplicemente l’effetto di una
pressione p della stessa intensita’ di (pi – ps) :
infatti viene prodotta una forza che e’ direttamente proporzionale alla
superfice inferiore dell’ala.
Nella figura 3 sono rappresentate le forze in gioco che
devono essere prese in considerazione per lo studio di un timone.Il profilo
piu’ idoneo per la costruzione di un timone e’ quello conosciuto come :PROFILI
BICONVESSI SIMMETRICI ,CON LINEA D’ASSE RETTILINEA E COINCIDENTE CON L’ASSE DI
SIMMETRIA.
Tale profilo immerso in una corrente fluida con velocita’
U ed angolo di attacco ALFA,crea
una dissimmetria nel campo delle velocita’,per cui si ha un aumento di
velocita’ sul lato sinistro (faccia passiva) e una diminuizione sul lato
dritto(faccia attiva) del timone:Secondo la legge di Bernoulli,cio’ da luogo a
una diminuizione di pressione sul lato sinistro e un aumento sul lato dritto.La
risultante di queste differenze di pressione e’ la forza del timone che,in
questo caso,e’ diretta da dritta a sinistra. Si scompone la suddetta forza in
due componenti :una forza FL,normale alla direzione della velocita’ U,ed una
forza D,nella direzione U.
La generazione della componente trasversale FL e’ infatti il solo scopo dell’esistenza del
timone.Il prodotto della forza P per la
distanza cCP tra il suo punto di applicazione e l’asse del
timone da’ luogo al momento torcente,mentre il prodotto della forza P per
la distanza verticale tra il suo punto di applicazione e il cuscinetto
portante,da luogo al momento flettente.I
suddetti due momenti sono gli elementi principali per dimensionare l’asse e
l’impianto idraulico della timoneria.
La massima portanza che puo’
essere generata da un timone,in funzione del suo angolo di attacco ALFA,e’
limitata da un complesso di fenomeni che provocano lo stallo del timone. Quando un timone raggiunge la
condizione di stallo,la portanza cade bruscamente a valori molto bassi o
nulli,per cui,in fase di progetto,questa possibilita’ deve essere evitata. Il
fenomeno di stallo avviene senz’altro quando il flusso si distacca dalla zona
di bassa pressione del timone ed inviluppa una zona di flusso vorticoso.Questa
separazione si manifesta con una caduta della portanza. Il distacco della vena
fluida ,principalmente, e’ funzione del numero di Reynolds( Ru = V x L/v dove V
velocita’ nave-L lunghezza al galleggiamento-v viscosita’ cinematica
dell’acqua),cioe’ della corda e relativa velocita’, e dell’angolo d’attacco. I
fenomeni che interessano lo stallo sono tre:la separazione dei filetti
fluidi,seguito dall’aereazione e,infine,dalla cavitazione. Lacavitazione,sebbene
in forma minore,e’ una possibile causa di caduta di spinta del timone.L’effetto
della cavitazione pero’ non e’ cosi’ disastroso,poiche’ si traduce in una
diminuizione della pendenza della curva della portanza ,rispetto alla
velocita’piuttosto che in una caduta di spinta vera propria.L’aereazione,come
la cavitazione,e’ conseguenza dei bassi valori di pressione che si verificano
nel flusso adiacente alla faccia passiva del timone.Per aereazione si intende
il risucchio d’aria che avviene tra l’atmosfera e la zona di bassa pressione
che si verifica sulla faccia passiva del timone.Il fenomeno,generalmente,appare
solo quando il timone e’ troppo vicino alla superficie dell’acqua e quando la
differenza di pressione,tra l’atmosfera e la faccia passiva del timone,supera
la resistenza al passaggio dell’aria attraverso l’acqua frapposta.In pratica
questo fenomeno si ovvia frapponendo una aletta separatrice tra il lato
superiore del timone ed il livello dell’acqua.In molti casi tale aletta e’ costituita dallo stesso scafo.
La scia di carena diminuisce la
velocita’ della vena fluida che investe il timone,mentre la scia di regresso
del’elica produce l’effetto opposto. Nelle navi monoelica a poppa stretta i due
effetti ,in gran parte,si elidono a vicenda,mentre nelle navi a due eliche,con
timoni dietro alle eliche stesse,l’effetto della scia di regresso risulta
preponderante. Oltre che modificare la
velocita’ di efflusso dell’acqua al timone,la presenza dell’elica ritarda in
misura notevole il fenomeno di stallo,migliorando notevolmente le prestazioni
del timone per incidenze superiori a quelle di stallo.
La portanza aumenta con
l’aumentare dell’angolo di attacco e
cresce con il quadrato della velocita’ di impatto.Nel sistemare il timone a
poppavia dell’elica occorre fare in modo che lo stesso,pur beneficiando della
zona a maggiore velocita’,non venga investito dal vortice del mozzo
dell’elica,che non solo ha come effetto quello di far cadere la portanza ,ma ha
anche quello di provocare erosioni e
possibili vibrazioni. Per questo motivo si usa sistemare il timone leggermente
all’interno rispetto al centro dell’elica.
Figura 1
Figura 2
Figura 3
