Regolamento di sicurezza

Regolamento di sicurezza

Il bulbo parte 1^

IL   BULBO  DI PRUA (PARTE 1^ )

Il bulbo è una vera e propria protuberanza della carena al di sotto della linea di galleggiamento(di progetto).Il suo scopo è quello di modificare il flusso dell’acqua lungo la carena,riducendo la resistenza fluidodinamica(nella sua componente d’onda) e di conseguenza incrementando la velocità,a parità di potenza installata,oppure, a parità di velocità riducendo i consumi e quindi aumentando l’autonomia.

Qualunque nave viene progettata per poter mantenere in determinate condizioni di carico di progetto una certa velocità .Per fare questo occorre applicare una potenza che sia sufficiente a vincere la resistenza che la carena incontra nell’avanzare in acqua. Una nave che naviga in superficie si trova in una condizione molto particolare. Al contrario infatti di un aereo e di un sottomarino,si trova a navigare sulla superficie di separazione di due mezzi,l’aria e l’acqua. A causa di questo,la resistenza all’avanzamento,meglio nota come resistenza al moto,non è solo dovuta all’attrito fra la carena medesima e l’acqua in cui si muove,ma esiste una componente della resistenza dovuta alla formazione ondosa dovuta proprio all’avanzamento sulla superficie di separazione dei due mezzi,aria e acqua,detta appunto resistenza d’onda. Per inciso vi sono anche altre componenti(resistenza all’avanzamento dovuta alla presenza di appendici come pinne stabilizzatrici,alette di rollio etc.) ma queste non hanno,se non in casi particolari,un valore veramente sensibile. In pratica la resistenza d’onda è dovuta alla formazione di una sovrapressione nella zona di prora,dove questa divide la massa liquida(a prora si ha una cresta d’onda),ed una depressione verso poppa,dove la massa liquida si richiude(e dove,di conseguenza,si ha un cavo d’onda).In una carena molto lenta (ad esempio la carena di una petroliera o portarinfuse con forme tozze e velocità di avanzamento comprese  fra i 12 e i 15 nodi,sempre a pieno carico) la componente d’onda è poca cosa (in relativo ovviamente)rispetto alla componente di attrito. Per carene veloci (portacontainers,traghetti) la componente d’onda può diventare addirittura maggiore di quella d’attrito. In architettura navale si discriminano le navi veloci da quelle lente attraverso il numero di FROUDE che mette in relazione la velocità della nave con la sua lunghezza(con velocità al numeratore e lunghezza la denominatore).Quindi maggiore e’ la velocità maggiore e’ il numero di Froude,ma anche piu’ la nave e’ lunga piu’ il Froude si abbassa  e viceversa .In generale Froude alto significa nave veloce(in relazione alla lunghezza della carena) o comunque componente di restenza d’onda elevata e viceversa, Froude basso significa nave lenta o comunque con ridotta componente di resistenza d’onda. Come detto la resistenza d’onda e’ dovuta alla formazione di una sovrapressione nella zona prodiera ed una depressione nella zona poppiera. In natura ogni cosa va da un punto a potenziale (energetico) piu’ alto ad uno a potenziale piu’ basso. Nel caso specifico lo scafo tenderebbe ad andare dal punto ove vi e’ un potenziale piu’ alto(la cresta dell’onda di prora) a quello a potenziale piu’ basso(il cavo dell’onda di poppa).Nel complesso questo si traduce in un rallentamento della carena. Le onde che si formano sono di due tipi: divergenti e trasversali. Le onde oblique non sono altro che una serie di creste che partono dalla prora e si allargano a mano a mano che ci si muove verso poppa,hanno una certa inclinazione rispetto alla direzione di avanzamento della nave e non hanno una grande influenza sulla resistenza al moto .Le onde trasversali invece,sono la principale causa della resistenza d’onda ed altro non sono che un vero e proprio treno d’onde ,con creste(e cavi) che si muovono lungo la carena della nave e che si propagano trasversalmente. Il bulbo ha la funzione di perturbare il treno d’onde ed in particolare di crearne uno nuovo,sfasato rispetto al precedente,che sia in grado di ridurre il cavo che si forma,sarebbe una sorta di somma algebrica: se ai treni d’onda sfasati,si sommerebbero un cavo (notevole) con una cresta (di minor altezza) e l’effetto finale sarebbe un cavo meno pronunciato e quindi una depressione meno forte; in ultima analisi si riduce la componente della resistenza d’onda. Un altro effetto positivo e’ la modifica del regime delle pressioni lungo la carena:l’effetto di appiattimento delle creste e dei cavi si risente sui treni d’onda trasversali generati dalla carena stessa. Da tener presente che quanto detto ha solo valore nel campo delle velocità e delle immersioni prossime a quelle di progetto. Al di fuori di questi  l’effetto del bulbo e’ minore o potrebbe essere addirittura negativo. Il bulbo viene progettato sulla base dei seguenti dati:

-Velocità (crociera)

-Immersione di progetto.

-Caratteristiche della carena(andamento delle linee d’acqua al galleggiamento,forme della carena nella zona prodiera e centrale).

Nella decisione di dotare o meno la prua di bulbo,oltre alle considerazioni sulla resistenza al moto nelle diverse condizioni di carico,non possono non intervenire considerazioni riguardanti :

-il possibile miglioramento del comportamento della nave in mare con moto ondoso sia in relazione ai moti che all’incremento di resistenza all’avanzamento,

-l’incremento dei costi e dei tempi di costruzione,

-il peggioramento della navigazione in presenza di ghiaccio,

-difficoltà che possono insorgere nella manovra delle ancore.

Quindi con riferimento alla sola resistenza al moto alla condizione di carico studiata,un bulbo prodiero ben progettato e realizzato comporta :

-una riduzione della resistenza per formazione ondosa dovuta all’interferenza tra i treni d’onda prodotti dalla sola prua e dal bulbo,

-una riduzione della resistenza per frangimento delle onde dovuta alla minore altezza del treno d’onda prodotto dalla prua con bulbo,

-una riduzione della resistenza residua di natura viscosa dovuta soprattutto alla riduzione dei vortici,

-un aumento della resistenza d’attrito connessa alla maggiore superficie bagnata.

Da un ampia indagine condotta e’ risultato che :

1-il bulbo di prua e’ adottato dal 95% delle navi aventi valori di CB e di L/B compresi nei seguenti campi: 0.650 <  CB <0.185 e 5.50 <L/B <7.00.

2-non esiste una correlazione affidabile tra l’idrodinamica del bulbo ed il numero di Froude (Fn)

                                                                                      

3-l’adozione del bulbo e’ sconsigliata nel caso risulti  CB B/Lpp ≥ 0.135.

                                                                                                    

in merito a quanto affermato al punto 2,c’e’ da chiarire che il numero di Froude deve essere comunque tenuto presente in relazione alla scelta delle dimensioni e della forma del bulbo. In generale  si e’ constatato che l’adozione di un  bulbo ben progettato riduce la resistenza al rimorchio soprattutto per le navi ad elevato valore di CB; per navi aventi CB  con valore attorno a 0.6,ma con velocità relativa abbastanza elevata(0.24 <Fn <0.31),il bulbo di prua può ridurre la resistenza al rimorchio fino ad un massimo del 10%. Per navi aventi velocità tale da realizzare                         Fn<0.30 (cioè per la stragrande maggioranza delle navi da carico)il bulbo e’ raccomandabile  purchè la sua altezza Hx sia tale da raggiungere l’immersione di progetto della nave ( Hx/T  = 1).

Il bulbo di prua di norma e’ integrato alla prua,cioè le linee d’acqua e le longitudinali della carena si adattano per integrare il bulbo senza generare discontinuità ; in rari casi,invece,(ad esempio,navi con forma realizzata  come insieme di superfici piane) il bulbo e’ innestato alla prua creando discontinuità con la forma di carena. L’innesto,invece,viene sempre realizzato quando si decide di dotare di bulbo una nave progettata e realizzata senza il bulbo di prua.

Per quanto riguarda la forma del bulbo,in generale,esse e’ riconducibile ad una delle seguenti tre tipologie:

-Bulbo a goccia o a Δ -la forma del bulbo che realizza la maggiore concentrazione del volume verso il basso e’ particolarmente idonea per quelle navi che hanno forme del corpo stellato di prua ad  U e possono trovarsi a navigare in condizioni di carico molto diverse. L’effetto positivo di questo tipo di bulbo sulla resistenza al moto decresce all’aumentare dell’immersione divenendo molto piccolo o nullo all’immersione a pieno carico normale .Nella navigazione con mare mosso e con immersioni piccole e’,di solito,presente il fenomeno dello slemming.(fig.1)

-Bulbo ellittico o circolare-la forma del bulbo che ha una distribuzione del volume piu’ omogenea(rispetto al piano orizzontale a quota pari a metà altezza del bulbo) e’ particolarmente idonea per quelle navi che devono frequentemente navigare in mari severi,sia che le loro forme del corpo stellato di prua siano ad U che a  V. E’ molto raro che una nave con bulbo ellittico o circolare presenti il fenomeno dello slemming.(fig.2)

-Bulbo a trottola o a ▼( leggi: nabla) – la forma del bulbo che realizza la maggiore concentrazione del volume verso l’alto e’ particolarmente idonea per quelle navi che compiono alternativamente viaggia pieno carico ed in zavorra( e’ il caso delle cisterne,bulk carrier,ecc.).Nella condizione di pieno carico la presenza di tale bulbo riduce notevolmente il moto di beccheggio. Il bulbo a nabla viene adottato anche per navi veloci di piccole e medie dimensioni in quanto e’ più facile da integrare con le forme della carena.(fig.3)

In figura 4 sono rappresentati le sezioni del bulbo con il piano diametrale della nave e con il piano trasversale  passante per la perpendicolare avanti. I principali parametri che servono a definire il bulbo sono:

-L’altezza  Hx del punto di massima sporgenza misurata dalla linea di base della nave;tale grandezza viene adimensionalizzata rispetto all’immersione T ;

-L’ascissa  Xx del punto di massima sporgenza misurata dalla perpendicolare avanti della nave;tale grandezza viene adimensionalizzata  rispetto alla lunghezza tra le perpendicolari Lpp.

-La larghezza massima Y della sezione del bulbo con il piano trasversale passante per la perpendicolare avanti ;tale grandezza viene adimensionalizzata rispetto alla larghezza massima della nave B;

-L’altezza massima Z della sezione del bulbo con il piano trasversale passante per la perpendicolare avanti;tale grandezza viene adimensionalizzata rispetto all’area AM della sezione immersa della nave a Lpp/2;

-L’area AL della sezione del bulbo con il piano diametrale limitatamente alla parte a proravia della perpendicolare avanti;tale grandezza viene adimensionalizzata rispetto all’area AM della sezione immersa della nave a Lpp/2;

-Coefficiente di finezza CT della sezione trasversale di area AT;dato dal rapporto tra l’area AT della sezione del bulbo e l’area del rettangolo che la circoscrive CT = AT/YZ;

-Coefficiente di Taylor  t  - che lega tra loro la lunghezza tra le perpendicolari Lpp,la differenza tra AM e AT(gia’ definiti) e l’angolo gamma formato dalla tangente alla curva standard(carena senza bulbo) delle aree delle sezioni immerse in corrispondenza con la perpendicolare avanti e la retta orizzontale (ascissa del detto diagramma)-dato dalla formula seguente ed usato solo nel caso di navi veloci:                                                                                                                                                          

               
t = 2Lpp tgγ / A_M – A_T

CONTINUA………………………………

TIMONE Parte Seconda

TEORIA   DEL   TIMONE (Parte Seconda)

Dicesi resistenza del timone quella che esso incontra nell'acqua quando e’ alla banda e la nave si muove;tale resistenza non e’ altro che la reazione dell’acqua sulla pala al muoversi di questa attraverso il liquido ed e’ rappresentata dal valore della pressione dei filetti fluidi che urtano la pala del timone .Dicesi centro di pressione il punto di applicazione di detta resistenza tale punto non coincide col baricentro  della pala cioè della sua parte immersa. La posizione del centro di pressione varia col variare dell’angolo d’inclinazione del timone,ma si trova sempre a proravia del baricentro della pala se la nave avanza,a poppavia se la nave retrocede. Il valore medio che da’ la distanza del centro di pressione dall'asse di rotazione del timone e’ di 1/3 della larghezza della pala.

EFFETTI EVOLUTIVI

Supponiamo che una nave muovendosi con moto progressivo,rettilineo ed uniforme,metta il timone alla banda di un certo angolo ALFA e,per semplicità ,ammettiamo che il baricentro  G  della nave e il centro di pressione  C  del timone siano sullo stesso piano orizzontale e l’asse di rotazione del timone sia verticale. (figura  4) Pt rappresenta la pressione totale dei filetti liquidi sulla pala del timone cioe’ la resistenza incontrata da questo; resistenza che per chiarezza ,supponiamo parallela al piano longitudinale. Scomponiamo la Pt in due componenti,la Pn normale e la Pp parallela al piano del timone; di quest’ultima non ci occuperemo poichè e’ trascurabile il valore della  resistenza tangenziale di attrito da essa prodotta. Supponiamo applicate nel baricentro G della nave,le due forze  F1 e F2 uguali,contrarie e parallele alla Pn (con cio’ il sistema di forze non si altera) e vediamo quali effetti principali la Pn produce sulla nave:

1) una rotazione intorno ad un asse verticale che per semplicita’supponiamo passi per il baricentro della nave (in reltà la nave ruota intorno ad un asse verticale passante per un punto piu’ a proravia del baricentro della nave e che viene detto PUNTO GIRATORIO) dovuta alla coppia evolutiva rappresentata da Pn e F2,avente per momento Pn x GH;poi scomponendo la F1 in due forze ,una longitudinale Pr e una trasversale Pd,si hanno ancora i seguenti effetti:                                                                                               

2)un ritardo del moto per la forza Pr

3)una deriva per la forza Pd.

La diminuzione di velocità dopo un ampia accostata,può ridursi di oltre la meta’ del valore iniziale.Se la nave invece ha moto retrogrado,gli effetti sono opposti come senso ma non uguali di intensità ,per quanto riguarda l’effetto più importante,quello evolutivo,possiamo dire che la prua della nave accosterà dal lato opposto cui e’ inclinato il timone,ma con sensibile minore efficacia.

Precedentemente abbiamo supposto la Pn agente in un piano orizzontale passante per il baricentro G della nave (fig.5), poichè il centro  di pressione del timone C si trova più in basso.Per tale fatto si generano due coppie che modificano o tendono a modificare l’assetto longitudinale e trasversale della nave e piu’ precisamente : una coppia appruante ed una coppia sbandante,tutte e due con lo stesso braccio rappresentato dalla distanza verticale GH. La prima tende a far  immergere maggiormente la prua mentre la seconda inclina la nave dallo stesso lato del timone alla banda.Tale sbandamento e detto inclinazione di saluto e si manifesta appena si mette il timone alla banda, perchè poi ben presto questo sbandamento viene neutralizzato e superato da quello prodotto dall'azione della forza centrifuga ,la quale si crea a mano a mano che si sviluppa il moto rotatorio della nave.Questa ultima ha tendenza a far sbandare la nave dal lato esterno alla traiettoria del moto(comunque contrastato dalla coppia di stabilita’), poichè le parti emerse della nave non trovano un appoggio adeguato come lo trova il fianco della carena nell'acqua,il quale incontra una resistenza laterale.

Riepilogando gli effetti del timone alla banda  produce sulla nave animata da moto progressivo sono:

-Accostata della prua e quindi della nave verso lo stesso lato del timone alla banda.

-Perdita di velocità

-Deriva verso la parte esterna della traiettoria.

-Appruamento(debole-trascurabile)

-Inclinazione di saluto(dal lato interno alla curva)all'inizio dell’evoluzione.

-Sbandamento(dal lato esterno alla traiettoria)durante l’evoluzione.

PRESSIONE DELL’ACQUA SUL TIMONE

Quanto piu’ grande e’ il movimento evolutivo Pn x GH tanto più la nave sente l’effetto  evolutivo del timone.La pressione Pn e’ funzione dell’angolo d’inclinazione del timone,della velocita’ dei filetti liquidi,cioe’ praticamente della stessa velocita’ della nave,della superficie della pala e della forma di essa, nonchè delle forme soprattutto poppiere dello scafo.Una delle tante formule pratiche usate per calcolare il valore della pressione dell’acqua sulla pala del timone e’ quella usata dall'Ammiragliato Inglese,valevole per un angolo d’inclinazione del timone di 40° :

            S  x  V2

Pn =   ------------    

            0,21944

dove S  e’ la superfice della pala in mq.-V la velocita’ dela nave in nodi;Pn la pressione normale alla superfice del timone in chilogrammi.

Una delle formule molto usate valevole per tutti gli angoli di barra e’ quella di Joessel :

           5,293 x  sen Alfa

Pn =  --------------------------   S x V2

          0,2 +0,3  sen Alfa

In cui Pn e’ la pressione sul timone in Kg,Alfa l’angolo di barra,S la superficie della pala in mq.,V la velocita’ in nodi della nave.Occorre dire che tali formule sono del tutto empiriche e sono state ricavate da esperimenti fatti con lastre piane e rettangolari inclinate di un dato angolo e fatte avanzare ad una velocita’ costante,perciò nella summenzionata formula si fa l’ipotesi che i filetti fluidi abbiano velocita’ uguale a quella della nave e parallela al piano longitudinale,che il timone ossia la sua area sia interamente immersa e che sia portato istantaneamente all'inclinazione.

ANGOLO DI MASSIMO EFFETTO DEL TIMONE  (fig.6)

L’espressione del momento evolutivo e’: Me = Pn x GH ma trascurando OC,piccolo rispetto a GC, si ha : Me Pn x GK e poiche’ GK = GO cos Alfa e Pn = Pt senAlfa si ha ancora :

Me Pt sen Alfa x GO cos Alfa = Pt x GO senAlfa cos Alfa

Ma  sen Alfa cos Alfa = ½ sen 2 Alfa e quindi si ha :

Me = ½ Pt x GO sen 2 Alfa.

Questa espressione,essendo costanti ½, Pt e GO,diventa massima quando sen2Alfa diventa massimo,e questo si ha ovviamente quando il valore dell’angolo Alfa e’ 45°.

Tale sarebbe l’angolo di massimo effetto del timone.Diciamo sarebbe perchè tutto ciò è teorico,infatti abbiamo supposto che la Pt cioè la risultante dei filetti fluidi,sia parallela all'asse longitudinale della nave,il che non si verifica mai, perchè sappiamo che la poppa fa convergere i filetti liquidi sul timone con un certo angolo diverso da quello supposto e cosi’ pure la velocità dei filetti fluidi viene modificata e quindi viene ad essere diversa da quella supposta della nave.

Perciò l’angolo di 45°,quale angolo per avere il massimo effetto evolutivo del timone,e’ puramente teorico e la pratica, confermata dall'esperienza, riduce detto angolo a circa 35° in genere,arrivando ad  un massimo di 40° per navi con timoni compensati.

Uno studio  a parte va effettuato per i timoni BECKER che saranno oggetto di un prossimo approfondimento.

EFFETTI DEL TIMONE QUANDO LA NAVE E SBANDATA (fig.7)

La pressione normale Pn dei filetti d’acqua sulla pala del timone e’ una forza orizzontale,tutta utilizzata dal timone quando l’asse di questo e’ verticale;ma allorche’ la nave e’ sbandata,la forza Pn normale alla faccia del timone,ottenuta come componente di Po(e non come componente di Pt come prima),non risulta piu’ orizzontale,essendo la pala del timone non piu’ verticale cioe’ non piu’ normale all’acqua. Questa forza Pn non agendo in un piano orizzontale ,occorre scomporla in una componente orizzontale P’n che e’ quella utilizzata dal timone ai fini della rotazione della nave,ma con cio’ ne nasce pure una componente verticale Pv che non serve ai fini evolutivi.Ne consegue pertanto che la coppia evolutiva e’ tanto minore  quanto maggiore e’ lo sbandamento.La componente verticale Pv,nel moto diretto della nave,tende a sollevare la poppa e quindi tende a provocare una maggiore immersione della prua se il timone e’ messo dal lato sbandato;se dal lato opposto tende a sollevare la prua.