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Jan 17, 2024

Valutazione sperimentale dell'effetto dei parametri di posizionamento e di funzionamento sulle prestazioni di una superficie

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18566 (2022) Cita questo articolo 913 Accessi Dettagli metriche Oggi, le eliche perforanti di superficie sono state riconosciute come una scelta adatta per motori più alti

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Oggi, le eliche perforanti sono state riconosciute come una scelta adatta per velocità più elevate. Tuttavia, lo sviluppo di algoritmi di progettazione per tali algoritmi è stato messo a dura prova da una conoscenza insufficiente dei parametri che ne influenzano le prestazioni. Per questo motivo è fondamentale sviluppare dati sperimentali e studiare l’influenza dei vari parametri sulle loro prestazioni. Con l'obiettivo di sviluppare la conoscenza sperimentale di queste eliche, questo studio indaga l'impatto dei parametri di posizione e del numero di Froude sui risultati dei test del modello di un'elica progettata su misura. Inoltre è stato studiato lo sviluppo della scia di ventilazione a diversi numeri di Froude. I risultati sperimentali hanno evidenziato un impatto favorevole dell'aumento del rapporto di immersione sulla spinta dell'elica, un impatto positivo dell'aumento dell'angolo di inclinazione di 6° su una maggiore spinta ed efficienza nella direzione di avanzamento e un leggero aumento della spinta con angoli di imbardata più elevati fino a 10 °. Sono state inoltre estratte le forze laterali dell'elica in diverse posizioni e condizioni operative per identificare il comportamento dell'elica e progettare l'albero e i supporti necessari. Infine, le equazioni di regressione per la proiezione dei coefficienti idrodinamici utilizzate in fase di progettazione sono state confrontate e verificate dai risultati sperimentali. I risultati hanno evidenziato l’insufficiente precisione di questo modello per la stima dei coefficienti idrodinamici che influenzano l’elica.

L'idea di utilizzare sistemi di trasmissione di superficie ed eliche perforanti di superficie (SPP) è stata inizialmente avviata per la propulsione di imbarcazioni a basso pescaggio1, poiché il processo di aumento della velocità nelle eliche convenzionali si traduce in due fattori dannosi per le prestazioni dell'elica: (1) cavitazione, che è ampiamente avverso, e poiché non può essere ignorato alle alte velocità, viene considerato il fenomeno della supercavitazione sulla superficie delle pale aspiranti. Questa soluzione ha impedito l'impatto negativo delle microbolle ma allo stesso tempo ha diminuito l'efficienza dell'elica limitando la pressione dietro la pala alla pressione del vapore di cavitazione; e (2) a velocità elevate, la forza di resistenza idrodinamica aumenta sulla struttura protettiva e sull'albero dell'elica, riducendo così l'efficienza del sistema. Per risolvere questi problemi, i progettisti di imbarcazioni ad alta velocità hanno modificato la posizione di installazione dell'elica in modo che la linea d'asse fosse allineata con la linea di pescaggio della nave. Qui ciascuna pala ruota all'interfaccia tra acqua e aria, garantendo il fenomeno di ventilazione nella parte posteriore della pala che impedisce la cavitazione. In questo sistema di propulsione, una parte dell'elica è l'unico componente a contatto con l'acqua, il che riduce drasticamente la resistenza delle parti del sistema2. In questo modo, la velocità finale e l’efficienza aumentano diminuendo il consumo di carburante. Ulteriori vantaggi dell'utilizzo di eliche perforanti includono una maggiore capacità di trasporto per unità di potenza, la possibilità di aumentare il diametro dell'elica grazie alla sua distanza dalla poppa e gli angoli dell'albero flessibile, che controllano la portanza e la forza laterale, si traducono in una migliore manovrabilità.

Nonostante i vantaggi menzionati di tali sistemi di propulsione, i ricercatori sono stati ostacolati dalla fisica complicata e dal flusso multifase attorno alle eliche nell’ottenere una comprensione completa dell’impatto dei diversi parametri sulle loro prestazioni e quindi nell’ideare un metodo standard (simile a quelli sviluppati per eliche convenzionali) per progettare le loro geometrie per le prestazioni previste. Una conoscenza così insufficiente comporterebbe costi aggiuntivi. Le informazioni pubblicate sulle eliche perforanti di superficie includono solo geometrie limitate e le informazioni non sono completamente accessibili a causa del campo di applicazione limitato. Qualsiasi sforzo per progettare tali eliche ha comportato un processo di tentativi ed errori o ha seguito gli studi sperimentali condotti finora3.