Elica e motore (con riferimento al VP 75hp, per chi ha pazienza di seguire il tutto).
- Ovvio che, per imbarcazioni importanti, risulta necessario lo studio della resistenza all’avanzamento, ma non è il caso nostro. Esempio :
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Ci si accontenta di parametri tipo lunghezza LWL (dinamica) e dislocamento.
Tre possibilità di scelta dell’elica:
1° Elica senza riserva di potenza. (Matched).
Permette il raggiungimento della velocità massima assorbendo la potenza massima del motore.
Nel punto d’incontro tra la curva di potenza massima del motore (curva di pieno carico) e quella dell’assorbimento dell’elica a quei giri, per una velocità stabilita dal calcolo.
2° Elica con riserva di potenza. (Undersized).
Viene calcolata per frenare il motore sulla curva di regolazione. Nel qual caso, quando la barca si appesantisce, vuoi per assorbimento d'acqua, vuoi per pesi imbarcati, la curva del motore e quella dell'elica si ritrovano nel punto d’incontro.
La curva di regolazione inizia nel punto in cui il regolatore diminuisce la portata della pompa di iniezione e finisce al punto in cui la potenza fornita dal motore è nulla (regime in folle).
Viene generalmente calcolata di un 3% del regime nominale, consentendo una riserva di potenza del 10%.
3° Elica troppo forte. (Oversized).
E’ quella che frena il motore a un regime inferiore al regime nominale e non garantisce di sfruttare tutta la potenza del motore. Se la velocità massima viene raggiunta soltanto al max dei giri, questa sarà ridotta e il motore ai giri max fumerà.
Se la potenza motrice è indispensabile per raggiungere la velocità massima l'elica andrà calcolata con riserva di potenza.
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Il motorista o il produttore dell'elica consigliano (quando lo fanno bene...) al 100% della potenza al 100% dei giri, oppure, più correttamente, alla potenza continua.
Scafo
Tralasciamo navi, pescherecci, rimorchiatori, dove, detto per inciso, vengono sovente montate eliche CPP, ossia a passo variabile con utilizzo della massima potenza e della massima efficienza in tutto lo spettro dei giri. Con beneficio di accelerazione, stop, retro, manovre, consumi.
Sono tre i tipi generalmente codificati nella nautica da diporto: dislocanti, semiplananti, plananti.
Plananti: SRL > 2.9-3. Il raggiungimento della massima velocità, per farla breve, deriva dalla potenza installata.
Le plananti giocano anche su ¼ di pollice di passo più o meno allo scopo di arrivare al punto d’incontro tra giri e velocità. Se non raggiungi
il massimo della potenza, non raggiungi il massimo della velocità. Quindi necessitano di un calcolo “millimetrico”.
Mentre per le vele le eliche son quelle, con diametri e passi arrotondati al pollice e stop. Analogo discorso sulle regolabili ove, per un passo ottimo di 11”, lasciano una scelta tra 10.2” e 12”. Con qualche meritoria eccezione.
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Nel grafico n° di Froude:
Fr = V/√gL.
Semiplananti o semidislocanti: la via di mezzo tra le plananti e le dislocanti. SLR > 1.5 < 2.9-3.
Vela = dislocanti, SLR < 1.4-1.5.
La velocità massima è
limitata dalla lunghezza al galleggiamento dinamico, poi la barca scivola sul cavo dell’onda poppiera.
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Generalmente la velocità max raggiunta è sul famoso 1.34; cambiando le dimensioni significa 2.43 x radice quadrata della lunghezza al galleggiamento in metri. Qualcosa in più se vi sono slanci poppieri. Bene. Per ottenere la velocità massima bastano i famosi 3 hp x tonnellata di dislocamento.
Ma i tempi son cambiati. Altri i tempi quando su un 30 piedi si montavano motori (ausilio) da 8-10 cavalli. Oggigiorno, 30 di cavalli.
Quindi, sempre generalmente, le potenze attualmente installate sono esuberanti per il raggiungimento di tale velocità max.
Tutto ciò che segue non riguarda scafi a vela con potenza
impiccata. Mentre se
la potenza è esuberante i giochi cambiano.
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Yacht/vela. E del perché le eliche degli scafi a vela sono tutte sbagliate.
Anzitutto perché presentano poca superficie pala. Scelta per ovviare alla resistenza dell’elica sotto vela. Ne consegue che si hanno alte cavitazioni. Inevitabili in qualunque natante/nave, ma entro certi limiti. Esempio: i limiti vanno calcolati per barche da lavoro 3.5%, mercantili 5%, navi da guerra 10%. La cavitazione su scafi a vela … beh lasciamo perdere, si va dal 10% al 25%.
Considerazione: quando mai, nelle barche a vela, per di più con motori attualmente sovradimensionati, si naviga al massimo dei giri? Mai. Chi naviga a 3600 giri? Leggendo gli interventi su questo forum si nota che la maggior parte utenti fa trasferimenti a bassi regimi, sconsigliato. Non vi è un buon rendimento termico, con conseguente accumulo di incrostazioni.
Di ogni elica si sa esattamente quale è il momento torcente assorbito ai vari giri. Non dalle tabelline che si trovano, che non distinguono i tipi di carena, né il tipo di elica: forma pale, superficie ecc.
Un calcolo “esatto”, solo per ottenere la spinta/assorbimento dell’elica, comporta + di 1800 operazioni matematiche (un grazie ai computer…).
Andiamo avanti. Sappiamo che per raggiungere la velocità max bastano 55 hp, 42 kW.
E quando mai andremo al massimo? Rarissime volte, quasi mai.
Dalle curve potenza dei motori notiamo che, in prossimità dei giri max, la curva è abbastanza in orizzontale, con scarsa perdita di potenza alla diminuzione di un 10% dei giri max.
Quindi nulla vieta limitare il motore (esuberante) a, chessò, 90-80-70% dei giri.
Limitando il motore a un numero di giri inferiore (e conseguente potenza inferiore, ma di poco), sarà come l’aver montato un motore che anziché erogare 55 kW a 3000 giri, darà 40 kW a 2600 giri. Dove il vantaggio?
Vediamo di calcolare:
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Elica “ideale” per 55 kW a 3000 giri motore.
Diametro 23” passo 16”. Coppia all’asse 0.450 kN, coppia assorbita dall’elica 0.454 kN.
Ok. Cavitazione 7.6%, pressione pale 0.924, V periferica 33.5, regresso apparente 39.3%, reale 46%.
Transita attraverso consumi specifici di 265 g/kW/h.
Esempio: a 2000 giri il motore può erogare 50 cavalli, mentre l'elica "ideale" ne assorbe solo 20. Con percorrenza attraverso SFC alti.
L'elica "ideale" (della 3000 giri), poniamo la 23x16,35", a 2000 giri presenta un rendimento del 0.50, con potenza assorbita di 28.3 kW. con consumo di 28.3 x 250 / 0.84 = 8.4 l/h
E veniamo alla velocità da crociera = 2200 giri
A 2200 giri il motore può erogare tranquillamente 42 kW ( hp) mentre l'elica "ideale" ne assorbe 17 kW. E transita verso sul consumo specifico di 265 g/kW/h.
Per il max dei giri e velocità max, con potenza continua di 52 kW (67 hp) a 2850 giri. Coppia di 0.458 kN m. Esattamente quella erogata dal motore.
L'elica che assorbe la coppia motore sarà la 23"x 17.31". Rendimento elica 0.5183, cavitazione del 7.6%. Pressione sulle pale, ok per una AE/AO di 0.515. Velocità periferica entro i limiti. Buona.
Transita attraverso consumi specifici di 265 g/kW/h.
Calcoliamo l’elica
senza riserva di potenza: avremo una 23” x 17”.
Coppia e potenza assorbiti identica a quelli forniti dal motore: 0.458 kNm e 55 kW. Bene.
Questa è un'elica "corretta":
vediamo come, a fronte di una potenza motore la curva di assorbimento dell'elica è notevolmente minore, salvo raggiungere il top solo al max dei giri.
Ok? fin qui ci siamo.
Imbarcazione da 13 mt LWL e 12 tonn dislocamento. Velocità max 8.75.
Montiamo, ad esempio, un VP D2-75.; all'asse abbiamo 55 kW (72 hp) a 3000 giri.
Elica “forte… intelligente”
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Poniamo che, per il raggiungimento della velocità massima, ne bastino 40, di kW.
Nulla vieta che, poiché non si naviga MAI al max dei giri, si calcoli l’elica per ottenere sì la massima velocità, ma a regimi più bassi, con maggiore comfort, con rumori ridotti, con minori vibrazioni, con miglior rendimento dell’elica, con miglior rendimento termico, con minori incrostazioni, con durata maggiore del motore, con coppia maggiore in condi-meteo avverse, e con risparmio di carburante. Che non guasta.
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Ma se progettiamo un’elica per 55 hp a 2200 giri (che ci consente di raggiungere la velocità massima) avremo un’elica di diametro 26 per 19.5 di passo. Con riduzione significativa di superficie delle pale, con cavitazione del 6.2.3% con regresso che scende rispettivamente al 32 e al 40%. Rendimento 0.56. Transita verso consumi specifici di 233 g/kW/h.
Elica per 2600 giri a 49 kW = diam 23, passo 17 (perdo poco niente di potenza).
Rendimento 0.544, cavitazione 7.6 . Possibile anche la riduzione significativa di superficie delle pale. Transita verso consumi specifici di 233 g/kW/h.
L'elica "pesante" 26x20" assorbe 30 kW, con un SFC di 235 g/kW/h. Con coppia sempre al di sotto di quella erogabile dal motore.
L'elica "pesante" a 25.6 kW con efficienza di 0.56, passa attraverso in SFC di 233 per cui avremo 25.6 x 233 / 0.84 = 7.1 l/h. Il risparmio di carburante sarà quindi di 8.4 - 7.1 = 1.3 l/h che corrisponde al 15%.
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E sì, pure dei consumi, poiché la curva di assorbimento dell'elica transiterà attraverso valori di SFC (consumo specifico) più bassi. Si può arrivare alla riduzione del consumo del 5% solo per migliore rendimento dell'elica e un altro 5/10% per il transito verso settori SFC più bassi.
Quindi un'elica, calcolata per un assorbimento di coppia che si ferma prima dei giri max permetterà una
identica velocità max, ma velocità migliori a tutti gli altri giri motore. E basta limitare la corsa ai giri previsti agendo sulla regolazione della pompa o del telecomando (sull’acceleratore). L’elica è cosiddetta
sovradimensionata ma il motore non andrà in
sovraccarico.
In definitiva sono per un'elica che NON raggiunga il max dei giri, ma si fermi prima.
Ecco sfatato il preconcetto che "un’elica deve far raggiungere il massimo dei giri al motore" (sempre per imbarcazioni dislocanti).
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Per ultimo i grafici del motore in oggetto: si noti la curva di potenza abbastanza orizzontale e il decadimento brusco della curva di coppia (quella che spinge) all’aumentare dei giri.
Ecco come, conoscendo la coppia motrice e la coppia assorbita dall’elica, applicando un minimo fattore di sicurezza si può installare un’elica
“a pennello”. Senza nessuna controindicazione.
A condizioni meteo avverse non andremo al massimo dei giri e al massimo della velocità e, con l'elica "pesante", avremo più coppia per superare la "buriana".
Ecco sfatato il mito
“dell’elica che deve far raggiungere il massimo dei giri”.
.tullio prop; bozza vers. 1.0
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