Nella cantieristica navale , la propulsione si riferisce a tutti i sistemi che consentono il movimento di navi e imbarcazioni . Viene eseguito da un propulsore azionato da un motore . Il propulsore può essere:
Un sistema di propulsione soddisfa diversi obiettivi:
Alcune costruzioni galleggianti non hanno un sistema di propulsione autonomo e richiedono un intervento esterno per muoversi. È il caso delle chiatte fluviali: una volta venivano trainate da cavalli che camminavano lungo le rive di un canale, a volte da persone quando la barca era abbastanza leggera. Per questo tipo di propulsione la fune di alaggio era portata da un albero posto all'incirca nel primo terzo della barca; questo polo è chiamato arbouvier (di "albero").
Barche o traghetti erano anche mossi da una giostra di cavalli o buoi a bordo, dalla giostra che attivava le ruote a pale o da una catena di traino .
In questa espressione, il termine "propulsione" designa infatti il motore e non il propellente. Gli inglesi usano l'espressione più esatta " human powered ". La propulsione è umana quando una persona usa le mani (e i piedi) come propellente per muoversi attraverso l'acqua o sopra l'acqua.
Questo tipo di trasporto umano durò fino alla generalizzazione dei motori termici sui battelli fluviali (in Francia si chiamava "Halage à la bricole ").
Uso di un palo o di un remo quando la profondità è sufficientemente bassa (immagine opposta a destra).
La forza muscolare è probabilmente la prima forza motrice usata su una nave, come sulla barca solare di Cheope con il suo sistema di canottaggio.
PagaiaIn generale, questo tipo di propulsione consiste nell'azionare un remo formato da un'impugnatura e una pala sommersa; il treno può essere collegato alla barca da uno o due scalmi , un remo o un alimentatore di vele o essere tenuto con entrambe le mani. L'azione svolta consiste in un regolare movimento avanti e indietro, alternando una fase di spinta della pala in acqua e una fase di ritorno della pala fuori dall'acqua, o alternando fasi di spinta interamente in acqua alla coppia.
L'azione della pala in acqua è di due tipi: con la coppia la pala si comporta come un'ala , con un angolo di incidenza ridotto mantenendo un flusso attaccato ad entrambi i lati della pala; con l'azione del canottaggio, la pala spinge l'acqua direttamente verso la poppa della barca, nel flusso completamente sganciato.
Applicazioni:
L'elica può essere azionata da una leva o da un albero motore: primi sottomarini autonomi ad energia muscolare, il Turtle , il Nautilus di Robert Fulton o grazie ad una guarnitura, come su una bicicletta. Quest'ultimo sistema è utilizzato da alcuni mezzi veloci del tipo aliscafo e soprattutto da piccole imbarcazioni da spiaggia del tipo pedalò , l'elica viene poi talvolta sostituita da una ruota a pale.
Elica aereaL'elica è azionata da un pedale: marcia decavitatore , velocità 18,5 nodi.
Canottaggio olimpico, utilizzando il nuoto
Un pedalò sul lago Donkmeer , Paesi Bassi
La propulsione a vela consiste nell'usare la forza del vento (il motore) per spingere una barca a vela , il più delle volte grazie alle vele (il propulsore). Le numerose combinazioni di forme e layout delle vele hanno dato origine a un'ampia varietà di rig , ma anche a forme di scafo appositamente progettate per questo tipo di propulsione.
Come la pala di un remo, una vela può funzionare in due modi:
Per poter trasportare la vela è necessario un supporto rialzato (solitamente un albero ), un modo per stabilire la vela (drizze) e per orientarla con diverse funi (scotte). A seconda del tipo di vela, potrebbero essere necessarie aste aggiuntive, come un boma o un whishbone per una randa, un palo per un fiocco o uno spinnaker . Le diverse forme di vele e il modo configurarli su uno o più alberi permettono di caratterizzare gli impianti .
Due tipologie di impianti, contrapposti per provenienza geografica, hanno finito per combinarsi per ottenere la vela ideale in termini di efficienza e flessibilità:
Se le prime barche a vela avevano una sola vela, la combinazione di più vele distribuendole in altezza e lunghezza permette di migliorare la manovrabilità della barca e di adattare le vele alle condizioni di navigazione. La combinazione di diverse forme di vele su una singola barca avviene con le caracche ; le navi costruite successivamente mostrano grande inventiva nel sartiame. Attualmente le vele sono state nuovamente semplificate e integrano solo due o tre vele, spesso in materiale sintetico.
Le vele, a causa della loro molto economica e permettono l'autonomia, sono stati utilizzati sulla maggior parte delle navi, anche dopo l'arrivo del vapore, fino alla fine del XIX ° secolo , in cui la navigazione a vela raggiunto il suo picco tecnica con i vasi a quattro alberi e cinque alberi lungo oltre 100 m , guidato da piccoli equipaggi. Successivamente, la necessità di rapidità e regolarità di esercizio, l'autonomia consentita dal Diesel, e il diritto del lavoro che imponeva tre bordate invece di due, portarono alla sua scomparsa per le navi da guerra prima, e per il commercio poi. Le ultime grandi navi mercantili, che avevano resistito a carichi pesanti a lungo termine, come i nitrati dal Cile, scomparvero in pochi anni negli anni '50 (affondamento del Pamir nel 1957). Alcuni usi di nicchia sono rimasti fino agli anni 70. Ancora oggi le vele sono utilizzate su piccole barche a vela e su alcuni yacht di lusso, per la navigazione da diporto (da diporto) o sportiva.
Ci sono stati sistemi sperimentali in cui l'energia del vento è stata catturata da un'elica aerea (abbastanza simile nelle sue caratteristiche a un'elica di una turbina eolica).
Una vela "libera" non è fissata su un armo; è un'ala flessibile collegata alla barca da un cavo di tensione. La sua forma (tipo parapendio) dovrebbe dargli la stabilità aerodinamica necessaria per mantenerlo in aria. Un aquilone da trazione è attualmente in fase di sviluppo da parte della società tedesca SkySails per consentire un risparmio di carburante che potrebbe variare dal 10 al 30%. I test effettivi si sono svolti indicembre 2007sul tipo cargo Beluga Skysails (lunghezza 132 metri, 9.770 tonnellate). La superficie dell'ala che vola tra 100 e 300 metri di altitudine è di 160 m 2 , la forza di trazione è dell'ordine di 5 tonnellate. La velocità di questa nave è di 15,5 nodi o un numero di Froude di 0,22. A questa velocità, la resistenza relativa è dell'ordine di 0,0025, il che fornisce una resistenza (resistenza al movimento in avanti) dell'ordine di 25 tonnellate. La trazione della vela vale quindi il 20% della resistenza.
I limiti del sistema sono un punto cieco di 50 ° su entrambi i lati della direzione da cui proviene il vento e la velocità della nave è inferiore a 16 nodi.
La propulsione motorizzata consiste nell'azionare un propulsore utilizzando un motore. Questo sistema è stato introdotto all'inizio del XIX ° secolo con il motore a vapore azionamento di una girante , l'energia fornita dalla combustione di carbone . I primi lavori e le prime applicazioni pratiche furono eseguiti dall'americano Robert Fulton nel 1803 . Da allora sono stati creati altri sistemi più efficienti.
In qualsiasi propulsione motorizzata possiamo distinguere quattro funzioni principali:
Combustibili fossili (carbone, olio combustibile pesante, diesel, benzina), energia nucleare, elettricità, (energia muscolare). Rimessaggio a bordo.
Il motore è responsabile per trasformare l'energia primaria del carburante in meccanica e / o elettrica energia , talvolta idraulica. Le due categorie principali sono motori a combustione esterna (caldaie e macchine o turbine a vapore) e motori a combustione interna ( motori diesel , motori a benzina e turbine a gas ).
Combustione esterna: vaporeQuesto sistema è il più antico. Si caratterizza per la sua divisione in due parti: la caldaia produce energia riscaldando l' acqua a vapore utilizzando il combustibile; il motore trasforma questa energia calorica in lavoro meccanico.
Le caldaie sono costituite da un corpo stagno, attraversato da tubi riscaldanti dove circola il liquido da riscaldare, che circonda un focolare dove avviene la combustione . I primi modelli realizzati sono abbastanza semplici a causa dei limiti della metallurgia dell'epoca, i tubi di riscaldamento sono in rame e le pressioni interne sono molto basse. L'utilizzo dell'acciaio consentirà successivamente di aumentare fortemente l'efficienza aumentando le pressioni in gioco e recuperando la maggior parte dell'energia creata, con tecniche molto raffinate. Alla fine del XIX ° secolo , il carbone comincia a cedere al petrolio come combustibile, che riduce la manodopera necessaria per il funzionamento, eliminando le orde di conducenti che hanno alimentato caldaie pala e semplificare lo stoccaggio di combustibile, che ora è liquido . Il periodo di massimo splendore di questa tecnologia arrivò negli anni '20 . Dopo la seconda guerra mondiale sono stati definitivamente soppiantati a causa della loro minore efficienza, ma la loro funzione di produzione di vapore è stata poi ritrovata nei reattori nucleari che hanno il vantaggio di utilizzare un combustibile pressoché inesauribile; vedi l'articolo Energia nucleare .
Il motore può essere un motore a vapore o una turbina a vapore :
I sistemi di combustione esterna consentono di ottenere potenze elevate (70 MW) con combustibili di bassa qualità, ma con consumi elevati (380 kg / MWh) e bassi rendimenti termici. Inoltre sono molto lunghi da montare (4 ore) e richiedono molto spazio. Sono ancora tipicamente utilizzati per applicazioni specialistiche: su edifici militari che utilizzano l'energia nucleare per una migliore autonomia e su vettori di gas liquefatto dove è possibile riutilizzare il gas dai bunker.
Combustione interna: il motore a combustione internaFrutto del lavoro di François Isaac de Rivaz , poi di Rudolf Diesel , il motore a combustione interna finì per raggiungere potenze accettabili per il suo uso navale, prima della prima guerra mondiale . Fatta eccezione per le barche più piccole , sono del tipo Diesel . Consentono rese elevate, e quindi consumi inferiori, ma richiedono combustibili meno grossolani, richiedendo la raffinazione dei prodotti petroliferi. Distinguiamo:
Dopo la seconda guerra mondiale , le turbine a gas derivate dai motori degli aerei furono aggiunte all'elenco. Si tratta generalmente di turbine aeronautiche "marinate" (aggiunta di un albero e materiali resistenti alla corrosione). Possono fornire potenze elevate (fino a 43 MW ) per una massa ridotta (rapporto peso / potenza da circa 1,2 a 4 kg / kW) e consentono anche tempi di avviamento estremamente brevi, dell'ordine di due minuti, da qui la loro frequente applicazione su navi militari per una rapida accelerazione. A causa di un flusso d'aria molto elevato, le turbine richiedono grandi condotti di passaggio dell'aria di aspirazione e di scarico. Sono soprattutto molto costosi da acquistare e da far funzionare perché consumano di più (da 250 a 300 kg / MWh) e richiedono combustibili di ottima qualità.
Negli anni 2000, il livello massimo di zolfo consentito nell'olio combustibile pesante utilizzato dalle navi civili era del 3,5 % . L' Organizzazione marittima internazionale ha adottato il27 ottobre 2016 la data di 1 ° ° gennaio il 2020per la generalizzazione della soglia massima di zolfo allo 0,5 % e nel 2019 il massimo tollerato è dell'1,5 % . La marina della NATO impone un contenuto di zolfo dello 0,1 % dal 1980 circa.
Le navi a propulsione nucleare utilizzano uno o più reattori nucleari. Il calore prodotto viene trasmesso a un fluido termovettore utilizzato per generare vapore acqueo azionando:
Nel mondo esistono circa 400 navi a propulsione nucleare, prevalentemente militari, in particolare sottomarini , ma anche portaerei e incrociatori e alcune navi civili ( rompighiaccio ). Dei cargo nucleari furono sperimentati anche negli anni '60 e '70 (gli Stati Uniti NS Savannah , il tedesco Otto Hahn e il giapponese Mutsu ), ma il loro utilizzo non si è rivelato redditizio, questi esperimenti sono stati interrotti.
L'investimento e i costi operativi della propulsione nucleare la rendono veramente interessante solo per uso militare e in particolare per i sottomarini. Questa energia porta:
La propulsione nucleare conferisce quindi ai sottomarini un vantaggio decisivo, al punto che possiamo qualificare i sottomarini convenzionali come semplici sottomarini.
L'energia meccanica prodotta, resta da trasmetterla ai propulsori. Storicamente, il metodo utilizzato era il più semplice: un albero motore che aziona direttamente l'elica o l'albero della ruota. Tuttavia, la soddisfazione di più esigenze potrebbe portare ad una certa complessità di trasmissione.
Box inverter / riduttoreQuesti due sistemi sono solitamente inclusi nella scatola del cambio.
In questo caso i motori principali fungono da generatori di elettricità (come un gruppo elettrogeno quindi dedicato quasi esclusivamente alla propulsione) e gli alberi di trasmissione sono azionati da motori elettrici (a volte sommersi) . Se i principi generali della trasmissione elettrica esistono dal 1940 circa, sviluppi molto recenti nell'elettronica di potenza hanno dato origine a una grande quantità di innovazione tecnica. La fusione tecnica del pod con essa è recente e si è sviluppata intorno al 1990. Nel complesso, la trasmissione elettrica ha sempre più vantaggi con lo sviluppo tecnico. Dispone di un dispositivo concorrente raramente utilizzato sulle navi per motivi di inquinamento, la trasmissione idrostatica (o anche detta idraulica) con vantaggi meccanici abbastanza simili alle trasmissioni elettriche che:
La propulsione elettrica più silenziosa viene utilizzata nelle fasi di immersione, grazie all'utilizzo di accumulatori sui sottomarini ( diesel-elettrici ) dal 1935 (in fase di snorkeling la rumorosità è elevata perché i motori diesel ricaricano le batterie) . Questi sottomarini da guerra, ancora in uso, hanno un albero di trasmissione. I loro motori elettrici di propulsione sono interni al sottomarino. Sui sottomarini da esplorazione, ci sono tanti propulsori elettrici esterni, come i POD, quanti sono i propulsori a motore elettrico interni. Esistono diverse soluzioni sui sottomarini nucleari: il motore di propulsione interno può essere una turbina a vapore o elettrica ed esistono anche Pod elettrici esterni.
Il dispositivo terminale di spinta trasforma l'energia meccanica in forza motrice assiale (nell'asse della nave) . In quasi tutti i sistemi, la forza propulsiva viene esercitata nella parte posteriore della nave. Infatti, la velocità, le onde tendono ad alzare la prua . D'altra parte, il volume d'acqua spostato dalla spinta dello scafo limita le turbolenze dell'acqua sotto la sua metà poppiera, regolando le forze propulsive, diminuendo le vibrazioni e migliorando così l'efficienza complessiva. Nel caso più generale, un albero lungo (o anche più) , quasi parallelo allo scafo (inclinato all'indietro tra 4 e 10 °) consente di spostare la sorgente dell'energia meccanica primaria (interna) del dispositivo di spinta. ( esterno) . Sulle navi moderne, tra questi due poli meccanici (energia meccanica primaria ed energia di spinta meccanica) , si insinuano innovazioni tecnologiche ( trasmissioni meccaniche, elettriche o idrauliche) . Se in generale i dispositivi terminali di spinta funzionano per azione diretta sull'acqua, come in aviazione, una parte significativa della spinta può essere creata anche dall'accelerazione di una massa fluida incanalata in un ugello (spinta di reazione ) .
Ruota a paleLa ruota a pale è il primo sistema ad essere stato utilizzato storicamente, per la navigazione fluviale o costiera con un motore a vapore, e per le prime navi transatlantiche. Ma la scarsa efficienza della ruota, le sue dimensioni laterali, la sua vulnerabilità (navi da guerra) hanno portato alla sua sostituzione con sistemi ad elica . Questo propellente viene utilizzato solo per alcune vie navigabili interne: i traghetti sul Lago di Ginevra , ad esempio.
Elica sommersaL' elica è attualmente il propellente più utilizzato. Solitamente posizionato nella parte posteriore della nave, ruota attorno ad un asse orizzontale o leggermente inclinato. La “velocità totale” delle pale (somma della velocità di rotazione e della velocità di avanzamento) genera una spinta che fa avanzare l'imbarcazione.
Il pod è definito in opposizione al caso più generale in cui l'elica è mossa da un lungo albero motore passante per lo scafo da un cuscinetto sigillato; semplice cuscinetto terminale dell'albero di trasmissione a volte completato da un secondo esterno (l'elica è a sbalzo all'estremità dell'albero motore). Il "Pod" non ha un lungo albero che attraversa lo scafo. Una protuberanza dello scafo chiamata pod pod tiene saldamente un'elica mentre un dispositivo meccanico interno fornisce l'energia rotazionale che guida l'elica. Questa navicella è più spesso girevole verticalmente per servire per l'efficiente rotazione della nave. Questi baccelli possono trasportare una cosiddetta elica del "trattore" situata sulla parte anteriore della navicella, o un'elica dell'elica. Può anche avere due eliche, montate in tandem, una davanti e l'altra dietro, oppure due eliche controrotanti.
Infine, il modo in cui l'energia meccanica raggiunge l'albero di trasmissione distingue due tipi di baccelli molto diversi tra loro che si contrappongono.
Direzione; la navicella può essere fissata, ma molto spesso è orientabile. Per i baccelli fissi, un piccolo timone a poppa dell'elica fornisce la direzione all'imbarcazione. ""
Eliche di superficieSi tratta di eliche semisommerse, con un particolare profilo delle pale per evitare la "ventilazione" del profilo. In questa configurazione l'albero di trasmissione esce dallo specchio di poppa sopra l'acqua; non c'è timone, è l'orientamento laterale dell'albero di trasmissione che garantisce la manovrabilità (spinta vettoriale). Questo sistema è utilizzato su barche veloci (oltre 30 nodi).
Idrogetti o getti d'acqua.L'elica è posta in un condotto; l'acqua viene pompata sotto lo scafo ed espulsa a livello dello specchio di poppa, in aria. L'orientamento del getto è controllato nel piano laterale per garantire la direzione e nel piano verticale per ottenere l'inversione del senso di spinta (reverse), sostituendo così il timone e l'inversore.
Questo tipo di propulsore è stato utilizzato per la prima volta su imbarcazioni portuali piccole e molto manovrabili con il marchio Schottel. Viene spesso utilizzato (da 25 nodi) su navi passeggeri, ed è il sistema più utilizzato ad alta velocità (oltre 30 nodi): yacht veloci, traghetti veloci ( NGV ), aliscafi per militari. Gli idrogetti sono montati su veicoli da diporto come jet-ski o moto d'acqua al posto delle eliche per motivi di sicurezza.
Propulsore tipo Voith-SchneiderSono sempre installati in coppia . Ruotano lungo un asse verticale, le lame agiscono come lamine ; La capacità di regolare molto rapidamente la direzione del flusso d'acqua rende questo sistema particolarmente interessante per i rimorchiatori, ma la sua complessità lo ostacola a vantaggio degli Z-drive , o propulsori azimutali.
Eliche di manovraInfine, i thruster trasversali o "pushers" (" bow thruster " e " stern thruster " in inglese) sono eliche che agiscono in direzione trasversale in un tunnel che attraversa lo scafo per assistere e facilitare le manovre delle navi, soprattutto nella navigazione fluviale e in porto approcci. Possono essere azionati da un motore diesel , meccanicamente o da un sistema idraulico , o da un sistema elettrico .
Disegno delle eliche verticali e orizzontali della Tartaruga del 1775
Doppie eliche montate su baccelli
Elica e timone di una moderna nave da carico
Elica con ugello
Le imbarcazioni a pescaggio molto basso ( aliscafi ) e quelle che si muovono sull'acqua (navi di sollevamento, hovercraft a cuscino d'aria e aerei a effetto suolo ) utilizzano propulsori aerei:
Il trasporto di animali è stato gradualmente sostituito dalla trazione meccanica che può essere prodotta in diversi modi:
Il vantaggio di una chiatta senza propulsione è di consentire una certa flessibilità e maggiore redditività nelle operazioni: mentre la chiatta esegue le operazioni di carico e scarico al porto (che richiede tempo), il rimorchiatore può essere rilasciato per un'altra mossa. Il sistema di rimorchiatori e chiatte è ancora utilizzato su laghi e grandi fiumi e in alto mare per portare le piattaforme petrolifere nel luogo in cui operano. Alcune navi si trasformano anche alla fine della loro vita rimuovendo le loro macchine di propulsione, divenute obsolete, e convertendole in chiatte mobili o fisse; questo è particolarmente vero per alcune navi cisterna che fungono da unità di stoccaggio galleggianti.
La propulsione magnetoidrodinamica si basa sulla forza di Laplace : se una corrente elettrica viene fatta passare attraverso un corpo sottoposto a un campo magnetico , allora questo corpo è sottoposto a una forza . Tuttavia, l'acqua di mare è un conduttore . In teoria è quindi sufficiente mettere un (grande) magnete in una nave, quindi far circolare una corrente elettrica nell'acqua sottoposta al campo magnetico creato, per mettere in moto l'acqua rispetto alla nave, cioè - cioè (simmetricamente), per mettere la nave in movimento rispetto all'acqua. Questo senza parti in movimento, quindi senza rumore, senza vortici, e senza la necessità di canalizzare l'acqua all'interno del vaso. Anche i timoni sono superflui: basta cambiare la direzione della corrente (o del campo magnetico, se si utilizza un elettromagnete) per invertire la forza su un lato della nave e quindi orientarla. La corrente deve essere in fase con il campo magnetico, quindi continua se il magnete è permanente e fisso, ma inoltre sono possibili molte configurazioni (in particolare con un elettromagnete).
Tuttavia, gli inconvenienti non sono ben controllati: rischi elettrici e magnetici, elettrolisi dell'acqua di mare (perdita di efficienza elettrica e rischio di produzione di prodotti dannosi per la vita e aggressivi per le apparecchiature, come il cloro e l' idrogeno. ), Necessità di magneti potenti, deboli spinte per unità di superficie, ecc. Questo processo rimane quindi sperimentale. All'inizio degli anni '90 , Mitsubishi ha prodotto una barca, la Yamato 1, utilizzando la propulsione MHD. Ha funzionato utilizzando elio raffreddato magneti superconduttori e potrebbero viaggiare a 15 km a / h .
Diretto per la prima volta da Tom Clancy nel suo romanzo di spionaggio The Hunt for Red October , la modalità di propulsione MHD è stata successivamente svelata al grande pubblico nell'adattamento cinematografico del romanzo In Pursuit of Red October nel 1990.
Propulsione a getto: secondo un principio simile a quello dell'aereo a reazione , le bolle di gas vengono espulse in un ugello; l'espansione del fluido così provocata produce una spinta in avanti. Il gas può essere prodotto sia dall'aria compressa che dalla reazione chimica dell'acqua con un "carburante" come il sodio o il litio . I risultati ad oggi non sono molto incoraggianti a causa della bassissima efficienza, della pericolosità dei prodotti utilizzati e della necessità di un sistema ausiliario per l'avvio.
Propulsione tramite pinna, sbattimento o oscillazione dell'aliscafo. Gli esperimenti su sottomarini da corsa a propulsione umana stanno dando sempre più risultati soddisfacenti.