Precisazioni sulle eliche by Franco Donno [pag. 22]

https://excalibur-marine.co.uk/Htech_brochure2011.pdf

Bravo Grande Ing. F.Donno, noto che il pattino di prua si allunga qualche ventina di centimetri, il tutto avrà come sempre il suo perchè !!!!!!!!!!!


L'importante è ricredrersi, dato che dalla lettura del Noto libro Il Gommone mi risulta che.. "il progettista franco donno, che all'epoca odiava gli Idrogetto, fu rapidamente conquistato alla causa...................." ma evidentemente data la continua evoluzione dei suoi progetti sembra restare la più adatta alle sue carene, collaudati per la prima volta su dei mitici RH1000, dato che l'unico cantiere costruttore di battelli pneumatici che accolse l'idea della propulsione Idrogetto fu proprio la mitica NOVAMARINE appunto con L'RH1000 !!

Anche se trovano il tempo di farsi riconoscere offrendo su forum o riviste qualche imperdibile gioiello della loro" profonda conoscenza" ritengo una grande perdita per il settore che quelli che dicono di sapere veramente come calcolare, fare o, in particolare, valutare carene e propulsori si siano stranamente dedicati ad altri mestieri (redigere bilanci, compilare atti burocratici, fare caffè e pasticcini, vendere scarpe, etc.) e che altrettanto stranamente rifuggano sempre di confrontarsi pubblicamente magari presentando lavori nei congressi tecno-scientifici o dando il loro risolutivo contributo a qualche affermato centro di ricerca e progettazione.

Quanto sostieni è vero, purtroppo, in molti settori, non solo quello nautico!
Non ho però chiaro se la tua affermazione si riferisce al post che precede il tuo.

Anche a quello che precede il mio ma non solo.
E' vero, anche in altri settori, ma in alcuni settori della nautica nel senso sul quale credo abbiamo idee simili hanno raggiunto "il sublime".
Credo piacerebbe anche a te vedere le cose descritte in qualche "striscia" del "nostro" (posso dire così ?) Charles M. Schulz !

Rincontrarti è piacevole.
E non è piaggeria.

donno ha scritto:

1 - “anche il vetro è un fluido” ??? !!!!
Prima di tutto una curiosità: lo schermo di vetro del tuo monitor ti sembra un fluido ?
Come classificazione scientifica (che è fatta consideranto la materia in esame al suo STATO NATURALE) il vetro è un materiale SOLIDO e amorfo che si produce facendo SOLIDIFICARE del diossido di silicio abbastanza rapidamente da non dar tempo al composto vischioso (reso tale da un forte riscaldamento) di aggregarsi in una regolare struttura cristallina.
Un SOLIDO, non un FLUIDO, che può esser reso fluido con l’immissione di energia, in questa fattispece sotto forma di calore ma questo non è, ovviamente, il suo stato naturale.

Mi sono imbattuto in questo topic, datato nella sua apertura ma "evergreen" per i contenuti, esposti in modo magistrale per chiarezza e completezza.

Anch'io ricordavo che il vetro appare come solido ma la sua struttura non cristallina (amorfo appunto) lo mette un po' nel mezzo fra i liquidi e i solidi (mi ricordo di aver letto che lo spessore alla base dei grandi vetri della antiche cattedrali è maggiore rispetto alla sommità per motivi legati alla deformazione nel tempo); ho provato a cercare e ho trovato, fra l'altro, questo contributo che posto naturalmente senza nessuna polemica (ci mancherebbe altro, sono un nano come ingegnere rispetto a Donno):
OT

La descrizione del vetro come un fluido ad alta viscosità fa parte di una tradizione didattica più che scientifica che, apparentemente, sembra dura a morire. Tecnicamente parlando, in effetti, non vi è nulla di errato nel trattare un vetro come un fluido fortemente viscoso. Tuttavia, come il nostro utente fa notare, la descrizione in sé genera dubbi e perplessità se letta senza ulteriori spiegazioni.

La questione di fondo è legata al fatto che il vetro, macroscopicamente ed empiricamente, appare come un solido, con forma e volume ben definiti. Tuttavia, da un punto di vista microscopico, la sua struttura differisce in modo profondo da quella di un solido cristallino, essendo caratterizzata dall'assenza di ordine traslazionale. In un solido (un metallo, un sale, un ossido) noi possiamo infatti sempre individuare un piccolo numero di atomi o di ioni la cui organizzazione nello spazio può venire replicata attraverso una serie di traslazioni nello spazio su distanze multiple di una certa quantità. Questo non accade invece nel caso dei vetri, la cui struttura disordinata li rende microscopicamente più simili ad un liquido.

Se allora l'aspetto microscopico di un vetro è simile a quello di un liquido mentre il suo aspetto macroscopico lo rende un parente stretto di un solido, perché descriverlo come un liquido fortemente viscoso e non come un solido fortemente disordinato? La ragione di fondo è che, a ragionarci su meglio, la definizione di solido riportata dal nostro lettore, anche se molto classica, è in effetti debole, quando meglio analizzata. Distinguere i tre stati della materia sulla scorta di concetti come forma e volume, così auto-evidente ad una prima occhiata, va facilmente in crisi ad un secondo sguardo. Se liquidi e solidi avessero davvero volumi propri, questo vorrebbe dire che le loro compressibilità sono nulle – cosa ovviamente non vera. E altrettanto non vero è che i solidi hanno una forma propria, essendo i solidi caratterizzati da moduli elastici finiti – e molti di essi da deformabilità plastica. La netta distinzione qualitativa si dimostra insomma una differenza quantitativa, con linee di separazione più sfumate e meno definibili di quanto si potrebbe volere. Una prima, buona ragione per far prevalere le considerazioni microscopiche su quelle macroscopiche.

Una seconda, ottima ragione per trovare conveniente parlare di vetri come di liquidi viscosi ce la fornisce la termodinamica, che come sempre ha il merito di raccordare il mondo macroscopico con quello microscopico. Un vero solido, quel che ne sia la natura chimica, purché scaldato ad una temperatura sufficientemente alta transisce allo stato liquido. Tale transizione di fase (fusione) ha luogo ad una temperatura ben definita per ogni valore di pressione. E, fintanto che tutta la fase non transisce da solido a liquido, la temperatura della fase rimane fissata e costante alla temperatura di fusione. Questo non accade invece nei vetri, che si trasformano, con continuità e in un intervallo di temperatura finito, da vetri a liquidi ordinari. E altrettanto fanno i liquidi, raffreddandosi nel processo di vetrificazione. Tutte le loro proprietà macroscopiche, compresa la viscosità da cui prende le mosse questa breve discussione, si modificano gradualmente – come non accade nei solidi che fondono, dove invece la viscosità si modifica discontinuamente al punto di fusione.

L'insieme di queste (e di molte altre analoghe considerazioni) pienamente giustificano l'idea, apparentemente bizzarra, che i vetri siano più simili a liquidi straordinariamente viscosi che non a solidi.

Dario Narducci
Dipartimento di Scienza dei Materiali, Università di Milano Bicocca
Fine OT

donno ha scritto:

Bevuto il caffè e fatta la metabolizzazione si può ripartire.

Elica, scafo, motore e carburante interagiscono e si influenzano; il carburante fornisce l’energia potenziale disponibile, il motore mette la potenza utile, l’elica trasforma la forza in spinta e lo scafo che oppone la resistenza sono 4 sottosistemi da connettere in una struttura unitaria il più congruente possibile. Il 5° sottosistema è la vocazione o le vocazioni d’uso che devono essere soddisfatte ed anche questa parte deve “fare squadra” armonizzandosi con le altre tre così come deve fare squadra il 6° sottosistema, quello delle “qualità calde” cioè la parte estetica ed emozionale con le sollecitazioni simboliche della tipologia prestazionale, del valore, della possibile soddisfazione d’uso.
(NOTA 1 - Un parametro di giudizio veramente trascurato, del produttore nel decidere il prodotto e del compratore nello scegliere, riguarda l’influenza, positiva o negativa, che la definizione estetica esercita adeguandosi o prevaricando le necessità che dovrebbero essere specificamente tecniche. Un che sarebbe veramente da sviscerare e dibattere. Un esempio. L’elica lavora tanto meglio quanto più il flusso che gli arriva è regolare e seza vorticosità. La rugosità del marchio inciso sul mozzo come nell’elica della foto certo non è la scelta migliore)

Come visto in precedenza per il guidone di prua con il vento della corsa e quello laterale adesso i due vettori di flusso principali sono quelli della velocità di avanzo dello scafo “Va” e della velocità di rotazione dell’elica “VRe” che interagendo originano la risultante “VRf” con velocità superiore ad ognuna delle due singole velocità generatrici. Questo flusso risultante e la sua maggiore velocità è quello nel quale l’elica agisce per generare la quantità di moto necessaria a spingere l’imbarcazione.

Per continuare fornendovi anche un possibile protocollo di analisi utilizzabile per le vostre future prove e scelte uso come riferimento i riscontri sperimentali del semirigido militare AM JP24 Nato destinato al servizio classificato “fast response”, reazione rapida, scafo sul quale sono stati fatti rilievi precisi e sistematici dei vari dati prestazionali.
Uso questo modello anche perchè la variabilità dei carichi d’uso lo assimila a quelle dei mezzi da diporto e perchè, essendo un mio progetto posso parlarne con piena cognizione.

Queste le sue caratteristiche principali.
Lunghezza max. 7,680 m.
Larghezza max. 2,720 m.
pescaggio max: 0,512 m. (a pieno carico e propulsione idrogetto)
Ø max. tubolari 0,562
Rapporto larghezza max/diametro tubi 4,84
Volume tubolari 3,44 m3 diviso in 10 camere separate.

dislocamento a pieno carico operativo ed armamento:
Senza equipaggio 2,18 ton. per versione fuoribordo
Motore versione fuoribordo: Yamaha F225
Con equpaggio 2 persone per prove a carico minimo 2,359 ton.
(NOTA 2)
dislocamento relativo a 2,359 = 260,02 (NOTA 2)
Coefficente volumetrico a 42,3 knts = 6,11
Fattore di propulsione = 197,39
Rapporto peso/potenza al dislocamento di prova: 10,48 kg/hp
Queste le richieste progettuali più caratterizzanti:
Possibilità di navigazione a 1/2 carico e 1/3 di potenza anche con tubolari completamente sgonfi.
Velocità massima contrattuale richiesta di almeno 38 nodi raggiungibile e mantenibile con stato del mare 3 (sea-state 3 secondo la scala USCG) e con vento di prua fino a 30 nodi.
Accelerazioni verticali istantanee a carico minimo non superiori a 1,15 G al baricentro statico e non superiori a 1,75 G a 80% L (prua). (NOTA 3)
Velocità di crocera continuativa a 80% dei giri max motore di almeno 28 nodi.
(NOTA 2 - Il dislocamento totale e quello relativo nelle condizioni in cui viene testato sono essenziali per una valutazione attendibile di uno scafo e delle sue prestazioni mentre la loro mancanza può creare conclusioni fuorvianti. Se sono previsti carichi molto variabili (persone e cose), come in questo caso e come normalmente è il caso dei semirigidi da diporto, un “test” degno di questo nome dovrebbe presentare anche la verifica della buona o cattiva attitudine dello scafo alle variabili possibilità d’uso promesse con i valori di portata massima dichiarati.)
(NOTA 3 - I salti dovuti alle onde provocano anche una rotazione in senso longitudinale e le accelerazioni verticali che derivano sono maggiori quanto più il punto di misura è lontano da centro “virtuale” di questa rotazione.
La piccola differenza dei valori al baricentro ed a prua imposta contrattualmente indica charamente la richiesta di uno scafo senza tendenza a “fare cerniera”, come dire uno scafo più marino e confortevole.)

Tornando all’AM JP24 la velocità massima (media di 10 passaggi nelle condizioni di mare contrattuali e con vento contrario di 20/22 knts) è stata verificata con 2 diverse eliche in acciao della serie Yamaha M SST, una 19” x 14 3/4 ed una 21” x 13 3/4, piastra anticavitazione 16 mm. sotto il filo della carena e trim positivo di 1° circa.
Per la 19” la velocità max è di 42.3 nodi @ 6100 rpm e di 32,7 @ 5000 rpm ; per la 21” è di 42,1 @ 5700 rpm e 35,8 @ 5000 rpm; (queste velocità nei disegni sono esposte in metri al secondo per necessità di correlazione e sono SENZA tener conto della velocità reale del flusso “Va” sotto la carena perchè con le linee d’acqua definite la differenza massima rilevata è stata inferiore a 1% ).
Con questi valori possiamo analizzare quello che succede sott’acqua con riferimento all’elica ed al suo lavoro iniziando dalla forza di spinta in kg. prevista come necessaria per spingere quello scafo con quel peso, a quella velocità e in quello stato del mare forza che i calcoli di progetto hanno definito in 460/470 kg. per la condizione di minimo carico ed in 645/658 kg. per la condizione di massimo carico, valore quest’ultimo con un incremento proporzionalmente limitato perchè, per l’ampia variazione fra i due estremi di dislocamento, la carena è stata ovviamente ottimizzata (attitudine dello scafo alle prestazioni d’uso come detto nella NOTA2) con molta cura nella attidudine alla versatilità particolarmente intorno alla condizione di massimo carico, cioè di massima resistenza e consumo di carburante.
Prima di proseguire guardate i disegni qui sotto.

Con l’elica da 19” x ø14 3/4 (375 mm.) la superfice proiettata delle pale è di circa 614 cm2 con un carico per ogni cm2 di superfice delle pale di 0,736 kg e un carico di 0,37 hp/cm2;
La velocità radiale al max. diametro ed ai 6100 giri raggiunti è di 59,8 m/sec. mentre agli stessi giri la velocità al 70% del raggio è di 41,8 m/sec.
Con l’elica da 21” x ø13 3/4 (350 mm.) la superfice proiettata delle pale è di circa 530 cm2 con un carico per ogni cm2 di superfice delle pale di 0,852 kg e un carico di 0,42 hp/cm2.
La velocità radiale al max diametro ed ai 5700 giri raggiunti è di 52,2 m/sec. mentre agli stessi giri la velocità al 70% del raggio è di 36,5 m/sec.
Le velocità radiali dell’elica sono riferite ai giri motore ridotti da un rapporto di riduzione dei giri/elica che nel motore usato è di 0,5.
I parametri di carico in kg/cm2 e di velocità max tangenziale rientrano nei valori usuali ed accettabili per questi tipi di eliche con solo la velocità di 59,8 m/sec al massimo diametro dell’elica da 19” che è molto vicino ai 65/70 m/sec , velocità che per eliche subcavitanti non sarebbe da superare per evitare problemi di centrifugazione e di cavitazione.
(NOTA 4 - ricordate, pag. 7 del bigino, la forza che la pala sviluppa, la portanza, cresce esponenzialmente con la velocita “VRe”, velocità che dipende anche dal diametro dell’elica e proprio il diametro è il primo parametro che si definisce per calcolare un’elica.
Nei fuoribordo o entrofuoribordo il diametro è prefissato, bisogna prendere quello che c’è anche senza poter scegliere il rapporto passo/diametro.
Molti fuoribordo di potenze diverse (anche del 25% !) hanno lo stesso piede, lo stesso rapporto di riduzione e la stessa scelta di eliche; un limite che può in molti casi portare a livellare i risultati prestazionali tra quello più potente della serie e quello meno potente restando per quest’ultimo il minor consumo e il minor costo per l’acquisto a fronte, con una buona carena, di prestazioni dello stesso livello. Consiglio di rifletterci sopra.
Per i progetti destinati ad usare eliche prefissate bisognerebbe (ed uso il condizionale) calcolarsi bene le possibili prestazioni delle varie alternative di eliche e poi studiare le carene che possono utilizzarle al meglio ma non risulta sia una pratica molto frequentata; la maggior parte delle volte che ho chiesto i disegni delle eliche per studiarmele non li ho avuti con conclusioni tipo “cosa se ne fa ? non li chede nessuno” o cose del genere.
Per questo prima ho usato il condizionale e forse anche per queste richieste passo per uno fissato, un pò “strambo”.)

Con i valori numerici che abbiamo possiamo costruire i relativi grafici vettoriali per analizzare il lavoro dell’elica ricavando come primi valori la velocità del flusso “VRf” che è quello nel quale l’elica agisce e l’angolo di incidenza con il quale la pala lo incontra.

Ricavati questi due primi dati passiamo alla seconda tavola dove in alto ci sono gli sviluppi riferiti alla condizione della velocità massima riscontrata e in basso gli sviluppi riferiti alla condizione della velocità di crociera continuativa richiesta. Adesso abbiamo il materiale necessario per ricavare un pò di osservazioni e conclusioni.

Prima osservazione; il regresso GEOMETRICO, cioè quello ricavabile con il calcoletto della “vite umida” è pari a 11,2% per l’elica da 19” ed a 14,5% per la 21” mentre i valori di consumo orario sono di 83,94 litri per la 19” e di 73,82 per la 21”, cioè la 21” con un regresso geometrico maggiore del 30% a quello della 19” ha un consumo inferiore del 13,7% (circa 15€/ora in meno) a pari velocità raggiunta.
So che mi ripeto ma, repetita juvant, lo faccio lo stesso.
Prima osservazione.
Quando in qualche prova leggerete ancora “ ........ e il BASSO regresso è indice di una buona scorrevolezza della carena” ricordatevi:
- che qui abbiamo due regressi geometrici diversi ma la carena è la stessa.
- che con il regresso più BASSO a pari velocità il consumo è più ALTO, cioè
otteniamo lo stesso lavoro dovendo immettere più energia nel sistema.
Forse adesso vi è più chiaro perchè con certe “prove” mi è capitato di parlare di regressi ridicoli e forse adesso, su “prove” del genere potrete farvi venire qualche sano dubbio.
Seconda osservazione. A 5000 rpm. la velocità è di 32,7 nodi con un consumo di 48,3 l/ora per la 19”, di 35,8 con un consumo di 52,4 l/ora per la 21”. I consumi delle con le due eliche si sono avvicinati e controllando vediamo che anche gli angoli ALFA di incidenza della pala rispetto al flusso “VRf “, angoli di 4°,216 per la 19” e di 4°,910 per la 21” si sono avvicinati rispetto alla grossa differenza tra quelli di 2°,87 per la 19” e di 4,129 per la 21” rilevati alla velocità massima ed alla grossa differenza di consumo.
Da questi dati ricaviamo che il MINORE rendimento (rapporto energia introdotta/lavoro ottenuto) corrisponde al MINORE angolo ALFA di incidenza che in altre parole ci insegna a non considerare un regresso geometrico BASSO come un valore positivo e desiderabile ma di pensare in termini di regresso troppo basso, troppo alto o di regresso giusto, naturalmente giusto per uno specifico sistema scafo-motore-elica.
Terza osservazione.
Per l’elica da 19” i dati numerici alla velocità massima evidenziano che la quantità maggiore di potenza del motore è assorbita dalla resistenza di avanzamento delle pale, cioè la resistenza di rotazione, e in misura minore a generare quantità di moto per spingere; uno scadente rapporto portanza/resistenza. Vedi pagina 3 del bigino.

Completo l’esposizione delle informazioni esposte con le risultanze di altre verifiche.
Una prova con la 21” ha dato a 4700 rpm una velocità di 33,4 nodi con un consumo di 46,9 - il rapporto velocità/consumo in sostanza è lo stesso, anche se a 300rpm in meno, di quello ottenuto con l’elica da 19”.
Nelle eliche frena più giri un eccesso di superfice delle pale che un eccesso di passo e nelle 2 eliche usate valori di carico in kg e di hp per ogni cm2 di superfice delle pale sono abbastanza lontani da quelli dei limiti tecnicamente accettabili allora, con l’elica da 21” ho fatto una prova non ufficiale, la fornitura delle imbarcazioni doveva essere fatta con materiali e parti standard normalmente reperibili come ricambi, diminuendo la superfice al bordo di uscita di circa il 7,5% all’intorno del 70% del raggio e creando un piccolo flap (quello usualmente chamato “orecchietta”) più altre piccole cose nel bordo d’entrata vicino al mozzo.
Questi i risultati sempre rilevati nelle stesse condizioni di mare:
Velocità max 44,8 @ 6050rpm, consumo 74,7, angolo GAMMA 31,212, angolo ALFA di incidenza della pala sul flusso “VRf” 4,231.

Avevo scritto in precedenza “... spero di riuscire ad essere abbastanza chiaro perchè le cose si complicheranno ancora”.
Se fino a qui ci sono riuscito e qualcosa vi ho dato ne sarò contento, se non sono riuscito, beh, siete autorizzati a “sput****rmi. Un pò volgare ma in linea con i tempi.

Continua ..................
Ciao a tutti.
Franco.

Salve stavo studiando quanto scritto sapientemente dall'Ing. Donno.
Per mia ignoranza non riesco però a ricavare le formule matematiche per il calcolo:
- della superficie proiettata da una pala
- del passo effettivo indicato nell'ultimo disegno...

Qualcuno mi sa aiutare???
Grazie

salve ingegnere,ma quel natante visto dall'alto non e' un lomac 6000 idrodelta e il 21 hi.tech una sua evoluzione?
come possessore del primo battello le rivolgo questa domanda per esprimere soddisfazione di quel carenone che ha fatto storia su diversi battelli,
grazie. saluti

Sul passo effettivo non mi trovo con i numeri riportati.
Per l'elica da 19" la velocità di avanzamento è di 42.3 nodi (21.7 m/s) a 6120 rpm (102 rps). Dividendo si ha: 21.7/102= 0.212 m = 212 mm invece di 428 mm riportati....
Sicuramente sto sbagliano io qualcosa...

Nei primi interventi roby.vbi chiese di articolare una “... pubblicazione sufficientemente tecnica ma comprensibile anche a normali utenti del forum”, richiesta sensata e condivisibile che mi fece premettere che “... devo necessariamente super-semplificare e che, specie nelle cose tecniche e scentifiche, le semplificazioni sono sempre pericolose.
A dire anche che avrei cercato “.. di muovermi intorno all’arte del possibile e comprensibile“.
Convinto che se certi produttori avessero dei capannoni di vetro molti utenti abbandonerebbero la nautica per l’alpinismo ci ho messo dentro anche il temerario tentativo di smascherare qualcuna delle tecno-eresie esistenti ed i narcisismi dei loro profeti.

Tornando al vetro.
- Ritengo che proposta in un’esposizione di nautica divulgativa, perciò che non dovrebbe esibire problematiche proprie di ambienti accademici specificamente impegnati, la questione si riduca ad un dibattito di sola tassonomia o explicatio definitionis che potrebbe forse rischiare di portare il sentire comune a convincersi che il vetro debba essere trasportato con un autobotte.

- impegnarsi a sapere se il vetro (e non solo il vetro) sia un materiale nel quale atomi o molecole possono o non possono risistemarsi, magari aggiungendoci i connessi formalismi matematici, mi sembra non utile ma esiziale per la comprensione dell’elica non come vite ma come trasformatore di energia meccanica in quantità di moto.

- nell’argomento trattato l’azione dell’elica nel fluido interagente comporta temperature, forze e durata di applicazione delle stesse significativamente lontane da quelle nei quali il vetro (e non solo il vetro) evidenzia osservabili “da fluido”.

Questo il mio pensiero al riguardo.

Boh?