Precisazioni sulle eliche by Franco Donno [pag. 8]

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.

A me, che non sono un tecnico, risultano molto interessanti le osservazioni.
L'uguaglianza: basso regresso = carena scorrevole è una "verità" venduta da molti con gran naturalezza e semplicità.
Eh si, questo post mi ha proprio offerto diversi elementi di riflessione e fatto venire qualche "sano dubbio".
Grazie all'ing. Donno.

wow!

Grazie Franco per queste "chiacchere"!

Magari le lezioni all'università fossero state tutte così interessanti


Una domandina;
la scelta dell'elica "giusta" (dipendente quindi dalle condizioni "contrattuali" ovvero quelle più comuni al nostro "andar per mare"), non sarà, come nel caso dell' 'AM JP24 Nato' quella dal passo maggiore ma dalla minore superficie ma al contrario quella di passo minore ma superficie maggiore?
Se ho capito qualcosina (e non ci scommeterei più di 1€ ) il problema della resistenza dovuta all'eccesso in superficie dell'elica è tanto più marcato tanto più alta è la velocità di rotazione della stessa, quindi in condizioni di crociera (manetta sotto il 100%) a scapito di una mancita di nodi (35.88 -->32,7) si risparmia una manciata di litri/ora (passando da 54,3 a 46,8 litri/ora) cosa -a mio avviso- ben più importante.

saluti e complimentissimi per la fantastica "rubrica",
Ernesto

miiiiiiii che mitico post nn sapevo della sua esistenza
fighissimo

mo mi stampo i bigini e me li metto in libireria a fianco del libro che adora mio figlio
missili con propulsione a razzo

..........

....certo che a quest'ora,capire un poco i grafici e cercare di "interpretare", per un persona "non addetta ai lavori" e'...

......

...grazie!

Mamma mia!!!!!!!!!! C'era aperta una discussione del genere ed io che non ne sapevo nulla! Franco Donno in persona che ci illumina sugli affascinanti segreti della fisica nella nautica. Grazie Franco di tutto cuore!

Citazione:

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.

ci rifletto....

L'informazione è fondamentale: grazie al bigino mi sto impossessando (ma di sicuro non sono il solo) di alcuni strumenti che permettono di giudicare meglio i prodotti e di non limitarsi all'estetica o alla pubblicità commerciale.

ma mi domando, in qualità di semplici consumatori, quali strumenti abbiamo in mano per potere valutare questi aspetti? come facciamo ad avere questi dati? e quali dati è essenziale conoscere prima di un acquisto? (senza arrivare ai disegni delle eliche...che, almeno io, non sarei in grado di interpretare)

Per ER BALENA
Ciao Er Balena, a parte l’ora credo di anche di capire che le mie spiegazioni non sono sufficentemente chiare.
Questo è proprio il tipo di segnalazione che mi è utile per “correggere il tiro” e vedrò se riesco a migliorare.
OK ?

Per CHOPPER8
Ciao Ernesto,
ottime considerazioni; la scelta dell’elica “giusta” andrebbe fatta avendo deciso il tipo di navigazione che si vuole fare, come la “manciata di nodi” che non si useranno, e le condizioni del mare nel quale lo si farà ma per questo prima dell’elica bisognerebbe poter scegliere lo scafo “giusto” con le caratteristiche prestazionali, carena ed altro, per quel tipo di uso e qui ti rimando anche alla risposta a Gommoa che sarà in arrivo fra poco.
Generalizzando e come dato di base frena più potenza un eccesso di superfice che un eccesso di passo e quando si è su rapporti peso/potenza intorno a 10/12 Kg/Hp la superfice delle eliche 3 pale in commercio, specie di quelle con minor passo e maggior diametro risulta generalmente più che sufficente se non eccessiva.
Se riguardi nei disegni, quelli relativi ai due passi e quelli più sotto a 3000 e 4000 giri, la variazione dell’incidenza dell’angolo ALFA cambia con il variare di giri e velocità noterai alcune evidenze:
1 - il valore del consumo varia in modo abbastanza correlato con il variare dell’incidenza. Il consumo è maggiore se l’incidenza diventa troppo piccola o troppo grande.
2 - ai massimi giri la 19 consuma di più per un incidenza troppo piccola ed assorbe la maggior percentuale di energia con la superfice. (vai anche a rivederti il disegno a pag.3 ; 0° di incidenza minima resistenza e nessuna portanza - 90° di incidenza massima resistenza e nessuna portanza)
3 - con lo scendere dei giri l’incidenza aumenta, per la 21” 7,37° a 4000 giri e16,009° a 3000 e il gradiente dell’incidenza va crescendo con il decrescere dei giri. Svilupperò meglio il concetto più avanti nel bigino comunque questo crescendo di incidenza ha un rateo minore nella 19” e, come vedrai dai dati che troverai nelle future parti, il consumo che a giri alti era inferiore con la 21” scendendo di giri diventa inferiore per la 19”.
4 - ho letto in un post, non so se sul “nostro” forum o “l’altro”, affermare anche con una buona dose di arroganza che per consumare meno a velocità più basse bisogna usare un’elica di passo lungo rinunciando a prendere tutti i giri ed ad un pò di velocità massima. Una specie di “overdrive” di una volta.
I dati e le realta tecniche smentiscono anche questa leggenda metropolitane che gira nella nautica.

La differenza di consumo che riporti, 54,3 a 46,8, è notevole ma non è poi così rilevante se riferita al rapporto consumo/tempo di percorrenza, cioè alle miglia per litro perchè la differenza vera è:
0,677 litri/ora x 35.88 nodi - elica da 21”
0,683 litri/ora x 32,70 nodi - elica da 19”
La valutazione del consumo meglio farla come valore non assoluto ma specifico, cioè col rapporto consumo/ spazio percorso.

Per GOMMOA
Tu hai messo il dito sul problema dell'informazione, uno dei più grossi punti dolenti del settore, forse il più grosso, .
Vedrò di spiegare il mio parere ma le risposte alle tue domande precise ed importanti devono essere ben articolate perciò mi prendo un pò più di tempo per prepararle.

Per CHOPPER8
Scusa ho invertito i dati.
Quelli giusti sono:
0,683 litri/ora x 35.88 nodi - elica da 21”
0,677 litri/ora x 32,70 nodi - elica da 19”
Franco.

donno ha scritto:

I dati e le realta tecniche smentiscono anche questa leggenda metropolitane che gira nella nautica.

Non so se dico una castroneria ma ai dati che hai già fornito andrebbe aggiunto anche il maggior consumo derivante dalla minor spinta in fase di accelerazione iniziale, che poi e quella che provoca la planata, che con un elica "lunga" o a 4 pale è sicuramente di minor efficacia....