Cos'è un dispositivo di risparmio energetico dell'elica?

A dispositivo di risparmio energetico dell'elica (ESD) è un appendice idrodinamica ausiliaria installata vicino all'elica di una nave - davanti, dietro o direttamente su di essa - che migliora l'efficienza della propulsione ottimizzando la distribuzione del flusso d'acqua, riducendo le perdite di energia rotazionale nella scia dell'elica o recuperando energia che altrimenti verrebbe dissipata sotto forma di turbolenza. Questi dispositivi non sostituiscono l'elica; lavorano in combinazione con esso per estrarre più spinta dalla stessa potenza dell'albero, riducendo così il consumo di carburante e le emissioni di scarico senza alcuna modifica al motore principale o all'elica stessa.

Sulle grandi navi commerciali come petroliere, navi portarinfuse e navi portacontainer è possibile ottenere dispositivi di risparmio energetico ben abbinati risparmio di carburante dal 3 al 10% , che si traduce in milioni di dollari durante la vita operativa di una nave. Data la pressione normativa dei requisiti dell’indice di efficienza energetica delle navi esistenti (EEXI) e dell’indicatore di intensità di carbonio (CII) dell’Organizzazione marittima internazionale (IMO), gli ESD sono diventati uno degli strumenti di conformità più convenienti a disposizione degli armatori.

Perché esistono le perdite dovute alla scia delle eliche e come le ESD le affrontano

Un'elica convenzionale impartisce all'acqua che sposta sia velocità assiale (spinta in avanti) che rotazionale (vorticosa). La componente rotazionale - la "rotazione della scia" dietro l'elica - rappresenta l'energia che è stata consumata dal motore ma non ha contribuito alla spinta in avanti. Si perde semplicemente come turbolenza vorticosa nella scia dell'elica. Inoltre, la distribuzione non uniforme della velocità della scia della nave che entra nel disco dell'elica crea fluttuazioni di pressione che riducono l'efficienza e contribuiscono alla cavitazione.

I dispositivi di risparmio energetico affrontano queste perdite attraverso tre meccanismi:

• Precondizionamento del flusso: I dispositivi di pre-swirl installati davanti all'elica ruotano l'acqua in entrata nella direzione opposta alla rotazione dell'elica, aumentando di fatto l'angolo di attacco relativo di ciascuna pala e migliorando la generazione di spinta per giro.
• Recupero energetico della scia: I dispositivi post-swirl (bulbi del timone, alette del cappuccio dell'elica) recuperano l'energia rotazionale nella scia dell'elica convertendo la scia vorticosa in ulteriore spinta in avanti attraverso alette fisse o superfici di guida.
• Equalizzazione della scia: Le alette dello statore o i condotti di equalizzazione della scia ridistribuiscono il campo di velocità non uniforme che entra nel disco dell'elica, riducendo i carichi fluttuanti delle pale e la cavitazione che riducono sia l'efficienza che la durata delle pale.

Principali tipi di dispositivi per il risparmio energetico dell'elica

Statore di pre-turbolenza (PSS)

Uno statore di pre-turbolenza è un insieme di alette fisse montate sul mozzo di poppa o sul mozzo dell'albero dell'elica davanti all'elica. Le alette sono angolate per imprimere un vortice controrotante all'acqua che entra nel disco dell'elica, aumentando l'angolo effettivo di incidenza dell'acqua sulle pale dell'elica e migliorando la potenza di spinta. I tipici risparmi di carburante sono dal 3 al 6% su recipienti a vite singola. Il PSS è uno dei tipi ESD più ampiamente installati grazie alla sua semplicità strutturale e alle prestazioni affidabili in una vasta gamma di correnti e velocità operative.

Condotto di equalizzazione della scia (WED)

Un condotto di equalizzazione della scia è un condotto anulare parziale o totale montato davanti all'elica nella regione non uniforme della scia della nave. Il condotto accelera l'acqua che si muove lentamente dalla regione della scia superiore e decelera l'acqua inferiore che si muove più velocemente, equalizzando la distribuzione della velocità attraverso il disco dell'elica. Ciò riduce la cavitazione, le vibrazioni e il rumore migliorando al tempo stesso l'efficienza propulsiva dal 3 al 5% . I WED sono particolarmente efficaci su navi a pieno formato (cisterne, navi portarinfuse) con velocità di progettazione lente e scie fortemente non uniformi.

Alette del cappuccio dell'elica (cappuccio del mozzo dell'aletta di spinta)

Le alette del cappuccio dell'elica sostituiscono il tradizionale cappuccio del mozzo dell'elica con un'unità dotata di alette fisse che reindirizzano il vortice del mozzo: un flusso rotante concentrato che si forma dietro il mozzo dell'elica e rappresenta pura perdita di energia. Spezzando questo vortice e recuperandone l'energia rotazionale come spinta aggiuntiva, i dispositivi Cap Fin consentono di risparmiare carburante Dall'1 al 4% con minime modifiche strutturali. Sono uno dei tipi ESD più facilmente aggiornabili, poiché richiedono solo la sostituzione del cappuccio dell'elica esistente.

Bulbo e pinne del timone

Un bulbo del timone - un ellissoide aerodinamico montato sul bordo d'attacco del timone all'altezza della linea centrale dell'elica - uniforma il flusso dal vortice del mozzo dell'elica sulla superficie del timone, riducendo la resistenza. Combinato con le alette del timone attorcigliate, il dispositivo recupera anche l'energia della scia rotazionale. Questo sistema combinato consente un risparmio di carburante di dal 4 al 6% e ha l'ulteriore vantaggio di migliorare la forza di sollevamento del timone, che può ridurre i requisiti di area del timone o migliorare la manovrabilità.

Alette del cappuccio del boss dell'elica con combinazione pre-turbolenza

Molte moderne installazioni ESD combinano più dispositivi, ad esempio uno statore di pre-turbolenza davanti all'elica accoppiato con un'aletta di protezione dietro di essa, per gestire contemporaneamente sia la qualità del flusso in entrata che il recupero dell'energia di scia. Le installazioni combinate possono raggiungere un risparmio totale di carburante di dal 5 al 10% , con la combinazione specifica scelta attraverso l'analisi fluidodinamica computazionale (CFD) per ogni singola configurazione di scafo ed elica.

Tipi, posizioni e risparmi tipici di carburante ESD

Quali navi traggono maggior vantaggio dai dispositivi di risparmio energetico

Il vantaggio di risparmio energetico di un ESD non è uniforme per tutti i tipi di imbarcazioni: dipende dalla forma dello scafo, dalla velocità di progetto, dal carico dell'elica e dalle caratteristiche della scia. I guadagni più elevati si ottengono generalmente su:

• Grandi navi cisterna e portarinfuse (VLCC, Capesize): I loro scafi a forma intera producono scie fortemente non uniformi, a movimento lento, con un’elevata perdita di energia rotazionale: le condizioni che le ESD sono più efficaci nell’affrontare.
• Navi portacontainer e navi da carico di grandi dimensioni: Livelli elevati di potenza all’albero significano che anche un miglioramento dell’efficienza del 3–5% rappresenta un risparmio assoluto di carburante molto elevato: l’incentivo commerciale è forte.
• Navi che operano a una velocità di progetto stabile per viaggi lunghi: Gli ESD sono ottimizzati per una velocità e un pescaggio specifici: le navi che operano costantemente vicino al punto di progettazione ottengono il pieno vantaggio nominale, a differenza delle navi con profili di velocità altamente variabili.