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STUDIO DI SOLUZIONI INNOVATIVE PER L’AZIONAMENTO DI PINNE STABILIZZATRICI�IN APPLICAZIONI NAVALI

Candidato: Mirco Berrutti

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI GENOVA

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

Relatore: Chiar.mo Prof. Paolo Pozzobon

Correlatori: Chiar.mo Prof. Sandro Bertini

Dott. Ing. Marina Fracchia

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Introduzione

La tesi si colloca in un progetto di ricerca inserito nel Programma Regionale di Azioni Innovative della regione Liguria PRAI - FESR, cofinanziato dall’Unione Europea a cui partecipano:

CNR (Coordinatore)
Fincantieri
Ansalux
SITEP
Nuova Connavi

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Obiettivi del progetto

Analisi di attuatori di tipo elettromeccanico che sostituiscano il sistema tradizionale di tipo oleodinamico per l’azionamento di:

Timoneria
Pinne stabilizzatrici

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Panoramica dei sistemi antirollio

Alette di rollio
Sistema giroscopico
Casse antirollio
Pinne stabilizzatrici o timoni oscillanti

Dopo aver studiato il fenomeno del rollio nelle imbarcazioni dando dei preliminari sulla statica dei corpi parzialmente e totalmente immersi e analizzando gli interventi che è possibile attuare sui parametri costruttivi della nave per determinare il comportamento dinamico, sono stati passati in rassegna i vari sistemi impiegati nel settore navale per ridurre al minimo l’ampiezza del rollio ed elevare il periodo delle oscillazioni, nonché per rendere più rapida l’estinzione del fenomeno.

Le alette di rollio sono generalmente usate su ogni tipo di nave;

Si tratta di due alette applicate su ambo i lati della carena per circa metà della lunghezza della nave e sono efficaci anche a nave ferma.

Il sistema è realizzato con enormi masse rotanti il cui asse di rotazione viene inclinato per contrastare il rollio e sfrutta il principio fisico del giroscopio

Le casse Frahm si basano sullo spostamento di masse d’acqua da un lato all’altro della nave anche mediante aria compressa o turbopompe

Le pinne stabilizzatrici sono appendici mobili ognuna sistemata su un lato della nave: vengono azionate in modo da subire una variazione dell’angolo di incidenza rispetto alla direzione del moto.

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Funzionamento delle pinne stabilizzatrici

Per effetto idrodinamico le pinne possono assumere un comportamento portante o deportante a seconda della loro inclinazione.

Ogni pinna è soggetta ad una forza la cui componente verticale genera la coppia stabilizzatrice mentre la componente orizzontale rappresenta la resistenza all’avanzamento, che peraltro risulta minima.

Nella prima figura la pressione sulla superficie inferiore è minore a quella sulla superficie superiore.

La spinta netta o portanza e quindi la coppia stabilizzatrice trasmessa allo scafo è funzione di molti parametri come la velocità dello scafo, la superficie alare e l’angolo di incidenza con cui l’appendice incontra il flusso dell’acqua.

Il profilo di moto delle pinne risulterà antisimmetrico tra le due pinne; la movimentazione inoltre avviene in un range di posizioni limitato da definire a priori legato alla forza di portanza o deportanza richiesta.

Passando allo studio della coppia da applicare alle pinne per la corretta movimentazione, si vede che questa è proporzionale alla forza di lift a cui ognuna è soggetta, funzione a sua volta della posizione angolare, velocità e accelerazione e della velocità della nave. L’espressione della coppia resistente che esercita la pinna si può modellizzare come nell’espressione trascurando il termine legato all’accelerazione angolare e quello legato alla velocità di rollio in quanto trascurabili. Il contributo stazionario rappresenta lo sforzo a cui è sottoposta la pinna per effetto idrodinamico. Il contributo non stazionario dipende in modo proporzionale dalla velocità angolare della pinna (dovuto alla massa di fluido da spostare). Guarda altra figurina

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Coppia resistente per l’applicazione specifica�(Pattugliatore NUMC/NUPA)

Profilo di moto angolare sinusoidale
Periodo 6s

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Soluzione tradizionale

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Attuatori innovativi

motore asincrono con riduttore epicicloidale a più stadi;
motore “Torque” accoppiato all’asse della pinna con riduttore con un piccolo rapporto di trasmissione;
motori sincroni brushless ibridi in asse, collegati all’asse mediante riduttore.
motori Torque ad anello ad accoppiamento diretto sull’asse;
due azionamenti elettromeccanici lineari con viti a rulli in sostituzione degli attuali attuatori lineari idraulici

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Riduttore epicicloidale ad alta coppia

Motore asincrono con prestazioni meccaniche particolari analogo a quelli concepiti per azionamenti di robotica pesante concvelocità nominale di 1500 giri/min. Si inserisce un riduttore epicicloidale con una configurazione a 4 stadi con un rapporto di riduzione di velocità di 290 che però presenta problematiche legate ai continui urti ad ogni inversione di rotazione (e quindi rumorosità) per via dei giochi tra le ruote dentate anche se i riduttori sono riduttori speciali a giochi ridotti. Ovviamente questa soluzione presenterebbe gli evidenti vantaggi derivanti dal fatto che il motore ruota ad alte velocità per cui, a parità di potenza la coppia risulta limitata e quindi anche la taglia.

Inoltre si tratta di un motore sicuramente economico,robusto e affidabile.

(problemi legati al controllo)

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Motore coppia ad anello

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Motori sincroni brushless speciali

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Azionamento con viti a rulli

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Magneti superficiali

Magneti annegati

Possibili configurazioni

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Soluzione adottata:�motore coppia ad acoppiamento diretto�Specifiche del motore

1150 [mm]

Diametro esterno statore

0.82

Rendimento

310 [mm]

Lunghezza totale statore

920 [ mm]

Diametro max foro rotore

16000 [Nm]

26000[Nm]

Coppia nominale, velocità 1 rpm, conduzione+convezione

Coppia nominale, velocità 1rpm, raffr. ad acqua

387 [A]

Corrente massima (*)

116 [A]

190 [A]

Corrente nominale a velocità zero

Corrente nominale a velocità zero (raffreddamento ad acqua)

136

Coppie polari

21 [Kgxm2]

Inerzia rotore

0.2 [Wb]

Flusso indotto dai magneti

4.01 [mH]

Induttanze (Ld,Lq)

0.132[Ohm]

Resistenza

sinusoidale

Distribuzione di flusso

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Sistema elettrico

Rete di bordo: 440V, 60Hz
Trasformatore: 440/440V, 10kVA, V_cc=10%
Ponte trifase a diodi: 560V
Condensatore: 20000μF
Inverter trifase a IGBT, modulazione diretta della corrente
PMM ad anello

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Simulazione

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Modello del motore

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Angolo d’attacco della pinna

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Velocità di riferimento e attuale

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Correnti di fase statoriche

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Potenza elettrica

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Coppia elettromagnetica e resistente

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Potenza meccanica

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Conclusioni

Velocità di risposta
Miglior controllo delle oscillazioni
Diminuzione del rumore acustico
Miglior rendimento energetico
Maggior affidabilità
Riduzione manutenzione e LCC