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Hull Vane: un’ala immersa per migliorare le prestazioni degli yacht

Hull Vane è la magica ala che trasforma in spinta propulsiva parte dell’energia generata dall’onda di poppa, riducendo la resistenza all’avanzamento.

Su unità dislocanti o semi-dislocanti mediamente veloci, come possono essere pattugliatori, traghetti, crew boat, ma anche navi portacontenitori e motoryacht, è anche in grado di smorzare i moti verticali durante la navigazione con mare formato, migliorando il comfort di bordo.

Delle ali sott’acqua

E qual è la novità, direte voi? Da oltre 100 anni ci sono gli aliscafi, quelle particolarissime unità che in navigazione, grazie alla portanza generata da quelle appendici al raggiungimento di velocità elevate, emergono completamente dall’acqua. Oggi poi, dopo l’avvento dei catamarani volanti dell’America’s Cup, i “foil”, come si usa dire in gergo, sono diventati oggetti familiari anche nel mondo nautico. Hanno forme più o meno strane e complesse, dimensioni assai variabili, ma pur sempre di ali si tratta.

Esistono poi altri tipi di ali che non fanno volare le barche ma che, comunque, generano una portanza proporzionale alla velocità di avanzamento migliorando sensibilmente le performance. E la portanza altro non è che la stessa forza più o meno verticale (lift) che, agendo sulle ali di un aeroplano, gli permette di volare. Nell’acqua, invece, tende a sollevare la barca.

È evidente che tutto ciò avviene in relazione alla velocità: se questa è insufficiente, l’aereo non vola, così come la barca non si solleva. In quest’ultimo caso, dobbiamo quindi prevedere velocità tra i 15-20 nodi, cioè quelle che caratterizzano imbarcazioni dislocanti veloci e semidislocanti.

Per gli scafi che navigano a velocità superiori ai 25-30 nodi, tali soluzioni non vanno bene, poiché la resistenza che generano diventa maggiore degli effetti benefici offerti.

Quindi, per un motoscafo dotato di carena planante, le ali immerse vanno evitate … a meno non si tratti di quelle studiate appunto per far “volare” la barca. Ma, in questo caso, diventa tutta un’altra storia che introduce temi diversi, come quello dellle velocità minime di navigazione, quello della complessità e delle dimensioni del sistema alare eccetera.

Tra le ali che migliorano le performance di una barca facendola rimanere tale, cioè una barca che non vola e resta in acqua, c’è dunque l’Hull Vane. Si tratta di una grande ala che, posta orizzontalmente sotto la carena, a estrema poppa, è in grado di ridurre la resistenza idrodinamica permettendo di consumare fino al 20{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} in meno rispetto a un’imbarcazione dislocante o semidislocante equivalente.

Il suo funzionamento (spiegato in dettaglio nel box di approfondimento) si basa sulla modifica della distribuzione della pressione sul fondo della carena, modifica che, in combinazione con la forza propulsiva generata dall’ala stessa grazie alla sua particolare forma, posizione e inclinazione, determina una riduzione complessiva della resistenza idrodinamica. In questo modo, Hull Vane migliora le performance complessive della carena, compresa la sua tenuta al mare.

Infatti, com’è facile intuire, un’ala orizzontale immersa si oppone a tutti i movimenti verticali indotti dal moto ondoso (beccheggio, rollio, sussulto), migliorando la qualità della vita di bordo. Inoltre, non avendo parti mobili, è un dispositivo assai semplice, tanto da poter essere installato anche su imbarcazioni esistenti, magari sfruttando come sostegno gli skeg dei timoni opportunamente modificati e rinforzati.

La barca poi resta sicura in quanto il dispositivo rimane totalmente confinato all’interno della sagoma carena+eliche+timoni, senza nessun aumento di pescaggio. Insomma, un dispositivo semplice e geniale, almeno così sembra. Va infatti detto che, dietro questa apparente semplicità, ci sono anni di esperienza sul campo.

Inoltre, per la sua corretta progettazione in termini di forma, dimensioni e posizione dell’ala, è richiesta una accurata conoscenza del campo fluidodinamico di ogni carena. Non a caso l’idea viene da Piet Van Oossanen che, con i suoi collaboratori, sviluppò la prima versione di Hull Vane all’inizio del millennio per l’America’s Cup, la Formula 1 della vela. Parliamo di un mito nel mondo dell’idrodinamica e della progettazione nautica che, agli inizi degli anni ‘80, quando era responsabile delle ricerche sulle barche a vela e sui veicoli marini avanzati presso il Marin, la vasca navale olandese di Wageningen, “inventò” le famose alette di Australia II: quelle “winglet keel” che, poste sulla pinna di deriva, cambiarono per sempre il corso della Coppa America, poiché furono determinanti per la storica vittoria australiana a Newport nel 1983, che mise fine all’imbattibilità statunitense durata ben 132 anni.

Anche se oggi Hull Vane è un prodotto coperto da brevetto (gestito dalla Hull Vane BV, dal 2014 società indipendente), lo sviluppo dell’idea e la sua prima commercializzazione furono seguiti dallo stesso Van Oossanen. Nel box, riproponiamo l’intervista che gli facemmo nel 2012, in occasione della costruzione del primo yacht dotato di questo dispositivo, un Heesen 42 metri Fast Displacement.

In questi ultimi anni la Hull Vane BV è andata avanti nella promozione e nella commercializzazione del suo prodotto, ma è anche andata avanti nell’affinamento dell’idea iniziale che, nel tempo, è stata declinata in diversi modi. Così, a fianco dell’Hull Vane totalmente custom, ovvero progettato su misura per una specifica carena al fine di raggiungere la massima efficienza, sono stati sviluppati altri Hull Vane Types. Parliamo dei Semi-custom e Dynamic Hull Vane. Tutti marchi registrati.

Semi-custom Hull Vane

Oggi non è più necessario essere proprietari di un grande yacht e avere a disposizione budget consistenti per poter beneficiare dei vantaggi offerti dall’Hull Vane. La Hull Vane BV ha infatti messo a punto il semi-custom Hull Vane, un sistema economico studiato per gli yacht a motore dislocanti con scafo in acciaio dai 10 ai 20 metri, una tipologia di imbarcazioni molto diffuse nel Nord Europa. Attraverso un’analisi sistematica di dozzine di cruiser a motore di questa taglia, aventi una velocità massima di 12-14 nodi, è stato sviluppato un software in grado di prevedere la geometria e la posizione ottimali di Hull Vane. Il tutto senza la necessità di eseguire uno specifico studio di ottimizzazione. Infatti, vengono utilizzati profili in alluminio già pronti, estrusi sulla base di forme studiate per varie condizioni, che possono essere tagliati della giusta lunghezza, realizzando così un Hull Vane con meno componenti. In questo modo, utilizzando componenti standardizzati, i costi di costruzione e i tempi di installazione vengono drasticamente ridotti.

Dynamic Hull Vane

Per alcuni armatori, l’effetto di smorzamento dei moti della barca con mare formato – più in generale la tenuta al mare – è altrettanto importante quanto il risparmio energetico. Per soddisfare tali esigenze, dal 2019, insieme al partner tecnologico Naiad Dynamics (uno dei leader dei sistemi di stabilizzazione attiva con le pinne), la Hull Vane BV ha lanciato Dynamic Hull Vane, la versione attiva del sistema (figura 12).

Oltre a offrire tutti i vantaggi dell’Hull Vane statico, una volta attivato mediante un semplice interruttore, il sistema dinamico aumenta l’effetto di smorzamento del beccheggio, riducendo le accelerazioni verticali. In questo modo, le cause del mal di mare si riducono, le operazioni a bordo e sul ponte diventano più confortevoli e sicure, così come le prestazioni di tutti i sistemi risultano migliorate grazie a una piattaforma più stabile sulle onde.

Conclusioni

Oggi, dopo decine di applicazioni reali su navi commerciali e yacht, il sistema Hull Vane è sicuramente maturo per una sua applicazione più diffusa, sia su nuove unità sia su imbarcazioni esistenti. Infatti, uno dei grossi pregi del sistema è quello di essere semplice e poco invasivo, dunque facilmente installabile anche in durante una banale operazione di carenaggio. Non a caso molte delle installazioni avvenute in questi anni hanno riguardato proprio imbarcazioni già naviganti che, grazie a questo dispositivo, hanno potuto migliorare le loro prestazioni, sia in termini di velocità massima aumentata sia in termini di risparmio di carburante.

Il tutto senza avere i problemi che le altre ali sommerse – i foil – hanno in termini di delicatezza del sistema e di dimensioni importanti, tenuto conto che, sporgendo dalla sagoma della carena, risultano molto esposte a urti e possibili rotture, oltre a essere spesso non compatibili con il pescaggio massimo consentito nei porti. Inoltre, questi sistemi sono quasi sempre molto complessi nel loro funzionamento e delicati da gestire, senza contare che diventano efficaci solo a velocità sostenute. Hull Vane, invece, pur essendo un’ala posizionata sott’acqua, non sporge dalla sagoma della carena e non ne aumenta il pescaggio. È inoltre una struttura semplice e robusta che funziona anche a basse velocità.
Per questi motivi supponiamo che presto ci abitueremo a scoprire sempre più spesso un Hull Vane sotto la carena.

Per maggiori informazioni: www.hullvane.com

COME FUNZIONA HULL VANE VOCE PER VOCE

Spinta propulsiva

Spesso, sotto la poppa di uno scafo, l’acqua non scorre orizzontalmente ma ha una inclinazione verso l’alto. Il profilo alare orizzontale di Hull Vane genera un sollevamento perpendicolare a questo flusso, la portanza. La componente orizzontale (Fx) di questa portanza (F) genera una spinta in avanti (una forza propulsiva, come fosse un’elica) che si trasmette allo scafo. Il profilo idrodinamico dell’ala è tale che la spinta generata è maggiore della resistenza. Il risultato finale, netto, è una minore resistenza all’avanzamento della carena.

Riduzione onda a poppa

Il flusso accelerato di acqua sopra la superficie dell’ala orizzontale di Hull Vane crea una regione a bassa pressione che interagisce con la scia della nave e riduce l’onda di poppa. Più o meno quello che succede per il bulbo di prua che riduce l’onda di prua di una nave. Dato che per creare la scia e l’onda poppiera di una nave si dissipa energia, riducendo l’onda di poppa si riduce il consumo di energia, ovvero di carburante. Si hanno poi ulteriori vantaggi, quali una riduzione del rumore della scia e un minore rumore irradiato.
Nella foto, il modello dello Yacht Dynamiq GTT115 in prova alla velocità di 11 nodi nella vasca navale Olandese di Wageningen, con Hull Vane (sinistra) e senza Hull Vane (destra).
È evidente come la presenza del dispositivo elimini, o quasi, l’onda di poppa.
Correzione dell’assetto dinamico
Hull Vane riduce il fisiologico appoppamento degli scafi, mantenendo l’imbarcazione orizzontale per tutto il range di velocità. Tenendo conto fin dall’inizio del dispositivo nel progetto della carena, è possibile avere una imbarcazione con minime variazioni di assetto dinamico.

Riduzione del beccheggio

Quando si naviga su onde, Hull Vane smorza i movimenti di beccheggio. Ciò ha un duplice beneficio: riduce la resistenza aggiuntiva dovuta alle onde e migliora il comfort a bordo, compresa la sicurezza di operazioni diverse come atterraggi di elicotteri o messa a mare e recupero di imbarcazioni di appoggio. Inoltre, quando la nave beccheggia, l’Hull Vane genera una maggiore spinta in avanti (effetto pompaggio). La figura in alto a destra mostra l’andamento temporale delle accellerazioni a prua (grafico sopra) e della resistenza (grafico sotto) di un Fast Supply di 55 metri alla velocità di 20 nodi su onde di 4 metri. La curva blu, relativa alla carena dotata di Hull Vane presenta picchi minori sia di resistenza sia di accelerazioni rispetto alla curva rossa relativa alla carena senza Hull Vane.

Efficienza

Hull Vane è particolarmente efficace se utilizzato su imbarcazioni dislocanti veloci (in termini scientifici con numeri Froude compresi tra 0,2 e 0,8). Il dispositivo è quindi efficacice su molti tipi di imbarcazioni, come guardacoste, navi militari e passeggeri, ro-ro, expedition vessel, navi appoggio veloci e crew ship, yacht a motore. Per questi tipi di navi sono tipici risparmi energetici compresi tra il 5{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} e il 20{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8}. In alcuni casi è possibile arrivare anche al 25{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8}.

COSA DICE L’INVENTORE DI HULL VANE

Intervista a Piet Van Oossanen, dello studio Van Oossanen & Associates, ideatore del dispositivo Hull Vane.

In poche parole, cos’è Hull Vane?

Hull Vane è un’appendice alare posizionata trasversalmente sotto lo scafo. È fissata per mezzo di braccetti strutturali e non presenta parti mobili. È un unico dispositivo e il suo scopo non è quello di sollevare parzialmente lo scafo fuori dall’acqua o fornire un extra-dislocamento. Al mondo non esistono altri dispositivi di questo tipo e, per questo motivo, il dispositivo è protetto da brevetto nelle nazioni dove sono presenti i maggiori cantieri navali, così come anche il marchio Hull Vane™ è registrato e di proprietà dello studio Van Oossanen & Associates”. (ndr: da qualche anno Hull Vane è un brevetto della Hull Vane BV).

Se il suo scopo non è quello di sostenere idrodinamicamente lo scafo facendolo uscire parzialmente dall’acqua, a cosa serve?
Dicevamo che lo scopo del dispositivo Hull Vane™ non è quello di fornire portanza per sollevare parzialmente lo scafo, così come succede per gli aliscafi o per le navi dotate di sistemi alari assistiti e appendici portanti. Il dispositivo Hull Vane genera invece una spinta propulsiva, come fosse un’elica, perché è posizionato in una particolare zona sotto il corpo poppiero della carena, laddove il flusso è inclinato verso l’alto.

Tale spinta altro non è che la componente orizzontale, diretta in avanti, della forza idrodinamica risultante sul dispositivo Hull Vane, forza ovviamente diretta a 90° rispetto la direzione del flusso. Questa spinta è maggiore della resistenza del dispositivo stesso e, di conseguenza, permette di diminuire la resistenza della carena. L’inclinazione da dare al dispositivo dipende dall’inclinazione longitudinale delle linee del fondo e dalla direzione locale del flusso.
In altre parole, il dispositivo Hull Vane recupera parzialmente l’energia contenuta del flusso inclinato che scorre sotto la poppa trasformandola in forza propulsiva, energia che, in assenza del dispositivo, darebbe luogo a una maggiore sopraelevazione della scia poppiera, come evidenziato dalle prove in vasca.

Ma quali sono gli effetti sulle altre caratteristiche dello scafo, come ad esempio la manovrabilità, la tenuta al mare, il comfort, l’efficienza propulsiva eccetera?
Hull Vane riduce i moti di beccheggio e sussulto con mare di prua. Ciò è dovuto al notevole effetto smorzante del dispositivo, che riduce notevolmente il livello delle accelerazioni verticali e determina un maggiore comfort a bordo. Non vi è invece alcun effetto negativo sulle caratteristiche di manovra o sull’efficienza propulsiva. Hull Vane è stato oggetto di una estesa ricerca numerica e sperimentale nel corso degli ultimi 10 anni, periodo durante il quale sono stati eseguiti anche numerosi test sperimentali in vasca navale su più di 8 modelli di diversi tipi di navi.

Sappiamo che il dispositivo è stato sviluppato inizialmente per le navi da carico. Come si è arrivati alla sua applicazione sugli yacht?
Lo sviluppo ha avuto inizio nel 2002. Dopo alcune iniziali applicazioni su barche a vela nel periodo 2002-2003, l’attenzione è stata rivolta alle navi mercantili. Così, nel 2004, presso il Marin, sono state effettuate delle prove in vasca su alcuni modelli di una nave container e di una draga, test che hanno evidenziato un risparmio di potenza propulsiva fino al 15{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} alle velocità più elevate. Poi, nel 2006, è partito un progetto di ricerca che ha previsto approfonditi test in vasca navale, effettuati sempre al Marin, per diverse navi della flotta della compagnia armatrice Wagenborg. I test, che evidenziarono un risparmio di potenza propulsiva compreso tra il 7{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} e il 15{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} a seconda del tipo di nave e della velocità, erano finalizzati sia a progetti per nuove navi sia a valutare l’efficacia e la convenienza del dispositivo Hull Vane nel refit di navi esistenti.

Quando nel 2010, a conclusione del progetto, la Wagenborg espresse l’intenzione di adottare il dispositivo per una classe di 18 navi per le quali si otteneva un risparmio di potenza propulsiva “solo” del 7.5{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8}, abbiamo deciso di rifiutare questa offerta perché siamo convinti che per una prima applicazione sono preferibili maggiori e più convincenti risultati in termini di minore potenza propulsiva. Così, a partire dal 2010, abbiamo rivolto la nostra attenzione alle possibili applicazioni su yacht a motore, perché la velocità relativa di questo genere di unità è maggiore di quella delle navi mercantili e i miglioramenti sono di conseguenza maggiori.”

I VANTAGGI DELLA VERSIONE DYNAMIC

Bruno Bouckaert è direttore commerciale di Hull Vane BV ma, soprattutto, un ingegnere navale da molti anni coinvolto nello sviluppo del sistema Hull Vane.

Qual è la differenza tra il Dynamic Hull Vane e la versione standard?
“L’ala del Dynamic Hull Vane cambia continuamente il suo angolo di attacco. Perciò, rispetto al classico Hull Vane “passivo”, essa consente di aumentare lo smorzamento dei movimenti di beccheggio (10-20{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} per Hull Vane passivo, 30-45{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} per Dynamic Hull Vane). È l’unico stabilizzatore di beccheggio efficace per gli yacht dislocanti ed è anche l’unico al mondo a resistenza negativa, poiché, contrariamente a tutti gli altri stabilizzatori, fornisce una spinta propulsiva aggiuntiva. Il movimento dell’ala è impresso da attuatori idraulici interni, molto simili a quelli utilizzati per le pinne stabilizzatrici convenzionali. Non a caso, tutto il sistema di controllo è fornito dalla Naiad Dynamics.

Necessita di molta energia?
No. Il fabbisogno di potenza è relativamente basso, poiché l’attuatore idraulico viene utilizzato solo per impostare la posizione media, mentre la maggior parte della forza necessaria al movimento vero e proprio si ottiene sfruttando la portanza generata dall’ala in navigazione, che crea una coppia rispetto al punto di rotazione. In questo modo, la potenza richiesta è minima, specie rispetto agli stabilizzatori zero speed.

È un sistema costoso?
Il Dynamic Hull Vane è ovviamente più costoso del sistema passivo. Allo stesso tempo, però, riduce il consumo di carburante. Questo significa che, per la maggior parte delle imbarcazioni, c’è un risparmio significativo sui costi di gestione mentre, per altre imbarcazioni ci può essere anche un risparmio già sui costi di costruzione. Il Dynamic Hull Vane è l’unico dispositivo che migliora il comfort degli yacht e che, rispetto ad altri stabilizzatori, porta un vantaggio economico nel tempo in termini di risparmi di gestione e periodo di ammortamento.
Contrariamente alle navi commerciali, per le quali il principale obiettivo è l’operabilità, per gli yacht il più desiderato è il miglioramento del comfort di navigazione e neppure tanto il risparmio di carburante. Anche perché molti yacht navigano solo 100 ore all’anno.

Il mercato sta rispondendo bene?
Dopo le fatiche iniziali, direi di si. In totale, ad oggi abbiamo venduto 41 Hull Vane, cinque delle quali semi-custom. Invece, per quanto riguarda il Dynamic Hull Vane, ancora non ne abbiamo venduti ma abbiamo fatto diversi test su un modello in vasca navale e siamo in trattativa per un ordine.<p style=”text-align: center;”></p>