Propulsioni speciali, Voith Linear Jet
Non è un’elica e non è un idrogetto. Si chiama Voith Linear Jet ed è un nuovo propulsore che combina le caratteristiche di entrambi ottenendo risultati estremamente interessanti.
In pratica un propulsore ibrido che ha un’elica che gira all’interno di un tubo opportunamente sagomato, come in un idrogetto. Ma, a differenza di quest’ultimo, il tubo è molto più corto ed è posizionato interamente sotto lo scafo.
Queste caratteristiche ibride permettono al Voith Linear Jet, o più semplicemente VLJ, di funzionare meglio di un’elica convenzionale e di un idrogetto laddove questi due propulsori iniziano ad essere poco efficienti, ovvero per velocità oltre i 20/25 nodi, quando parliamo di eliche convenzionali, e velocità inferiori ai 40 nodi, quando parliamo di idrogetti.
VLJ rappresenta quindi la soluzione ideale per quelle barche che hanno profili operativi che comprendono sia basse sia alte velocità di navigazione, cioè i cosiddetti profili multimissione, come può essere quello di una motovedetta della Guardia Costiera che può aver necessità di navigare in pattugliamento a 15 nodi così come di effettuare un intervento di soccorso a 35 nodi.
Oppure come uno yacht con il quale si naviga a 15 nodi durante un trasferimento ma con il quale si può compiere interi tratti a 30 o 35 nodi. In questo intervallo di velocità, compreso all’incirca tra i 20 ed i 35 nodi, un idrogetto, ottimo per velocità superiori ai 35/40 nodi, è poco efficiente e ha un consumo di carburante molto elevato, mentre un’elica convenzionale, superati i 20/25 nodi, incomincia a perdere di efficienza, con i livelli di cavitazione, vibrazioni e rumore che aumentano sensibilmente. Il propulsore VLJ, invece, mantiene un’alta efficienza (circa 70{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8}) per quasi tutto questo intervallo di velocità, caratteristica, appunto, che lo pone come ottima soluzione per le imbarcazioni che non hanno una velocità fissa di esercizio ma un ampio range di velocità operativa. Dei due propulsori convenzionali, inoltre, mantiene alcune delle caratteristiche positive: dell’elica mantiene la semplicità di installazione e la robustezza, una elevata efficienza che si mantiene per un ampio range di velocità, anche molto basse o addirittura da fermo (bollard pull); dell’idrogetto mantiene il ridotto pescaggio, la capacità di raggiungere alte velocità con una elevata efficienza, bassi livelli di rumorosità e vibrazioni.
Starete pensando: è il solito bel progetto, o addirittura solo una bella idea lontano anni luce dalla realtà e da un’applicazione concreta. Niente di tutto questo! Non solo VLJ è una realtà verificata con anni di studi e ricerche dalla Voith, un gigante mondiale dell’ingegneria, da 100 anni presente anche nel campo dell’industria navale con propulsori non convenzionali (parliamo dei famosi propulsori Voith Schneider cicloidali utilizzati sui traghetti bidirezionali ma anche di azipod o bow thruster), ma è anche stata ampiamente collaudata su imbarcazioni al vero. La Voith, infatti, pur avendo iniziato a studiare questo nuovo propulsore già una ventina d’anni fa, solo nel 2014, passando per studi teorici e simulazioni al computer, prove in vasca navale e test su prototipi, è arrivata alla prima unità dotata di propulsione VLJ: un catamarano per il trasporto veloce degli equipaggi delle piattaforme eoliche offshore (offshore wind farm) nei mari del Nord Europa.
C’è poi voluto ancora qualche altro anno perché anche nel mondo degli yacht qualcuno si accorgesse delle potenzialità di questo nuovo propulsore.
Lo ha fatto l’olandese Vripack – uno studio di design e ingegneria molto attento nel cogliere le particolari richieste degli armatori e del mercato, coniugandole con le possibilità offerte da nuove soluzioni tecniche o nuove tecnologie – disegnando LeVen, uno yacht di 28 metri presentato lo scorso autunno al Boat Show di Fort Lauderdale. Costruito dai cantieri olandesi Van der Valk, LeVen è una gran bella barca, ricca di soluzioni nuove sia in termini tecnici sia di design, tanto da classificarsi al primo posto al Boat International Design & Innovations di quest’anno nella categoria dei nuovi yacht di serie. Anche grazie alla novità della propulsione VLJ che la caratterizza in termini di efficienza propulsiva e basso pescaggio (1,30 m), permettendole di navigare senza problema sui bassi fondali, come per esempio quelli delle Bahamas dove, generalmente, si può navigare solo con piccole imbarcazioni e non certo con una barca di 28 metri.
Vediamo allora di capire un po’ meglio come funziona questo Voith Linear Jet. Innanzitutto, come un normale idrogetto, il VLJ ha un’elica, detta rotore o girante, che gira in un grosso tubo, il condotto o duct, prendendo l’acqua da prua e spingendola verso poppa dove esce, accelerata, attraverso l’ugello. Ricordiamo allora brevemente qual è il principio di funzionamento di un idrogetto.
Secondo il principio di Bernoulli, la pressione di un fluido aumenta quando la sua velocità diminuisce e viceversa. È il principio utilizzato nei propulsori a reazione. L’acqua che scorre attraverso questi propulsori viene prima rallentata con conseguente aumento della pressione del flusso. Questo aumento di pressione consente di diminuire il salto di pressione che deve generare il rotore che, così, può avere un diametro più piccolo rispetto alle eliche. In pratica si può ottenere più potenza con un diametro del rotore più piccolo. Per questo motivo l’idrogetto è definito un propulsore ad alta densità di potenza, che offre una soluzione per la propulsione delle navi ad alta velocità dove sono in gioco elevate potenze. Per il flusso in uscita, i propulsori a reazione usano nuovamente il principio di Bernoulli ma in modo opposto. Qui la pressione del flusso viene ridotta per aumentare la velocità del flusso in uscita. Questa accelerazione del flusso avviene nello statore, a valle del rotore, dove il flusso messo in rotazione dal rotore viene anche raddrizzato.
Torniamo ora al nostro VLJ. A differenza dell’idrogetto, che prende l’acqua sotto lo scafo (inlet) e la scarica a poppa, in aria sopra il galleggiamento (outlet), il VLJ ha il condotto molto più corto e completamente immerso. Inoltre, questo condotto, esterno alla carena, può essere disegnato opportunamente al fine di avere la forma più efficiente, mentre la forma del condotto dell’idrogetto è condizionata dal percorso sinuoso che deve fare all’interno dello scafo.
Ancora. Per entrambi questi propulsori di “tipo a getto” il rotore è all’interno del condotto ed entrambi hanno una sezione di statore a valle del rotore. Lo statore serve ad annullare la rotazione del flusso indotta dal rotore e fornisce un deflusso lineare necessario ad accelerare sempre in modo lineare il flusso nell’ultima parte del condotto, l’ugello. Un flusso non lineare renderebbe estremamente inefficiente la trasformazione dell’energia fornita dall’accelerazione del flusso. Però, a differenza dell’idrogetto dove, con la stessa lunghezza dell’ugello e la sua forma, si ottiene uno statore, nel VLJ sono presenti anche delle palette radiali che raddrizzano il flusso accelerato e spinto indietro dalla girante. Ciò è necessario perché l’ugello è molto più corto. Lo statore a palette, insieme alla forma del condotto e dell’ugello, ottimizza il flusso in uscita e, quindi, migliora l’efficienza.
Questo flusso ottimizzato, dritto e uniforme, che esce a poppa dell’ugello investe poi il timone che, come per un’elica convenzionale, si trova a valle del propulsore. A differenza dell’elica che, invece, lascia dietro di se un flusso non uniforme che provoca vibrazioni e rumore sul timone, il flusso regolare che esce dall’ugello del VLJ evita l’insorgenza di vibrazioni sul timone e ne aumenta l’efficienza (in termini di portanza).
Un’altro effetto molto interessante dell’ibridazione dei due sistemi idrogetto-elica è la silenziosità della propulsione VLJ, sia all’interno sia all’esterno della barca. Infatti, come per l’idrogetto, l’alta pressione che si genera davanti alla girante limita notevolmente l’insorgenza di fenomeni di cavitazione, mentre il fatto che la girante sia posizionata totalmente all’interno di un condotto, per di più completamente immerso, limita la propagazione di rumore.
Ed è proprio la silenziosità la principale sensazione riferita da chi ha provato una barca con propulsione VLJ, unita a un eccezionale controllo dell’imbarcazione durante le virate strette ad alta velocità, tanto da far dire a Antony Robson, dopo un anno al comando della prima unità dotata di questa nuova propulsione: “non è una barca a elica, non è una barca a idrogetto ma si controlla meglio di entrambe.”
Per avere qualche informazione in più su questo nuovo propulsore abbiamo allora rivolto qualche domanda a Oliver Lenz, responsabile del prodotto Voith Linear Jet.
Il Voith Linear Jet funziona come un idrogetto ma è più efficiente a velocità inferiori di quelle tipiche di un idrogetto. Com’è possibile?
Il principio di funzionamento di un idrogetto si basa sulla variazione di velocità e pressione del flusso. Ma ogni variazione è una trasformazione di energia, tra energia cinetica e potenziale, e ogni trasformazione di energia comporta perdite. È qui che con VLJ è stato costruito un ponte tra eliche convenzionali e i tradizionali idrogetti.
Infatti, come le eliche, il Voith Linear Jet è posizionato sotto lo scafo, direttamente nel flusso, e non ha quindi bisogno del lungo tunnel di ingresso dell’idrogetto dove l’acqua aumenta la sua pressione e dove le cosiddette perdite di carico riducono drasticamente l’efficienza complessiva alle basse velocità. Proprio grazie alla sua posizione, il Voith Linear Jet ha, invece, un condotto molto corto che permette di ottenere alle basse velocità un’alta efficienza di propulsione, pari a quella di un’elica.
Alle alte velocità, la configurazione rotore + statore e la forma idrodinamica dell’insieme condotto + ugello consentono al VLJ di mantenere un’alta efficienza fino ed oltre 35 nodi, laddove invece le performance delle eliche tradizionali si riducono drasticamente a causa dell’aumento dei carichi di cavitazione e degli impulsi pressori. Solo oltre i 35-40 nodi l’idrogetto inizia ad essere più efficiente dell’elica e del VLJ, quando il lungo condotto idrodinamico dell’idrogetto e la posizione del getto d’acqua sullo specchio di poppa iniziano a dare benefici. Benefici che diventano ancora più evidenti al crescere della velocità, fino ai 60-70 nodi. Semplificando, si può dire che l’assenza del tunnel dell’idrogetto nel sistema di propulsione Voith Linear Jet migliora notevolmente l’efficienza alle basse velocità. Di contro, senza il tunnel, viene limitata l’efficienza alle velocità più alte e, conseguentemente, la capacità di superare i 40 nodi.
Può quantificare la maggiore efficienza del VLJ?
Il VLJ ha un’efficienza sovrapponibile a quella di un’elica fino ai 20-25 nodi, velocità alla quale un’elica convenzionale ha la sua massima efficienza, arrivando al 65–70 {2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8}. Oltre questa velocità l’efficienza dell’elica diminuisce, mentre quella del VLJ rimane pressoché costante, variando all’incirca tra il 67 e il 73{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} a seconda dell’applicazione, dei criteri di progettazione e delle velocità della nave. Infatti, va ricordato che per l’installazione VLJ Voith fornisce un supporto tecnico progettuale per studiare con il progettista la migliore soluzione.
Per quale tipo di imbarcazioni è idoneo il Voith Linear Jet?
Le imbarcazioni ad alta velocità – che raramente sono utilizzate esclusivamente alla massima velocità – sono quelle che maggiormente beneficiano delle particolari caratteristiche del propulsore VLJ.
La maggior parte di esse ha, infatti, almeno due velocità operative principali: la velocità massima e la velocità di crociera. Uno yacht da 40 nodi, ad esempio, in genere avrà molte più ore operative a 20 nodi che a 40. Lo stesso vale per una motovedetta che quasi sempre pattuglia a bassa velocità e solo occasionalmente naviga alla massima velocità. Si tratta di una nicchia di mercato importante nella quale sono necessarie precise scelte tecniche, a partire dal contenimento dei pesi e la scelta di particolari forme di scafo, per arrivare alla propulsione. In particolare, la scelta del sistema di propulsione rappresenta una sfida decisiva per questi profili operativi misti, una sfida che cresce di livello quando aumenta il divario tra la richiesta di bassa e alta velocità.
Ad esempio, per una nave con una velocità massima di 27 nodi e una normale velocità di crociera di 20 nodi, la differenza di 7 nodi non è ancora un grosso problema. Invece, per una motovedetta con una velocità massima di 40 nodi e una velocità di pattugliamento più bassa – poniamo 12 nodi – parliamo di una differenza di 28 nodi – che può rivelarsi una sfida insormontabile per il progetto di un sistema di propulsione efficiente. In questo caso, visti i 40 nodi richiesti, l’idrogetto sarebbe la scelta più logica. Ma se la navigazione a 12 nodi rappresenta l’80{2e3577d2bd6aebaa150c85c33fcd353783f1aa6c690283591e00ef60b3336fc8} del profilo operativo, saranno necessarie soluzioni alternative, perché a 12 nodi l’idrogetto funziona davvero male e la sua efficienza è davvero bassa.
Ci può fare un esempio concreto?
Prendiamo una motovedetta da 50 tonnellate e 50 metri di lunghezza. La potenza richiesta per navigare a 12 nodi è di circa 950 kW. Ma, quella stessa barca, per arrivare a 35 nodi, ha bisogno di quasi 8000 kW. Parliamo di otto volte la potenza richiesta per 12 nodi! In questo caso la soluzione può essere l’idrogetto che, però, determina un aumento dei consumi alle basse velocità.
Di conseguenza serbatoi più grandi, pesi maggiori a bordo che riducono le prestazioni dello scafo e, quindi, necessità di aumentare ulteriormente la potenza installata. Oppure si può pensare a delle eliche convenzionali che avranno delle caratteristiche penalizzanti per entrambi i profili operativi, a partire da un diametro elevato che può determinare un pescaggio eccessivo e rischi di incaglio dell’elica stessa. In questo caso, invece, la natura ibrida del Voith Linear Jet semplifica le scelte del progettista perché offre una soluzione unica per le imbarcazioni ad alta velocità, combinando le migliori caratteristiche delle eliche con le migliori caratteristiche dell’idrogetto.
E per le imbarcazioni con un range di velocità più definito, limitato alle alte o basse velocità?
Il Voith Linear Jet è stato sviluppato per colmare il divario esistente tra l’idrogetto e le eliche e offre al mercato un propulsore a basso rumore e basso pescaggio, con un’alta efficienza su tutta la gamma di velocità, fino a circa 40 nodi. Per velocità superiori, fino ai 70 nodi e oltre, gli idrogetti e le eliche di superficie sono decisamente le soluzioni migliori. Se non si devono superare i 20 nodi, invece, l’elica è ancora la scelta migliore. D’altronde il propulsore ideale applicabile a tutte le imbarcazioni, che include solo le proprietà positive di tutti i propulsori esistenti, non esiste. La sfida di ogni progettista è proprio quella di fare le scelte migliori per soddisfare gli obiettivi iniziali che non sono solo quelli relativi alla velocità, ma anche quelli relativi all’efficienza, al rumore e vibrazioni, alla manutenzione e all’affidabilità, al pescaggio eccetera. E quando è richiesto anche un profilo di velocità flessibile, tra bassa e alta velocità, la scelta della migliore propulsione diventa ancora più difficile.
I costi del VLJ sono superiori rispetto a quelli di una normale propulsione a elica?
Il VLJ ha gli stessi componenti di una normale propulsione a elica a passo fisso (tranne il braccetto portaelica) a cui si aggiungono un condotto ottimizzato con statore e ugello. È quindi inevitabile che un VLJ sarà sempre più costoso di una propulsione con elica a passo fisso.
È una tecnologia adatta per tutte imbarcazioni, grandi e piccole?
Per le piccole unità di 10–20 metri, dove i margini economici sono ridotti, la soluzione propulsiva con VLJ è normalmente interessante solo se si tratta di una serie di 10 o più imbarcazioni. Anche perché il VLJ, pur avendo caratteristiche standard, ha necessità di un’integrazione sulla specifica carena, diversa da caso a caso. È questa la principale differenza tra il VLJ e altri propulsori. La chiave di questo propulsore non sta tanto nel propulsore stesso, quanto piuttosto nel saper integrare idrodinamicamente questo propulsore nel progetto di una nave. Per ogni nuovo progetto lo staff Voith lavora a stretto contatto con i progettisti dell’imbarcazione per raggiungere questa integrazione ottimale.
LeVen è il primo yacht con propulsione Voith Linear Jet. Ce ne sono altri in programma?
Certamente. Tra qualche mese in Italia sarà completato un altro yacht con propulsione VLJ, mentre in Spagna è in costruzione una motovedetta con propulsione VLJ.
La Ricerca – Idrogetti profondamente immersi
La combinazione di rotore e statore assicura un getto quasi privo di turbolenza, con minima perdita di rotazione. Inoltre, attraverso la geometria del condotto e dell’ugello, la velocità e la pressione possono essere influenzate all’interno dei getti lineari al fine di ridurre il verificarsi di cavitazione. Su questi assunti si basa l’idea di una propulsione con un idrogetto profondamente sommerso (DWJs – deep submerged water jets), già esistente fin dagli anni ’50.
Quest’idea fu ripresa all’inizio del nuovo millennio con una serie di progetti di ricerca in collaborazione con il centro ricerche della vasca navale di Potsdam in Germania (SVA) finalizzati a verificare la reale efficienza di questo tipo di propulsione. Tutto questo sia con simulazioni al calcolatore (CFD) sia con prove su unità in scala, eseguite tanto sul modello isolato quanto su quello installato sotto una carena.
Nella prima fase (2000-2005) è stato verificato che il DWJs era un sistema di propulsione con alta efficienza e buone caratteristiche di cavitazione, utilizzabile in particolare per navi veloci e navi con limitazioni di pescaggio.
Successivamente, la ricerca è stata ulteriormente sviluppata al fine di ottimizzare i DWJs, determinarne le caratteristiche idrodinamiche e di cavitazione, studiarne l’integrazione idrodinamica nella progettazione navale. Inoltre, sono stati sviluppati sia la metodologia sperimentale sia i metodi predittivi, nonché l’identificazione delle caratteristiche di propulsione delle navi con DWJ: tutti aspetti necessari a condurre i test e ricavarne informazioni utili.
Parliamo di oltre dieci di anni di studio ed esperimenti per arrivare ai primi propulsori Voith Linear Jet montati, nel 2014, su un Wind Farm Support Vessel, uno speciale catamarano dedicato al trasporto veloce degli equipaggi delle piattaforme eoliche offshore della Britannica Turbine Transfer Ltd.
LeVen – Il primo yacht con propulsione VLJ
Presentato allo scorso Boat Show di Fort Lauderdale, LeVen è il primo modello di una nuova linea di yacht espressamente pensata per crociere familiari tra i bassi fondali delle Bahamas. Disegnato e ingegnerizzato dallo studio olandese Vripack e costruito nei Pesi Bassi dal cantiere navale Van der Val, su input del proprietario Lucas Silva in collaborazione con YachtCreators di Fort Lauderdale, LeVen è un 27 metri che si è fatto notare per le molte soluzioni innovative, sia tecniche sia di design, che gli hanno fruttato ben 4 nomination in 4 diverse categorie del Boat International Design & Innovations di quest’anno, tra cui la categoria dei nuovi yacht di serie dove si è classificato al primo posto.
Tra queste novità, c’è sicuramente l’adozione – per la prima volta su uno yacht – della particolarissima propulsione Voith Linear Jet della quale parliamo approfonditamente nell’articolo. Ma non solo. Infatti, per LeVen sono state studiate soluzioni di design e distributive davvero originali, come il flybridge attrezzato di 60 mq o l’enorme living, la “Great Room”, che occupa l’intero ponte di coperta partendo, a prua, dalla cucina vivibile con vista a 360° per proseguire, verso poppa, con la zona relax cui segue la zona pranzo, esterna ma al tempo stesso riparata. Da qui si accede alla terrazza prendisole con acceso diretto alla beach area di poppa. Tutto questo su un 27 metri.
Concept: Yachtcreators – Design and naval architecture: Vripack – Cantiere costruttore: Van Der Valk Shipyard – Lunghezza fuori tutto: 27.45 m – Lunghezza al galleggiamento: 26 m – Larghezza: 6,70 m – Immersione: 1,37 m – Materiale di costruzione: alluminio – Carena: Vripack’s hard chine “Slide Hull” – Motorizzazione 2 x MTU 12V2000 M96L da 1400 kW – Propulsione 2x Voith Linear Jet VLJ 1010 – Velocità (crociera/max): 22 / 28 nodi.
Ma torniamo all’input del’armatore, Lucas Silva: “Per la mia famiglia, andare in barca, in particolare alle Exumas (Bahamas), significa navigare in acque poco profonde, accessibili solo con una barca alquanto piccola. Quando arriviamo, desideriamo i vantaggi di un superyacht, il comfort e il divertimento.” Per centrare questo obiettivo è stata utilizzata la carena “slide hull” sviluppata e brevettata dalla stessa Vripack, il cui senior naval architect, Peter Bouma, afferma: “Velocità e comfort anche in condizioni di mare mosso, nonchè la caratteristica del basso pescaggio, rendono questa carena perfetta per la navigazione nelle acque poco profonde delle Exumas”.
Sottolineiamo che, oltretutto, il navigare in acque poco profonde richiede appunto un sistema che protegga le eliche. Scartate quelle di superficie e l’idrogetto per problemi di scarsa efficienza a basse velocità e per gli elevati livelli di rumore e vibrazioni, la scelta è caduta sul nuovo propulsore Voith Linear Jet. Qui le eliche sono all’interno di un grosso e solido condotto integrato nello scafo che le protegge da urti o spiaggiamenti. Il risultato finale è un pescaggio di soli 1.30 metri che consente al LeVen di arrivare praticamente sulla spiaggia come se fosse un gommone.
Ancora Peter Bouma: “La propulsione Voith Linear Jet, abbinata alla carena “Slide Hull”, era la soluzione più ovvia, forse l’unica disponibile sul mercato, in grado di soddisfare le esigenze evidenziate nel corso del brief di progettazione. Le soluzioni che offrono un pescaggio limitato e assenza di rumore a poppa, soprattutto in prossimità della beach area, sono davvero poche. Il VLJ ha l’enorme vantaggio di avere le eliche protette in un condotto estremamente solido. Alle Exumas, dove ci sono anche fenomeni di marea, il proprietario vuole usare la barca come un gommone, navigare fin sulla spiaggia senza apprensioni. Con il VLJ ciò è possibile perché i condotti sono così forti e rigidi che è persino possibile arenare la barca, che si appoggia su di essi, rimanendo stabile.”.
