プロペラ電動ボート

[rbaffigo]

buongiorno a tutti e grazie per le risorse che mettete a disposizione su questo sito!
mi chiamo roberto, ho studiato fisica, sono un artigiano/imprenditore nei settori della gioielleria ed arredamento, sto cominciando ad utilizzare
rhinoceros per disegnare prototipi per microfusioni....

ma il motivo vero per cui mi sono iscritto al forum e sto aprendo questa discussione è la mia sconfinata passione per il mare:
sto istallando un motore elettrico su di una barca a vela da crociera, il motore servirà per la propulsione e soprattutto per la rigenerazione..
spiego meglio: il motore è un sincrono trifase a magneti permanenti con azionamento a 4 quadranti, l'idea è quella di avere l'elica sempre in movimento e sempre collegata al motore, a seconda delle condizioni del vento (ma anche della corrente quando si sta all'ancora) il motore consumerà o produrrà energia prelevandola o immettendola in un pacco di batterie al litio-ferro-fosfati.
servirebbe un'elica con un rendimento più elevato possibile nelle due condizioni di utilizzo: l'elica dovrà avere una sorta di simmetria di prestazioni rispetto alle condizioni di spinta nulla.
io non ho trovato nessun prodotto o disegno che risponda a queste caratteristiche ed ho deciso di disegnare e produrre l'elica che mi serve....
per quanto riguarda la produzione non ho problemi ma per il disegno non so da dove cominciare....

grazie, roberto

 

[PaoloColombani]

benvenuto nel forum, e i benvenevoli guarda un po' ti arrivano da un altro fisico che si è messo a fare l'artigiano/imprenditore e che usa rhino di default (non penso che siamo in molti!). complimenti anche per la tua idea che per ora non ho il tempo di commetare ma che ritengo possa avere fortuna per diverse ragioni.

p.s. io ti consiglierei di tutelare la tua idea con un brevetto.

 

[rbaffigo]

grazie per l'accoglienza,
l'idea della ricarica in navigazione non è mia ma esiste già in diversi sistemi di propulsione elettrica (quasi tutti nord europei ed americani); quello che vorrei brevettare è l'elica che ottimizzi questo uso della propulsione elettrica...
ma prima devo progettarla, e non so che software usare, penso che mi serva un software specifico per eliche per disegnare l'idea che ho in mente, ed anche uno di simulazione per fare i primi test prima di costruire l'elica.

a presto

roberto

 

[MBT]

premetto che l'unica cosa che so delle barche è che galleggiano, ma....
perchè non farla con l'incidenza variabile delle pale?
così potresti ottimizzare l'angolo in funzione della tua velocità

 

[PaoloColombani]

uno dei motivi per cui ho visto bene questa idea è che la resistenza fluidodinamica (moto più brevemente drag) dell'elica in funzionamento turbina potrebbe eventualmente essere studiata per correggiere lo sbandamento dello scafo, ma per questo servirebbe un alloggiamento in gondola mobile.

come saprai meglio di me (dal momento che ci stai studiando sù) il funzionamento dell'elica come propulsore differisce sostanzialmente dal funzionamento come turbina per il fatto che nel primo caso la velocità del fluido in entrata sul profilo della pala sarà minore della velocità in uscita, la situazione sarà capovolta nel funzionamento come turbina dove il triangolo delle velocità darà origine ad un profilo come quello delle turbine caplan.
a sostegno di quanto dice mtb osserverei che quasi utte le turbine di tipo caplan sono dotate di pitch control.

per ovviare al problema della diversità del profilo tra elica propulsore ed elica turbina io cercherei un profilo neutro e simmetrico (come quello di una pinna o come quello di una deriva per intenderci) e per non perdere troppo sul rendimento ridurrei il profilo recuperando la portanza sull'allungamento della pala. dovrebbe saltar fuori qualcosa che a vedersi potrebbe assomigliare ai propeller dei moderni sottomarini.

su questo argomento sarebbe bello veder intervenire un utente di questo forum che si chiama drag (il nick dice tutto!) che è un ingeniere che si occupa proprio di eliche per propulsione navale.

 

[Fulvio Romano]

premetto che l'unica cosa che so delle barche è che galleggiano, ma....
perchè non farla con l'incidenza variabile delle pale?
così potresti ottimizzare l'angolo in funzione della tua velocità

le eliche a passo variabile esistono già. servono appunto ad ottimizzare i rendimenti perché il motore può girare a velocità costante e sui cambia il passo poter variare la spinta. l' idea di usare l' elica come turbina non mi sembra stupida. forse si può pensare di usare il principio delle eliche controrotanti: due eliche, una sinistrorsa ed una destrorsa montate sullo stesso asse. il principio è quello di evitare di mettere in rotazione l' acqua, ma il risultati potrebbe avere la simmetria richiesta.

aspettiamo commento di drag...

 

[KLA#27]

buongiorno a tutti, molto bella questa discussione!!

vorrei chiedere 2 chiarimenti:

- cosa significa gondola mobile??

- un funzionamento dell'elica come generatore in fase di crocera implica (come giustamente è già stato detto) un rallentamento dei flussi sotto carena, il che comporta un aumento della resistenza all'avanzamento; tale effetto è ritenuto trascurabile rispetto a quello rigenerativo qui proposto??

grazie per i chiarimenti!

 

[PaoloColombani]

- cosa significa gondola mobile??

la gondola (in inglese "pod") è semplicemente un alloggiamento per dispositivi esterni allo scafo, un esempio sono i motori dei dirigibili che sono alloggiati in una carena chiamata gondola, così come i motori posizionati esternamente allo scafo in una nave, vedi gli azipod di abb.

- un funzionamento dell'elica come generatore in fase di crocera implica (come giustamente è già stato detto) un rallentamento dei flussi sotto carena, il che comporta un aumento della resistenza all'avanzamento; tale effetto è ritenuto trascurabile rispetto a quello rigenerativo qui proposto??

no, non è trascurabile perché ci passa l'efficienza dell'elica sia in generazione che in spinta, quindi sono due trasformazioni in cui si perde una bella fetta di energia. tutto si gioca sull'efficienza dell'elica perché l'efficienza della macchina elettrica che vorrebbe adoperare roberto è davvero molto alta, nell'ordine del 97%.

 

[Exatem]

benvenuto a rbaffigo e complimenti per la sua passione.
premetto che mi trovo fuori sede (sono in ferie, al mare ) e non ho con me dati con cui comprovare le mie affermazioni.
non sno un esperto di eliche, anzi, anche io quando ha avuto necessità, mi sono rivolto al'amico drag sempre disponibile e puntuale
ma faccio due considerazioni "da spiaggia".
1- tutte le appedici di carena influiscono pesantemente e negativamente sull'efficienza di uno scafo. in maggior ragione su scafi "lenti" come le barche a vela. e' noto come spesso vengano utilizate eliche le cui pale si ripiegano sul mozzo riducendo in maniera sensibile la resistenza all'avanzamento.
2- quanto suggerito da mbt sull'uso di eliche a passo variabile, ha due aspetti negativi. la maggiore complessità meccanica e il peggior rendimento.

non voglio demolire le aspettative ma vedo diverse difficoltà.
aspettiamo l'intervento di drag che ci illuminerà su questi aspetti.
saluti a tutti.

 

[Drag]

non voglio demolire le aspettative ma vedo diverse difficoltà.

:frown:
quanto detto da exatem è ineccepibile, oltre che invidiabile (spiaggia al mare)

escludendo la soluzione più costosa e complicata, cioè elica a passo variabile, rimane ben poco da ottimizzare.

lo spazio sotto carena è limitato, ciò limita il diametro dell'elica, detto questo in base alla potenza motore, n° giri elica, velocità scafo (tralasciamo scie rendimenti ecc) calcoliamo l'elica ottima a punto fisso (si intendo che il rendimento max si ottiene solo a quelle date condizioni).

ora analizziamo il funzionamento a vela elica generatore.

1) le andature sono differenti a secondo del vento e della corrente, quindi la vel. assiale varia, ma supponiamo sia simile a quella di calcolo a motore.

2) la velocità di rotazione elica, alla vela sarà presumo sempre notevolmente inferiore rispetto a quella a motore.

a questo punto i triangoli di velocità a vela evidenziano una vel.risultante in ingresso profilo con un'inclinazione molto maggiore, in parole povere l'elica dovrebbe avere molto più passo, rispetto a quella a motore.

l'unica soluzione efficiente -> elica a passo variabile

per quel che riguarda la sezione palare utilizzerei un profilo ellittico simmetrico (tipo bow truster), probabilmente visto le modeste velocità, senza curvatura.

saluti a tutti

 

[KLA#27]

benvenuto a rbaffigo e complimenti per la sua passione.
1- tutte le appedici di carena influiscono pesantemente e negativamente sull'efficienza di uno scafo. in maggior ragione su scafi "lenti" come le barche a vela. e' noto come spesso vengano utilizate eliche le cui pale si ripiegano sul mozzo riducendo in maniera sensibile la resistenza all'avanzamento.
2- quanto suggerito da mbt sull'uso di eliche a passo variabile, ha due aspetti negativi. la maggiore complessità meccanica e il peggior rendimento.

quanto detto al punto 1 è lo stesso dubbio che era venuto a me, espresso in modo più professionale...:finger: però non sono d'accordo sul punto 2, in particolare sul peggior rendimento che si otterrebbe utilizzando eliche a passo variabile... secondo me è il contrario... in quanto avro sempre una condizione di progetto con il massimo rendimento e nelle condizioni off-design ho la possibilità di ridurre le perdite...

ciao a tutti

 

[Drag]

in particolare sul peggior rendimento che si otterrebbe utilizzando eliche a passo variabile

nel punto di progetto è così, meglio elica a pale fisse

nelle condizioni off-design ho la possibilità di ridurre le perdite

questo è vero

saluti

 

[Exatem]

:frown:
quanto detto da exatem è ineccepibile, oltre che invidiabile (spiaggia al mare)

escludendo la soluzione più costosa e complicata, cioè elica a passo variabile, rimane ben poco da ottimizzare.

lo spazio sotto carena è limitato, ciò limita il diametro dell'elica, detto questo in base alla potenza motore, n° giri elica, velocità scafo (tralasciamo scie rendimenti ecc) calcoliamo l'elica ottima a punto fisso (si intendo che il rendimento max si ottiene solo a quelle date condizioni).

ora analizziamo il funzionamento a vela elica generatore.

1) le andature sono differenti a secondo del vento e della corrente, quindi la vel. assiale varia, ma supponiamo sia simile a quella di calcolo a motore.

2) la velocità di rotazione elica, alla vela sarà presumo sempre notevolmente inferiore rispetto a quella a motore.

a questo punto i triangoli di velocità a vela evidenziano una vel.risultante in ingresso profilo con un'inclinazione molto maggiore, in parole povere l'elica dovrebbe avere molto più passo, rispetto a quella a motore.

l'unica soluzione efficiente -> elica a passo variabile

per quel che riguarda la sezione palare utilizzerei un profilo ellittico simmetrico (tipo bow truster), probabilmente visto le modeste velocità, senza curvatura.

saluti a tutti

visto? ci vogliono "quelli del mestiere".
comunque secondo me dovete anche considerare che una barca a vela, ha necessariamente una deriva che distrurba e rallenta il flusso che investe l'elica.
e, butto lì una cacchiata conseguente alla botta di sole odierna (spiaggia in località capo comino - siniscola), provare una soluzione pump-jet? con uno statore a proravia che ottimizza i filetti in ingresso (come detto molto disturbati), elica e, statore in uscita? occorrerebbe una analisi fluidodinamica per ottimizzare e valutare.

 

[Er Presidente]

se l'energia dell'elica deve essere accumulata ed utilizzata "disgiunta", in porto, in periodo di bonaccia o altro, ok.
ma se l'energia deve essere utilizzata direttamente per spingere la barca non ci siamo.
per pura legge fisica l'energia che si otterrebbe sarebbe solo una frazione di quella sottratta alla barca stessa.
sarebbe come mettere un freno di recupero, ma su una barca a vela c'e' poco da recuperare in "frenata".

 

[Onda]

esistono dei generatori di corrente che si montano a poppa della barca, con un'elica studiata appositamente per generare corrente.
in questo modo si ha la possibilità di scegliere di utilizzarli o meno.
inoltre il loro rendimento è sicuramente superiore a quello di un'elica che deve essere un compromesso con la propulsione.
questo il sito di uno.
http://wattandsea.com/

io personalmente a vela preferisco un'elica con le pale abbattibili e nel caso, se ho bisogno tiro il freno a mano e produco energia.
non dimentichiamo che la potenza a vela è estremamente limitata e si rischia di frenare abbondantemente la barca per produrre qualche watt di potenza.
onda

 

[Exatem]

se l'energia dell'elica deve essere accumulata ed utilizzata "disgiunta", in porto, in periodo di bonaccia o altro, ok.
ma se l'energia deve essere utilizzata direttamente per spingere la barca non ci siamo.
per pura legge fisica l'energia che si otterrebbe sarebbe solo una frazione di quella sottratta alla barca stessa.
sarebbe come mettere un freno di recupero, ma su una barca a vela c'e' poco da recuperare in "frenata".

come il kers?:biggrin:
l'energia eventualmente prodotta deve essere immagazzinata per successivi utilizzi. ma esistono generatori eolici (oltre ai pannelli solari con cui rivestire tughe e tughette) che su una barca a vela sono molto pertinenti.

esistono dei generatori di corrente che si montano a poppa della barca, con un'elica studiata appositamente per generare corrente.
in questo modo si ha la possibilità di scegliere di utilizzarli o meno.
inoltre il loro rendimento è sicuramente superiore a quello di un'elica che deve essere un compromesso con la propulsione.
questo il sito di uno.
http://wattandsea.com/


io personalmente a vela preferisco un'elica con le pale abbattibili e nel caso, se ho bisogno tiro il freno a mano e produco energia.
non dimentichiamo che la potenza a vela è estremamente limitata e si rischia di frenare abbondantemente la barca per produrre qualche watt di potenza.
onda

quoto quanto detto da onda. infatti, come dicevo più in su, una barca a vela ha già di per se velocità limitate e ogni ulteriore appendice di carena non fa che peggiorare la situazione. ricordo che nel calcolo della velocità di progetto la voce "appendici" ha un peso non trascurabile.

 

[rbaffigo]

buongiorno a tutti, grazie per gli intrventi.
cominciamo dalla fine:
-vorrei ringraziare drag per i preziosi consigli e chiedergli, sperando voglia perdonare la mia ignoranza, quale caratteristica dell'elica è la curvatura?
-si può stimare, come e con che approssimazione il numero di giri che farà l'elica usata come turbina in funzione della coppia applicata?
-in effetti pensavo di usare un'elica a profilo simmetrico, l'unico problema è che le eliche in commercio con profilo simmetrico sono tipicamente eliche per barche da regata a pale orientabili e prive di twist, penso, di conseguenza, con medio scarso rendimento.
-sto valutando l'ipotesi di allungare la linea d'asse per poter montare un'elica più grande.
-sicuramente un'elica che funziona come turbina riduce la velocità della barca, ma dalla documentazione che ho studiato on-line e da alcune semplici considerazioni fisiche penso di poter affermare che:
l'attrito aumenta con il numero di giri e con la coppia applicata fino alle condizioni di stallo dell'elica, poi diminuisce molto.
un freno applicato ad una barca prossima alla velocità critica lavora in un campo in cui già molta energia viene dissipata in maniera +/- esponenziale rispetto alla velocità, di conseguenza basterà rallentare la barca di pochi decimi di kn per "recuperare" l'energia necessaria.
fatte queste considerazioni il "piano" è:
senza vento.... speriamo di no!
con poco vento utilizzerò il motore a bassa potenza per creare un poco di "apparente" (somma vettoriale del vento reale e della velocità della barca) per raggiungere una velocità decente.
con vento medio inizierò la rigenerazione o bloccherò l'elica a seconda delle esigenze.
con vento forte batterie cariche, acqua calda, vino gelato, fornelli ad induzione.. etc

 

[rbaffigo]

...e musica ovviamente....

spero siate tutti al mare, a presto

rb

 

[Fulvio Romano]

con poco vento utilizzerò il motore a bassa potenza per creare un poco di "apparente"

sei certo che funzioni? così stringi la bolina fino ad avere prua al vento. hai l'impressione di spingere con le vele, ma in realtà il motore lavora quasi da solo...
se non hai un apparente almeno a 30° le vele rifiutano più di quello che spingono...

 

[rbaffigo]

è ovvio che se già stai di bolina e dai motore devi poggiare....
ma con un poco di motore vai al traverso con le vele regolate di bolina.....
già ampiamente sperimentato con motori endotermici e non vedo l'ora di farlo con il motore elettrico (il motore elettrico consuma in funzione della coppia e non del numero di giri...