Ottimizzazione del motore delle navi con il torsiometro di precisione T40MAR

L’ottimizzazione delle prestazioni dei motori delle navi con il torsiometro T40MAR altamente preciso ed affidabile di HBM consente di risparmiare ingenti quantità di carburante ed è anche in linea con l’esigenza sempre maggiore di norme internazionali.

La Convenzione internazionale MARPOL sulla graduale riduzione delle emissioni inquinanti fa appello alle industrie di motori navali per sviluppare nuovi motori in grado di funzionare con una combinazione di più carburanti, come i classici carburanti marittimi e il gas naturale liquefatto (GNL), in quanto con il carburante aggiuntivo, i motori a doppio carburante raggiungono senza problemi i livelli richiesti di riduzione dei gas di scarico. Questi motori che possono usare diversi tipi di carburante devono essere in grado di passare rapidamente da uno all’altro, senza perdite di potenza, se possibile. Inoltre, quando il motore è usato in modalità GNL, occorre prevenire con sicurezza modalità operative critiche (della pressione dei cilindri), come battito in testa e misfiring o sovraccarico (v. fig. 1).

Soltanto una precisione di misurazione del carico sufficiente potrà consentire un controllo corretto dei motori di queste navi nella loro finestra di funzionamento ottimale [1]. Quanto più precisa sarà l’informazione sulla coppia, tanto più preciso sarà il controllo. La coppia può essere misurata in modo diretto o indiretto.

Come misurare il carico?

Misurazione indiretta del carico

La misurazione indiretta del carico su un albero della trasmissione implica la misurazione di parametri relativi alla coppia e conseguenti calcoli. Questi parametri relativi alla coppia sono solitamente determinati da:

  • Misurazioni delle sollecitazioni sulla superficie dell’albero del motore. Gli estensimetri vengono incollati direttamente sull’albero a questo scopo, quindi collegati ad un ponte di misurazione. La trasmissione sia della tensione di eccitazione che del segnale di misura è senza contatto in entrambi i casi.
  • Misurazione dell’angolo di torsione dell’albero

Misurazione diretta del carico

La misurazione diretta del carico utilizza un torsiometro in linea come parte integrale dell’albero di trasmissione (v. fig. 2). Il torsiometro è già tarato presso il produttore con apposite macchine di taratura. Il trasduttore può essere facilmente installato, rimosso, sostituito e nuovamente tarato.

Fig. 2: Torsiometro T40MAR certificato per uso navale

Entrambi i metodi offrono alcuni vantaggi, ad es. il retrofit su sistemi esistenti. A seconda della qualità dell’installazione e dei componenti usati, il valore di coppia da calcolare di conseguenza può avere un’incertezza relativamente alta per via delle tolleranze (v. tab. 1), che alla fine risulta in un’incertezza di misura relativamente alta

Variabili di immissione|Indiretto: Estensimetro|Diretto: Sensore della coppia
Modulo di elasticità|2 … 5%|~ 0%
Fattore di trasduzione|~ 1%|~ 0%
Geometria dell’albero|~ 1%|~ 0%
Posizionamento estensimetro|1 … 5%|~ 0%
Impatto T°|2 … 5%|~ 0,1%
Totale|5 … 7% , non rilevabile|~ 0,2 … 0,3%, rilevabile

Taratura e tracciabilità

Oltre alla misura di valori di coppia elevati, la taratura e la tracciabilità di questa grandezza fisica sta progressivamente prendendo piede per garantire la precisione della potenza del motore o l’efficienza, che sono essenziali per soddisfare le rigide norme ambientali vigenti nel settore dei motori marini [2]. Fondamentalmente si distinguono tre metodi di taratura:

  • Sistemi con massa e braccio di leva – una coppia definita con precisione viene generata quando la forza del peso delle masse tarate agisce sul campione per mezzo di un braccio di leva di lunghezza nota [4].
  • La seconda tecnica di taratura della coppia viene eseguita usando un trasduttore di forza di riferimento con un braccio della leva [3].
  • Il terzo principio è un trasduttore di forza di riferimento che fornisca il valore di riferimento.

I sistemi con torsiometri di riferimento possono usare qualsiasi meccanismo per generare la coppia, che viene misurata con il torsiometro di riferimento [2] [3].

Fig.3 : Macchina per la taratura da 400 kN·m presso HBM Darmstadt

Macchina di taratura della coppia HBM

Secondo il metodo per la taratura di riferimento standard, questa nuova macchina di taratura (v. fig. 3) unisce le caratteristiche dei due metodi per la taratura della coppia seguenti: il sistema con massa e braccio a leva e il metodo che comprende un torsiometro di riferimento che fornisce la coppia di riferimento. Come trasduttori di riferimento sono stati scelti i trasduttori modificati T10FH/150 kN·m e T10FH/400 kN·m. Per via dei due trasduttori di riferimento di precisione, è stato possibile ottenere una ridotta incertezza di misura, pari a 0,1 %.

Il principale contributo a questa minima incertezza è dato dalla catena interrotta documentata di confronti che riconducono questi torsiometri al torsiometro di riferimento dello standard nazionale tedesco. L’incertezza di misura dello standard nazionale tedesco, la macchina per taratura di categoria superiore da 1,1 MN·m, denominata anche “macchina standard per la coppia” situata in PTB, a cui risale questa nuova macchina di taratura da 400 kN·m è 0,08 %.

 

Conclusione

T40MAR è la flangia HBM per la misurazione della coppia appositamente sviluppata e certificata per l’uso nei sistemi di propulsione marini. La sua precisione di misura consente il calcolo dei segnali di carico con una precisione superiore di almeno 10 volte rispetto a quanto previsto dalle norme ambientali attualmente vigenti dell’industria navale.


Riferimenti

[1]   K. Weissbrodt, Direct torque measurement on large drives with very small tolerances, Paper Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2011)

[2]   H. Frais, L. Lioba, D. Röske, Development of a New 400KN.m Torque Calibration Machine, Paper, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2015)  

[3]   R. Schicker and G. Wegener, Measuring Torque Correctly. Bielefeld: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. (2002)

[4]   Davis, F.A. The 1st UK National Standard Static Torque Calibration Machine-New Design Concepts Lead The way. Measurement Science Conference in Anaheim, USA. (2002)

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