Alberi del sistema di propulsione marina: una revisione dell'evoluzione e dell'applicazione della tecnologia

1. Introduzione

marino L'albero del sistema di propulsione  è il componente principale della centrale elettrica di una nave. Essendo un collegamento di potenza essenziale, trasmette potenza in uscita dal motore principale all'elica ,  e nel frattempo canalizza la spinta generata dall'elica all'imbarcazione la . Le condizioni operative di queste parti vitali del sistema di propulsione marina hanno un impatto decisivo sull'efficienza di propulsione di una nave, sulla sicurezza della navigazione, nonché sul rapporto costo-efficacia nel suo ciclo di vita.

Con le norme di decarbonizzazione dell’Organizzazione marittima internazionale ( IMO ) , come EEXI e CII, ampiamente applicate e la digitalizzazione che avanza rapidamente nel settore marittimo, le tecnologie dei sistemi di propulsione marina stanno entrando in una fase di transizione importante. La propulsione navale sta andando oltre il tradizionale trasferimento di potenza meccanica, verso soluzioni più ecologiche, intelligenti e leggere.

Nuovi sviluppi tecnici continuano ad apparire, aprendo nuove opzioni per una progettazione degli alberi più efficiente. I principali progressi includono:

l Materiali avanzati: applicazione di compositi in fibra di carbonio e ceramiche tecniche.

l Strutture innovative: configurazioni innovative come il design Sterntubeless.

l Monitoraggio di prossima generazione: implementazione della tecnologia del gemello digitale e del rilevamento in fibra ottica.

Questo articolo è una revisione sistematica dei principi essenziali e degli ultimi sviluppi nel campo degli alberi , aiutando i progettisti e i leader tecnici ad accedere a una risorsa affidabile e approfondita per decisioni informate sull'approvvigionamento e sulle specifiche. Gli argomenti chiave includono:

l Teorie fondamentali della progettazione del sistema di propulsione marina

l Funzioni e ottimizzazione delle parti critiche del sistema di propulsione marina

l Integrazione di nuove applicazioni di materiali

l Metodologie avanzate di controllo delle vibrazioni

l Monitoraggio intelligente e tendenze di sviluppo di frontiera

 

2. Panoramica degli alberi del sistema di propulsione marina

2.1 Composizione e funzione delle parti del sistema di propulsione marina

Un tipico sistema d'assi di propulsione marina è costituito dai seguenti componenti chiave:

NO.	Componente	Descrizione della funzione
1	Albero di spinta	Trasmette la spinta assiale generata dall'elica allo scafo tramite il cuscinetto reggispinta
2	Albero intermedio	Collega l'albero di spinta all'albero di poppa; possono essere utilizzate più sezioni a seconda della disposizione della sala macchine
3	Albero di poppa/albero dell'elica	Collega l'albero intermedio all'elica; passa attraverso il tubo di poppa e resiste ai massimi momenti flettenti
4	Cuscinetto reggispinta	Assorbe la spinta assiale; tipicamente un cuscinetto reggispinta scorrevole di tipo Michell
5	Cuscinetto intermedio	Supporta l'albero intermedio e resiste ai carichi radiali
6	Cuscinetto del tubo di poppa	Supporta l'albero di poppa sott'acqua nelle condizioni operative più difficili
7	Accoppiamento	Collega le sezioni dell'albero, trasmette la coppia e compensa piccoli disallineamenti di installazione
8	Premistoppa per paratia	Garantisce la tenuta stagna tra i compartimenti, prevenendo perdite d'acqua
9	Guarnizione del tubo di poppa	Impedisce l'ingresso di acqua di mare nel tubo di poppa e la perdita di olio dal sistema di lubrificazione

 

2.2 Flusso di lavoro di progettazione del sistema di propulsione marina

La progettazione di alberi per sistemi di propulsione marina è un processo di ingegneria dei sistemi multidisciplinare. Il flusso di lavoro standard include:

1.Selezione del motore e dell'elica : determina la potenza nominale, la velocità di rotazione e il rapporto di riduzione del cambio

2.Stima preliminare del diametro dell'albero : utilizzare le formule empiriche della società di classificazione per il dimensionamento iniziale

3.Selezione dei materiali : bilanciare resistenza, prestazioni a fatica, resistenza alla corrosione e costi

4.Disposizione degli alberi e posizionamento dei cuscinetti : definizione delle posizioni assiali e delle configurazioni dei supporti

5.Verifica della resistenza statica – Analisi delle sollecitazioni e calcoli del fattore di sicurezza

6.Analisi delle vibrazioni – Valutazione delle vibrazioni torsionali, laterali (vorticose) e longitudinali

7.Calcolo dell'allineamento degli alberi : determina gli offset ottimali dei cuscinetti per garantire che i carichi sui cuscinetti rimangano entro i limiti consentiti

8.Valutazione della resistenza alla fatica – Valuta la resistenza alla fatica sotto carichi alternati

9.Progettazione dettagliata e approvvigionamento di componenti : finalizzazione dei disegni costruttivi e delle specifiche tecniche

 

2.3 Principali sfide meccaniche nella progettazione degli alberi dei sistemi di propulsione marina

· Carico statico – Sollecitazione di flessione, sollecitazione di taglio e verifica della pressione specifica del cuscinetto

· Carico dinamico – Vibrazioni torsionali, vibrazioni laterali, vibrazioni longitudinali e analisi dell'allineamento degli alberi

· Comportamento a fatica – Previsione della durata a fatica e valutazione della propagazione delle cricche sotto carico ciclico

 

3. Tecnologie chiave nella progettazione degli alberi dei sistemi di propulsione marina

3.1 Tecnologia di allineamento alberi

L'allineamento degli alberi è il fattore più critico che garantisce il funzionamento sicuro e stabile di un sistema di propulsione marina . Un allineamento inadeguato porta a temperature elevate dei cuscinetti, usura anomala, aumento delle vibrazioni e persino frattura dell'albero.

Evoluzione dei metodi di allineamento degli alberi:

1^Prima generazione - Allineamento in linea retta: tutti i centri dei cuscinetti allineati su una linea retta: semplice ma inefficace in caso di deformazione dello scafo

2^Seconda generazione - Allineamento del carico consentito: carichi dei cuscinetti regolati entro i limiti consentiti modificando gli offset dei cuscinetti

3^{di terza} generazione : - Allineamento ottimizzato utilizza algoritmi di ottimizzazione per determinare gli offset ottimali dei cuscinetti considerando carichi, sollecitazioni di flessione, angoli dei cuscinetti e aperture delle flange: ora lo standard del settore

4^{di quarta} generazione : - Allineamento dinamico tiene conto della deformazione dello scafo, della rigidità del film d'olio, degli effetti termici e dei carichi delle onde per l'ottimizzazione delle condizioni operative complete

Fattori chiave che influenzano:

Fattore	Meccanismo	Contromisura
Deformazione dello scafo	Deflessione dello scafo dovuta al carico/scarico e all'azione delle onde	Analisi globale accoppiata FEM-albero
Rigidità del film d'olio dei cuscinetti	Lo spessore e la rigidità del film variano in base alle condizioni operative	Modellazione della lubrificazione elastoidrodinamica (EHL).
Effetti termici	La dilatazione termica altera gli offset dei cuscinetti	Procedura di eliminazione a caldo preimpostata + allineamento a caldo
Idrodinamica dell'elica	La spinta eccentrica genera ulteriori momenti flettenti	Calcolo accoppiato comprendente le forze di eccitazione dell'elica
Tolleranza di installazione	Difformità costruttive in cantiere	Tecnologia di allineamento laser

 

3.2 Tecnologia di controllo delle vibrazioni per parti di sistemi di propulsione marina

(1) Vibrazioni torsionali

Causato dalla pressione di combustione ciclica nei cilindri diesel. Parametro chiave: lo stress aggiuntivo dovuto alle vibrazioni torsionali non deve superare i limiti della società di classificazione (tipicamente ±20–30 N/mm²). La gamma di velocità barrata deve evitare le normali velocità operative.

Misure di mitigazione: smorzatori di vibrazioni torsionali (olio di silicone/gomma), inerzia del volano ottimizzata e giunti ad alta elasticità.

(2) Vibrazione laterale (vorticosa).

Causato dallo squilibrio della massa dell'elica, dallo squilibrio idrodinamico e dalle forze del film d'olio sui cuscinetti. Criteri di progettazione: la velocità critica laterale del primo ordine deve superare il 120% della velocità operativa massima (design ad albero rigido) o scendere al di sotto dell'80% della velocità minima stabile (design ad albero flessibile), con intervalli dei cuscinetti adeguatamente distanziati.

(3) Vibrazione longitudinale

Causato dalla fluttuazione della spinta dell'elica in campi di scia non uniformi e dall'eccitazione assiale del motore diesel, particolarmente evidente nelle navi ad albero lungo. Direzioni di ricerca di frontiera: dinamica accoppiata cuscinetto reggispinta-scafo, smorzatori di vibrazioni assiali e tecnologia di compensazione attiva della spinta.

 

4. Nuovi materiali e produzione avanzata per parti di sistemi di propulsione marina

4.1 Alberi motore in polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) per sistemi di propulsione marina

Gli alberi di trasmissione in CFRP rappresentano una delle innovazioni tecnologiche più significative degli ultimi anni nel campo degli alberi per sistemi di propulsione marina.

l Vantaggi tecnici: Rispetto ai tradizionali alberi in acciaio legato, gli alberi CFRP offrono:

Densità: 1,55–1,75 g/cm³ → Riduzione del peso del 70–78%.

Resistenza specifica: ~900 MPa/(g/cm³) → 5–6 volte superiore rispetto all'acciaio legato

Fattore di smorzamento: 0,01–0,03 → 10–30× superiore all'acciaio

Espansione termica: vicino allo zero (da −0,5 a +0,5 ×10⁻⁶/K) → eccellente stabilità termica

Resistenza alla corrosione: resistenza naturale all'acqua di mare: non è richiesta alcuna manutenzione del rivestimento protettivo

l Progettazione e produzione: la tecnologia principale risiede nella progettazione dell'impilamento degli strati , che ottimizza l'orientamento delle fibre (combinazioni di laminati a 0°/±45°/90°) per soddisfare i requisiti di trasmissione della coppia, rigidità alla flessione e carico assiale. Un tipico processo di produzione combina l'avvolgimento della fibra con la stratificazione del preimpregnato . Il collegamento tra i giunti flangiati metallici (lega di titanio o acciaio inossidabile) e il corpo del tubo in CFRP rappresenta una sfida critica. I metodi comuni includono l'incollaggio + , l'incollaggio ibrido con bloccaggio meccanico + l'imbullonatura e l'integrazione della co-indurimento.

l Applicazioni attuali: gli alberi in CFRP hanno raggiunto l'impiego commerciale in navi militari ad alta velocità , , yacht di lusso e OSV (navi di supporto offshore) . Le previsioni di mercato proiettano un CAGR superiore al 15% per il mercato globale degli alberi per eliche in CFRP nelle applicazioni marittime.

CFRP e acciaio legato: confronto tra le parti del sistema di propulsione marina:

Proprietà	Albero in acciaio legato (40CrNi2MoA)	Albero motore in CFRP	Vantaggio
Densità (g/cm³)	7.85	1,55–1,75	70–78% più leggero
Forza specifica (MPa/(g/cm³))	~140	~900	Forza specifica 5–6 volte più elevata
Modulo specifico (GPa/(g/cm³))	~26	~80	Rigidità specifica ~3 volte più elevata
Fattore di smorzamento	0,001–0,002	0,01–0,03	Smorzamento 10–30 volte migliore
Dilatazione termica (10⁻⁶/K)	~12	−0,5~+0,5 (personalizzabile)	Stabilità termica superiore
Rapporto limite di fatica/resistenza alla trazione	0,35–0,50	0,50–0,70	Migliori prestazioni a fatica
Resistenza alla corrosione dell'acqua di mare	Richiede rivestimento	Resistenza naturale	Esente da manutenzione

 

4.2 Ceramica tecnica e rivestimenti ceramici per parti di sistemi di propulsione marina

L'applicazione di rivestimenti ceramici alle superfici dell'albero del tubo di poppa migliora significativamente la resistenza all'usura e alla corrosione dell'acqua di mare, due dei requisiti prestazionali più esigenti per le parti dei sistemi di propulsione marina.

Principali tecnologie di rivestimento:

Processo	Caratteristiche	Applicazioni tipiche
HVOF (carburante ad ossigeno ad alta velocità)	Elevata densità del rivestimento, eccellente forza di adesione	Rivestimenti WC-Co, Cr₃C₂-NiCr
APS (Spruzzatura al Plasma Atmosferico)	Ampia compatibilità dei materiali	Rivestimenti ceramici all'ossido
Rivestimento laser	Legame metallurgico, minima distorsione termica	Rivestimenti compositi a base Ni/Co + particelle ceramiche
PVD (deposizione fisica da vapore)	Ultrasottile (<5 μm), durezza ultraelevata	Rivestimenti duri TiN, CrN

 

4.3 Materiali dei cuscinetti lubrificati ad acqua per gli alberi dei sistemi di propulsione marina

I cuscinetti lubrificati ad acqua utilizzano l'acqua come mezzo lubrificante, eliminando sostanzialmente la contaminazione dell'olio, rappresentando una direzione tecnologica fondamentale per gli alberi ecologici dei sistemi di propulsione marina.

Materiali e caratteristiche dei cuscinetti lubrificati ad acqua:

Materiale	Fornitore tipico	Caratteristiche principali	Limitazioni
Lignum Vitae	Materiale tradizionale	Autolubrificazione naturale, eccellente compatibilità con l'acqua di mare	Risorse scarse, offerta instabile
Gomma nitrilica (NBR)	Produttori multipli	Basso costo, buona tolleranza ai sedimenti	Incline al calore e all'usura alle alte velocità
Composito di resina fenolica	Thordon COMPAC	Eccellente resistenza all'usura, elevata capacità di carico	Richiede un'elevata precisione di lavorazione
PEEK composito	Compositi CIP	Resistenza all'usura ultraelevata, prestazioni termiche eccezionali	Costo più elevato
Thordon (SXL)	Cuscinetti Thordon	Autolubrificazione superiore e prestazioni lubrificate ad acqua	—

 

4.4 Tendenze di sviluppo futuro nella tecnologia dei sistemi di propulsione marina

· Design Sterntubeless - Un concetto rivoluzionario proposto dalla Blue Ocean Alliance : eliminazione del tradizionale tubo di poppa a favore di cuscinetti lubrificati con acqua di mare + collegamenti a chiave conica . I membri dell’alleanza includono ABS, Thordon, SDARI, Wärtsilä e NTUA.

· Compositi di prossima generazione : PEEK rinforzato con fibra di carbonio, polimeri modificati con grafene e rivestimenti di cuscinetti microstrutturati biomimetici per parti di sistemi di propulsione marina.

· Monitoraggio del gemello digitale per cuscinetti lubrificati ad acqua : monitoraggio dello stato strutturale basato su sensori integrati; una ricerca pertinente è stata pubblicata su Ocean Engineering nel 2026.

 

5. Controllo delle vibrazioni e del rumore per gli alberi dei sistemi di propulsione marina

5.1 Analisi delle sorgenti di vibrazione negli alberi dei sistemi di propulsione marina

Le principali fonti di eccitazione che guidano le vibrazioni degli alberi del sistema di propulsione marina includono:

1. Forze di eccitazione del motore diesel : pulsazione della coppia causata dalla pressione periodica di combustione del cilindro

2. Forze di eccitazione dell'elica - Pulsazioni di spinta e coppia generate da campi di scia non uniformi (dominati dalla frequenza di passaggio delle pale - BPF)

3. Forze di squilibrio dell'albero : squilibrio di rotazione derivante dalle tolleranze di produzione e installazione

4. Forze del film d'olio dei cuscinetti : vibrazioni autoeccitate dovute al vortice e all'oscillazione del film d'olio

 

5.2 Strategie di controllo delle vibrazioni per parti di sistemi di propulsione marina

Strategia di controllo	Misure specifiche	Bersaglio di controllo
Sintonizzazione della frequenza	Regolare il diametro dell'albero, la lunghezza del segmento e la spaziatura dei cuscinetti	Velocità critiche
Controllo dello smorzamento	Ammortizzatori in olio siliconico, giunti ad alta elasticità	Vibrazioni torsionali
Progettazione dell'isolamento	Supporti elastici per paratie, sistemi di isolamento per zattere galleggianti	Percorsi di trasmissione del rumore strutturale
Controllo attivo	Compensazione attiva della spinta, cuscinetti magnetici	Vibrazione longitudinale

 

5.3 Controllo del rumore irradiato subacqueo per il sistema di propulsione marina

Per le navi militari e le navi da ricerca, il rumore irradiato sottomarino (URN) è un indicatore fondamentale delle prestazioni tattiche e tecniche. Le misure di controllo primarie includono:

· Design dell'elica a bassa rumorosità — Riduce la cavitazione dell'elica e il rumore della frequenza di passaggio delle pale

· Giunti ad alto smorzamento — Riducono al minimo la trasmissione delle vibrazioni torsionali attraverso il sistema di propulsione marina

· Design isolante del cuscinetto reggispinta : disaccoppia le vibrazioni dell'albero dalla struttura dello scafo

· Soppressione del rumore di attrito dei cuscinetti lubrificati ad acqua — Riduce il rumore autogenerato dalle superfici dei cuscinetti

 

 

6. Monitoraggio intelligente e gemello digitale per parti del sistema di propulsione marina

6.1 Sistemi di monitoraggio delle condizioni degli alberi per sistemi di propulsione marina

Il moderno monitoraggio delle condizioni dei sistemi di propulsione marina comprende i seguenti parametri critici:

Categoria dei parametri	Parametro specifico	Tipo di sensore
Vibrazione	Accelerazione/velocità/spostamento delle vibrazioni dell'alloggiamento del cuscinetto	Accelerometri piezoelettrici
Temperatura	Temperatura operativa di ciascun cuscinetto	RTD/termocoppia PT100
Potenza dell'albero	Coppia dell'albero + velocità → potenza erogata	Estensimetro/misuratore di potenza dell'albero fotoelettrico
Condizioni dell'olio	Contenuto di acqua, numero e dimensione delle particelle di usura	Sensori di monitoraggio dell'olio online
Posizione dell'albero	Orbita centrale dell'albero, spostamento assiale	Sensori di spostamento a correnti parassite
Sottoporre a tensione	Flessione/deformazione torsionale dell'albero	Sensori estensimetri/reticolo in fibra di Bragg (FBG).

Un sistema completo di monitoraggio delle condizioni del sistema di propulsione marina integra il rilevamento multiparametrico per fornire visibilità in tempo reale sullo stato degli alberi, consentendo agli operatori di rilevare i primi segni di degrado, disallineamento o sovraccarico dei cuscinetti prima che si verifichi un guasto critico.

 

6.2 Requisiti della società di classificazione per il monitoraggio del sistema di propulsione marina

Le principali società di classificazione hanno stabilito requisiti chiari per il monitoraggio delle condizioni degli alberi all'interno delle parti dei sistemi di propulsione marina:

Classe NK : le navi dotate di sensori della temperatura dei cuscinetti devono eseguire l'analisi dell'olio ogni 6 mesi + l'analisi mensile del contenuto di acqua oppure l'analisi dell'olio ogni 3 mesi. Implementa PSCM (Propeller Shaft Condition Monitoring). il quadro di approvazione

DNV : secondo la normativa TMON (Tailtree Monitoring) , il monitoraggio basato sulle condizioni può estendere gli intervalli di ispezione del ritiro dell'albero di coda dai tradizionali 5 anni a un massimo di 15 anni

CCS : Linee guida pubblicate per l'ispezione dei sistemi di monitoraggio delle condizioni degli alberi di propulsione delle navi , che forniscono un quadro normativo per le navi di costruzione cinese

Questi standard delle società di classificazione dimostrano il passaggio del settore dalla manutenzione basata sul tempo alla manutenzione basata sulle condizioni (CBM) per gli alberi dei sistemi di propulsione marina, riducendo i tempi di fermo e migliorando al tempo stesso la sicurezza.

 

6.3 Quadro del Digital Twin per l'albero dei sistemi di propulsione marina

La tecnologia digital twin del sistema di propulsione marina adotta un'architettura a quattro strati :

· Strato fisico : reti di alberi e sensori di navi reali (sensori FBG in fibra ottica, vibrazioni, temperatura e condizioni dell'olio)

· Livello dati : acquisizione, archiviazione e preelaborazione dei dati in tempo reale (gateway di edge computing, database di serie temporali)

· Livello modello : modelli di simulazione accoppiati multi-fisica (simulazione congiunta FEM + BEM + EHL)

· Livello applicativo : valutazione delle condizioni, diagnosi dei guasti e previsione della vita utile rimanente (RUL) (algoritmi AI/ML, inferenza del modello Large Language)

Questa struttura di gemello digitale a quattro strati consente agli operatori dei sistemi di propulsione marina di creare una replica virtuale dell'albero fisico, costantemente aggiornata con dati di sensori in tempo reale per rispecchiare le condizioni operative effettive, prevedere guasti e ottimizzare i programmi di manutenzione.

6.4 Scenari applicativi tipici per il Digital Twin del sistema di propulsione marina

La tecnologia Digital Twin offre valore misurabile nei principali scenari di manutenzione dei sistemi di propulsione marina:

Valutazione dell'allineamento in tempo reale : valutazione continua dello stato di allineamento degli alberi in condizioni operative variabili

Previsione dell'usura dei cuscinetti : stima della vita utile residua (RUL) per cuscinetti lubrificati ad acqua e ad olio

Riconoscimento guasti CNN/LSTM : identificazione basata sul deep learning di tipici modelli di guasto: squilibrio, disallineamento, difetto del cuscinetto

Manutenzione basata sulle condizioni (CBM) : processo decisionale sulla manutenzione basato sui dati che sostituisce la tradizionale manutenzione basata sul tempo (TBM)

Tendenza emergente: modelli linguistici di grandi dimensioni nel monitoraggio della salute strutturale (SHM):

Una revisione del 2025 pubblicata sul Chinese Journal of Ship Research evidenzia come i modelli linguistici di grandi dimensioni (LLM) stiano determinando un cambiamento di paradigma nel monitoraggio della salute strutturale dei sistemi di propulsione marina:

· Fusione dati multimodale : integrazione di dati su vibrazioni, temperatura, olio e deformazione per una valutazione olistica dello stato di salute degli alberi

· Apprendimento del trasferimento dei guasti zero-shot/pochi-shot : adattamento dei modelli addestrati alle nuove configurazioni dell'imbarcazione con dati aggiuntivi minimi

· Report diagnostici in linguaggio naturale : generazione automatica di report di analisi dei guasti leggibili dall'uomo dai dati dei sensori

· Supporto decisionale intelligente per la manutenzione predittiva : pianificazione della manutenzione basata sull'intelligenza artificiale ottimizzata per i profili operativi delle navi

 

7. Schemi tipici di configurazione degli alberi del sistema di propulsione marina

7.1 Trasmissione diretta diesel a bassa velocità – Sistema di propulsione marina

Navi applicabili: navi portarinfuse di grandi dimensioni, VLCC (Very Large Crude Carriers), navi portacontainer di grandi dimensioni.

Catena di trasmissione di potenza:

Motore diesel a due tempi a bassa velocità (50–100 giri/min) → Albero intermedio → Albero di poppa → Elica a passo fisso (FPP)

Caratteristiche principali:

· La catena di trasmissione più corta tra tutte le configurazioni dei sistemi di propulsione marina

· Massima efficienza : l'efficienza della trasmissione supera il 98%

· Ampio diametro dell'albero : gli alberi intermedi VLCC possono raggiungere 600–800 mm

· Cuscinetto reggispinta integrato : alloggiato all'interno del corpo principale del motore

Questa configurazione rimane la scelta dominante per le grandi navi mercantili grazie alla sua semplicità meccanica e alla comprovata affidabilità nelle applicazioni dei sistemi di propulsione marina a servizio continuo.

 

7.2 Diesel a media velocità + riduttore - Parti del sistema di propulsione marina

Navi interessate: navi mercantili di piccole e medie dimensioni, navi di supporto offshore (OSV), traghetti.

Catena di trasmissione di potenza:

Motore diesel a quattro tempi a media velocità (500–1000 giri/min) → Giunto ad alta elasticità → Riduttore → Albero intermedio → Albero di poppa → Elica a passo regolabile (CPP) / Elica a passo fisso (FPP)

Elementi essenziali di progettazione per le parti del sistema di propulsione marina:

· un'analisi completa delle vibrazioni torsionali : regimi più elevati del motore introducono modalità di vibrazione complesse È obbligatoria

· La scelta del giunto ad alta elasticità è fondamentale: isola l'eccitazione torsionale dalla trasmissione

· Il cuscinetto reggispinta indipendente è generalmente configurato separatamente dalla scatola del cambio

La configurazione diesel + cambio a media velocità offre una maggiore flessibilità nella disposizione della sala macchine ed è sempre più adottata nelle navi che richiedono CPP per una migliore manovrabilità.

 

7.3 Propulsione ibrida diesel-elettrica – Sistema di propulsione marina

Navi interessate: navi per operazioni di servizio (SOV), navi di supporto offshore (OSV), navi da ricerca.

Modalità operative:

Modalità	Flusso di potenza
PTO (Presa di Forza) Meccanica	Motore diesel → Cambio → Generatore ad albero + albero di propulsione
PTI (Power Take-In) Elettrico	Gruppi elettrogeni → Motore di propulsione → Riduttore → Alberi
Elettrico puro	Banco batterie → Motore di propulsione → Albero

 

Caratteristiche di progettazione delle parti del sistema di propulsione marina ibrida:

· Interfacce PTO/PTI multiple che richiedono una sofisticata gestione della potenza

· Allineamento multi-condizione e analisi delle vibrazioni : gli alberi devono funzionare in modalità meccanica, elettrica e ibrida

· Capacità di coppia inversa : l'albero deve resistere all'inversione di coppia durante le transizioni di modalità

La propulsione ibrida rappresenta un segmento in crescita nel mercato dei sistemi di propulsione marina, in particolare per le navi con requisiti di posizionamento dinamico (DP) e frequenti manovre portuali.

 

7.4 Propulsione completamente elettrica – Sistema di propulsione marina

Navi applicabili: traghetti elettrici, navi da carico interne, piccole imbarcazioni turistiche.

Catena di trasmissione di potenza:

Batteria / Cella a combustibile → Inverter → Motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) → Elica a trasmissione diretta

Vantaggi del sistema di propulsione marina completamente elettrico:

· Disposizione flessibile : i motori elettrici possono essere posizionati vicino all'elica, eliminando lunghi alberi

· Bassa rumorosità : fondamentale per le navi passeggeri e le navi da ricerca

· Zero emissioni (modalità elettrica pura): in linea con gli obiettivi di decarbonizzazione dell'IMO 2030/2050

La propulsione completamente elettrica è una direzione tecnologica chiave per la navigazione ecologica e si prevede che vedrà un’adozione accelerata nel trasporto marittimo a corto raggio e nel trasporto per vie navigabili interne.

 

7.5 Disposizione ottimale multicuscinetto per alberi complessi di sistemi di propulsione marina

Per forme di scafo complesse come i cacciatorpediniere multialbero e i catamarani ad alta velocità , il tradizionale posizionamento empirico dei cuscinetti non è sufficiente. Gli algoritmi genetici (GA) e l'ottimizzazione dello sciame di particelle (PSO) vengono utilizzati per l'ottimizzazione multi-obiettivo della posizione dei cuscinetti, riducendo al minimo le forze di reazione dei cuscinetti e controllando le sollecitazioni di flessione dell'albero.

Questa metodologia avanzata di ottimizzazione dei cuscinetti è stata applicata con successo nella progettazione di più sistemi di assi di propulsione marina per navi militari.

 

8. Prospettive future per la tecnologia dei sistemi di propulsione marina

8.1 Adozione su larga scala di alberi di trasmissione compositi nei sistemi di propulsione marina

Nel corso dei prossimi 5-10 anni , gli alberi motore in CFRP passeranno dalle applicazioni dimostrative all’impiego commerciale su larga scala nelle parti dei sistemi di propulsione marina.

Principali aree di innovazione:

· Processi produttivi per alberi in CFRP di grande diametro (>400 mm).

· Convalida della fatica a vita intera delle connessioni dei giunti metallo-CFRP

· Armonizzazione e completamento dei codici di progettazione delle società di classificazione per alberi compositi

Con la diminuzione dei costi di produzione e la maturazione dei quadri di certificazione, si prevede che gli alberi in CFRP penetreranno nei segmenti delle navi commerciali tradizionali oltre alle applicazioni di nicchia ad alte prestazioni.

 

8.2 Progettazione di navi senza tubo di poppa per sistemi di propulsione marina

La Blue Ocean Alliance (BOA) ha proposto un rivoluzionario design di nave sterntubeless per l'albero del sistema di propulsione marina:

· I cuscinetti lubrificati con acqua di mare sostituiscono i cuscinetti del tubo di poppa lubrificati ad olio

· I collegamenti a chiave conica sostituiscono il tradizionale gruppo del tubo di poppa

· Eliminazione del tradizionale tubo di poppa, della guarnizione di poppa e del rivestimento dell'albero

Risultati target: struttura semplificata, zero inquinamento da petrolio e oneri di manutenzione ridotti: un progresso davvero dirompente per la progettazione di sistemi di propulsione marina rispettosi dell’ambiente.

 

8.3 Funzionamento e manutenzione autonomi guidati dall'intelligenza artificiale per parti del sistema di propulsione marina

La manutenzione dei sistemi di propulsione marina si sta evolvendo dalla diagnosi reattiva dei guasti al processo decisionale autonomo e predittivo.

Tecnologie principali:

· Motori di ragionamento diagnostico basati su Large Language Model (LLM) : interpretazione degli errori del linguaggio naturale da dati multisensore

· Modelli collaborativi multinave abilitati all'apprendimento federato : apprendimento condiviso tra flotte senza compromettere la privacy dei dati

· Tecnologia di allineamento adattivo degli alberi : regolazione dell'offset dei cuscinetti in tempo reale in base alle condizioni operative

Queste tecnologie di intelligenza artificiale trasformeranno radicalmente il modo in cui le parti dei sistemi di propulsione marina vengono monitorate, mantenute e ottimizzate durante tutto il loro ciclo di vita.

 

8.4 Motori superconduttori e cuscinetti magnetici per sistemi di propulsione marina

Motori superconduttori ad alta temperatura (HTS):

· Ridurre drasticamente il volume e il peso del motore di propulsione

· Aumento significativo della densità di potenza , consentendo soluzioni di sistemi di propulsione marina più compatti

Cuscinetti magnetici attivi (AMB):

· Funzionamento senza contatti e senza attrito , nessuna usura meccanica

· Nessuna lubrificazione richiesta : elimina completamente i sistemi di lubrificazione

· Controllo attivo in tempo reale : regola dinamicamente le forze dei cuscinetti per sopprimere le vibrazioni

· Elimina sostanzialmente l'usura dei cuscinetti e i problemi di vortice del velo d'olio negli alberi dei sistemi di propulsione marina

 

8.5 Tecnologia degli alberi per la propulsione con celle a combustibile a idrogeno – Sistema di propulsione marina

La propulsione con celle a combustibile a idrogeno porterà profondi cambiamenti nella tecnologia degli alberi dei sistemi di propulsione marina:

Propulsione distribuita - Più piccole unità di propulsione sostituiscono i singoli motori principali di grande spinta

Design integrato dell'elica azionata dal cerchio - Motore integrato nel mozzo dell'elica: non è richiesto alcun albero tradizionale

Cambiamento dell'architettura della trasmissione - Transizione dall'albero lungo centralizzato all'albero corto distribuito

I progetti di sistemi di propulsione marina alimentati a idrogeno daranno priorità alla modularità, alla compattezza e alle emissioni zero , rimodellando sia la configurazione degli alberi che l’architettura complessiva della nave.

 

9. Riferimenti

[1] Lai Guojun, et al. Progressi della ricerca sulle tecnologie chiave per la progettazione di schemi di alberi di propulsione marina. Giornale cinese di ricerca navale, 2019.

[2] Ricerca progettuale su compositi polimerici rinforzati con fibra di carbonio negli alberi di propulsione marina di una nave militare. Scienza e tecnologia navale, 2025.

[3] Monitoraggio dello stato strutturale dei sistemi di cuscinetti di poppa lubrificati ad acqua basati su gemelli digitali[J]. Ingegneria oceanica, 2026.

[4] Yang Zewen, et al. Revisione e prospettive delle tecnologie chiave per i sistemi di monitoraggio della salute strutturale delle navi di grandi dimensioni basati su modelli. Giornale cinese di ricerca navale, 2025.

[5] Progettazione della disposizione ottimale del sistema di alberi di propulsione per una nave con più cuscinetti a puntone. Prestampa SSRN, 2025.

[6] IACS UR M68 – Requisito unificato per l'allineamento degli alberi.

[7] ClasseNK. Sistemi di monitoraggio delle condizioni dell'albero dell'elica.

[8] Cuscinetti Thordon. Sistemi di cuscinetti lubrificati ad acqua COMPAC.

[9] Alleanza Oceano Blu. Concetto di progettazione di navi senza tubo di poppa.

[10] CCS. Linee guida per l'indagine del sistema di monitoraggio delle condizioni degli alberi di propulsione marina.