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Trasporti e Macchine

Bulbo di prua delle navi: come l'interferenza annulla le onde

Il bulbo di prua crea un'onda sfasata che cancella parte dell'onda di prua, ma rende solo a una velocità e un pescaggio. Quanto risparmia davvero in carburante.

Schema in sezione del bulbo di prua: onde sfasate che si annullano davanti alla prua di una portacontainer al tramonto

Una portacontainer ottimizzata per Froude 0,21 che naviga a 0,145 produce con il suo bulbo un sistema d'onde sfavorevole.

Il bulbo di prua è una protuberanza sommersa che fa nascere una seconda onda, sfasata rispetto a quella dello scafo: se a una certa velocità la sua valle cade sulla cresta dell'onda di prua, le due si annullano in parte.[1] Il trucco funziona solo in condizioni precise di carico e di velocità,[2] ed è il motivo per cui lo slow steaming ha messo in difficoltà i bulbi disegnati per andature più veloci di quelle di oggi.[3]
Froude in slow steaming
Fn 0,21→0,145
Bulbo disegnato per 0,21, ma la nave naviga a 0,145: onde sfavorevoli[3]
Delaware in servizio
1910
La corazzata con la variante di prua di Taylor entra in servizio nel 1910[4]
Potenza risparmiata
fino all'8%
Bulbo ridisegnato per la velocità ridotta, caso studio SVA Potsdam[5]

In questo articolo

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Le onde che una nave si trascina dietro

Una nave in moto genera un sistema d'onde le cui caratteristiche, alla velocità di servizio, si leggono nel suo numero di Froude, che mette in relazione la velocità con la lunghezza dello scafo.[6] Lo scafo ne produce quattro serie: a prora, alla spalla di prora dove la curvatura cambia, alla spalla di poppa e a poppa.[7] Ogni cresta lasciata dietro è energia sottratta al motore, e la quota di potenza spesa in questo modo è la resistenza d'onda.
Il principio è lo stesso che governa la scelta della quota di crociera di un aereo di linea: la resistenza non è un numero fisso, dipende dal punto in cui si fa lavorare la macchina. A Froude bassi pesa soprattutto l'attrito dello scafo sull'acqua, mentre con la velocità cresce la parte spesa a fabbricare onde. Il bulbo di prua attacca solo questa seconda voce.

Interferenza distruttiva: come il bulbo cancella l'onda di prua

Il bulbo è disegnato per generare una serie d'onde in più, sfasata rispetto alle altre, così da abbassarne l'altezza.[8] Il criterio di riuscita è quasi geometrico: a una certa velocità la valle del sistema del bulbo cade sulla cresta dell'onda di prua normale, e dove una cresta incontra una valle l'acqua si livella.[1] È interferenza distruttiva applicata a una carena.
Letta in termini di pressione, la stessa idea suona così: il bulbo crea una zona di bassa pressione che reagisce con l'onda di pressione di prua per annullarne o ridurne l'effetto.[9] L'onda del bulbo costa a sua volta energia, ma cambia la distribuzione di pressione lungo lo scafo e il saldo è una resistenza d'onda minore.[10]

Quando un bulbo conviene

  • Velocità di esercizio vicina a quella di progetto: l'intervallo utile è stretto.
  • Pescaggio vicino a quello di progetto, di solito a nave carica.
  • Mare calmo o poco mosso: nel mare agitato l'interferenza non si stabilizza.
  • Pescaggio poco variabile: le petroliere, che lo cambiano molto, usano prue cilindriche.
  • Nave non piccola né lenta: altrimenti l'attrito in più pesa più del guadagno.
Tutto avviene sotto la linea di galleggiamento, nello stesso mezzo pesante e incomprimibile che i cantieri dei piloni dei ponti in acqua devono respingere o bilanciare. La posizione del bulbo rispetto al pelo libero decide se la sovrapposizione tra le onde riesce o fallisce.

Dallo sperone da guerra alla corazzata Delaware

Il bulbo nasce da un'osservazione di cantiere, non da una teoria: nell'Ottocento le prove di rimorchio sulle navi da guerra mostrarono che gli scafi con sperone opponevano meno resistenza, perché lo sperone sommerso crea un'onda che, ben posizionata, contrasta quella alla linea di galleggiamento.[11][12]
Taylor, Chief Constructor della US Navy, sviluppò una variante della prua a sperone e la inserì nel progetto della corazzata Delaware, in servizio dal 1910.[4] Per un decennio l'idea rimase marginale. Dagli anni Venti il suo valore venne apprezzato e il bulbo comparve su transatlantici come Bremen, Europa, President Coolidge e Normandie.[13]
La parte scientifica arriva più tardi. Il bulbo moderno si deve a Takao Inui, all'Università di Tokyo negli anni Cinquanta e Sessanta, indipendentemente dalla ricerca navale giapponese;[14] i suoi primi lavori sull'effetto del bulbo sulla resistenza d'onda furono raccolti nel 1960 in un rapporto dell'Università del Michigan.[15]

Una sola velocità, un solo pescaggio: dove il bulbo smette di servire

Il bulbo offre buone prestazioni solo su un intervallo ristretto di velocità,[16] ed è per questo che lo si disegna attorno alla velocità di servizio della nave. A un altro regime la valle dell'onda del bulbo non cade più sulla cresta dell'onda di prua e, fuori dalle condizioni di carico e di velocità di progetto, il bulbo può anzi aumentare l'altezza delle onde risultanti.[2] I limiti pratici, nell'esercizio di tutti i giorni, sono quattro:
  • Il pescaggio: tarato per la nave carica, il bulbo rende meno in zavorra.[17]
  • Il mare mosso: il bulbo vede un campo di velocità alternato che impedisce lo sviluppo di un'interferenza distruttiva stabile.[18]
  • Le basse velocità: sotto i 12 nodi, e per navi sotto le 4.000 tonnellate di portata lorda, il beneficio si riduce per i vortici che si formano in quei casi.[19]
  • La superficie bagnata: il bulbo la aumenta, e con lei la resistenza d'attrito.[20]
Sul quanto si può ottenere, un brevetto svizzero dichiara che la riduzione di resistenza, anche nelle condizioni ideali di progetto, di norma non supera il 10%.[21]

In zavorra la regola cambia con lo scafo

Che il bulbo non serva in zavorra è una semplificazione. Sulle rinfuse, relativamente lente, si è rivelato utile e oggi spesso ne sono dotate,[22] mentre dove i pescaggi cambiano molto tra carico e zavorra, come sulle petroliere, la finestra in cui il bulbo funziona è troppo stretta e si valutano prue di forma cilindrica.[23] Il giudizio dipende dal progetto, non da una regola unica.

Slamming e prue alternative

Il bulbo può aumentare lo slamming, l'urto dello scafo sull'acqua in mare mosso, ed è uno dei motivi per cui alcune navi moderne adottano altre prue.[24] Per le unità offshore Ulstein propone la prua X-Bow: le prove in vasca dell'azienda stessa indicano vantaggi rispetto al bulbo convenzionale, soprattutto per il comfort, un dato di parte che andrebbe confermato da prove indipendenti.[25]

Slow steaming e retrofit: quanto si risparmia davvero

Il risparmio di un bulbo dipende dal caso, e le fonti non concordano su un valore unico. Nel caso studio della SVA il bulbo era stato disegnato per Froude 0,21, ma la nave viaggia a 0,145: il risultato è un sistema d'onde sfavorevole, e il risparmio dipende da quello scarto.[3]
Le navi da 8.600 TEU progettate per arrivare a 27 nodi oggi vanno a 15-18 nodi, e il bulbo originale diventa inefficiente;[26] su una portacontainer di cinque anni il numero di Froude di progetto stava tra 0,21 e 0,25 e oggi si colloca intorno a 0,14-0,16.[27] Per questo i retrofit sostituiscono il bulbo con uno ridisegnato per la nuova velocità.
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A bassa velocità il bulbo smette di pagare: la maggiore superficie bagnata aumenta l'attrito, e l'aumento di norma supera la riduzione ottenuta dagli altri effetti.[28] In onda il bulbo fa crescere la resistenza aggiunta, pur rendendo il moto più dolce,[29] mentre i bulbi moderni con sezioni che si restringono in basso evitano in zavorra la resistenza aggiuntiva e gli spruzzi del bulbo parzialmente immerso.[30]
Le cifre di risparmio non sono confrontabili alla pari: il 12-15% è il valore riportato per grandi navi con prua a clipper dotate di bulbo,[31] i retrofit vanno dall'1-2% di carburante (Maersk)[32] al 5% (DNV),[33] l'8% della SVA è potenza e non carburante[5] e il 10% del brevetto è una dichiarazione di parte, valida di norma.[21]
FonteCasoRisparmio dichiarato
Maersk (stima)Retrofit: cambio di bulbo, progetto pilota su 10 portacontainercirca 1-2% del carburante[32]
DNVRetrofit: bulbo ridisegnato per lo slow steaming5% o più l'anno di carburante[33]
SVA PotsdamRetrofit: bulbo ottimizzato per la velocità ridottafino all'8% di potenza, non di carburante[5]
Brevetto svizzeroDichiarazione di un brevetto, di norma, in condizioni ideali di progettodi norma non oltre il 10% di resistenza[21]
Stima generaleGrande nave con prua a clipper dotata di bulbo12-15% di efficienza in più[31]
Un caso concreto è il retrofit di una portacontainer HMM da 8.600 TEU: tra 625.000 e 680.000 dollari secondo le fonti,[34][35] lavori chiusi nelle due settimane di un normale bacino, senza fermo nave aggiuntivo. A bordo il consumo è sceso di quasi 1.000 tonnellate di carburante l'anno[36] e l'efficienza è salita del 5%, oltre quanto prevedevano i modelli CFD;[37] DNV stima il rientro dell'investimento in meno di un anno.[38] Resta un singolo caso riferito da DNV e dall'armatore, parti interessate, non una media di settore.
Anche la marina militare ha fatto i conti: negli anni Novanta la US Navy trovò che montare un bulbo sui cacciatorpediniere classe DDG-51 dà forti risparmi di carburante.[39] È la stessa lezione del freno motore con la marcia inserita: l'efficienza non appartiene al componente, ma al punto in cui lo si fa lavorare. Lo scafo a forma di pesce dell'Ictíneo II, il sommergibile a vapore varato a Barcellona nel 1864, è un altro caso in cui la forma dello scafo conta quanto la macchina.

Domande frequenti

Come funziona il bulbo di prua di una nave e a cosa serve?
Il bulbo genera una serie d'onde sfasata rispetto a quella dello scafo: dove la valle dell'onda del bulbo coincide con la cresta dell'onda di prua, le due si compensano e la resistenza d'onda scende.[8][1]

Perché il bulbo di una nave funziona solo a una certa velocità?
Lo sfasamento tra le due onde dipende dalla velocità rispetto alla lunghezza dello scafo, cioè dal numero di Froude. Cambiando regime cresta e valle non coincidono più, e il bulbo può perfino alzare le onde risultanti.[2]

Quanto carburante fa risparmiare un bulbo di prua?
Dipende dal caso: per i retrofit si va dall'1-2% di carburante stimato da Maersk al 5% o più di DNV, mentre l'8% della SVA è potenza.[32][33][5] Per grandi navi con prua a clipper dotate di bulbo si riporta il 12-15%,[31] e un brevetto dichiara che in condizioni ideali di progetto la riduzione di resistenza di norma non supera il 10%.[21]

Un bulbo serve su una nave lenta o in zavorra?
Dipende dal progetto. Un bulbo tarato sulla nave carica rende meno in zavorra,[17] ma sulle rinfuse, relativamente lente, si è rivelato utile.[22] Per navi sotto i 12 nodi il beneficio si riduce.[19]

Perché alcune navi moderne non hanno il bulbo?
Il bulbo può aumentare lo slamming,[24] e dove il pescaggio varia molto si usano prue di forma cilindrica.[23] Per le navi offshore Ulstein propone la prua X-Bow, con vantaggi di comfort dichiarati dalle sue stesse prove in vasca.[25]

Chi ha inventato il bulbo di prua?
Non ha un inventore unico: la prua a sperone suggerì l'idea, Taylor la applicò alla corazzata Delaware, in servizio dal 1910,[4] e il bulbo moderno si deve a Takao Inui negli anni Cinquanta e Sessanta.[14]

Fonti

39 riferimenti Mostra
  1. Marine Insight — Retrofitting the bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «If at a certain speed the trough of this system almost coincides with the crest of the normal bow wave, the bulbous bow is successful in achieving its aim.»

  2. Focus — Perché alcune navi hanno la prora a forma di bulbo (si apre in una nuova scheda)

    «Il bulbo, però, funziona bene a precise condizioni di carico e di velocità.»

  3. SVA Potsdam — Retrofit (si apre in una nuova scheda)

    «The original bulbous bow, which had been optimised for a Froude number of 0.21, but is running at a reduced Froude number of 0.145, produces an unfavourable wave system.»

  4. IMarEST — Ram bow revival that became the bulb (si apre in una nuova scheda)

    «He incorporated this variation of the ram bow in his design for the US battleship Delaware of 1910.»

  5. SVA Potsdam — Retrofit (si apre in una nuova scheda)

    «The use of an optimised bulb for the new, reduced speed, in this case has led to a power saving of up to 8 %.»

  6. Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «A ship's wave-making characteristics at its operating speed are reflected in its Froude number.»

  7. Focus — Perché alcune navi hanno la prora a forma di bulbo (si apre in una nuova scheda)

    «La nave, muovendosi nell’acqua, crea quattro serie di onde: a prora, alla spalla di prora (dove la curvatura cambia), alla spalla di poppa e a poppa.»

  8. Focus — Perché alcune navi hanno la prora a forma di bulbo (si apre in una nuova scheda)

    «è progettato in modo da generare un’ulteriore serie di onde, sfasata rispetto alle altre, così da ridurre la loro altezza.»

  9. ScienceDirect Topics — Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «This low-pressure region then reacts with the bow pressure wave to cancel or reduce the effect of the bow wave.»

  10. IMarEST — Ram bow revival that became the bulb (si apre in una nuova scheda)

    «it changed the pressure distribution along the hull, reducing wave resistance.»

  11. IMarEST — Ram bow revival that became the bulb (si apre in una nuova scheda)

    «Warship towing tests to determine their hull resistance became increasingly common in the 19th century, and it was noted that those with ram bows had reduced resistance.»

  12. IMarEST — Ram bow revival that became the bulb (si apre in una nuova scheda)

    «created an underwater wave that, if positioned correctly, counteracted the wave created at the waterline.»

  13. IMarEST — Ram bow revival that became the bulb (si apre in una nuova scheda)

    «There was little interest in the concept until the 1920s when its value began to be appreciated and it was applied to a number of passenger liners including the Bremen, Europa, President Coolidge and Normandie.»

  14. Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «The modern bulbous bow was developed by Dr. Takao Inui at the University of Tokyo during the 1950s and 1960s, independently of Japanese naval research.»

  15. Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «Inui's initial scientific papers on the effect of bulbous bow on wave-making resistance were collected into a report published by the University of Michigan in 1960.»

  16. ScienceDirect Topics — Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «bulbous bows tend to give good performance over a narrow range of ship speeds.»

  17. IMarEST — Ram bow revival that became the bulb (si apre in una nuova scheda)

    «It is only really effective at one draught so, if set for a fully-laden vessel, it will not be as effective in ballast.»

  18. GlobalSecurity — Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «In rough water, the body of the bulb is subjected to an alternating inflow velocity field, preventing the development of stable destructive wave interference.»

  19. Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «Vessels of lower mass (less than 4,000 dwt) and those that operate at slower speeds (less than 12 kts) have a reduced benefit from bulbous bows, because of the eddies that occur in those cases;»

  20. Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «The addition of a bulb to a ship's hull increases its overall wetted area. As wetted area increases, so does drag.»

  21. Brevetto CH705202A2 (si apre in una nuova scheda)

    «La riduzione della resistenza, anche nelle condizioni ideali di progetto, di norma non supera il 10%;»

  22. ScienceDirect Topics — Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «has also been found to be beneficial in relatively slow ships such as bulk carriers, which now often have bulbous bows.»

  23. ScienceDirect Topics — Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «Bulbous bows are only really effective over a limited range of draft conditions due to their interaction with the bow pressure wave.»

  24. IMarEST — Ram bow revival that became the bulb (si apre in una nuova scheda)

    «Then there’s the fact that it may cause increased slamming.»

  25. Ulstein — X-Bow comparison tests (si apre in una nuova scheda)

    «The X‐BOW has benefits over a conventional, bulbous bow, especially where it concerns comfort.»

  26. Ship & Bunker — DNV data on bulbous bow redesign (si apre in una nuova scheda)

    «Today those vessels, like most in the global fleet, are slow steaming at 15 to 18 knots, making the ships' original bulbous bow shapes inefficient.»

  27. SVA Potsdam — Retrofit (si apre in una nuova scheda)

    «Whereas with a 5-year-old container ship the Froude number is based on the design speed in a range from 0.21 to 0.25, these ships are now in a Froude number range of about 0.14 to 0.16.»

  28. TheNavalArch — The bulbous bow: types, characteristics and effects (si apre in una nuova scheda)

    «The increased area of the wetted surface increases the frictional resistance At low speeds. this increase is usually greater than the reduction in resistance caused by other factors.»

  29. TheNavalArch — The bulbous bow: types, characteristics and effects (si apre in una nuova scheda)

    «Bulbous bows increase the added resistance due to waves, despite the smoother operation in heavy seas.»

  30. TheNavalArch — The bulbous bow: types, characteristics and effects (si apre in una nuova scheda)

    «This avoids additional resistance and sprays formation created by the partially submerged bulb.»

  31. Marine Insight — Retrofitting the bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «It is reported that large ships with conventional clipper bows can have 12-15% more fuel efficiency when coupled with a bulbous bow.»

  32. PortNews — Maersk bulbous bow pilot (si apre in una nuova scheda)

    «The company estimates that around 1-2% of fuel consumption can be saved from a change of bulbous bow.»

  33. Ship & Bunker — DNV data on bulbous bow redesign (si apre in una nuova scheda)

    «Redesigning a container ship's bulbous bow for slow steaming can produce fuel savings of 5 percent or more per year»

  34. Seatrade Maritime — Bulbous bow pays off in a year (si apre in una nuova scheda)

    «Costing around $625,000 in total and completed within a routine dry-docking period of two weeks, the refit did not add any extra downtime for the vessel»

  35. Ship & Bunker — DNV data on bulbous bow redesign (si apre in una nuova scheda)

    «the first conversion, done by Daewood Ship Engineering Company (DSEC), was completed in March at a cost of $680,000.»

  36. Ship & Bunker — DNV data on bulbous bow redesign (si apre in una nuova scheda)

    «Onboard measurements showed that the modification reduced fuel use by almost 1,000 tonnes per year.»

  37. Seatrade Maritime — Bulbous bow pays off in a year (si apre in una nuova scheda)

    «The retrofit increased fuel efficiency by 5%, exceeding predicted gain from computational fluid dynamics models.»

  38. Ship & Bunker — DNV data on bulbous bow redesign (si apre in una nuova scheda)

    «"The payback period is expected to be much shorter than the one year originally estimated."»

  39. GlobalSecurity — Bulbous bow (si apre in una nuova scheda)

    «In the 1990s the US Navy found that refitting a bulbous bow on a DDG-51 Class Destroyer results in tremendous fuel savings from reduced ship resistance.»