Se si confrontano le quotazioni del timone e le cifre relative alla coppia dello sterzo presentano una differenza del 40%, la discrepanza solitamente non è dovuta al fornitore. È il tipo di timone scritto nelle specifiche. Un timone semibilanciato da 38 m² sospeso su uno skeg e un timone a forcella da 38 m² sembrano identici su un foglio di disegno, ma caricano l'asse del timone in modi completamente diversi: la vanga trasporta la maggior parte della sua area dietro l'asse e necessita di un attuatore più piccolo, mentre la pala appesa a skeg è supportata sul bordo inferiore e trasferisce il carico nello scafo attraverso un perno.
La risposta in una riga: i tipi di timone sono definiti da due assi indipendenti. Il primo è il modo in cui viene supportata la lama: completamente bilanciata, semibilanciata o sbilanciata. Il secondo è il profilo della pala: piastra piatta, vanga aerodinamica, clacson, flap o uno speciale ad alto sollevamento. La disposizione del supporto decide quanta coppia deve produrre il tuo sterzo. Il profilo decide quanta forza laterale genera la lama e come si comporta quando la ruota va a fondo.
Se confondi questi due assi, comprerai l'attuatore sbagliato, il diametro sbagliato e un timone che sembra pesante a 30 gradi o oscilla a piccoli angoli perché è troppo bilanciato.
I principali tipi di timone in breve
Oggigiorno cinque famiglie coprono quasi tutti i timoni a galla e il modo più rapido per classificare una specifica è confrontarla con le disposizioni di supporto e la tipica richiesta di coppia.
| Tipo di timone | Disposizione di supporto | Navi tipiche | Andamento della coppia sterzante | Principale compromesso |
|---|---|---|---|---|
| Vanga (completamente bilanciato) | Lama a sbalzo solo sul calcio, senza supporto inferiore | Navi portacontainer, traghetti, yacht, la maggior parte del nuovo tonnellaggio | Il più basso per una data area della pala | Risposta eccellente, nessuna protezione dalla messa a terra |
| Semibilanciato (skeg-hung) | Cuscinetto del cardine inferiore su uno skeg fisso, parte della lama davanti al calcio | Pescherecci, sottobicchieri, rimorchiatori portuali | Da moderato ad alto | Skeg protegge pala ed elica, più resistenza e più parti |
| Sbilanciato (clacson) | Lama appesa a un corno fisso o a un palo del timone, cardini superiori e inferiori | Vecchie navi mercantili a elica singola, alcuni rimorchiatori | Massima per la stessa area della pala | Attrezzatura semplice, robusta, più pesante e comportamento a poppa più scarso |
| Patta/articolato | Lama principale più un lembo finale incernierato | Traghetti, Ro-Ro, navi critiche in manovra | Coppia simile, portanza molto più elevata | Più collegamenti e perni da mantenere |
| Speciale alta portanza | Montaggio pala a bulbo o ugello elica | Barche da spinta per l'entroterra, rimorchiatori, barche da lavoro | Caso specifico | Di solito necessita di test del modello per confermare i guadagni |
Equilibrato, semibilanciato e sbilanciato: l'asse di supporto
Il rapporto di bilanciamento (la quota dell'area della pala davanti all'asse del timone) è il singolo numero che modifica maggiormente le dimensioni della timoneria.
Il rapporto funziona semplicemente. L'area davanti al ceppo produce un momento che si oppone al momento dell'area dietro di esso, quindi l'attuatore combatte una forza netta minore. Gli intervalli pratici utilizzati nella progettazione commerciale sono abbastanza coerenti:
- Vanga completamente bilanciata: circa dal 20% al 25% dell'area della lama davanti al calcio. I rapporti più bassi rendono il timone pesante; spingersi oltre il 30% circa rischia di perdere l'equilibrio, per cui il timone tende a spostarsi fino all'angolo massimo e può vibrare ad angoli piccoli.
- Skeg semibilanciato: tipicamente dal 10% al 20%, perché lo skeg assorbe già parte del carico.
- Tromba sbilanciata: poca o nessuna area davanti al calcio, quindi l'intera forza idrodinamica viene convertita in coppia.
Per un acquirente, la conseguenza pratica è semplice. Se un cantiere sostituisce un timone a forcella con un timone sospeso con la stessa area della pala senza ricontrollare l'attuatore, la timoneria può finire per funzionare dall'80% al 90% della sua pressione nominale solo per mantenere la rotta in un mare al traverso. Ciò non lascia alcun margine per il requisito di hard-over di 35 gradi e riduce la durata della pompa.
Forme della lama: Vanga, Corno, Flap e High-Lift
Timone a forcella
La vanga è la scelta predefinita per il nuovo tonnellaggio commerciale, e per una buona ragione: produce la portanza più elevata per la sua area e la coppia più bassa per le sue dimensioni.
Poiché nulla sostiene la pala nella parte inferiore, l'asse del timone sopporta l'intero momento flettente più la coppia. Ciò significa un calcio più spesso, una disposizione dei cuscinetti superiori più pesante e un cono o una connessione con chiavetta accuratamente lavorati. Le sezioni sono normalmente lamine aerodinamiche con uno spessore compreso tra il 18% e il 21%, con un bordo d'uscita smussato per evitare la cavitazione. Il compromesso è la protezione del terreno: se la nave tocca il fondo, la pala o il calcio di solito subiscono il danno.
Timone in corno
Il timone a tromba rimane comune sulle vecchie navi mercantili a elica singola e su alcune barche da lavoro, ed è scelto per la robustezza piuttosto che per l'efficienza.
Una struttura fissa a corno davanti alla lama sostiene il cardine inferiore, quindi il calcio subisce una flessione molto minore. La coppia è elevata, le prestazioni a poppa sono inferiori perché la tromba blocca il flusso quando l'elica inverte e l'intero gruppo aggiunge resistenza. Durante una ristrutturazione, la sostituzione di un timone a tromba con uno di tipo skeg semi-bilanciato è spesso una delle modifiche più economiche per risparmiare carburante, a condizione che l'attuatore e il calcio vengano ricontrollati.
Timone a skeg semibilanciato
Il timone skeg semibilanciato è la risposta standard ovunque l'elica e la pala necessitino di protezione fisica: pescherecci che lavorano su fondali bassi, piccole montagne russe e imbarcazioni portuali che si avvicinano regolarmente.
Si trova tra gli altri due in termini di coppia e fornisce una sterzata prevedibile perché lo skeg stabilizza il flusso nella pala. Il cuscinetto del cardine è il punto di manutenzione da tenere d'occhio: la distanza è solitamente specificata nel disegno approvato dalla classe, e un cardine usurato si manifesta come vibrazione del timone a piccoli angoli molto prima che si manifesti come uno sterzo pesante.
Flap e timoni articolati
Un timone a ribalta aggiunge una sezione posteriore incernierata che si flette ulteriormente rispetto alla pala principale e può aumentare la portanza sostanzialmente allo stesso angolo del timone, utile quando un traghetto deve mantenere un canale stretto con vento trasversale.
La coppia non aumenta automaticamente perché il flap ritarda anche lo stallo della lama principale. Ciò che aumenta è il conteggio delle parti. Collegamenti, perni e fermi necessitano di intervalli di ispezione scritti nel sistema di manutenzione pianificata e l'angolo dell'aletta deve essere impostato durante la messa in servizio per corrispondere alla geometria approvata dalla classe.
Tipi ad alta portanza e speciali
A questo gruppo appartengono i timoni a bulbo con un bulbo aerodinamico sul bordo anteriore della pala e i timoni montati dietro l'ugello dell'elica.
Vengono selezionati caso per caso, solitamente dopo CFD o test del modello, perché il guadagno dipende dalla forma dello scafo e dal campo della scia. Sulle imbarcazioni a spinta e sui rimorchiatori interni, la portanza extra migliora direttamente la distanza di arresto in una chiusa: un argomento di sicurezza, non solo di efficienza.
In che modo il tipo di timone determina la selezione della timoneria
Una volta fissato il tipo di timone, la timoneria segue la coppia e i due sistemi idraulici tradizionali coprono quasi l'intera gamma commerciale.
L'attuatore a forcella (chiamato anche pala rotante o forcella) fa girare l'asse del timone attraverso una disposizione a forca e barra ed è normalmente la scelta per timoni singoli più grandi, con una potenza che copre circa 25 kN·m fino a circa 1350 kN·m. Mantiene generoso l'intervallo dell'angolo del timone e tollera le coppie più elevate richieste da timoni a forcella grandi e sbilanciati. Installazioni tipiche di questo tipo sono descritte qui: dispositivi di attuazione a forcella .
La disposizione del cilindro oscillante utilizza uno o due cilindri idraulici che spingono la barra del timone ed è adatta a timoni più piccoli, installazioni a doppio timone e spazi in cui è importante un ingombro compatto. Sono comuni campi di potenza compresi tra 8 kN·m e 600 kN·m.
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Il tipo di nave e il modello commerciale restringono la scelta più velocemente di qualsiasi altro input.
- Navi portacontainer e traghetti di grandi dimensioni: timone a forcella completamente bilanciato, a volte con un flap, dimensionato per un hard-over di 35 gradi alla velocità di servizio.
- Pescherecci e piccoli sottobicchieri: timone semibilanciato a skeg per messa a terra e protezione dell'elica, con cuscinetto a cardine ispezionabile a galla ove possibile.
- Rimorchiatori portuali e marittimi: timoni con flap ad alta portanza o montati su ugelli, spesso combinati con un meccanismo di governo dimensionato per una coppia elevata e sostenuta piuttosto che per una coppia di picco.
- Barche da lavoro a doppia elica e piccole imbarcazioni: timoneria compatta con cilindro oscillante, perché due timoni raramente necessitano della coppia di una grande vanga.
- Yacht a vela e a motore: timone a forcella, sezioni di lamina sottile, rapporto di bilanciamento basso per mantenere la sensazione al timone.
Per timoni più piccoli e sale macchine ristrette, attuazione basata su cilindro del tipo utilizzato in unità di azionamento del movimento oscillante è spesso la strada più pratica, perché permette di spostare l'attrezzatura nello spazio effettivamente disponibile.
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Due documenti decidono se un timone e la sua timoneria saranno accettati: il disegno del timone approvato dalla classe e il certificato di approvazione del tipo di timoneria.
La normativa SOLAS II-1/29 stabilisce l'inviluppo operativo che qualsiasi tipo deve soddisfare: il meccanismo di governo principale deve spostare il timone da 35 gradi su un lato a 35 gradi sull'altro alla massima velocità di servizio e il meccanismo ausiliario, se montato, deve raggiungere 15 gradi in ogni direzione entro un tempo definito. Le regole di classe basate sui requisiti unificati IACS regolano quindi la quantità di scorte, la resistenza del clacson e la pressione e la ridondanza del sistema idraulico.
È opportuno inserire tre controlli nell'ordine di acquisto:
- Calcolo del diametro grezzo: confermare il fattore materiale e la coppia di progetto utilizzati e che il calcolo corrisponda al tipo di timone effettivamente ordinato e non a una revisione precedente del disegno.
- Calibrazione dell'angolo e del feedback: gli indicatori dell'angolo di barra e gli interruttori di finecorsa devono essere impostati rispetto agli arresti meccanici, con lo zero elettrico registrato nel rapporto di messa in servizio.
- Misurazione della coppia della prova in mare: una coppia misurata che differisce dal valore previsto di oltre il 10% circa è normalmente un fattore scatenante per ricontrollare la geometria della lama, il rapporto di bilanciamento e il gioco dei cuscinetti.
Le saldature sulla connessione calcio-pala e sul gruppo corno o skeg sono normalmente soggette ad esame ad ultrasuoni o con liquidi penetranti e i rapporti fanno parte della documentazione di consegna insieme ai certificati dei materiali.
Insidie nell’approvvigionamento che costano denaro in seguito
La maggior parte dei problemi al timone che emergono dopo la consegna sono riconducibili ad alcune decisioni prese in fase di preventivo.
- Confronto dei timoni solo in base all'area della pala. L'area non dice nulla sulla coppia; il rapporto di equilibrio e il profilo lo fanno.
- Ignorando il sovrabilanciamento. Un timone che sterza troppo facilmente ad angoli piccoli può oscillare, caricare l'attrezzatura in modo non uniforme e usurare il cardine o il cuscinetto superiore.
- Riutilizzare un attuatore esistente durante un cambio di timone. Un nuovo profilo della pala con un coefficiente di portanza più elevato può superare il margine di pressione del vecchio ingranaggio anche se l'area rimane invariata.
- Saltare il disegno dell'interfaccia. La conicità di serie, la sede della chiavetta, l'adattamento della barra e i centri dei cuscinetti devono essere concordati tra i fornitori del timone e della timoneria prima della produzione di entrambi.
- Supponendo che l'approvazione della classe copra l'intera assemblea. Timone, asse, tromba e timoneria possono avere ciascuno approvazioni separate; la combinazione deve ancora essere verificata rispetto alla notazione di classe della nave.
Domande frequenti
Quale tipo di timone è il più efficiente?
Un timone a forcella completamente bilanciato generalmente produce la massima portanza con la minima coppia, motivo per cui domina il nuovo tonnellaggio commerciale. Tuttavia, l'efficienza in senso idrodinamico non è la stessa cosa dell'idoneità: una vanga non fornisce alcuna protezione se la nave lavora in acque basse.
Cosa significa effettivamente "bilanciato" su un timone?
Si riferisce alla porzione di area della pala posizionata davanti all'asse del timone. Quell'area crea un momento opposto, quindi un timone bilanciato necessita di meno coppia per girare a parità di dimensioni della pala. Rapporti di equilibrio compresi tra il 20% e il 25% sono tipici dei timoni a forcella.
Posso sostituire un timone a tromba con un timone a forcella?
Sì, ed è una riparazione comune, ma il calcio, i cuscinetti, la timoneria e la struttura dello scafo devono essere ricontrollati. Una vanga esercita carichi di flessione sul calcio precedentemente trasportato dal corno, quindi di solito cambiano anche la disposizione del calcio e del cuscinetto superiore.
Quale angolo del timone dovrebbe fornire la timoneria?
La SOLAS richiede che la timoneria principale oscilli il timone di 35 gradi su ciascun lato alla massima velocità di servizio, con un mezzo ausiliario di 15 gradi in ciascuna direzione come riserva. Molti progettisti impostano gli arresti meccanici leggermente oltre questo valore, in modo che i limiti elettrici si attivino sempre prima del contatto con il metallo.
