Sviluppo di un metodo a linea portante - comprensivo degli effetti di rake e skew - per il progetto di eliche navali singole e multistadio

Abstract

La progettazione preliminare delle eliche navali richiede metodi numerici in grado di esplorare rapidamente lo spazio progettuale, mantenendo una rappresentazione coerente dei fenomeni fisici. In questo lavoro viene sviluppato un metodo a linea portante per il progetto di eliche singole e multistadio che include esplicitamente gli effetti geometrici di rake e skew nella determinazione della circolazione ottima. La distribuzione ottima di circolazione è determinata mediante un approccio variazionale, per il quale sono state ricavate formulazioni generali che consentono di risolvere il caso di una linea portante non più strettamente radiale. Nel modello sono introdotte procedure per la definizione della corda e per il dimensionamento strutturale; da queste viene generata una geometria preliminare attraverso tre diverse metodologie. L'influenza di rake e skew sulla geometria risultante viene analizzata e validata tramite un modello a superficie portante, confrontandola con modelli noti in letteratura ed evidenziando i limiti intrinseci della linea portante. Viene inoltre proposto un metodo semplificato per la correzione della geometria, volto a garantire il soddisfacimento della spinta di progetto nell'ambito dell'analisi a superficie portante. Il modello è infine esteso a configurazioni multistadio tramite un approccio iterativo, rendendo possibile la progettazione di eliche contro-rotanti e co-rotanti. A conclusione del lavoro sono presentati due casi applicativi (elica singola e contro-rotante), le cui geometrie finali sono validate mediante un solutore RANS commerciale. Tale validazione permette di verificare le prestazioni sia sulla geometria ottenuta direttamente dal modello a linea portante, sia su quella corretta tramite l'analisi a superficie portante.

The preliminary design of marine propellers requires numerical methods capable of rapidly exploring the design space while maintaining a physically consistent representation of the underlying phenomena. In this work, a lifting-line method is developed for the design of single and multi-stage marine propellers, explicitly incorporating the geometric effects of rake and skew into the determination of the optimum circulation. The optimum circulation distribution is determined through a variational approach, for which general formulations have been derived to account for a lifting line that is no longer strictly radial. The model introduces procedures for chord distribution and structural dimensioning, from which a preliminary geometry is generated using three different methodologies. The influence of rake and skew on the resulting geometry is analyzed and validated using a lifting-surface model, comparing results with well-known literature models and highlighting the intrinsic limitations of the lifting-line approach. A simplified method is proposed for geometry correction to ensure the required design thrust is achieved within the lifting-surface analysis. Finally, the model is extended to multi-stage configurations through an iterative approach, enabling the design of contra-rotating and co-rotating propellers. To conclude the work, two design cases are presented—a single propeller and a contra-rotating configuration—where the final geometries are validated using a commercial RANS solver. This validation verifies performance for both the geometry obtained directly from the lifting-line model and the one corrected through lifting-surface analysis.