Propulsione marina elettrica: tecnica innovativa di monitoraggio delle prestazioni delle eliche

Abstract

La cavitazione dell'elica è tra le principali cause di inefficienza fluidodinamica, rumore e fatica strutturale nei sistemi di propulsione navale. Il monitoraggio tradizionale richiede sensori invasivi, complessi e costosi, come accelerometri e idrofoni. La presente tesi valida sperimentalmente un'innovativa architettura diagnostica non invasiva, denominata e-Doctor, basata sulla tecnica MCSA (Motor Current Signature Analysis) e sul principio del "Motor as a Sensor". La campagna sperimentale è stata condotta sull'imbarcazione a propulsione elettrica Elettra presso i laboratori DITEN. Previo supporto in compensato marino per l'ancoraggio del motore AS Labruna EX-20 (2023), le prove si sono svolte in una vasca idrodinamica con l'ausilio di indagini visive stroboscopiche e video. Per validare l'efficacia del sistema è stata applicata una strategia di cross-validazione dei segnali: l'acquisizione puramente elettrica (pinza amperometrica) è stata confrontata con misurazioni acustico-vibrazionali di riferimento (accelerometro e microfono) elaborate tramite piattaforma Siemens SCADAS. L'analisi dati nei domini del tempo e della frequenza ha dimostrato una perfetta correlazione fenomenologica tra dominio meccanico ed elettrico. All'insorgere della cavitazione, l'incremento del rumore strutturale a banda larga (300-2000 Hz) e la comparsa di picchi ultrasonici (>15 kHz) associati al collasso delle bolle di vapore si traducono in improvvise fluttuazioni del carico idrodinamico. Attraverso l'accoppiamento idro-elettromeccanico del propulsore, tali fluttuazioni modulano il flusso al traferro, manifestandosi nello spettro della corrente assorbita sotto forma di specifiche componenti armoniche a bassa frequenza. I risultati certificano la robustezza della metodologia e-Doctor: il monitoraggio della sola firma elettrica diagnostica l'instabilità fluidodinamica con la stessa sensibilità della strumentazione vibrazionale, offrendo una soluzione predittiva, affidabile ed economica.

Propeller cavitation is a primary cause of hydrodynamic inefficiency, noise emission, and structural fatigue in marine propulsion systems. Traditional monitoring requires dedicated, invasive sensors such as accelerometers and hydrophones whose implementation is both complex and costly. This thesis experimentally validates an innovative, non-invasive diagnostic architecture named e-Doctor, based on Motor Current Signature Analysis (MCSA) and the "Motor as a Sensor" principle. The experimental campaign was conducted on the electric vessel Elettra at the DITEN laboratories. Following the design of a marine plywood mount to secure the AS Labruna EX-20 (2023) motor, testing took place in a hydrodynamic basin supported by stroboscopic and video visual analysis. To confirm system efficacy, a signal cross-validation strategy was applied: purely electrical acquisitions (current clamp) were compared against reference acoustic-vibrational measurements (accelerometer and microphone) processed via the Siemens SCADAS platform. Data analysis in time and frequency domains demonstrated a perfect phenomenological correlation between the mechanical and electrical domains. At cavitation onset, the increase in broadband structural noise (300–2000 Hz) and the emergence of ultrasonic peaks (>15 kHz) from collapsing vapor bubbles translated into abrupt hydrodynamic load fluctuations. Through the thruster's hydro-electromechanical coupling, these fluctuations modulated the air-gap flux, distinctly manifesting in the absorbed current spectrum as specific low-frequency harmonic components. The results confirm the robustness of the e-Doctor methodology: monitoring solely the electrical signature diagnoses fluid dynamic instability with the same sensitivity as vibrational instrumentation, offering a reliable, cost-effective, and fully predictive solution.