COMUNICAÇÃO TÉCNICA - IPTescriba.ipt.br/pdf/175820.pdf · 2 Sobena 2018 – Projeto e Fabricação de um hélice naval com materiais compósitos e manufatura aditiva INTRODUÇÃO

COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº175820

Projeto e fabricação de um hélice naval com manufatura aditiva e materiais compósitos

João Paulo Silva Souza Jão Lucas Dozzi Dantas Rafael Celeghini Santiago

Palestra apresentada no Congresso Internaional de Transporte Aquaviário, Construção Naval e Offshore, 27., 2018, Rio de Janeiro.

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT

Av. Prof. Almeida Prado, 532 | Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 | CEP 01064-970

São Paulo | SP | Brasil | CEP 05508-901 Tel 11 3767 4374/4000 | Fax 11 3767-4099

www.ipt.br

SOBENA 2018 – 27º Congresso Internacional de Transporte Aquaviário, Construção

Naval e Offshore

Rio de Janeiro/RJ, 23-25 de outubro de 2018

PROJETO E FABRICAÇÃO DE UM HÉLICE

NAVAL COM MANUFATURA ADITIVA E MATERIAIS COMPÓSITOS

João Paulo Silva Souza IPT-CTMNE-NAVAL / UFABC [email protected]

João Lucas Dozzi Dantas IPT-CTMNE-NAVAL [email protected]

Rafael Celeghini Santiago UFABC [email protected]

Sobena 2018 – Projeto e Fabricação de um hélice naval com materiais compósitos e manufatura aditiva 2

INTRODUÇÃO

Diminuição de impactos ambientais desenvolvimento de embarcações de maior eficiência energética e desempenho;

Maior eficiência energética e desempenho Utilização de materiais compósitos;

Hélices flexíveis contribuem para a diminuição da cavitação;

Hélice Naval possui geometria complexa Manufatura aditiva;


OBJETIVOS

Fabricação de hélice naval em material compósito e manufatura aditiva;

Ensaios em Túnel de Cavitação e análise comparativa com hélice metálico modelo base – teste de hélices flexíveis;

Desempenho hidrodinâmico;

Análise de deflexão;

Análise qualitativa cavitação.


TÚNEL DE CAVITAÇÃO - IPT


CAVITAÇÃO


MÉTODO

Escolha de hélice base, a fim de uma análise comparativa;

Fabricação hélice em material compósito;

Análise hidrodinâmica em túnel de cavitação;

Análise deflexão; Câmera PIV fixada perpendicularmente ao hélice e a seção de testes do túnel;

Encoder para sincronização com movimento de rotação;

Sobreposição de imagens PIV com e sem carregamento;

Análise cavitação – combinação câmera e estrobo; Câmera profissional disposta diagonalmente com o eixo de rotação;

Estrobo ligado na frequência de rotação do hélice.


ESTUDO DE CASO

Escolha de hélice da série sistemática Gawn-Burril (KCA) H1

Frequente utilização em embarcações de pequeno e médio porte;

Disponibilidade de exemplar em material metálico;

Tabela 1 – Características Particulares H1

Número de Pás 3

Diâmetro [m] 0,2

Razão Passo/Diâmetro 0,86

Razão área expandida 0,5

Diâmetro do Bosso [m] 0,038


FABRICAÇÃO HÉLICE

Hélice fabricado em estrutura sanduíche Núcleo Manufatura aditiva (ABS);

Laminação manual Resina poliéster + tecido de fibra de vidro (2g/1g);

Escolha de Materiais

ABS viável economicamente, durável, relativamente leve e flexível;

Resina Poliéster Boa aderência ABS, aplicação náutica e rápido processo de cura;

Tecido de fibra de vidro Propriedades mecânicas;

Fabricação de hélices com

diferentes quantidades de camadas


ENSAIO TÚNEL DE CAVITAÇÃO –

DISPOSIÇÃO EQUIPAMENTOS


DEFLEXÃO – CÂMERA PIV


ANÁLISE CAVITAÇÃO


RESULTADO FABRICAÇÃO HÉLICE


ANÁLISE HIDRODINÂMICA - EMPUXO

𝐽 = 𝑉

𝑛𝐷

𝐾𝑇 =𝑇

𝜌𝑛²𝐷4


ANÁLISE HIDRODINÂMICA - TORQUE

𝐽 = 𝑉

𝑛𝐷

𝐾𝑄 = 𝑄

𝜌𝑛²𝐷5


ANÁLISE HIDRODINÂMICA - EFICIÊNCIA

𝐽 = 𝑉

𝑛𝐷

𝜂 =𝐽

2𝜋

𝐾𝑇

𝐾𝑄


ANÁLISE DEFLEXÃO


CAVITAÇÃO – 0,7 ATM, J = 0,25, 1600 RPM


CAVITAÇÃO – 0,7 ATM, J = 0,35, 1600 RPM


CONCLUSÃO

Hélice de 1 Camada Características Promissoras Leve declínio na eficiência;

Diminuição relevante no peso estrutural;

Baixo custo de fabricação;

Possível diminuição da cavitação.

Hélice de 2 Camadas Aumento excessivo na espessura na ponta da pá devido ao processo de fabricação;

Aumento na cavitação;

Diminuição da eficiência.


TRABALHOS FUTUROS

Interação Fluido Estrutura de hélice em compósito para análises não-lineares de escalonamento;

Estudo acerca de lattice structure/ estrutura celular para otimização de hélice em escala real;

Estudo acerca de ruídos gerados pela deflexão do hélice.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• Glauert, H., 1983. The Elements of Aerofoil and Airscrew Theory. Cambridge Science Classics. Cambridge University.

• Katsuno, 2017. “Analysis of the blockage effect on a cavitation tunnel using CFD tools”. 36th Internation Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering – OMAE 2017.

• Nasseh, Jorge, 2008. "Técnicas e Prática de Laminação em Composites". Rio de Janeiro.

• Taketani, T., Ando, S., Kimura, K. & Yamamoto, K. (2012). Study on cavitation behavior of a composite hydrofoil blade. The 16th Symposium on Cavitation, Kanazawa, Japan.

• Vesting, F., Bensow, R. “Propeller Optimisation Considering Sheet Cavitation and Hull Interaction”. Second International Symposium on Marine Propulsors, Hamburg, Germany, June 2011.

• Young, Y. L. & Motley, M. R. (2011). Influence of material and Loading uncertainties on the hydroelastic performance of advanced marine propellers, Second International Symposium on Marine Propulsors.


Agradecimentos,

Os autores gostariam de agradecer aos técnicos do Laboratório de Engenharia Naval e Oceânica do IPT no auxílio na condução dos ensaios no túnel de cavitação, e a FIPT (Fundação de apoio ao Instituto de Pesquisa Tecnológica) pelo suporte financeiro contemplado no programa de Iniciação Tecnológica.

E-mail: [email protected]

Agradecimentos:

Documents

COMUNICAÇÃO TÉCNICA - IPTescriba.ipt.br/pdf/175820.pdf · 2 Sobena 2018 – Projeto e Fabricação de um hélice naval com materiais compósitos e manufatura aditiva INTRODUÇÃO