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Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Politécnica
Engenharia Naval e Oceânica
Relatório 1 - PaKa II (Ore/Oil Carrier)
Projeto do Navio 3
Professor Protásio Dutra Martins
Luiz Felipe Costa Ferreira Cirto DRE - 102006312
Gabriel Ferreira Freire DRE – 102035214
INTRODUÇÃO
O presente trabalho tem como finalidade o projeto de um navio mercante do tipo Minero - Petroleiro (Ore/Oil), ou seja, um navio de carga combinada, transportando de forma não simultânea minério e petróleo. A razão da escolha deste projeto foi, principalmente, atender de forma equilibrada os mercados de transporte de minério e petróleo, reduzindo assim, o tempo e os custos associados à navegação em lastro. Podendo deste modo, analisar se há um mercado para este tipo de embarcação, mas que não está sendo aproveitado.
O projeto começou a se tornar um grande desafio quando, ao analisar o mercado atual, se constatou a demanda decrescente por esse tipo de navio ao longo das décadas de 80 e 90 até os dias atuais, em que não se têm informações de navios desse tipo em operação. Deste modo, a concepção do projeto ganhou mais uma etapa, que tem como objetivo estudar o comportamento dentro do mercado atual de um navio otimizado para atender sua função como Minero – Petroleiro.
Assim, será apresentada uma Metodologia de Projeto desenvolvida na disciplina de projeto do Navio III e, posteriormente todas as etapas pertinentes ao primeiro relatório que foram feitas na disciplina de projeto do navio II. Com isso este relatório tem o objetivo de apresentar o histórico e a memória técnica da execução do projeto, como geração da forma, escolha do sistema propulsivo, compartimentação, estrutura, seleção de equipamentos, leme, arranjo geral, peso leve, equilíbrio, estabilidade e avaria.
Em uma segunda grande etapa, ou seja, no segundo relatório, serão abordados os tópicos de comportamento no mar (Seakeeping), análise estrutural e por final uma avaliação da Metodologia de Projeto desenvolvida e o Projeto como um todo.
MERCADO E DEFINIÇÃO DA ROTA
Um navio do tipo minero - petroleiro possui certa flexibilidade considerando que pode transportar tanto minério quanto petróleo. Sua rota pode ser considerada como triangular já que o navio parte de um porto carregando minério, chega e descarrega em outro porto e a partir deste segue para um terceiro porto no qual carrega óleo com destino próximo ao porto inicial de saída.
Atualmente, no contexto internacional, há uma demanda grande de embarcações no setor de transporte de minério de ferro. A China, por exemplo, maior exportador mundial de aço, é o maior importador mundial de minério de ferro comprando em média 400 milhões de toneladas por ano e que, de acordo com as estimativas, deve aumentar para 560 milhões até o ano de 2015.
Paralelamente, a empresa brasileira Companhia Vale do Rio Doce (CVRD) tornou-se em 2006 o maior fornecedor da China, vendendo cerca de 77,8 milhões de toneladas, o que representou quase um quarto (23,2%) do total comprado pelos chineses em 2006. Neste contexto, o minério de ferro por meio da CVRD, representa a segunda maior exportação brasileira para a China, depois da soja em grão.
Assim, a crescente demanda chinesa por minério de ferro e o aumento nos custos de frete nos últimos anos vêm elevando as encomendas por navios de maior porte, em torno de 300 mil TPB (tonelagem de porte bruto). Segundo o site especializado em navegação Clarksons Research Services, a indústria naval mundial tem hoje encomendas de 20 embarcações desse porte, envolvendo investimentos de US$ 1,5 bilhão e entrega prevista entre 2007 e 2010.
Portanto, considerando que a brasileira CVRD é a maior produtora mundial e principal fornecedora para China, definiu-se para o navio de projeto a rota Brasil – China operando, respectivamente, pelos portos Terminal Ponta da Madeira (São Luís - MA) e Majishan (Zhejiang), percorrendo aproximadamente 13.584 milhas.
Figura 1 - Portos Ponta da Madeira e MajiShan
Por outro lado, o Brasil apesar de ter alcançado a auto-suficiência, já que em números produz tanto quanto consome, continuará a importar petróleo de qualidade diferente da que produz devido às características técnicas de nossas refinarias e à qualidade dos produtos demandados, principalmente petróleo do tipo leve, essencial na produção de óleo diesel.
Uma vez que a maior parte de sua importação de petróleo provém dos países Árabes, tal que em 2006 as importações brasileiras chegaram a US$4,88 bilhões foi escolhido este mercado para definir a rota do navio transportando óleo. Assim, a rota escolhida é do Terminal em Ras Tanura (Rãs Tanura – Arábia Saudita) para o Terminal Marítimo Almirante Barroso – TEBAR da Petrobrás (Estuário de São Sebastião - SP), percorrendo aproximadamente 8.310 milhas.
Figura 2 - Portos Ras Tanura e TEBAR
Assim em sua rota completa incluindo a navegação em lastro, a embarcação percorre um total de 29.670 milhas. A Figura 3 mostra um esboço da rota completa entre todos os portos.
Figura 3 - Rota do Navio PaKa II (Ore/Oil)
METODOLOGIA DE PROJETO
O processo do projeto de um navio é uma tarefa muito complexa, pois envolve muitos passos dependentes uns dos outros. Ele consiste basicamente em três etapas que estão sempre juntas: síntese, análise e avaliação.
A partir de certo estágio do projeto, os passos podem ser decompostos em subproblemas que, por sua vez, podem ser resolvidos independentemente gerando subsoluções que podem ser avaliadas independentemente com base em critérios pré-estabelecidos e, por fim, avaliadas, desde que se tenha em mente a inter-relação entre eles. Ao final do projeto, após várias interações entre esses subproblemas, cumprem-se novamente as três etapas básicas do projeto, só que dessa vez de forma global, sintetizando as diversas subsoluções, analisando e avaliando-as.
A etapa de síntese é onde são utilizados recursos computacionais (AutoCAD, Freeship, Maxsurf, Hullspeed, Hydromax, Seakeeper, etc...) ou de outra natureza qualquer para criar modelos do objeto a ser projetado, ou melhor, dos elementos físicos ou subproblemas que compõe esse objeto.
A etapa de análise consiste em estudar cada um dos elementos físicos (subproblemas) do navio e entender suas propriedades e correlações com outros subproblemas. Deve-se aproveitar a criatividade do projetista para propor subsoluções.
Após a etapa de análise, deve-se avaliar o que foi sintetizado e analisado para que o objeto de projeto tenha as qualidades que se espera dele. Nessa etapa de avaliação, deve-se criticar cada uma das subsoluções com base em critérios bem definidos e, se ela não cumprir o que se espera dela, deve-se voltar à análise desse subproblema ou, possivelmente, à síntese dele. Ao final do processo de projeto, quando se faz a síntese e análise de cada um dos subproblemas, faz-se a avaliação global, onde se avalia o navio como um todo, agora com uma visão mais ampla de como todos os subproblemas se relacionam, com base no que se espera desse navio.
Quando se deseja iniciar o processo de projeto, o projetista pode facilmente se perder em meio a tantas interdependências e subproblemas. O primeiro passo que deve ser dado em um novo processo de projeto é definir os subproblemas e estudar o quanto cada um deles influencia os demais. Para isso foi utilizada a Matriz de Influência, que correlaciona cada uma das subtarefas do projeto. Essa matriz foi inicialmente concebida como triangular, o teto da Casa da Qualidade (da técnica de projeto do QFD - Quality Function Deployment) em que cada coluna influencia as demais colunas de certo valor. Mas no presente estudo ela foi expandida em linhas e colunas para que se pudesse posteriormente ser feito o somatório das linhas e colunas e então determinado quais subtarefas são mais influentes (somatório de cada linha, quanto maior esse valor mais a matriz influenciarão as demais) e quais são mais influenciadas (somatório de cada coluna)
pelas demais. Analisando essa matriz, percebem-se quais são as subtarefas mais importantes (as que mais influenciam as demais) e fornece ao projetista uma estratégia inicial de por onde começar o projeto.
As subtarefas foram arrumadas à esquerda em ordem decrescente de influência (as subtarefas de cada linha influenciam as subtarefas das colunas). Podemos ver que a subtarefa que mais influencia as demais é a forma, logo é ela que será feito primeiro.
Se analisarmos agora a segunda linha da matriz, Compartimentação/Condições de Carregamento há a percepção que, apesar dela ser a segunda em ordem de importância (a segunda que mais influencia as demais), tem baixa influência sobre o Sistema Propulsivo (terceira mais influente), mas o Sistema Propulsivo (terceira linha) por sua vez tem influência média sobre a Compartimentação (segunda coluna).
Dessa forma podemos ordenar quais subtarefas fazer primeiro e então o processo de projeto fica mais claro para o projetista. Deve-se notar que foram utilizados os valores de 1, 5 e 10 como influência baixa, média e alta, respectivamente, para que os somatórios ficassem exagerados e mais claros. Não deve ser o objetivo de o projetista detalhar os valores de influência e se prender a isso nessa etapa do projeto, pois não haveria como definir se uma tarefa influencia a outra em 8 ou 7, por exemplo, isso varia de acordo com o projetista.
Uma vez feita a Matriz de Influência, pode-se partir para determinar como cada uma dessas subtarefas a serem feitas no projeto, ou seja, a voz do construtor se relaciona com os elementos de qualidade mais importantes de projeto, ou a voz do consumidor. Listando-se esses quesitos de qualidade e os subproblemas em uma tabela e aplicando o mesmo critério de relação (baixa, média e alta) definido para a Matriz de Influência, chegamos ao principal ponto do QFD, a Matriz de Qualidade.
Como se pode ver são listados os mais importantes itens de qualidade que se esperado navio, novamente em ordem decrescente de importância à esquerda, e as colunas são as subtarefas definidas na Matriz de Influência. A Taxa Mínima de Frete aparece em 1º lugar porque é o critério considerado mais importante, ou seja, se o navio não for economicamente viável, nenhuma outra qualidade irá importar. Em segundo lugar vem a Capacidade de Carga, que para esse tipo de navio (um navio de carga combinada e de porões segregados) a capacidade de carga é um item fundamental.
Com essas duas matrizes, a Casa da Qualidade, pode-se agora definir um processo lógico de projeto que relaciona como e quando cada uma das subtarefas será sintetizada, analisada e avaliada. Cada processo síntese deve ser seguido por uma análise do que foi sintetizado e uma avaliação da subsolução encontrada.
DIMENSÕES PRINCIPAIS
Introdução
De uma forma geral, a análise do mercado mostra que há uma demanda grande nos setores de transporte de minério e petróleo, mas, por outro lado não se tem informações sobre navios minero - petroleiros em operação, que tiveram seu ápice na década de 70 e desde então vem caindo em desuso.
Como a proposta deste trabalho é projetar um minero - petroleiro, um estudo de viabilidade econômica detalhado deve ser feito para analisar as condições econômicas atuais e verificar se um projeto desse tipo seria viável atualmente. Isso representa um grande problema para este projeto, uma vez que não existem embarcações semelhantes em operação então não há nenhuma informação disponível dos custos de construção e dos custos de operação desse tipo de navio (foram encontrados alguns semelhantes, a maioria construída na década de 70, dos quais foi possível encontrar as dimensões principais).
Neste primeiro momento, foi feito um estudo dos custos de operação e construção com base em formulações empíricas [Benford, Amorim] que estão em função das características principais, o que permitirá que seja feita uma otimização das dimensões principais do navio. Futuramente, na apresentação do 2º Relatório, será feito um estudo mais detalhado dos custos e a lucratividade desse navio será comparada com a lucratividade de outros tipos de navios para verificar a viabilidade do projeto.
Correção das Formulações
Primeiramente, é necessário corrigir as formulações estatísticas que estão desatualizadas. Isso representa um desafio, pois como não existem semelhantes (os que existem são tão velhos quanto às próprias formulações), a princípio não teria como atualizar as formulações.
Para este trabalho, foram utilizados Relatórios de projetos anteriores de Projeto III (Rodrigo/Leonardo, Fábio/Rogério e Osiel/Daniel, todos navios Ore/Oil) para corrigir as formulações desatualizadas. Sabe-se que há um erro em se usar estes valores, mas, como já foi dito, um estudo mais profundo será apresentado no 2º Relatório.
Para atualizar as formulações, foram comparados os valores obtidos com elas aos valores apresentados pelos alunos. A partir desses valores, pode-se obter um valor para o erro médio entre os valores e foi então utilizado o recurso Solver® para minimizar esse erro alterando os valores dos coeficientes das formulações. É importante
relatar que só foram corrigidos as formulações que dizem respeito a pesos, mas como as formulações que dizem respeito ao custo estão em função dos pesos, esse erro foi desprezado.
Restrições
Agora são necessários mais alguns parâmetros para direcionar a otimização das dimensões principais, permitindo que o Solver® otimize as dimensões proporcionalmente. Foram obtidos dos semelhantes razões de aspecto como L/B, L/D, D/b e T/B, das quais foram utilizados os valores máximos e mínimos obtidos de todos os semelhantes encontrados permitindo que as características principais fossem otimizadas livremente, mas sem fugir muito das razões de aspecto existentes.
Além disso, foram criados 4 parâmetros de análise que serão utilizados como restrição no Solver®; um que diz respeito à Resistência Estrutural, outro à Estabilidade, outro à Borda Livre mínima e um último que limita o tamanho máximo.
A Análise Estrutural foi feita a partir da formulação do cálculo de peso leve da DNV, que utiliza o módulo de seção para esse cálculo. Como o nosso peso leve já foi estimado com base nas formulações da tese de [Amorim] atualizadas, utilizamos a formulação ao contrário para calcular o módulo de seção do navio em função do peso leve. Assim, foi imposta uma restrição ao Solver® que esse módulo de seção teria que ser maior que o módulo de seção mínimo exigido pela regra da DNV.
A verificação da estabilidade foi feita a partir da tese de [Amorim] para a estimativa do raio metacêntrico e dos seus valores máximos e mínimos. A estabilidade também entrou como uma restrição do Solver® que o GM teria que estar entre os valores máximo e mínimo calculados.
Para garantir a borda livre mínima, foi ajustada uma curva sobre a tabela B da ICLL’66, que foi calculada em função do comprimento da embarcação. A partir dessa borda livre, foi criada uma nova restrição para o Solver®: a de que o calado teria que estar abaixo do calado máximo (aquele em que, para um dado comprimento, deixasse o mínimo de borda livre requerido pela ICLL ’66.
Finalmente, foi criada uma restrição para que o comprimento da embarcação não tendesse ao infinito, mas invés disso ficasse restringido entre os valores de 50 e 365m (os valores para os quais existem valores de borda livre na ICLL ’66).
Taxa Mínima de Frete e Lucro Anual
Com as restrições definidas, falta ainda definir uma função de mérito que dependa das dimensões principais e calcule as dimensões ótimas, ou seja, aquelas em que se irá ter o menor custo para um maior retorno, ou, em outras palavras, as dimensões em que o lucro seja maximizado.
Como o navio em questão transporta dois tipos de carga diferente, foram calculadas duas taxas mínimas de frete, uma para minério e outra para petróleo. Para calcular essas taxas, foram utilizados valores obtidos de artigos que relatam o preço de frete de mercado para a segunda pernada (em cada viagem, o navio transporta duas cargas diferentes. Para calcular a taxa mínima de frete de uma dessas cargas, foi assumido que ele transportará a outra carga pelo preço de frete do mercado). Em seguida foram calculados os valores de receita do navio transportando cada uma das cargas à taxa de frete do mercado, e foi então calculado o lucro anual da embarcação (Receita Total – Custos Totais).
Pôde-se também calcular uma taxa mínima de frete combinada, que é a soma ponderada de cada taxa de frete multiplicada pela receita do transporte daquela carga dividida pela receita total.
Observando a planilha, percebe-se que a taxa mínima de frete de petróleo é negativa. Isso se dá porque a taxa mínima de frete é calculada de forma que o navio não gere lucros e só com o transporte de minério ele já paga todos os custos e gera lucro, por isso essa taxa de frete é negativa.
Otimização das Dimensões Principais
O próximo passo foi utilizar o Solver® para otimizar as dimensões principais. Isso foi feito, considerando todas as restrições explicadas anteriormente, para dois casos: minimizando a taxa mínima de frete combinada e maximizando o lucro total anual. A solução do Solver® para as dimensões ótimas para ambos os casos foram as mesmas e podem ser visualizadas na planilha: Viabilidade Econômica.
Porém considerando que este estudo não foi feito na disciplina de Projeto do navio II, o objeto foi dimensionado a partir das características de navios semelhantes. E agora, a decisão tomada foi continuar o projeto com as dimensões iniciais, mas sempre comparando o navio estudado com aquele que seria ótimo, dimensionado através da utilização do Solver®.
FORMA
Introdução
Com as características principais definidas, o próximo passo é a definição da forma. Para isso, foi utilizado o programa Freeship, um programa relativamente recente no mercado de código aberto. Ele tem muitas ferramentas que permitem ao projetista modelar a forma de maneira dinâmica, com o CB e a Curva de Áreas Seccionais visíveis e atualizados enquanto o casco é modelado.
Além disso, permite visualizar as linhas de corrente no casco, recurso que permite ao projetista ter uma boa idéia de como será o escoamento em torno do casco e ajuda muito na hora de projetar partes críticas como a popa. Como não sabemos ainda se o navio terá ou não bulbos, foram geradas duas formas, uma com bulbo e outra com a proa elíptica.
Dimensionamento do Bulbo
Como esse navio será de grande porte com grandes dimensões, como Lpp=340m e número de Froud = 0,134, o bulbo não deve ser muito grande e provavelmente será desnecessário. Para o projeto do bulbo, foi utilizada uma planilha para o dimensionamento do bulbo feita por Yves R. Borges e Eduardo S. Santana, baseada no paper “Design of Bulbous Bows” de Alfred M. Kracht.
Como o navio será do tipo Ore/Oil, haverá significativa mudança de calado, foi escolhido um bulbo do tipo Delta. Ele foi primeiro modelado no casco utilizando as linhas de corrente para aperfeiçoar a sua forma e depois suas características foram inseridas na planilha para o dimensionamento do bulbo para ver se estava dentro dos limites estabelecidos por Kracht, como mostra a Figura 4.
Figura 4 - Planilha para dimensionamento do Bulbo
Houve a necessidade de fazer uma iteração para aumentar o volume do bulbo, pois o Coeficiente Volumétrico do Bulbo estava fora dos limites. A forma final do bulbo é mostrada a seguir.
Figura 5 - Proa Bulbosa
Proa Elíptica
Em seguida foi projetada uma forma sem bulbo. Para a forma inicial da proa, foi escolhido um perfil elíptico, que leva esse nome porque suas linhas d água têm formato de elipse. Essa forma é mais simples de construir e causa menos arrasto friccional do que a proa bulbosa, porém tem uma maior resistência de ondas. Como essa forma tem menos volume na proa, o casco foi modelado com um ligeiro afinamento na popa.
Para um navio de grandes dimensões, essa característica é praticamente imperceptível ao olho nu, mas faz com que o LCB fique aproximadamente igual nos dois modelos. Esse modelo de proa em geral apresenta um Seakeeping melhor do que navios com bulbo devido à maior área de linha d água na proa. A Figura 6 mostra a proa modelada.
Figura 6 - Proa elíptica
Ambos os modelos foram modelados com a mesma popa, que foi modelada com duas entradas para melhorar o escoamento no hélice e com um espelho bem pequeno, de forma que olhando o navio do alto ele tem a proa larga e a popa fina. Essa característica diminui a resistência em navios grandes e melhora o escoamento no propulsor, pois faz com que haja menos descolamento da camada limite, tornando o escoamento menos turbulento.
Resistência ao avanço
Existem vários métodos para estimar a resistência ao avanço do navio. A maioria deles considera 3 tipos diferentes de resistência; resistência friccional (Rf), resistência de ondas (Rw) e resistência de pressão viscosa (Rpv). A resistência friccional é a resistência experimentada pela superfície molhada do casco se deslocando e pode ser aproximada pela resistência de uma placa plana. A resistência de pressão viscosa e a resistência de ondas dependem da forma do casco, sendo a primeira
referente à resistência experimentada pelo deslocamento do navio no fluido e a segunda à resistência causada pela dissipação de energia na forma de ondas.
É necessário calcular qual modelo de proa irá causar maior resistência, pois enquanto a proa bulbosa diminui a resistência de onda, ela aumenta a superfície molhada, aumentando assim também a resistência friccional. Esses métodos para calcular resistência são caros, pois demandam testes em tanques de provas e muitos cálculos.
Uma alternativa rápida e econômica são os métodos estatísticos, cujos resultados estão diretamente relacionados aos dados coletados utilizados em seu desenvolvimento. A utilização desses métodos é uma boa opção para aplicações no início do projeto, quando o mais importante não é a precisão, mas sim a rapidez e simplicidade do modelo. Existem diversos métodos estatísticos disponíveis, um dos quais, o de Holtrop, foi implementado pelo Professor Alexandre Alho em uma planilha para estimar a resistência ao avanço. Essa planilha que foi utilizada para estimar qual modelo de casco irá ter maior resistência ao avanço pode ser visualizada na planilha Estima.
Escolha do tipo de proa
v Holtrop '84Comentario
(nós) (kN)
Proa Elíptica 15 1940 EscolhidaProa Bulbosa 15 1905
Como podemos ver acima, a proa bulbosa apresentou uma resistência 1,82% menor que a proa sem bulbo por esse método. Devemos lembrar, porém, que esse é um método estatístico que apresenta erros da ordem de 10%. Como a proa elíptica tem um custo de construção mais baixo, construção mais simples e rápida e, apresentar melhores resultados de Seakeeping, essa foi a forma escolhida para a proa.
Método de otimização da forma
Com a planilha para estimar a resistência ao avanço através do método de Holtrop, o próximo passo foi submeter esse novo casco a transformações paramétricas e
então estimar a resistência de cada novo casco para otimizar a forma. Para isso, o navio, que até então havia sido modelado no Freeship, foi exportado para o programa Maxsurf. Nesse novo programa, foi possível fazer a operação de transformar parametricamente o modelo de acordo com as características desejadas.
A primeira transformação que foi feita foi o aumento do CB da embarcação para 0,8. Essa transformação, além de aumentar o volume de carga da embarcação, aumentou também a resistência, como podemos ver na Tabela 1 a seguir.
Tabela 1 - Formas e Resistências ao Avanço
vHoltrop '84 Comentario
(nós) (kN)
Original (Cb=0,82 ; LCB=177,08 da PR) 15 1.940,00 Escolhido
Cb= 0,85 15 2.028,30Aumenta muito a resistencia, nao vale a pena
Cb = 0,82 LCB= 158,10 15 1.951,40
LCB= 159,60 15 1.944,30 LCB= 161,36 15 1.941,20 LCB= 163,15 15 1.939,40
LCB= 164,13 15 1.937,90Forma muito disproporcional, vai dificultar o Seakeeping
LCB= 165,02 15 1.935,30Forma muito disproporcional, vai dificultar o Seakeeping
LCB= 168,02 15 1.947,20 LCB= 170,25 15 1.975,80 LCB= 171,30 15 1.955,30 LCB= 173,07 15 1.963,50 LCB= 174,60 15 1.959,80 LCB= 176,60 15 1.945,00 Como as três menores resistências são muito parecidas, a escolhida é a que tem a forma que
terá melhor seakeeping e estabilidade (que, nesse caso, foi a forma original)
Em seguida, foram feitas alterações no LCB (posição longitudinal do centro de carena), que variou desde 2% à ré da seção mestra até 2% à vante, que era a posição original dele. Esses novos valores de resistência foram então plotados num gráfico de Resistência x LCB (ver Figura 7).
Figura 1 - Variações paramétricas na forma
Estudando esse gráfico, percebemos que há um ponto de resistência mínima quando o LCB está a aproximadamente 1,5% à ré, depois ela começa a subir e em seguida a cair de novo, até quase atingir o mesmo valor de resistência quando o LCB está 2% à vante da seção mestra. Essa última forma apresenta um volume de deslocamento maior que as outras, mas a mesma resistência.
Além disso, esse LCB está localizado onde estimamos que esteja o LCG (centro de gravidade longitudinal) dessa embarcação, e ainda por cima essa forma com a popa mais afinada tende a apresentar melhores resultados nos testes de estabilidade e seakeeping, apresentados numa próxima etapa do projeto. Por acaso, essa forma mais otimizada foi a forma original escolhida.
Plano de Linhas da forma definida
Figura 2 - Plano de linhas da forma definida
A forma pode ser acessada em Forma (formato Maxsurf) ou em arquivo de texto formato txt.
A curva de áreas seccionais, as características hidrostáticas da forma e estimativa da estabilidade podem ser visualizadas, respectivamente, nos arquivos Curva de áreas, Hidrostáticas e Estimativa estabilidade.
SISTEMA PROPULSIVO
O sistema propulsivo de uma embarcação consiste na integração entre motor, eixo, propulsor e às vezes caixa redutora. É comum em embarcações de grande deslocamento não haver caixa redutora. Isto ocorre, pois o sistema trabalha em baixa rotação e a eficiência pode ser maior já que o motor está acoplado diretamente ao propulsor.
Propulsor
O motor através do eixo fornece potência ao propulsor, que é responsável por gerar o empuxo necessário para vencer a resistência ao avanço da embarcação. O objetivo da seleção preliminar do propulsor é otimizar a escolha de suas características. A definição do propulsor “ideal” para cada caso produz um aproveitamento melhor do sistema propulsivo, evitando desperdícios de potência e consumo desnecessário.
Para a seleção do propulsor devem ser levados em consideração fatores como tamanho do propulsor, tipo de embarcação, número de pás, ocorrência de cavitação, etc. Esses fatores devem ser trabalhados para que o propulsor escolhido atenda aos requisitos de operação da embarcação. Variações na condição de operação de projeto também devem ser consideradas, como na condição de mar, operação do motor ou mesmo margens do propulsor.
Diâmetro do Propulsor
Como ponto inicial pode-se calcular o tamanho do propulsor, baseado no diâmetro (D). Geralmente o valor máximo de D pode ser calculado em 2/3 do calado da embarcação, para embarcações com menos de 14m de calado. A razão disso é limitar o tamanho excessivo do propulsor para embarcações com grandes calados. Um propulsor muito grande significa excesso de peso, sendo que este peso se concentra todo no extremo de ré do eixo propulsor. Como o eixo pode ser considerado uma viga apoiada nos mancais, o esforço causado nos mancais seria muito alto, o que poderia causar quebras excessivas e aparecimento de vibração na linha de eixo.
Assim para embarcações com calado acima de 14m o diâmetro máximo do propulsor situa em torno de 9,3m. Como a embarcação projetada possui um calado de 22m foram escolhidos quatro diâmetros próximos do diâmetro máximo possibilitando o estudo de eficiência entre eles.
Família de propulsores
Os propulsores apresentam uma diversidade muito grande em suas características. Tais diferenças ocorrem, pois cada embarcação possui sua necessidade de operação específica, o que leva a um determinado tipo de propulsor. Assim como as semelhanças das séries de cascos, as séries sistemáticas também foram desenvolvidas para os propulsores a partir de uma geometria adotada como padrão. Os resultados de desempenho obtidos a partir de teste em modelos, pertencentes à série, são fornecidos de modo a facilitar a seleção do propulsor capaz de atender um determinado projeto de instalação propulsora.
Para embarcações de grande deslocamento a família de propulsores de maior uso e eficiência são os propulsores da Série B (Série de WAGNINGEN ou TROOST), que vem apresentando melhores resultados tratando da aplicação em embarcações mercantes deste tipo.
Os parâmetros variáveis de geometria na Série B são: Z (número de pás), D (diâmetro), A/Ao (razão de áreas) e P/D (relação entre passo e diâmetro). Sendo que na Série B os modelos construídos e testados têm numero de pás variando de 2 a 7 sendo mais comum 4 ou 5 pás. As razões de áreas normalmente usadas variam entre 0,45 e 0,55 e a relação passo e diâmetro entre 0,8 e 1.
Diagramas Kt-Kq-J
O método para a escolha do propulsor foi baseado no uso dos diagramas Kt-Kq-J dos propulsores pertencentes à Série B. Cada diagrama se refere a um propulsor com determinado numero de pás e determinada razão de área. O coeficiente Kt relaciona o empuxo gerado pelo propulsor com a rotação e o diâmetro do hélice, assim como o coeficiente Kq relaciona o torque no eixo propulsor também com a rotação e o diâmetro do hélice. No diagrama são plotadas várias curvas de Kt e Kq para diferentes relações entre passo e diâmetro (P/D), sendo que o mesmo ocorre para as curvas de eficiência (h). Todas as curvas são dadas em função de J que relaciona a velocidade incidente (Va) com a rotação e diâmetro do propulsor.
Processo de seleção
O processo de seleção do propulsor se inicia com o calculo da resistência ao avanço (Rt). A partir da resistência pode-se calcular o empuxo requerido pelo propulsor. Utilizando-se de uma faixa usual de rotação para este tipo de embarcação (65 ~ 100) é possível, a partir do empuxo requerido, calcular o coeficiente Kt e também o coeficiente J a partir da velocidade de serviço da embarcação. Com J e Kt calculados pode-se obter a relação P/D a partir da curva de Kt. Com a relação P/D definida podem ser obtidos os coeficientes de rendimento e o coeficiente Kq. E com Kq calcular o torque Q necessário no eixo.
Para a seleção ótima do propulsor o processo acima descrito deve ser feito para vários diâmetros em diferentes rotações e também para diferentes propulsores da série. Desta forma em cada diagrama de um propulsor (ver exemplo na Figura 10) da serie seriam feitos cálculos para diferentes diâmetros e para cada um desses diâmetros testar uma faixa de várias rotações. Ao final do processo poderia se escolher o propulsor que dentre todos os outros apresentou melhor eficiência e menor potencia necessária para produzir o empuxo requerido.
Figura 3 - Diagrama Kt-Kq-J
Cavitação
A cavitação ocorre quando a pressão local num escoamento diminui devido a um aumento de velocidade e se aproxima da pressão de vaporização. Isto causa o surgimento de bolhas de vapor que atingem novamente regiões de alta pressão causando a implosão dessas bolhas. Tal processo causa vibração/ruído por ser um fenômeno permanente e periódico, corrosão por fadiga do material e também perda no rendimento. Os tipos de cavitação podem ser: cavitação na extremidade, na face e no bosso.
Por suas conseqüências negativas deve-se sempre evitar a ocorrência da cavitação e, para isso podem ser usados critérios como o NSMB ou Método de Burryll (apresentado em gráfico), por exemplo, para verificação da ocorrência da cavitação, como o que a Figura 11 apresenta.
Figura 4 - Diagrama de Burryll
Seleção do propulsor
As teorias apresentadas fornecem uma idéia de como selecionar o propulsor para uma embarcação, no entanto, neste trabalho a seleção do propulsor foi executada através de uma planilha também desenvolvida pelo Professor Alexandre Alho. A planilha seleciona o propulsor ótimo a partir das condições de operação e características da embarcação. O arquivo da planilha pode ser visualizado em Hélice B.
Como critérios de seleção, foram selecionados alguns intervalos das características aplicáveis à embarcação em questão:
- Número de pás Z (4~5);
- Razão de áreas A/Ao (0,45~0,55);
- Diâmetro D(8,5~9,3m);
- Razão passo diâmetro P/D(0,8~1) e;
- Rotação N (60~100 rpm).
A partir desses dados e com a utilização da planilha desenvolvida pelo Professor Alexandre Alho, foram feitas diversas iterações e consequentemente escolhas de hélices. Os procedimentos de uso da planilha foram baseados em variações das
características do hélice, principalmente nos condições de contorno iniciais de diâmetro e rotação de serviço.
À medida que a planilha a selecionou os melhores propulsores para as respectivas condições iniciais, obteve-se um conjunto de propulsores, onde dentre estes foi escolhido aquele que apresentou melhor eficiência associado às rotações próximas as rotações de operação ótimo-usual da maioria dos motores disponíveis comercialmente.
Sendo escolhido um propulsor da Série B com as seguintes características:
- Número de pás Z = 5;
- Razão de áreas A/Ao = 0,45;
- Diâmetro D = 9,1m;
- Razão passo diâmetro P/D = 0,94;
- Rotação N = 68 rpm e;
- Eficiência = 55,9%.
Seleção do motor
O motor do navio tem o papel fundamental de fornecer potencia necessária para que o navio se desloque, acoplado ao hélice diretamente ou não (neste caso sim) é uma parte essencial do navio que deve sempre apresentar bom funcionamento para que a embarcação atenda aos requisitos de propulsão de projeto.
Para a escolha do motor deve ser considerada a integração casco/motor/hélice. Esta etapa considera a relevância de algumas margens de segurança que devem ser estimadas/obtidas para assegurar que a potencia fornecida pelo motor atenda com segurança a todas as condições de operação enfrentadas pela embarcação.
As margens consideradas são de mar (atendendo as condições adversas de mar), margem de motor (considerando o envelhecimento, deterioração e outros problemas do motor) e margem de propulsor/rotação (considerando a deterioração do propulsor). Abaixo são apresentados os intervalos comuns das margens:
- Margem de mar: 10~25 %;
- Margem de motor: 5~10 % e;
- Margem de propulsor: 3~5 %.
Para a margem de mar considerou-se 20% devido às regiões por onde a embarcação opera. E para margem de motor e propulsor, 8 e 4% respectivamente, considerando um pouco acima da média dos valores comumente encontrados. A planilha utilizada foi a mesma na escolha do propulsor, porém agora com as margens, podendo ser visualizada em Hélice B margens.
Com a aplicação das margens podem se obter as características máximas reais de operação da embarcação, e a partir daí selecionar o motor que atende a tais condições. Sendo as condições de operação com aplicação das margens:
- Rotação N = 76,6 rpm e;
- Potência no eixo P = 31666,27 kW.
De acordo com as condições de operação o motor selecionado foi o MAN 8S80ME-C Mk8 que apresentou o ponto de operação na melhor região, ou seja, mais próximo da região de carga máxima do motor, região de operação do motor onde ele é mais bem aproveitado.
Figura 5 - Região de Operação do Motor
A figura do motor e suas características principais de operação podem ser visualizadas, respectivamente, em Motor e Características motor.
COMPARTIMENTAÇÃO
Introdução
Com a forma definida esta etapa do trabalho tem como objetivo fazer a compartimentação da embarcação. Mas para isso, deve ser feito antes o cálculo da borda livre da embarcação. Este é o calculo da distancia do calado máximo ou calado de verão até a linha do convés principal da embarcação. Pela borda livre é possível verificar se o calado de projeto atende as regras de segurança vigentes e limitar o calado médio máximo de carga.
Borda Livre
Assim a borda livre estabelece o nível máximo de imersão do casco de modo que a embarcação mantenha uma reserva mínima de flutuabilidade para uma navegação segura, justificando o cálculo antes da compartimentação, já que de certa forma o cálculo torna-se um limite para a capacidade de carga.
O calculo da borda livre foi feito com base na International Convention on Load Lines, 1966 que apresenta os regulamentos de correção para borda livre definindo a linha de carga final para a condição de deslocamento máximo permitido, ou seja, no calado de verão. Para este trabalho será considerado somente o Capítulo III, anexo 1 que apresenta os Regulamentos 27 a 40 que tratam do cálculo da borda mínima e altura mínima de proa para a embarcação.
Com isso definiu-se a borda livre da embarcação com uma altura de 8,972 m e conseqüentemente o calado de verão igual a 23,03 m.. Todos os cálculos estão no arquivo Borda livre.
Posicionamento das anteparas principais
Antes de se iniciar a compartimentação da embarcação devem ser definidas as posições de algumas anteparas. A importância disso é que ao compartimentar a embarcação são criados tanques e porões, que podem ter seus limites alterados a fim de se acomodar os volumes definidos previamente. Considerando isso, há algumas anteparas que tem suas posições já definidas inicialmente e que devem ser respeitadas.
Para as anteparas de colisão de ré e de vante foi utilizada a regra comum IACS (International Association of Classification Societies) – Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers.
A primeira antepara a ser posicionada é a antepara de colisão de ré, como mostra a Figura 13, que de acordo com a regra deve haver um compartimento estanque abrangendo a região da saída do eixo propulsor e o tubulão do eixo da madre do leme. Para isso posicionou-se a antepara em uma distancia da região de cadaste na qual se criou o pique tanque de ré, sendo estanque e incluindo as regiões citadas pela regra.
Figura 6 - Posicionamento da Antepara de Colisão de Ré
Com a antepara de colisão de ré posicionada é possível posicionar a antepara de praça de máquinas levando em consideração o comprimento de praça de máquinas (PM) requerido. Para isso se baseou no histórico de navios semelhantes que mostra que a média do comprimento da PM está situada em torno de 2,5 vezes o comprimento do motor. O que resultou em um comprimento de 33 metros.
Figura 7 - Anteparas na Praça de Máquinas
Para a altura do fundo duplo na região da PM utilizou-se a fórmula apresentada na disciplina Projeto de sistemas de máquinas onde é relacionado o diâmetro do propulsor(D) e a altura (h) entre a base de apoio do motor e linha de eixo: Hfd = D/2 + h. Com isso pode-se garantir uma distância segura entre o extremo inferior do propulsor e a linha de base do navio (fundo).
Figura 8 - Fundo duplo na Praça de Máquinas
A ultima antepara definida previamente foi a antepara de colisão de vante que deve estar em todos os navios e se estender até o convés de borda livre. Considerando que a embarcação não possui proa bulbosa sua localização deve estar entre 0,05 LL ou
10 m (o que for menor) e 0,08 LL a partir do extremo de vante da embarcação onde é definida a linha de carga. LL. Como LL= 336,725 tem-se:
Limite superior – 26,938 m
Limite inferior – 10,0 m
Figura 9 - Limites para posicionar antepara de colisão de vante
Assim o critério para posicionamento da antepara de colisão de vante foi a acomodação da carga nos porões e equipamento de fundeio. Assim a antepara foi posicionada de forma a compartimentar a embarcação e alocar o volume requerido a bordo.
Figura 10 - Posição final da antepara de colisão de vante
Compartimentação completa
A compartimentação foi toda feita utilizando o programa HYDROMAX. Para isso, primeiramente foram feitas algumas superfícies para serem utilizadas como superfícies de fronteira (boundary surfaces) para poder definir os tanques, uma vez que os tanques desse navio não são convencionais. Essas superfícies foram feitas no programa RHINOCEROS, um programa criado para se trabalhar com modelos tridimensionais e onde modelar superfícies é mais simples que no MAXSURF. O casco original foi exportado do MAXSURF para o RHINOCEROS, e então esse casco foi reduzido 3m do costado e 3m do fundo para formar a superfície do casco duplo. Foram criadas também as superfícies das anteparas longitudinais e as superfícies inclinadas que serão utilizadas para gerar os tanques de asa. Uma vez definidas todas essas superfícies, elas foram exportadas para o MAXSURF, que é totalmente compatível com o RHINOCEROS. Essas superfícies foram definidas no MAXSURF como superfícies estruturais para que o programa não pense que elas fazem parte do casco. Esse novo arquivo com essas superfícies estruturais foi aberto no HYDROMAX e compartimentado conforme a seção mestra, com 10 tanques em cada um dos 8 compartimentos, sendo eles:
Tanque de Asa Superior BB (Lastro)
Tanque de Asa Superior BE (Lastro)
Tanque de Asa Inferior BB (Lastro)
Tanque de Asa Inferior BE (Lastro)
Tanque Central (Minério ou Petróleo alternadamente)
Tanque Lateral BB (Petróleo)
Tanque Lateral BE (Petróleo)
Tanque de Costado ou Costado Duplo BB (Lastro)
Tanque de Costado ou Costado Duplo BE (Lastro)
Tanque de Fundo Duplo (Lastro)
Esses 8 compartimentos estão localizados entre a antepara à vante da praça de bombas e a antepara de colisão à vante e são separados por anteparas estanques. A posição dessas anteparas estanques foi definida no HYDROMAX de um processo iterativo em que se alterava a posição delas e se verificava a condição de equilíbrio do navio na condição mais importante, nesse caso carregado com minério.
O comprimento dos tanques de minério mudou até que se conseguiu atingir uma condição em que o navio carregado com minério não tivesse trim e tivesse um carregamento máximo de minério com um pouco de trim de proa, já que se sabe de antemão que vão entrar alguns itens de peso na praça de máquinas e na superestrutura. O peso da superestrutura já foi estimado nessa etapa, mas será calculado mais detalhadamente em uma etapa posterior.
A forma compartimentada pode ser visualizada no formato .Msd para o programa Maxsurf ou em arquivo de texto (txt) que traz os dados das superfícies utilizadas na compartimentação. A tabela de capacidades também pode ser visualizada em Capacidade.
Figura 11 - Porões de Minério
Figura 12 - Tanques de Petróleo
Figura 13 - Tanques de Lastro
Arqueação
Fazer o cálculo de arqueação é uma etapa essencial e importante na execução do projeto de uma embarcação. A arqueação é um parâmetro adimensional que expressa a capacidade da embarcação, e é dividida em arqueações Bruta e Líquida. A arqueação tem como finalidade ajudar nos cálculos que envolvem e visam referir-se ao porte da embarcação, já que este parâmetro reflete o tamanho da embarcação e capacidade de acondicionamento de carga.
Para o cálculo da arqueação da embarcação se utilizou a NORMAM 02/2002 que utiliza regras baseadas na Convenção Internacional para Medidas de Arqueação de Navios (1969). Os cálculos da arqueação podem ser visualizados em Arqueação.
Os valores encontrados foram:
Arqueação bruta – 112.580,00
Arqueação Liquida – 61266,21
ESTRUTURA
Tipo de estrutura
O tipo de estrutura de uma embarcação determina de uma forma geral como são posicionados os elementos estruturais primários no casco. Tais elementos são responsáveis por suportar a maior parte da carga da qual a embarcação é submetida. Assim é determinado qual elemento será passante, ou seja, contínuo ao longo da estrutura. Por exemplo, o sistema longitudinal tem como membro passante os elementos posicionados longitudinalmente ao longo do casco. O que significa que esses elementos serão contínuos e os elementos transversais serão cortados permitindo o encaixe e passagem dos longitudinais.
De acordo com as regras consultadas e com as anotações na apostila do Professor Moraia, a embarcação projetada deve utilizar o sistema longitudinal na região de corpo paralelo. Isto se deve ao porte da embarcação, que por possuir um comprimento muito extenso (acima de 150m) necessita de uma integridade estrutural longitudinal muito grande. Assim, com a estrutura do tipo longitudinal, se pode garantir boa rigidez ao longo do casco que está sujeito as diferentes condições de carregamento.
Além disso, geralmente nas regiões de proa e popa o tipo de estrutura adotado pode variar para transversal ou longitudinal, em função do espaço dessas regiões. Considerando que a embarcação projetada neste trabalho possui um porte muito grande, as regiões de proa e popa também terão estrutura do tipo longitudinal prevalecendo assim à integridade estrutural com uma recomendação geral para navios de grande porte.
Cavernamento
Cavernamento é o posicionamento das cavernas no navio, que servem como orientação de posição ao longo da estrutura, como a estrutura para este navio é do tipo longitudinal a embarcação terá cavernamento longitudinal. As cavernas são referencias na localização de elementos estruturais no casco como cavernas gigantes, anteparas ou mesmo para se localizar uma posição qualquer no casco no casco.
A primeira coisa é se definir o espaçamento de caverna que de acordo com a regra da ABS 3.2.5/1.7 é 1000 mm para navios com 270<L<427m.
Escantilhões
Com o cavernamento definido a próxima etapa do dimensionamento estrutural foi o cálculo dos escantilhões. Os escantilhões são as dimensões principais e relevantes dos elementos estruturais. Assim para o dimensionamento da estrutura e projeto da seção mestra devem ser calculados os escantilhões mínimos previstos pela regra.
Neste caso se utilizou a regra da ABS - Parte 3 (julho/2006) e IACS (janeiro/2006), sendo que foi elaborada um planilhão em programa EXCEL para os cálculos necessários, podendo ser visualizado em Escantilhões.
Módulo de seção requerido
Antes de projetar a seção mestra do navio foi calculado o módulo de seção requerido a meio navio. Para isso foram usadas as regras da ABS e IACS e também foram elaboradas planilhas que fazem parte da planilha já citada acima. Abaixo são apresentadas as planilhas que calculam os momentos em águas tranqüilas e em ondas, e também o módulo de seção requerido para a seção a meio navio.
Modulo de Seção Mínimo
Assim como todos os escantilhões o modulo de seção também apresenta um valor mínimo para cada embarcação. Este valor deve ser calculado e respeitado mesmo que seja maior do que o modulo de seção requerido. A planilha também apresenta o calculo deste módulo de seção mínimo de acordo com as características da embarcação. A representação é apresentada a seguir.
Seção Mestra
Com os escantilhões mínimos definidos, a compartimentação pronta e os módulos de seção calculados podem-se fazer uma das partes mais importantes do projeto de uma embarcação, o projeto da seção mestra. O projeto da seção mestra consiste em desenhar e dimensionar os elementos estruturais que compõe a seção estrutural do navio a meia nau. Esta seção mestra é a seção que se repete ao longo do corpo paralelo possui os elementos estruturais principais do casco de uma embarcação.
Como o corpo paralelo é a região do navio mais solicitada estruturalmente a seção os elementos que compõe o casco nesta região de vem respeitar os escantilhões mínimos definidos pela regra, assim como a seção mestra que deve apresentar módulo de seção superior ao mínimo e requerido modulo de seção calculado pela regra.
A partir dos escantilhões definidos com base na regra, criou-se na planilha citada uma sob planilha com base no planilhão da matéria Reestrut 1 e a partir daí os elementos dimensionados foram inseridos e assim o módulo de seção disponível foi calculado e posteriormente comparado com os valores obtidos pela Regra.
Com os resultados obtidos foi possível verificar um módulo de seção acima do mínimo requerido o que satisfaz a resistência estrutural da embarcação. È importante ressaltar que a embarcação possui dimensões grandes o que necessita o uso de perfis primários fabricados, além do que as espessuras de chapas escolhidas foram baseadas em chapas disponíveis comercialmente. Assim, foi definida a Topologia estrutural da seção mestra da embarcação.
Topologia Estrutural
EQUIPAMENTOS
Equipamentos de geração de energia térmica
Introdução
O balanço térmico é a análise e cálculo da demanda e oferta de calor utilizado em alguns sistemas que fazem parte do navio. As principais condições onde será calculado o consumo de vapor são: condição de operação normal no mar (verão e inverno), navio no porto (inverno), Carga/Descarga (inverno) e partida (inverno). E a demanda de energia térmica depende principalmente dos seguintes fatores: Tipo do navio, Condição operacional e Condições ambientais.
O tipo de navio tem grande importância, pois, por exemplo, o navio da qual o sistema está sendo projetado transporta petróleo, que é uma carga que deve estar continuamente aquecida, o que representa uma demanda maior de calor. Já um navio graneleiro não possui tal necessidade por isso apresenta uma demanda menor de calor.
As condições operacionais e ambientais também devem ser cuidadosamente avaliadas, operações durante o inverno ou verão, atuando em regiões polares ou tropicais, por exemplo, são fatores que devem ser tratados com relevância.
Desta forma o trabalho visa calcular a demanda geral de vapor no navio de maneira a possibilitar a seleção dos fornecedores de calor, no caso geradores de vapor: caldeiras auxiliares em conjunto com a caldeira de recuperação.
Volume dos Tanques
A definição dos volumes neste trabalho consiste em dimensionar o volume dos tanques existentes na embarcação. Os tanques tratados aqui são destinados ao armazenamento de consumíveis como água, óleos combustíveis ou lubrificantes, e também de tanques destinados ao transporte de carga, neste caso petróleo. Para a estimativa dos volumes de tanques se utilizou uma planilha Excel fornecida pelo Professor Luiz Vaz em aula que foi elaborada pelo aluno Hilton Cunha, porém os volumes de alguns tanques considerados relevantes foram comparados com outras formas de estimativa disponíveis.
Os cálculos e formulações podem ser visualizados no arquivo Volumes. Todos os valores fornecidos tanto pela planilha como os do catálogo do fabricante foram arredondados para valores superiores com acréscimo de até 5 m3. No arquivo Capacidades 2 segue a tabela de capacidade dos tanques de consumíveis e a parte do catálogo do fabricante referente aos volumes recomendados.
Tanques de Carga
Além dos tanques destinados aos consumíveis existe o volume dos tanques destinados ao transporte de petróleo, que devido a necessidade de serem mantidos a alta temperatura, possuem uma demanda muito grande de calor. Assim faz parte deste trabalho também dimensionar a demanda de calor levando em consideração os tanques de petróleo no caso da viagem com este tipo de carga já que a embarcação também transporta minério.
. O valor total do volume de petróleo transportado considerado foi de 229.115,5m3
Posicionamento na praça de máquinas
Com todos os volumes definidos o passo seguinte foi posicionar todos os tanques na embarcação. Os tanques de óleos combustíveis e lubrificantes fora todos posicionados na praça de maquinas já que é o local onde são consumidos, já os tanques de água foram posicionados na popa da embarcação na região acima da máquina do leme onde são comumente alojados.
O arranjo de todos os tanques foi feito no programa AUTOCAD e a compartimentação dos tanques com volumes maiores onde houve uma maior preocupação em atingir o volume total especificado utilizou-se o programa MaxSurf. A seguir são apresentados as vistas do arranjo de tanques.
Figura 14 - Arranjo da Praça de Máquinas
Figura 15 - Vista superior da Praça de Máquinas
Especificação de Purificadoras
Os purificadores são utilizados para remover partículas sólidas e água do óleo pesado, diesel e lubrificantes. Em geral são instaladas duas purificadoras atendendo ao óleo pesado, uma para o óleo diesel e uma para o óleo lubrificante, quantidade que será usada para esta embarcação além de uma purificadora reserva para óleo pesado. Os cálculos e formulações podem ser visualizados no arquivo Purificadoras.
Consumo de vapor de aquecedores
Todas as purificadoras devem possuir aquecedores do fluido que trabalham, seja óleo pesado, óleo diesel ou lubrificante. Além disso, neste trabalho também será dimensionado o pré-aquecedor de óleo pesado para consumo do motor. O cálculo do consumo de vapor é apresentado no arquivo Consumo vapor.
Planilha de balanço térmico
Como parte integrante da planilha fornecida pelo professor a planilha de balanço térmico é a união de todos os consumidores de calor citados até aqui e tem como dados de entrada todas as quantidades de vapor consumidas por cada equipamento. Com os consumos de vapores totais a planilha separa em quatro condições: condição de operação normal no mar (verão e inverno), navio no porto (inverno), Carga/Descarga (inverno) e partida (inverno). Considerando a condição de maior consumo se pode dimensionar os fornecedores de vapor garantindo satisfazer as outras condições.
Os primeiros consumidores da planilha são os tanques de óleo pesado, diesel, lubrificantes (poceto também) e borra. A própria planilha calcula o consumo de vapor de cada tanque, mas para isso foi necessário especificar as condições de cada um. Por exemplo, fornecer as áreas do limite do tanque, as propriedades de contato com regiões vizinhas e as temperaturas mantidas no interior do tanque.
Todas as temperaturas das regiões citadas foram obtidas através da apostila do curso, assim como as temperaturas iniciais e finais dos fluídos armazenados e também os coeficientes globais de transmissão de calor.
O último dos tanques foi o conjunto de tanques de carga, já que o petróleo possui necessidade de ser aquecido constantemente. Esta é a parte mais importante do balanço térmico deste navio, já que a maior demanda de calor vem do aquecimento dos tanques de carga que apresenta um volume muito grande. Para a estimativa de vapor procedeu-se da mesma forma que para os outros tanques, porém estimou-se o consumo de vapor de três regiões/ 4 tipos de tanques. Foi considerado um tanque a ré, um intermediário e um a vante, e depois se extrapolou para o volume total transportado já que a posição dos tanques restantes é igual aos dos tanques calculados onde a demanda de calor já foi calculada.
O restante dos consumidores são todos os outros itens já citados e calculados. E assim com a planilha de balanço térmico, se obteve o consumo (demanda) total de vapor do navio. A planilha de balanço térmico completa pode ser visualizada em Balanço térmico.
Seleção dos geradores de vapor: Caldeira de vapor e auxiliares
Com o cálculo do consumo de vapor feito o próximo passo é definir a condição mais critica, ou seja, de maior consumo de vapor, para o dimensionamento e escolha dos equipamentos para suprir tal demanda de calor.
Analisando a tabela acima se concluiu obviamente que o maior consumo ocorre na condição de viagem normal na estação climática de Inverno com demanda de 99.974,0 Kg/h.
Para suprir o consumo de vapor existem duas formas básicas:
- Uso de caldeira ou gerador a vapor e/ou;
- Uso de aquecedor de óleo térmico.
As vantagens do aquecedor de óleo térmico são maior eficiência (em torno de 76%) quando comparado com redes de vapor (com eficiência em torno de 60%) e um custo operacional menor uma vez que a água da caldeira exige tratamento contínuo. Por outro lado o aquecedor de óleo térmico tem como desvantagem o custo inicial com óleo térmico em comparação com redes de vapor.
Em vista disso a solução escolhida foi o uso de caldeiras de vapor, tal que devido a grande demanda de calor no navio apresentada uma grande economia de custo inicial se comparado ao sistema usando óleo térmico, já que a rede de aquecimento é muito grande. Além disso, como calculado no relatório 1, uma caldeira de recuperação utilizando os gases de exaustão é suficiente para suprir o consumo do navio não considerando os tanques de carga da qual serão escolhidos caldeiras auxiliares.
Demanda de Vapor total - 99974 Kg/h
Caldeira de recuperação
Capacidade de geração por caldeira de recuperação – 8155 Kg/h
Modelo escolhido: Aalborg AV- 4 / AQ-2
Quantidade – 1 (uma)
Geral - caldeira flamotubular para recuperação de calor de gases de exaustão de
motores diesel a óleo leve ou óleo combustível pesado
Capacidade – até 15 ton/h
Figura 16 - Caldeira de recuperação
Demanda de Vapor total restante - 91819 Kg/h
Caldeira Auxiliar
Modelo escolhido: Aalborg MISSIONTM OL (patent pending)
Quantidade – 2 (duas)
Geral - Caldeira flamotubular para queima de óleo e gás
Capacidade – até 55 ton/h
Figura 17: Caldeira auxiliar
Equipamentos de geração de energia elétrica
Introdução
O balanço elétrico trata da demanda ou oferta de energia elétrica utilizada nos sistemas que fazem parte do navio.
A demanda de energia elétrica depende das condições operacionais, dos grupos consumidores e do fator de simultaneidade.
Neste trabalho os grupos consumidores serão: Praça de Máquinas (serviço continuo, intermitentes e diversos), Ar condicionado, Ventilação, Aquecimento, Máquinas de convés, iluminação, e outros.
Potência das Bombas
A etapa balanço elétrico ou relatório 3 começa com a estimativa da potencia das bombas utilizadas a bordo, sejam posicionadas na praça de máquinas ( Bombas de lastro, esgoto e serviços gerais) e também na praça de bombas ( bombas de carga).
As bombas de lastro têm como função tanto lastrar com deslastrar o navio, ao contrario das bombas de carga que tem como única função o bombeamento da carga (petróleo) para o terminal durante a operação de descarga.
Para estimar a potencia das bombas de lastro e esgoto foi utilizado a planilha fornecida pelo Professor Luiz Vaz que foi elaborada pelo aluno Daniel Ângelo. Os cálculos e formulações podem ser visualizados em Potência bombas.
Ventilação na Praça de Máquinas
Neste relatório também será calculado o consumo elétrico por parte do sistema de ventilação que atende a praça de máquinas. A ventilação é um item de grande importância para um navio, pois tem como objetivo diluição do ar no interior da praça de máquinas, suprir a demanda de ar para motores e caldeiras e dissipação de calor dos equipamentos. Os cálculos podem ser visualizados em Ventilação.
Planilha de balanço elétrico
Calculado o consumo elétrico dos principais equipamentos do navio se pode usar a planilha de balanço elétrico, calculando o consumo total de potencia nas condições especificadas. A planilha pode ser visualizada em Balanço elétrico.
Constatou-se o maior consumo na condição de carga e descarga, apresentando uma demanda de 1464,2 kW. E na condição essencial uma demanda de 538,7 kW.
Seleção dos motores auxiliares
A seleção dos motores auxiliares foi possível já que foi definida a demanda de potencia do navio.
Considerando que previamente foi definido o numero de 3 motores auxiliares, a potencia necessária para cada um deve ser em torno de 488,15 kW, suprindo a demanda total de 1464,4 kW. A marca do motor também teve como prioridade a mesma utilizada no motor de combustão principal.
Os motores auxiliares escolhidos foram: 1(um) motor MAN 5L23/30H trabalhando na freqüência de 60 Hz com potência máxima de geração 615 kW, e 2 (dois) motores MAN 5L16/24 trabalhando na freqüência de 60 Hz com potência máxima de geração 475 kW, totalizando uma potência de 1565 kW, atendendo com boa margem de segurança aos requisitos da embarcação.
Também foi selecionado o gerador de emergência. Quanto à demanda de potencia elétrica, considerou-se somente os elementos fundamentais de funcionamento, e a partir do consumo desse conjunto escolheu-se o gerador. Resultando em uma demanda de potência de 538,7 kW, em condição essencial escolheu-se 1 (um) gerador MAN 5L23/30H com potencia máxima de geração 615 kW a 60Hz.
Equipamentos de Casco
A memória técnica da seleção de equipamentos relacionados a: Fundeio, Escotilhas, Guindastes, escadas de Portaló, Salvatagem e Luzes de Navegação; podem ser visualizadas pelo arquivo Equipamentos.
LEME
O leme pode ser considerado uma das partes essenciais do navio já que é responsável pela manobrabilidade e manter o rumo da embarcação. Desta maneira se utilizou o paper “A practical approach to rudder design” de B. J. Lamb e S.B. Cook.
A classificação do navio é “Large cargo and passenger ships” com coeficiente de cálculo da área de leme variando em 1,4~2,1%. E o modelo do hélice escolhido foi o “Semi-Balanced on Horn” de seção com perfil N.A.C.A. 0018.
O primeiro passo é calcular a área do lateral projetada do navio pelo produto do comprimento de linha d água por calado (L . T) . E a partir dos coeficientes associados ao tipo de navio calcular a área do leme.
E assim foi feito um leme que tivesse área dentro do intervalo especificado.
Figura 18 - Leme projetado
A área do leme projetado foi de 143,14 m2.
Com o leme projetado se deve calcular o torque máximo suportado em seu eixo a fim de se dimensionar a máquina do leme. Para isso serão consideradas duas condições, indo para vante na velocidade de serviço (15 nós) e para ré na velocidade próxima a metade da velocidade de serviço (7 nós).
Deslocamento para Vante
Deslocamento para ré
Pode-se concluir que o maior valor de torque solicitado no eixo da madre do leme será na condição de deslocamento para ré , que chegou a um valor de torque igual a 3578,76 kN.m .
ARRANJO GERALO arranjo geral mostra como todos os elementos que compõe o objeto se
organizam. Assim é possível calcular o peso leve da embarcação a posição do centro de gravidade deste peso. O arranjo geral pode ser visualizado no arquivo Arranjo.
PESO LEVE
O cálculo do peso leve considera todo peso a bordo do navio que não entra no cálculo de porte bruto. É um peso que não se altera nunca no navio, pode ser dividido em peso de aço considerando casco e os reforços, peso de anteparas, máquinas e equipamentos.
Peso de aço longitudinal
O peso de aço longitudinal refere-se ao peso do casco junto com todos os reforços. Para calcular este peso foram usados dois métodos diferentes. Com os dois métodos se pode comparar os pesos e fazer uma boa estimativa do peso real.
1° Método
O primeiro método é proposto pelo Professor Peter Kaleff. A base deste método é que o peso do aço é composto pelo peso do chapeamento do navio, dos reforços longitudinais e transversais de chapeamento, das casarias e de superestruturas.
Considerando que o comprimento longitudinal é o comprimento dominante pode-se considerar a estrutura do navio como uma viga, chamada “viga-navio”. Tal viga está carregada com forças de peso e no sentido contrário forças de empuxo, as combinações dessas forças resultam num carregamento que causa esforços de flexão e cisalhamento na estrutura.
Assim o peso do navio foi estimado de forma que o navio apresentasse resistência suficiente em resposta aos esforços a ele submetidos.
Desta maneira é calculada uma espessura equivalente e com ela o peso é estimado, sendo isto feito por uma planilha elaborada também no planilhão, já que vários dados, como módulo de seção não precisaram ser estimados, pois já se tinha o valor real calculado.
2° Método
Uma outra maneira de calcular o peso leve em aço do casco foi o método proposto em sala pelo Professor Richard. Este é o método da espessura equivalente calculada através de um painel estrutural típico do navio. Para isso se calcula o volume de aço em que um painel contém dividindo este volume pela área de chapa do painel. Com há reforços no painel a espessura equivalente será maior do que a espessura somente do chapeamento.
Com a espessura equivalente se pode multiplicar por toda a área do casco e obter a estimativa de aço total do casco. Para este trabalho o painel considerado foi um anel em torno de todo o perímetro da seção mestra e com comprimento de um espaçamento de caverna gigante. Assim todos os reforços existentes na estrutura contribuíram no calculo da espessura equivalente, o que traz uma precisão para o método.
A seguir é colocada a planilha usada no cálculo do peso leve de aço por este método.
Como se pode observar pela análise dos resultados, os dois métodos calcularam pesos com valores próximos, apresentando uma diferença de 0,47%, o que valida a precisão deles.
Por critérios de segurança o valor adotado foi o maior entre eles, e o centro de gravidade adotado foi obtido através do centróide do casco, obtido pelo programa MAXSURF.
Peso de anteparas transversais
O peso de anteparas transversais também pode ser chamado de peso em aço, porém não longitudinal. Este peso se refere ao peso das anteparas de colisão de vante e ré, das anteparas dos porões de carga e praça de máquinas.
Para estimar seu valor foram obtidas a áreas transversais pelo programa MAXSURF na região onde as anteparas estão posicionadas, e foi calculada uma espessura equivalente considerando que as anteparas são também painéis com reforços no chapeamento. A partir daí foi somente calcular o volume de aço em cada antepara.
Peso de máquinas
Para o peso de máquinas foram considerados os equipamentos importantes a bordo e que foram dimensionados até aqui, como motores auxiliar-geradores de energia, motor principal, bombas de carga, caldeiras de recuperação e auxiliar e guindastes. As características dos motores selecionados foram obtidas através dos manuais do fabricante e foram descritas na planilha a seguir.
Peso de Outfitting
O peso de Outfitting refere aos equipamentos, tubulações e outros que são montados no convés exposto. Foi estimado através do Paper fornecido em aula na figura 9, e é dado por:
Seu centro de gravidade foi suposto 10% à ré da SM, pois a superestrutura está localizada à ré.
Peso de Superestrutura
A superestrutura tem uma contribuição significante no cálculo do peso leve, já que é uma edificação de grandes dimensões composta por chapa de aço. Para estimar seu peso foram calculadas as áreas dos chapeamentos externos da superestrutura mais as áreas dos conveses presentes nela.
A espessura do chapeamento da superestrutura geralmente fica em torno de 8 a 10 mm, para o calculo estimado do peso a espessura utilizada foi de 15 mm considerando os reforços que existem nos painéis da superestrutura. Chegando assim a um peso de 1700 toneladas e estimando seu centro de gravidade através do arranjo geral.
Com isso o peso leve foi concluído, e juntamente com as respectivas posições dos centros de gravidade foram inseridos no programa HIDROMAX para estudo de equilíbrio nas condições de carregamento. A planilha com todos os cálculos pode ser visualizada em Peso leve.
EQUILÍBRIO E ESTABILIDADE
Com o navio compartimentado, devem ser verificadas agora as condições em que o navio viaja. Para esse navio que carrega minério e petróleo, devem ser verificadas essas três condições de carregamento: navio carregado de minério, carregado de petróleo e na condição de navegação em lastro, cada uma das quais tanto para a partida, com 100% dos consumíveis, quanto para chegada, com 10% dos consumíveis. Deve-se verificar para cada condição a condição final de equilíbrio, verificando assim se o trim está dentro dos padrões, e se foram satisfeitos os critérios mínimos de estabilidade da IMO. Esses critérios são os critérios de estabilidade mínima estabelecidos pela IMO para todas as embarcações. São eles:
A área no gráfico GZ x θ de 0 a 30º não deve ser menor que 0,055 rad.m
A área nesse gráfico de 0 a 40º não deve ser menor que 0,090 rad.m
A área nesse gráfico de 30 a 40º não deve ser menor que 0,030 rad.m
O GZ máximo acima de 30º deve ser maior que 0,20 m
O ângulo de ocorrência do GZ máximo deve ser maior que 25º
O GMt inicial deve ser maior que 0,15 m
Condição 1 – Navio carregado com minério na partida
Condição 2 – Navio carregado com minério na chegada
Condição 3 – Navio carregado com petróleo na partida
Condição 4 – Navio carregado com petróleo na chegada
Condição 5 – Navio carregado com lastro na partida
Condição 6 – Navio carregado com lastro na chegada
Todas as condições de equilíbrio e estabilidade estão descritas e avaliadas no arquivo Equilíbrio e estabilidade.
Os arquivos de análise dos modelos de equilíbrio, estabilidade e avaria podem ser visualizados no formato Maxsurf ou em arquivos de texto (txt) para utilização em outros programas.
AVARIA
Pelos regulamentos 22 a 25 da MARPOL, a avaria deve ter as seguintes dimensões máximas:
Avaria Lateral
Extensão Lateral ------------------------------ (L2/3)/3 ou 14.5 m
Extensão Transversal ------------------------- B/5 ou 11.5 m
Extensão Vertical ------------------------------ Todo
Avaria de Fundo
De 0,3L à PV
Extensão Longitudinal------------------------ (L2/3)/3 ou 14.5 m
Extensão Transversal ------------------------- B/6 ou 10 m
Extensão Vertical ----------------------------- B/15 ou 6 m
Outra região qualquer
Extensão Longitudinal------------------------ (L2/3)/3 ou 5 m
Extensão Transversal ------------------------- B/6 ou 5 m
Extensão Vertical ----------------------------- B/15 ou 6 m
As condições de avaria devem ser as piores hipóteses possíveis com essas dimensões. A linha d´agua final deve ficar abaixo de qualquer ponto de alagamento. Ainda de acordo com os regulamentos, o ângulo de banda adquirido deve ser menor que 25º, podendo aumentar para 30º se o convés não imergir. A embarcação deve ter no mínimo 20º de faixa de estabilidade, com um braço de restauração maior ou igual a 0.1 m dentro dessa faixa.
Foram feitas cinco simulações de avaria, avaria de fundo e lateral à ré (pior hipótese) e à vante (pior hipótese) além de uma hipótese de avaria de fundo de 2 tanques centrais à meia nau. Cada uma desas simulações foram feitas nas três condições de navegação, ou seja, carregado com minério, petróleo e lastro, todas na partida.
Todas as hipóteses de avaria foram feitas através do método de flutuação perdida. Todos os alagamentos foram considerados instantâneos até o nível do mar e nos casos em que havia carga nos tanques avariados essa carga foi esvaziada antes de alagar o tanque.
Todas as memórias técnicas e resultados estão apresentados no arquivo Avaria.
BIBLIOGRAFIA
[1] Benford, H., "The Pratical Application of Economics to Merchant Ship Design". Marine Technology, Vol. 4, No. 1, 1967[2] Holtrop, J., Mennen, G. G. J., "An Aproximate Power Prediction Method". International Shipbuilding Progress, Vol. 29. July 1982[3] Watson, D. G. M., "Pratical Ship Design". Elsevier Ocean Engineereing Book Series, Vol. 1, 1998[4] Rodrigo/Leonardo, Fábio/Rogério e Osiel/Daniel. Projeto do Navio III, Relatório 1.[5] Vaz, L., Anotações em aula. Projeto de Sistemas de Máquinas.[6] Regras – American Bureau of Shipping (ABS)[7] Vaz, L., Anotações em aula. Projeto de Sistemas de Máquinas.[8] Norman 01[9] Solas[10] Marpol 73/78
