PNA - Exercícios · A 1° aplicação prática veio em 1836 por Ericsson nos U.S. ... que a tração total de todas as pás fica concentrada numa ... Turbina a Gás (Marine Gas Turbine):

11/06/2015

1

André Kouzmine

Módulo PNA Propulsão

André Kouzmine

PNA- Cap VI - Propulsion

Sections 1, 2, 4, 6, 7, 10

- Powering of Ships - Theory of Propeller Action - Interaction between Hull and Propeller - Geometry of the Screw Propeller - Cavitation

- Other propulsion devices (jet propulsion, paddle wheels, vertical-axis propellers, controllable-pitch propellers, tandem and contrarotating propellers, super-cavitating propellers and overlapping propellers)

2

11/06/2015

2

André Kouzmine 3

PNA- Powering of Ships

Qual o mais eficiente? Qual destes foi

inventado primeiro?

André Kouzmine


Um navio em movimento experimenta as resistencias da água e do ar. Para vencer essa reistência os primeiros barcos utilizaram remos, depois velas e finalmente e dispositivos mecânicos, como jatos, paddle-wheels e hélices de diferentes formas.

4

11/06/2015

3

André Kouzmine


O primeiro dispositivo de propulsão que utilizou a energia mecânica parece ter sido do tipo jato, usando um motor primário e uma bomba (1661). A água é sugada pela bomba e entregue na direção da popa como um jato de alta velocidade e a reação gera um impulso. Nas velocidades até agora alcançadas pelos navios, o jato é menos eficiente do que outras formas de propulsores, e seu uso tem sido restrito a tipos especiais de embarcações.

5

André Kouzmine


6

11/06/2015

4

André Kouzmine


Eram utilizados em rios e águas abrigadas e para transportes de passageiros. Existiram algumas linhas cruzando o atlântico, entre eles o famoso Cunarder Britannia em 1840.

7

Em 1801 apareceu o primeiro navio com pás laterias

(side-paddle) movido a vapor, o Charlotte Dundas.

André Kouzmine


8

American Ship Savannah

De 1801 até +-1850 foi o apogeu dos paddle steamers

11/06/2015

5

André Kouzmine


Os paddle-wheels laterais não eram ideais para navios de alto mar:

A imersão das rodas variava de acordo com o deslocamento do navio, e as rodas saiam da água quando o navio balançava (roll) , influenciando na manutenção da derrota (course-keeping).

Eles eram muito lentos e envolviam o uso de motores grandes e pesados.

9

André Kouzmine


Devido à baixa taxa de giro eram razoavelmente eficientes como um dispositivo de propulsão, mas suas outras deficiências operacionais asseguraram o seu declínio rápido de popularidade, uma vez que o hélice (screw propeller) foi provado ser uma alternativa aceitável.

O calado não mudava muito e restrições de calado devido às águas rasas onde operavam proibiam o uso de grandes hélices.

10

11/06/2015

6

André Kouzmine


As pás laterais tinham boas características de manobra mas que podem ser obtidas por outros dispositivos de propulsão sem os inconvenientes das pá laterais.

Foram equipadas nas popas de muitos navios, como nos barcos do rio Mississippi e ainda estão em uso principalmente no transporte de passageiros.

11

André Kouzmine


12

11/06/2015

7

André Kouzmine

PNA- Powering of Ships A primeira proposta de uso do hélice parece ter ocorrido na England por Hooke in 1680.

Primeiro uso real é atribuído ao Cel. Stevens em um barco a vapor em NY in 1804.

Em 1828 um navio de 18 m (60 ft), projetado por Ressel em Trieste, usou o hélice com sucesso alcançando 6 Kts, (mas este sucesso não foi seguido pelos engenheiros).

A 1° aplicação prática veio em 1836 por Ericsson nos U.S. e Pettit Smith na Inglaterra.

13

André Kouzmine


14

Smith's original 1836 patent for a screw propeller of two full turns. He would later revise the patent, reducing the length to one turn.

SS Archimedes – Primeiro navio (seagoing) a vapor a utilizar um hélice.

11/06/2015

8

André Kouzmine

PNA- Powering of Ships O hélice tem muitas vantagens sobre a paddle-wheels:

•Não é substancialmente afetados por mudanças normais no calado.

•É bem protegido contra danos por mares ou colisão.

•Não aumenta a largura total do navio.

•Pode girar mais rápido que as pás e ainda manter tão bom ou melhor desempenho, permitindo o emprego de motores mais rápidos menores e mais leves.

15

André Kouzmine


O hélice rapidamente substituiu a roda de pás em todos os navios oceânicos, o primeiro navio com hélice a fazer a travessia do Atlântico foi Great Britain em 1845.

16

11/06/2015

9

André Kouzmine


O hélice se mostrou extremamente adaptável à incessante necessidade de maior impulso em condições cada vez mais severas.

Enquanto outros dispositivos tem sido adotados para tipos particulares de navios e serviços, o hélice ainda não tem rivais no campo da propulsão .

17

André Kouzmine

PNA- Powering of Ships Em propulsores muito carregados, como nos rebocadores, a utilização de shroud ring or nozzles, o bollard pull (força de tração) aumentou em 40%, para uma dada RPM, quando comparado com um open propeller. Isto para baixas velocidades, pois conforme se aumenta a velocidade o arrasto do nozzle causa perda de velocidade.

Para emprego em alta velocidade, em outros tipos navios, pode-se usar noozzles mais finos, com alguma perda de impulso em baixa velocidade.

18

11/06/2015

10

André Kouzmine


19

André Kouzmine


Tais arranjos (shroud ring or nozzles) em associação com certas formas de popa tem fornecido uma boa eficiência propulsiva. Boa manobrabilidade pode ser obtida com o arranjo de nozzles direcionais, atuando como um leme eficiente no controle da direção da descarga do hélice.

20

11/06/2015

11

André Kouzmine


Em um navio de guerra(USS Alarm) que possuía um canhão fixo na proa era necessário girar o navio na direção desejada do tiro, foi então utilizado o "Feathering Paddle Wheel". Era instalado bem submerso na popa era excelente para manobrar e para manter o navio parado numa posição, mas a eficiência propulsiva era pequena.

21

André Kouzmine

PNA- Powering of Ships A versão moderna (Voith Schneider) consiste de um disco grande com pás verticais lembrando um "spade rudders". Na medida em que o disco gira, cada pá gira em seu próprio eixo vertical, ajustando-se ao fluxo de forma que a tração total de todas as pás fica concentrada numa só direção. A direção da tração é controlada pela variação do movimento das pás. Torna a embarcação muito manobrável. A eficiência não é tão alta como a dos propulsores convencionais, e o seu custo de manutenção é alto. Muito utilizado em rebocadores.

22

11/06/2015

12

André Kouzmine


23

André Kouzmine


1.2 Types of Ship Machinery

24

11/06/2015

13

André Kouzmine


Ao selecionar a máquina propulsora para um determinado navio, muitos fatores devem ser levados em consideração, tais como:

• peso

• espaço ocupado

• custo inicial

• confiabilidade

• tempo de vida

25

• flexibilidade e facilidade de operação

• custo de manutenção

• consumo

•adequação ao tipo de hélice a ser usado.

André Kouzmine

PNA- Powering of Ships Máquina a Vapor Alternada (Steam Reciprocating Engine):

•Domínio no campo da propulsão até 1910;

•Boa controlabilidade em todas as cargas, e é facilmente revertida;

•A faixa mais eficiente de RPM coincide com a do hélice;

•A planta é muito pesada e ocupa muito espaço;

•A saída de potência por cilindro é limitada (usavam 2,3 ou 4 cilindros); e

•O consumo de combustível é muito alto.

Foram quase totalmente substituídas pela turbina a vapor nas faixas altas e intermediárias de força, e pelo motor diesel em faixas intermediárias e baixas.

26

11/06/2015

14

André Kouzmine


27

Propulsão a vapor

André Kouzmine


Turbina a Vapor (Steam Turbine or Marine Turbine):

-Vantagens: Esforço de giro uniforme, apropriada para grandes unidades de força. Boa eficiência térmica e o consumo de grandes turbinas é baixo.

-Quando sobre carregadas entregam potência mais ou menos constante para uma dada setagem de máquina.

28

11/06/2015

15

André Kouzmine


Desvantagens:

- não é reversível, logo precisa de uma turbina reversora;

- a sua RPM de máx eficiência é muito maior que a dos propulsores logo precisa de engrenagens de redução que pode ser por:

-Redução do RPM

-Eletricamente

29

André Kouzmine


-Redução do RPM através de engrenagens mecânicas:

Permite operar a máquina e do propulsor nas suas velocidades mais econômicas com uma perda de potência de apenas 2 a 4% .É necessário ter uma stern turbine (mais complexidade,custo e perda de potência).

30

11/06/2015

16

André Kouzmine


- Redução Elétrica: turbina acoplada a um gerador de alta RPM, que aciona um motor elétrico de baixa rotação associado ao propulsor. Não há eixos entre a turbina e o propulsor logo há uma maior flexibilidade de projeto.

31

André Kouzmine


32

11/06/2015

17

André Kouzmine


Em navios de dois hélices com dois conjuntos de "turboalternators", pode-se alimentar os 2 motores com uma turbina (reduzindo a força pela metade quando em cruzeiro), obtendo assim uma economia considerável. O turboeletric drive elimina a necessidade de turbina reversora, fornece grande flexibilidade e rapidez nas manobras e previne o disparo do hélice. Os ganhos são grandes, porém o custo inicial é alto e há grandes perdas de transmissão.

33

André Kouzmine


Propulsão a Diesel (Diesel Reciprocating Engines) :

• São diretamente reversíveis, ocupam menor espaço, e possuem consumo muito baixo de combustível. São usadas em grandes unidades diretamente acopladas ao eixo ou em conjunto de pequenas unidades girando o hélice através de transmissão elétrica ou mecânica.

• Usualmente mais pesadas e com maior custo inicial e de manutenção do que os propulsores a vapor de mesmo tamanho.

34

11/06/2015

18

André Kouzmine


O torque produzido por um motor a diesel é limitado pela máxima pressão que ele pode desenvolver em cada cilindro. Assim, quando o motor está produzindo máximo torque, ele produz máxima potência somente à máxima RPM. Consequentemente, um motor a diesel produz potência de forma proporcional à sua RPM para qualquer setagem de máquinas.

35

André Kouzmine


Esta limitação leva ao problema de combinar um motor diesel e um propulsor. A resistência aumenta com o tempo devido a incrustações e o impulso do hélice diminui pela mesma razão. Em consequência, a carga sobre o motor primário irá aumentar para manter a mesma velocidade. Isso requer que o projetista selecione os elementos adequados dos propulsores (como pitch) para que mais tarde, na vida útil da embarcação, o motor não fique sobrecarregado ou que nunca produza sua capacidade total.

36

11/06/2015

19

André Kouzmine


37

André Kouzmine


Turbina a Gás (Marine Gas Turbine): o combustível é queimado com ar comprimido, resultando em gases quentes passando pela turbina (turbinas de avião).

- Muito usadas em Navios de Guerra.

- Podem ser utilizadas em conjunto com motores diesel, turbinas a vapor ou turbinas a gás menores, e só entram na linha, quando se precisa de muita força.

38

11/06/2015

20

André Kouzmine


Vantagens:

• dispensa caldeiras;

• é leve;

• Desenvolve um esforço de giro uniforme;

• pode ser rapidamente levada à um carregamento máximo (+-15 min) sem aquecimento demorado.

Desvantagem: Alto consumo de combustível.

39

André Kouzmine


Reator Nuclear

Usado principalmente por navios de guerra e quebra-gelos. Menor peso e volume do combustível porém o peso do reator e da blindagem é muito grande. Pode operar com carga máxima enquanto durar a vida útil do combustível.

40

11/06/2015

21

André Kouzmine

PNA- Powering of Ships 1.3 Definition of Power

41

André Kouzmine


Definição de Força: Não é possível uma avaliação única da potência dos vários tipos de motores marítimos:

•Motores a vapor são medidos em termos de indicated power: PI

•Motores de combustão interna como diesel em PI ou brake power: PB

•Motores a turbina como shaft power: PS.

42

11/06/2015

22

André Kouzmine


Indicated Power (Vapor)- mede a pressão do vapor ou gás em cada cilindro através de um instrumento. A potência total se dá pela soma das medições de todos os cilindros.

Brake Power (Diesel)- é a potência medida no crank-shaft coupling (virabrequim), através de um freio mecânico, hidráulico ou elétrico.

43

André Kouzmine


Shaft Power (Turbina)- é a força transmitida através do eixo para o propulsor. Medida por um torsiometro o mais próximo possível do propulsor. Mede o ângulo de torção entre duas seções do eixo, o qual, é diretamente proporcional ao torque transmitido. Há uma perda de força nos mancais e no tunel do eixo entre a posição do torsiometro e o propulsor. A potência entregue ao propulsor é menor do que a medida pelo torsiometro e é representada por PD (delivered power).

44

11/06/2015

23

André Kouzmine 45

André Kouzmine


As the propeller advances through the water at a speed of advance VA it delivers a thrust T, and the thrust power is

PT= T VA

Finally, the effective power is

PE=R V

46

11/06/2015

24

André Kouzmine


1.4 Propulsive Efficiency.

47

André Kouzmine 48

11/06/2015

25

André Kouzmine


Propulsive Efficiency: Eficiência é geralmente definida como a razão entre o trabalho útil ou força obtida sobre a força despendida.

No caso de um navio a potência útil obtida é aquela necessária para superar a resistência do movimento a certa velocidade => PE=R.V

49

André Kouzmine


Em um navio a diesel, ela pode ser medida pela força desenvolvida em cada cilindro PI .

A eficiência propulsiva total neste caso será:

PE/PI

No caso de um navio a turbina será:

PE/PS

50

11/06/2015

26

André Kouzmine


Como a eficiência mecânica, perda nas engrenagens e eixos variam de navio para navio, de acordo com o tipo de motor e layout, e até mesmo com a condição de carga do motor em um instante particular, é difícil definir a eficiência hidrodinâmica de uma combinação de casco-propulsor em termos de eficiência propulsiva total.

51

André Kouzmine


Uma medida muito mais significativa de eficiência propulsiva é a razão entre potência útil obtida e a potência entregue ao propulsor e conhecida como Quase-propulsive coefficient:

52

11/06/2015

27

André Kouzmine


Shaft Power - é a força entregue para o eixo pelo motor atrás das engrenagens e do bloco.

A diferença entre PS e PD representa a perda de força pela fricção nos mancais e tubo do eixo.

A razão PD/PS é chamada de shaft transmission efficiency.

53

André Kouzmine


A eficiência propulsiva é definida como:

Propulsive efficiency = quasi-propulsive coefficient

x shaft transmission efficiency ou

54

11/06/2015

28

André Kouzmine


A perda de transmissão no eixo é cerca de 2 % para navios com a máquina a ré, e 3 % para os que têm a máquina a meia nau.

Quando a força é medida pelo torsiometro, o resultado dependerá da sua localização ao longo do eixo e deverá ser tão próximo quanto possível do stern tube para se aproximar ao máximo da força entregue ao propulsor. Assume-se normalmente que Ns= 1.0 Ns= PD/PS logo PD=PS

55

André Kouzmine

PNA- Theory of Propeller Action

Seção 2- Theory of Propeller Action

56

11/06/2015

29

André Kouzmine

2.1 Momentum Principle (Qtd movimento).

Propulsores geram impulso pela aceleração do fluido, que está de acordo com as leis de Newton, onde uma força é necessária para alterar estado de movimento um corpo (magnitude e direção), e que a ação de dois corpos um sobre o outro é igual e oposta.

57


André Kouzmine

m.v é chamado de Quantidade de Movimento

O Impulso de uma Força em um intervalo de tempo é igual mudança na quantidade de movimento prozuzida por esta Força no intervalo.

Quando F é constante no intervalo de 1s:

58


11/06/2015

30

André Kouzmine

2.2 General Discussion of Propeller Theories.

As primeiras teorias sobre a ação do hélice seguiram duas linhas independentes:

59


André Kouzmine

No primeiro caso, as teorias de quantidade de movimento (Momentum Theory), a produção de impulso foi explicada pela mudança na quantidade de movimento do fluido.

Eram baseados em princípios fundamentais corretos e levaram a importante conclusão de que a eficiência de um propulsor tem um limite máximo que varia com a carga do propulsor. Mas não davam a indicação da forma do propulsor. Ele era idealizado como um “actuator disk” que causa um aumento instantâneo na pressão no fluido que passa por ele.

60


11/06/2015

31

André Kouzmine


Na segunda linha, a teoria do elemento da pá (Blade- Element Theory), o impulso do hélice foi obtido através da análise das forças que atuam sobre as várias seções das pás e depois integradas ao longo do raio do hélice.

Ela foi capaz de prever os efeitos das mudanças da forma no propulsor, mas chegou ao resultado incorreto de que a eficiência (Pe/Pd) de um propulsor ideal é 1 (unity).

61

André Kouzmine


A diferença entre as duas teorias foi dissipada pela Teoria da Circulação, desenvolvida por Lanchester em pesquisas aerodinâmicas, e aplicadas ao problema do propulsor por Betz e Prandtl.

Ela mostrou a relação entre a mudança da quantidade de movimento no meio e as forças agindo no elemento da pá.

62

11/06/2015

32

André Kouzmine


2.3 The Momentum Theory of Propeller Action.

(Rankine, Greenhill e Froud)

Toda a produção de impulso é explicada pelas mudanças de quantidade de movimento que ocorrem no fluido.

O propulsor é concebido como um disco atuador, que causa um aumento instantâneo na pressão do fluido que passa por ele. O método pelo qual este aumento ocorre é ignorado.

63

André Kouzmine


Na Teoria da Quantidade de Movimento é assumido que:

•O propulsor fornece uma aceleração uniforme ao fluido, sendo que o impulso gerado é uniformemente distribuído sobre todo o disco.

•O fluido não tem atrito.

•Há um fluxo ilimitado de água no propulsor.(Fig.1)

64

11/06/2015

33

André Kouzmine


65

Fig 1 Changes in pressure and

velocity at propeller disk,

momentum theory

•Disco Propulsor área Ao

•Velocidade Fluido Va

•Va3>Va2>Va1

•Axial-Inflow factor a

Bernoulii – velocidade aumenta e

pressão diminui

p3=p1 < p2

a=b/2

André Kouzmine


A primeira suposição envolve uma contração da "race column" que passa pelo disco. Como tal contração não pode ocorrer repentinamente, a aceleração real deverá ocorrer fora do disco, espalhando-se a uma distância finita a vante e a ré.

66

O propulsor fornece uma aceleração uniforme ao fluido, sendo que o impulso

gerado é uniformemente distribuído sobre todo o disco.

11/06/2015

34

André Kouzmine


• Metade do aumento da velocidade do fluido atrás do disco é adquirida antes de chegar ao disco (a=b/2).

• Antes de chegar no disco pressão diminui (devido ao aumento da velocidade).

•Quando se chega ao disco (Seção 2) à pressão aumenta repentinamente, por um mecanismo não especificado, para valores maiores que a pressão inicial, depois a pressão diminui (para o mesmo valor da pressão inicial – Seção 3).

67

André Kouzmine


• Um propulsor com um CT (Coeficiente de Carga) maior é menos eficiente.

• Um propulsor com uma área de disco maior é, geralmente, mais eficiente.

68

11/06/2015

35

André Kouzmine


2.4 The Momentum Theory, including angular motion

Na teoria da Quantidade de Movimento Simples , o disco atuador foi assumido como sendo capaz de acelerar o fluido apenas na direção axial. Se agora assumirmos um disco propulsor capaz de acelerar o fluido tanto axialmente como em rotação, nós temos a forma idealizada do hélice. Para o movimento angular, existe uma teoria da quantidade de movimento similar a do movimento linear.

69

André Kouzmine

PNA- Theory of Propeller Action Ao inserir a rotação no disco o fluido possui uma velocidade V A a vante do disco, onde não há rotação. Como o disco gira o fluido que passa por ele irá adquirir parte dessa rotação.

Metade da velocidade angular é adquirida pelo fluido antes do disco. Consequentemente a velocidade angular do disco em relação à água será reduzida.

A eficiência de um hélice real é menor do que um “disco atuador”.

Rotational Inflow factor a’

70

11/06/2015

36

André Kouzmine


2.5 Blade Element Theory of Screw Propeller.

71

André Kouzmine


Nas teorias da Quantidade de Movimento momento o hélice foi considerado como um mecanismo para aumentar a quantidade de movimento do fluxo, mas nenhuma tentativa foi feita para explicar como isso foi feito. Na teoria o elemento da pá, o hélice é considerado como uma série de pás separadas, que por sua vez podem ser divididas em tiras sucessivas do bordo de ataque ao bordo de fuga.

72

11/06/2015

37

André Kouzmine


O hélice é considerado como uma série de pás separadas, que por sua vez podem ser divididas em tiras sucessivas do bordo de ataque ao bordo de fuga.

73

André Kouzmine


•Permitiu prever os efeitos das mudanças de forma no propulsor, mas chegou ao resultado incorreto de que a eficiência (Pe/Pd) de um propulsor ideal é 1 (unity).

•As forças atuantes em cada tira são avaliadas pela velocidade relativa da tira em relação à água e as características da forma da seção.

74

11/06/2015

38

André Kouzmine


As forças elementares (de cada pá) são decompostas nos elementos impulso (dT) para vante, e torque (dQ) no plano da rotação. Se plotarmos dT e dQ do boss ao tip (Fig 3), obtemos as curvas de tração e torque loading, que quando integradas fornecem a tração total T e o torque Q do propulsor como um todo.

75

André Kouzmine


76

11/06/2015

39

André Kouzmine


A força na seção da pá fixa em um ângulo de incidência com o fluxo pode ser dividida em duas componentes: lift L e drag D, respectivamente a normal e ao longo da linha do fluxo incidente.

O ângulo entre a face da seção (pitch face) e o fluxo incidente é o ângulo de incidência.

A eficiência da seção é medida pela razão L/D.

77

André Kouzmine


78

Fig 4 Forces on a blade section

11/06/2015

40

André Kouzmine


Resultado de testes com perfis:

a)O coeficiente de Lift, CL, para pequenos ângulos de incidência é uma função linear do ângulo ;

b)Para um valor alto de Ai, CL para de aumentar linearmente com o angulo;

79


André Kouzmine


c) O lift nulo não ocorre para Ai=0, mas a um pequeno ângulo negativo (exceto para perfis simétricos), chamado angle of zero lift, α0 (-2 Fig4).

80


11/06/2015

41

André Kouzmine


Podemos traçar uma zero lift line da origem passando acima a pitch face com um ângulo α0 tal que quando o fluxo incidente está sobre esta linha não há lift exercido sobre a seção normal ao fluxo;

81

André Kouzmine


Quando o ângulo de incidência e for um α qualquer,o hydrodinamic angle of incidence α1 será α1 = α0 + α, ou seja, a soma do ângulo de incidência com o angle of zero lift.

82

11/06/2015

42

André Kouzmine

PNA- Theory of Propeller Action d) O Drag coefficient, CD, se mantém pequeno e mais ou menos constante para pequenos Ai, mas quando o CL começa a cair, o CD aumenta rapidamente; e

e) L/D é máxima para pequenos Ai, e para estas seções trabalharem eficientemente, Ai deve ser pequeno.

83


André Kouzmine


A razão span (envergadura) / chord é conhecida com aspect ratio (AR). Se esta razão for infinita, o fluxo através de uma seção seria bidimensional, e a distribuição de lift pela span seria uniforme.

84

11/06/2015

43

André Kouzmine

PNA- Theory of Propeller Action Com uma span finita, uma certa quantidade de spilling (derramamento) ocorre nas pontas, e o lift vai a zero nesses pontos.

85

André Kouzmine


Na face da seção (pressure on face), a pressão é aumentada em relação à pressão do fluxo livre, sendo máxima no nose. No dorso, a pressão diminui e tem um pico marcante a alguma distância do nose. A Lift Force gerada nada mais é que o resultado da diferença de pressões nas duas faces, ficando claro pela Fig.6, que elas se reforçam mutuamente e que a redução de pressão no dorso (back) contribui mais para o lift do que o aumento de pressão na face.

86

11/06/2015

44

André Kouzmine


87

Fig 6 - Pressure distribution on

blade section

André Kouzmine


No caso mais simples, a face de uma pá de hélice é uma porção de uma superfície helicoidal verdadeira:

88

11/06/2015

45

André Kouzmine

PNA- Theory of Propeller Action Ou seja, uma superfície varrida por uma linha reta AB, A avançando com velocidade constante no eixo OO', enquanto a linha gira em torno de A com uma velocidade angular "w" constante. Quando a linha completa uma volta e se encontra em A'B', a distância que ela avançou (AA') é chamada de "face pitch" ou "geometrical pitch” P.

89

André Kouzmine


90

11/06/2015

46

André Kouzmine


Qualquer cilindro coaxial com OO' cortará a superfície helicoidal numa "helix", e o ângulo entre qualquer helix e a superfície normal ao eixo (SS da fig 7) é o "pitch angle“ Ф. O angulo Ф é constante para um dado helix (para um dado raio), mas aumenta da ponta ao hub.

91

André Kouzmine


Na prática, o pitch geométrico "P" não será o mesmo para todos os raios; é comum se ter um pitch reduzido próximo ao hub (menos usual nas pontas). Nesses casos, o pitch a 0,7.R é normalmente tomado como o "pitch médio representativo", pois esse é o ponto aproximado onde a máxima sustentação é gerada (Fig 3).

92

11/06/2015

47

André Kouzmine


93

Esta imagem mostra que

o Impulso e Torque são

desenvolvidos pela parte

mais externa da pá e os

valores máximos ocorrem

a aproximadamente 0.7R

André Kouzmine


94

A forma das pás e seções variam muito de acordo com o tipo de navio no qual o propulsor será empregado e das necesidades individuais de cada projeto. A Fig 8 mostra um projeto típico e define muitos termos de uso comum.

11/06/2015

48

André Kouzmine


95

Skew é a medida angular do centro da corda de cada seção à linha de referência. Essa linha se estende do centro do hub através do centro da corda da seção a r= 0.5d, o raio do hub.

André Kouzmine


96

Fig 9 Definition of pitch angle.

Considerando a seção de

uma pá a um raio "r", com um

pitch angle θ, um pitch

geométrico P, e a pá

trabalhando num meio sem

escorregamento (unyielding

medium). Em uma revolução, a

seção vai avançar de A para A'

( P). Desenrolando o cilindro de

raio "r" numa superfície plana,

o helix traçado por A se

desenvolverá em uma reta AM,

e tan θ = P / 2.π.r.

11/06/2015

49

André Kouzmine


97

Fig 10 - Definition of slip

Se o propulsor gira a "n"

rotações, ele avançará uma

distância P.n. Assim obtemos

o diagrama de velocidade

para a seção. Mas em fluido

real ocorrerá um certo

escorregamento quando o

propulsor estiver

desenvolvendo tração.

Então o propulsor não vai

avançar LM (P.n), e avançará

apenas LS.

André Kouzmine


98

Fig 10 - Definition of slip

MS é chamado de Slip, e a

razão MS/ML de Slip Ratio

(SR) e MAS de Slip Angle ou

Slip Angle Geométrico.

11/06/2015

50

André Kouzmine


99

Como num disco atuador, o trabalho

das pás e o desenvolvimento de

tração aceleram a água a vante do

propulsor, de forma que a "total axial

inflow velocity" numa dada seção da

pá é aumentada de VA para VA (1 +

a), e a "rotational inflow velocity" é

reduzida de 2.π.n.r para 2.π.n.r (1 -

a'). a e a’ resultam num decréscimo

do AOA da seção para um valor bem

inferior ao que seria obtido se eles

fossem ignorados - de AOC para

BOC.

André Kouzmine


O angulo de incidência (BOC) é sempre pequeno num propulsor eficiente, aproximadamente entre 3° e 6°, pois nesses ângulos L/D está próximo de seu valor máximo.

100

11/06/2015

51

André Kouzmine


Inicialmente a teoria do elemento da pá simplificada ignorava as velocidades induzidas. E os impulsos, torques e eficiências eram muito diferentes dos valores encontrados em propulsores reais. A comparação melhorou quando os efeitos da velocidade induzida foram introduzidas, mas ainda havia discrepâncias. Quando se passou a considerar a interferência mútua entre as pás e a redução da sustentação nas pontas das pás, os resultados melhoraram.

101

André Kouzmine


2.6 Circulation Theory of Screw Propeller

102

11/06/2015

52

André Kouzmine

http://www.aviation-history.com/theory/lift.htm

A geração de sustentação (lift) explicada através dos princípios de Bernoulli facilita o entendimento mas deixa algumas perguntas sem resposta:

- Por que o ar tem que acelerar para percorrer um caminho maior. - Como seria possível um vôo invertido se considerarmos que o que gera sustentação é a forma do perfil.

A Teoria da Circulação se baseia nas Leis de Newton para explicar como é gerada a sustentação sobre um aerofólio.

A Asa é vista como um bomba jogando ar para baixo (donwash) e a reação é gerar o lift. Este fluxo de ar para baixo pode ser visto na foto a seguir.

103


André Kouzmine

A asa é vista como um “bomba” jogando ar para baixo

(downwash) e a reação é o lift. Este fluxo de ar para baixo pode ser visto na foto a seguir.

104




11/06/2015

53

André Kouzmine

Na verdade o fluxo ao redor de uma asa, de acordo com a teoria da circulação, ocorre da seguinte maneira: devido ao AoA e da viscosidade o fluxo se divide e a parte de cima acompanha a curvatura do perfil. Ao deixar a asa ele toma um movimento para baixo sugando ar das áreas ao redor e dando origem a uma circulação como apresentada na figura.

105


André Kouzmine

Na verdade o fluxo ao redor de uma asa, de acordo com a teoria da circulação, ocorre da seguinte maneira: devido ao AoA e da viscosidade o fluxo se divide e a parte de cima acompanha a curvatura do perfil. Ao deixar a asa ele toma um movimento para baixo sugando ar das áreas ao redor e dando origem a uma circulação como apresentada na figura.

106




11/06/2015

54

André Kouzmine

Na descrição matemática do lift esta circulação do ar ao redor de uma asa dá origem ao "bound vortex" or "circulation" model.

O AoA tem um papel mais importante na sustentação do que a forma do perfil.

107


André Kouzmine


Os métodos teóricos modernos de design do propulsor são baseados na Vortex Theory. A Teoria da circulação mostrou a relação entre as mudanças na quantidade de movimento no meio (momentum theory) e as forças agindo nas pás e baseou-se na vortex theory apresentada por Lanchester.

108

Fig 13 Vortex of airplane wing

with constant circulation

11/06/2015

55

André Kouzmine


109

Considerando o fluxo ao lado r.v = c = constant.

E o fluxo limitado por um determinado raio.

Quando r for muito pequeno temos o que é conhecido com vortex tube ou filament, como os encontrados na natureza.

André Kouzmine


Cada vortex filament em um fluido ideal é permanentemente composto das mesmas partículas do fluido e não pode terminar abruptamente no interior do fluido, mas deve retornar para ele mesmo ou terminar na fronteira da região do fluido.

110

11/06/2015

56

André Kouzmine


Efeito Magnus: Colocando o cilindro num escoamento uniforme de um fluido ideal, as streamlines serão simétricas, e não será exercida nenhuma força no cilindro.

111

André Kouzmine

PNA- Theory of Propeller Action Se sobrepusermos uma circulação no cilindro, o escoamento será assimétrico e teremos uma sustentação (lift) L no cilindro devido a diferença de pressão entre dois lados do cilindro. Assim o lift atuará no cilindro perpendicularmente ao escoamento. A produção de força em um cilindro girando sobre seu eixo no fluxo é o Efeito Magnus.

112

11/06/2015

57

André Kouzmine


Um exemplo de navio que utiliza o Efeito Magnus como propulsão é o Flattner Rotor Ship.

113

André Kouzmine


114

11/06/2015

58

André Kouzmine


A Força L agindo sobre o cilindro em um fluxo uniforme com circulação pode ser expressa pela seguinte equação (Equação de Kutta-Joukowski):

Ela se aplica a todos os corpos independente de sua forma, e o fator de forma está contido no fator

de circulação г .

115

André Kouzmine

Com a ajuda da equação de de Kutta-Joukowski a discussão matemática da ação do propulsor é bastante simplificada, porque não temos a considerar a forma das pás da hélice, a não ser no final do projeto, entretanto elas são consideradas apenas como filamentos de vórtice (vortex) ou linhas de sustentação dotadas de circulação.

116


11/06/2015

59

André Kouzmine

Estas linhas de sustentação são consideradas como tendo comprimentos finitos, correspondentes aos comprimentos das lâminas, não se encerrando abruptamente nas pontas, mas tendo continuações chamadas de vórtices de ponta (tip vortex), nas extremidades livres e aparecem nas pontas das asas do avião e nas pontas e root das pás da hélice, como é facilmente demonstrado em túnel de vento ou experimentos em túnel de água.

117


André Kouzmine 118


11/06/2015

60

André Kouzmine

O lift produzido por uma asa de avião ou uma pá de hélice é o resultado de um aumento da pressão na face e diminuição no dorso. Uma vez que o fluido segue o gradiente de pressão, ele tende a espalhar pelas extremidades livres da face para a parte de trás, criando poderosos vórtices downstream, cujos eixos são praticamente em ângulo reto com o eixo da pá ou asa, e que formam o limites da camada de fluido que tenha estado em contato com a lâmina.

119


André Kouzmine


120

Na figuras abaixo temos o exemplo de duas asas de avião, uma com circulação

constante e outra com circulação variável: na figura da esquerda o bound vortex é

assumido como constante ao longo de todo o comprimento . Em AA temos o bound

vortex e AB são os free tip vortices:

Na verdade a sustentação na asa é máxima no meio do comprimento e decresce a

zero nas extremidades e a circulação ao redor da asa deve variar da mesma

maneira.

11/06/2015

61

André Kouzmine


121

André Kouzmine


122

11/06/2015

62

André Kouzmine


123

André Kouzmine

Assumindo que a circulação varia ao longo do bound vortex AA, como mostrado pela pela curva г= f(x), vemos que a circulação é uma linha integral onde os free vortices surgem não somente nas


124

extremidades mas ao longo

do bordo de ataque ataque

AA, formando uma vortex

sheet. г é a força de cada vortex e x é a distância do

centro da asa

11/06/2015

63

André Kouzmine


Todos os vórtices assumem uma velocidade descendente (downwash) assim como toda a sheet.

Prandtl mostrou que a velocidade descendente é constante ao longo da sheet quando f(x) for uma elipse.

125

André Kouzmine


Ao longo da vortex sheet, de AA até muito a ré, a velocidade induzida descendente não é constante e varia de u a uma grande distância de AA até u/2 em AA.

126

11/06/2015

64

André Kouzmine 127

André Kouzmine


Conclusões semelhantes ocorrem em uma pá de hélice. A folha de vórtice, neste caso, é a camada de fluido helicoidal saindo por trás da pá, e a velocidade induzida, que é normal à camada helicoidal e por isso tende a empurrar a folha para trás ao longo do eixo da hélice e rotacioná-la em torno deste eixo, é idêntica com a definição de slip velocity. A velocidade induzida na posição do bound vortex, ou seja, no disco do hélice, é metade da velocidade a uma grande distância atrás da hélice (como na teoria da quantidade de movimento).

128

11/06/2015

65

André Kouzmine

PNA- Theory of Propeller Action Betz desenvolveu um teorema onde uma pá de hélice terá as menores perdas de energia resultantes das velocidades induzidas quando a folha de vórtice helicoidal é empurrada para ré ao longo do eixo e rotacionada em torno deste eixo, como se fosse uma folha rígida. Este teorema fornece uma regra onde para obter a máxima eficiência do hélice, as lâminas devem ser concebidas de modo que a velocidade do fluxo seja a mesma em todos os elementos da lâmina. A aplicação da teoria da circulação ao projeto do hélice permite que vários aperfeiçoamentos sejam feitos na teoria do elemento da pá. Ele permite que a velocidade induzida seja calculada, assim como o axial e radial inflow factors (a e a').

129

André Kouzmine

PNA- Interaction hull x propeller

Seção 4- Interaction between hull and propeller

130

11/06/2015

66

André Kouzmine

O capitulo anterior estudava o propulsor trabalhando em open water avançando em uma água sem distúrbios. Atrás do casco do modelo ou navio as condições são bem diferentes. Temos que considerar que o casco arrasta água com ele, na forma de esteira (wake) e a água na popa adquire um movimento para vante. Desta forma o propulsor não estará avançando na mesma velocidade do navio, mas a uma velocidade menor Va , chamada de velocidade de avanço.

131


André Kouzmine


O propulsor acelera a água a vante dele, diminuindo a pressão na popa e aumentando a velocidade, efeitos que aumentam a resistência do navio quando comparado com a resistência de um casco rebocado.

Como atrás do casco o fluxo não é uniforme as relações entre impulso, torque e RPM são diferentes e consequentemente a eficiência de um propulsor em open water e atrás do casco será diferente.

132

11/06/2015

67

André Kouzmine

4.2 Wake A velocidade da esteira Vw é a diferença entre V(velocidade do navio) e Va(velocidade de avanço do propulsor) Vw=V-Va.

Froude expressou a VW como uma fração da Va chamou-a de "wake fraction“ ((1 + wF) = Froude's Wake Factor):

133


André Kouzmine

Taylor introduziu uma definição diferente de fração da esteira, expressando a velocidade de esteira como uma fração da velocidade do navio, de modo que:

A de Taylor é mais recomendada, pois uma esteira de 50 % significa que a velocidade da esteira é 50 % da velocidade do navio.

134


11/06/2015

68

André Kouzmine

A esteira ocorre devido à 3 causas principais:

a) Arrasto friccional do casco, que causa uma corrente para vante (following current) que aumenta em velocidade e volume em direção à popa, e produz uma esteira com considerável velocidade para vante em relação a água ao redor.

135


André Kouzmine

b) O streamline flow passando no casco causa um aumento de pressão em volta da popa, onde onde as linhas de corrente se fecham. Isso significa que nessa região a velocidade relativa da água passando pelo casco será menor que a velocidade do navio, e irá aparecer como uma esteira para vante aumentando a esteira criada pela fricção.

136


11/06/2015

69

André Kouzmine

c) No padrão de ondas do navio formado na superfície, as partículas de água das cristas tem uma velocidade para vante (foward), devido ao movimento orbital, enquanto as partículas de água dos cavados terão uma velocidade orbital para ré (sternward). Essa veloc orbital gera uma componente da esteira que poderá ser negativa ou positiva, dependendo se nas próximidades do propulsor houver um cavado ou uma crista.

137


André Kouzmine 138


11/06/2015

70

André Kouzmine

A esteira é formada por estes 3 componentes e na maioria das vezes é positiva, com exceção das embarcações de velocidades muito altas como Destroyers e a motor de alta velocidade. A 34 nós o comprimento de onda pode chegar a 200m e um Destroyer de 100m teria um cavado na vizinhança do propulsor e a esteira seria negativa. Com um bom casco a esteira potencial (streamline) será pequena, e com hélices de grande diâmetro, grande parte do disco estará fora da esteira de atrito. Nestas condições a esteira total sobre a hélice pode ser zero ou ligeiramente negativa.

139


André Kouzmine 140


A esteira pode ser medida por tubos de pitot e os componentes das velocidades axial, radial e tangencial podem ser obtidas nas vizinhanças do propulsor. Exemplo dos componentes axiais são mostrados nas figuras 17 e 18.

11/06/2015

71

André Kouzmine 141


André Kouzmine

Para navios de um hélice, a esteira é mais intensa na parte de cima do disco, um pouco menor mais abaixo do hub, e bem menor nos quadrantes externos de baixo. Em um um navio de dois hélices, a wake média no disco, como regra, será menor que em navios de um hélice de mesmo volume, mas haverá uma grande concentração da esteira logo atrás das extremidades do bosso ou pés-de-galinha no caso dos eixos abertos.

142


11/06/2015

72

André Kouzmine

Em ambos os casos, o fluxo de água tem uma direção para cima e para dentro, dando origem a assimetrias, e afetando o propulsor.

143


André Kouzmine

Quando a pá gira, uma seção de um raio qualquer passa por regiões de concentrações de esteira muito diferentes. Podemos construir um propulsor cujo pitch varia do centro(hub) a ponta da pá, de forma a melhor se adequar a uma esteira circunferencial média para um determinado raio (Fig. 17 e 18).

144


11/06/2015

73

André Kouzmine 145


André Kouzmine

Nominal wake - esteira para um fluxo que desconsidera a existência do propulsor.

Effective wake - considerando o propulsor.

O efeito do propulsor induzindo uma inflow velocity reduz a forward wake, sendo a effective wake normalmente 3 ou 4 pontos menor que a nominal wake.

146


11/06/2015

74

André Kouzmine

A não uniformidade da esteira tem consequências bastante indesejáveis:

Conforme a pá gira, forças periódicas e acoplamentos são criados e repassados através da água e do eixo para o navio, e é uma das principais fontes de vibração no casco.

A variação do inflow velocity também resulta em mudanças periódicas do AoA das pás, favorecendo à cavitação, gerando ruído, vibração e erosão das pás.

147


André Kouzmine

Por estes motivos, especial atenção deve ser dada à forma da popa e apêndices como bosso, junto com a propeller clearance , para garantir que as desigualdades da esteira no propulsor sejam mantidas tão pequenas quanto possíveis.

148


11/06/2015

75

André Kouzmine

Para obter uma melhor “quadro” da não uniformidade da esteira uma análise de Fourier pode ser realizada. Hadler usando a Série de Fourier para análise da esteira obteve informações sobre as flutuações do ângulo de pitch hidrodinâmico quando a pá completa uma rotação. Entre suas conclusões foi possível fazer uma escolha criteriosa do número de pás (Z) por este método (de 3 a 6).

149


André Kouzmine

Hadler concluiu que:

a) O padrão da esteira é principalmente afetado pela forma do aftboby (popa). As variações no forebody (proa) tem efeito negligenciado.

150


11/06/2015

76

André Kouzmine

c) A distribuição radial da velocidade longitudinal média e volumétrica tem formas características.O open-type stern (dois hélices) tende a possuir uma distribuição quase uniforme, e de velocidade comparável à do modelo. O single-screw com popa convencional provê uma distribuição com valores menores no centro e maiores nas extremidades. Essa magnitude depende da fineness e forma do corpo de popa, ou seja, quanto mais afilada a popa, maiores os valores das velocidades.

151


André Kouzmine

d)A variação da velocidade tangencial junto com a grande amplitude do 1º harmônico da velocidade longitudinal, resultará em vibrações na frequência do eixo quando houver imperfeições na pá, que causará desbalanceamentos hidrodinâmicos.

e)Em geral, para minimizar a cavitação e vibração, o open-type stern (Transom stern com pés-de-galinha suportando o eixo) é superior ao single-screw com popas convencional;

152


11/06/2015

77

André Kouzmine

g) O efeito das variações de velocidade do navio parece ser pequeno.

h)O efeito da localização do propulsor na clara do hélice pode ser importante.

i)Mudanças de deslocamento e trim podem resultar em grandes variações do padrão da esteira, influenciando na na cavitação e vibração.

153


André Kouzmine

Alguns autores tentaram relacionar a forma do casco com a distribuição da esteira:

Harvald mediu a esteira de mercantes de um hélice de diferentes formas de popa para algumas condições de carregamento:

- Descobriu uma pequena influência da velocidade.

154


11/06/2015

78

André Kouzmine

- A influência do trim foi pequena quando o calado na perperdicular a ré era igual.

- Mudando o calado a ré observou-se um efeito considerável na distribuição da esteira, especialmente na região superior do disco.

155


André Kouzmine

- Pode-se obter um esteira melhor alterando a popa ao se introduzir um "stern bulb", removendo o deadwood (soleira,calcanhar) e aumentando a clara acima do eixo do propulsor (Fig 19).

- A aplicação de um partial stern tunnel provou ser benéfica para um containership e dredger, embora a aplicação para Great Lakes Carrier não levou a significantes melhoras. O stern tunnel provou ser bom para a effective wake.

156


11/06/2015

79

André Kouzmine 157


André Kouzmine

Holden conduziu estudos para reduzir, nos estágios iniciais de projeto, as forças de pressão no casco causadas por cavitação do propulsor. Ele chegou aos seguintes requisitos para wakes com pequenos valores de pico:

Grandes angulos na linha d’agua e terminações deveriam ser evitadas (formas muito cheias).

O ângulo máximo da linha d’agua em relação ao eixo longitudinal deve ser mantido abaixo de 30º.

158


11/06/2015

80

André Kouzmine

4.3 Real and Apparent Slip Ratio

159


André Kouzmine

160


O Slip Ratio como definido anteriormente é:

onde

P = Pitch

n=RPM

11/06/2015

81

André Kouzmine

Para o hélice traballhando atrás do propulsor, outro slip ratio pode ser calculado usando a velocidade do navio V ao invés da velocidade de avanço do propulsor. É conhecido apparent slip ratio:

161

André Kouzmine

Real slip ratio é o único guia real para performance do navio e requer o conhecimento da wake fraction (Wf) , entretanto, o apparent slip ratio precisa somente dos valores da velocidade do navio, revoluções e propeller pitch para seu calculo, e é freqüentemente registrado no ship`s log book.

162


11/06/2015

82

André Kouzmine

4.4 Relative Rotative Efficiency

O propulsor em águas abertas, em um fluxo de velocidade uniforme, com uma velocidade de avanço Va, tem a open water efficiency dada por:

Q0 torque in open water when the propeller is delivering thrust T at n revolutions.

163


André Kouzmine

Atrás do casco, na mesma velocidade de avanço Va, no mesmo impulto T e RPM n estarão associados a um torque Q diferente, logo a efficiency behind the hull será:

A razão entre as eficiências atrás do casco e em open water nestas condições é chamada de relative rotative efficiency:

164


11/06/2015

83

André Kouzmine

A diferença entre o torque atrás do casco e em open water ocorre por dois motivos:

• A wake heterogênea atrás do casco em relação a open.

• As quantidades relativas de fluxo laminar e turbulento nas pás podem ser diferentes nos dois casos pois a turbulência da água atrás do casco é maior do que em águas irrestritas.

165


André Kouzmine

O valor da relative rotative efficiency não se afasta muito da unidade. Ela fica entre:

• 0,95 e 1,0 para navios de dois hélices; e

• entre 1,0 e 1,1 para um hélice.

166


11/06/2015

84

André Kouzmine

4.5 Augment of Resistance and Thrust Deduction.

Quando um casco é rebocado (sem propulsor), há uma área de alta pressão na popa, resultando em um componente de força para vante, reduzindo a resistência do navio. Com o casco se movendo através de um propulsor, a pressão é reduzida pela ação do propulsor acelerando o fluxo. Assim a componente de força para vante fica reduzida e a resistência do navio aumenta, bem como o impulso necessário para movê-lo.

167


André Kouzmine 168

Se resistência de um modelo rebocado é Rt, e o impulso necessário para a mover o modelo com a mesma velocidade V é maior do que Rt, e este aumento é chamado o augment of resistance α. É expressa como a razão entre o aumento no impulso sobre a resistência: ou

α is called the resistance augment fraction and (1 + a) the resistance augment factor.


11/06/2015

85

André Kouzmine

Embora ver o problema do ponto de vista da resistência seja mais lógico, a prática é olhar para esse aumento na resistência como uma dedução do impulso disponível no hélice, de modo que, embora o hélice forneça um impulso de T toneladas, por exemplo, apenas RT toneladas estão disponíveis para superar a resistência. Essa "perda de impulso“ (T- RT) expressa como uma fração do impulso T é chamada de thrust-deduction fraction t, onde ou

169

The expression (1 — t) is the thrust-deduction factor.


André Kouzmine

170


É prática comum colocar lemes e outros apêndices na

popa do modelo para testes de auto-propulsão, e isto

introduziu alguns problemas na interpretação de t. É habitual

considerar Rt como sendo a resistência do casco nú, sem

apêndices, mas T tem que vencer, não só a resistência

aumentada Rt (1 + a), mas também a resistência do leme e

outros apêndices. Assim, o valor de t encontrado a partir das

experiências não depende apenas da forma do casco e das

características do hélice e arranjos, tal como refletido na

augment a, mas também do tipo de leme, etc.

11/06/2015

86

André Kouzmine

4.6 Hull Efficiency. O trabalho feito para mover um navio a uma velocidade V contra uma resistência Rt é proporcional ao produto Rt.V ou Effective power Pe.

O trabalho realizado pelo hélice em entregar um impulso T a uma velocidade de avanço Va é proporcional à T.Va ou ao thrust power Pt.

171


André Kouzmine

A razão ente o trabalho realizado no navio e o trabalho realizado pelo propulsor é chamada Hull Efficiency.

172


11/06/2015

87

André Kouzmine 173

André Kouzmine

Seção 6- Geometry of the Screw Propeller

174

PNA- Geometry of the Screw Propeller

11/06/2015

88

André Kouzmine

6.1 General Characteristics.

O desenho de um propulsor quase sempre começa com uma superfície helicoidal que, ou forma a face da pá, ou serve como uma "reference frame" a partir da qual são medidos offsets para se descrever a pá. Essa sup helicoidal pode ser verdadeira ou uma distorcida, com uma série de características distintas.

175


André Kouzmine

The space curves that are traced by the various points of the generating straight line are called helices. These helices lie on the surfaces of circular cylinders coaxial with the line 00', and all have the same advance per revolution, that is, the same pitch P. Therefore, the true helicoidal surface can be defined as a surface of double curvature, each line element of which is a helix of a constant pitch.

176


11/06/2015

89

André Kouzmine

Se os elementos helical-line têm passos diferentes, ou se a linha radial é curva, uma superfície mais geral é obtida, a qual, ao mesmo tempo que não pode ser descrita matematicamente, é completamente e definitivamente descrita como gerando a forma da linha de referência radial e os passos de uma série de hélices a várias distâncias do eixo de rotação 00'. Esta superfície geral, quando usada como um quadro de referência, nos permite descrever qualquer tipo de hélice susceptível de ser utilizada na prática. É chamado pitch surface of the propeller and the line elements, which are true helices, the pitch lines.

177


André Kouzmine 178


11/06/2015

90

André Kouzmine 179


André Kouzmine 180


11/06/2015

91

André Kouzmine

6.2 Geometry of Helix

181


The motion of the point on the

cylindrical surface may be

expressed in mathematical

form, using rectangular

coordinates x, y, and z, where

the axis of x coincides with

00', the axis of revolution.

André Kouzmine

If a cylinder of radius r is unrolled to form a flat surface, the helix will develop into a straight line, the pitch angle being given by:

The pitch P is the distance which r advances while it makes a complete revolution.

182


11/06/2015

92

André Kouzmine

6.3 Propeller Drawing.

6.4 Constructional Details of Marine Propellers.

183


André Kouzmine 184


Pitch line (c) gives the variation of pitch with radius from the axis. In the example shown,

the pitch is constant over the outer part of the blade, and reduced towards the root, a common

practice in single-screw merchant ship propellers.

11/06/2015

93

André Kouzmine

The characteristics of propellers are customarily expressed in the form of nondimensional ratios, the most commonly used being:

185


Expanded-area ratio

Developed-area ratio

Projected-area ratio

André Kouzmine

Projected Area Ratio (PAR) The Projected view is the one you see when you look down on the propeller. The Projected area is the area of the outline as projected onto a surface below. Projected area ratio is the smallest of the three.

Developed Area Ratio (DAR) Developed area is the area of the blade outline if it could be untwisted (i.e., as if the whole blade were unattached from the hub and brought to zero pitch).

Expanded Area Ratio (EAR) Expanded area is what if found if the Developed area could be flexibly unwrapped on a flat surface so that all sections were parallel. Expanded area is what is important to propeller designers, to treat the propeller blade like a wing. In other words, the Expanded view converts the propeller from its helix to a flat plane.

Expanded area ratio is typically close in magnitude to Developed area ratio, and is often used interchangeably.

186

11/06/2015

94

André Kouzmine

Por muitos anos os propulsores foram construídos com 3 ou 4 pás, sendo que o de 4 pás se tornou quase universal dentre os de um hélice.

Testes em modelos indicavam que esses propulsores deveriam ser os mais eficientes, pois qualquer aumento do número de pás aumentaria o efeito de interferência entre elas próxima ao hub, com conseqüente diminuição da eficiência.

187


André Kouzmine

Também, mantendo-se a expanded area constante um aumento no número de pás levaria a pás com maior aspect-ratio e menor comprimento de corda. A seção lift-to-drag ratio irá diminuir, também porque as pás terão maiores espessura para satisfazer os requisitos de força. The higher aspect ratio will have virtually no beneficial effect if the camber and pitch distribution may be optimized.

188


11/06/2015

95

André Kouzmine

Por outro lado, o aumento no número de pás resultará em melhor eficiência se cada pá isolada tiver a mesma razão lift-drag. Este efeito, entretanto, é mais do que balanceado pela redução da eficiência da pá.

Com o crescente aumento da velocidade e potência dos navios, principalmente para os single-screw, tornou-se necessário o aumento da área da pá, para atrasar o início

da cavitação.(melhor distr pressão) Para evitar pás excessivamente largas, um aumento no número de pás foi uma possível alternativa.

189


André Kouzmine

Este aumento em potência, bem como do thrust desenvolvido por pá, também aumentou as forças periódicas transmitidas do propulsor para o casco, quer seja da água, por efeito da pressão, ou através das variações do eixo. Assim, os problemas de vibração do casco foram intensificados.

190


11/06/2015

96

André Kouzmine

Essas forças do propulsor se dão, predominantemente, devido à frequencia das pás. Um número maior de pás não somente reduz o impulso por pá bem como reduz a intensidade das forças perturbadoras, mas também aumenta sua frequência. Esse fato, em determinados casos, pode ser usado para evitar as condições de ressonância, e a vibração gerada pela força será menor devido ao maior amortecimento das estruturas do casco a altas freqüências.

191


André Kouzmine

Because of such reasons many ships are now fitted with propellers having 5, 6 or more blades, and it has been found that by careful design such screws need pay only a small penalty, if any, in efficiency.

192


11/06/2015

97

André Kouzmine

As pás podem ser fundidas com o hub ou parafusadas. As parafusadas têm as vantagens de que as pás avariadas podem ser trocadas facilmente, e pequenos ajustes no pitch podem ser feitos. Suas desvantagens são o alto custo inicial, maior peso e uma menor eficiência devido ao maior hub.

193


André Kouzmine

O hub é normalmente cilíndrico ou cônico, e seu diâmetro varia de 0.15D a 0.25D.

As pitch ratio (propeller pitch / propeller diameter) nos propulsores de navios vão de 0.6, propulsores muito carregados, como em rebocadores, e de 2.0 a mais, em barcos de alta velocidade.

194


11/06/2015

98

André Kouzmine

A distribuição radial do pitch é praticamente constante em navios de 2 hélices, mas em single-screw, devido à variação da esteira ao longo do disco, com uma maior concentração nos raios de dentro, o pitch é reduzido em direção ao hub.

Em prupulsores muito carregados, o pitch é sempre reduzido em direção ao tip, de forma a diminuir a carga de impulso nas tips e então atrasar o início ou reduzir severamente a tip-vortex cavitation.

195


André Kouzmine

As pás geralmente tem um rake para trás para ficarem livre da esteira do casco, bossings ou suportes do eixo, sendo geralmente bom para eficiência e para a redução das forças periódicas que induzem à vibração do casco.

A vibração do casco também é reduzida pelo uso de pás com skew, de forma que as bordas das pás entrem na de wake de forma mais suave.

196


11/06/2015

99

André Kouzmine

A área da pá depende muito do thrust loading, as developed blade-area ratios variam de 0,35 a valores próximos a 1 em very high-speed ships.

A eficiência hidrodinâmica da seção da pá depende da sua thickness ratio, que deve ser mantida tão pequena quanto possível, no tocante ao aumento da eficiência. (drag)

Para atrasar o início da cavitação, porém, uma maior espessura é benéfica. (a velocidade reduz bastante)

197


André Kouzmine

Os materiais para construção do propulsor devem ser leves, ter uma superfície lisa e e grande resistência contra erosão. São usados normalmente cast iron(ferro fundido), cast steel(aço fundido), maganese bronze e diferentes ligas de manganês-bronze-níquel-alumínio.

198


11/06/2015

100

André Kouzmine

Cast iron são mais baratos, porém tem pequena resistência de ruptura, tem que ser mais espessos e são muito corroídos pela água salgada, além de terem baixa resistência para a erosão da cavitação. Eles são principalmente usados em rebocadores e quebra gelos, pois tendem a partir ao bater, não danificando assim o casco ou as máquinas. A carga de trabalho permitida para cast iron é somente a metade que para manganese bronze, por isso são mais grossos e pesados que o manganese bronze.

199


André Kouzmine

Como o comprimento da corda e a espessura das seções são parâmetros importantes no projeto do propulsor, e como os esforços das pás devem satisfazer aos requisitos das Sociedades Classificadoras, é necessário calcular a espessura mínima das pás no início do projeto.

200


11/06/2015

101

André Kouzmine

Teoria de Schoenherr, detalhando o problema da pá strenght, considerando os bending moments (momentos de encurvamento ou flexão das pás) devido à ao esforço hydrodinâmico, a força centrifuga, a rake e skew :

Ele declarou que seu objetivo era: “Deduzir uma fórmula para uma espessura mínima da pá para garantir uma pá de adequada para condições normais de trabalho”

201


André Kouzmine

A espessura t foi considerada como que diminuindo linearmente da root para tip, sendo necessário computar somente t para a seção mais carregada.

Valores médios foram considerados para a forma da pá e parâmetros da seção;

Um ponto representativo foi tomado na seção escolhida onde seria calculado o stress, sendo este o ponto na face da pá na posição de maximum thickness, onde o stress é máximo e é tensionado quando o navio anda para vante.

202


11/06/2015

102

André Kouzmine

The American Bureau of Shipping adopted the simplified Schoenherr formula, choosing as the typical strength section that at 0.25 radius. Para CPP 0.35.

Os fabricantes de propulsores normalmente adotam espessuras superiores às fórmulas das Sociedade Classificadora, como margem de segurança contra falhas estruturais e para reduzir a sensibilidade ao ângulo de ataque da distribuição de pressão das seções da pás (melhorando a cavitação).

203


André Kouzmine

Influência do Skew

204


11/06/2015

103

André Kouzmine

Boswell, carried out strain measurements for one-bladed propellers with different amounts of skew. For all propellers he found the maximum stress to occur in the region from the hub to the 50 percent radius. At the 30 percent radius the maximum principal stress is near the half-chord for the unskewed propeller and was found to move toward the trailing edge with increased skew.

205


André Kouzmine

Boswell, report on strain measurements on a two-bladed propeller with 60 degrees skew. The maximum stress was found to occur near the trailing edge. They found considerably lower stresses for the backing condition assuming equal maximum principal stresses on the face and back of the propeller. However, they note that conditions related to crash stop maneuvers may change this picture.

206


11/06/2015

104

André Kouzmine

The increased stress levels in that case may be enhanced by elastic deflection: the blade will bend such that the effective pitch is increased leading to still higher loading. This may lead to a phenomenon called static divergence, which instability leads to damage. The experiments of Boswell, showed that a propeller is more susceptible to this instability for increased skew. However, the instability itself has not yet been observed to occur for marine propellers.

207


André Kouzmine

Luttmer, carried out an analysis of the influence of skew on the stresses in backing propellers. They calculated the open-water performance for four propellers having skew angles of 0, 30, 60 and 90 graus. This was compared with measurements. Thereby they obtained satisfactory agreement with realistic hydrodynamic loading levels. Next, a finite element analysis of the propeller was carried out for the astern backing condition, which was considered to be representative for conditions to be expected at crash stop maneuvers. Seus resultados mostraram , contrary to the previously mentioned research, maximum stresses at the tip (trailing edge for normal ahead condition).These stresses increase drastically with skew.

208


11/06/2015

105

André Kouzmine

Seção 7- Cavitation

209

PNA- Cavitação

André Kouzmine

PNA - Cavitation

É o fenômeno que ocorre nos propulsores muito carregados nos quais, a certas RPM críticas, há uma quebra progressiva no fluxo, e uma consequente perda de thrust. Quando muito forte pode fazer com que o navio não atinja a velocidade desejada. Antes de isso ocorrer, porém, ela se manifesta por ruído, vibrações e erosão das pás, estruturas e lemes.

210

11/06/2015

106

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Antigamente ela estava relacionada à navio de alta velocidade, mas, com o aumento das velocidades e potências, o aspecto da cavitação na erosão tem se tornado mais importante, particularmente, em very high-powered single-screw ships. Nestes navios, há uma grande variação da esteira do propulsor, aumentando a cavitação, tornando necessária uma atenção especial para deixar o propulsor safo do casco, e observar os efeitos da sobrecarga do propulsor em mau tempo e quando o casco está com craca.

211

André Kouzmine

PNA - Cavitation

One of the earliest references to cavitation on marine propellers was made by Osborne Reynolds, who in 1875 referred to the effect of racing of propellers . The first fully recorded case of its occurrence on a ship is that of the British destroyer Daring in 1894 . With the original twin threebladed propellers the ship on trial only reached a speed of 24 knots instead of the desired 27. When these screws were replaced by another pair with 45 percent more blade area, not only was 24 knots achieved with 17 percent less power, but a top speed of 29.25 knots was reached, with the elimination of much of the vibration previously experienced.

212

11/06/2015

107

André Kouzmine

PNA - Cavitation

O aumento da área das pás diminui a vibração do casco e diminui a cavitação, permitindo assim o navio atingir maiores velocidades à mesma RPM.

213

André Kouzmine

PNA - Cavitation To understand the mechanism of cavitation, consider a blade section or airfoil set at a small angle of attack in a two-dimensional, steady, nonviscous flow, Fig. 29. Let the uniform steady velocity far ahead of the section be Vo and the corresponding total pressure Po. For a particular streamline such as AB, Bernoulli's theorem gives the relation:

214

11/06/2015

108

André Kouzmine

PNA - Cavitation At any point P on the streamline where the pressure P1 and velocity areV1 and we have:

215

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Em um ponto S, perto do nose da seção, o fluxo se divide, e o fluido seguindo a linha de fluxo dividida é girado 90º, perdendo toda a velocidade e quantidade de movimento na direção do movimento along the streamline. Assim, no ponto S a velocidade V1 é zero, havendo então um aumento de pressão. S é o stagnation point.

216

11/06/2015

109

André Kouzmine

PNA - Cavitation

217

X

André Kouzmine

PNA - Cavitation

O fluido sobre a streamline dividida passa pelo dorso da pá com velocidade aumentada e pressão diminuída, enquanto o fluido sob o fluxo dividido é freiado, gerando um aumento de pressão na face. Essa diferença de pressões ira gerar uma sustentação na seção.

Since water cannot support tension, o fluxo quebrará nesse ponto (back) com a formação de bolhas e cavidade (cavitities), e a cavitação ocorrerá. Na prática, isso ocorrerá um pouco antes, quando pressão não cai a zero, mas sim à pressão de vaporização da água Pv (boil and form cavities).

218

11/06/2015

110

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Dividing by the dynamic pressure cavitation will begin when

219

André Kouzmine

PNA - Cavitation

220

11/06/2015

111

André Kouzmine

PNA - Cavitation

221

André Kouzmine

PNA - Cavitation

222

sensato

11/06/2015

112

André Kouzmine

PNA - Cavitation

223

André Kouzmine

PNA - Cavitation O total lift force sobre a seção da pá é dado pela soma das áreas sobre a curva de pressão na face e no dorso, uma reforçando a outra. Na Fig.29 fica claro que não é a redução média de pressão no dorso, mas sim a redução máxima que inicia a cavitação.

224

Assim, para um determinado lift e

uma determinada área sob a curva

de pressão, as seções mais

resistentes à cavitação serão aquelas

com as distribuições de pressão mais

uniformes e com os menores picos.

11/06/2015

113

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Classificação da cavitação hidrodinâmica:

• Travelling

• fixe

• vortex

• vibratory

225

André Kouzmine

PNA - Cavitation

- Travelling cavitation, ocorre no fluxo livre e consiste de bolhas individuais se movendo juntamente ao fluxo;

- Fixed cavitation, ocorre nas bordas dos objetos submersos. É fixa, ligada ao objeto, sendo inerente ao objeto, e não ao fluxo;

226

11/06/2015

114

André Kouzmine

PNA - Cavitation

-Vortex cavitation, Um vórtice ocorre num fluxo de elevado cisalhamento (shear). Para compensar a força centrífuga, a pressão no fluido perto do vortex tem que diminuir continuamente conforme o vortex se forma. Essas baixas pressões geram cavitações;

227

André Kouzmine

PNA - Cavitation

-Vibratory cavitation, ocorre devido a pulsos de pressão no líquido, que são causados pela vibração de objetos submersos normal à face, produzindo ondas de pressão.

228

11/06/2015

115

André Kouzmine

PNA - Cavitation

As mais comuns nos propulsores marítimos são a fixed e vortex, que podem ser subdivididas de acordo com a posição em relação ao propulsor em que elas ocorrem, ou de acordo com a natureza física da cavitação:

• Sheet • tip vortex

• bubble • hub vortex

• cloud

229

André Kouzmine

PNA - Cavitation Sheet cavitation,ocorre primeiro nos bordos de ataque da pá, no lado de sucção (dorso, de baixa pressão), quando as seções da pá trabalham sob ângulos de ataque positivos, e no lado da pressão alta (face), quando as seções da pá trabalham sob ângulos de ataque negativos. Isto se dá porque os non-shock free angles of atack (for which the lift is due not only to the camber of the sections) causam pressões muito baixas na região do bordo de ataque.

230

11/06/2015

116

André Kouzmine

PNA - Cavitation

This cavitation form may develop to cover the complete suction side of a blade, spreading inward from the leading edge in the form of a sheet, in which case it will often have a very stable character as shown in Fig. 30. When working in a wake, however, this cavitation type often has a very unstable character.

231

André Kouzmine

Sheet Cavitation

232

11/06/2015

117

André Kouzmine

PNA - Cavitation

-Bubble cavitation, ocorre primeiramente na midchord ou na posição de espessura máxima, at shock-free entry of the flow, dessa forma, ela ocorre em non-separated flows. Consiste de grandes bolhas individuais, que crescem e se contraem rapidamente;

233

André Kouzmine

Bubble Cavitation

234

11/06/2015

118

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Cloud, sempre ocorre atrás de uma fortemente desenvolvida estável sheet cavitation e em fluxos moderadamente separados, onde vários pequenos vórtices em forma de núcleo (kernels) formam muitas pequenas cavidades. Aparece como mist (névoa) ou cloud de bolhas muito pequenas;

235

André Kouzmine

Cloud Cavitation

236

11/06/2015

119

André Kouzmine

PNA - Cavitation Vortex-Type (tip and hub), ocorre no tip e no hub. O fluxo em torno do tip da face (pressure side) para o back (suction side) causa um vortex instável, que é derramado do tip e do hub para o fluxo. A pressão é menor no centro do vórtex , e é esse centro que irá cavitar. A tip vórtex usualmente começa um pouco atrás da tip. Nesse estágio inicial, a cavitação é desconecta do tip. Quando o vórtex ganha força, ou a pressão do líquido é reduzida, ela se conecta ao tip.

237

André Kouzmine

Tip/Hub Cavitation

238

11/06/2015

120

André Kouzmine

PNA - Cavitation

A hub vórtex é formada pela combinação dos vortex das blades na blade root (base da pá), que por si só são fracos para cavitar. Com uma forma de hub convergente, porém, esse hub vortex pode ser bem forte e cavitar. O vortex resultante é bem estável e aparece como a thick rope com strands (corda grossa com fios) correspondentes ao número de pás.

239

André Kouzmine

PNA - Cavitation

7.6 Detrimental effects of cavitation

a) Efeitos da Cavitação na performance do propeller:

Quando a cavitação aumenta, o fluxo na blade muda, a distribuição de pressão muda, resultando em mudanças de thrust e torque.

240

11/06/2015

121

André Kouzmine

PNA - Cavitation

A cavitação diminui o under-pressure peak da leading edge, espalhando ele por toda a extensão da chord.

241

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Na maioria dos casos essa mudança provoca uma diminuição do lift do airfoil (superfície de sustentação) após um aumento inicial. O efeito no drag (arrasto) do airfoil é quase análogo, mas é um pouco atrasado e não tão extremo. Assim, a eficiência (lift/drag ratio) das pás diminui com o aumento da cavitação, após um aumento inicial.

242

11/06/2015

122

André Kouzmine

PNA - Cavitation

243

André Kouzmine

PNA - Cavitation

To obtain a definite ship speed, a cavitating propeller suffering from thrust breakdown requires a larger power and thus a larger number of revolutions. As will be obvious, the described changes in propeller performance, resulting from the presence of cavitation are dependent on propeller geometry and propeller inflow conditions.

It is important to know the cavitation characteristics of the applied propeller blade sections.

244

11/06/2015

123

André Kouzmine

PNA - Cavitation

b) Cavitation damage of propellers.

From the very first, erosion of marine propellers has been encountered. Originally it was thought that this form of cavitation damage was due to corrosion. Today it is realized that the mechanism of cavitation is responsible for erosion and other forms of damage occurring to screw blades such as bent trailing edges. Parsons first found the connection between cavitation phenomena and erosion

245

André Kouzmine

PNA - Cavitation Nowadays it is assumed that cavitation damage is primarily caused by the process of cavitation bubble collapse on the propeller blade surface. The energy associated with cavitation bubble collapse has been calculated to be extremely high. This is particularly due to the fact that this bubble collapse apparently occurs in the form of shock waves on very small portions of the blade surface. This explains the pitted nature of the cavitation damage form termed erosion as shown in Fig 42.

246

11/06/2015

124

André Kouzmine

PNA - Cavitation Intense and continued erosion often leads to disastrous damage as shown in

247

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Cavitation erosion has been observed at places where cloud and bubble cavitation occurs. The individual bubbles associated with these cavitation forms collapse at the downstream end of the cavitation zone where the pressure increases. This type of cavitation collapse also occurs behind sheet cavitation when the sheet breaks up into individual bubbles. Recent theories on the mechanism of bubble collapse propose that the energy causing the damage is brought about by a re-entrant jet into the bubble on the boundary surface.

248

11/06/2015

125

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Cabe ressaltar que os fenômenos de erosão e corrosão são diferentes, mas interação entre eles pode ocorrer, haja vista que ao ser erodido pela ação de cavitação, a corrosão começa, acelerando o processo. Uma vez iniciada a corrosão, a superfície fica rough e o fluido pode cavitar mais facilmente se a pressão for baixa o suficiente.

249

André Kouzmine

PNA - Cavitation

A prevenção da cavitation erosion pode ser feita através da escolha de materiais adequados, ou aplicando proteção metálica e não-metálica.

250

11/06/2015

126

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Uma outra avaria é o encurvamento (flexão) nas trailing edges (bending) dos high-powered single-screw ships, gerado pelo colapso simultâneo de um grande número de bolhas na trailing edge. Saindo da wake peak, um aumento na curvatura(camber) da blade section é induzido quando o ângulo de ataque diminui novamente....

251

André Kouzmine

PNA - Cavitation

A sheet cavitation na leading edge desaparece e as bolhas se formam na midchord position. Essas bolhas deixam a blade juntas quando a curvatura induzida diminui. O período relativamente longo disponível para o crescimento das bolhas e a chegada simultânea das bolhas na trailing edge, associada à alta pressão causa um impacto simultâneo, o que explica o bending of trailing edges towards the pressure side.

252

11/06/2015

127

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Para prevenir essa forma de cavitação, há que se ter uma boa solução de compromisso entre a camber distribution of the blade section e o ângulo de ataque no qual cada blade section trabalha.

253

André Kouzmine

PNA - Cavitation

c) Vibração e ruído induzidos por cavitação

As vibrações do navio são determinadas pela resposta característica das estruturas do navio e pelo nível de excitação. As vibrações induzidas pelo propeller na parte de ré (afterbody) são responsáveis pela quase totalidade dessas forças de excitação.

254

11/06/2015

128

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Percebeu-se que a cavitação influencia grandemente o problema da ship-propeller interaction, sendo influente no stress das blades e na modificação do fluxo a vante do propeller. O maior efeito, porém, é na flutuação de pressões induzida no afterbody do navio. Não somente a amplitude, como também o ângulo de fase do propeller-induced fluctuating pressure são afetados.

255

André Kouzmine

PNA - Cavitation

Propeller cavitation increases the amplitude of these vibratory pressures, depending on blade number and extent of cavitation, with a factor between 1 and 10 and sometimes even higher. This is primarily due to the variation in angle of attack of the flow causing large variations in the size of the cavities on the blades thereby causing large volume variations.

256

11/06/2015

129

André Kouzmine

PNA - Cavitation

A cavitação não influencia somente baixas frequencias de flutuações de pressões induzidas no hull pelo propeller, mas também aumenta os ruídos de altas frequências (ruim para navios de guerra, onde se diminui a detecção sonar).

257

André Kouzmine

PNA - Cavitation

A cavitação pode ser diminuída ou até mesmo evitada quando se tenta fazer a wake mais homogênea, através da forma do casco, clearences, propeller rake e alinhamento dos bossings, shafts e struts com a direção média do fluxo.

258

11/06/2015

130

André Kouzmine

PNA - Other Propulsion Devices

10.1 General.

Embora a grande maioria dos navios utilize hélices convencionais, existem outros dispositivos de propulsão que possuem algumas vantagens em circunstâncias especiais.

259

André Kouzmine


10.2 Jet Propulsion.

É o dispositivo de propulsão mecânica mais antigo que se conhece (1661). Consiste de um impelidor ou bomda dentro do casco, que puxa água de fora, acelera ela, e descarrega a ré, como um jato de alta velocidade. É um dispositivo de reação como um hélice convencional, mas as partes móveis ficam dentro do casco. Sua eficiência não é muito boa.

260

11/06/2015

131

André Kouzmine

Jet Propulsion

261

André Kouzmine


Vantagens

- A principal vantagem é a manobrabilidade caso a descarga opere como um leme. - Caso a descarga entregue tração a ré, elimina as engranagens reversoras.

- Redução do ruído devido ao impelidor estar dentro do casco

- Não há arrasto de apêndices.

262

11/06/2015

132

André Kouzmine

PNA - Other Propulsion Devices Desvantagens

- Deve ser muito grande, o que não é viável por estar dentro do casco, logo há uma perda de volume dentro do navio.

- Pode engastar o impelidor ,logo há a necessidade de colocação de redes para evitar craca e outros objetos evitando entupimentos.

- Dificuldade de obter um fluxo uniforme no impelidor quando a água vem da camada limite de curvas nos dutos.

263

André Kouzmine


Podem-se usar produtos químicos ou explosivos para acelerar e descarregar a água ou pode-se usar uma jet engine ou rocket acima d'água . Aircraft engines foram usadas em corridas de barcos. Foquetes(rockets) são pouco eficientes, a menos que a velocidade da embarcação seja uma fração razoável da velocidade do gás no jato além de problemas de calor e ruído na exaustão.

264

11/06/2015

133

André Kouzmine


10.3 Pump Jets

Neste arranjo o impelidor é externo. O impelidor é rotativo com ventoinhas guiadas fixas (fixed guide vanes), a vante ou a ré, ou ambos, sendo a unidade toda envolvida por um duto ou anel coberto (duct or long shroud ring). O primeiro dispositivo deste tipo foi chamado de screw-turbine. Comparado com um propulsor aberto, a velocidade no propulsor é menor e a pressão é maior, retardando assim a cavitação e o ruído.

265

André Kouzmine


266

11/06/2015

134

André Kouzmine


10.4 Paddle Wheels

As primeiras rodas tinham pás fixas e planas, mas em 1830 as pás de passo variável foram introduzidas "curved feathering blades" que, para um mesmo ângulo de entrada na água, tinham o diâmetro da roda reduzido pela metade ou mais. / Com as feathering wheels, a eficiência da propulsão se aproxima ou se iguala à de um hélice convencional onde o calado e a profundidade limitam o diâmetro do propulsor.

267

André Kouzmine


É importante colocar a roda sobre uma crista do perfil de ondas para aproveitar o movimento para vante da água na crista. Isso ocorre naturalmente com as rodas na popa, mas no caso de rodas laterais deve-se ter atenção, inclusive se utilizando de testes com modelos.

268

11/06/2015

135

André Kouzmine


Isso é fácil de assegurar em navios de velocidade fixa, como navios de passageiros nos rios, mas pode ser difícil em outros casos.

Rebocadores quando rebocando não tem um sistema de ondas significativo, e as rodas laterais podem ser instaladas onde for melhor para a free-running speed do rebocador.

269

André Kouzmine


270

11/06/2015

136

André Kouzmine


10.5 Vertical-Axis Propellers

Surgiram em 1870 e há dois tipos:

Kirsten-Boeing, onde as pá dão meia-volta em torno de seu eixo para cada volta completa do propulsor.

Voith-Schneider, cujas pás dão uma volta completa.

271

André Kouzmine


São muito usados e práticos. Podem ser usados na proa para auxiliar em manobras e permitem governar ou parar o navio sem ter que parar ou inverter a máquina, sendo excelentes para trabalhar em de águas restritas e para navios que necessitam de altas potências a baixas velocidades.

Em testes melhores eficiências foram obtidas com 6 pás. Pás retangulares atingiram uma eficiência 2 % maior que as elípticas.

272

11/06/2015

137

André Kouzmine

Vertical Propellers

273

André Kouzmine


10.6 Controllable-Pitch Propellers.

As pás são montadas separadas no hub, cada uma em um eixo, no qual o pitch das pás pode ser mudado, e até mesmo invertido, enquanto o propulsor está girando, através de um mecanismo interno no hub.

274

11/06/2015

138

André Kouzmine


275

André Kouzmine


As principais vantagens são para navios que encontram condições de operação muito distintas, como rebocadores e trawlers, ou em navios que têm propulsores não reversíveis, como navios de guerra equipados com turbina a gás.

O mecanismo de consiste basicamente de pistões hidráulicos no hub, atuando em crossheads.

276

11/06/2015

139

André Kouzmine


Reduzindo o pitch quando rebocando ou trawling, por exemplo, o motor continua operando a full RPM, com potência total, sem aumentar a pressão média nos cilindros, importante para motores a diesel.

Quando o pitch muda, todas as seções giram ao mesmo ângulo, então a pitch face já não é mais uma true superfície helicoidal.

277

André Kouzmine


Barcas (ferries) que têm que parar, avançar e reverter repetidamente, se beneficiam pelo fato de que toda força a ré está disponível revertento pitch enquanto a máquina continua a girar na mesma direção.

278

11/06/2015

140

André Kouzmine


Elimina a necessidade de um mecanismo de reversão em motores a diesel e de turbinas reversoras no caso de navios a turbina, reduzindo peso, custo, e tornando a reversão da propulsão em emergência muito mais rápida.

279

André Kouzmine


São quase tão eficientes quanto um propulsor de pá fixa em qualquer condição. A única diferença é que o hub tem que ser um pouco maior para abrigar o mecanismo de mudança do pitch.

Quando pitch é mudado, todas as seções mudam para o mesmo ângulo, e assim a pitch face deixa de ser uma superfície helicoidal.

280

11/06/2015

141

André Kouzmine


10.7 Tandem and Contrarotating Propellers

281

André Kouzmine


Quando o diâmetro do propulsor é restrito devido ao calado ou outros motivos, o fator de carga é maior, a eficiência sofre e a possibilidade de cavitação aumenta. Essa situação pode ser aliviada pela divisão da carga entre dois ou mais propulsores.

282

11/06/2015

142

André Kouzmine


Os propulsores arranjados dessa forma, no mesmo eixo, e girando na mesma direção, são chamados de Tandem. Em algumas aplicações práticas, foi observado que propulsor de trás, trabalhando na descarga do da frente, requer um pitch maior para entregar a mesma potência.

283

André Kouzmine


Com os dois propulsores girando na mesma direção, a energia rotacional na descarga do da frente é aumentada pelo giro do de ré.

A idéia de reaproveitar a energia rotacional do propulsor de vante é atrativa, e levou ao desenvolvimento do contrarotating propellers trabalhando em eixos coaxial girando em direções contrárias.

284

11/06/2015

143

André Kouzmine


O de ré tem que ser menor para se adequar à descarga contraída do de vante e precisa ter o pitch que atenda à absorção de potência requerida.

Idealmente, não haveria rotação na descarga atrás do segundo propulsor.

Foram usados em torpedos, balanceando os torques e evitando que o torpedo rodasse.

285

André Kouzmine


Hadler investigou as vantagens relativas de vários tipos de propulsores, de um hélice, dois hélices, tandem e contrarotating em um navio de dois hélices, bem grande, com um grande coeficiente de bloco e que necessitava de grande potência.

Resultados dos testes em relação aos dois hélices originais:

286

11/06/2015

144

André Kouzmine


-Não houve face cavitation ou perda de eficiência em nenhum dos hélices.

-Houve uma pequena back cavitation próximo às pontas, a cerca de 19 kt, sem muita diferença entre os propulsores.

Houve pouca diferença de Delivered Power (Pd) entre o twin-screw original e o single-screw de 5 pás. Este precisou de 0,4 % menos de potência.

287

André Kouzmine


- O single-screw de 9 pás precisou de 4 % a mais de potência enquanto que o tandem foi quase que a metade entre os dois em eficiência.

- O contrarotating, onde grande parte da energia rotacional na esteira foi reaproveitada, precisou de 7 % menos de potência que o twin-crew e 61/2% menos que o single-screw de 5 pás.

288

11/06/2015

145

André Kouzmine


O ganho em eficiência propulsiva, a melhoria nas condições de vibração dos hélices de pequenos diâmetros e altas frequências de pá, faz o contrarotating propeller muito atrativo do ponto de vista hidrodinâmico. Por outro lado, percebe-se um adicional de peso e complicações das embreagens, do eixo coaxial, e problemas de selagem.

289

André Kouzmine


10.8 Super-Cavitating Propellers

290

11/06/2015

146

André Kouzmine


Quando a cavity na no dorso da pá do propulsor se espalha até cobrir todo o dorso da pá, de maneira que não fique mais molhada, o propulsor está operando em condições de super-cavitação. Depois de o dorso ter ficado completamente sem água, um aumento adicional de RPM não pode reduzir mais a pressão no dorso, e nehuma sustentação adicional pode ser gerada mais pelo dorso.

291

André Kouzmine


Na face, entretanto, a pressão continua aumentar com maiores RPM, bem como o impulso total, embora a uma taxa menor do que antes da cavitação começar.

292

11/06/2015

147

André Kouzmine

PNA - Other Propulsion Devices Uma vantagem é a ausência de back erosion, uma vez que as bolhas não colapsam mais no dorso da pá. Também, as forças perturbadoras da cavitação intermitente serão reduzidas, resultando em menor vibração. Uma vez que o dorso, quando em cavitação total, não mais está em contato com a água, a ênfase do design deve ser dada à forma da seção, que assegure uma separação limpa do fluxo do escoamento nos bordos de ataque e de fuga, e que proveja bons valores de lift-to-drag ratio(L/D) para permitir alta eficiência.

293

André Kouzmine


Isso levou a uma seção wedge-shaped, com um bordo de ataque extremamente fino (Fig 93), de forma a garantir a separação. Experiências atuais com modelos, porém, comprovaram que as seções com bordo de ataque muito finos poderiam causar vibrações e falha estrutural, e então a borda deveria ser mais grossa ou o ângulo de ataque maior.

294

11/06/2015

148

André Kouzmine 295

André Kouzmine


Problemas de força podem ser causados pela combinação de alto impulso e bordo de ataque fino. Além disso, como os super-cavitating atingem sua melhor eficiência quando parcialmente submersos, grandes variações de força e pressões são esperadas quando cada pá entra, atravessa e sai da água. Pressões muito altas estão associadas ao momento de entrada das pás. Os supercavitation propellers não oferecem nenhuma vantagem em relação aos propulsores convencionais nas non cavitating regions.

296

11/06/2015

149

André Kouzmine

PNA - Other Propulsion Devices Uma maneira de garantir super cavitação, é inserindo ar no dorso das pás, naturalmente ou por pressão (ventilated propeller). Além de garantir full cavitation, também permite a esses propulsors serem usados em baixas velocidades e talvez até mesmo simular cavitação em propulsores normais em testes. Cabe relembrar que para o ventilated propeller, a performance é calculada com base na cavity pressure, e no fully cavitating com base no cavitation number.

297

André Kouzmine


10.9 Overlapping propellers (sobrepostos)

298

11/06/2015

150

André Kouzmine

PNA - Other Propulsion Devices Foi observado que a redução de potência desse arranjo era de 5 a 8%, se comparada com um single-screw, e de 20 a 25% se comparada com um twin-screw.

A distância longitudinal entre os planos dos propulsores, a direção de rotação e o pitch do propulsor de ré são de pouca importância.

A distância do centro (grau de sobreposição) é mais importante. Em um caso específico a distância ótima foi a 0,7D.

299

André Kouzmine


O máximo grau de overlapping não corresponde a potência mínima pois a wake fraction do propulsor de ré é tão fortemente diminuída que a queda de eficiência não pode ser compensada pelo aumento de eficiência do propulsor de vante, que tem uma maior wake fraction.

300

11/06/2015

151

André Kouzmine


A excentricidade da tração média e os bending moments laterais têm valores semelhantes aos observados nos single-screw e twin-screw, sendo a posição angular relativa dos propulsores quase irrelevante. Assim, nenhum fenômeno de quebra (beating) irá ocorrer.

301

André Kouzmine


As forças laterais de desses propulsores são aproximadamente iguais e opostas em direção, e não são excessivas em magnitude.

A diferença de velocidade entre os propulsores, quando movidos por motores distintos, ocasiona excitações alternadas torsionais e verticais no casco, causadas por flutuações de pressão.

302

11/06/2015

152

André Kouzmine


As propriedades de cavitação dos propulsores são comparáveis às de um single-screw. Entretanto, pode ocorrer uma interação desfavorável de cavitating tip vortices (Fig 99).

303

André Kouzmine


304

11/06/2015

153

André Kouzmine


Mas como não houve nenhum fenômeno desfavorável, como boubble cavitation, o risco de erosão foi considerado negligenciável. Um arranjo de overlapping props aplicado a um navio-tanque de 425.000-dtw mostrou uma economia de potência de 16 % comparando com a versão original single-screw.

305

André Kouzmine


10.10 Partially Submerged Propeller

Propulsores parcialmente submersos ou (surface piercing propulsors) podem ser atrativos pelos seguintes aspectos:

- Eles podem ficar diretamente atrás do navio, assim o arrasto (resistência) adicional dos eixos e suportes é pequena e o propulsor pode ser maior

306

11/06/2015

154

André Kouzmine 307

Other propulsion devices (jet propulsion, paddle wheels, vertical-axis

propellers, controllable-pitch propellers, tandem and contrarotating propellers,

super-cavitating propellers and overlapping propellers)

André Kouzmine


A maioria deles produzem muitas cavities na faixa da alta velocidade, acima de 40 nós, quando essas cavities colapsam nas vizinhanças das pás, danos de erosão podem ser inevitáveis. As cavities preenchidas com ar não colapsam tão veementemente. A redução do perigo da erosão possibilita usar menores blade area ratios, em comparação com propulsor convencional, o que reduz a fricção e afeta positivamente a eficiência.

308

11/06/2015

155

André Kouzmine


A skin friction das pás reduz um pouco se comparada com o um meio só de água.

Próximo dos 40 kt é possível se obter uma eficiência em águas abertas acima de 60 %.

Como desvantagens: Propulsor strenght e efeito da cavitation/ventilation no propulsor.

309

André Kouzmine


O Propeller strength: a carga na pá varia de aproximadamente zero na posição superior, até o seu valor máximo na posição inferior, o que demanda cuidados com a fadiga.

310

11/06/2015

156

André Kouzmine


O efeito da cavitação/ventilação no torque: como as embarcações velozes operam num grande faixa de velocidades, e como a resistência do navio é caracterizada por "humps", ocorrem situações onde a velocidade é baixa, mas o torque excede o torque de projeto. Esse over-torque ocorre devido à diferença de submersão dos propulsores, associada com a forte influência da cavitação e ventilação na tração e torque.

311

Documents

PNA - Exercícios · A 1° aplicação prática veio em 1836 por Ericsson nos U.S. ... que a tração total de todas as pás fica concentrada numa ... Turbina a Gás (Marine Gas Turbine):