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Re-Análise do Sistema Propulsivo de um Casco tipo Planeio Diego Metropolo Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Luiz Antônio Vaz Pinto Rio de Janeiro Janeiro de 2018 Re-Análise do Sistema Propulsivo de um Casco tipo Planeio Diego Metropolo PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO. Examinada por: Luiz Antônio Vaz Pinto, D.Sc., DENO/COPPE/UFRJ (Orientador) Engº. Antonio Carlos Ramos Troyman, D.Sc. (Co-Orientador) Ricardo Homero Ramírez Gutiérrez,M.Sc., DENO/COPPE/UFRJ Carlos Antonio Levi da Conceicao, D.Sc., DENO/COPPE/UFRJ RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JANEIRO DE 2018 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheira Naval e Oceânica. Re-Análise do Sistema Propulsivo de um Casco tipo Planeio Diego Metropolo Janeiro/2018 Orientador: Luiz Antônio Vaz Pinto Curso: Engenharia Naval e Oceânica O presente projeto tem por objetivo realizar uma nova análise na embarcação de planeio Barco Chefe 2, incluindo um novo procedimento de obtenção da geometria do propulsor para a determinação de curvas de desempenho mais fidedignas. Com o auxílio de tais curvas e medições obtidas na prova de mar, será possível uma análise do desempenho propulsivo atual da embarcação. Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. Re-Analysis of the Propulsive System of a Planning Hull Diego Metropolo January/2018 Advisor: Luiz Antônio Vaz Pinto Course: Naval Architecture and Marine Engineering The objective of this project is to carry out a new analysis on the planning hull Barco Chefe 2, including a new procedure to obtain the propeller geometry for the determination of more reliable performance curves. With the aid of such curves and measurements obtained in the sea trial, it will be possible to analyze the present propulsive performance of the vessel. 1 Índice 1 Introdução ............................................................................................................... 2 Motivação ........................................................................................................... 2 1.1 Objetivo .............................................................................................................. 2 1.2 2 Fundamentos ........................................................................................................... 3 Resistência ao avanço da embarcação ................................................................ 3 2.1 2.1.1 Embarcações de planeio .............................................................................. 4 Sistema Propulsivo ............................................................................................. 5 2.2 2.2.1 Interação entre casco e propulsor ................................................................ 7 Métodos de Cálculo do Escoamento em Regime Permanente em Torno 2.3 de Propulsores Tipo Hélice ........................................................................................... 8 2.3.1 Teoria do Momentum Axial ........................................................................ 8 2.3.2 Teoria do Elemento de Pá ........................................................................... 9 Método Painel .................................................................................................. 10 2.4 2.4.1 Condições de Contorno ............................................................................. 11 2.4.2 Discretização do Propulsor ....................................................................... 12 2.4.3 Sistema de Equações Lineares .................................................................. 13 2.4.4 Determinação do Empuxo e Torque ......................................................... 14 2.4.5 Conclusão .................................................................................................. 15 Geometria do Hélice......................................................................................... 15 2.5 3 Estudo de Caso ...................................................................................................... 17 Seleção da Embarcação .................................................................................... 17 3.1 Levantamento da Geometria do Propulsor ....................................................... 18 3.2 Digitalização da pá do propulsor ...................................................................... 20 3.3 3.3.1 Obtenção da malha de painéis pelo programa GeoPro ............................. 23 Medições dos Torques dos Eixos Propulsores ................................................. 25 3.4 4 Conclusões e Trabalhos Futuros.......................................................................... 27 Análise dos Propulsores ................................................................................... 27 4.1 Sugestões de Trabalhos Futuros ....................................................................... 28 4.2 5 Referências Bibliográficas .................................................................................... 29 6 Anexos .................................................................................................................... 30 2 1 Introdução O desenvolvimento de embarcações de planeio se deve à necessidade de superar as limitações hidrodinâmicas associadas às altas velocidades de operação em cascos tradicionais de deslocamento. Para a obtenção dessa condição, é de suma importância o bom casamento entre casco, motor, propulsor e eixo de transmissão, com todos os componentes operando próximo de sua máxima eficiência. Motivação 1.1 Devido ao fato do desempenho da embarcação estudada estar aquém das expectativas, se fez necessária a análise dos possíveis fatores responsáveis, sendo o conjunto propulsivo o de maior relevância. Havendo a disponibilidade de um método mais preciso para a obtenção da geometria do hélice empregado nesta embarcação, em relação à obtida na análise anterior, novas curvas de desempenho puderam ser geradas. Objetivo 1.2 Realizar uma nova análise no desempenho da embarcação de planeio Barco Chefe 2, objeto do projeto de graduação do então aluno Valério dos Santos Lourenço, através de métodos mais eficazes na obtenção da geometria da pá do hélice. 3 2 Fundamentos Resistência ao avanço da embarcação 2.1 A resistência ao avanço de uma embarcação é a força contrária ao seu movimento, conforme a mesma se desloca a uma determinada velocidade em mar calmo. Tal força determina o empuxo requerido de um sistema propulsivo e é composta de diversos fatores que interagem entre si de forma complexa (Bertram, 2000 [1]), podendo ser dividida em quatro componentes principais: Resistência friccional: Pelo fato da água ser um fluido viscoso, as partículas imediatamente adjacentes ao casco aderem ao mesmo e se movem na velocidade do navio criando um gradiente de velocidades até onde a água se encontra parada. A energia desprendida para aceleraressa massa de água é consequência da resistência friccional, podendo ser responsável por até 85% da resistência total, no caso de navios de deslocamento com alto coeficiente de bloco, e em torno de 50% em navios rápidos e de corpo “alongado” (Harvald, 1992 [2]). Resistência devido à geração de ondas: causada pela perda de energia dispendida na geração do sistema de ondas que surge na superfície. Resistência devido à geração de vórtices: conforme o navio se desloca, vórtices são emanados pelo casco e apêndices, dissipando energia. Resistência do ar. A resistência devido à geração de ondas e vórtices são geralmente consideradas juntas, sob o nome de Resistência residual, que é responsável por até 25% da resistência total para navios lentos e entre 40-60% para navios de alta velocidade [2]. 4 2.1.1 Embarcações de planeio No caso de embarcações de planeio, a resistência ao avanço é reduzida através da diminuição da área molhada do casco, possibilitando-a atingir velocidades que não seriam possíveis em um casco deslocante. De acordo com Savitsky, 1992 [3], uma embarcação é considerada de planeio quando seu número de Froude, representado pela equação 1, está acima de 1.2, podendo ser aproximado para 𝐹𝑛 > 1.0. onde: 𝐹𝑛 – número de Froude; 𝑉 – velocidade de serviço; 𝑔 – aceleração da gravidade; 𝐿 – comprimento da embarcação. 𝐹𝑛 = 𝑉 √𝑔𝐿 (1) Segundo Molland, 2011 [4], A curva de velocidade de uma embarcação de planeio se divide em três estágios distintos: deslocamento, semi-planeio e planeio, como apresentado na Figura 1, que relaciona a resistência ao avanço da embarcação com seu número de Froude. Figura 1- Faixas de resistência ao avanço 5 Sistema Propulsivo 2.2 O sistema propulsivo de um navio é composto por motor, caixa redutora, eixo de transmissão e propulsor (Figura 2), onde o motor é responsável pela geração de energia, transmitida pelo eixo até o propulsor, que a converte no empuxo necessário para mover a embarcação. Figura 2- Sistema Propulsivo de um navio A potência gerada pelo motor é medida por um freio instalado no virabrequim (eixo de manivelas), sendo calculado pela equação 2: onde: 𝑃𝐵 – potência medida no eixo, em kW; 𝑄 – torque, em kN-m; 𝑛 – revoluções por segundo. 𝑃𝐵 = 2𝜋𝑄𝑛 (2) A potência entregue ao propulsor, 𝑃𝐷, é menor do que a gerada pelo motor, devido a perdas no eixo transmissor, sendo calculada pela equação 3: onde: 𝑃𝐷 – potência entregue ao propulsor, em kW; 𝑃𝐵 – potência medida no eixo, em kW; 𝑃𝐷 = 𝑃𝐵𝜂𝑆 (3) 6 𝜂𝑆 – eficiência do eixo transmissor. Conforme o propulsor avança, com velocidade 𝑉𝐴, um empuxo 𝑇 é desenvolvido, e a potência gerada pelo propulsor, 𝑃𝑇, é calculada pela equação 4: onde: 𝑃𝑇 – potência requerida pelo propulsor, em kW; 𝑇 – empuxo desenvolvido pelo propulsor; 𝑉𝐴 – velocidade de avanço do propulsor em relação à água. 𝑃𝑇 = 𝑇𝑉𝐴 (4) Com o navio se deslocando a uma velocidade 𝑉 e sofrendo uma resistência 𝑅, a potência efetiva, 𝑃𝐸, é calculada pela seguinte fórmula: onde: 𝑃𝐸 – potência efetiva, em kW; 𝑅 – resistência sofrida pela embarcação; 𝑉 – velocidade da embarcação. 𝑃𝐸 = 𝑅𝑉 (5) A razão entre a potência efetiva, PE, e a potência entregue ao propulsor, PD, é denominada eficiência quase-propulsiva, onde três fatores são levados em consideração: a eficiência do propulsor operando em águas abertas, a eficiência do casco e a eficiência rotativa relativa, devido à diferença do torque quando o propulsor opera atrás de um casco, em relação a quando ele opera em águas abertas. onde: 𝜂𝐷 – eficiência quasi-propulsiva; 𝑃𝐸 – potência efetiva; 𝑃𝐷 – potência entregue ao propulsor. 𝜂𝐷 = 𝑃𝐸 𝑃𝐷 (6) 7 A eficiência propulsiva, portanto, é definida pela equação 7: onde: 𝜂𝐷 – eficiência quase-propulsiva; 𝜂𝑆 – eficiência do eixo transmissor; 𝑃𝐸 – potência efetiva; 𝑃𝐵 – potência medida no eixo. 𝜂𝑃 = 𝑃𝐸 𝑃𝐵 = 𝜂𝐷𝜂𝑆 (7) 2.2.1 Interação entre casco e propulsor Wake ou esteira: A presença do casco altera o fluxo de água que chega ao propulsor. A água ao redor do mesmo (perto da popa) terá uma velocidade relativa à do navio, denominada Wake (esteira), fazendo com que o propulsor avance em relação à água a uma velocidade VA, geralmente menor do que a velocidade V do navio. onde: 𝑤 – fator de esteira. 𝑉𝐴 = 𝑉(1 − 𝑤) (8) Redução de empuxo: Quando um casco é rebocado, uma área de alta pressão é gerada na popa, resultando numa componente de força à vante que reduz a resistência total da embarcação. Com a presença de um propulsor, no entanto, o fluxo de água é acelerado nessa área, diminuindo a pressão e, consequentemente, reduzindo essa componente de força de avanço, aumentando a resistência total R e, com isso, o empuxo necessário T para propelir o navio. Onde: 𝑡 – fator de redução de empuxo. 𝑅 = 𝑇(1 − 𝑡) (9) 8 Métodos de Cálculo do Escoamento em Regime Permanente em Torno 2.3 de Propulsores Tipo Hélice 2.3.1 Teoria do Momentum Axial A teoria do momento axial considera o propulsor como sendo um disco capaz de imprimir um aumento repentino de pressão no fluido que passa por ele, ignorando como isso é realizado (Lewis, 1988 [5]). Assume-se um disco estacionário de área 𝐴0 em um escoamento não perturbado de velocidade 𝑢𝐴. O fluxo de água que chega ao propulsor é determinado pela fórmula: 𝜌 ∙ 𝑢𝐴 ∙ 𝐴0 e sofre contração e aumento de velocidade até sua saída. Sua área seccional e velocidade de saída são representadas, respectivamente, por 𝐴𝑗 e 𝑢𝑗 . O empuxo gerado pela variação da quantidade de movimento é representado pela equação: 𝑇 = 𝜌 ∙ 𝑢𝐴 ∙ 𝐴0 ∙ (𝑢𝑗 − 𝑢𝐴). O princípio de Bernoulli obriga que 𝑢𝑗 ∙ 𝐴𝑗 = 𝑢𝐴 ∙ 𝐴0, implicando que o fluxo de água sofre uma contração devido à ação propulsiva. A distribuição de velocidade e pressão do escoamento é representada na Figura 3. Figura 3- Variação de pressão e velocidade do fluido ao passar pelo disco propulsor 9 Embora tal teoria se baseie em fundamentos corretos, ela não consegue determinar qual seria a geometria ideal de um propulsor capaz de produzir o empuxo requerido [5]. 2.3.2 Teoria do Elemento de Pá A Teoria do Elemento de Pá explica como o propulsor aumenta a quantidade de movimento (momentum) da coluna de água. O propulsor é analisado como sendo um conjunto de pás separadas, as quais são divididas em tiras do bordo de ataque até o bordo de fuga. As forças em cada tira são avaliadas a partir do conhecimento da velocidade de cada tira em relação à água e decompostas nos elementos tração, 𝑑𝑇, para vante e torque, 𝑑𝑄, no plano de rotação. Ao plotar 𝑑𝑇 e 𝑑𝑄 do hub (bosso) até a ponta (Figura 4), são obtidas as curvas de carregamento de tração e de torque , que quando integradas fornecem a tração total 𝑇 e o torque 𝑄 do propulsor como um todo. Figura 4- Definições e curvas de carregamento em uma pá Tal teoria falha em prever fatores como os efeitos da interferência entre pás e a mudança dos coeficientes de arrasto e sustentação na região da ponta, devido aos vórtices gerados, sendo preferidos outros métodos mais precisos, como o Método do Painel. 10 Método Painel 2.4 O Método Painel foi desenvolvido com o intuito de corrigir a deficiência encontrada nos métodos anteriores em descrever completamente o modelo geométrico do propulsor. Nesse método o modelo potencial é empregado, considerando o fluido como sendo invíscido, devido à complexidade inerente à análise de fluidos viscosos. Como nas condições usuais de projeto o efeito da viscosidade não é degrande importância, tal modelo pode ser utilizado. Tal método é utilizado na análise do propulsor em regime permanente, onde sua resolução é feita através do programa Propul-1, incorporado ao GeoPro (desenvolvido pelo engenheiro Antonio Carlos Troyman) que fornece subsídios para a discretização da superfície e obtenção das saídas gráficas, de acordo com Troyman et al, 1995 [6] Considerando um propulsor de geometria conhecida (Figura 5), o escoamento incompressível de um fluido invíscido que o cerca pode ser caracterizado por um potencial de velocidades, 𝜙. Figura 5- Superfície do corpo de sustentação (Sp + Sb) e sua esteira (Sw) A aplicação da Teoria de Green permite expressar o potencial de perturbação em qualquer ponto 𝑷(𝑥, 𝑦, 𝑧) através da equação: 11 onde: S = Sp + Sb + Sw onde Sp representa a superfície das pás, Sb representa a superfície do bosso e Sw representa a superfície da esteira; 𝐸 = { 0, 𝑠𝑒 𝑷 𝑛ã𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛𝑐𝑒 à 𝑟𝑒𝑔𝑖ã𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎; 1 2⁄ 𝑠𝑒𝑷 𝑝𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛𝑐𝑒 à 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑒𝑖𝑟𝑎 𝑆; 1, 𝑠𝑒 𝑷 𝑝𝑒𝑟𝑡𝑒𝑛𝑐𝑒 à 𝑟𝑒𝑔𝑖ã𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎; 𝑸 = 𝑸(𝑥′, 𝑦′, 𝑧′) é definido sobre a fronteira S (ponto fonte); 𝑷 = 𝑷(𝑥, 𝑦, 𝑧) – ponto campo; 𝑅(𝑷, 𝑸) = √(𝑥 − 𝑥′)2 + (𝑦 − 𝑦′)2 + (𝑧 − 𝑧′)2 é a distância entre os pontos 𝑷 e 𝑸; 𝜕 𝜕𝒏𝑄 é a derivada na direção da normal à superfície 𝑆 no ponto 𝑸. 4𝜋𝐸𝜙(𝑷) = ∬ 𝜙(𝑄) 𝜕 𝜕𝒏𝑄 ( 1 𝑅(𝑷, 𝑸) ) 𝑑𝑆 𝑆 − ∬ 𝜕𝜙(𝑄) 𝜕𝒏𝑄 ( 1 𝑅(𝑷, 𝑸) ) 𝑑𝑆 𝑆 (10) 2.4.1 Condições de Contorno Devido ao fato das pás e do bosso serem consideradas superfícies impermeáveis, a velocidade normal nas mesmas deve ser nula e a condição de contorno em relação a um sistema de eixos fixo no propulsor pode ser expressa por: onde: 𝑉1 = 𝑉∞𝒊 + 𝛀 × 𝒓; 𝑉∞ – módulo da velocidade do escoamento incidente; 𝒊 – vetor unitário na direção do eixo propulsor; 𝛀 – velocidade de rotação do propulsor; 𝒓 – vetor posição definido em relação ao centro de rotação do propulsor 𝜕𝜙 𝜕𝒏𝑄 = −𝑉1 ∙ 𝑛𝑄 , sobre 𝑆𝑝 + 𝑆𝑏 (11) 12 Assumindo que a superfície de esteira seja infinitesimalmente fina e que não exista escoamento ou diferencial de pressão através dela, a condição de contorno sobre a mesma pode ser expressa por: onde os sinais + e – indicam valores da função sobre 𝑆𝑤 quando a aproximação ocorre por cima e por baixo, respectivamente. 𝜕𝜙+ 𝜕𝒏𝑄 = 𝜕𝜙− 𝜕𝒏𝑄 , sobre 𝑆𝑤 (12) Considerando as condições de contorno supracitadas, a equação 10 num ponto 𝑷(𝑥, 𝑦, 𝑧) sobre as superfícies das pás e do bosso se reduz a: onde ∯ indica a integral de valor principal de Cauchy. 2𝜋𝜙(𝑷) − ∯ 𝜙(𝑸) 𝜕 𝜕𝒏𝑄 ( 1 𝑅(𝑷, 𝑸) ) 𝑑𝑆 𝑆𝑝+𝑆𝑏 − ∯ Δ𝜙(𝑸) 𝜕 𝜕𝒏𝑄 ( 1 𝑅(𝑃, 𝑸) ) 𝑑𝑆 𝑆𝑤 = ∯ (𝑽𝟏 ∙ 𝒏𝑄) ( 1 𝑅(𝑷, 𝑸) ) 𝑑𝑆 𝑆𝑝+𝑆𝑏 (13) Assumindo-se a geometria do propulsor discretizada por painéis quadrilaterais, a equação 13 poderia ser reescrita considerando-se uma distribuição polinomial de 𝜙(𝑸) no interior de cada painel. A ordem do polinômio está diretamente relacionada com a quantidade de painéis necessária para representar o modelo geométrico, sendo utilizado neste trabalho o modelo de solução de baixa ordem, por produzir resultados suficientemente precisos enquanto requer um menor esforço computacional (Kerwin et al. (1978) [7]). 2.4.2 Discretização do Propulsor A modelação geométrica do propulsor, necessária para a solução da equação 13, é feita através da discretização das pás, do bosso e da esteira do mesmo. Tal processo consiste na subdivisão dessas superfícies em painéis hiperboloidais, capazes de representar as curvaturas tipicamente encontradas em tal geometria (Figura 6). 13 Figura 6- Discretização do propulsor e sua esteira 2.4.3 Sistema de Equações Lineares Como mencionado na seção 2.3.1, a discretização da superfície do propulsor permite que a equação 13 seja reescrita como um sistema de equações lineares em relação à distribuição polinomial de 𝜙 no interior de cada painel: onde: 𝑁 – número de painéis do propulsor (pá + bosso); 𝑁𝑅 – número de painéis da esteira; 𝜙𝑗 – potencial no interior do j-ésimo painel; Δ𝜙𝑗 = 𝜙𝑗 + − 𝜙𝑗 − (se o painel j está no bordo de fuga); 𝛿𝑖𝑗 = delta de Kronecker { 1, 𝑠𝑒 𝑖 = 𝑗 0, 𝑠𝑒 𝑖 ≠ 𝑗 𝐶𝑖𝑗 = { 0, 𝑠𝑒 𝑖 = 𝑗 ∑ 1 2𝜋 𝑁𝑍 𝑘=1 ∬ 𝜕 𝜕𝒏𝑗𝑆𝑗 ( 1 𝑅𝑖𝑗𝑘 ) 𝑑𝑆𝑗 , 𝑠𝑒 𝑖 ≠ 𝑗 𝑊𝑖𝑗 = ∑ ∑ 1 2𝜋 𝑁𝑍 𝜆=1 ∬ 𝜕 𝜕𝒏𝑗𝑆𝜆 ( 1 𝑅𝑖𝜆𝑘 ) 𝑑𝑆𝜆 𝑁𝑍 𝑘=1 𝐵𝑖𝑗 = ∑ − 1 2𝜋 ∬ ( 1 𝑅𝑖𝜆𝑘 ) 𝑑𝑆𝑗𝑆𝑗 𝑁𝑍 𝑘=1 ∑(𝛿𝑖𝑗 − 𝐶𝑖𝑗)𝜙𝑗 𝑁 𝑗=1 − ∑ 𝑊𝑖𝑗Δ𝜙𝑗 𝑁𝑅 𝑗=1 = − ∑ 𝐵𝑖𝑗(𝑉1 ∙ 𝑛𝑗) 𝑁 𝑗=1 , 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑖 = 1,2, … , 𝑁 (14) 14 2.4.4 Determinação do Empuxo e Torque Com a distribuição de potencial sobre o propulsor determinada é possível obter a distribuição de velocidades e, a partir da equação de Bernoulli, a distribuição de pressões. Conhecidas as distribuições de pressão e velocidade tangencial, é possível a determinação dos valores de empuxo e torque associados à operação do propulsor por: onde: 𝑛𝑖 = 𝑛𝑥𝑖𝑖 + 𝑛𝑦𝑖𝑗 + 𝑛𝑧𝑖𝑘 – vetor normal no centroide do i-ésimo painel (𝑷𝑖); (𝑥𝑖, 𝑦𝑖 , 𝑧𝑖) – coordenadas do ponto 𝑷𝑖; Δ𝑆𝑖 – Área do i-ésimo painel; 𝐶𝐷 – coeficiente de arraste = 0.008; 𝑉𝑡𝑖 = 𝑉𝑡𝑥𝑖𝑖 + 𝑉𝑡𝑦𝑖𝑗 + 𝑉𝑡𝑧𝑖𝑘 – vetor tangencial no ponto 𝑷𝑖; 𝜌 – massa específica do fluido. 𝑇 = 𝑁𝑍 ∑ 𝑝(𝑃𝑖)𝑛𝑥𝑖Δ𝑆𝑖 𝑁 𝑖=1 + 1 2 𝜌𝑁𝑍 ∑ 𝐶𝐷𝑉𝑡𝑥𝑖|𝑉𝑡𝑖|Δ𝑆𝑖 𝑁 𝑖=1 𝑄 = 𝑁𝑍 ∑ 𝑝(𝑃𝑖)(𝑛𝑦𝑖𝑧𝑖 − 𝑛𝑧𝑖𝑦𝑖)Δ𝑆𝑖 𝑁 𝑖=1 + 1 2 𝜌𝑁𝑍 ∑ 𝐶𝐷(𝑉𝑡𝑥𝑖 − 𝑉𝑡𝑦𝑖𝑧𝑖)|𝑉𝑡𝑖|Δ𝑆𝑖 𝑁 𝑖=1 (15) O empuxo, torque e velocidade incidentes são representados de forma adimensionalizada através dos seguintes coeficientes, respectivamente: onde: 𝑛 – rotação do propulsor; 𝐷 – diâmetro do propulsor; 𝐾𝑇 = 𝑇 𝜌𝑛2𝐷4 𝐾𝑄 = 𝑄 𝜌𝑛2𝐷5 𝐽 = 𝑉∞ 𝑛𝐷 (16) 15 2.4.5 Conclusão O Método do Painel demonstrou ser uma eficiente alternativa para a análise e projeto de propulsores com geometria diferente das encontradas nas séries sistemáticas. O programa PROPUL-1 possui as ferramentas necessárias para a resolução desse método, a partir da geometria obtida do software GeoPro. Geometria do Hélice 2.5 O hélice é constituído por um conjunto de pás de mesmo centro que, durante a rotação, descrevem uma trajetória helicoidal e produzem empuxo, propelindo a embarcação. As pás do hélice agem como asas, produzindo força através da diferença de pressão criada entre suas superfícies. A complexa geometria de um propulsor pode ser caracterizada por alguns parâmetros, descritos abaixo e representados pela figura 7, enquanto a seção planificada esta apresentada na Figura 8. Face – superfície da pá voltada para ré Dorso – superfície da pá voltada para a vante t – espessura do perfil c (corda) – distância entre os bordos de ataque e de fuga Bordo de ataque – contorno traseiro da pá, por onde incide o escoamento Bordo de fuga – contorno dianteiro da pá, por onde o escoamento escapa 𝜑 (ângulo de passo) – ângulo cuja tangente é definida pela distância horizontal sobre a distância tangencial, realizadas por uma seção do propulsor após uma revolução em torno de seu eixo. 16 Figura 7- Parâmetros da pá do propulsor tipo hélice Figura 8- Seção planificada 17 3 Estudo de Caso Seleção da Embarcação 3.1 O objeto de estudo desse trabalho e da análise original foi uma embarcação do tipo planeio, monocasco, modelo Gemini 37’ utilizada para transbordo de práticos. Suas características principais e imagem representativa foram retiradas do Projeto Final do então aluno Valério dos Santos Lourenço e estão representadas pela Figuras9 e Tabela 1. Figura 9- Embarcação Barco Chefe 2 Tabela 1- Características Principais 18 Levantamento da Geometria do Propulsor 3.2 Na posse do hélice geometricamente idêntico ao utilizado pela embarcação, foi feito um escaneamento 3D, com o scanner manual HandyScan, disponível no LabOceano. O processo de escaneamento funciona da seguinte forma: Com o scanner apontado em direção ao propulsor, uma luz laser é projetada na superfície do mesmo e, dependendo da distância, ela sofre alterações que são capturadas por câmeras e sensores. Em seguida, essas informações são utilizadas na criação de uma nuvem de pontos com coordenadas X, Y e Z, que no final do processo, se unem para formar uma superfície através de elementos triangulares. A Figura 10 representa o propulsor real ao lado da superfície gerada pelo escaneamento 3D, enquanto a Figura 11 demonstra o equipamento utilizado. Figura 10- Propulsor geometricamente idêntico e superfície gerada pelo seu escaneamento Figura 11- Scanner 3D "HandyScan" 19 É possível reparar que as extremidades das pás apresentam descontinuidades, próximas às regiões de grande curvatura. Tal problema foi resolvido através de um refinamento da malha e trabalho manual nas seções necessárias (0.9R e 0.975R), após passar pelo procedimento descrito nesta seção. A superfície fechada, obtida pelo escaneamento, foi importada para o AutoCad, sendo convertida para uma nuvem de pontos com o objetivo de poder ser exportada para o software SolidWorks. Após a determinação do centro do bosso (onde ficaria a origem do sistema de coordenadas), foram gerados cilindros correspondentes às seções 0.2R (bosso), 0.3R, 0.4R, 0.5R, 0.6R, 0.7R, 0.8R, 0.9R e 0,975R. A Figura 12 mostra a superfície gerada a partir da nuvem de pontos exportada para o SolidWorks e os cilindros gerados para se obterem os perfis necessários ao uso do programa GeoPro. Figura 12- Superfície fechada e cilindros de interseção gerados no Solid Works A interseção de cada um desses cilindros com a superfície de uma pá selecionada (como todas as pás são geometricamente idênticas, apenas aquela com menor quantidade de irregularidades nas extremidades necessitava ser mapeada), pôde definir o perfil da seção correspondente. Tais seções foram planificadas (Figura 13) e exportadas para o programa AutoCad, onde suas medidas foram obtidas. 20 Figura 13- Seção planificada e rotacionada no AutoCad Digitalização da pá do propulsor 3.3 Para o mapeamento do hélice pelo Programa GeoPro, foi necessária a obtenção das medidas que definem o perfil de cada seção, ou seja, 19 pontos da abscissa, com suas respectivas curvaturas e espessuras. As Figuras 14 e 15 representam a seção 0.6R cotada, enquanto a Tabela 1 representa tais medidas dispostas de acordo com o padrão da Série B. Todas as seções geradas pelo GeoPro, assim como suas respectivas tabelas se encontram no anexo B. Figura 14- Dimensões de espessura da Seção 0.6R 21 Figura 15- Dimensões de abscissa e curvatura da Seção 0.6R 22 Tabela 2- Seção de raio 0.6R no padrão da série B de Troost Seção 0.6 Abcs/Corda Curvt/Diâm Esps/Diâm 1 0.463788 0.000000 0.000000 2 0.448156 -0.000491 0.008957 3 0.432545 -0.001043 0.013078 4 0.401281 -0.002216 0.017466 5 0.370037 -0.003353 0.020190 6 0.338793 -0.004164 0.021862 7 0.276286 -0.005621 0.024138 8 0.213799 -0.006784 0.025509 9 0.088783 -0.009017 0.027310 10 -0.036212 -0.011897 0.027129 11 -0.161186 -0.010052 0.023983 12 -0.286201 -0.008716 0.019672 13 -0.348709 -0.007431 0.017310 14 -0.411196 -0.005724 0.015086 15 -0.442460 -0.004560 0.013733 16 -0.473704 -0.003155 0.012095 17 -0.504947 -0.001405 0.009155 18 -0.520580 -0.000534 0.006457 19 -0.536191 0.000000 0.000000 Onde Abcs se refere à abscissa 𝑙 medida no eixo L, Curvt se refere à curvatura �̅�(𝑙) medida no eixo S e Esps se refere à espessura 𝑡(𝑙), de acordo com a Figura 16. Figura 16- Definição do perfil da seção 23 3.3.1 Obtenção da malha de painéis pelo programa GeoPro Para utilização dos dados apresentados nas tabelas, foi necessária a conversão das mesmas para um arquivo de texto. Após o emprego desse arquivo como input, o programa GeoPro foi capaz de montar a panelização do hélice e sua respectiva esteira de vorticidade (Figura 17), podendo definir a geometria que seria importada para o programa PROPUL-1, demonstrada na Figura 18. Figura 17- Panelização do hélice com sua esteira de vorticidade Figura 18- Panelização do hélice para o programa PROPUL-1 24 Dessa forma, foi possível a obtenção das curvas de desempenho 𝐾𝑇 , 𝐾𝑄 𝑥 𝐽 conforme definido na tela do programa GeoPro, apresentada na Figura 19 Figura 19- Curvas Kt, Kq x J 25 Medições dos Torques dos Eixos Propulsores 3.4 O procedimento de medição, conduzido pela equipe do LEDAV, consistia na instalação de strain gages (extensômetros elétricos) e um Sistema de Medição de Eixos Girantes (SMEG) nos eixos dos motores de boreste e bombordo, para a medição de torque e rotação, captados por um software dedicado à aquisição dos mesmos, enquanto a embarcação desenvolvia diferentes velocidades no seu percurso de ida e volta entre Niterói e Rio de Janeiro. As velocidades foram ajustadas para cada rotação imposta aos motores durante o percurso, sendo elas: 1000 rpm, 1200 rpm, 1400 rpm, 1600 rpm, 1800 rpm, 2000 rpm, e 2100 rpm. O equipamento instalado no eixo e a interface do software utilizado na aquisição de sinais estão apresentados, respectivamente, nas Figuras 20 e 21. Figura 20- Strain Gage e MMM acoplados ao eixo 26 Figura 21- Interface do software utilizado na aquisição de sinais O Strain Gage é um transdutor que, ao medir as deformações mecânicas no eixo, através da alteração sofrida na resistência interna do material quando o mesmo se expande, permite conhecer o torque disponibilizado, enquanto o Sistema de Medição de Eixos Girantes (SMEG) permite calcular as rotações do eixo. Com esses resultados medidos e com auxílio dos dados obtidos pelo GeoPro, foram determinados os rendimentos e os coeficientes de avanço, empuxo e torque para cada rotação, além do rendimento do propulsor no desempenho da embarcação. A Tabela 3 contém os valores de potência, 𝐾𝑇 , 𝐾𝑄 𝑥 𝐽 e rendimento para cada rotação aferida. Tabela 3-Valores de potência, rendimento e Kt, Kq x J para cada rotação 27 4 Conclusões e Trabalhos Futuros Análise dos Propulsores 4.1 Devido a valores de rotação muito altos no eixo de boreste, produzindo resultados não compatíveis com os esperados, a medição do mesmo foi desconsiderada, sendo a avaliação toda baseada no eixo de bombordo. A análise dos resultados demonstra uma disparidade entre a rotação imposta ao motor e a medida pelo Sistema de Medição de Eixos Girantes (SMEG) de aproximadamente 20%. Isso significa que apesar da rotação máxima indicada estar estipulada como 2200 RPM, o máximo possível de ser atingido ficaria em torno de 1700 RPM. Tal resultado se mostra coerente tanto com o obtido na medição anterior quanto o obtido na medição recente, onde a rotação máxima se manteve em torno de 1770 RPM. Observa-se ainda um desequilíbrio entre a potência máxima entregue ao propulsor e a descrita nas especificações do motor, embora menor do que o encontrado na medição anterior. A potência máxima obtida na última análise foi de 220 HP, estando um pouco abaixo de 70% da nominal, de 320 HP. Ainda assim, demonstrou uma melhora em relação à potência máxima obtida na primeira medição, que foi de 180 HP para o eixo de bombordo. Tal resultado valida a recomendação feita pelo então aluno Valério dos Santos Loureço, desubstituir as caixas redutoras por outras de menor razão de redução, devido aos melhores resultados obtidos com a engrenagem de razão 1:67 em relação à de 1:96. Além disso, analisando a progressão dos coeficientes de avanço nas curvas de desempenho geradas pelo GeoPro, percebe-se que os pontos de operação estão abaixo da eficiência máxima de 70.88%, atingindo apenas 56%. Conclui-se, desta forma, que apesar das curvas de desempenho geradas estarem coerentes com as provas de mar, a modificação executada na caixa redutora não foi o suficiente para a embarcação desenvolver a velocidade necessária para obter a condição de planeio. 28 Sugestões de Trabalhos Futuros 4.2 Perseguindo a obtenção da condição de planeio, sugere-se trocar as engrenagens redutoras por outras de razão de redução ainda menor, com o intuito de aumentar a potência disponível nos propulsores. Poderá ser mantido o diâmetro do propulsor. Como não houve aumento da rotação do motor após a mudança da razão de redução das engrenagens, pode-se assumir que o atrito entre as pás e a fluido não é o fator limitante do desempenho. No caso de ocorrer uma nova medição, recomenda-se instalar um Sistema de Medição de Eixos Girantes (SMEG) em cada bordo, para monitoramento simultâneo dos eixos de bombordo e boreste. Adicionalmente, poderá ser feita uma simulação quanto à condição de cavitação do propulsor em CFD, utilizando-se as distribuições de pressão nas pás do propulsor disponíveis no programa GeoPro. 29 5 Referências Bibliográficas [1] BERTRAM, V. Pratical Ship Hydrodynamics. Butterworth-Heinemann. Grã Bretanha, 2000 [2] HARVALD, SV. AA. Resistance and Propulsion of Ships. Department of Ocean Engineering, Lyngby, 983 [3] SAVITSKY, D. Hydrodynamic Design of Planing Hulls. Marine Technology, Vol. 1, No 1. New Jersey, 1964. [4] MOLLAND, A. F.; TURNOCK, S. R.; HUDSON, D. A. Ship Resistance and Propulsion. University of Southampton. Cambridge University Press. Cambridge, 2011. [5] LEWIS, EDWARD V. Principles of Naval Architeture – S.N.A.M.E. Vol 2, 1988 [6] TROYMAN, A. C. R.; CONCEIÇÃO, C. A. L– Análise Hidrodinâmica de Propulsores Em Regime Permanente e Não Permanente – COPPE/UFRJ, Programa de Engª Oceânica, Jun. 1995 [7] KERWIN, J. E.; LEE, C. – Prediction of Steady and Unsteady Marine Propeller Performance by Numerical Lifting-Surface Theory – S.N.A.M.E. Transacticons, Vol. 86, 1978 30 6 Anexos A) Arranjo Geral da Embarcação B) Medidas dos perfis segundo padrão da Série B e sua geometria gerada pelo GeoPro 31 Anexo A (Arranjo Geral da Embarcação) 32 Anexo B (Medidas dos perfis segundo padrão da Série B e sua geometria gerada pelo GeoPro) 33 34 35 36 37 38 39 40 41
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