Aulas UPE - Módulo 5_aula_2009

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Curso de Especialização em Engenharia Naval
Módulo 5: Instalações Propulsoras e sistemas auxiliares 
Prof. Dr. Helio Mitio Morishita
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 5: Instalações Propulsoras e Sistemas Auxiliares
Instalações Propulsoras e Sistemas Auxiliares
Instalações Propulsoras: 
	Sistema responsável pela movimentação e manobra do navio;
Sistemas auxiliares:
	Sistemas que garantem a operação da instalação propulsora e também os serviços do navio
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 5: Instalações Propulsoras e Sistemas Auxiliares
Instalações Propulsoras e Sistemas Auxiliares
Os custos de um navio dependem de sua complexidade e do número de unidades a serem construídas.
Os navios de cruzeiro e transporte rápido de passageiros são os mais caros, juntamente com os militares.
Especialização em Engenharia Naval – Módulo 5: Instalações Propulsoras e Sistemas Auxiliares
Instalações Propulsoras e Sistemas Auxiliares
As instalações propulsoras e sistemas auxliares dependem do tipo do navio 
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Navios Tanque
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Navio Conteneiro
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Navios para Transporte de G.L.
Estes navios são especializados no transporte de gases liquefeitos (por pressurização e/ou resfriamento).
Por se tratarem de hidrocarbonetos, são altamente inflamáveis
Navios desta classe exigem alto nível de sofisticação quanto à manutenção da carga em condições seguras.
Dois grandes grupos de navios especializados no transporte de gás liquefeito:
LNG – “Liquefied Natural Gas” 
LPG – “Liquefied Petroleum Gas” 
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Navios de Passageiros
Subdivididos em dois grandes grupos:
Navios de cruzeiro
Transporte rápido, “ferries”
Privilegiam:
Conforto 
Segurança
Portanto, implicam em altos custos de construção, operação e manutenção. 
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Embarcações de apoio às plataformas
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Navios de Passageiros
Classe de navios em rápida e constante evolução 
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Navios de Passageiros
Eventualmente, os “ferries” podem, também, disponibilizar o transporte simultâneo de veículos rodoviários – ROPAX
Pouca compartimentagem: histórico recente de acidentes.
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Embarcações não convencionais
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Especialização em Engenharia Naval – Módulo 5: Instalações Propulsoras e Sistemas Auxiliares
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Integração de sistemas
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Autonomia
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Confiabilidade
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PROPULSORES
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Hélice
Fig. 2.1. Exemplo de propulsor tipo hélice.
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Passo do hélice
Fig. 2.2. Passo de um saca-rolha.
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Diagrama de velocidade do hélice
Centro do Eixo propulsor
a
sustentação
Sentido da rotação
Empuxo do propulsor
Velocidade devido ao avanço do navio
Velocidade devido a 
rotação do perfil
Ângulo de ataque
Velocidade de incidência
Centro do Eixo propulsor
a
sustentação
Sentido da rotação
Empuxo do propulsor
Velocidade devido ao avanço do navio
Velocidade devido a 
rotação do perfil
Ângulo de ataque
Força de reação que se opõe ao torque aplicado
Velocidade de 
Fig. 2.3. Diagrama esquemático das velocidades e das forças em torno de uma seção do hélice.
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TIPOS DE HÉLICE
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Hélice de passo fixo
Fig. 2.4. Esquema de um hélice de passo fixo.
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Hélice de passo controlável
Fig. 2.5. Esquema da hélice de passo controlável.
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Hélice em dutos
Fig. 2.6. Esquema de um hélice em dutos.
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Hélice azimutal
Fig. 2.7. Esquema de um hélice azimutal 
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Hélice pod
Fig. 2.8. Esquema de hélice tipo pod.
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Jato bomba
a) Esquema de um propulso jato-bomba com leme
b) Propulsor tipo jato-bomba sem o leme 
Fig. 2.9. Esquema de uma propulsor tipo jato bomba.
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Hélice de alto caimento
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Hélice de passo ajustável
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Hélice contra rotativo
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Hélice contrarotativo em lanchas
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Hélices contrarotativos com pod
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Instalações propulsoras
TIPOS DE MÁQUINA PRINCIPAL
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Instalações propulsoras
Perspectiva histórica
Máquina alternativa com pistão movido a vapor gerado a partir da queima de carvão (século XIX)
Introdução de ciclo a vapor e motor Diesel (início do séc. XX);
Até meados de 1960 ciclos a vapor eram utilizados para potência maior que 25 MW e motor Diesel para potências inferiores;
Na década de 1950 foram introduzidos turbina a gás e instalações nucleares na engenharia naval;
A partir da década de 80 houve um grande avanço tecnológico nos motores Diesel e é o tipo de motor principal que domina o mercado;
Ciclo a vapor está em desuso;
Instalações nucleares só tem aplicação militar
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Instalações Propulsoras
Tipos de máquina principal
Motor Diesel
Turbina a gás
Ciclos a vapor
Instalações nucleares
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Tipos de máquina principal
MOTOR DIESEL
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Diagrama termodinâmico do motor Diesel
Fig. 2.10. Diagrama pressão volume do ciclo Diesel
a) diagrama de pressão x volume 
b) diagrama temperatura x entropia.
(a)
(b)
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Motor Diesel de 4 tempos
Fig. 2.11. Esquema de operação de um motor de 4 temposa) admissão do ar; 
b) compressão do ar; c)combustão e expansão e d) descarga dos gases.
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Motores de 4 tempos
Fig. 2.12. Corte Transversal de motores de 4 tempos
(a) motor com cilindros em linha 
(b) motor com cilindros em V.
(a)
(b)
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Motor Diesel de 2 tempos
Fig. 2.13. Esquema de um motor Diesel de 2 tempos a) início da compressão; 
b) final da compressão; c) combustão; d) expansão; e) descarga dos gases e admissão de ar.
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Motor Diesel de 2 tempos
Fig. 2.14 Corte de um motor de 2 tempos 
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Motor Diesel de baixa rotação
Fig. 2.15 Exemplo de um motor Diesel de baixa rotação.
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Motor Diesel de alta rotação
Fig. 2.16. Exemplo de um motor de alta rotação.
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Tipos de máquina principal
TURBINA A GÁS
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Diagrama termodinâmico do ciclo de Brayton
Fig. 2.17. Processo de um ciclo de Brayton 
a) diagrama pressão x volume específico 
b) diagrama temperatura x entropia.
(a)
(b)
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Esquema de uma turbina a gás
Fig. 2.18. Diagrama esquemático de uma turbina a gás.
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Corte de uma turbina a gás
Fig. 2.19. Corte de uma turbina a gás de dois eixos.
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Transmissão de potência
CONEXÃO DIRETA
CONEXÃO COM ENGRENAGEM REDUTORA
TRANSMISSÃO ELÉTRICA
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Transmissão Direta
Fig. 2.20. Esquema de uma conexão direta.
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Conexão com engrenagem redutora
Engrenagem redutora
É utilizada quando se utiliza motores Diesel de alta ou média rotação, turbina a gás ou turbina a vapor
Algumas engrenagens permitem a utilização de reversores que evitam a utilização de hélice de passo controlável
São utilizados em instalações combinadas
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Transmissão elétrica
Neste caso a máquina principal que pode ser motor Diesel ou turbina a gás aciona um gerador elétrico e a energia é utilizada tanto pela instalação como pelos demais sistemas auxiliares do navio;
A energia é transmitida por cabos elétricos o que confere alta flexibilidade de arranjo
A corrente elétrica pode ser tanto corrente contínua ou corrente alternada;
Atualmente predomina a corrente alternada e a rotação do motor que aciona o hélice é por conversor de frequência;
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Transmissão elétrica
A transmissão elétrica é recomendado quando:
Há uma demanda grande de energia que não seja somente para a propulsão como no caso de navios de passageiros ou navios com sistema de posicionamento dinâmico;
Utiliza propulsores tipo pod 
Há necessidade de torque alto e/ou resposta rápida da rotação do hélice.
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Tipos de instalação propulsora
Fatores que afetam o tipo de instalação propulsora:
Potência requerida
Peso
Espaço
Custo inicial e custo de operação
Demanda de energia elétrica
Confiabilidade e manutenabilidade
Requisito de manobrabilidade
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Tipos de instalação propulsora
Hélice passo fixo, eixo propulsor e motor Diesel de baixa rotação;
Hélice de passo controlável, eixo vazado e motor Diesel de baixa rotação;
Hélice de passo fixo, motor elétrico (CA) e diesel gerador;
Hélice azimutal com acionamento por motor Diesel ou motor elétrico;
Hélice tipo POD com geração de energia elétrica a partir de motor Diesel ou turbina a gás;
Hélice de passo variável, eixo vazado e máquina principal com arranjo combinado:
CODAD
CODAG ou CODOG;
COGAG
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HÉLICE
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Hélice
Geometria do hélice
Diâmetro
Passo
Número de pás;
Área do disco;
Área expandida
Razão de áreas
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Hélice
Séries sistemáticas
São obtidas através de ensaios onde são medidos o empuxo, o torque e a rotação, variando-se a velocidade de incidência da água e sem a presença do casco (ensaio de água aberta);
A velocidade de incidência da água é denominada velocidade de avanço;
Exemplos de séries sistemáticas
Série B de Troost
Série de Gawn
Série de Schoenherr
Série de AU e MAU
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Hélice
Para cada propulsor definido pelo número de pás, razão de área e razão passo diâmetro são definidos os seguintes admensionais
Coeficiente de empuxo
Coeficiente de torque
Eficiência do hélice em água aberta
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Curva característica de um hélice
Fig. 3.1. Curva típica dos coeficientes de empuxo e de torque, 
e de eficiência de um propulsor em água aberta.
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Cavitação do hélice
Fig. 3.2. Cavitação do dorso do hélice.
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Cavitação do hélice
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INTERAÇÃO CASCO - PROPULSOR
Coeficiente de esteira
Coeficiente de redução da força propulsora
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DEFINIÇÃO DE EFICIÊNCIAS
Eficiência rotativa relativa do hélice
Eficiência do casco
Eficiência propulsiva
Eficiência de transmissão
Eficiência total
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Instalações Propulsoras
Integração casco – hélice - motor
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Instalação propulsora
Fig. 5.1. Esquema de uma instalação propulsora com hélice de passo fio, eixo e motor Diesel.
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Integração casco-hélice-motor
Será admitido que são conhecidos
Curva de resistência ao avanço bem como a velocidade de projeto;
Diâmetro do hélice;
Coeficiente de esteira;
Coeficiente de redução da força propulsora;
Eficiência rotativa relativa;
Eficiência de transmissão;
A faixa de rotação e de potência requerida do motor principal;
Uma série sistemática do hélice;
Catálogo de motores;
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Integração casco-hélice-motor
Equações básicas
Empuxo do hélice = resistência ao avanço (coef. Red. Avanço)
Potência entregue ao hélice + perdas no eixo = potência do motor
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Curva de resistência ao avanço
A curva de resistência de casco nú é dadapor:
Considerações adicionais
Acrescenta-se normalmente de 8 a 11% devido ao acréscimo de regusidade;
Acrescenta-se normalmente de 7 a 14% devido ao estado de mar;
A curva de resistência é dada portanto, por:
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Curvas características do propulsor
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Motor Diesel: família de motores
Fig. 5.2. Exemplo típico de uma família de curvas.
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Motor diesel: Layout Diagram
Fig. 5.3. ”Layout Diagram” do motor Diesel.
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Motor Diesel: dados de uma série
Fig. 5.4. Dados específicos de uma série de motores.
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Equações da Integração
a) equalização da força do propulsor com a resistência ao avanço
					
b) equalização da potência requerida com a potência fornecida pelo motor
	 
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Integração casco hélice
Fig. 5.5. Solução da integração casco hélice.
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Integração casco hélice
EXERCÍCIO
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Influência do diâmetro e do passo na potência da instalação propulsora
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Instalações Propulsoras
Sistemas auxiliares
Sistemas auxiliares de propulsão
Sistemas auxiliares de serviço do navio
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Sistemas auxiliares
Sistemas auxiliares de propulsão
Sistema de combustível de óleo pesado e óleo leve
Sistema de lubrificação do motor e da engrenagem redutora (se houver)
Sistema de resfriamento do motor
Sistema de admissão do ar e descarga dos gases de exaustão;
Sistema de ar de partida e de controle
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Sistemas auxiliares
Sistemas auxiliares de serviço do navio
Sistemas elétricos
Sistema de refrigeração
Sistema de carregamento e transferência de óleo combustível
Sistema de esgoto e lastro
Sistema de geração de vapor
Sistema de carregamento e transferência de óleo lubrificante
Sistema de incêndio
Sistema de CO2
Sistemas de ventilação e ar condicionado
Gerador Diesel de emergência
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Sistemas auxiliares
rede de tratamento do combustível
Fig. 6.2. Diagrama da rede de tratamento de combustível.
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Sistemas auxiliares
Rede de combustível
Fig. 6.1. Diagrama da rede de combustível na praça de máquinas.
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Sistemas auxiliares
Rede de combustível para barcos pequenos
Fig. 6.3. Diagrama da rede de combustível para barcos pequenos.
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Sistemas auxiliares
Sistema de lubrificação
Fig. 6.8. Esquema do sistema de lubrificação de baixa pressão para um motor.
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Sistemas auxiliares
Sistema de óleo lubrificante
Fig. 6.9. Esquema da movimentação de óleo do tanque de armazenamento até o tanque de dreno.
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Sistemas auxiliares
Sistema de tratamento de óleo lubrificante
Fig. 6.10. Processo de tratamento de óleo lubrificante. 
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Sistemas auxiliares
Sistema de lubrificação dos cilindros
Fig. 6.11. Sistema de lubrificação dos cilindros em motores marítimos de baixa rotação.
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Sistemas auxiliares
Sistema de resfriamento: água doce
Fig. 6.12. Sistema de água doce.
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Sistemas auxiliares
Sistema de água doce: resfriamento dos injetores
Fig. 6.13. Sistema de água doce com tanque de separação de óleo.
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Sistemas auxiliares
Sistema de refrigeração: água salgada
Fig. 6.14. Sistema de água salgada.
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Sistemas auxiliares
Sistema aberto de resfriamento
Fig. 6.16. Sistema aberto de resfriamento.
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Sistemas auxiliares
Sistema de ar de partida
Fig. 6.17. Sistema de ar de partida de motores de propulsão.
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Sistemas auxiliares
Sistema de admissão de ar 
Fig. 6.19. Sistema de admissão de um motor.
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Sistemas auxiliares
Sistema dos gases de exaustão
Fig. 6.21. Sistema de descarga de uma instalação propulsora.
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Sistemas auxiliares
Sistema de refrigeração
Fig. 6.22. Ciclo termodinâmico de um ciclo de refrigeração
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Sistemas auxiliares
Ciclo de refrigeração
Fig. 6.23 Componentes de um ciclo de refrigeração
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Sistemas auxiliares
Ciclo de refrigeração de uma câmara frigorífica
Fig. 6.24. Ciclo de uma câmara frigorífica.
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Sistemas auxiliares
Ciclo indireto de refrigeração
Fig. 6.25. Ciclo indireto de refrigeração com salmoura.
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Sistemas auxiliares
Sistema de recebimento e transferência de óleo combustível
Fig. 6.26. Exemplo de um sistema de recebimento e transferência de óleo combustível
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Sistemas auxiliares
Sistema de esgoto e lastro
Fig. 6.27. Exemplo de um sistema de esgoto e lastro típico.
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Sistemas auxiliares
Sistema de esgoto de água contaminada
Fig. 6.28. Exemplo de um sistema de esgoto de água contaminada.
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Sistemas auxiliares
Sistema de geração de vapor com caldeira de recuperação
Fig. 6.29. Exemplo de sistema de geração de vapor com caldeira de recuperação.
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Exemplo de arranjo de praça de máquinas
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