Instalações propulsoras e sistemas auxiliares

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ESCOLA POLITÉCNICA DA 
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 
Departamento de Engenharia Naval e Oceânica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ESPECIALIZAÇÃO EM 
ENGENHARIA NAVAL 
 
 
Módulo 5: Instalações propulsoras e 
sistemas auxiliares 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROF. DR. HELIO MITIO MORISHITA 
PROF. DR. HERNANI LUIZ BRINATI 
 
 
 
 
 
Material de apoio ao curso oferecido na 
Universidade de Pernambuco – UPE 
 
 
 
 
 
 
 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
1 
 
 
2007 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 20/04/2007 Texto completo 
Versão Data Observações 
Apostila: 
ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA NAVAL 
Módulo 5: Instalações propulsoras e 
sistemas auxiliares 
Dept./Unidade Data Autores 
PNV/EPUSP 2007 Prof. Dr. Helio Mitio Morishita Prof. Dr. Hernani Luiz Brinati 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
2 
Curso oferecido pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 
na Escola Politécnica da Universidade de Pernambuco 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
3 
 
Data Período Horários Assunto 
18:30h – 19:20h Apresentação: Professor, alunos, curso e módulo 5 
19:20h – 20:10h Tipos de propulsores 
20:10h – 21:00h Tipos de propulsores 
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21:00h – 21:50h Tipos de propulsores 
18:30h – 19:20h Tipos de máquina principal 
19:20h – 20:10h Tipos de máquina principal 
20:10h – 21:00h Tipos de transmissão 
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21:00h – 21:50h Tipo de instalações propulsoras 
08:00h – 08:50h Geometria do hélice 
08:50h – 09:40h Curva característica do hélice 
09:40h – 10:10h Curva característica do hélice M
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10:10h – 11:00h Cavitação 
13:00h – 13:50h Interação casco-propulsor 
13:50h – 14:40h Interação casco-propulsor 
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14:40h – 15:30h Definição de eficiências 
Data Período Horários Assunto 
18:30h – 19:20h Integração casco-hélice-motor 
19:20h – 20:10h Integração casco-hélice-motor 
20:10h – 21:00h Integração casco-hélice-motor 
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21:00h – 21:50h Exercício 
18:30h – 19:20h Exercício 
19:20h – 20:10h Sistemas auxiliares 
20:10h – 21:00h Sistemas auxiliares 
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21:00h – 21:50h Sistemas auxiliares 
08:00h – 08:50h Sistemas auxiliares 
08:50h – 09:40h Sistemas auxiliares 
09:40h – 10:10h Sistemas auxiliares M
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10:10h – 11:00h Sistemas auxiliares 
13:00h – 13:50h Arranjo de praça de máquinas 
13:50h – 14:40h Arranjo de praça de máquinas 
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14:40h – 15:30h Arranjo de praça de máquinas 
 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
4 
ÍNDICE 
 
APÊNDICE A CAVITAÇÃO DO HÉLICE.............................................................113
................................................................................................................................ 5 
Lista de Figuras..................................................................................................... 6 
1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 9 
2 INSTALAÇÕES PROPULSORAS................................................................. 11 
2.1 TIPOS DE PROPULSORES ................................................................... 11 
2.1.1 Hélices ............................................................................................ 12 
2.1.2 Jato Bomba..................................................................................... 19 
2.2 TIPOS DE MÁQUINA PRINCIPAL.......................................................... 21 
2.2.1 Motor Diesel.................................................................................... 21 
2.2.2 Turbina a Gás ................................................................................. 31 
2.3 TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA............................................................. 34 
2.4 TIPOS DE INSTALAÇÃO PROPULSORA.............................................. 36 
3 HÉLICE.......................................................................................................... 41 
3.1 GEOMETRIA DO HÉLICE ...................................................................... 41 
3.2 CURVAS CARACTERÍSTICAS DO HÉLICE .......................................... 42 
3.3 CAVITAÇÃO ........................................................................................... 46 
4 INTERAÇÃO CASCO-PROPULSOR ............................................................ 47 
4.1 DEFINIÇÃO DAS EFICIÊNCIAS............................................................. 49 
5 INTEGRAÇÃO CASCO-HÉLICE-MOTOR .................................................... 53 
5.1 PROCEDIMENTO PARA A INTEGRAÇÃO CASCO-HÉLICE-MOTOR.... 61 
6 SISTEMAS AUXILIARES DA PRAÇA DE MÁQUINAS................................ 64 
6.1 INTRODUÇÃO........................................................................................ 64 
6.2 SISTEMA DE ÓLEO COMBUSTÍVEL..................................................... 65 
6.2.1 A rede de combustível .................................................................... 66 
6.2.2 Bombas injetoras e injetores........................................................... 72 
6.3 SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE..................................................... 76 
6.3.1 Lubrificação dos cilindros................................................................ 81 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
5 
6.4 SISTEMA DE RESFRIAMENTO DO MOTOR ........................................ 83 
6.4.1 Sistema de água doce .................................................................... 83 
6.4.2 Sistema de água salgada ............................................................... 86 
6.4.3 Sistema aberto de resfriamento ...................................................... 88 
6.5 SISTEMA DE AR DE PARTIDA.............................................................. 89 
6.6 SISTEMA DE ADMISSÃO ...................................................................... 92 
6.7 SISTEMA DE DESCARGA ..................................................................... 93 
6.8 SISTEMA ELÉTRICOS ........................................................................... 97 
6.9 SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO............................................................. 99 
6.10 SISTEMA DE RECEBIMENTO E TRANSFERÊNCIA DE ÓLEO 
COMBUSTÍVEL ............................................................................................... 104 
6.11 SISTEMA DE ESGOTO E LASTRO ..................................................... 105 
6.12 SISTEMA DE CIRCULAÇÃO DE ÁGUA SALGADA............................. 108 
6.13 SISTEMA DE GERAÇÃO DE VAPOR.................................................. 108 
7 ARRANJO DA PRAÇA DE MÁQUINAS ..................................................... 110 
8 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ................................................................ 113 
APÊNDICE A CAVITAÇÃO DO HÉLICE.............................................................114 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
6 
 
Lista de Figuras
Fig. 2.1. Exemplo de propulsor tipo hélice. .................................................................. 13 
Fig. 2.2. Passo de um saca-rolha. ................................................................................. 13 
Fig. 2.3. Diagrama esquemático das velocidades e das forças em torno de uma 
seção do hélice. ................................................................................................................ 14 
Fig. 2.4. Esquema de um hélice de passo fixo. ........................................................... 15 
Fig. 2.5. Esquema da hélice de passo controlável...................................................... 16 
Fig. 2.6. Esquema de um hélice em dutos. .................................................................. 17 
Fig. 2.7. Esquema de um hélice azimutal..................................................................... 18 
Fig. 2.8. Esquema de hélice tipo pod. ........................................................................... 19 
Fig. 2.9. Esquema de uma propulsor tipo jato bomba. ............................................... 20 
Fig. 2.10. Diagrama pressão volume do ciclo Diesel a) diagrama de pressão x 
volume e b) diagrama temperatura x entropia. ........................................................... 22 
Fig. 2.11. Esquema de operação de um motor de 4 tempos a) admissão do ar; b) 
compressão do ar; c)combustão e expansão e d) descarga dos gases. ................ 24 
Fig. 2.12. Corte Transversal de motores de 4 tempos (a) motor com cilindros em 
linha; (b) motor com cilindros em V. .............................................................................. 25 
Fig. 2.13. Esquema de um motor Diesel de 2 tempos a) combustão e expansão; b) 
descarga dos gases de exaustão; c) admissão do ar; d) compressão.................... 27 
Fig. 2.14 Corte de um motor de 2 tempos. ................................................................... 28 
Fig. 2.15 Exemplo de um motor Diesel de baixa rotação. ......................................... 30 
Fig. 2.16. Exemplo de um motor de alta rotação......................................................... 31 
Fig. 2.17. Processo de um ciclo de Brayton a) diagrama pressão x volume 
específico; b) diagrama temperatura x entropia. ......................................................... 32 
Fig. 2.18. Diagrama esquemático de uma turbina a gás. .......................................... 33 
Fig. 2.19. Corte de uma turbina a gás de dois eixos. ................................................. 33 
Fig. 2.20. Esquema de uma conexão direta................................................................. 35 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
7 
Fig. 3.1. Curva típica dos coeficiente de empuxo e de torque, e de eficiência de um 
propulsor em água aberta. .............................................................................................. 45 
Fig. 3.2. Cavitação do dorso do hélice. ......................................................................... 46 
Fig. 5.1. Esquema de uma instalação propulsora com hélice de passo fio, eixo e 
motor Diesel....................................................................................................................... 53 
Fig. 5.2. Exemplo típico de uma família de curvas. .................................................... 56 
Fig. 5.3. Layout Diagrama do motor diesel................................................................... 57 
Fig. 5.4. Dados específicos de uma serie de motores. .............................................. 57 
Fig. 5.5. Solução da integração casco hélice............................................................... 60 
Fig. 6.1. Diagrama da rede de combustível na praça de máquinas......................... 66 
Fig. 6.2. Diagrama da rede de tratamento de combustível........................................ 67 
Fig. 6.3. Diagrama da rede de combustível para barcos pequenos......................... 71 
Fig. 6.4. Esquema de uma bomba individual. .............................................................. 73 
Fig. 6.5. Princípio do funcionamento da bomba. ......................................................... 73 
Fig. 6.6. Diferentes posições do pistão no cilindro...................................................... 75 
Fig. 6.7. Desenho dos injetores de combustível.......................................................... 75 
Fig. 6.8. Esquema do sistema de lubrificação de baixa pressão para um motor... 77 
Fig. 6.9. Esquema da movimentação de óleo do tanque de armazenamento até o 
tanque de dreno. ............................................................................................................... 79 
Fig. 6.10. Processo de tratamento de óleo lubrificante. ............................................. 81 
Fig. 6.11. Sistema de lubrificação dos cilindros em motores marítimos de baixa 
rotação................................................................................................................................ 82 
Fig. 6.12. Sistema de água doce. .................................................................................. 84 
Fig. 6.13. Sistema de água doce com tanque de separação de óleo. ..................... 85 
Fig. 6.14. Sistema de água salgada. ............................................................................. 87 
Fig. 6.15. Sistema de resfriamento do motor com as redes de água doce e 
salgada. .............................................................................................................................. 87 
Fig. 6.16. Sistema aberto de resfriamento. .................................................................. 88 
Fig. 6.17. Sistema de ar de partida de motores de propulsão. ................................. 90 
Fig. 6.18. Dispositivo de distribuição de ar de partida. ............................................... 91 
Fig. 6.19. Sistema de admissão de um motor. ............................................................ 93 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
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Fig. 6.20. Tipos básicos de silenciadores e retentor de fagulhas............................. 95 
Fig. 6.21. Sistema de descarga de uma instalação propulsora. ............................... 96 
Fig. 6.22. Ciclo termodinâmico de um ciclo de refrigeração.................................... 100 
Fig. 6.23 Componentes de um ciclo de refrigeração ................................................ 101 
Fig. 6.24. Ciclo de uma câmara frigoriífica. ................................................................ 102 
Fig. 6.25. Ciclo indireto de refrigeração com salmoura. ........................................... 103 
Fig. 6.26. Exemplo de um sistema de recebimento e transferência de óleo 
combustível ...................................................................................................................... 104 
Fig. 6.27. Exemplo de um sistema de esgoto e lastro típico. .................................. 106 
Fig. 6.28. Exemplo de um sistema de esgoto de água contaminada. ................... 107 
Fig. 6.29. Exemplo de sistema de geração de vapor com caldeira de recuperação.
........................................................................................................................................... 109 
 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
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1 INTRODUÇÃO 
Foi apresentado em um módulo anterior o conceito de resistência ao 
avanço. Obviamente, o navio, para operar na velocidade desejada, há que vencer 
esta resistência, e, atualmente isto é realizado através da geração interna ao navio 
de potência mecânica que é, de alguma
forma, convertida em empuxo para mover 
o navio. Denomina-se instalação propulsora a este conjunto que gera o empuxo e 
ela é constituída de um propulsor (elemento que gera o empuxo), uma máquina 
principal (elemento de geração primária de energia) e um sistema de transmissão 
de potência entre eles. No entanto, uma instalação propulsora requer vários sub-
sistemas para a sua operação e o próprio navio também demanda outros sub- 
sistemas para garantir habitabilidade, conforto e segurança para a tripulação e 
passageiros. Em geral, o sistema propulsor e os sub-sistemas, denominados de 
sistemas auxiliares, são instalados na região do navio denominado de praça de 
máquinas. 
Obviamente o sistema de propulsão é o mais importante na praça de 
máquinas, pois ele é o responsável pela movimentação do navio e demanda maior 
espaço e tem o maior peso. A rigor uma instalação propulsora também tem a 
finalidade de garantir a manobrabilidade do navio. Existem diversas alternativas de 
instalações propulsoras e, em princípio, cada uma delas demanda um 
determinado tipo de sistemas auxiliares para a sua operação. Historicamente, o 
primeiro tipo de “propulsor” utilizado foi o remo, movido por ser humano e, 
posteriormente, utilizou-se velas aproveitando a energia eólica. Estas alternativas 
de propulsão não serão tratadas no curso 
O objetivo deste módulo é apresentar os principais componentes de uma 
praça de máquinas, mostrando, quando for o caso, as diversas alternativas 
possíveis para um dado sistema. No caso da instalação propulsora serão 
apresentadas, inicialmente, as diversas possibilidades para a sua concepção e, 
posteriormente, será discutido com maior apuro, a instalação propulsora com 
hélice de passo fixo com motor diesel, que é o arranjo mais comum. Neste 
sentido, será apresentado o princípio de operação do hélice e a suas curvas 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
10 
características, a sua interação com o casco e, finalmente, a integração casco-
hélice-motor, que é efetuada para a seleção correta do propulsor e do motor. 
Para finalizar este módulo são apresentados os principais sistemas 
auxiliares de um navio comercial. 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
11 
 
2 INSTALAÇÕES PROPULSORAS 
Existem, atualmente, diversas alternativas para definir uma instalação 
propulsora, quer seja em termos do propulsor, quer seja em termos de motor 
principal ou do sistema de transmissão de potência. Os aspectos que influem para 
a escolha do tipo da instalação propulsora serão vistos posteriormente, mas aqui 
cabe ressaltar que a seleção deve ser efetuada de modo integrada, isto é, sem 
dissociar um elemento do outro. E, uma vez definido o tipo da instalação 
propulsora, a seleção dos seus componentes deve ser efetuada considerando a 
integração casco-hélice-motor. 
 
2.1 TIPOS DE PROPULSORES 
Nesta seção são descritos os principais tipos de propulsores que são utilizados 
na engenharia naval. Vale dizer, desde já, que a grande maioria é baseada em 
hélices, mas, dependendo da condição de operação pode-se recorrer a um outro 
tipo conhecido como jato bomba. 
 A escolha do tipo do propulsor depende do perfil de operação do navio. Se 
for mercante, em geral, o fator predominante é a eficiência durante a viagem do 
navio, enquanto que em rebocadores, por exemplo, o importante é o empuxo em 
velocidades baixas e a sua manobrabilidade. O calado de operação também afeta 
a escolha do propulsor, principalmente para embarcações que necessitam operar 
em águas restritas. 
O arranjo do sistema propulsor pode também diferir quanto ao número dos 
propulsores. Em geral os navios são monohélices, mas dependendo da potência 
requerida ou por questões de confiabilidade e/ou manobrabilidade pode-se adotar 
sistemas propulsores com mais de um eixo. 
 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
12 
2.1.1 Hélices 
O hélice é constituído, basicamente, de um bosso no qual é fixado um certo 
número de pás e, este conjunto, ao girar, gera o empuxo necessário para mover o 
navio. A pá pode ser entendida como um conjunto de fólios torcidos partindo do 
bosso. Na Fig. 2.1 é mostrada a geometria de um hélice de 3 pás com a 
identificação das suas principais partes: o diâmetro do hélice é o diâmetro do 
círculo concêntrico ao eixo que envolve o próprio hélice; bordas de ataque e de 
fuga são, respectivamente, as bordas onde a pá do hélice “corta” a água e por 
onde a água deixa a pá; a face da pá é a superfície vista de popa para a proa e é 
ela que “empurra” a água quando a embarcação avança para a frente sendo uma 
zona de alta pressão; o dorso é a face vista de proa para popa e é a face de baixa 
pressão. Uma outra variável geométrica do hélice que é importante é o seu passo. 
A geometria das pás corresponde ao desenvolvimento de uma superfície 
helicoidal e um dos seus parâmetros é o passo que é o deslocamento longitudinal 
obtido quando o hélice completa uma rotação em torno do seu eixo. A maneira 
mais simples de entender o passo do hélice é efetuar associação com o 
movimento da saca-rolha: o passo corresponde ao deslocamento linear do eixo 
longitudinal da saca-rolha quando este executa uma rotação completa em torno do 
seu eixo, conforme é mostrado na Fig. 2.2 
A abordagem mais simples de compreender o funcionamento do hélice é 
considerar que uma seção de uma pá é um fólio sujeito ao escoamento de fluido 
incidindo com um determinado ângulo de ataque, conforme é mostrado na Fig. 
2.3 . Este ângulo de ataque depende da velocidade angular do hélice e do raio da 
seção, e da velocidade do navio e das velocidades axial e tangencial de esteira. 
Na Fig. 2.3 não está sendo considerado o efeito de esteira. Com isto tem-se uma 
força de sustentação, que é perpendicular à direção do escoamento. A força de 
sustentação pode ser decomposta no sentido do eixo longitudinal e isto dá o 
empuxo do hélice. A outra parcela, perpendicular ao empuxo é responsável pelo 
torque. Integrando-se estas forças ao longo da área de cada pá e multiplicando 
pelo número de pás obtém-se o empuxo e o torque do hélice. 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
13 
 
 
Fig. 2.1. Exemplo de propulsor tipo hélice. 
 
fonte: www.manbw.com/article_004149.html 
Fig. 2.2. Passo de um saca-rolha. 
 
 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
14 
 
 
Fig. 2.3. Diagrama esquemático das velocidades e das forças em torno de uma seção do 
hélice. 
 
 
Existem, atualmente, diversos tipos de propulsores baseados no princípio 
do hélice que foram ou estão sendo desenvolvidos para aumentar o desempenho 
do propulsor. Os principais tipos são: 
 
Hélice de passo fixo 
O hélice de passo fixo é o propulsor mais empregado devido a sua 
simplicidade, custo de aquisição e de manutenção baixos em relação aos outros 
tipos. O bosso e as pás são fundidos em uma única peça e o material em geral é 
bronze, embora em algumas aplicações possam ser utilizados aço inox. Como o 
Centro do Eixo propulsor
Sentido da rotação
α
sustentação 
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
Sentido da rotação
Força de reação que se 
opõe ao torque aplicado 
α
sustentação 
Empuxo do propulsor
Velocidade de 
Velocidade devido a
rotação do perfil
Ângulo de ataque
Velocidade devido ao avanço do navio 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
15 
passo é fixo, o empuxo este tipo de hélice só pode ser alterado através da rotação 
e, conseqüentemente, ele não permite operar, em princípio, com a mesma 
eficiência em pontos diferentes de operação. Desta forma ela é indicada quando 
há um modo de operação predominante da embarcação como os navios 
comerciais que operam na maior parte da sua vida navegando na velocidade de 
cruzeiro. Na Fig. 2.4 é mostrado o esquema de propulsor de passo fixo. Convém 
observar que para este tipo de propulsor é necessário alterar o sentido da rotação 
do eixo se desejar reverter o sentido do empuxo do hélice. 
 
fonte: Watson (2002) 
Fig. 2.4. Esquema de um hélice de passo fixo. 
 
 
Hélice de passo controlável 
Hélice de passo controlável é um propulsor que permite ao operador alterar 
o passo das pás livremente e no momento que desejar. O empuxo desejado pode 
ser obtido alterando-se o passo e/ou a rotação do hélice sendo que o passo pode 
inclusive ser revertido para alterar o sentido do empuxo. Normalmente, o bosso 
deste tipo de hélice é maior do que o bosso do hélice de passo fixo, pois no seu 
interior são instalados mecanismos hidráulicos que permitem girar cada pá 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
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individualmente para alcançar o passo desejado, independente da rotação do 
motor. Este tipo de hélice é utilizado quando: a) se deseja alta manobrabilidade; b) 
o motor principal não permite a reversão da rotação; c) há duas velocidades 
distintas de operação, por exemplo, velocidade de cruzeiro e máxima; d) quando 
se deseja empuxos diferentes porém otimizando a eficiência do motor, que opera 
adequadamente em uma única rotação. Um esquema deste tipo de propulsor é 
mostrado na Fig. 2.5. 
 
 
 
fonte: Watson (2002) 
Fig. 2.5. Esquema da hélice de passo controlável. 
 
 
Hélice em dutos 
 O objetivo deste tipo de hélice é aumentar o empuxo total quando o hélice 
está bem carregado como no caso dos rebocadores ou quando navios pesqueiros 
arrastam a rede. O empuxo total é gerado, em parte pelo próprio hélice, e a outra 
parte pela sustentação gerada no duto. Na Fig. 2.6 é mostrado o esquema deste 
tipo de propulsor. O passo deste tipo de hélice pode ser fixo ou controlável. 
 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
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fonte: Watson (2002) 
Fig. 2.6. Esquema de um hélice em dutos. 
 
 
Hélice azimutal 
Neste tipo de sistema propulsor o hélice é montado em um eixo que pode 
girar 360o e o acionamento é efetuado através de uma transmissão em L, 
conforme é mostrado na Fig. 2.7. As pás podem ser controláveis ou não e pode ou 
não ter dutos. Este tipo de propulsor tem sido bastante empregado em 
rebocadores e em navios ou plataformas com sistema de posicionamento 
dinâmico. A grande diferença em relação aos outros tipos de propulsores é que 
ele pode ser instalado em qualquer lugar do navio. Por exemplo, ele pode ser 
instalado na região de proa do navio para auxiliar no posicionamento dinâmico do 
navio e pode, eventualmente, servir de propulsor principal no caso de falha da 
hélice principal. Este tipo de propulsor pode ser retrátil para não prejudicar a 
resistência ao avanço do navio durante a sua viagem normal. Uma das vantagens 
deste tipo de propulsor é que ele aumenta a manobrabilidade do navio e dispensa 
o leme. 
Especialização em Engenharia Naval 
 
Módulo 5 – Instalações propulsoras e sistemas auxiliares 
 
18 
 
fonte: Watson (2002) fonte: www.rolls-royce.com 
a) esquema de um hélice azimutal b) Detalhes de um hélice azimutal 
Fig. 2.7. Esquema de um hélice azimutal. 
 
 
POD 
Este tipo de propulsor é similar ao azimutal, mas com a diferença de que 
um motor elétrico é colocado sob a água diretamente no eixo do propulsor e todo 
o conjunto pode girar tal como no azimutal. Este tipo de propulsor foi desenvolvido 
inicialmente para navios quebra-gelos e, posteriormente, começou a ser adotado 
por outros tipos de navios tal como de passageiros. Na Fig. 2.8 é mostrado um 
exemplo deste tipo de propulsor. O passo deste tipo de propulsor é em geral fixo e 
tem-se como vantagens a eliminação do leme e a melhora na manobrabilidade do 
navio. Comercialmente este tipo de propulsor é oferecido, pelo menos, pela ABB, 
com o nome de Azipod e pela Rolls-Royce com o nome de Mermaid. 
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19 
 
fonte: Gupta e Prasad 
 
Fig. 2.8. Esquema de hélice tipo pod. 
 
 
2.1.2 Jato Bomba 
Este tipo de propulsor utiliza o princípio da variação da quantidade de 
movimento da água para gera empuxo para mover o navio. Neste sistema há um 
bomba que aumenta a pressão do fluido confinado em um duto e a sua saída é 
um bocal convergente que aumenta a velocidade de saída da água. Este tipo de 
propulsor tinha uma aplicação mais intensa em pequenas embarcações onde 
havia restrição de calado mas, atualmente, ele tem sido empregado também para 
embarcações maiores com alta velocidade. Na Fig. 2.9 é mostrado o esquema de 
um jato bomba com leme, embora exista sistema sem leme também. Neste caso o 
bocal tem liberdade de rotação em torno de um eixo vertical. 
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20 
 
fonte: Watson (2002) 
 
a) Esquema de um propulso jato-bomba com leme 
 
 
 
fonte:www.rolls-royce.com 
 
b) Propulsor tipo jato-bomba sem o leme 
 
Fig. 2.9. Esquema de uma propulsor tipo jato bomba. 
 
 
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21 
2.2 TIPOS DE MÁQUINA PRINCIPAL 
O primeiro tipo de máquina principal utilizado em navios foi uma máquina 
alternativa com pistão movido a vapor gerado a partir da queima de carvão. Isto se 
deu no século XIX e no início do século XX foram introduzidos ciclos a vapor já 
com turbinas, em vez de máquina alternativa, e com caldeiras consumindo óleo 
combustível, e motores Diesel. Desde então, até a década de 1960 ciclos a vapor 
eram utilizados em navios que requeriam grandes potências (em torno de 25 MW 
ou mais) e motor Diesel para potências menores. A partir da década de 1980 
houve um grande desenvolvimento tecnológico dos motores Diesel e hoje são 
ofertados motores com potência da ordem de 80 MW. Além dos dois tipos de 
motores começaram a serem introduzidas, a partir da década de 1950, instalações 
nucleares e instalações com turbina a gás na propulsão naval. Atualmente, a 
grande maioria dos navios comerciais utilizam motores Diesel, devido ao menor 
consumo específico de combustível quando comparado com outros tipos de 
motores, e em menor grau emprega-se de turbina a gás. O ciclo a vapor com 
caldeira consumindo óleo combustível está em franco desuso e instalações 
nucleares são de aplicação específica em navios militares. Em vista disto, neste 
curso serão descritos somente as características dos motores Diesel e da turbina 
a gás, que tem as maiores aplicações comerciais. Descrições detalhadas de 
outros tipos de motores podem ser encontradas em Harrington (1992). 
 
2.2.1 Motor Diesel 
O motor Diesel é um motor alternativo de combustão interna, isto é, o fluido 
de trabalho é o próprio gás de combustão. Para entender o seu princípio de 
funcionamento é apresentada
a Fig. 2.10 que representa, como primeira 
aproximação, o diagrama da pressão x volume de um ciclo padrão a ar 
correspondente a um motor Diesel. Os processos que ocorrem neste ciclo são: 
 a) processo 1-2: compressão isoentrópica do gás; 
 b) processo 2-3 fornecimento de calor a pressão constante; 
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22 
 c) processo 3-4: expansão isoentrópica do gás; 
 d) processo 4-1: resfriamento do gás a pressão constante. 
 
Convém observar que no ciclo termodinâmico, ao contrário do que acontece 
no ciclo real, o fluido de trabalho é imutável e pode-se provar que o trabalho 
líquido corresponde à área interna da figura definida pelos pontos 1-2-3-4. Na 
prática o ciclo termodinâmico mostrado na Fig. 2.10 é realizado através da 
movimentação linear de um pistão dentro de um cilindro que aciona um eixo de 
manivelas e os 4 processos descritos anteriormente podem ser realizados em 2 
tempos (curso do pistão) ou em 4 tempos. 
 
 
 (a) (b) 
Fig. 2.10. Diagrama pressão volume do ciclo Diesel a) diagrama de pressão x volume e b) 
diagrama temperatura x entropia. 
 
 
Motor Diesel de 4 tempos 
Na Fig. 2.11 é mostrado o diagrama esquemático de um motor de 4 
tempos, que completa um ciclo termodinâmico em 4 deslocamentos do pistão ou 
duas rotações do eixo de manivela e as suas fases são: 
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23 
a) Admissão do ar 
Ar externo é admitido através da válvula de admissão, instalado na parte 
superior do cilindro, quando o pistão se aproxima de seu ponto morto 
superior e começa a descer (Fig. 2.11.a). Isto, juntamente com o 
processo de descarga dos gases, corresponde ao processo 4-1 de 
resfriamento que é realizado com a introdução de ar a temperatura 
externa, 
 
b) .Compressão do ar 
Quando o pistão atinge o seu ponto morto inferior, a válvula de 
admissão é fechada e o pistão ao subir comprime o ar do interior do 
cilindro (Fig. 2.11.b). Isto corresponde ao processo 1-2 do ciclo 
termodinâmico; 
 
c) Combustão e expansão 
Quando o pistão se aproxima novamente de seu ponto morto superior o 
óleo combustível é injetado e ocorre combustão espontânea. Com isto 
tem-se o fornecimento de energia (energia química do combustível) que 
eleva a temperatura dos gases e estes ao expandirem realizam trabalho, 
isto é, deslocam o pistão e este vira o eixo de manivelas (Fig. 2.11.c). 
Esta fase corresponde às fases 2-3 e 3-4 do ciclo termodinâmico. 
 
d) Descarga dos gases da combustão 
Após o pistão atingir o seu ponto morto inferior, a válvula de descarga, 
instalada na parte superior do cilindro, é aberta e os gases são expulsos 
do cilindro, primeiramente devido à diferença entre a pressão interna e a 
externa e depois com o movimento ascendente do pistão (Fig. 2.11.d) e 
o ciclo volta ao seu ponto inicial (Fig. 2.11.a). Esta fase, juntamente com 
a admissão, completa o processo 4-1 do ciclo termodinâmico de 
resfriamento do fluido de trabalho. 
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24 
 
Comparando-se o ciclo termodinâmico, mostrado na Fig. 2.10 e o real nota-
se que a combustão corresponde ao processo de fornecimento de calor e o 
conjunto dos processos de descarga dos gases e admissão do ar corresponde ao 
processo de rejeição de calor. 
 
Fig. 2.11. Esquema de operação de um motor de 4 tempos a) admissão do ar; b) compressão 
do ar; c)combustão e expansão e d) descarga dos gases. 
 
 
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25 
 Na Fig. 2.12 estão mostrados os cortes de motores de 4 tempos, sendo um 
com cilindros em linha e o outro com cilindros em V. Conforme será visto adiante 
ciclos com 4 tempos são utilizados em motores de média e alta rotação. 
 
 
 
 (a) (b) 
Fig. 2.12. Corte Transversal de motores de 4 tempos (a) motor com cilindros em linha; (b) 
motor com cilindros em V. 
 
 
Motor Diesel de 2 tempos 
Na Fig. 2.13 é mostrado o diagrama esquemático de um motor Diesel de 2 
tempos que completa um ciclo termodinâmico em 2 cursos do pistão ou uma 
rotação do eixo de manivela. Convém ressaltar que neste tipo de motor não há 
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26 
válvulas de admissão e sim janelas (orifícios) na superfície lateral do cilindro para 
a entrada do ar e elas são abertas ou fechadas pelo deslocamento do próprio 
pistão. Já a descarga dos gases, modernamente, é efetuada através de válvula 
posicionada no cabeçote do cilindro. Nos modelos mais antigos podem ser 
encontrados motores com a descarga efetuada através de janelas que eram, 
também, abertas ou fechadas pelo deslocamento do pistão, mas esta solução foi 
abandonada devido a deficiência na troca de ar. As fases do ciclo são: 
a) Compressão 
A compressão do ar se inicia quando o pistão fecha as janelas de 
entrada do ar, como indicado na Fig. 2.13a e termina quando o 
pistão atinge o ponto morto superior como mostrado na Fig. 2.13b. 
Esta fase corresponde ao processo 1-2 do ciclo termodinâmico. 
 
b) Combustão 
Quando o pistão se aproxima do seu ponto morto superior, tal como 
mostrado na Fig. 2.13c, o combustível é injetado e ocorre a 
combustão espontânea. Com isto tem-se o fornecimento de energia 
(energia química do combustível) que eleva a temperatura dos 
gases. Esta fase corresponde ao processo 2-3 do ciclo 
termodinâmico. 
 
c) Expansão 
Com a elevação da temperatura devido à combustão os gases 
expandem realizando trabalho sobre o pistão e este vira o eixo de 
manivelas, tal como mostrado na Fig. 2.13d. Esta fase corresponde 
ao processo 3-4 do ciclo termodinâmico. 
 
 
 
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27 
d) Descarga e Admissão do ar 
Quando o pistão se aproxima do seu ponto morto superior a válvula 
de descarga dos gases e as janelas de entrada de ar são abertas, tal 
como mostrado na Fig. 2.13e e com isto tem-se a renovação do ar. 
Esta fase equivale ao processo 4-1 de rejeição de calor do ciclo 
termodinâmico 
 
 
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. 
 
Na Fig. 2.14 é mostrado o corte transversal de um motor de 2 tempos. Este 
tipo de ciclo é usado em motores de baixa rotação e potências elevadas 
 
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28 
 
 
Fig. 2.14 Corte de um motor de 2 tempos. 
 
 Atualmente, todos os motores diesel marítimo de 2 tempos utilizam o turbo-
compressor para comprimir o ar de admissão. Neste componente o compressor é 
acionado pela turbina a gás que aproveita os gases de descarga do motor Diesel. 
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29 
Obviamente o turbo compressor também pode ser acoplado com motor de 4 
tempos. 
 
Comparação entre os motores de 2 e de 4 tempos 
A principal diferença entre os dois tipos de motores é a potência 
desenvolvida. O motor de 2 tempos pode, em princípio, desenvolver o dobro da 
potência do motor de 4 tempos para uma mesma rotação e mesmas dimensões. 
Na prática, como há perdas no processo de renovação do ar esta relação é em 
torno de 1,8. Também o motor
de 2 tempos não exige a instalação de mecanismos 
de acionamento das válvulas de admissão do ar como no caso dos motores de 4 
tempos. A válvula de descarga nos motores de 4 tempos pode existir ou não. 
O ciclo do motor, ou seja, 2 ou quatro tempos dos motores define a faixa de 
potência e de rotação em que podem ser divididos: 
a) baixa rotação (de 60 a 150 rpm) 
Este tipo de motor é a mais utilizado em navios mercantes e a sua 
faixa de potência, no presente momento, é de 2500 kW a 82000 kW. 
Este tipo de motor, é de 2 tempos e como a sua rotação é baixa o 
motor tende a ser grande e pesado. Na Fig. 2.15 é mostrado o maior 
motor construído até o presente momento cuja potência é 81700 KW a 
102 rpm. Um das vantagens dos motores Diesel de baixa rotação é 
que ele consome óleo com alta viscosidade denominada de bunker C 
que tem o menor preço no mercado. São, ainda, os motores que 
apresentam o menor consumo específico de combustível. Este tipo de 
motor permite a reversão da rotação. 
 
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30 
 
fonte:http//bath.ac.uk/ccsshb/12cyl/ 
Fig. 2.15 Exemplo de um motor Diesel de baixa rotação. 
 
 
b) média rotação (de 450 a 800 rpm) 
Este tipo de motor pode ser conectado diretamente ao hélice em 
embarcações de pequeno porte. Já nas embarcações maiores 
normalmente utiliza-se um redutor. Este tipo de motor também pode 
ser empregado nos sistemas diesel-elétrico e são normalmente 
empregados na geração de energia elétrica nos navios. O motor 
deste tipo com maior potência é de 23450 kW. Este tipo de motor 
também pode consumir óleo bunker C, porém requer cuidados 
especiais de manutenção, isto é, a intervalos mais curtos. Quanto à 
reversão do sentido da rotação existem motores que permitem e 
outros não. 
 
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31 
c) alta rotação (de 1000 a 3000 rpm) 
Motores de alta rotação em navios comerciais são utilizados em 
embarcações pequenas e nos navios com instalação diesel-elétrica. 
Já nas embarcações militares, onde se exige alta potência em um 
espaço reduzido, é normal a sua utilização. A potencia máxima deste 
tipo de motor que pode ser encontrada atualmente é de 7400 kW. 
Na Fig. 2.16 é mostrado um exemplo deste tipo de motor. Uma 
desvantagem deste tipo de motor é que ele consome somente óleo 
diesel, com menor viscosidade, e com preço bem maior do que o 
bunker C. São ofertados no mercado motores que permitem e que 
não permitem a reversão da rotação. 
 
fonte: www.mtu-online.com/ 
Fig. 2.16. Exemplo de um motor de alta rotação. 
 
2.2.2 Turbina a Gás 
O princípio de operação da turbina a gás é baseado no ciclo de Brayton 
cujo diagrama de pressão em função do volume é mostrado na Fig. 2.17. Os 
processos deste ciclo são: 
 
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32 
a) processo 1-2: compressão isoentrópica 
b) processo 2-3: fornecimento de calor a pressão constante 
c) processo 3-4: expansão isoentrópica do fluido 
d) processo 4-1 resfriamento do fluido do trabalho a pressão 
constante 
 
 
a b 
Fig. 2.17. Processo de um ciclo de Brayton a) diagrama pressão x volume específico; b) 
diagrama temperatura x entropia. 
 
Este ciclo é realizado por um compressor, geralmente axial, um queimador 
e uma turbina propriamente dito com o arranjo indicado na Fig. 2.18. O 
compressor realiza o processo 1-2, o queimador o processo 2-3 e a turbina o 
processo 3-4 onde se obtém a potência desejada. Convém ressaltar que o 
processo de expansão 3-4 é efetuado em duas etapas, pois há uma turbina 
específica para mover o compressor e uma outra, denominada turbina de 
potência, para acionar a carga. Este tipo de turbina é denominada de 2 eixos e a 
rotação da turbina de potência é da ordem de 3600 rpm. Portanto, ao se utilizar a 
turbina a gás é necessário utilizar uma engrenagem redutora. Na Fig. 2.19 é 
mostrado o corte de uma turbina a gás de 2 eixos.. 
 
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33 
 
 
Fig. 2.18. Diagrama esquemático de uma turbina a gás. 
 
 
 
Fig. 2.19. Corte de uma turbina a gás de dois eixos. 
 
 
A principal vantagem da turbina a gás é a sua relação potência/peso e 
potência/volume, sendo que a sua principal desvantagem é o excessivo consumo 
de combustível quando comparado com motores diesel de baixa rotação. Desta 
forma a sua aplicação em navios comerciais é restrita e ela só se torna viável 
economicamente se for combinado com um ciclo a vapor. No entanto, este tipo de 
máquina é extremamente interessante em embarcações militares onde, 
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34 
normalmente, se exige alta potência com espaço reduzido para a praça de 
máquinas. Mas, em geral, neste tipo de embarcações existem duas velocidades 
de operação e o desempenho da turbina a gás em cargas parciais é ruim. Desta 
forma a turbina a gás é utilizada em instalações combinadas. A turbina a gás não 
permite a reversão da rotação obrigando com isto a utilização de hélice de passo 
controlável. 
 
2.3 TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA 
Até o presente momento foram vistos os tipos de propulsores e os tipos de 
máquinas principais. Resta agora examinar os meios disponíveis para transmitir a 
potência do motor para o propulsor. Ressalte-se também que estes componentes 
também transmitem o empuxo produzido pelo hélice para o casco do navio. Os 
meios mais comuns de transmissão de potência são: 
a) Conexão direta 
Neste caso a potência do motor é transmitida diretamente ao propulsor 
através de um eixo e é o meio mais comum desde que não haja 
necessidade de redução da rotação. O eixo pode ser sólido ou vazado. Se 
for utilizada hélice de passo controlável é obrigatória a utilização de um eixo 
vazado. Na Fig. 2.20 é mostrado o esquema de uma conexão direta que é 
um eixo apoiado em vários mancais. O trecho de eixo entre a saída do 
motor e a entrada na antepara estanque a ré recebe o nome de eixo 
intermediário, e o trecho ente a antepara e o hélice de eixo do tubo 
telescópico. O empuxo neste caso é transmitido ao casco do navio através 
de um mancal de escora que está acoplado no eixo de saída do motor 
Diesel. 
 
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35 
 
 
Fig. 2.20. Esquema de uma conexão direta. 
 
b) Conexão com engrenagem redutora 
A engrenagem redutora é utilizada quando se utilizam motores Diesel de 
média ou alta rotação ou ainda turbina a gás e turbina a vapor. Algumas 
engrenagens permitem a reversão da rotação o que pode evitar a utilização 
de hélice de passo controlável. Convém lembrar que ela é também utilizada 
em instalações combinadas para que dois ou mais motores acionem um 
único eixo. 
 
c) Transmissão elétrica 
Quando se utiliza propulsão elétrica a(s) máquina(s) principal (is), que 
podem ser motores Diesel ou turbina a gás, acionam um conjunto de 
geradores elétricos que suprem toda a energia elétrica requerida pelo navio. 
Os hélices são acionados por motores elétricos que podem ser de corrente 
contínua (CC) ou corrente alternada (CA). Desta forma a energia é 
transmitida através de cabos elétricos o que confere uma alta flexibilidade 
de arranjo quando se utiliza este tipo de transmissão. Os motores CC são 
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36 
mais pesados do que CA, mas o controle da sua rotação é mais simples. 
No entanto, atualmente, devido ao desenvolvimento da eletrônica de 
potência, a rotação dos motores CA pode ser controlada facilmente e por 
isto eles são os que tem tido preferência. A propulsão elétrica é 
recomendada quando: 
a) há uma demanda grande de energia elétrica que não seja para a 
propulsão como no caso de navios de passageiros; 
b) há inúmeros propulsores distribuídos ao longo do navio que demandam 
potências elevadas como é o caso de navios com Sistema de 
Posicionamento Dinâmico. 
c) utiliza-se propulsores tipo pod que necessariamente requerem energia 
elétrica. 
d) Há necessidade de torque alto ou resposta rápida da rotação do hélice. 
 
 
2.4 TIPOS DE INSTALAÇÃO PROPULSORA 
A escolha do tipo da instalação propulsora baseia-se na análise dos seguintes 
fatores: 
1. Potência requerida 
A potência requerida induz o tipo da instalação propulsora na medida 
em que define o tipo máquina principal. Por exemplo, se a potência por 
eixo for menor que 2000 kW a solução recai no motor Diesel de média 
ou alta rotação induzindo com isto ou o emprego de engrenagem 
redutora e hélice de passo variável ou uma caixa redutora/reversora 
com hélice de passo fixo. Se a potência requerida for acima de 90 MW, 
por exemplo, não há motor, atualmente, seja Diesel ou turbina a gás, 
que atenda a esta potência com uma única unidade. Uma solução para 
isto é um sistema de propulsão com 2 eixos. 
 
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37 
2. Peso 
O peso não é grande problema para a maioria dos navios mercantes 
embora para embarcações como ferry e outras embarcações rápidas, 
mormente militares, ele tenha importância grande. Neste caso a solução 
seria a utilização de motores Diesel de média ou alta rotação ou ainda 
turbina a gás. 
 
3. Espaço 
Em geral, o espaço também não é o problema principal na maioria dos 
navios mercantes, mas obviamente é interessante que ele seja o menor 
possível, pois isto significa maior volume para o transporte de 
mercadoria. Atenção especial deve ser dada em navios que necessitam 
de convés corrido como roll on-roll off. Já na área militar há uma grande 
esforço no sentido de reduzir o espaço ocupado pelo sistema propulsor 
pois as embarcações são menores e exigem potência elevada. 
 
4. Custo inicial e custo de operação 
Obviamente como todo projeto de engenharia, a escolha do sistema 
propulsor deve ser baseada em uma análise criteriosa do custo inicial e 
do custo de operação para se chegar na melhor solução sob o ponto de 
vista econômico. O principal item do custo de operação é a conta do 
óleo combustível e isto tem deslocado preferência pelo motor Diesel de 
baixa rotação; 
 
5. Demanda de energia elétrica e de aquecimento 
O normal em navios mercantes é ter um sistema de geração de energia 
elétrica baseado em um conjunto de Diesel geradores e o vapor é 
gerado utilizando-se os gases de exaustão dos motores. Se a demanda 
de energia elétrica for elevada como no caso de navios de passageiros, 
torna-se interessante a escolha do sistema propulsão elétrico. 
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38 
6. Confiabilidade e manutenabilidade 
Confiabilidade é um fator importante na maioria dos navios, mas sua 
importância aumenta em embarcações cuja falha pode atingir 
conseqüências sérias tal como em navios de passageiros ou navios 
petroleiros. Por exemplo, navios aliviadores que operam no Mar do 
Norte são obrigados a terem 2 eixos com praça de máquinas 
independentes. Também a facilidade de manutenção é um fator 
importante na escolha do sistema propulsor. 
 
7. Requisito do navio para manobrabilidade e/ou operação em baixa 
velocidade 
Os requisitos de manobrabilidade e/ou operação da embarcação em 
baixa velocidade ditam o tipo do sistema propulsor. Por exemplo, 
atualmente há uma grande tendência em utilizar pod em navios de 
passageiros devido, entre outros motivos, ao aumento da 
manobrabilidade que este sistema proporciona. No caso de navios 
aliviadores muitos deles são dotados de sistemas de posicionamento 
dinâmico que são utilizados durante a operação de carregamento do 
petróleo em alto mar. Se o propulsor principal é usado para efetuar o 
posicionamento é compulsório que este seja hélice de passo variável. 
 
A importância de cada um destes fatores varia de um tipo de navio para 
outro e há que se ter sensibilidade para dar o peso relativo para cada um deles em 
função da embarcação a ser projetada. A seguir são listados os tipos de instalação 
propulsora mais comuns encontrados na propulsão marítima: 
a) hélice de passo fixo, eixo propulsor e motor diesel de baixa rotação 
É, sem dúvida, o sistema propulsor mais comum encontrado atualmente. 
 
b) Hélice de passo controlável, eixo vazado e motor diesel de baixa rotação 
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39 
Esta instalação é também comum, e podem ser encontrados em navios 
mercantes e de passageiros. 
 
c) Hélice de passo fixo, motor elétrico (CC ou CA) e geração diesel 
elétrico; 
Este tipo de sistema propulsor é normalmente empregado em navios 
quebra-gelos. 
 
d) Hélice azimutal com acionamento por motor diesel ou motor elétrico 
Este sistema é muito empregado em rebocadores 
 
e) Hélice tipo POD com geração de energia elétrica a partir de motor Diesel 
e/ou turbina a gás. 
Este sistema está sendo muito utilizado em navios de passageiros. 
 
f) Hélice de passo variável, eixo vazado e sistema de máquina combinado 
que pode ser dos seguintes tipos: 
- CODAD (Combination Diesel And Diesel) 
Neste caso dois motores Diesel são acoplados a uma engrenagem 
redutora e o acionamento pode ser realizado por um ou dois motores 
concomitantemente; 
 
- CODAG (Combination Diesel And Gás Turbine) 
Neste caso o motor Diesel e Turbina a Gás são acoplados a uma 
mesma engrenagem redutora e cada um deles pode operar 
individualmente ou concomitantemente. São normalmente utilizados 
em navios militares mas modernamente este sistema tem sido 
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40 
utilizado para a geração de energia elétrica em navios de 
passageiros. 
- COGAG (Combination Gás Turbine And Gás Turbine) 
Nesta combinação, duas turbinas são acopladas a uma engrenagem 
redutora e elas podem operar individualmente ou 
concomitantemente. A grande aplicação para este tipo de sistemas é 
para navios militares. 
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41 
 
3 HÉLICE 
Conforme dito anteriormente, a geometria da pá do hélice é baseada em uma 
superfície helicoidal e ela é construída de tal maneira que todos os pontos tenham 
o mesmo ângulo de ataque do fluido e para isto, varia-se, em princípio, o ângulo 
de passo em função do raio. O resultado é o desenvolvimento de uma superfície 
complexa cuja explicação matemática não é o escopo deste curso. No entanto 
serão apresentados os principais parâmetros geométricos que afetam o 
desempenho do hélice e que devem ser considerados na sua seleção. Além disso, 
será mostrado exemplo de como os dados do hélice são apresentados para a sua 
utilização na engenharia naval. 
 
3.1 GEOMETRIA DO HÉLICE 
As principais características geométricas de um hélice são: 
a) Diâmetro
É o diâmetro do círculo que envolve o hélice. É a definição geométrica mais 
importante do propulsor e deve-se tentar projetar o hélice com o maior diâmetro 
possível, respeitando os limites da popa, para tentar obter a maior eficiência 
possível. 
 
b) Passo 
O passo do hélice é o deslocamento linear do propulsor após uma 
revolução em torno do seu eixo. (ver Fig. 2.2). Como o passo não é 
necessariamente igual para todos os raios e para haver uniformidade na 
caracterização do passo entre os diversos fabricantes, convenciona-se 
adotar o passo do hélice (P) medido a 70% do raio do hélice e, geralmente, 
este valor é dividido pelo diâmetro do próprio hélice (D), definindo-se assim 
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42 
a razão passo diâmetro P/D. O intervalo do valor da razão passo diâmetro 
é, normalmente, entre 0,5 e 2,5. 
 
c) Número de pás 
A maioria dos hélices possuem entre 2 a 7 pás. Este número depende, 
dentre os fatores, do empuxo requerido, do diâmetro permissível e do nível 
de vibração. 
 
d) Área do disco do hélice 
É a área do círculo cujo diâmetro é o do hélice. O símbolo a ser adota para 
esta área será . 0A
 
e) Área expandida 
É a soma da área expandida de cada pá do hélice. O símbolo a ser adotado 
para esta área será EA
 
f) razão de áreas 
Muitas vezes se utiliza a razão das duas áreas, isto é, 
0A
AE para 
caracterizar o hélice. 
 
3.2 CURVAS CARACTERÍSTICAS DO HÉLICE 
Até o presente momento não há uma teoria que representa adequadamente 
o desempenho do hélice em função de todos os parâmetros que caracterizam 
a sua geometria. Desta forma procura-se predizer o desempenho do propulsor 
através de ensaios em laboratórios. Nestes ensaios são medidos o empuxo, o 
torque e a rotação, com a incidência da água com determinadas velocidades, 
porém sem a presença do casco e, por isto, são chamadas de ensaios de água 
Especialização em Engenharia Naval 
 
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43 
aberta. A velocidade de incidência da água no propulsor é denominada de 
velocidade de avanço porque, muitas vezes, o ensaio é realizado “correndo-se” 
o propulsor em um tanque de provas. 
 Para auxiliar o projeto do hélice, ao menos na sua fase inicial, e prever o 
seu desempenho, são utilizados diagramas de “séries sistemáticas” que são 
obtidas através de ensaios para determinadas famílias de propulsores que tem 
semelhança geométrica. Exemplos destas séries são: 
- Série B de Troost 
- Série de Gawn 
- Série de Schoenherr 
- Série AU e MAU 
 
Neste texto será dada ênfase, como exemplo, a série B de Troost. Nesta série 
foram ensaiadas cerca de 120 propulsores variando-se o número de pás, a 
razão de área expandida/área do disco e a razão passo/diâmetro. Na Tab.3.1 
são mostrados o número de pás e a razão de área considerados durante os 
ensaios (Lewis, 1988). A razão passo diâmetro foi variada de 0,5 a 1,4. 
 
 Nº de 
pás Razão 0A
AE 
2 0,30 
3 0,35 0,50 0,65 0,80 
4 0,40 0,55 0,70 0,85 1,00 
5 0,45 0,60 0,75 1,05 
6 0,50 0,65 0,80 
7 0,55 0,70 0,85 
 
Tab. 3.1. Tabela dos hélices da série B ensaiados em Wageningen. 
 
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44 
O desempenho de cada propulsor, definido pelo número de pás, razão de 
área e razão passo/diâmetro é geralmente mostrado em gráficos através dos 
seguintes parâmetros admensionais: 
)/,( DPJKK TT = Eq. 3.1 
)/,( DPJKK QQ = Eq. 3.2 
)/,(00 DPJηη = Eq. 3.3 
onde: 
42 DN
T
K
H
H
T ρ= é o coeficiente de empuxo 
 
520
0
DN
Q
K
H
H
Q ρ= é o coeficiente de torque 
DN
V
J
H
A= é o coeficiente de avanço 
Q
T
HH
AH
D
T
H K
KJ
QN
VT
P
P
ππη 22
00
0 === é a eficiência do hélice em água aberta ; 
HT é o empuxo do hélice; (N) 
HQ é o torque do hélice em água aberta; (Nm) 
HN é a rotação do hélice; (rps) 
AV é a velocidade de avanço; (m/s) 
ρ é a densidade da água; (kg/m3) 
TP é a potência entregue pelo hélice; 
0D
P é a potência absolvida pelo hélice em água aberta 
 
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45 
Na Fig. 3.1 é mostrado, como exemplo, a curva característica para um hélice 
de 4 pás e razão de área 0,55. Nesta figura vale destacar os seguintes pontos: 
a) a curva de TK para 0=J representa o ponto de empuxo máximo (“bollard 
pull) que é importante no caso de rebocadores; 
b) para cada passo a curva de TK se anula para um determinado J . Isto 
ocorre porque a velocidade de avanço aumenta demasiadamente e o 
ângulo de ataque é tal que a água atinge o hélice pelo seu dorso. 
c) para cada razão passo/diâmetro há um valor de J para qual a eficiência é 
máxima; no entanto, não se recomenda projetar o hélice exatamente no 
ponto de sua eficiência máxima pois a derivada da curva após o ponto de 
máximo é muito acentuada e qualquer mudança no regime de operação 
poderá afetar significativamente o desempenho do sistema propulsor. Desta 
forma procura-se projetar em um ponto onde a curva é ascendente e um 
pouco abaixo do ponto de eficiência máxima. O ponto exato é obtido 
através da integração casco-hélice, conforme é mostrado no Capítulo 5. 
 
 
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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46 
3.3 CAVITAÇÃO 
Um fenômeno que as curvas de desempenho mostradas, por exemplo, na 
Fig. 3.1 não levam em consideração é a cavitação que pode ocorrer no dorso 
do pá, conforme é indicado na Fig. 3.2. A cavitação é a formação de bolhas de 
vapor que ocorre quando a pressão da água atinge a pressão de saturação 
correspondente à temperatura do fluido em torno do hélice. Este fenômeno é 
indesejável, pois além de provocar a erosão da pá, diminui a eficiência do 
propulsor, e provoca ruídos e vibrações. Na fase de projeto do sistema 
propulsor, seleciona-se um determinado hélice e verifica-se se este cavita ou 
não na condição nominal de operação e se cavitar, parte-se para a seleção de 
um outro propulsor. No apêndice A é explicado em detalhes este fenômeno 
bem como é apresentado o critério proposto por Burril para prever a cavitação. 
 
 
Fig. 3.2. Cavitação do dorso do hélice. 
 
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47 
 
4 INTERAÇÃO CASCO-PROPULSOR 
 Até o presente momento foram mostrados, independentemente, o conceito 
de resistência ao avanço e as curvas de desempenho do propulsor. No entanto, 
quando se instala o hélice na popa do navio, deve-se considerar os fenômenos de 
interação entre eles que afetam a resistência ao avanço como a velocidade de 
avanço do hélice. Estas interações são levadas em conta através do coeficiente 
de esteira e o coeficiente de redução da força propulsora. 
Assim, dois fenômenos devem ser considerados ao se desejar integrar o 
desempenho do propulsor e do casco: o efeito da esteira provocado pelo casco 
sobre o propulsor e o efeito do aumento da resistência ao avanço provocado pelo 
propulsor. 
 
Coeficiente de esteira 
Quando o navio se movimenta na água forma-se camada limite ao longo do 
seu casco e devido ao seu formato há, em algum ponto da popa, um 
descolamento desta camada limite gerando uma esteira. Pode-se
admitir que esta 
esteira tem uma velocidade média , no mesmo sentido da velocidade V do 
navio. Conseqüentemente a velocidade com que a água encontra do disco do 
hélice é: 
eV
 eA VVV −=
 Ou seja, a velocidade de avanço que deve ser considerado no cálculo do 
desempenho do hélice não é a velocidade do navio e sim uma menor. Para levar 
em conta o efeito da esteira é utilizado o conceito de coeficiente de esteira, 
sugerido por Taylor, e é definido como: 
 
V
VV
V
V
w Ae
−== Eq. 4.1 
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48 
 A partir da Eq. 4.1 obtém-se: 
 Eq. 4.2 )1( wVVA −=
 
 Em relação ao coeficiente de esteira valem as seguintes observações: 
a) Ele depende do formato do casco, e da posição do hélice; desta forma o 
casco deve ser bem carenado para que a esteira seja o menor possível na 
região do propulsor ; 
b) Ele depende da razão entre o diâmetro do propulsor e comprimento entre 
perpendiculares do navio. Quanto maior esta razão menor é o coeficiente 
de esteira; 
c) O coeficiente de esteira aumenta com a rugosidade do casco; 
d) Para navios monohélices o coeficiente de esteira varia entre 0,20 e 0,45. 
Quanto maior o coeficiente de bloco do navio maior é o coeficiente de 
esteira. 
 
Coeficiente de redução da força propulsora 
A ação do propulsor na popa do navio tende a aumentar a velocidade 
média do fluido em seu redor diminuindo, conseqüentemente, a pressão a ré do 
navio. Com isto tem-se um aumento na resistência ao avanço R , obtida 
considerando-se somente o casco, obrigando o propulsor a desenvolver um 
empuxo maior do que HT R para manter a velocidade desejada do navio. Este 
efeito é levado em conta através do coeficiente de redução do empuxo definida 
como: 
 
H
H
T
RT
t
−= Eq. 4.3 
 
 A partir da Eq. 4.3 tem-se: 
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49 
 
t
RTH −= 1 Eq. 4.4 
 
 Ou seja, o fenômeno deve ser entendido como aumento da resistência e, 
desta forma, o nome coeficiente de redução da força propulsora não é adequado. 
Segue abaixo algumas observações em relação a este coeficiente: 
a) A forma do casco tem influência no valor de t; 
b) em geral o valor de t aumenta quando w aumenta; 
c) para navios monohélices o valor de t varia entre 0,12 e 0,30; O valor deste 
coeficiente aumenta com o coeficiente de bloco do navio; 
 
4.1 DEFINIÇÃO DAS EFICIÊNCIAS 
Um dos objetivos do estudo da interação casco-hélice é a determinação da 
potência do motor principal para mover o navio na velocidade deseja. Para isto é 
útil a utilização da noção de eficiência que pode ser definida, convenientemente, 
para facilitar, não só a compreensão dos pontos onde há maior perda, mas 
também o cálculo da razão entre a potência requerida pelo navio e a potência a 
ser instalada. As principais eficiências adotadas na engenharia naval são: 
 
a) eficiência rotativa relativa do hélice 
A eficiência em água aberta do hélice obtida em ensaios com modelos foi 
definida pela equação Eq. 3.3 como sendo: 
00
20 HH
AH
D
T
QN
VT
P
P
πη == Eq. 4.5 
 
No entanto, um hélice em escala real, devido a não uniformidade do 
escoamento absorve um torque diferente para uma determinada velocidade 
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50 
de avanço ( ), empuxo ( ) e rotação ( ). Com isto a potência 
efetivamente absorvida pelo hélice e a sua eficiência são dadas por: 
AV HT HN
HHD NQP π2= Eq. 4.6 
 
HH
AH
D
T
H NQ
VT
P
P
πη 2== Eq. 4.7 
 
Define-se como eficiência rotativa relativa a razão entre as 
eficiências em água aberta e na popa do navio, isto é: 
H
H
H
H
R Q
Q
0
0
==η
ηη Eq. 4.8 
A Eq. 4.8 é obtida considerando-se as equações x. 8 e x.10. Para 
navios monohélices este valor varia entre 0,95 e 1,0 (Lewis, 1988) 
 
A partir da Eq. 4.8 pode-se concluir que a eficiência do propulsor na popa 
do navio é dada por: 
RHH ηηη 0= Eq. 4.9 
 
b) eficiência do casco 
A eficiência do casco é definida como sendo a razão entre a potência 
necessária para mover o navio com a velocidade V vencendo uma 
resistência R e a potência desenvolvida pelo hélice, isto é: 
 
AT
E
C VT
VR
P
P ==η Eq. 4.10 
onde é a potência efetiva. EP
Substituindo as Eq. 4.2 e Eq. 4.4 na Eq. 4.10 obtém-se: 
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51 
w
t
C −
−=
1
1η Eq. 4.11 
 
c) eficiência propulsiva 
A eficiência propulsiva é a relação entre a potência efetiva e a potência 
absorvida pelo hélice, isto é: 
D
T
T
E
D
E
P P
P
P
P
P
P ==η Eq. 4.12 
Considerando-se as Eq. 4.7 a Eq. 4.11 tem-se que Pη pode ser dada por: 
RHCP ηηηη 0= Eq. 4.13 
 
As três eficiências acima consideradas estão diretamente relacionadas com 
a interação casco-hélice. No entanto, o objetivo final é relacionar a potência 
necessária do motor principal com a potência requerida pelo casco para 
manter uma determinada velocidade do navio. Para isto define-se, 
adicionalmente, as seguintes eficiências: 
 
d) eficiência de transmissão 
Esta eficiência relaciona a potência entregue ao hélice ( ) com a potência 
do motor principal e é definida como: 
DP
M
D
S P
P=η Eq. 4.14 
onde é a potência do motor. MP
Obviamente esta eficiência depende do tipo do sistema de transmissão de 
potência e também das características particulares de instalação como o 
número de mancais, por exemplo. 
 
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52 
e) Eficiência total 
Esta eficiência relaciona a potência efetiva requerida pelo navio com a 
potência do motor, isto é: 
M
D
D
E
M
E
T P
P
P
P
P
P ==η Eq. 4.15 
 
Substituindo as Eq. 4.12 a Eq. 4.14 em Eq. 4.15 obtém-se 
sRHCT ηηηηη 0= Eq. 4.16 
Sob o ponto de vista é interessante ter-se a ordem de grandeza deste 
número cuja magnitude é determinada pela eficiência do hélice; 
 
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53 
 
5 INTEGRAÇÃO CASCO-HÉLICE-MOTOR 
Durante a fase de projeto do navio, uma vez selecionado o arranjo da 
instalação propulsora , há que se especificar os seus componentes. Ou seja, dado 
um casco caracterizado pela sua curva de resistência ao avanço, selecionar o 
melhor conjunto propulsor-motor. A este exercício é dado o nome de integração 
casco-hélice motor. Neste curso será considerado, como exemplo, uma instalação 
propulsora composta de um hélice de passo fixo e motor Diesel de baixa rotação 
com conexão direta, que é o caso mais comum entre os navios cargueiros. O 
esquema desta instalação está mostrado na Fig. 5.1 
 
Fig. 5.1. Esquema de uma instalação propulsora com hélice de passo fio, eixo e motor 
Diesel. 
 
Para resolver este problema, basicamente, incorpora-se à integração 
casco-hélice já apresentada a característica do motor. No entanto, Infelizmente a 
solução para este problema não é imediata sob o ponto de vista matemático, pois 
não há uma solução analítica. Desta forma, adota-se procedimentos alternativos 
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54 
que são baseados ou no método gráfico ou numérico e seleciona-se
o que melhor 
atender a um determinado fator de mérito,que pode ser, por exemplo, a eficiência 
total. Alguns destes métodos podem ser encontrados em Gerr (1989) e Tornblad 
(1987) 
 Neste curso será apresentado um destes procedimentos baseando-se no 
fato de que a velocidade do navio é a de projeto, o diâmetro do hélice já está 
definido, a partir da configuração da popa, bem como são conhecidos ou 
estimados os valores do coeficiente de esteira ( ), o coeficiente de redução da 
força propulsora (t), a eficiência rotativa relativa (
w
Rη ), a eficiência de transmissão 
( Sη ) e a curva de resistência ao avanço de casco nu [ ]. Também será 
admitida que é conhecida a faixa de potência e rotação requerido para o motor 
principal. A finalidade do procedimento, então é definir o hélice em termos de 
número de pás, razão 
)(0 VR
0A
AE , razão D
P , a rotação do hélice, verificar a cavitação 
do hélice e selecionar o motor principal. 
 
 O procedimento se baseia em igualar o empuxo do hélice com a resistência 
ao avanço (considerando-se o coeficiente de redução de empuxo), e a potência 
absorvida pelo hélice com a potência gerada pelo motor descontando-se as 
perdas de transmissão. Estas idéias podem ser formalizadas matematicamente 
mas antes disto convém destacar alguns aspectos dos modelos do casco, do 
hélice e do motor Diesel. 
 
Curva de resistência ao avanço 
Para a escolha do propulsor e do motor é normal acrescentar na resistência 
de avanço obtida para casco nu um fator adicional para considerar a variação na 
rugosidade do casco e o estado do mar. Normalmente acrescenta-se de 8 a 11% 
devido ao acréscimo na rugosidade do casco e de 7 a 14% devido ao estado de 
mar. Desta forma a resistênciaR considerado no projeto é: 
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55 
)1)(()( 0 α+= VRVR onde 25,015,0 ≤≤ α Eq. 5.1 
 
 
Curvas características do propulsor 
Será admitido que são conhecidas as curvas do coeficiente de empuxo e de toque 
de alguma série de propulsor que de uma maneira geral podem ser escritas como: 
),,/,(
0
pás
E
TT nA
ADPJKK = Eq. 5.2 
),,/,(
0
pás
E
QQ nA
ADPJKK = Eq. 5.3 
),,/,(
00
pás
E
QH nA
ADPJK=η Eq. 5.4 
O empuxo e o torque do hélice podem ser formalmente expressos como: 
42
00
),,/,(),,,,,( DNnA
ADPJKnA
ADPNVTT HpasETpásEHHH ρ== Eq. 5.5 
52
00
00 ),,/,(),,,,,( DNnA
ADPJKnA
ADPNVQQ HpasEQpásEHHH ρ== Eq. 5.6 
 
Curvas de desempenho dos motores Diesel de baixa rotação 
Para ajudar a seleção dos motores os fabricantes fornecem dois tipos de 
dados: a primeira se refere à sua família de produtos, isto é, dados gerais de faixa 
de rotação e faixa de potência de uma dada série e, dentro de uma determinada 
série a potência dos motores em função do número de cilindros. Na Fig. 5.2 é 
mostrado um exemplo típico de uma família de motores de baixa rotação do 
fabricante MAN-B&W. Nesta figura são mostradas 29 séries e, para cada série, o 
fabricante fornece o respectivo intervalo de rotação e de potência. Ressalte-se 
que uma mesma potência pode ser obtida por várias séries de motores, embora, 
eventualmente, com o intervalo de rotação diferente. Se o usuário já possuir a 
potência e a rotação desejada os dados da Fig. 5.2 já permitem efetuar uma 
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56 
primeira seleção dos motores. Para uma dada série, o intervalo de potência é 
coberto variando-se o número de cilindros, e para caracterizar melhor o 
desempenho de um motor específico, são fornecidas potências que definem a 
área recomendada para a determinação do ponto de operação do motor (“Layout 
Diagram”), cujo esquema é mostrado na Fig. 5.3. Neste diagrama, a rotação é 
definida no intervalo 12 NNN M ≤≤ e elas estão indicadas na Fig. 5.2 e as 
potências que definem a área de operação são definidos por L1, L2, L3 e L4 cujos 
valores dependem do motor específico. A potência L1 é a potência máxima 
contínua de projeto do motor, mas qualquer ponto no interior do quadrilátero pode 
ser utilizado para definir a potência máxima contínua de contrato. Na Fig. 5.4 são 
mostrados dados da série K108ME-C que mostram as potências L1, L2, L3 e L4 
para cada número de cilindros e também fornece dados sobre consumo de óleo 
combustível, óleo lubrificante e as dimensões e o peso de cada motor. 
 
Fig. 5.2. Exemplo típico de uma família de curvas. 
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57 
 
Fig. 5.3. ”Layout Diagram” do motor Diesel. 
 
Fig. 5.4. Dados específicos de uma série de motores. 
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58 
 Obviamente foi apresentada a estrutura de dados de um determinado 
fabricante de motores. No entanto os dados de outros fabricantes são 
semelhantes. 
 
 
Equações da integração 
As equações utilizadas para efetuar a integração casco-hélice-motor são: 
a) equalização da força do propulsor com a resistência ao avanço 
t
VRnA
ADPNVT pásEHH −= 1
)(),,,,,(
0
 Eq. 5.7 
 
b) equalização da potência requerida com a potência fornecida pelo motor 
 
),(
),.,,,(2 00
MtipoM
R
pas
E
HH
S
H NMP
nA
ADPNVQN =ηη
π
 Eq. 5.8 
 
onde , e são, respectivamente, a potência, a rotação e o tipo de motor, 
definido por uma série e número de cilindros. 
MP MN tipoM
 
 No caso em questão, como a conexão é direta, sem a engrenagem redutora 
as rotações do hélice e do motor são iguais. As Eq. 5.7 e Eq. 5.8 formam um 
sistema de duas equações com 5 incógnitas. Desta forma há que se escolher 3 
variáveis como independentes. Neste caso o mais recomendado é selecionar , P
0A
AE e que caracterizam um determinado propulsor. Adotando-se esta 
hipótese as 
pasn
Eq. 5.7 e Eq. 5.8 podem ser escritas como: 
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59 
t
VRDNK HT −= 1
)(42ρ Eq. 5.9 
 
),(
)(2 52
MtipoM
R
HQ
S
H NMP
DNJKN =η
ρ
η
π
 Eq. 5.10 
 
Considere inicialmente a Eq. 5.9.
t
VRDNK HT −= 1
)(42ρ 
 Eq. 5.9 Dividindo-a por tem-se: 42 DNHρ
42)1(
)()(
DNt
VRJK
H
T ρ−= Eq. 5.11 
 
 A partir da definição do coeficiente de avanço tem-se: 
 
 
DJ
wVNH
)1( −= Eq. 5.12 
 Substituindo a Eq. 5.12 na Eq. 5.11 tem-se 
 
 222 )1()1(
)()(
DwVt
VRJKT −−= ρ Eq. 5.13 
 Observe-se que dentro das hipóteses admitidas, isto é, ρ,,, DtV e 
invariantes o parâmetro de é uma constante, isto é: 
w
2J
2)( JCJKT = Eq. 5.14 
onde 222 )1()1(
)(
DwVt
VRC −−= ρ 
 
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60 
A parcela a direita da Eq. 5.13 é conhecida como do casco e o 
parâmetro de é, para uma da velocidade, constante. O ponto de operação é 
definido pelo valor de que satisfaz a 
TK
2J
*J Eq. 5.13. Este ponto pode ser obtido 
graficamente ou através de um método numérico se houver modelos matemáticos 
ou pontos para e . Na )( jKT )(VR Fig. 5.5 é indicada a solução gráfica da Eq. 
5.13. Com o coeficiente de avanço, a rotação do propulsor pode ser obtida como: 
*
)1(
JD
wVNH
−=
 
 
Uma vez obtida a rotação do hélice, há que satisfazer a Eq. 5.10 e isto é 
efetuado selecionando-se convenientemente o tipo do motor Diesel. 
 
Fig. 5.5. Solução da integração casco hélice.