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André Kouzmine
Módulo PNA Propulsão
André Kouzmine
PNA- Cap VI - Propulsion
Sections 1, 2, 4, 6, 7, 10
- Powering of Ships - Theory of Propeller Action - Interaction between Hull and Propeller - Geometry of the Screw Propeller - Cavitation
- Other propulsion devices (jet propulsion, paddle wheels, vertical-axis propellers, controllable-pitch propellers, tandem and contrarotating propellers, super-cavitating propellers and overlapping propellers)
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PNA- Powering of Ships
Qual o mais eficiente? Qual destes foi
inventado primeiro?
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PNA- Powering of Ships
Um navio em movimento experimenta as resistencias da água e do ar. Para vencer essa reistência os primeiros barcos utilizaram remos, depois velas e finalmente e dispositivos mecânicos, como jatos, paddle-wheels e hélices de diferentes formas.
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O primeiro dispositivo de propulsão que utilizou a energia mecânica parece ter sido do tipo jato, usando um motor primário e uma bomba (1661). A água é sugada pela bomba e entregue na direção da popa como um jato de alta velocidade e a reação gera um impulso. Nas velocidades até agora alcançadas pelos navios, o jato é menos eficiente do que outras formas de propulsores, e seu uso tem sido restrito a tipos especiais de embarcações.
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Eram utilizados em rios e águas abrigadas e para transportes de passageiros. Existiram algumas linhas cruzando o atlântico, entre eles o famoso Cunarder Britannia em 1840.
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Em 1801 apareceu o primeiro navio com pás laterias
(side-paddle) movido a vapor, o Charlotte Dundas.
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American Ship Savannah
De 1801 até +-1850 foi o apogeu dos paddle steamers
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Os paddle-wheels laterais não eram ideais para navios de alto mar:
A imersão das rodas variava de acordo com o deslocamento do navio, e as rodas saiam da água quando o navio balançava (roll) , influenciando na manutenção da derrota (course-keeping).
Eles eram muito lentos e envolviam o uso de motores grandes e pesados.
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Devido à baixa taxa de giro eram razoavelmente eficientes como um dispositivo de propulsão, mas suas outras deficiências operacionais asseguraram o seu declínio rápido de popularidade, uma vez que o hélice (screw propeller) foi provado ser uma alternativa aceitável.
O calado não mudava muito e restrições de calado devido às águas rasas onde operavam proibiam o uso de grandes hélices.
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As pás laterais tinham boas características de manobra mas que podem ser obtidas por outros dispositivos de propulsão sem os inconvenientes das pá laterais.
Foram equipadas nas popas de muitos navios, como nos barcos do rio Mississippi e ainda estão em uso principalmente no transporte de passageiros.
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PNA- Powering of Ships A primeira proposta de uso do hélice parece ter ocorrido na England por Hooke in 1680.
Primeiro uso real é atribuído ao Cel. Stevens em um barco a vapor em NY in 1804.
Em 1828 um navio de 18 m (60 ft), projetado por Ressel em Trieste, usou o hélice com sucesso alcançando 6 Kts, (mas este sucesso não foi seguido pelos engenheiros).
A 1° aplicação prática veio em 1836 por Ericsson nos U.S. e Pettit Smith na Inglaterra.
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Smith's original 1836 patent for a screw propeller of two full turns. He would later revise the patent, reducing the length to one turn.
SS Archimedes – Primeiro navio (seagoing) a vapor a utilizar um hélice.
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PNA- Powering of Ships O hélice tem muitas vantagens sobre a paddle-wheels:
•Não é substancialmente afetados por mudanças normais no calado.
•É bem protegido contra danos por mares ou colisão.
•Não aumenta a largura total do navio.
•Pode girar mais rápido que as pás e ainda manter tão bom ou melhor desempenho, permitindo o emprego de motores mais rápidos menores e mais leves.
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O hélice rapidamente substituiu a roda de pás em todos os navios oceânicos, o primeiro navio com hélice a fazer a travessia do Atlântico foi Great Britain em 1845.
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O hélice se mostrou extremamente adaptável à incessante necessidade de maior impulso em condições cada vez mais severas.
Enquanto outros dispositivos tem sido adotados para tipos particulares de navios e serviços, o hélice ainda não tem rivais no campo da propulsão .
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PNA- Powering of Ships Em propulsores muito carregados, como nos rebocadores, a utilização de shroud ring or nozzles, o bollard pull (força de tração) aumentou em 40%, para uma dada RPM, quando comparado com um open propeller. Isto para baixas velocidades, pois conforme se aumenta a velocidade o arrasto do nozzle causa perda de velocidade.
Para emprego em alta velocidade, em outros tipos navios, pode-se usar noozzles mais finos, com alguma perda de impulso em baixa velocidade.
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Tais arranjos (shroud ring or nozzles) em associação com certas formas de popa tem fornecido uma boa eficiência propulsiva. Boa manobrabilidade pode ser obtida com o arranjo de nozzles direcionais, atuando como um leme eficiente no controle da direção da descarga do hélice.
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Em um navio de guerra(USS Alarm) que possuía um canhão fixo na proa era necessário girar o navio na direção desejada do tiro, foi então utilizado o "Feathering Paddle Wheel". Era instalado bem submerso na popa era excelente para manobrar e para manter o navio parado numa posição, mas a eficiência propulsiva era pequena.
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PNA- Powering of Ships A versão moderna (Voith Schneider) consiste de um disco grande com pás verticais lembrando um "spade rudders". Na medida em que o disco gira, cada pá gira em seu próprio eixo vertical, ajustando-se ao fluxo de forma que a tração total de todas as pás fica concentrada numa só direção. A direção da tração é controlada pela variação do movimento das pás. Torna a embarcação muito manobrável. A eficiência não é tão alta como a dos propulsores convencionais, e o seu custo de manutenção é alto. Muito utilizado em rebocadores.
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1.2 Types of Ship Machinery
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Ao selecionar a máquina propulsora para um determinado navio, muitos fatores devem ser levados em consideração, tais como:
• peso
• espaço ocupado
• custo inicial
• confiabilidade
• tempo de vida
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• flexibilidade e facilidade de operação
• custo de manutenção
• consumo
•adequação ao tipo de hélice a ser usado.
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PNA- Powering of Ships Máquina a Vapor Alternada (Steam Reciprocating Engine):
•Domínio no campo da propulsão até 1910;
•Boa controlabilidade em todas as cargas, e é facilmente revertida;
•A faixa mais eficiente de RPM coincide com a do hélice;
•A planta é muito pesada e ocupa muito espaço;
•A saída de potência por cilindro é limitada (usavam 2,3 ou 4 cilindros); e
•O consumo de combustível é muito alto.
Foram quase totalmente substituídas pela turbina a vapor nas faixas altas e intermediárias de força, e pelo motor diesel em faixas intermediárias e baixas.
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Propulsão a vapor
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Turbina a Vapor (Steam Turbine or Marine Turbine):
-Vantagens: Esforço de giro uniforme, apropriada para grandes unidades de força. Boa eficiência térmica e o consumo de grandes turbinas é baixo.
-Quando sobre carregadas entregam potência mais ou menos constante para uma dada setagem de máquina.
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Desvantagens:
- não é reversível, logo precisa de uma turbina reversora;
- a sua RPM de máx eficiência é muito maior que a dos propulsores logo precisa de engrenagens de redução que pode ser por:
-Redução do RPM
-Eletricamente
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-Redução do RPM através de engrenagens mecânicas:
Permite operar a máquina e do propulsor nas suas velocidades mais econômicas com uma perda de potência de apenas 2 a 4% .É necessário ter uma stern turbine (mais complexidade,custo e perda de potência).
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- Redução Elétrica: turbina acoplada a um gerador de alta RPM, que aciona um motor elétrico de baixa rotação associado ao propulsor. Não há eixos entre a turbina e o propulsor logo há uma maior flexibilidade de projeto.
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Em navios de dois hélices com dois conjuntos de "turboalternators", pode-se alimentar os 2 motores com uma turbina (reduzindo a força pela metade quando em cruzeiro), obtendo assim uma economia considerável. O turboeletric drive elimina a necessidade de turbina reversora, fornece grande flexibilidade e rapidez nas manobras e previne o disparo do hélice. Os ganhos são grandes, porém o custo inicial é alto e há grandes perdas de transmissão.
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Propulsão a Diesel (Diesel Reciprocating Engines) :
• São diretamente reversíveis, ocupam menor espaço, e possuem consumo muito baixo de combustível. São usadas em grandes unidades diretamente acopladas ao eixo ou em conjunto de pequenas unidades girando o hélice através de transmissão elétrica ou mecânica.
• Usualmente mais pesadas e com maior custo inicial e de manutenção do que os propulsores a vapor de mesmo tamanho.
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O torque produzido por um motor a diesel é limitado pela máxima pressão que ele pode desenvolver em cada cilindro. Assim, quando o motor está produzindo máximo torque, ele produz máxima potência somente à máxima RPM. Consequentemente, um motor a diesel produz potência de forma proporcional à sua RPM para qualquer setagem de máquinas.
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Esta limitação leva ao problema de combinar um motor diesel e um propulsor. A resistência aumenta com o tempo devido a incrustações e o impulso do hélice diminui pela mesma razão. Em consequência, a carga sobre o motor primário irá aumentar para manter a mesma velocidade. Isso requer que o projetista selecione os elementos adequados dos propulsores (como pitch) para que mais tarde, na vida útil da embarcação, o motor não fique sobrecarregado ou que nunca produza sua capacidade total.
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Turbina a Gás (Marine Gas Turbine): o combustível é queimado com ar comprimido, resultando em gases quentes passando pela turbina (turbinas de avião).
- Muito usadas em Navios de Guerra.
- Podem ser utilizadas em conjunto com motores diesel, turbinas a vapor ou turbinas a gás menores, e só entram na linha, quando se precisa de muita força.
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Vantagens:
• dispensa caldeiras;
• é leve;
• Desenvolve um esforço de giro uniforme;
• pode ser rapidamente levada à um carregamento máximo (+-15 min) sem aquecimento demorado.
Desvantagem: Alto consumo de combustível.
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Reator Nuclear
Usado principalmente por navios de guerra e quebra-gelos. Menor peso e volume do combustível porém o peso do reator e da blindagem é muito grande. Pode operar com carga máxima enquanto durar a vida útil do combustível.
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PNA- Powering of Ships 1.3 Definition of Power
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Definição de Força: Não é possível uma avaliação única da potência dos vários tipos de motores marítimos:
•Motores a vapor são medidos em termos de indicated power: PI
•Motores de combustão interna como diesel em PI ou brake power: PB
•Motores a turbina como shaft power: PS.
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Indicated Power (Vapor)- mede a pressão do vapor ou gás em cada cilindro através de um instrumento. A potência total se dá pela soma das medições de todos os cilindros.
Brake Power (Diesel)- é a potência medida no crank-shaft coupling (virabrequim), através de um freio mecânico, hidráulico ou elétrico.
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Shaft Power (Turbina)- é a força transmitida através do eixo para o propulsor. Medida por um torsiometro o mais próximo possível do propulsor. Mede o ângulo de torção entre duas seções do eixo, o qual, é diretamente proporcional ao torque transmitido. Há uma perda de força nos mancais e no tunel do eixo entre a posição do torsiometro e o propulsor. A potência entregue ao propulsor é menor do que a medida pelo torsiometro e é representada por PD (delivered power).
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As the propeller advances through the water at a speed of advance VA it delivers a thrust T, and the thrust power is
PT= T VA
Finally, the effective power is
PE=R V
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1.4 Propulsive Efficiency.
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Propulsive Efficiency: Eficiência é geralmente definida como a razão entre o trabalho útil ou força obtida sobre a força despendida.
No caso de um navio a potência útil obtida é aquela necessária para superar a resistência do movimento a certa velocidade => PE=R.V
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Em um navio a diesel, ela pode ser medida pela força desenvolvida em cada cilindro PI .
A eficiência propulsiva total neste caso será:
PE/PI
No caso de um navio a turbina será:
PE/PS
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Como a eficiência mecânica, perda nas engrenagens e eixos variam de navio para navio, de acordo com o tipo de motor e layout, e até mesmo com a condição de carga do motor em um instante particular, é difícil definir a eficiência hidrodinâmica de uma combinação de casco-propulsor em termos de eficiência propulsiva total.
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Uma medida muito mais significativa de eficiência propulsiva é a razão entre potência útil obtida e a potência entregue ao propulsor e conhecida como Quase-propulsive coefficient:
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Shaft Power - é a força entregue para o eixo pelo motor atrás das engrenagens e do bloco.
A diferença entre PS e PD representa a perda de força pela fricção nos mancais e tubo do eixo.
A razão PD/PS é chamada de shaft transmission efficiency.
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A eficiência propulsiva é definida como:
Propulsive efficiency = quasi-propulsive coefficient
x shaft transmission efficiency ou
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A perda de transmissão no eixo é cerca de 2 % para navios com a máquina a ré, e 3 % para os que têm a máquina a meia nau.
Quando a força é medida pelo torsiometro, o resultado dependerá da sua localização ao longo do eixo e deverá ser tão próximo quanto possível do stern tube para se aproximar ao máximo da força entregue ao propulsor. Assume-se normalmente que Ns= 1.0 Ns= PD/PS logo PD=PS
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PNA- Theory of Propeller Action
Seção 2- Theory of Propeller Action
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2.1 Momentum Principle (Qtd movimento).
Propulsores geram impulso pela aceleração do fluido, que está de acordo com as leis de Newton, onde uma força é necessária para alterar estado de movimento um corpo (magnitude e direção), e que a ação de dois corpos um sobre o outro é igual e oposta.
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PNA- Theory of Propeller Action
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m.v é chamado de Quantidade de Movimento
O Impulso de uma Força em um intervalo de tempo é igual mudança na quantidade de movimento prozuzida por esta Força no intervalo.
Quando F é constante no intervalo de 1s:
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2.2 General Discussion of Propeller Theories.
As primeiras teorias sobre a ação do hélice seguiram duas linhas independentes:
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No primeiro caso, as teorias de quantidade de movimento (Momentum Theory), a produção de impulso foi explicada pela mudança na quantidade de movimento do fluido.
Eram baseados em princípios fundamentais corretos e levaram a importante conclusão de que a eficiência de um propulsor tem um limite máximo que varia com a carga do propulsor. Mas não davam a indicação da forma do propulsor. Ele era idealizado como um “actuator disk” que causa um aumento instantâneo na pressão no fluido que passa por ele.
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Na segunda linha, a teoria do elemento da pá (Blade- Element Theory), o impulso do hélice foi obtido através da análise das forças que atuam sobre as várias seções das pás e depois integradas ao longo do raio do hélice.
Ela foi capaz de prever os efeitos das mudanças da forma no propulsor, mas chegou ao resultado incorreto de que a eficiência (Pe/Pd) de um propulsor ideal é 1 (unity).
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PNA- Theory of Propeller Action
A diferença entre as duas teorias foi dissipada pela Teoria da Circulação, desenvolvida por Lanchester em pesquisas aerodinâmicas, e aplicadas ao problema do propulsor por Betz e Prandtl.
Ela mostrou a relação entre a mudança da quantidade de movimento no meio e as forças agindo no elemento da pá.
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2.3 The Momentum Theory of Propeller Action.
(Rankine, Greenhill e Froud)
Toda a produção de impulso é explicada pelas mudanças de quantidade de movimento que ocorrem no fluido.
O propulsor é concebido como um disco atuador, que causa um aumento instantâneo na pressão do fluido que passa por ele. O método pelo qual este aumento ocorre é ignorado.
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PNA- Theory of Propeller Action
Na Teoria da Quantidade de Movimento é assumido que:
•O propulsor fornece uma aceleração uniforme ao fluido, sendo que o impulso gerado é uniformemente distribuído sobre todo o disco.
•O fluido não tem atrito.
•Há um fluxo ilimitado de água no propulsor.(Fig.1)
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PNA- Theory of Propeller Action
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Fig 1 Changes in pressure and
velocity at propeller disk,
momentum theory
•Disco Propulsor área Ao
•Velocidade Fluido Va
•Va3>Va2>Va1
•Axial-Inflow factor a
Bernoulii – velocidade aumenta e
pressão diminui
p3=p1 < p2
a=b/2
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PNA- Theory of Propeller Action
A primeira suposição envolve uma contração da "race column" que passa pelo disco. Como tal contração não pode ocorrer repentinamente, a aceleração real deverá ocorrer fora do disco, espalhando-se a uma distância finita a vante e a ré.
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O propulsor fornece uma aceleração uniforme ao fluido, sendo que o impulso
gerado é uniformemente distribuído sobre todo o disco.
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• Metade do aumento da velocidade do fluido atrás do disco é adquirida antes de chegar ao disco (a=b/2).
• Antes de chegar no disco pressão diminui (devido ao aumento da velocidade).
•Quando se chega ao disco (Seção 2) à pressão aumenta repentinamente, por um mecanismo não especificado, para valores maiores que a pressão inicial, depois a pressão diminui (para o mesmo valor da pressão inicial – Seção 3).
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PNA- Theory of Propeller Action
• Um propulsor com um CT (Coeficiente de Carga) maior é menos eficiente.
• Um propulsor com uma área de disco maior é, geralmente, mais eficiente.
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PNA- Theory of Propeller Action
2.4 The Momentum Theory, including angular motion
Na teoria da Quantidade de Movimento Simples , o disco atuador foi assumido como sendo capaz de acelerar o fluido apenas na direção axial. Se agora assumirmos um disco propulsor capaz de acelerar o fluido tanto axialmente como em rotação, nós temos a forma idealizada do hélice. Para o movimento angular, existe uma teoria da quantidade de movimento similar a do movimento linear.
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PNA- Theory of Propeller Action Ao inserir a rotação no disco o fluido possui uma velocidade V A a vante do disco, onde não há rotação. Como o disco gira o fluido que passa por ele irá adquirir parte dessa rotação.
Metade da velocidade angular é adquirida pelo fluido antes do disco. Consequentemente a velocidade angular do disco em relação à água será reduzida.
A eficiência de um hélice real é menor do que um “disco atuador”.
Rotational Inflow factor a’
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2.5 Blade Element Theory of Screw Propeller.
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PNA- Theory of Propeller Action
Nas teorias da Quantidade de Movimento momento o hélice foi considerado como um mecanismo para aumentar a quantidade de movimento do fluxo, mas nenhuma tentativa foi feita para explicar como isso foi feito. Na teoria o elemento da pá, o hélice é considerado como uma série de pás separadas, que por sua vez podem ser divididas em tiras sucessivas do bordo de ataque ao bordo de fuga.
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O hélice é considerado como uma série de pás separadas, que por sua vez podem ser divididas em tiras sucessivas do bordo de ataque ao bordo de fuga.
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•Permitiu prever os efeitos das mudanças de forma no propulsor, mas chegou ao resultado incorreto de que a eficiência (Pe/Pd) de um propulsor ideal é 1 (unity).
•As forças atuantes em cada tira são avaliadas pela velocidade relativa da tira em relação à água e as características da forma da seção.
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PNA- Theory of Propeller Action
As forças elementares (de cada pá) são decompostas nos elementos impulso (dT) para vante, e torque (dQ) no plano da rotação. Se plotarmos dT e dQ do boss ao tip (Fig 3), obtemos as curvas de tração e torque loading, que quando integradas fornecem a tração total T e o torque Q do propulsor como um todo.
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PNA- Theory of Propeller Action
A força na seção da pá fixa em um ângulo de incidência com o fluxo pode ser dividida em duas componentes: lift L e drag D, respectivamente a normal e ao longo da linha do fluxo incidente.
O ângulo entre a face da seção (pitch face) e o fluxo incidente é o ângulo de incidência.
A eficiência da seção é medida pela razão L/D.
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Fig 4 Forces on a blade section
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PNA- Theory of Propeller Action
Resultado de testes com perfis:
a)O coeficiente de Lift, CL, para pequenos ângulos de incidência é uma função linear do ângulo ;
b)Para um valor alto de Ai, CL para de aumentar linearmente com o angulo;
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Fig 4 Forces on a blade section
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PNA- Theory of Propeller Action
c) O lift nulo não ocorre para Ai=0, mas a um pequeno ângulo negativo (exceto para perfis simétricos), chamado angle of zero lift, α0 (-2 Fig4).
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Fig 4 Forces on a blade section
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Podemos traçar uma zero lift line da origem passando acima a pitch face com um ângulo α0 tal que quando o fluxo incidente está sobre esta linha não há lift exercido sobre a seção normal ao fluxo;
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PNA- Theory of Propeller Action
Quando o ângulo de incidência e for um α qualquer,o hydrodinamic angle of incidence α1 será α1 = α0 + α, ou seja, a soma do ângulo de incidência com o angle of zero lift.
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PNA- Theory of Propeller Action d) O Drag coefficient, CD, se mantém pequeno e mais ou menos constante para pequenos Ai, mas quando o CL começa a cair, o CD aumenta rapidamente; e
e) L/D é máxima para pequenos Ai, e para estas seções trabalharem eficientemente, Ai deve ser pequeno.
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Fig 4 Forces on a blade section
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PNA- Theory of Propeller Action
A razão span (envergadura) / chord é conhecida com aspect ratio (AR). Se esta razão for infinita, o fluxo através de uma seção seria bidimensional, e a distribuição de lift pela span seria uniforme.
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PNA- Theory of Propeller Action Com uma span finita, uma certa quantidade de spilling (derramamento) ocorre nas pontas, e o lift vai a zero nesses pontos.
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PNA- Theory of Propeller Action
Na face da seção (pressure on face), a pressão é aumentada em relação à pressão do fluxo livre, sendo máxima no nose. No dorso, a pressão diminui e tem um pico marcante a alguma distância do nose. A Lift Force gerada nada mais é que o resultado da diferença de pressões nas duas faces, ficando claro pela Fig.6, que elas se reforçam mutuamente e que a redução de pressão no dorso (back) contribui mais para o lift do que o aumento de pressão na face.
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Fig 6 - Pressure distribution on
blade section
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No caso mais simples, a face de uma pá de hélice é uma porção de uma superfície helicoidal verdadeira:
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PNA- Theory of Propeller Action Ou seja, uma superfície varrida por uma linha reta AB, A avançando com velocidade constante no eixo OO', enquanto a linha gira em torno de A com uma velocidade angular "w" constante. Quando a linha completa uma volta e se encontra em A'B', a distância que ela avançou (AA') é chamada de "face pitch" ou "geometrical pitch” P.
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PNA- Theory of Propeller Action
Qualquer cilindro coaxial com OO' cortará a superfície helicoidal numa "helix", e o ângulo entre qualquer helix e a superfície normal ao eixo (SS da fig 7) é o "pitch angle“ Ф. O angulo Ф é constante para um dado helix (para um dado raio), mas aumenta da ponta ao hub.
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PNA- Theory of Propeller Action
Na prática, o pitch geométrico "P" não será o mesmo para todos os raios; é comum se ter um pitch reduzido próximo ao hub (menos usual nas pontas). Nesses casos, o pitch a 0,7.R é normalmente tomado como o "pitch médio representativo", pois esse é o ponto aproximado onde a máxima sustentação é gerada (Fig 3).
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PNA- Theory of Propeller Action
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Esta imagem mostra que
o Impulso e Torque são
desenvolvidos pela parte
mais externa da pá e os
valores máximos ocorrem
a aproximadamente 0.7R
André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action
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A forma das pás e seções variam muito de acordo com o tipo de navio no qual o propulsor será empregado e das necesidades individuais de cada projeto. A Fig 8 mostra um projeto típico e define muitos termos de uso comum.
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PNA- Theory of Propeller Action
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Skew é a medida angular do centro da corda de cada seção à linha de referência. Essa linha se estende do centro do hub através do centro da corda da seção a r= 0.5d, o raio do hub.
André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action
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Fig 9 Definition of pitch angle.
Considerando a seção de
uma pá a um raio "r", com um
pitch angle θ, um pitch
geométrico P, e a pá
trabalhando num meio sem
escorregamento (unyielding
medium). Em uma revolução, a
seção vai avançar de A para A'
( P). Desenrolando o cilindro de
raio "r" numa superfície plana,
o helix traçado por A se
desenvolverá em uma reta AM,
e tan θ = P / 2.π.r.
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PNA- Theory of Propeller Action
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Fig 10 - Definition of slip
Se o propulsor gira a "n"
rotações, ele avançará uma
distância P.n. Assim obtemos
o diagrama de velocidade
para a seção. Mas em fluido
real ocorrerá um certo
escorregamento quando o
propulsor estiver
desenvolvendo tração.
Então o propulsor não vai
avançar LM (P.n), e avançará
apenas LS.
André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action
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Fig 10 - Definition of slip
MS é chamado de Slip, e a
razão MS/ML de Slip Ratio
(SR) e MAS de Slip Angle ou
Slip Angle Geométrico.
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PNA- Theory of Propeller Action
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Como num disco atuador, o trabalho
das pás e o desenvolvimento de
tração aceleram a água a vante do
propulsor, de forma que a "total axial
inflow velocity" numa dada seção da
pá é aumentada de VA para VA (1 +
a), e a "rotational inflow velocity" é
reduzida de 2.π.n.r para 2.π.n.r (1 -
a'). a e a’ resultam num decréscimo
do AOA da seção para um valor bem
inferior ao que seria obtido se eles
fossem ignorados - de AOC para
BOC.
André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action
O angulo de incidência (BOC) é sempre pequeno num propulsor eficiente, aproximadamente entre 3° e 6°, pois nesses ângulos L/D está próximo de seu valor máximo.
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PNA- Theory of Propeller Action
Inicialmente a teoria do elemento da pá simplificada ignorava as velocidades induzidas. E os impulsos, torques e eficiências eram muito diferentes dos valores encontrados em propulsores reais. A comparação melhorou quando os efeitos da velocidade induzida foram introduzidas, mas ainda havia discrepâncias. Quando se passou a considerar a interferência mútua entre as pás e a redução da sustentação nas pontas das pás, os resultados melhoraram.
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PNA- Theory of Propeller Action
2.6 Circulation Theory of Screw Propeller
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André Kouzmine
http://www.aviation-history.com/theory/lift.htm
A geração de sustentação (lift) explicada através dos princípios de Bernoulli facilita o entendimento mas deixa algumas perguntas sem resposta:
- Por que o ar tem que acelerar para percorrer um caminho maior. - Como seria possível um vôo invertido se considerarmos que o que gera sustentação é a forma do perfil.
A Teoria da Circulação se baseia nas Leis de Newton para explicar como é gerada a sustentação sobre um aerofólio.
A Asa é vista como um bomba jogando ar para baixo (donwash) e a reação é gerar o lift. Este fluxo de ar para baixo pode ser visto na foto a seguir.
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PNA- Theory of Propeller Action
André Kouzmine
A asa é vista como um “bomba” jogando ar para baixo
(downwash) e a reação é o lift. Este fluxo de ar para baixo pode ser visto na foto a seguir.
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André Kouzmine
Na verdade o fluxo ao redor de uma asa, de acordo com a teoria da circulação, ocorre da seguinte maneira: devido ao AoA e da viscosidade o fluxo se divide e a parte de cima acompanha a curvatura do perfil. Ao deixar a asa ele toma um movimento para baixo sugando ar das áreas ao redor e dando origem a uma circulação como apresentada na figura.
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PNA- Theory of Propeller Action
André Kouzmine
Na verdade o fluxo ao redor de uma asa, de acordo com a teoria da circulação, ocorre da seguinte maneira: devido ao AoA e da viscosidade o fluxo se divide e a parte de cima acompanha a curvatura do perfil. Ao deixar a asa ele toma um movimento para baixo sugando ar das áreas ao redor e dando origem a uma circulação como apresentada na figura.
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Na descrição matemática do lift esta circulação do ar ao redor de uma asa dá origem ao "bound vortex" or "circulation" model.
O AoA tem um papel mais importante na sustentação do que a forma do perfil.
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PNA- Theory of Propeller Action
André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action
Os métodos teóricos modernos de design do propulsor são baseados na Vortex Theory. A Teoria da circulação mostrou a relação entre as mudanças na quantidade de movimento no meio (momentum theory) e as forças agindo nas pás e baseou-se na vortex theory apresentada por Lanchester.
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Fig 13 Vortex of airplane wing
with constant circulation
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PNA- Theory of Propeller Action
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Considerando o fluxo ao lado r.v = c = constant.
E o fluxo limitado por um determinado raio.
Quando r for muito pequeno temos o que é conhecido com vortex tube ou filament, como os encontrados na natureza.
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PNA- Theory of Propeller Action
Cada vortex filament em um fluido ideal é permanentemente composto das mesmas partículas do fluido e não pode terminar abruptamente no interior do fluido, mas deve retornar para ele mesmo ou terminar na fronteira da região do fluido.
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PNA- Theory of Propeller Action
Efeito Magnus: Colocando o cilindro num escoamento uniforme de um fluido ideal, as streamlines serão simétricas, e não será exercida nenhuma força no cilindro.
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André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action Se sobrepusermos uma circulação no cilindro, o escoamento será assimétrico e teremos uma sustentação (lift) L no cilindro devido a diferença de pressão entre dois lados do cilindro. Assim o lift atuará no cilindro perpendicularmente ao escoamento. A produção de força em um cilindro girando sobre seu eixo no fluxo é o Efeito Magnus.
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Um exemplo de navio que utiliza o Efeito Magnus como propulsão é o Flattner Rotor Ship.
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PNA- Theory of Propeller Action
A Força L agindo sobre o cilindro em um fluxo uniforme com circulação pode ser expressa pela seguinte equação (Equação de Kutta-Joukowski):
Ela se aplica a todos os corpos independente de sua forma, e o fator de forma está contido no fator
de circulação г .
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André Kouzmine
Com a ajuda da equação de de Kutta-Joukowski a discussão matemática da ação do propulsor é bastante simplificada, porque não temos a considerar a forma das pás da hélice, a não ser no final do projeto, entretanto elas são consideradas apenas como filamentos de vórtice (vortex) ou linhas de sustentação dotadas de circulação.
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André Kouzmine
Estas linhas de sustentação são consideradas como tendo comprimentos finitos, correspondentes aos comprimentos das lâminas, não se encerrando abruptamente nas pontas, mas tendo continuações chamadas de vórtices de ponta (tip vortex), nas extremidades livres e aparecem nas pontas das asas do avião e nas pontas e root das pás da hélice, como é facilmente demonstrado em túnel de vento ou experimentos em túnel de água.
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O lift produzido por uma asa de avião ou uma pá de hélice é o resultado de um aumento da pressão na face e diminuição no dorso. Uma vez que o fluido segue o gradiente de pressão, ele tende a espalhar pelas extremidades livres da face para a parte de trás, criando poderosos vórtices downstream, cujos eixos são praticamente em ângulo reto com o eixo da pá ou asa, e que formam o limites da camada de fluido que tenha estado em contato com a lâmina.
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PNA- Theory of Propeller Action
André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action
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Na figuras abaixo temos o exemplo de duas asas de avião, uma com circulação
constante e outra com circulação variável: na figura da esquerda o bound vortex é
assumido como constante ao longo de todo o comprimento . Em AA temos o bound
vortex e AB são os free tip vortices:
Na verdade a sustentação na asa é máxima no meio do comprimento e decresce a
zero nas extremidades e a circulação ao redor da asa deve variar da mesma
maneira.
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Assumindo que a circulação varia ao longo do bound vortex AA, como mostrado pela pela curva г= f(x), vemos que a circulação é uma linha integral onde os free vortices surgem não somente nas
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extremidades mas ao longo
do bordo de ataque ataque
AA, formando uma vortex
sheet. г é a força de cada vortex e x é a distância do
centro da asa
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PNA- Theory of Propeller Action
Todos os vórtices assumem uma velocidade descendente (downwash) assim como toda a sheet.
Prandtl mostrou que a velocidade descendente é constante ao longo da sheet quando f(x) for uma elipse.
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André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action
Ao longo da vortex sheet, de AA até muito a ré, a velocidade induzida descendente não é constante e varia de u a uma grande distância de AA até u/2 em AA.
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PNA- Theory of Propeller Action
Conclusões semelhantes ocorrem em uma pá de hélice. A folha de vórtice, neste caso, é a camada de fluido helicoidal saindo por trás da pá, e a velocidade induzida, que é normal à camada helicoidal e por isso tende a empurrar a folha para trás ao longo do eixo da hélice e rotacioná-la em torno deste eixo, é idêntica com a definição de slip velocity. A velocidade induzida na posição do bound vortex, ou seja, no disco do hélice, é metade da velocidade a uma grande distância atrás da hélice (como na teoria da quantidade de movimento).
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André Kouzmine
PNA- Theory of Propeller Action Betz desenvolveu um teorema onde uma pá de hélice terá as menores perdas de energia resultantes das velocidades induzidas quando a folha de vórtice helicoidal é empurrada para ré ao longo do eixo e rotacionada em torno deste eixo, como se fosse uma folha rígida. Este teorema fornece uma regra onde para obter a máxima eficiência do hélice, as lâminas devem ser concebidas de modo que a velocidade do fluxo seja a mesma em todos os elementos da lâmina. A aplicação da teoria da circulação ao projeto do hélice permite que vários aperfeiçoamentos sejam feitos na teoria do elemento da pá. Ele permite que a velocidade induzida seja calculada, assim como o axial e radial inflow factors (a e a').
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PNA- Interaction hull x propeller
Seção 4- Interaction between hull and propeller
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André Kouzmine
O capitulo anterior estudava o propulsor trabalhando em open water avançando em uma água sem distúrbios. Atrás do casco do modelo ou navio as condições são bem diferentes. Temos que considerar que o casco arrasta água com ele, na forma de esteira (wake) e a água na popa adquire um movimento para vante. Desta forma o propulsor não estará avançando na mesma velocidade do navio, mas a uma velocidade menor Va , chamada de velocidade de avanço.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
PNA- Interaction hull x propeller
O propulsor acelera a água a vante dele, diminuindo a pressão na popa e aumentando a velocidade, efeitos que aumentam a resistência do navio quando comparado com a resistência de um casco rebocado.
Como atrás do casco o fluxo não é uniforme as relações entre impulso, torque e RPM são diferentes e consequentemente a eficiência de um propulsor em open water e atrás do casco será diferente.
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4.2 Wake A velocidade da esteira Vw é a diferença entre V(velocidade do navio) e Va(velocidade de avanço do propulsor) Vw=V-Va.
Froude expressou a VW como uma fração da Va chamou-a de "wake fraction“ ((1 + wF) = Froude's Wake Factor):
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Taylor introduziu uma definição diferente de fração da esteira, expressando a velocidade de esteira como uma fração da velocidade do navio, de modo que:
A de Taylor é mais recomendada, pois uma esteira de 50 % significa que a velocidade da esteira é 50 % da velocidade do navio.
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PNA- Interaction hull x propeller
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A esteira ocorre devido à 3 causas principais:
a) Arrasto friccional do casco, que causa uma corrente para vante (following current) que aumenta em velocidade e volume em direção à popa, e produz uma esteira com considerável velocidade para vante em relação a água ao redor.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
b) O streamline flow passando no casco causa um aumento de pressão em volta da popa, onde onde as linhas de corrente se fecham. Isso significa que nessa região a velocidade relativa da água passando pelo casco será menor que a velocidade do navio, e irá aparecer como uma esteira para vante aumentando a esteira criada pela fricção.
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PNA- Interaction hull x propeller
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c) No padrão de ondas do navio formado na superfície, as partículas de água das cristas tem uma velocidade para vante (foward), devido ao movimento orbital, enquanto as partículas de água dos cavados terão uma velocidade orbital para ré (sternward). Essa veloc orbital gera uma componente da esteira que poderá ser negativa ou positiva, dependendo se nas próximidades do propulsor houver um cavado ou uma crista.
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PNA- Interaction hull x propeller
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PNA- Interaction hull x propeller
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A esteira é formada por estes 3 componentes e na maioria das vezes é positiva, com exceção das embarcações de velocidades muito altas como Destroyers e a motor de alta velocidade. A 34 nós o comprimento de onda pode chegar a 200m e um Destroyer de 100m teria um cavado na vizinhança do propulsor e a esteira seria negativa. Com um bom casco a esteira potencial (streamline) será pequena, e com hélices de grande diâmetro, grande parte do disco estará fora da esteira de atrito. Nestas condições a esteira total sobre a hélice pode ser zero ou ligeiramente negativa.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine 140
PNA- Interaction hull x propeller
A esteira pode ser medida por tubos de pitot e os componentes das velocidades axial, radial e tangencial podem ser obtidas nas vizinhanças do propulsor. Exemplo dos componentes axiais são mostrados nas figuras 17 e 18.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Para navios de um hélice, a esteira é mais intensa na parte de cima do disco, um pouco menor mais abaixo do hub, e bem menor nos quadrantes externos de baixo. Em um um navio de dois hélices, a wake média no disco, como regra, será menor que em navios de um hélice de mesmo volume, mas haverá uma grande concentração da esteira logo atrás das extremidades do bosso ou pés-de-galinha no caso dos eixos abertos.
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PNA- Interaction hull x propeller
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Em ambos os casos, o fluxo de água tem uma direção para cima e para dentro, dando origem a assimetrias, e afetando o propulsor.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Quando a pá gira, uma seção de um raio qualquer passa por regiões de concentrações de esteira muito diferentes. Podemos construir um propulsor cujo pitch varia do centro(hub) a ponta da pá, de forma a melhor se adequar a uma esteira circunferencial média para um determinado raio (Fig. 17 e 18).
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PNA- Interaction hull x propeller
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Nominal wake - esteira para um fluxo que desconsidera a existência do propulsor.
Effective wake - considerando o propulsor.
O efeito do propulsor induzindo uma inflow velocity reduz a forward wake, sendo a effective wake normalmente 3 ou 4 pontos menor que a nominal wake.
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PNA- Interaction hull x propeller
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A não uniformidade da esteira tem consequências bastante indesejáveis:
Conforme a pá gira, forças periódicas e acoplamentos são criados e repassados através da água e do eixo para o navio, e é uma das principais fontes de vibração no casco.
A variação do inflow velocity também resulta em mudanças periódicas do AoA das pás, favorecendo à cavitação, gerando ruído, vibração e erosão das pás.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Por estes motivos, especial atenção deve ser dada à forma da popa e apêndices como bosso, junto com a propeller clearance , para garantir que as desigualdades da esteira no propulsor sejam mantidas tão pequenas quanto possíveis.
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PNA- Interaction hull x propeller
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Para obter uma melhor “quadro” da não uniformidade da esteira uma análise de Fourier pode ser realizada. Hadler usando a Série de Fourier para análise da esteira obteve informações sobre as flutuações do ângulo de pitch hidrodinâmico quando a pá completa uma rotação. Entre suas conclusões foi possível fazer uma escolha criteriosa do número de pás (Z) por este método (de 3 a 6).
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Hadler concluiu que:
a) O padrão da esteira é principalmente afetado pela forma do aftboby (popa). As variações no forebody (proa) tem efeito negligenciado.
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PNA- Interaction hull x propeller
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c) A distribuição radial da velocidade longitudinal média e volumétrica tem formas características.O open-type stern (dois hélices) tende a possuir uma distribuição quase uniforme, e de velocidade comparável à do modelo. O single-screw com popa convencional provê uma distribuição com valores menores no centro e maiores nas extremidades. Essa magnitude depende da fineness e forma do corpo de popa, ou seja, quanto mais afilada a popa, maiores os valores das velocidades.
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PNA- Interaction hull x propeller
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d)A variação da velocidade tangencial junto com a grande amplitude do 1º harmônico da velocidade longitudinal, resultará em vibrações na frequência do eixo quando houver imperfeições na pá, que causará desbalanceamentos hidrodinâmicos.
e)Em geral, para minimizar a cavitação e vibração, o open-type stern (Transom stern com pés-de-galinha suportando o eixo) é superior ao single-screw com popas convencional;
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g) O efeito das variações de velocidade do navio parece ser pequeno.
h)O efeito da localização do propulsor na clara do hélice pode ser importante.
i)Mudanças de deslocamento e trim podem resultar em grandes variações do padrão da esteira, influenciando na na cavitação e vibração.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Alguns autores tentaram relacionar a forma do casco com a distribuição da esteira:
Harvald mediu a esteira de mercantes de um hélice de diferentes formas de popa para algumas condições de carregamento:
- Descobriu uma pequena influência da velocidade.
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- A influência do trim foi pequena quando o calado na perperdicular a ré era igual.
- Mudando o calado a ré observou-se um efeito considerável na distribuição da esteira, especialmente na região superior do disco.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
- Pode-se obter um esteira melhor alterando a popa ao se introduzir um "stern bulb", removendo o deadwood (soleira,calcanhar) e aumentando a clara acima do eixo do propulsor (Fig 19).
- A aplicação de um partial stern tunnel provou ser benéfica para um containership e dredger, embora a aplicação para Great Lakes Carrier não levou a significantes melhoras. O stern tunnel provou ser bom para a effective wake.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Holden conduziu estudos para reduzir, nos estágios iniciais de projeto, as forças de pressão no casco causadas por cavitação do propulsor. Ele chegou aos seguintes requisitos para wakes com pequenos valores de pico:
Grandes angulos na linha d’agua e terminações deveriam ser evitadas (formas muito cheias).
O ângulo máximo da linha d’agua em relação ao eixo longitudinal deve ser mantido abaixo de 30º.
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PNA- Interaction hull x propeller
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4.3 Real and Apparent Slip Ratio
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
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PNA- Interaction hull x propeller
O Slip Ratio como definido anteriormente é:
onde
P = Pitch
n=RPM
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Para o hélice traballhando atrás do propulsor, outro slip ratio pode ser calculado usando a velocidade do navio V ao invés da velocidade de avanço do propulsor. É conhecido apparent slip ratio:
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André Kouzmine
Real slip ratio é o único guia real para performance do navio e requer o conhecimento da wake fraction (Wf) , entretanto, o apparent slip ratio precisa somente dos valores da velocidade do navio, revoluções e propeller pitch para seu calculo, e é freqüentemente registrado no ship`s log book.
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PNA- Interaction hull x propeller
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4.4 Relative Rotative Efficiency
O propulsor em águas abertas, em um fluxo de velocidade uniforme, com uma velocidade de avanço Va, tem a open water efficiency dada por:
Q0 torque in open water when the propeller is delivering thrust T at n revolutions.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
Atrás do casco, na mesma velocidade de avanço Va, no mesmo impulto T e RPM n estarão associados a um torque Q diferente, logo a efficiency behind the hull será:
A razão entre as eficiências atrás do casco e em open water nestas condições é chamada de relative rotative efficiency:
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PNA- Interaction hull x propeller
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A diferença entre o torque atrás do casco e em open water ocorre por dois motivos:
• A wake heterogênea atrás do casco em relação a open.
• As quantidades relativas de fluxo laminar e turbulento nas pás podem ser diferentes nos dois casos pois a turbulência da água atrás do casco é maior do que em águas irrestritas.
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PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
O valor da relative rotative efficiency não se afasta muito da unidade. Ela fica entre:
• 0,95 e 1,0 para navios de dois hélices; e
• entre 1,0 e 1,1 para um hélice.
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4.5 Augment of Resistance and Thrust Deduction.
Quando um casco é rebocado (sem propulsor), há uma área de alta pressão na popa, resultando em um componente de força para vante, reduzindo a resistência do navio. Com o casco se movendo através de um propulsor, a pressão é reduzida pela ação do propulsor acelerando o fluxo. Assim a componente de força para vante fica reduzida e a resistência do navio aumenta, bem como o impulso necessário para movê-lo.
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PNA- Interaction hull x propeller
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Se resistência de um modelo rebocado é Rt, e o impulso necessário para a mover o modelo com a mesma velocidade V é maior do que Rt, e este aumento é chamado o augment of resistance α. É expressa como a razão entre o aumento no impulso sobre a resistência: ou
α is called the resistance augment fraction and (1 + a) the resistance augment factor.
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Embora ver o problema do ponto de vista da resistência seja mais lógico, a prática é olhar para esse aumento na resistência como uma dedução do impulso disponível no hélice, de modo que, embora o hélice forneça um impulso de T toneladas, por exemplo, apenas RT toneladas estão disponíveis para superar a resistência. Essa "perda de impulso“ (T- RT) expressa como uma fração do impulso T é chamada de thrust-deduction fraction t, onde ou
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The expression (1 — t) is the thrust-deduction factor.
PNA- Interaction hull x propeller
André Kouzmine
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PNA- Interaction hull x propeller
É prática comum colocar lemes e outros apêndices na
popa do modelo para testes de auto-propulsão, e isto
introduziu alguns problemas na interpretação de t. É habitual
considerar Rt como sendo a resistência do casco nú, sem
apêndices, mas T tem que vencer, não só a resistência
aumentada Rt (1 + a), mas também a resistência do leme e
outros apêndices. Assim, o valor de t encontrado a partir das
experiências não depende apenas da forma do casco e das
características do hélice e arranjos, tal como refletido na
augment a, mas também do tipo de leme, etc.
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André Kouzmine
4.6 Hull Efficiency. O trabalho feito para mover um navio a uma velocidade V contra uma resistência Rt é proporcional ao produto Rt.V ou Effective power Pe.
O trabalho realizado pelo hélice em entregar um impulso T a uma velocidade de avanço Va é proporcional à T.Va ou ao thrust power Pt.
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PNA- Interaction hull x propeller
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A razão ente o trabalho realizado no navio e o trabalho realizado pelo propulsor é chamada Hull Efficiency.
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PNA- Interaction hull x propeller
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Seção 6- Geometry of the Screw Propeller
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
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6.1 General Characteristics.
O desenho de um propulsor quase sempre começa com uma superfície helicoidal que, ou forma a face da pá, ou serve como uma "reference frame" a partir da qual são medidos offsets para se descrever a pá. Essa sup helicoidal pode ser verdadeira ou uma distorcida, com uma série de características distintas.
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
André Kouzmine
The space curves that are traced by the various points of the generating straight line are called helices. These helices lie on the surfaces of circular cylinders coaxial with the line 00', and all have the same advance per revolution, that is, the same pitch P. Therefore, the true helicoidal surface can be defined as a surface of double curvature, each line element of which is a helix of a constant pitch.
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
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Se os elementos helical-line têm passos diferentes, ou se a linha radial é curva, uma superfície mais geral é obtida, a qual, ao mesmo tempo que não pode ser descrita matematicamente, é completamente e definitivamente descrita como gerando a forma da linha de referência radial e os passos de uma série de hélices a várias distâncias do eixo de rotação 00'. Esta superfície geral, quando usada como um quadro de referência, nos permite descrever qualquer tipo de hélice susceptível de ser utilizada na prática. É chamado pitch surface of the propeller and the line elements, which are true helices, the pitch lines.
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6.2 Geometry of Helix
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
The motion of the point on the
cylindrical surface may be
expressed in mathematical
form, using rectangular
coordinates x, y, and z, where
the axis of x coincides with
00', the axis of revolution.
André Kouzmine
If a cylinder of radius r is unrolled to form a flat surface, the helix will develop into a straight line, the pitch angle being given by:
The pitch P is the distance which r advances while it makes a complete revolution.
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6.3 Propeller Drawing.
6.4 Constructional Details of Marine Propellers.
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
Pitch line (c) gives the variation of pitch with radius from the axis. In the example shown,
the pitch is constant over the outer part of the blade, and reduced towards the root, a common
practice in single-screw merchant ship propellers.
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The characteristics of propellers are customarily expressed in the form of nondimensional ratios, the most commonly used being:
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Expanded-area ratio
Developed-area ratio
Projected-area ratio
André Kouzmine
Projected Area Ratio (PAR) The Projected view is the one you see when you look down on the propeller. The Projected area is the area of the outline as projected onto a surface below. Projected area ratio is the smallest of the three.
Developed Area Ratio (DAR) Developed area is the area of the blade outline if it could be untwisted (i.e., as if the whole blade were unattached from the hub and brought to zero pitch).
Expanded Area Ratio (EAR) Expanded area is what if found if the Developed area could be flexibly unwrapped on a flat surface so that all sections were parallel. Expanded area is what is important to propeller designers, to treat the propeller blade like a wing. In other words, the Expanded view converts the propeller from its helix to a flat plane.
Expanded area ratio is typically close in magnitude to Developed area ratio, and is often used interchangeably.
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Por muitos anos os propulsores foram construídos com 3 ou 4 pás, sendo que o de 4 pás se tornou quase universal dentre os de um hélice.
Testes em modelos indicavam que esses propulsores deveriam ser os mais eficientes, pois qualquer aumento do número de pás aumentaria o efeito de interferência entre elas próxima ao hub, com conseqüente diminuição da eficiência.
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
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Também, mantendo-se a expanded area constante um aumento no número de pás levaria a pás com maior aspect-ratio e menor comprimento de corda. A seção lift-to-drag ratio irá diminuir, também porque as pás terão maiores espessura para satisfazer os requisitos de força. The higher aspect ratio will have virtually no beneficial effect if the camber and pitch distribution may be optimized.
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Por outro lado, o aumento no número de pás resultará em melhor eficiência se cada pá isolada tiver a mesma razão lift-drag. Este efeito, entretanto, é mais do que balanceado pela redução da eficiência da pá.
Com o crescente aumento da velocidade e potência dos navios, principalmente para os single-screw, tornou-se necessário o aumento da área da pá, para atrasar o início
da cavitação.(melhor distr pressão) Para evitar pás excessivamente largas, um aumento no número de pás foi uma possível alternativa.
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
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Este aumento em potência, bem como do thrust desenvolvido por pá, também aumentou as forças periódicas transmitidas do propulsor para o casco, quer seja da água, por efeito da pressão, ou através das variações do eixo. Assim, os problemas de vibração do casco foram intensificados.
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Essas forças do propulsor se dão, predominantemente, devido à frequencia das pás. Um número maior de pás não somente reduz o impulso por pá bem como reduz a intensidade das forças perturbadoras, mas também aumenta sua frequência. Esse fato, em determinados casos, pode ser usado para evitar as condições de ressonância, e a vibração gerada pela força será menor devido ao maior amortecimento das estruturas do casco a altas freqüências.
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Because of such reasons many ships are now fitted with propellers having 5, 6 or more blades, and it has been found that by careful design such screws need pay only a small penalty, if any, in efficiency.
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As pás podem ser fundidas com o hub ou parafusadas. As parafusadas têm as vantagens de que as pás avariadas podem ser trocadas facilmente, e pequenos ajustes no pitch podem ser feitos. Suas desvantagens são o alto custo inicial, maior peso e uma menor eficiência devido ao maior hub.
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O hub é normalmente cilíndrico ou cônico, e seu diâmetro varia de 0.15D a 0.25D.
As pitch ratio (propeller pitch / propeller diameter) nos propulsores de navios vão de 0.6, propulsores muito carregados, como em rebocadores, e de 2.0 a mais, em barcos de alta velocidade.
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A distribuição radial do pitch é praticamente constante em navios de 2 hélices, mas em single-screw, devido à variação da esteira ao longo do disco, com uma maior concentração nos raios de dentro, o pitch é reduzido em direção ao hub.
Em prupulsores muito carregados, o pitch é sempre reduzido em direção ao tip, de forma a diminuir a carga de impulso nas tips e então atrasar o início ou reduzir severamente a tip-vortex cavitation.
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As pás geralmente tem um rake para trás para ficarem livre da esteira do casco, bossings ou suportes do eixo, sendo geralmente bom para eficiência e para a redução das forças periódicas que induzem à vibração do casco.
A vibração do casco também é reduzida pelo uso de pás com skew, de forma que as bordas das pás entrem na de wake de forma mais suave.
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A área da pá depende muito do thrust loading, as developed blade-area ratios variam de 0,35 a valores próximos a 1 em very high-speed ships.
A eficiência hidrodinâmica da seção da pá depende da sua thickness ratio, que deve ser mantida tão pequena quanto possível, no tocante ao aumento da eficiência. (drag)
Para atrasar o início da cavitação, porém, uma maior espessura é benéfica. (a velocidade reduz bastante)
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Os materiais para construção do propulsor devem ser leves, ter uma superfície lisa e e grande resistência contra erosão. São usados normalmente cast iron(ferro fundido), cast steel(aço fundido), maganese bronze e diferentes ligas de manganês-bronze-níquel-alumínio.
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Cast iron são mais baratos, porém tem pequena resistência de ruptura, tem que ser mais espessos e são muito corroídos pela água salgada, além de terem baixa resistência para a erosão da cavitação. Eles são principalmente usados em rebocadores e quebra gelos, pois tendem a partir ao bater, não danificando assim o casco ou as máquinas. A carga de trabalho permitida para cast iron é somente a metade que para manganese bronze, por isso são mais grossos e pesados que o manganese bronze.
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Como o comprimento da corda e a espessura das seções são parâmetros importantes no projeto do propulsor, e como os esforços das pás devem satisfazer aos requisitos das Sociedades Classificadoras, é necessário calcular a espessura mínima das pás no início do projeto.
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Teoria de Schoenherr, detalhando o problema da pá strenght, considerando os bending moments (momentos de encurvamento ou flexão das pás) devido à ao esforço hydrodinâmico, a força centrifuga, a rake e skew :
Ele declarou que seu objetivo era: “Deduzir uma fórmula para uma espessura mínima da pá para garantir uma pá de adequada para condições normais de trabalho”
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
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A espessura t foi considerada como que diminuindo linearmente da root para tip, sendo necessário computar somente t para a seção mais carregada.
Valores médios foram considerados para a forma da pá e parâmetros da seção;
Um ponto representativo foi tomado na seção escolhida onde seria calculado o stress, sendo este o ponto na face da pá na posição de maximum thickness, onde o stress é máximo e é tensionado quando o navio anda para vante.
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The American Bureau of Shipping adopted the simplified Schoenherr formula, choosing as the typical strength section that at 0.25 radius. Para CPP 0.35.
Os fabricantes de propulsores normalmente adotam espessuras superiores às fórmulas das Sociedade Classificadora, como margem de segurança contra falhas estruturais e para reduzir a sensibilidade ao ângulo de ataque da distribuição de pressão das seções da pás (melhorando a cavitação).
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Influência do Skew
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Boswell, carried out strain measurements for one-bladed propellers with different amounts of skew. For all propellers he found the maximum stress to occur in the region from the hub to the 50 percent radius. At the 30 percent radius the maximum principal stress is near the half-chord for the unskewed propeller and was found to move toward the trailing edge with increased skew.
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
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Boswell, report on strain measurements on a two-bladed propeller with 60 degrees skew. The maximum stress was found to occur near the trailing edge. They found considerably lower stresses for the backing condition assuming equal maximum principal stresses on the face and back of the propeller. However, they note that conditions related to crash stop maneuvers may change this picture.
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The increased stress levels in that case may be enhanced by elastic deflection: the blade will bend such that the effective pitch is increased leading to still higher loading. This may lead to a phenomenon called static divergence, which instability leads to damage. The experiments of Boswell, showed that a propeller is more susceptible to this instability for increased skew. However, the instability itself has not yet been observed to occur for marine propellers.
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
André Kouzmine
Luttmer, carried out an analysis of the influence of skew on the stresses in backing propellers. They calculated the open-water performance for four propellers having skew angles of 0, 30, 60 and 90 graus. This was compared with measurements. Thereby they obtained satisfactory agreement with realistic hydrodynamic loading levels. Next, a finite element analysis of the propeller was carried out for the astern backing condition, which was considered to be representative for conditions to be expected at crash stop maneuvers. Seus resultados mostraram , contrary to the previously mentioned research, maximum stresses at the tip (trailing edge for normal ahead condition).These stresses increase drastically with skew.
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PNA- Geometry of the Screw Propeller
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Seção 7- Cavitation
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PNA- Cavitação
André Kouzmine
PNA - Cavitation
É o fenômeno que ocorre nos propulsores muito carregados nos quais, a certas RPM críticas, há uma quebra progressiva no fluxo, e uma consequente perda de thrust. Quando muito forte pode fazer com que o navio não atinja a velocidade desejada. Antes de isso ocorrer, porém, ela se manifesta por ruído, vibrações e erosão das pás, estruturas e lemes.
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PNA - Cavitation
Antigamente ela estava relacionada à navio de alta velocidade, mas, com o aumento das velocidades e potências, o aspecto da cavitação na erosão tem se tornado mais importante, particularmente, em very high-powered single-screw ships. Nestes navios, há uma grande variação da esteira do propulsor, aumentando a cavitação, tornando necessária uma atenção especial para deixar o propulsor safo do casco, e observar os efeitos da sobrecarga do propulsor em mau tempo e quando o casco está com craca.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
One of the earliest references to cavitation on marine propellers was made by Osborne Reynolds, who in 1875 referred to the effect of racing of propellers . The first fully recorded case of its occurrence on a ship is that of the British destroyer Daring in 1894 . With the original twin threebladed propellers the ship on trial only reached a speed of 24 knots instead of the desired 27. When these screws were replaced by another pair with 45 percent more blade area, not only was 24 knots achieved with 17 percent less power, but a top speed of 29.25 knots was reached, with the elimination of much of the vibration previously experienced.
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PNA - Cavitation
O aumento da área das pás diminui a vibração do casco e diminui a cavitação, permitindo assim o navio atingir maiores velocidades à mesma RPM.
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PNA - Cavitation To understand the mechanism of cavitation, consider a blade section or airfoil set at a small angle of attack in a two-dimensional, steady, nonviscous flow, Fig. 29. Let the uniform steady velocity far ahead of the section be Vo and the corresponding total pressure Po. For a particular streamline such as AB, Bernoulli's theorem gives the relation:
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PNA - Cavitation At any point P on the streamline where the pressure P1 and velocity areV1 and we have:
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
Em um ponto S, perto do nose da seção, o fluxo se divide, e o fluido seguindo a linha de fluxo dividida é girado 90º, perdendo toda a velocidade e quantidade de movimento na direção do movimento along the streamline. Assim, no ponto S a velocidade V1 é zero, havendo então um aumento de pressão. S é o stagnation point.
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PNA - Cavitation
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X
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PNA - Cavitation
O fluido sobre a streamline dividida passa pelo dorso da pá com velocidade aumentada e pressão diminuída, enquanto o fluido sob o fluxo dividido é freiado, gerando um aumento de pressão na face. Essa diferença de pressões ira gerar uma sustentação na seção.
Since water cannot support tension, o fluxo quebrará nesse ponto (back) com a formação de bolhas e cavidade (cavitities), e a cavitação ocorrerá. Na prática, isso ocorrerá um pouco antes, quando pressão não cai a zero, mas sim à pressão de vaporização da água Pv (boil and form cavities).
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PNA - Cavitation
Dividing by the dynamic pressure cavitation will begin when
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PNA - Cavitation
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PNA - Cavitation
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PNA - Cavitation
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sensato
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PNA - Cavitation
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PNA - Cavitation O total lift force sobre a seção da pá é dado pela soma das áreas sobre a curva de pressão na face e no dorso, uma reforçando a outra. Na Fig.29 fica claro que não é a redução média de pressão no dorso, mas sim a redução máxima que inicia a cavitação.
224
Assim, para um determinado lift e
uma determinada área sob a curva
de pressão, as seções mais
resistentes à cavitação serão aquelas
com as distribuições de pressão mais
uniformes e com os menores picos.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
Classificação da cavitação hidrodinâmica:
• Travelling
• fixe
• vortex
• vibratory
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
- Travelling cavitation, ocorre no fluxo livre e consiste de bolhas individuais se movendo juntamente ao fluxo;
- Fixed cavitation, ocorre nas bordas dos objetos submersos. É fixa, ligada ao objeto, sendo inerente ao objeto, e não ao fluxo;
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PNA - Cavitation
-Vortex cavitation, Um vórtice ocorre num fluxo de elevado cisalhamento (shear). Para compensar a força centrífuga, a pressão no fluido perto do vortex tem que diminuir continuamente conforme o vortex se forma. Essas baixas pressões geram cavitações;
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PNA - Cavitation
-Vibratory cavitation, ocorre devido a pulsos de pressão no líquido, que são causados pela vibração de objetos submersos normal à face, produzindo ondas de pressão.
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PNA - Cavitation
As mais comuns nos propulsores marítimos são a fixed e vortex, que podem ser subdivididas de acordo com a posição em relação ao propulsor em que elas ocorrem, ou de acordo com a natureza física da cavitação:
• Sheet • tip vortex
• bubble • hub vortex
• cloud
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André Kouzmine
PNA - Cavitation Sheet cavitation,ocorre primeiro nos bordos de ataque da pá, no lado de sucção (dorso, de baixa pressão), quando as seções da pá trabalham sob ângulos de ataque positivos, e no lado da pressão alta (face), quando as seções da pá trabalham sob ângulos de ataque negativos. Isto se dá porque os non-shock free angles of atack (for which the lift is due not only to the camber of the sections) causam pressões muito baixas na região do bordo de ataque.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
This cavitation form may develop to cover the complete suction side of a blade, spreading inward from the leading edge in the form of a sheet, in which case it will often have a very stable character as shown in Fig. 30. When working in a wake, however, this cavitation type often has a very unstable character.
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André Kouzmine
Sheet Cavitation
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PNA - Cavitation
-Bubble cavitation, ocorre primeiramente na midchord ou na posição de espessura máxima, at shock-free entry of the flow, dessa forma, ela ocorre em non-separated flows. Consiste de grandes bolhas individuais, que crescem e se contraem rapidamente;
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André Kouzmine
Bubble Cavitation
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PNA - Cavitation
Cloud, sempre ocorre atrás de uma fortemente desenvolvida estável sheet cavitation e em fluxos moderadamente separados, onde vários pequenos vórtices em forma de núcleo (kernels) formam muitas pequenas cavidades. Aparece como mist (névoa) ou cloud de bolhas muito pequenas;
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Cloud Cavitation
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PNA - Cavitation Vortex-Type (tip and hub), ocorre no tip e no hub. O fluxo em torno do tip da face (pressure side) para o back (suction side) causa um vortex instável, que é derramado do tip e do hub para o fluxo. A pressão é menor no centro do vórtex , e é esse centro que irá cavitar. A tip vórtex usualmente começa um pouco atrás da tip. Nesse estágio inicial, a cavitação é desconecta do tip. Quando o vórtex ganha força, ou a pressão do líquido é reduzida, ela se conecta ao tip.
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André Kouzmine
Tip/Hub Cavitation
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
A hub vórtex é formada pela combinação dos vortex das blades na blade root (base da pá), que por si só são fracos para cavitar. Com uma forma de hub convergente, porém, esse hub vortex pode ser bem forte e cavitar. O vortex resultante é bem estável e aparece como a thick rope com strands (corda grossa com fios) correspondentes ao número de pás.
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PNA - Cavitation
7.6 Detrimental effects of cavitation
a) Efeitos da Cavitação na performance do propeller:
Quando a cavitação aumenta, o fluxo na blade muda, a distribuição de pressão muda, resultando em mudanças de thrust e torque.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
A cavitação diminui o under-pressure peak da leading edge, espalhando ele por toda a extensão da chord.
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PNA - Cavitation
Na maioria dos casos essa mudança provoca uma diminuição do lift do airfoil (superfície de sustentação) após um aumento inicial. O efeito no drag (arrasto) do airfoil é quase análogo, mas é um pouco atrasado e não tão extremo. Assim, a eficiência (lift/drag ratio) das pás diminui com o aumento da cavitação, após um aumento inicial.
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PNA - Cavitation
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PNA - Cavitation
To obtain a definite ship speed, a cavitating propeller suffering from thrust breakdown requires a larger power and thus a larger number of revolutions. As will be obvious, the described changes in propeller performance, resulting from the presence of cavitation are dependent on propeller geometry and propeller inflow conditions.
It is important to know the cavitation characteristics of the applied propeller blade sections.
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PNA - Cavitation
b) Cavitation damage of propellers.
From the very first, erosion of marine propellers has been encountered. Originally it was thought that this form of cavitation damage was due to corrosion. Today it is realized that the mechanism of cavitation is responsible for erosion and other forms of damage occurring to screw blades such as bent trailing edges. Parsons first found the connection between cavitation phenomena and erosion
245
André Kouzmine
PNA - Cavitation Nowadays it is assumed that cavitation damage is primarily caused by the process of cavitation bubble collapse on the propeller blade surface. The energy associated with cavitation bubble collapse has been calculated to be extremely high. This is particularly due to the fact that this bubble collapse apparently occurs in the form of shock waves on very small portions of the blade surface. This explains the pitted nature of the cavitation damage form termed erosion as shown in Fig 42.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation Intense and continued erosion often leads to disastrous damage as shown in
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
Cavitation erosion has been observed at places where cloud and bubble cavitation occurs. The individual bubbles associated with these cavitation forms collapse at the downstream end of the cavitation zone where the pressure increases. This type of cavitation collapse also occurs behind sheet cavitation when the sheet breaks up into individual bubbles. Recent theories on the mechanism of bubble collapse propose that the energy causing the damage is brought about by a re-entrant jet into the bubble on the boundary surface.
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PNA - Cavitation
Cabe ressaltar que os fenômenos de erosão e corrosão são diferentes, mas interação entre eles pode ocorrer, haja vista que ao ser erodido pela ação de cavitação, a corrosão começa, acelerando o processo. Uma vez iniciada a corrosão, a superfície fica rough e o fluido pode cavitar mais facilmente se a pressão for baixa o suficiente.
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PNA - Cavitation
A prevenção da cavitation erosion pode ser feita através da escolha de materiais adequados, ou aplicando proteção metálica e não-metálica.
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PNA - Cavitation
Uma outra avaria é o encurvamento (flexão) nas trailing edges (bending) dos high-powered single-screw ships, gerado pelo colapso simultâneo de um grande número de bolhas na trailing edge. Saindo da wake peak, um aumento na curvatura(camber) da blade section é induzido quando o ângulo de ataque diminui novamente....
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
A sheet cavitation na leading edge desaparece e as bolhas se formam na midchord position. Essas bolhas deixam a blade juntas quando a curvatura induzida diminui. O período relativamente longo disponível para o crescimento das bolhas e a chegada simultânea das bolhas na trailing edge, associada à alta pressão causa um impacto simultâneo, o que explica o bending of trailing edges towards the pressure side.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
Para prevenir essa forma de cavitação, há que se ter uma boa solução de compromisso entre a camber distribution of the blade section e o ângulo de ataque no qual cada blade section trabalha.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
c) Vibração e ruído induzidos por cavitação
As vibrações do navio são determinadas pela resposta característica das estruturas do navio e pelo nível de excitação. As vibrações induzidas pelo propeller na parte de ré (afterbody) são responsáveis pela quase totalidade dessas forças de excitação.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
Percebeu-se que a cavitação influencia grandemente o problema da ship-propeller interaction, sendo influente no stress das blades e na modificação do fluxo a vante do propeller. O maior efeito, porém, é na flutuação de pressões induzida no afterbody do navio. Não somente a amplitude, como também o ângulo de fase do propeller-induced fluctuating pressure são afetados.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
Propeller cavitation increases the amplitude of these vibratory pressures, depending on blade number and extent of cavitation, with a factor between 1 and 10 and sometimes even higher. This is primarily due to the variation in angle of attack of the flow causing large variations in the size of the cavities on the blades thereby causing large volume variations.
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
A cavitação não influencia somente baixas frequencias de flutuações de pressões induzidas no hull pelo propeller, mas também aumenta os ruídos de altas frequências (ruim para navios de guerra, onde se diminui a detecção sonar).
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André Kouzmine
PNA - Cavitation
A cavitação pode ser diminuída ou até mesmo evitada quando se tenta fazer a wake mais homogênea, através da forma do casco, clearences, propeller rake e alinhamento dos bossings, shafts e struts com a direção média do fluxo.
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PNA - Other Propulsion Devices
10.1 General.
Embora a grande maioria dos navios utilize hélices convencionais, existem outros dispositivos de propulsão que possuem algumas vantagens em circunstâncias especiais.
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PNA - Other Propulsion Devices
10.2 Jet Propulsion.
É o dispositivo de propulsão mecânica mais antigo que se conhece (1661). Consiste de um impelidor ou bomda dentro do casco, que puxa água de fora, acelera ela, e descarrega a ré, como um jato de alta velocidade. É um dispositivo de reação como um hélice convencional, mas as partes móveis ficam dentro do casco. Sua eficiência não é muito boa.
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Jet Propulsion
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PNA - Other Propulsion Devices
Vantagens
- A principal vantagem é a manobrabilidade caso a descarga opere como um leme. - Caso a descarga entregue tração a ré, elimina as engranagens reversoras.
- Redução do ruído devido ao impelidor estar dentro do casco
- Não há arrasto de apêndices.
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André Kouzmine
PNA - Other Propulsion Devices Desvantagens
- Deve ser muito grande, o que não é viável por estar dentro do casco, logo há uma perda de volume dentro do navio.
- Pode engastar o impelidor ,logo há a necessidade de colocação de redes para evitar craca e outros objetos evitando entupimentos.
- Dificuldade de obter um fluxo uniforme no impelidor quando a água vem da camada limite de curvas nos dutos.
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André Kouzmine
PNA - Other Propulsion Devices
Podem-se usar produtos químicos ou explosivos para acelerar e descarregar a água ou pode-se usar uma jet engine ou rocket acima d'água . Aircraft engines foram usadas em corridas de barcos. Foquetes(rockets) são pouco eficientes, a menos que a velocidade da embarcação seja uma fração razoável da velocidade do gás no jato além de problemas de calor e ruído na exaustão.
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10.3 Pump Jets
Neste arranjo o impelidor é externo. O impelidor é rotativo com ventoinhas guiadas fixas (fixed guide vanes), a vante ou a ré, ou ambos, sendo a unidade toda envolvida por um duto ou anel coberto (duct or long shroud ring). O primeiro dispositivo deste tipo foi chamado de screw-turbine. Comparado com um propulsor aberto, a velocidade no propulsor é menor e a pressão é maior, retardando assim a cavitação e o ruído.
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10.4 Paddle Wheels
As primeiras rodas tinham pás fixas e planas, mas em 1830 as pás de passo variável foram introduzidas "curved feathering blades" que, para um mesmo ângulo de entrada na água, tinham o diâmetro da roda reduzido pela metade ou mais. / Com as feathering wheels, a eficiência da propulsão se aproxima ou se iguala à de um hélice convencional onde o calado e a profundidade limitam o diâmetro do propulsor.
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É importante colocar a roda sobre uma crista do perfil de ondas para aproveitar o movimento para vante da água na crista. Isso ocorre naturalmente com as rodas na popa, mas no caso de rodas laterais deve-se ter atenção, inclusive se utilizando de testes com modelos.
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Isso é fácil de assegurar em navios de velocidade fixa, como navios de passageiros nos rios, mas pode ser difícil em outros casos.
Rebocadores quando rebocando não tem um sistema de ondas significativo, e as rodas laterais podem ser instaladas onde for melhor para a free-running speed do rebocador.
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10.5 Vertical-Axis Propellers
Surgiram em 1870 e há dois tipos:
Kirsten-Boeing, onde as pá dão meia-volta em torno de seu eixo para cada volta completa do propulsor.
Voith-Schneider, cujas pás dão uma volta completa.
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São muito usados e práticos. Podem ser usados na proa para auxiliar em manobras e permitem governar ou parar o navio sem ter que parar ou inverter a máquina, sendo excelentes para trabalhar em de águas restritas e para navios que necessitam de altas potências a baixas velocidades.
Em testes melhores eficiências foram obtidas com 6 pás. Pás retangulares atingiram uma eficiência 2 % maior que as elípticas.
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Vertical Propellers
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10.6 Controllable-Pitch Propellers.
As pás são montadas separadas no hub, cada uma em um eixo, no qual o pitch das pás pode ser mudado, e até mesmo invertido, enquanto o propulsor está girando, através de um mecanismo interno no hub.
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As principais vantagens são para navios que encontram condições de operação muito distintas, como rebocadores e trawlers, ou em navios que têm propulsores não reversíveis, como navios de guerra equipados com turbina a gás.
O mecanismo de consiste basicamente de pistões hidráulicos no hub, atuando em crossheads.
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Reduzindo o pitch quando rebocando ou trawling, por exemplo, o motor continua operando a full RPM, com potência total, sem aumentar a pressão média nos cilindros, importante para motores a diesel.
Quando o pitch muda, todas as seções giram ao mesmo ângulo, então a pitch face já não é mais uma true superfície helicoidal.
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Barcas (ferries) que têm que parar, avançar e reverter repetidamente, se beneficiam pelo fato de que toda força a ré está disponível revertento pitch enquanto a máquina continua a girar na mesma direção.
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Elimina a necessidade de um mecanismo de reversão em motores a diesel e de turbinas reversoras no caso de navios a turbina, reduzindo peso, custo, e tornando a reversão da propulsão em emergência muito mais rápida.
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São quase tão eficientes quanto um propulsor de pá fixa em qualquer condição. A única diferença é que o hub tem que ser um pouco maior para abrigar o mecanismo de mudança do pitch.
Quando pitch é mudado, todas as seções mudam para o mesmo ângulo, e assim a pitch face deixa de ser uma superfície helicoidal.
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10.7 Tandem and Contrarotating Propellers
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Quando o diâmetro do propulsor é restrito devido ao calado ou outros motivos, o fator de carga é maior, a eficiência sofre e a possibilidade de cavitação aumenta. Essa situação pode ser aliviada pela divisão da carga entre dois ou mais propulsores.
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Os propulsores arranjados dessa forma, no mesmo eixo, e girando na mesma direção, são chamados de Tandem. Em algumas aplicações práticas, foi observado que propulsor de trás, trabalhando na descarga do da frente, requer um pitch maior para entregar a mesma potência.
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Com os dois propulsores girando na mesma direção, a energia rotacional na descarga do da frente é aumentada pelo giro do de ré.
A idéia de reaproveitar a energia rotacional do propulsor de vante é atrativa, e levou ao desenvolvimento do contrarotating propellers trabalhando em eixos coaxial girando em direções contrárias.
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O de ré tem que ser menor para se adequar à descarga contraída do de vante e precisa ter o pitch que atenda à absorção de potência requerida.
Idealmente, não haveria rotação na descarga atrás do segundo propulsor.
Foram usados em torpedos, balanceando os torques e evitando que o torpedo rodasse.
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Hadler investigou as vantagens relativas de vários tipos de propulsores, de um hélice, dois hélices, tandem e contrarotating em um navio de dois hélices, bem grande, com um grande coeficiente de bloco e que necessitava de grande potência.
Resultados dos testes em relação aos dois hélices originais:
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-Não houve face cavitation ou perda de eficiência em nenhum dos hélices.
-Houve uma pequena back cavitation próximo às pontas, a cerca de 19 kt, sem muita diferença entre os propulsores.
Houve pouca diferença de Delivered Power (Pd) entre o twin-screw original e o single-screw de 5 pás. Este precisou de 0,4 % menos de potência.
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- O single-screw de 9 pás precisou de 4 % a mais de potência enquanto que o tandem foi quase que a metade entre os dois em eficiência.
- O contrarotating, onde grande parte da energia rotacional na esteira foi reaproveitada, precisou de 7 % menos de potência que o twin-crew e 61/2% menos que o single-screw de 5 pás.
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O ganho em eficiência propulsiva, a melhoria nas condições de vibração dos hélices de pequenos diâmetros e altas frequências de pá, faz o contrarotating propeller muito atrativo do ponto de vista hidrodinâmico. Por outro lado, percebe-se um adicional de peso e complicações das embreagens, do eixo coaxial, e problemas de selagem.
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10.8 Super-Cavitating Propellers
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Quando a cavity na no dorso da pá do propulsor se espalha até cobrir todo o dorso da pá, de maneira que não fique mais molhada, o propulsor está operando em condições de super-cavitação. Depois de o dorso ter ficado completamente sem água, um aumento adicional de RPM não pode reduzir mais a pressão no dorso, e nehuma sustentação adicional pode ser gerada mais pelo dorso.
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Na face, entretanto, a pressão continua aumentar com maiores RPM, bem como o impulso total, embora a uma taxa menor do que antes da cavitação começar.
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PNA - Other Propulsion Devices Uma vantagem é a ausência de back erosion, uma vez que as bolhas não colapsam mais no dorso da pá. Também, as forças perturbadoras da cavitação intermitente serão reduzidas, resultando em menor vibração. Uma vez que o dorso, quando em cavitação total, não mais está em contato com a água, a ênfase do design deve ser dada à forma da seção, que assegure uma separação limpa do fluxo do escoamento nos bordos de ataque e de fuga, e que proveja bons valores de lift-to-drag ratio(L/D) para permitir alta eficiência.
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Isso levou a uma seção wedge-shaped, com um bordo de ataque extremamente fino (Fig 93), de forma a garantir a separação. Experiências atuais com modelos, porém, comprovaram que as seções com bordo de ataque muito finos poderiam causar vibrações e falha estrutural, e então a borda deveria ser mais grossa ou o ângulo de ataque maior.
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Problemas de força podem ser causados pela combinação de alto impulso e bordo de ataque fino. Além disso, como os super-cavitating atingem sua melhor eficiência quando parcialmente submersos, grandes variações de força e pressões são esperadas quando cada pá entra, atravessa e sai da água. Pressões muito altas estão associadas ao momento de entrada das pás. Os supercavitation propellers não oferecem nenhuma vantagem em relação aos propulsores convencionais nas non cavitating regions.
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PNA - Other Propulsion Devices Uma maneira de garantir super cavitação, é inserindo ar no dorso das pás, naturalmente ou por pressão (ventilated propeller). Além de garantir full cavitation, também permite a esses propulsors serem usados em baixas velocidades e talvez até mesmo simular cavitação em propulsores normais em testes. Cabe relembrar que para o ventilated propeller, a performance é calculada com base na cavity pressure, e no fully cavitating com base no cavitation number.
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10.9 Overlapping propellers (sobrepostos)
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PNA - Other Propulsion Devices Foi observado que a redução de potência desse arranjo era de 5 a 8%, se comparada com um single-screw, e de 20 a 25% se comparada com um twin-screw.
A distância longitudinal entre os planos dos propulsores, a direção de rotação e o pitch do propulsor de ré são de pouca importância.
A distância do centro (grau de sobreposição) é mais importante. Em um caso específico a distância ótima foi a 0,7D.
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O máximo grau de overlapping não corresponde a potência mínima pois a wake fraction do propulsor de ré é tão fortemente diminuída que a queda de eficiência não pode ser compensada pelo aumento de eficiência do propulsor de vante, que tem uma maior wake fraction.
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A excentricidade da tração média e os bending moments laterais têm valores semelhantes aos observados nos single-screw e twin-screw, sendo a posição angular relativa dos propulsores quase irrelevante. Assim, nenhum fenômeno de quebra (beating) irá ocorrer.
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As forças laterais de desses propulsores são aproximadamente iguais e opostas em direção, e não são excessivas em magnitude.
A diferença de velocidade entre os propulsores, quando movidos por motores distintos, ocasiona excitações alternadas torsionais e verticais no casco, causadas por flutuações de pressão.
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As propriedades de cavitação dos propulsores são comparáveis às de um single-screw. Entretanto, pode ocorrer uma interação desfavorável de cavitating tip vortices (Fig 99).
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Mas como não houve nenhum fenômeno desfavorável, como boubble cavitation, o risco de erosão foi considerado negligenciável. Um arranjo de overlapping props aplicado a um navio-tanque de 425.000-dtw mostrou uma economia de potência de 16 % comparando com a versão original single-screw.
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10.10 Partially Submerged Propeller
Propulsores parcialmente submersos ou (surface piercing propulsors) podem ser atrativos pelos seguintes aspectos:
- Eles podem ficar diretamente atrás do navio, assim o arrasto (resistência) adicional dos eixos e suportes é pequena e o propulsor pode ser maior
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Other propulsion devices (jet propulsion, paddle wheels, vertical-axis
propellers, controllable-pitch propellers, tandem and contrarotating propellers,
super-cavitating propellers and overlapping propellers)
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A maioria deles produzem muitas cavities na faixa da alta velocidade, acima de 40 nós, quando essas cavities colapsam nas vizinhanças das pás, danos de erosão podem ser inevitáveis. As cavities preenchidas com ar não colapsam tão veementemente. A redução do perigo da erosão possibilita usar menores blade area ratios, em comparação com propulsor convencional, o que reduz a fricção e afeta positivamente a eficiência.
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A skin friction das pás reduz um pouco se comparada com o um meio só de água.
Próximo dos 40 kt é possível se obter uma eficiência em águas abertas acima de 60 %.
Como desvantagens: Propulsor strenght e efeito da cavitation/ventilation no propulsor.
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O Propeller strength: a carga na pá varia de aproximadamente zero na posição superior, até o seu valor máximo na posição inferior, o que demanda cuidados com a fadiga.
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O efeito da cavitação/ventilação no torque: como as embarcações velozes operam num grande faixa de velocidades, e como a resistência do navio é caracterizada por "humps", ocorrem situações onde a velocidade é baixa, mas o torque excede o torque de projeto. Esse over-torque ocorre devido à diferença de submersão dos propulsores, associada com a forte influência da cavitação e ventilação na tração e torque.
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