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2. Bolbo de Proa

Projecto de Navios I

Manuel Ventura

Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval

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Raizes Históricas

• O bolbo de proa teve origem no esporão, estrutura de natureza militar utilizada em navios de guerra dos finais do séc. XIX, princípio do séc.XX.

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Bolbo de Proa

• O bolbo de proa foi alegadamente inventado no David Taylor Model Basin (DTMB) nos EUA

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Aparecimento dos Bolbos de Proa

• Os primeiros bolbos de proa apareceram nos anos 1920s com o “Bremen” e o “Europa”, dois navios de passageiros alemãesconstruídos para operar no Atlântico Norte. O “Bremen”, construído em 1929, ganhou a Blue Riband da travessia do Atlântico com a velocidade de 27.9 nós.

• Outros navios de passageiros mais pequenos, tais como osamericanos “President Hoover” e “President Coolidge” de 1931, começaram a aparecer com bolbos de proa emborafossem considerados ainda experimentais, pelos armadores e estaleiros.

• Em 1935, o “Normandie”, construído com um bolbo de proa, atingia os 30 nós.

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Bolbo de Proa no Japão

• Alguns navios militares da 2ª Guerra Mundial tais como o cruzador “Yamato” (1940) usavam já bolbos de proa

• A investigação sistemática teveinício nos finais dos anos 50

• O “Yamashiro Maru”, construído em1963 nos estaleiro da Mitsubishi no Japão, foi o primeiro navio equipadocom um bolbo de proa.

• O navio atingia a velocidade de 20’com 13.500 hp enquanto que naviossemelhantes necessitavam de 17.500 hp para atingir a mesma velocidade.

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Evolução do Bolbo

• Diagrama que relaciona a evolução da aplicação de bolbos em função do Número de Reynolds, ao longo do século XX

• Verifica-se que o campo de aplicação do bolbo se foi alargando ao longo dos anos para cima e para baixo do intervalo inicialmente considerado útil

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Sistemas de Ondas do Navio

• Existem dois tipos de ondasgeradas pelos navios:– Ondas Divergentes - que

têm origem nos costados do navio e que têm cristasinclinadas em relação aoplano de simetria do navio

– Ondas Transversais - quese formam nas amuras e quetêm cristas perpendicularesao plano de mediania

• Estes sistemas de ondas são gerados quer a vante quer a ré.• A interferência entre estes sistemas de ondas cria os

característicos altos e baixos, função da razão Vs/Lwl do navio.

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Resistência de Onda

• O sistema de ondasgerado pelo bolbointerfere com o sistemade ondas do navio.

• O comprimento do bolbodefine a fase de interferência e o seuvolume determina a largura do seu sistema de ondas.

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Bolbo de Proa 9

Aplicação do Bolbo

• O bolbo de proa, ao alterar os ângulos de entrada e a distribuição do volume, representa um meio efectivo de reduzir a resistência de onda.

• A forma de bolbo deve ser ajustada às condições de projecto.– Normalmente a velocidades baixas o efeito do bolbo é negativo.

Quando o número de Froude (FN) aumenta o seu efeito torna-se positivo e aumenta até um valor máximo.

– Deste ponto para cima, quando o FN tende para infinito, o efeitodo bolbo tende para zero.

Bolbo de Proa 10

Formas de Bolbos de Proa

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Geometria do Bolbo (1)

Coeficientes de Forma Lineares

BBC B

BB =

PP

PRLPR L

LC =

FP

BZB T

ZC =

Coeficiente de Boca

Coeficiente de Comprimento

Coeficiente de Altura

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Geometria do Bolbo (2)

Coeficientes de Forma Não-Lineares

MS

BTABT A

AC =

MS

BLABL A

AC =

∇= PR

VPR

VC

( ) ( )[ ]ABAsactgLt MSPP −⋅⋅= 2/

Coeficiente de Secção Transversal

Coeficiente de Secção Longitudinal

Coeficiente Volumétrico

Coeficiente de Taylor (p/ Navios rápidos)

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Tipos de Secção do Bolbo (1)

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Tipos de Secção do Bolbo (2)

Menos susceptíveis ao slamming

Mais susceptíveis ao slamming

Observações

Carenas em “V”Calados em carga e lastro bem definidos

Carenas em “U”ou em “V”

Carenas em “U”Grandes variações de calado

Aplicação

Mais comunsElípticosCircularesCilíndricoForma de Lente

Bolbos de TaylorBolbos de pera

Exemplos

Tipo ∇Tipo ()Tipo Δ

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Integração na Carena

• Aditivos– Curva de áreas mantêm-se

inalterada

• Implícitos– Curva de áreas é alterada,

parte do volume do bolbo distribui-se para ré da PPAV

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Projecto do Bolbo (1)

55.035.0 << THB

0074.01811.0 +⋅⋅=PP

BLPR LBCC

0046.02642.0 +⋅⋅=PP

BLPR LBCC

( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ⋅⋅−−⋅+=

0

000 004.008.0 B

LB

LCCCC PPPPBBLPPLPR

Altura do Ponto de Protuberância Máxima

Coeficiente de Comprimento

• Bolbo p/ Condição de Lastro

• Bolbo p/ Condição de Carga e Lastro

• Bolbos a partir de Navio Semelhante

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Projecto do Bolbo (2)

Coeficiente de Área Transversal

5.340 −⋅= NABT FC

10 – 14%Tanques9 – 12%Graneleiros7 – 10%Carga Geral

• Valores típicos de CABT

• Na gama de valores 0.22 < FN < 1.45 pode-se relacionar a área na PPAV com o número de Froude pela expressão

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Projecto do Bolbo (3)

Coeficiente de Boca ( CBB x 100 )

12.811.811.010.29.68.98.47.2012.511.610.710.09.48.88.27.0012.211.410.59.89.28.68.06.8011.911.110.39.69.08.47.86.6011.610.810.09.38.78.17.56.4011.310.59.79.18.57.97.26.2011.010.29.58.88.27.66.96.0010.79.99.28.68.07.46.75.8010.49.68.98.47.87.26.55.6010.19.38.68.17.66.96.35.409.89.08.47.87.36.76.15.209.58.88.27.46.96.45.85.009.38.67.97.26.66.25.64.800.850.800.750.700.650.600.55

CBLPP/B NOTAS:

• Os valores da tabela aplicam-se p/ bolbos com aprox. ZB/T=0.45.

• Para valores acima ou abaixo, os coeficientes devem ser aumentados ou reduzidos de 0.1% por cada 0.01 de diferença, respectivamente.

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Construção do Bolbo (1)

• Bolbo para navio com pequenas variações da linha de água

• Parametros <a> e <b>, em que <b> éda ordem de grandeza da altura da onda de proa

United States Patent 3455262 (1969)

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Construção do Bolbo (2)

• Bolbo para navio com maiores variações da linha de água

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Construção do Bolbo (3)

• Bolbo para navio com maiores variações da linha de água

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Conical Bulbous Bow (1)

• A novel bulbous bow for bulk carriers comprises a conical bulb with a faired nose, with the axis of the cone substantially parallel to the longitudinal axis of the ship.

• In a preferred embodiment the cone is a right circular cone and the faired nose is substantially a hemisphere. More particularly, the included angle of the cone is in the range of five to twentydegrees.

• Although the cone could be faired into the hull, preferably it is not. • The longitudinal centerline of the bulb is located between 45 and

60 percent of the design draft below the design waterline. • The preferred extension of the bulb, beyond the forward

perpendicular, is proportional to the square of design speed with the proportionality factor in the range of 0.015 to 0.04 and preferably 0.035.

United States Patent 3946687 (1976)

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Conical Bulbous Bow (2)

• The cross-sectional area of the bulb at the forward perpendicular may be in the range from 10 to 20 percent of the amidships cross-sectional area.

• The bulb, comprising conical and hemispherical sections, is easier and less expensive to fabricate than some of the more complex shapes shown in the prior art.

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Bolbo p/ Navegação em Gelo (1)

• Forma de proa patenteada pela EcoShip Engineering baseada em estudos feitos no HSVA

• Apresenta baixa resistência em gelo e simultaneamente baixa resistência em águas abertas

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Bolbo p/ Navegação em Gelo (2)

• Proas testadas no HSVA

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Vantagens do Bolbo de Proa (1)

• O bolbo de proa tem várias vantagens importantes e nãoapresenta desvantagens relevantes:– Reduz a onda de proa, devido à onda gerada pelo próprio bolbo,

tornando o navio mais eficiente em termos energéticos– Aumenta o comprimento do navio na flutuação, aumentando

ligeiramente a velocidade do navio, reduzindo os requisitos de potência instalada e portanto o consumo de combustível

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Vantagens do Bolbo de Proa (2)

– Funciona como um "para-choques" robusto em caso de colisão. – Permite a instalação mais a vante do impulsor de proa, tornando-

o mais eficiente– Permite maior reserva de flutuação ou maior capacidade de

lastro a vante– Reduz o movimento de cabeceio (pitching)

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Aspectos do Projecto do Bolbo

• O bolbo nunca deve emergir completamente. O ponto da extremidade mais a vante deve ficar ao nível da linha de água

• Distribuição do volume do bolbo– Demasiada imersão não produz efeito– Volume concentrado longitudinalmente perto da superfície livre

aumenta o efeito de interferência nas ondas

• As linhas de água da extremidade do bolbo devem ter forma aviada mas não circular, para evitar separação do escoamento

• O bolbo é vantajoso em navegação no gelo – os pedaços de gelo deslizam ao longo do bolbo com o seu lado “molhado” quetem coeficiente de atrito inferior

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Análise do Bolbo

• Com base na experiência, o projectista deve avaliar se:

• O comprimento do bolbo éadequado para a velocidadeconsiderada

• A sobre-pressão gerada noslados do bolbo é adequada

• O flare da proa não aumentademasiado a altura da onda no bolbo

Representação combinada do perfil da onda, da distribuiçãoda pressão hidrodinâmica(cores) e das linhas de fluxo

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Optimização do Bolbo com CFD

• Os bolbos devem ser projectados para o perfil operacionaldo navio e não apenas para a condição de carga completa

• O bolbo que mais reduz o combustível necessário para o perfil operacional requerido deve ser o seleccionado para o navio

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Análise Não-Linear do EscoamentoPotencial (1)

• A figura mostra dois bolbos diferentes, o de BB muito maior do queo de EB. Está também representada a superfície livre não-linear aolongo do casco. Os contornos no casco representam os gradiantesde pressão dinâmica

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Análise Não-Linear do EscoamentoPotencial (2)

• Pode-se concluir da figura, que o bordo do bolbo mais pequeno tem maiores cristas e cavas mais fundas, resultando numa maiorresistência

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Optimização do Bolbo com CFD

• Representação dos contornos da altura de onda

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Bolbos em Navios Mercantes (1)

Exemplo de bolbo de adição, com aresta na intersecção com o costado.

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Bolbos em Navios Mercantes (2)

Exemplos de bolbos integrados na carena.

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Bolbos em Navios Mercantes (3)

Exemplos de bolbos integrados na carena.

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Bolbos em Navios Mercantes (4)

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Bolbos Simplificados (1)

• Para reduzir os custos de produção, têm sido desenvolvidas diversas formas de bolbo simplificadas

• Estes bolbos são compromissos entre a eficácia hidrodinâmica e a redução dos custos de produção, pela diminuição da curvatura das chapas utilizadas na sua construção.

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Bolbos Simplificados (2)

Bolbo construído a partir de formas simplificadas cónicas (Lamb, 1986 )

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Bolbos Simplificados (3)

Bolbo integrado e bolbo de adição, com aresta, evitando roda de proa com peça em aço vazado (Lamb, 1986 ).

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Bolbos em Embarcações (1)

Bolbo de Proa 42

Bolbos em Embarcações (2)

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Projecto para a Construção

Planificação das Chapas do Bolbo

Distribuição das chapas

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Produção e Montagem

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Adição de Bolbo

Adição de bolbo a embarcação de recreio emmaterial compósito

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Bibliografia (1)

• Chen, P-F, Huang, C-H, Fang, M-C, Chou, J-H (2006), “An Inverse Design Approach in Determining the Optimal Shape of Bulbous Bow with Experimental Verification”, Journal of Ship Research, Vol.50, No.1, pp.1-14. (CD-ROM#41)

• Couch and Moss (????), “Application of Large Protruding Bulbs to Ships of High Block Coefficient”, SNAME Transactions.

• Hoyle, Cheng, Hays, Johnson and Nehring (????), “A Bulbous Bow Design Methodology for High-Speed Ships”, SNAME Transactions.

• Kracht (????), “Design of Bulbous Bows”, SNAME Transactions. • Kracht (1970), “A Theoretical Contribution to the Wave-Resistance

Problem of Ship-Bulb Combinations: Verification of the Negativeness of the Interaction Term”, Journal of Ship Research, March.

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Bibliografia (2)

• Lamb, Thomas (1986), “Engineering for Ship Production”, SNAME.• Lee, K.J. and Sarath, E.S. (2005), "Optimized Design of Hull Form

and Bulbous Bow for ULCS", Proceedings of The Fifteenth (2005) International Offshore and Polar Engineering Conference, Seoul, Korea.

• Sharma, R. and Sha, O.P. (2005), "Practical Hydrodynamic Design of Bulbous Bows for Ships", Naval Engineers Journal, Vol.117, No.1,pp.57-76.

• Smith and Salvesen (1970), “Comparison of Ship-Motion Theory andExperiment for Destroyer with Large Bulb”, Journal of ShipResearch, March 1970.

• Yim (1974), “A Simple Design Theory and Method for Bulbous Bows of Ships”, Journal of Ship Research, Sept. 1974.