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COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Nº175820
Projeto e fabricação de um hélice naval com manufatura aditiva e materiais compósitos
João Paulo Silva Souza Jão Lucas Dozzi Dantas Rafael Celeghini Santiago
Palestra apresentada no Congresso Internaional de Transporte Aquaviário, Construção Naval e Offshore, 27., 2018, Rio de Janeiro.
A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________
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SOBENA 2018 – 27º Congresso Internacional de Transporte Aquaviário, Construção
Naval e Offshore
Rio de Janeiro/RJ, 23-25 de outubro de 2018
PROJETO E FABRICAÇÃO DE UM HÉLICE
NAVAL COM MANUFATURA ADITIVA E MATERIAIS COMPÓSITOS
João Paulo Silva Souza IPT-CTMNE-NAVAL / UFABC [email protected]
João Lucas Dozzi Dantas IPT-CTMNE-NAVAL [email protected]
Rafael Celeghini Santiago UFABC [email protected]
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INTRODUÇÃO
Diminuição de impactos ambientais desenvolvimento de embarcações de maior eficiência energética e desempenho;
Maior eficiência energética e desempenho Utilização de materiais compósitos;
Hélices flexíveis contribuem para a diminuição da cavitação;
Hélice Naval possui geometria complexa Manufatura aditiva;
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OBJETIVOS
Fabricação de hélice naval em material compósito e manufatura aditiva;
Ensaios em Túnel de Cavitação e análise comparativa com hélice metálico modelo base – teste de hélices flexíveis;
Desempenho hidrodinâmico;
Análise de deflexão;
Análise qualitativa cavitação.
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TÚNEL DE CAVITAÇÃO - IPT
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CAVITAÇÃO
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MÉTODO
Escolha de hélice base, a fim de uma análise comparativa;
Fabricação hélice em material compósito;
Análise hidrodinâmica em túnel de cavitação;
Análise deflexão; Câmera PIV fixada perpendicularmente ao hélice e a seção de testes do túnel;
Encoder para sincronização com movimento de rotação;
Sobreposição de imagens PIV com e sem carregamento;
Análise cavitação – combinação câmera e estrobo; Câmera profissional disposta diagonalmente com o eixo de rotação;
Estrobo ligado na frequência de rotação do hélice.
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ESTUDO DE CASO
Escolha de hélice da série sistemática Gawn-Burril (KCA) H1
Frequente utilização em embarcações de pequeno e médio porte;
Disponibilidade de exemplar em material metálico;
Tabela 1 – Características Particulares H1
Número de Pás 3
Diâmetro [m] 0,2
Razão Passo/Diâmetro 0,86
Razão área expandida 0,5
Diâmetro do Bosso [m] 0,038
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FABRICAÇÃO HÉLICE
Hélice fabricado em estrutura sanduíche Núcleo Manufatura aditiva (ABS);
Laminação manual Resina poliéster + tecido de fibra de vidro (2g/1g);
Escolha de Materiais
ABS viável economicamente, durável, relativamente leve e flexível;
Resina Poliéster Boa aderência ABS, aplicação náutica e rápido processo de cura;
Tecido de fibra de vidro Propriedades mecânicas;
Fabricação de hélices com
diferentes quantidades de camadas
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ENSAIO TÚNEL DE CAVITAÇÃO –
DISPOSIÇÃO EQUIPAMENTOS
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DEFLEXÃO – CÂMERA PIV
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ANÁLISE CAVITAÇÃO
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RESULTADO FABRICAÇÃO HÉLICE
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ANÁLISE HIDRODINÂMICA - EMPUXO
𝐽 = 𝑉
𝑛𝐷
𝐾𝑇 =𝑇
𝜌𝑛²𝐷4
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ANÁLISE HIDRODINÂMICA - TORQUE
𝐽 = 𝑉
𝑛𝐷
𝐾𝑄 = 𝑄
𝜌𝑛²𝐷5
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ANÁLISE HIDRODINÂMICA - EFICIÊNCIA
𝐽 = 𝑉
𝑛𝐷
𝜂 =𝐽
2𝜋
𝐾𝑇
𝐾𝑄
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ANÁLISE DEFLEXÃO
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CAVITAÇÃO – 0,7 ATM, J = 0,25, 1600 RPM
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CAVITAÇÃO – 0,7 ATM, J = 0,35, 1600 RPM
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CONCLUSÃO
Hélice de 1 Camada Características Promissoras Leve declínio na eficiência;
Diminuição relevante no peso estrutural;
Baixo custo de fabricação;
Possível diminuição da cavitação.
Hélice de 2 Camadas Aumento excessivo na espessura na ponta da pá devido ao processo de fabricação;
Aumento na cavitação;
Diminuição da eficiência.
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TRABALHOS FUTUROS
Interação Fluido Estrutura de hélice em compósito para análises não-lineares de escalonamento;
Estudo acerca de lattice structure/ estrutura celular para otimização de hélice em escala real;
Estudo acerca de ruídos gerados pela deflexão do hélice.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• Glauert, H., 1983. The Elements of Aerofoil and Airscrew Theory. Cambridge Science Classics. Cambridge University.
• Katsuno, 2017. “Analysis of the blockage effect on a cavitation tunnel using CFD tools”. 36th Internation Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering – OMAE 2017.
• Nasseh, Jorge, 2008. "Técnicas e Prática de Laminação em Composites". Rio de Janeiro.
• Taketani, T., Ando, S., Kimura, K. & Yamamoto, K. (2012). Study on cavitation behavior of a composite hydrofoil blade. The 16th Symposium on Cavitation, Kanazawa, Japan.
• Vesting, F., Bensow, R. “Propeller Optimisation Considering Sheet Cavitation and Hull Interaction”. Second International Symposium on Marine Propulsors, Hamburg, Germany, June 2011.
• Young, Y. L. & Motley, M. R. (2011). Influence of material and Loading uncertainties on the hydroelastic performance of advanced marine propellers, Second International Symposium on Marine Propulsors.
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Agradecimentos,
Os autores gostariam de agradecer aos técnicos do Laboratório de Engenharia Naval e Oceânica do IPT no auxílio na condução dos ensaios no túnel de cavitação, e a FIPT (Fundação de apoio ao Instituto de Pesquisa Tecnológica) pelo suporte financeiro contemplado no programa de Iniciação Tecnológica.
E-mail: [email protected]
Agradecimentos: