FUNDAÇÃO EDSON QUEIROZ

UNIVERSIDADE DE FORTALEZA ENSINANDO E APRENDENDO

ESTUDO DE HÉLICE PARA PROPULSOR DE ROBÔ

SUBAQUÁTICO TIPO ROV

YAGO DE LIMA VIEIRA

Junho - 2015

YAGO DE LIMA VIEIRA

ESTUDO DE HÉLICE PARA PROPULSOR DE ROBÔ

SUBAQUÁTICO TIPO ROV

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Tecnologia de

Petróleo e Gás como requisito para

obtenção de título de Tecnólogo em

Petróleo e Gás pela Universidade de

Fortaleza.

Orientador: Prof. Dr. João Batista Furlan Duarte

Coordenador do Curso: Antônio Roberto Menescal de Macêdo

Fortaleza – 2015

VIEIRA, Yago L.

ESTUDO DE HÉLICE PARA PROPULSOR DE ROBÔ SUBMARINO

TIPO ROV

Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Tecnologia

em Petróleo e Gás) – Curso de Tecnologia em Petróleo e Gás.

Universidade de Fortaleza, 2015.

1. Estudo, hélice, ROV, propulsão, geometria, robô

subaquático, mecânica dos fluidos, máquinas de fluxo,

Universidade de Fortaleza, UNIFOR

À minha família, fonte de educação e

inspiração.

À Milton Barbosa Batista Junior (in

memoriam).

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Prof. Dr. João Batista Furlan Duarte pela orientação e apoio.

Admiro sua carreira e me é uma fonte de inspiração.

Agradeço à minha família, que acreditou na minha capacidade e me deu total

apoio principalmente nos momentos em que mais precisei.

Agradeço à Jéssica Taynnar Barbosa Lira pela revisão deste trabalho,

incentivo e ajuda prestados, pelo seu companheirismo que me foi de grande inspiração.

Agradeço de coração.

Agradeço à Universidade de Fortaleza e Agência Nacional do Petróleo, Gás

Natural e Biocombustíveis pela bolsa de pesquisa concedida a mim através do Programa

de Recursos Humanos 53 (PRH-53 ANP) e por acreditarem no meu potencial.

Agradeço a toda equipe de coordenação do meu curso de graduação, em

especial Prof. e Coord. Antônio Roberto Menescal de Macêdo.

Agradeço aos excelentes Professores que estiveram presentes na minha

graduação e me deram apoio, em especial Prof. Ms. Francisco Cavalcante Júnior.

Agradeço a Ricardo Pessoa, amigo de graduação pelo apoio e pelas inúmeras

impressões de trabalho e conteúdo doados a mim.

Agradeço a meu Professor de Inglês, Daniel Ferreira da Silva, pela ajuda

prestada.

Agradeço aos amigos e colegas por terem contribuídos com seus incentivos,

em especial Sávio Monteiro, Deivid Silva e Carolina Braga.

Agradeço a todos que, de alguma forma, contribuíram para a realização deste

trabalho.

“Muita gente desperdiça a vida esperando

realizar seus grandes planos”.

George Jung

RESUMO

Esta pesquisa aborda o estudo de hélice – elemento rotativo – para sistema

de propulsão empregados em robôs subaquáticos conhecidos como veículos

remotamente operados (ROV). O estudo é composto pela análise dos fenômenos físicos

que envolvem o hélice, quando esse está submerso em operação ou não, com a mecânica

dos fluidos. Além disso, é estudado máquinas de fluxo para que se possa distinguir o

tipo de máquina em que o hélice se enquadra e a maneira como ele funciona, com vista

em análises teóricas. Na caracterização do hélice em questão é necessário entender os

principais parâmetros geométricos que o compõe, bem como compreender a definição

de séries sistemáticas e os seus objetivos relacionados ao funcionamento desse hélice e

suas vantagens. O objetivo principal desta pesquisa é incentivar e contribuir como

estudo norteador de futuras pesquisas para projetos de hélice otimizada para ROV.

ABSTRACT

This research regards propeller study – rotative element – for propulsion

system employed in underwater robots known as remotely operated vehicle (ROV). The

study comprises the analysis of physical phenomena involving the propeller when it is

submerged, in and out of operation, through fluid mechanics. The theoretical analyses

also embed the study of flow machines in order to distinguish the type of machine in

which the propeller fits and the way it works. For the characterization of the propeller

studied it is necessary to understand first the geometric parameters that compose it, the

definition of systematic series and its objectives related to the operation of the propeller

and advantages. The main objective of this research is to encourage and contribute to

further studies and future research in designing optimized propellers for ROV.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 13

1.1 Justificativa ...................................................................................................... 15

1.2 Objetivos .......................................................................................................... 16

1.2.1 Objetivo Geral ........................................................................................... 16

1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................ 16

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 17

2.1 MECÂNICA DOS FLUIDOS ......................................................................... 17

2.1.1 Pressão em um Ponto ................................................................................ 18

2.1.2 Distribuição de Pressão num Fluido em Repouso .................................... 19

2.1.3 Fluidos Compressíveis .............................................................................. 20

2.1.4 Fluidos Incompressíveis ............................................................................ 20

2.1.5 Escoamento Laminar, Transiente e Turbulento ........................................ 20

2.1.6 Hidrostática em Superfície Plana .............................................................. 22

2.1.7 Empuxo ..................................................................................................... 23

2.2 MÁQUINAS DE FLUXO ............................................................................... 23

2.2.1 Elementos Construtivos ............................................................................ 24

2.2.2 Classificação das Máquinas de Fluxo ....................................................... 26

2.2.2.1 Conforme à Direção da Conversão de Energia ..................................... 27

2.2.2.2 Conforme à Forma dos Canais entre Pás do Rotor ................................ 29

2.2.2.3 Conforme à Trajetória do Fluido no Rotor ............................................ 31

2.3 HÉLICE ........................................................................................................... 32

2.3.1 Sistemas de Coordenadas .......................................................................... 33

2.3.2 Parâmetros Geométricos do Hélice ........................................................... 34

2.3.3 Diâmetro .................................................................................................... 34

2.3.4 Passo .......................................................................................................... 35

2.3.5 Deslocamento Axial (Rake) ...................................................................... 37

2.3.6 Ângulo de Enviesamento (Skew) .............................................................. 38

2.3.7 Número de Pás .......................................................................................... 40

2.3.8 Área da Pá ................................................................................................. 41

2.3.9 Perfil da Pá ................................................................................................ 42

2.3.10 Séries Sistemáticas .................................................................................... 44

2.3.10.1 Hélices Kaplan e B-Troost ..................................................................... 44

3 MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................. 46

4 RESULTADOS ..................................................................................................... 47

5 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 48

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 50

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Experimento de reynolds para ilustrar o tipo de escoamento ..................... 21

Figura 2 – Pressão e força hidrostática exercidas no fundo horizontal e nas paredes

verticais de um reservatório aberto........................................................................ 23

Figura 3 – Rotor de bomba ........................................................................................... 25

Figura 4 – Sistema diretor em forma de caixa espiral de uma bomba centrífuga ........ 25

Figura 5 – Sistema diretor de turbina hidráulica do tipo pelton ................................... 26

Figura 6 – Microturbina hidráulica tipo pelton ............................................................ 27

Figura 7 – Turbina de vapor ......................................................................................... 28

Figura 8 – Ventilador axial tubular .............................................................................. 28

Figura 9 – Bomba centrífuga ........................................................................................ 29

Figura 10 – Turbina a vapor do tipo curtis ................................................................... 30

Figura 11 – Turbina hidráulica do tipo francis ............................................................. 31

Figura 12 – Sistema de coordenadas cartesiano do hélice ........................................... 33

Figura 13 – Diâmetro do hélice .................................................................................... 35

Figura 14 – Passo do hélice .......................................................................................... 36

Figura 15 – Ilustração do conceito trigonométrico da equação ................................... 37

Figura 16 – Tipos de deslocamento .............................................................................. 38

Figura 17 – Ilustração do ângulo de enviesamento ...................................................... 39

Figura 18 – Entidades do perfil aerodinâmico ............................................................. 43

Figura 19 – Eficiência ideal e das séries sistemáticas kaplan e b-troost em função do

coeficiente de carregamento .................................................................................. 45

13

1 INTRODUÇÃO

Em 1812, o engenheiro florestal Josef Ludvík František Ressel iniciou uma

pesquisa visando revolucionar a navegação marítima com sua invenção do hélice

parafuso – que partia do princípio do parafuso de Arquimedes. Em 1826, Ressel aplicou

a patente austríaca para o que chamou de um parafuso sem fim que pode ser usado para

guiar navios no mar e rios, recebendo sua licença em fevereiro de 1827. Anos depois o

inventor se envolveu em experiências de hélice nas quais tentava estabelecer uma linha

regular para transporte de passageiros em navios. No ano de 1829, Ressel tornou-se a

primeira pessoa no mundo a usar uma hélice em navegação. A partir de então, mais

pesquisas sobre hélices foram sendo desenvolvidas e aperfeiçoadas, e até o presente

momento continua a busca por melhorias (ISTRIA, 2014).

No contexto atual da sociedade, onde a tecnologia avança quase sem

limitações, existe uma crescente procura na efetuação de tarefas de modo seguro, rápido,

eficiente e preciso. A tecnologia está intrinsecamente ligada à melhoria da qualidade de

serviços que lida com o conhecimento tecnológico. No meio científico e tecnológico, é

de costume o cumprimento desses serviços, os quais muitas vezes expõe o homem a

situações de risco. Como exemplo dessas tarefas, tem-se: explorações marítimas em

água profundas, espaciais entre outras. A fim de realizá-las, se faz indispensável a

existência de dispositivos com capacidades de executar tais funções exonerando a

presença humana. Entre muitos dispositivos há os robôs movíveis de campo, que

efetuam essas tarefas com eficiência, precisão e confiabilidade, indo além dos limites

do próprio ser humano. O conhecimento tecnológico que enfoca no desenvolvimento de

tais dispositivos chama-se robótica. (BOAS, 2006; SOUZA, 2010).

Na literatura, esses robôs movíveis de campo são classificados por diversos

aspectos, o mais importante refere-se ao tipo de operação que pode ser autônomo ou

operado remotamente (ROV). (BOAS, 2006).

A movimentação desses robôs é feita através de sistema de propulsão que é

composto por um motor elétrico e um hélice projetada de forma a se obter um melhor

14

deslocamento do robô. Para entender melhor o funcionamento desses hélices, dois

pontos são importantes conhecermos, são eles: dinâmica dos fluidos e máquinas de

fluxo.

O fluido é uma substância na forma líquida ou gasosa que sofre deformação

continua quando é submetido a uma determinada tensão de cisalhamento,

independentemente da quantidade aplicada. Na mecânica dos fluidos, é estudado o

comportamento dos fluidos em repouso e movimento, certamente, quando estamos

falando de mecanismos como compressores, turbinas, sistemas de propulsão entre

outros, estamos motivados em compreender o escoamento de fluidos por meio desses

mecanismos (FOX, 2006; MUNSON, 2004).

Na movimentação de robôs subaquáticos, bem como nos aviões, a mecânica

dos fluidos está intrinsecamente ligada à propulsão dessas máquinas, pois sempre

procuram obter melhorias nesses projetos, em muitos casos melhorando a aerodinâmica

das estruturas para se ter um menor consumo de energia (MUNSON, 2004).

Desde o século XIX, as máquinas de fluxo ficaram ultrapassadas, em termos

de desenvolvimento, com a produção de novos materiais e recursos computacionais

mais aprimorados como por exemplo a turbina a gás, cujo desenvolvimento se deu em

paralelo a Segunda Guerra Mundial, tendo uso na propulsão de aviões e na produção de

geração de energia elétrica. Relaciona-se então os hélices de propulsão submarina com

as máquinas de fluido, seguindo a definição dessas máquinas que são equipamentos os

quais transferem energia de um dado sistema mecânico a um fluido, fazendo a

transformação de energia mecânica em energia de fluido e vice-versa. Devido aos efeitos

dinâmicos nas máquinas de fluido do tipo dinâmica, o fluido -presente no sistema- está

em estado confinado e permanece em fluxo constante, como por exemplo os

ventiladores centrífugos e turbinas hidráulicas (HENN, 2006).

Tendo como base a mecânica dos fluidos e máquinas de fluxo, o próximo

passo é entender o sistema de propulsão utilizado por um ROV. Nos arranjos do sistema

de propulsão os hélices são empregados para promover o deslocamento do robô e de

15

preferência que esse permita um melhor aproveitamento da potência das máquinas de

propulsão. Essas máquinas são responsáveis em proporcionar torque e rotação aos

hélices do ROV, provindos dos motores de tal maneira que se produza empuxo e cause

o movimento esperado (PINTO, 2014). Um aspecto muito importante a ser considerado

em projetos que envolvem sistema de propulsão é o fenômeno da cavitação, proveniente

da alta velocidade do movimento das pás do hélice dentro d’água (TRINDADE, 2012).

Seguindo uma ordem cronológica de estudos, os próximos passos serão

assuntos abordados especificamente para o estudo dos hélices, como por exemplo

parâmetros geométricos do hélice e séries sistemáticas.

Existem vários parâmetros que estabelecem a geometria dos hélices e são

definidos dependendo das especificações do projeto. Na maioria dos casos a geometria

do hélice é escolhida a partir de séries sistemáticas (BOAS, 2006).

Uma série sistemática é um conjunto de estudos de hélices obtidos por

variação de parâmetros geométricos (TRINDADE, 2012). O principal objetivo é realizar

ensaios sistemáticos de hélices e criar uma base de dados que permita ajudar o projetista

a entender os principais fatores atuantes no desempenho do hélice, bem como a

ocorrência de cavitação em várias condições de funcionamento.

1.1 Justificativa

O desenvolvimento de hélice para propulsores de robôs subaquáticos é de

importância imensurável, pois esse hélice será o responsável em fazer o deslocamento

do robô quando este estiver submerso. Apesar de existir diversos estudos em andamento

sobre o tema, esse desenvolvimento ainda se trata de um processo que visa estabelecer

constantes melhorias nos hélices para as diversas aplicações deles em robores

remotamente operados (ROVs), haja vista serem um dos principais componentes dos

sistemas de propulsão utilizados em ROVs. O presente trabalho tem como base

16

incentivar a busca e pesquisa mais aprofundada sobre o tema em questão, uma vez que

os ROVs vêm se desenvolvendo com novos projetos, os hélices também precisam de

mais projetos que envolvam melhorias em paralelos com a evolução dos robôs.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo Geral

O presente trabalho tem como objetivo geral incentivar e auxiliar projetos de

pesquisas que sejam focados em hélices para propulsor de robô subaquático tipo ROV;

Definir o tipo de máquina em que os hélices se classificam; Definir os fenômenos

físicos, de acordo com a mecânica dos fluidos, envolvidos nos hélices quando estes

estiverem submersos e em operação.

1.2.2 Objetivos Específicos

Estudar Mecânica dos Fluidos para entender o meio e os fenômenos físicos

em que os hélices estarão submetidos;

Estudar Máquinas de Fluxo para compreender e caracterizar o tipo de

máquina de fluxo em que se adequa o hélice de propulsão de ROV.

Abordar os parâmetros que determinam as características geométricas do

hélice.

17

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 MECÂNICA DOS FLUIDOS

Os fluidos tendem a escoar quando se interagi com eles, por exemplo, quando

se agita um suco dentro de um copo, sólidos tendem a se deformar ou dobrar; outro

exemplo é quando um carro em movimento passa por um buraco em que as molas da

suspensão comprimem-se e voltam ao estado no qual elas tendem a ficar. No ponto de

vista da engenharia e cientifico, é preciso ir mais além do que exemplos facilmente

descritivos, necessitando de uma definição mais formal e precisa de um fluido. Assim

pode-se definir um fluido como uma substância que sofre deformação continua sob a

aplicação de uma tensão de cisalhamento, não importando a quantidade aplicada. Dessa

forma, podemos descrever tal tensão cisalhante nos fluidos como uma solicitação- carga

externa- de uma força atuante na posição tangencial a sua superfície (FOX, 2006;

MUNSON, 2004).

Os fluidos são caracterizados pelas fases líquida e gasosa- ou vapor- das

formas físicas nas quais a matéria pode ser encontrada. No que diz respeito à

diferenciação entre um fluido e o estado sólido da matéria, é simplesmente notada

quando se é comparada os seus comportamentos e estruturas moleculares (FOX, 2006)

Apesar de considerar importante a estrutura molecular dos fluidos para

diferenciar um fluido de outro, não se pode especificar o seu comportamento, em

equilíbrio ou em movimento, pela dinâmica individual das moléculas que o contém. Por

conta disso, podemos caracterizar o comportamento dos fluidos observando os valores

médios ou macroscópicos das quantidades de interesse. Essa média é avaliada em um

volume pequeno que contenha um grande número de moléculas. Assim, quando

ratificamos que a velocidade num ponto no qual sofre deformação constante vale um

certo valor, na realidade, estamos indicando a velocidade média das moléculas as quais

ocupam uma pequena relação de volume no ponto em que é avaliado (MUNSON, 2004).

18

O estudo da Mecânica dos Fluidos é subdividido em estática dos fluidos, na

qual o fluido está em repouso, e dinâmica dos fluidos, na qual o fluido se encontra em

movimento. É inquestionável que fluidos de diferentes tipos possam apresentar

características muito distintas umas das outras. Toma-se como exemplo clássico os

gases, que por sua vez são leves e compressíveis ao mesmo tempo em que os líquidos

são mais pesados e relativamente incompressíveis. Para tornar mais didático o

entendimento anterior, analisa-se que o escoamento de um fluido viscoso, semelhante

ao mel de abelha, encontrado em um reservatório, ocorre de maneira vagarosa. Em

contrapartida o escoamento de um outro fluido com características semelhantes da água,

encontrado dentro de um mesmo reservatório, ocorre de maneia mais acelerada. Assim,

faz-se necessário determinar certas propriedades para identificar essas diferenças

(MUNSON, 2004).

Este capítulo aborda a definição geral da Mecânica dos Fluidos, bem como

algumas características relevantes ao tema desta pesquisa, na qual pode-se entender de

forma simples e prática o meio em que os hélices de propulsão de um ROV estão

submetidos a fim de compreender, também, os seus funcionamentos nesses ambientes.

2.1.1 Pressão em um Ponto

A pressão é dada por uma determinada força normal por unidade de área,

atuando em um determinado plano. O desenvolver da pressão em fluidos estáticos é

considerado como um fenômeno importantíssimo em diversas situações práticas, como

por exemplo a importância de ser estudado a pressão em que um hélice de propulsor de

ROV poderá estar submetido, dependendo da profundidade e das características do

fluido em que o hélice estará submerso (MUNSON, 2004).

Pode-se considerar a lei de Pascal a qual diz que toda pressão atuante sobre

a superfície da massa líquida será transmitida no seu interior, igualmente em todas as

direções (GOMES, 2010). Essa lei é muito conhecida no campo da hidrostática,

19

contribuindo para calcular forças atuantes em objetos submersos, deduzir propriedades

dos oceanos, atmosfera etc (MUNSON, 2004).

2.1.2 Distribuição de Pressão num Fluido em Repouso

A grandeza da pressão é bastante parecida com a grandeza da tensão de

cisalhamento (𝑃𝑎). Porém elas têm o sentido distinto da força que exercem sobre uma

superfície. Enquanto na primeira a força se dá no sentido perpendicular à superfície, na

segunda a força é aplicada paralelamente à superfície (VILANOVA, 2011).

É preciso considerar um pequeno elemento de forma cúbica submerso num

fluido para avaliar a pressão exercida num determinado ponto dessa massa em repouso.

Para facilitar o entendimento, considere cada superfície desse elemento fluido

determinando em um índice de 1 a 6, equivalentes às faces do cubo, sendo

respectivamente:

Superfícies inferior e superior, índices 1 e 2;

Superfícies laterais esquerda e direita, índices 3 e 4;

Superfícies frontal e posterior, índices 5 e 6.

As medidas das arestas do cubo são x, y e z e são tão pequenas em relação às

grandezas físicas do sistema. O peso 𝑊, em N, do elemento fluido é caracterizado pelo

produto do peso específico 𝑔, em N/m3, pelo volume do elemento 𝑉, em m3. O volume

é representado pelo produto dos eixos x, y e z do plano cartesiano. Então temos que:

𝑊 = 𝑔 . 𝑥 . 𝑦 . 𝑧 .

As forças atuantes em cada uma das seis superfícies do elemento são dadas

pelo produto da pressão sobre a superfície, pela área da superfície. Logo, para cada face,

temos: 𝐹𝑎 = 𝑝𝑎 . 𝐴 . Sendo a o índice que indica a superfície; 𝐹𝑎 é a força atuante na

superfície; 𝑝𝑎 é a pressão sobre a superfície; 𝐴 é a área da superfície. O fluido- quando

20

está em repouso- deverá ter o resultado nulo do somatório de todas as forças atuantes no

elemento fluido no sentido de cada eixo (VILANOVA 2011).

2.1.3 Fluidos Compressíveis

Normalmente os gases oxigênio e nitrogênio são tidos como fluidos

compreensíveis, pois suas massas específicas mudam de maneira significativa de acordo

com as alterações de pressão e temperatura. Seguindo esse exemplo, pode-se definir o

que são fluidos compressíveis desta forma: fluidos compreensíveis são aqueles que

variam seu volume de acordo com a mudança de pressão e temperatura a que são

submetidos (MUNSON, 2004).

2.1.4 Fluidos Incompressíveis

Podemos definir os fluidos incompressíveis, por exemplo a água, como

aqueles que não sofrem alteração do seu volume quando submetidos a determinada

pressão e temperatura.

Para que ocorra a variação do peso específico de um fluido, é necessário que

seja provocada uma mudança de sua massa específica e da aceleração da gravidade.

Sendo assim, sua propriedade é semelhante ao produto da massa específica do fluido

pela aceleração da gravidade ( = . 𝑔) (MUNSON, 2004).

2.1.5 Escoamento Laminar, Transiente e Turbulento

O escoamento de fluidos foi estudado por Osborne Reynolds, cientista

britânico, em um experimento muito simples, utilizando tubos. Num tubo transparente,

Reynolds adaptou uma sonda de corante de forma a introduzir um contraste no

escoamento para verificar suas condições. Nesse experimento o cientista constatou que

o contraste de corante se comportava de maneira diferente de acordo com as

21

características do tubo, do fluido e do escoamento. Para determinar o tipo de

escoamento, Reynolds propôs um parâmetro adimensional conhecido como número de

Reynolds, no qual são relacionadas as seguintes propriedades do fluido: massa

específica e viscosidade; geometria do tubo e velocidade média do escoamento

(VILANOVA 2011).

O número de Reynolds para tubos circulares é dado pela relação 𝑅𝑒 =𝑉𝐷

𝜇.

Na qual: 𝑅𝑒 é o Número de Reynolds [𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙]; 𝜌 é a massa específica [𝑘𝑔/𝑚3];

𝑉 é a velocidade média do escoamento, em 𝑚/𝑠; 𝐷 é o diâmetro do tubo, em 𝑚; 𝜇 é a

Viscosidade do fluido, em 𝑁. 𝑠/𝑚2.

Através do número de Reynolds é possível determinar se o escoamento é

laminar, transiente ou turbulento (Fig. 1). O escoamento será laminar quando 𝑅𝑒 for <

2100 a 2300 e turbulento quando 𝑅𝑒 for > 4000. Para 𝑅𝑒 entre esses limites, determina-

se que o escoamento poderá ser turbulento ou laminar, ou seja, transiente (VILANOVA,

2011).

Figura 1 – Experimento de Reynolds para ilustrar o tipo de escoamento

Fonte: VILANOVA

22

2.1.6 Hidrostática em Superfície Plana

Para todos os corpos submersos em fluidos, sempre existirão a presença de

forças atuando nas suas superfícies. Os estudos dessas forças são muito importantes em

diversos projetos de estruturas hidráulica (MUNSON, 2004).

Os fluidos exercem uma força perpendicular nas superfícies dos corpos

submersos, quando se encontram em repouso, pois tensões de cisalhamento não existem

nessa situação e a pressão muda gradativamente com a profundidade quando o fluido se

comporta de maneira incompressível. Dessa forma, na análise em superfície horizontal,

como por exemplo a superfície inferior de um tanque de líquido qualquer, o módulo da

força que resulta na superfície é 𝐹𝑟 = 𝑝𝐴 , sendo 𝑝 a pressão na superfície inferior e 𝐴

a área dessa superfície. Nota-se que para esse caso- tanque aberto- 𝑝 = 𝛾 ℎ. Se a pressão

atmosférica atuar na superfície livre do fluido e na superfície inferior do tanque, a força

resultante na superfície inferior será devida apenas ao líquido contido no tanque. A força

resultante atua no centróide da área da superfície inferior, ou seja, a força hidrostática

age no centro geométrico da superfície, pois a pressão é constante e está distribuída

uniformemente nessa superfície (MUNSON, 2004; VILANOVA, 2011).

Já a pressão que age sobre as paredes verticais do reservatório varia

gradativamente entre a lamina d’água do reservatório e a profundidade, uma vez que

esta é proporcional à distância ℎ do ponto de referência da parede à superfície livre,

partindo, assim, da pressão atmosférica na linha da parede vertical que limita a superfície

livre até a pressão de fundo 𝑝𝐹 = 𝑔ℎ (Fig. 2).

23

Figura 2 – Pressão e força hidrostática exercidas no fundo horizontal e nas paredes verticais

de um reservatório aberto

Fonte: VILANOVA

2.1.7 Empuxo

O empuxo se dá pelo princípio de Arquimedes, definido como: todo corpo

total ou parcialmente imerso em um fluido em equilíbrio recebe uma força vertical para

cima denominada empuxo, de intensidade igual, mas de sentido contrário ao peso da

porção deslocada de fluido e aplicada no ponto onde estava localizado o centro de massa

dessa porção. Essa força denominada empuxo será tanto maior quanto mais denso for o

líquido, e sua origem estará relacionada com o fato da pressão no líquido aumentar com

a profundidade (GOMES, 2010).

2.2 MÁQUINAS DE FLUXO

Máquina de Fluxo (Fluido), também chamada de turbomachine, pode ser

descrita como um conversor de energia, sendo o trabalho mecânico uma das formas de

energia na qual a operação é feita em meio fluido que, na passagem pela máquina,

interage com uma hélice, elemento rotativo, ficando ou não de qualquer maneira

confinado (HENN, 2006).

24

Na literatura (HENN, 2006), as características de construção dos diversos

tipos de máquinas de fluido variam de um fluido para outro, analisando as propriedades

deles, como por exemplo: volume específico e viscosidade.

Para exemplificar as máquinas de fluxo, temos:

Ventiladores (fans);

Bombas centrífugas (centrifugal pumps);

Turbinas hidráulicas (hydraulic turbines);

Turbocompressores;

Turbinas a gás (gas turbines);

Turbinas a vapor (steam turbines).

Este capítulo apresenta a definição; seguido dos elementos construtivos

primordiais das máquinas de fluxo; além de fornecer critérios de classificação dessas

máquinas, visando estabelecer uma linguagem comum para a caracterização do tipo de

máquina de fluxo em que se adequa o hélice de propulsão de ROV, a sua abordagem e

propiciar meios de identificação dos diferentes tipos de máquinas de fluido.

2.2.1 Elementos Construtivos

Com relação a elementos construtivos, o presente trabalho tem a intenção de

fazer suas caracterizações fundamentais, onde acontecem os fenômenos

fluidodinâmicos das Máquinas de Fluido essenciais para a operação da máquina: o rotor

(impeller ou runner) e o sistema diretor (stationary guide).

A transformação de energia mecânica em energia de fluido ou vice-versa

acontece no rotor, onde esta faz o papel de elemento principal de uma máquina de fluido

(HENN, 2006). O rotor (Fig. 3) é composto por um determinado número de pás

giratórias, também conhecidas em inglês como runner blades, e dividem o espaço

ocupado em canais, por onde o fluido de trabalho tem espaço para circular.

25

Figura 3 – Rotor de bomba

Fonte: ARMSTRONG RM CORPORATION

O sistema diretor, ou sistema direcionador, tem como objetivo coletar e guiar

o fluido por um caminho pré-estabelecido. Essa função de direcionador de fluxo,

geralmente, é seguida por uma outra, conhecida como conversor de energia. Assim, em

uma bomba centrífuga (Fig. 4), por exemplo, o sistema diretor de saída é essencialmente

um difusor que transforma parte da energia cinética do líquido- a qual é expulsa pelo

rotor- em energia de pressão.

Figura 4 – Sistema diretor em forma de caixa espiral de uma bomba centrífuga

Fonte: HENN

Ao mesmo tempo dessa transformação, em algumas turbinas hidráulicas,

como por exemplo do tipo Pelton, seu sistema diretor (Fig. 5) é, em extrema análise, um

26

injetor ou também conhecido como nozzle, em inglês, que transforma a energia do fluido

pressurizado em energia cinética, a qual é fornecida ao rotor por meio de jatos

oportunamente orientados. Em alguns tipos de máquinas, o sistema diretor não se faz,

como nos ventiladores axiais- aqueles de uso doméstico. A existência do rotor, no

entanto, é indispensável para a caracterização de uma máquina de fluxo.

Figura 5 – Sistema diretor de turbina hidráulica do tipo Pelton

Fonte: HENN, 2006

2.2.2 Classificação das Máquinas de Fluxo

Entre as diversas características que podem ser usadas na classificação de

máquinas de fluxo, podemos destacar os seguintes tipos:

— Conforme à direção da conversão de energia;

— Conforme à forma dos canais entre as pás do rotor;

— Conforme à trajetória do fluido no rotor.

27

2.2.2.1 Conforme à Direção da Conversão de Energia

As máquinas de fluidos são classificadas em motoras e geradoras de acordo

com a direção da conversão de energia (HENN, 2006).

Máquina de fluxo motora transforma a energia de fluido em trabalho

mecânico, ao mesmo tempo que máquina de fluxo geradora recebe trabalho mecânico

transformando em energia de fluido.

Nas máquinas de fluido motoras, a energia do fluido é reduzida quando passa

pela máquina. Já nas geradoras a energia do fluido é aumentada.

Para exemplificarmos máquinas de fluxo motoras, podemos citar as turbinas

hidráulicas (Fig. 6)

Figura 6 – Microturbina hidráulica tipo Pelton

Fonte: RENEWABLE ENERGY FOR RURAL FARMERS

e as turbinas a vapor (Fig. 7).

28

Figura 7 – Turbina de vapor

Fonte: JUNTA DE ANDALUCIA

Encontramos as máquinas de fluxo geradoras em dois tipos: os ventiladores

(Fig. 8) e as bombas centrífugas (Fig. 9).

Figura 8 – Ventilador axial tubular

Fonte: METEC

29

Figura 9 – Bomba centrífuga

Fonte: DIRECT INDUSTRY

Existem, também, máquinas que podem ter seu funcionamento tanto motores

quanto geradores de fluxo, tomamos como exemplo as bombas-turbinas reversíveis

(reversible pump-turbines) que, dependendo do sentido do fluxo pelo rotor, funcionam

como bombas ou como turbinas, girando num sentido ou no sentido inverso.

Comumente encontramos sistemas de máquinas em que a de fluxo motora

(turbina a gás) aciona uma outra de fluxo geradora (turbocompressor), posicionadas em

um mesmo eixo, como acontece nas turbinas de aviação e nos turboalimentadores

(turbochargers) de motores de combustão interna a pistão.

2.2.2.2 Conforme à Forma dos Canais entre Pás do Rotor

Com relação à forma dos canais entre as pás do rotor, as máquinas de fluido

se classificam como máquinas de ação ou como máquinas de reação (HENN, 2006).

Em máquinas de ação, ou impulse turbomachines, os canais do rotor são

formados por simples redirecionadores de fluxo, nos quais não há aumento ou

diminuição da pressão do fluido que passa pelo rotor.

30

Em máquinas de fluxo de reação (reaction turbomachines), os canais

compostos pelas pás móveis do rotor seguem a forma de injetores, se assemelhando com

as turbinas, como a do tipo Pelton mencionada em tópicos anteriores, havendo a

diminuição da pressão do fluido. As máquinas de fluxo de reação podem seguir a forma

de difusores, parecido com as bombas e os ventiladores, ocorrendo o aumento da pressão

do fluido que passa através do rotor.

Podemos exemplificar as máquinas de fluxo de ação como: a turbina

hidráulica do tipo Pelton e a turbina a vapor do tipo Curtis (Fig. 10). Para máquinas de

fluxo de reação podemos citar: as bombas centrífugas, os ventiladores e as turbinas

hidráulicas do tipo Francis (Fig. 11).

Figura 10 – Turbina a vapor do tipo Curtis

Fonte: GENTSIDE DÉCOUVERTE

31

Figura 11 – Turbina hidráulica do tipo Francis

Fonte: AVERLY S.A.

2.2.2.3 Conforme à Trajetória do Fluido no Rotor

Por fim, para encerrar os tipos de classificações de máquinas de fluxo,

segundo a trajetória do fluido no rotor, podemos encontrar as dos tipos: radiais, axiais,

diagonais ou de fluxo misto- também semi-axial- e tangenciais (HENN, 2006).

Nas máquinas de fluido radiais- ou radial flow turbomachines- o escoamento

do fluido no rotor percorre um caminho perpendicular ao eixo dele, ou seja,

predominantemente radial. Podemos exemplificar as máquinas radiais como bombas

centrífugas, os ventiladores de fluxo centrífugo e a turbina do tipo Francis lenta.

Nas máquinas axiais- ou axial flow turbomachines- o curso do fluido pelo

rotor ocorre em uma direção totalmente paralela ao eixo dele. Podemos citar como

exemplos os ventiladores axiais, as bombas axiais e as turbinas hidráulicas do tipo

Hélice e Kaplan.

Existe também, quando a passagem do fluido pelo rotor não é radial ou axial,

a chamada máquina de fluxo misto- ou ainda mixed turbomachine- com sentido

32

diagonal, ou semi-axial, com o fluido percorrendo o rotor em uma trajetória localizada

sobre uma superfície semelhantemente cônica. Entre as máquinas de fluxo misto- ou

comumente chamada de máquina diagonal- encontram-se as bombas semi-axiais, a

turbina Francis rápida e a turbina hidráulica Dériaz.

Numa máquina de fluxo tangencial, também conhecida como tangencial flow

turbo-machine, o líquido provindo do injetor colide de forma tangencial sobre o rotor.

A turbina hidráulica do tipo Pelton é o melhor exemplo citado para máquina de fluxo do

tipo tangencial.

2.3 HÉLICE

Desde o surgimento da navegação e a criação do hélice para a propulsão dos

navios, o homem vem buscando e aperfeiçoando métodos para propelir embarcações. O

método mais utilizado até os dias atuais é a propulsão por hélice. Mesmo o hélice sendo

o mais utilizado, ele possui uma forma geométrica muito especifica e complexa. Esse

assunto inspira vários projetos e temas de pesquisa, relacionados a melhorias no

desempenho do hélice. Por consequência, pode haver mudanças em suas formas

geométricas e também em seus processos de fabricação (BOAS, 2006).

O hélice compõe o sistema de propulsão, por isso o entendemos como sendo

um elemento propulsivo. Esse elemento pode ser classificado em famílias, cada uma

com sua geometria característica. A geometria de cada família é definida por um

conjunto de tabelas, conhecidas como séries sistemáticas- tópico posterior desta

pesquisa.

Neste capítulo, serão abordados tópicos sobre os parâmetros que determinam

as características geométricas do hélice.

33

2.3.1 Sistemas de Coordenadas

Na definição da geometria de qualquer objeto e seu movimento no espaço,

torna-se essencial a utilização de um sistema de coordenadas adequadas. Atualmente, o

sistema de coordenadas, utilizado para a resolução de problemas que envolvem os

hélices, é o mesmo estabelecido durante a décima International Towing Tank

Conference (ITTC), de forma a atender as necessidades para análises tanto geométricas

como hidrodinâmicas (CARLTON, 1994).

O sistema de coordenadas proposto refere-se aos três eixos X, Y e Z. O eixo

X é coincidente com o eixo de avanço do hélice, o eixo Y denominado “linha de

referência do hélice” ou “diretriz” é perpendicular ao eixo de avanço, enquanto o eixo

Z é estabelecido de forma a obter um sistema dextrogiro, ou seja, os eixos positivos

obedecem a regra da mão direita (Fig. 12). Os eixos Y e Z, por sua vez, definem um

plano denominado por plano do hélice.

Figura 12 – Sistema de coordenadas cartesiano do hélice

Fonte: BOAS

34

2.3.2 Parâmetros Geométricos do Hélice

São muitos os parâmetros existentes para que seja definida a geometria de

um hélice. A maior parte deles são obtidos pelas séries sistemáticas, para determiná-los,

basta citar a família cujo hélice pertence. Os restantes dos hélices são caracterizados de

acordo com as especificações de cada projeto (BOAS, 2006).

A composição de um hélice é feita por um cubo central, conhecido como

bosso, em que o eixo de transmissão de movimento é fixado. Em volta do bosso estão

fixadas as pás. Elas possuem duas superfícies: a superior é denominada de superfície de

sucção, já a inferior é denominada de superfície de pressão, referenciando-nos pelo eixo

Z. Duas arestas são formadas pelo encontro das superfícies e são conhecidas por: bordo

de ataque e bordo de fuga. Levando em consideração o sentido da rotação do hélice, o

bordo de ataque precede o bordo de fuga (BOAS, 2006).

Nas seções das pás, são encontrados perfis semelhantes aos das asas dos

aviões, devido a essa característica recebem o nome de perfil alar. Para o comprimento

linear de perfil é dado o nome de corda (BOAS, 2006).

Nos próximos tópicos serão abordados todos os parâmetros necessários para

a descrição geométrica completa do hélice.

2.3.3 Diâmetro

O diâmetro total do hélice, dado pela letra D (Fig. 13), corresponde ao

diâmetro do círculo formado pela projeção da trajetória da ponta da pá do hélice no

plano YZ. Essa medida é essencial na definição da geometria do hélice, pois é através

dela que se é tirada a medida do raio, utilizado no dimensionamento dos demais

parâmetros.

35

Figura 13 – Diâmetro do hélice

Fonte: BOAS

O diâmetro do bosso é dado pela letra d, cuja medida, para hélices de passo

fixo, varia entre 18 a 20 % do diâmetro total, dependendo da família (TORNBLAD,

1987).

2.3.4 Passo

O passo, oriundo de uma analogia antiga com parafusos, é utilizado para

aproximar a ação do hélice. Essa analogia diz que o hélice penetra na água, assim como

o parafuso penetra numa madeira (TORNBLAD, 1987).

O passo é uma medida correspondente a distância percorrida por uma pá, ao

longo do eixo X, a cada rotação completa do hélice (Fig. 14). Na prática, o hélice

36

impulsiona a embarcação a uma menor distância, e a diferença entre as distâncias é

conhecido pelo nome slip.

Figura 14 – Passo do Hélice

Fonte: BOAS

Parte da superfície do hélice está ligada ao passo, pois para que esse elemento

de propulsão consiga percorrer a distância de um passo, todas as seções da pá do hélice

devem percorrer a mesma distância. Sendo assim, o ângulo do passo pode variar em

função do seu raio, atendendo à seguinte equação, conhecida como razão de passo

(CARLTON, 1994): 𝜃𝑝 = tan−1 (𝑃

2.𝜋.𝑟). Sendo 𝜃𝑃 o ângulo de passo; 𝑃 o passo; 𝑟 o

raio correspondente à secção.

A equação pode ser demonstrada por conceitos básicos de trigonometria, nos

quais há a planificação do trajeto helicoidal dada por uma seção da pá após uma

revolução. Na planificação, é possível notar um triângulo retângulo formado, no qual o

cateto menor corresponde ao passo, e o maior é equivalente ao perímetro do círculo

correlato à seção. A intercessão do cateto maior com a hipotenusa forma o ângulo de

passo da seção (CARLTON, 1994), (Fig 15).

37

Figura 15 – Ilustração do conceito trigonométrico da equação

Fonte: BOAS

Geralmente, o passo a 70% do raio total é representado como o típico ou

nominal. Frequentemente também é definido de forma dimensional pela razão entre o

passo e o diâmetro do hélice (P/D) (TORNBLAD, 1987).

2.3.5 Deslocamento Axial (Rake)

Todas as pás de hélice de propulsão de ROV têm uma determinada inclinação

nas lâminas, as quais são denominadas de deslocamento axial, também conhecidas como

Rake. Essa inclinação refere-se a um desvio que se encontra na posição do ponto médio

da corda das seções da pá em relação ao plano formado pelos eixos YZ. O deslocamento

axial pode ser declarado como o ângulo de inclinação da pá inteira ou ainda pelo

38

deslocamento local de cada seção em função do seu raio. Esse deslocamento pode ser

positivo ou negativo (BOAS, 2006), (Fig 16).

Figura 16 – Tipos de deslocamento

Fonte: BOAS

Existe uma grande vantagem em se utilizar o deslocamento axial nas pás de

hélices de propulsor de ROV e está relacionada com o aumento da área da pá, por

consequência há o aumento do empuxo gerado para deslocar uma quantidade de fluido

maior do que uma hélice com pá sem utilizar Rake. Para obter essa vantagem não é

necessário aumentar o diâmetro do hélice (BOAS, 2006).

2.3.6 Ângulo de Enviesamento (Skew)

O ângulo de enviesamento- mais conhecido como Skew- é o ângulo

responsável por gerar um afastamento do ponto médio das cordas dos perfis das várias

seções da pá, em relação a linha de referência do hélice (Fig. 17). O afastamento é

proporcional, dependendo do produto, entre o raio da seção em questão pelo ângulo de

enviesamento (TORNBLAD, 1987).

39

Figura 17 – Ilustração do ângulo de enviesamento

Fonte: BOAS

Esse parâmetro pode ser expresso de duas maneiras: como o ângulo que é

formado entre a linha de referência da pá e a linha de referência do hélice ou, ainda, pelo

deslocamento do ponto médio da corda como mencionado anteriormente.

O ângulo de enviesamento também é utilizado nos hélices de propulsão com

a finalidade de reduzir a amplitude dos pulsos de vibração gerados pelas pás, pois, dessa

forma as pás dos hélices poderão ter suavidade na hora de cortar a água, reduzindo,

assim, a força da tensão superficial da água (BOAS, 2006).

Na maioria dos casos, os hélices que trabalham com velocidade moderada

possuem valores de ângulo de enviesamento muito baixos, em alguns casos pode até ser

nulo. Já os hélices que operam em velocidades medianas e altas possuem valores mais

40

altos, pois, dessa forma apresentam uma maior tendência a sofrer com uma maior

amplitude de vibração gerada na pá (TORNBLAD, 1987).

2.3.7 Número de Pás

A quantidade de pás existentes nos hélices de propulsão subaquática é muito

relativa aos tipos de embarcações em que serão usados, por isso não existe um número

ideal de pás. Em grande parte dos casos, os números variam de 2 a 7 pás por hélice. Os

hélices que possuem o número de pás acima de 7 são muito particulares, como por

exemplo o caso do hélice de 8 pás que é demasiadamente utilizado em submarinos

nucleares (TORNBLAD, 1987).

O acréscimo do número de pás pode parecer vantajoso, pois o mesmo

empuxo que será gerado por elas, também, poderá ser produzido por um outro hélice,

sendo este de menor diâmetro. Não obstante, tal acréscimo de pás ocasionará um

aumento na interferência do fluxo entre as pás e dessa forma reduzirá a eficiência delas.

Um outro ponto significativo com relação ao aumento no número de pás é a

elevação da frequência dos pulsos de vibração induzidos, fazendo com que a amplitude

desses pulsos seja reduzida.

Geralmente, esse parâmetro é definido conforme os requisitos do projeto a

ser dimensionado. Isso não implica que sirva como regra geral, porém hélices de duas

pás são comumente empregados nas pequenas embarcações em motores de popa e

veleiros. Os hélices de três pás frequentemente são empregados em pequenos navios

pesqueiros, navios costeiros e navios de patrulhas. Os hélices com quatro pás são

utilizados na maioria dos navios cargueiros e de passageiros. Já os hélices com cinco ou

mais pás são utilizados nos casos em que há uma necessidade de se obter uma grande

quantidade de empuxo, porém a vibração gerada também é um fator crucial no

funcionamento desses hélices, como é o caso dos superpetroleiros, navios de contêiner

(TORNBLAD, 1987).

41

Para propulsão dos veículos subaquáticos não tripulados do tipo ROV, como

é o caso dos hélices relacionado ao presente tema de pesquisa, são geralmente

empregados hélices que vão de 3 ou 4 pás, podendo chegar até 5, dependendo da

profundidade em que o ROV pode operar. Outros tipos de veículos subaquáticos

robotizados e não tripulados que utilizam de propulsão o hélice são os subaquáticos

autônomos (AUVs – Autonomous Underwater Vehicles), esses utilizam hélices que

podem variar a quantidade de pás entre 3 até 5 (BOAS, 2006).

2.3.8 Área da Pá

As pás possuem uma forma geométrica complexa, devido a isso a medida

que define a sua área não é simples de ser obtida de maneira direta. Duas medidas de

áreas são utilizadas. O primeiro caso é da área projetada (Ap) da pá, que pode ser

expressa pelo somatório das áreas das sombras de todas as pás projetadas num plano,

gerada por uma fonte de luz colimada- partículas luminosas paralelas para se obter uma

maior precisão- incidindo diretamente sobre a pá que será analisada. A outra medida

utilizada é conhecida como área real (Ad = developed blade area) e pode ser definida

como o somatório das áreas reais de uma das superfícies de cada uma das pás

(TORNBLAD, 1987).

Em vista disso a área projetada sempre será menor que a área real, porém

essa diferença é mínima e pode ser desprezada (GERR, 1989).

Comumente, o valor da área projetada pode ser indicado de forma

adimensional, como na razão de área da pá, obtido pela divisão entre a área expandida

(AE), pela área do disco (AO), também conhecida como razão de área expandida,

caracterizada pela sigla EAR (Expanded Area Ratio). Essa medida é a mais empregada

durante a etapa de projeto (TORNBLAD, 1987; GERR, 1989).

A razão de área expandida da pá do hélice está diretamente associada à

eficiência do hélice, pois quanto maior for essa medida, maior será o arrasto gerado pela

42

pá, ou seja, menos eficiente o hélice se tornará. Já valores pequenos podem resultar em

cavitação.

Com intuito de se obter um valor apropriado para a EAR, a título de se evitar

o fenômeno da cavitação, Keller propôs uma fórmula, na qual valores como pressão de

vapor d’água são levados em consideração. Essa formulação é expressa pela seguinte

equação (KUIPPER, 1992):

𝐸𝐴𝑅 = ((1,3 . 0,3 . 𝑍). 𝑇

(𝑝𝑎 − 𝑝𝑣). 𝐷2) + 𝐾

Sendo: 𝐸𝐴𝑅 a razão de área expandida; 𝑍 o número de pás; 𝑇 o empuxo do

hélice; 𝑝𝑎 a Pressão sobre o hélice; 𝑝𝑉a pressão de vapor d’água; 𝐷 o diâmetro; 𝐾o fator

de correção.

Segundo Kuipper, o fator de correção 𝐾 assume apenas dois valores: zero

para cascos mais esbeltos, assim como nas embarcações militares; 0,2 para o restante

das embarcações, incluindo ROV (KUIPPER, 1992).

2.3.9 Perfil da Pá

A obtenção dos perfis da pá do hélice é feita pela interseção de uma superfície

cilíndrica com a pá (BOAS, 2006).

Para fins aerodinâmicos, atualmente, os tipos de perfil são variados. De todos

os que existem, alguns são mais apropriados para uso em hélices. Comumente, os mais

adequados são aqueles que têm uma distribuição de pressão constante ao longo de sua

corda, causando uma grande força de sustentação e com baixo risco de cavitação

(TORNBLAD, 1987).

43

Desses poucos perfis apropriados para hélice, os mais utilizados pelos

fabricantes são os perfis desenvolvidos pela NACA (National Advisory Committee for

Aeronautics), atual NASA (KUIPPER, 1992).

A NACA- pela sua grande experiência e pelo seu histórico em pesquisas,

desde a década de trinta, com perfis- desenvolveu alguns métodos os quais combinam

duas das entidades que definem um perfil aerodinâmico, a distribuição de espessura e a

linha de curvatura (CARLTON, 1994).

Em um perfil aerodinâmico (Fig. 18), duas entidades são consideradas: o

bordo de ataque e o de fuga. Nesse perfil a definição é igualmente a da pá do hélice,

assim a corda que definimos como uma reta, associa o bordo de ataque ao bordo de fuga;

a linha média, também conhecida como linha de curvatura do perfil, é definida como a

linha equidistante entre a superfície de sucção e a de pressão; a máxima distância entre

a corda e a linha média é definida como a curvatura; a espessura, por sua vez, é definida

como a maior distância, perpendicular à linha média, entre a superfície de pressão e a

de sucção (ABBOTT, 1949).

Figura 18 – Entidades do perfil aerodinâmico

Fonte: BOAS

44

A curvatura e a espessura são valores dimensionados em função da corda e

suas relativas posições (ABBOTT, 1949).

2.3.10 Séries Sistemáticas

Uma série sistemática de hélices é um conjunto de hélices obtidos por

variação sistemática de parâmetros geométricos. O principal objetivo é realizar ensaios

sistemáticos de hélices e criar uma base de dados que permita ajudar o projetista a

entender os principais fatores atuantes no desempenho do hélice, bem como a ocorrência

de cavitação em várias condições de funcionamento (TRINDADE, 2012). Os ensaios

são feitos em Tanque de Prova ou em Túnel de Cavitação (PADOVEZI, 1997).

Com o passar dos tempos, convencionou-se a utilização de dois tipos de

séries sistemáticas na indústria naval e robótica submarina, são eles: Kaplan e B-Troost.

2.3.10.1 Hélices Kaplan e B-Troost

Nos estudos e projetos dos hélices de embarcações fluviais de cargas e na

robótica subaquática, destacam-se duas séries sistemáticas: a Kaplan- especial para

operação em dutos ou tubos Kort- e a B-Troost- de MARIN (Netherlands Maritime

Research Institute, de Wageningen). Esses dois tipos de séries sistemáticas apresentam

as seguintes vantagens:

Alta variedade de parâmetros geométricos disponíveis, inclusive com previsões

de cavitação;

Muito eficientes;

Forma geométrica relativamente simples, tendo uma construção facilitada;

Cobertura de toda a faixa de utilização das embarcações fluviais de cargas e

robótica subaquática;

45

Série Kaplan com simetria entre o bordo ataque e o bordo de fuga das pás,

proporcionando boa eficiência para a ré;

Série B-Troost com grande possibilidade de adaptação geométrica, incluindo a

eliminação do Ângulo de Enviesamento (Skew).

A seguir, na Fig. 19, há um quadro comparativo quanto a eficiência ideal dos

hélices para estruturas subaquáticas, com as series Kaplan e B-Troost.

Figura 19 – Eficiência ideal e das Séries Sistemáticas Kaplan e B-Troost em função do

Coeficiente de Carregamento

Fonte: PADOVEZI

46

3 MATERIAL E MÉTODOS

De acordo com os propósitos pretendidos, foi utilizada- quanto ao tipo-

pesquisa bibliográfica para explicar todo o embasamento necessário ao

desenvolvimento deste trabalho a partir de referências teóricas. Baseia-se na análise da

literatura já publicada em forma de livros, revistas, publicações avulsas e até

disponibilizada na internet; o ato de ler, selecionar, fichar, organizar e arquivar tópicos

de interesse também compõem os métodos para a pesquisa em pauta.

Por ter como finalidade aumentar o conhecimento do pesquisador para uma

nova tomada de posição; incentivar os leitores deste trabalho a se interessarem pela área

da pesquisa- uma vez que faz parte de um dos objetivos desta; e não implicar em

transformação da realidade- conhecer somente por conhecer- o uso deste trabalho será

de proveito pessoal.

Quanto à abordagem, será qualitativa, pois há uma maior preocupação com

o tipo de abordagem do conteúdo aqui descrito para uma melhor compreensão dos

assuntos citados em cada tópico.

47

4 RESULTADOS

Para atender aos objetivos propostos, foram obtidos como resultados iniciais

o entendimento da mecânica dos fluidos e das máquinas de fluxo relacionados ao hélice,

cujos fenômenos físicos aqui descritos definem o que ocorre quando ele está submergido

num meio fluido. Foram utilizados exemplos simples para o melhor entendimento e

aproveitamento das informações e definições.

No primeiro estudo, caracterizou-se os tipos de forças e pressões resultantes

nos hélices. No segundo, ficou entendido os tipos de máquinas as quais possuem hélice

em seu rotor e informações suficientes que contribuíram para diferenciar o hélice aqui

estudado das demais máquinas de fluido.

Também, com as definições dos elementos construtivos dos hélices e séries

sistemáticas, resultou-se no conhecimento mais específico do hélice, sobre o qual pode-

se ter o entendimento maior das características através de sua geometria, dessa forma

dando um norte a pesquisas futuras.

48

5 CONCLUSÃO

Com base em tudo que foi exposto, as análises deste trabalho possibilitam o

campo de estudo das áreas de Ciência, Tecnologia, Engenharia e Robótica Subaquática.

Além de servir como estudo para futuras pesquisas de hélice propulsora de robô

subaquático tipo ROV, assim podendo promover a melhoria ou o desenvolvimento de

novos hélices, trazendo benefícios para as indústrias- que utilizam desses robôs- e a

sociedade como um todo.

Além disso, esta pesquisa poderá contribuir na construção de hélices, fonte

propulsora para deslocamento desses robôs subaquáticos, fazendo com que eles

gradativamente adentrem em profundidades mais inexploradas pelo humano no meio

subsea e de forma mais eficiente. Contribuição essa, na qual poderão ser feitos

aperfeiçoamentos de parâmetros geométricos em projetos de hélices, utilizando de

estudos de séries sistemáticas aqui escritas e em cima de estudos já desenvolvidos.

Com relação à Mecânica dos Fluidos, conclui-se que um fluido, seja ele qual

tipo for, sofrerá deformações constantes e afetará todos os tipos de corpos que estiverem

submersos nele, através de forças e pressões resultantes que agem nas superfícies do

corpo, verticalmente e horizontalmente, de baixo para cima- denominadas empuxo- e de

um lado para o outro- definidas como pressão hidrostática. Sobre as Máquinas de Fluxo

definidas, concluiu-se que o hélice está enquadrado no tipo de máquina de fluido

geradora, pois converte a energia mecânica, provinda do torque produzido pelo motor

elétrico do sistema de propulsão, em energia de fluido, possibilitando a propulsão do

robô subaquático e podendo ser assemelhado com os ventiladores axiais tubulares por

suas características

Concluiu-se, também, que na maioria dos hélices hoje fabricados, são

utilizadas as séries sistemáticas, pois essas possuem características pré-definidas de

parâmetros geométricos de hélice que já preveem problemas como a cavitação que

ocorrem nos hélices quando estão em operação. Por se tratarem de parâmetros

49

geométricos pré-descritos, duas famílias de séries são muito utilizadas nos projetos que

envolvem hélice de ROV, Kaplan e B-Troost, trazem benefícios que aumentam a vida

útil dos hélices.

Por fim, é esperado que novas pesquisas mais aprofundadas se concretizem,

as quais, através deste trabalho, formarão uma boa base a respeito de hélice para

propulsão de robô subaquático tipo ROV.

50

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