UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROJETO DE SISTEMAS DE MÁQUINAS II Propulsores Prof. Jorge Luiz Goes Oliveira, Ph.D.
Propulsão - Introdução •
Conceitos básicos • Propulsão: Todos os dispositivos de propulsão operam com o
princípio de transmitir quantidade de movimento a um fluido de trabalho de acordo com as leis de Newton para o movimento: A força gerada é igual a taxa de mudança da quantidade de movimento e; Ação e reação são iguais e opostas. Empuxo (T): A força de reação que surge no dispositivo (igual e oposta à taxa de mudança da quantidade de movimento da corrente fluida) constitui o empuxo. Ao acelerar uma corrente fluida, m [kg/s], de velocidade V1 para V2 : •
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T = m(V 2 − V 1)
Propulsão - Introdução •
Conceitos básicos • Propulsão: Todos os dispositivos de propulsão operam com o
princípio de transmitir quantidade de movimento a um fluido de trabalho de acordo com as leis de Newton para o movimento: A força gerada é igual a taxa de mudança da quantidade de movimento e; Ação e reação são iguais e opostas. Empuxo (T): A força de reação que surge no dispositivo (igual e oposta à taxa de mudança da quantidade de movimento da corrente fluida) constitui o empuxo. Ao acelerar uma corrente fluida, m [kg/s], de velocidade V1 para V2 : •
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T = m(V 2 − V 1)
Propulsão - Conceitos básicos •
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Potência propulsiva (P): produto entre o empuxo líquido
desenvolvido e a velocidade de avanço da embarcação (V 1): P = T V 1 Eficiência propulsiva (ηp): razão da potência propulsiv propulsivaa produzida (P (P ) pela potência de entrada. Nesse caso, considera-se a potência fornecida por um eixo de transmissão: 2 nQ, onde n representa revoluções revoluções e Q é o torque. η p = T V 1 / (2 nQ) Características Característic as gerais de propulsores: são basicamente mostradas na ilustração abaixo onde empuxo e eficiência são plotados como função da razão entre velocidade de avanç avanço oe velocidade do jato: (V (V 1/ V 2) π
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π
Propulsão - Conceitos básicos
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V1 → V2, T→0, não há potência útil. P = T V 1 V1 = 0, T é máximo, mas não há potência útil, T V 1 = 0 Entre essas condições, existe um T para o qual η p é máximo.
Propulsor - Hélices •
Princípio de Funcionamento •
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Acelera uma corrente de fluido ao atravessar a área de varredura de suas pás.
Operação (hélice) •
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Imerso em água salgada; Sob altos esforços Alta velocidade nas pontas operando no meio corrosivo Ponta sujeita a danos mecânicos
Hélices - Parâmetros e características principais: • •
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Pás: 2 a 7 montadas em um cubo; Passo ou pitch (P): distância longitudinal em uma revolução completa de uma característica da hélice. Normalmente expressa como fração do diâmetro da ponta da pá: P/D Ângulo do Passo (θ): função do raio. θ = tan−1[ (P/D) / πx ], onde x=r/R. Razão de espessura: t/D. Razão do diâmetro do cubo pelo diâmetro da ponta da pá: Φ/D. Ângulo em relação à linha diretriz (rake): pode ser projetada com angulação em direção à popa ou proa, para fornecer melhor folga para a abertura da hélice (aplicações normais) ou para balancear momento da força centrífuga (embarcações a alta velocidade). Ângulo de torção (skew): importância no projeto estrutural – deve resistir a tensões e vibrações geradas. Áreas de projeção etc.
Propulsor - Hélices
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Propulsor de passo fixo (FPP) •
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É o mais utilizado nos navios mercantes Relação custo benefício Regula a velocidade do navio pela rotação
Propulsor de passo controlável (CPP) •
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Acionamento hidráulico faz variar o passo Utilizados em navios que necessitam variar constantemente suas condições operação Marcha, velocidade, paragem e inversão sem necessidade de parar a máquina principal
Propulsor
FPP
CPP
Propulsor - fabricação
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Tipo sólido •
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Lâminas e bloco são construídas juntas
Tipo Built-up •
Lâminas são confeccionadas separadamente, sendo depois montadas ao bloco por parafusos
Propulsor passo fixo •
Descrição: Sistema de propulsão onde não é possível modificar o
ângulo de passo da hélice. •
Características:
- Em geral, 3 a 5 pás . - Razão do cubo/diâmetro ~ 0.18 a 0.20 (depende da característica do casco e frequências de vibração do eixo). - Fabricação em peça única. •
Aplicações: Tipo de propulsão marítima mais comum.
- Aplicações especiais envolvem supercavitação (quando os níveis de cavitação são significantes e não podem ser evitados). Submersão parcial (embarcações a alta velocidade).
Propulsor passo fixo •
Uso em motores de transmissão direta
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Material a base de ligas de bronze manganês ou níquel cobre
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Hélice é encaixada na ponta em cone do eixo propulsor (com ou sem chaves)
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Montagem sem chaves elimina altas concentrações de tensões
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Porca “Pilgrim" usado para dar aperto durante a montagem
Propulsor passo fixo
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Montagem •
Com chave •
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Tanto hélice e eixo tem ranhuras onde a chave é equipada com o propósito de transmitir o torque através dela
Sem chave •
Torque é transmitido exclusivamente pela alta força de atrito entre a zona cônica do eixo e hélice
Propulsor passo fixo
Propulsor passo fixo
Propulsor passo fixo
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Montagem sem chave •
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Princípio de funcionamento:
O óleo é injetado em sulcos circunferenciais na secção cónica da hélice contra o cone do eixo, causando a expansão do miolo do hélice Isto reduz o atrito entre a hélice e zonas afuniladas do eixo Dispositivo hidráulico empurra a hélice no cone A pressão do óleo é liberado da hélice fazendo-a apertar com força sobre o cone do eixo
Propulsor passo controlável ou variável •
Usado com motores (média velocidade) não reversíveis e unidirecionais
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Construída com miolo e lâminas montáveis
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Altera o passo para ajustar e inverter o impulso
Propulsor passo controlável •
Construção •
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As lâminas separadas são montadas sobre o miolo Mecanismo interno permite que as lâminas se movam simultaneamente sobre seu próprio eixo para alterar o passo Possibilita produzir o impulso invertido sem alterar a rotação do eixo Rotação da lâmina é feita por mecanismo de manivela dentro do miolo Mecanismo de manivela é operado por vara ao longo do furo axial do eixo a ser movido por servo-motor
Propulsor passo controlável
Propulsor passo controlável •
Vantagens: É possível reverter o empuxo. Ajuste do
passo para a carga. Pás removíveis. •
Desvantagem: Maior complexidade mecânica que a de
passo fixo (maior investimento inicial/maiores custos de manutenção). Menor eficiência (2 a 3%) do que a hélice de passo fixo. •
Razão do cubo/diâmetro: ~ 0.25
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Aplicações: Passo da hélice pode ser ajustado para
diferentes condições de carga; Úteis para rebocadores e balsas.
Propulsor em tubeira ou Hélices em dutos •
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Navios que requerem grande capacidade de tração a baixas velocidades Em geral, dutos de aceleração.
Bocal acelerador (duto de aceleração) •
Descrição: Sistema de propulsão onde a presença do duto
(bocal) acelera o escoamento ao penetrá-lo. Características: Com elevado carregamento, o empuxo de propulsão é aumentado. Quando o carregamento é baixo, eficiência menor do que sem duto. Aplicações: Em rebocadores e pesca de arrasto.
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Naval fishing trawler
Expansor (duto de desaceleração) Sistema de propulsão onde a presença do duto (expansor) desacelera o escoamento ao penetrá-lo. Características: Há aumento de pressão (redução de • velocidade), evitando cavitação e reduzindo radiação sonora. Em compensação, há perda de eficiência propulsiva e empuxo. Aplicações: Embarcações • militares
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Descrição:
Hélices em Tandem •
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Descrição: Sistema de propulsão com mais de um
propulsor no mesmo eixo. Características: Usado quando o empuxo a ser gerado não pode ser proporcionado por único propulsor. Aplicações: quando há necessidade de reduzir o risco de cavitação. Exemplo histórico: embarcação naval Turbinia.
Propulsor contra-rotativo •
Descrição: Sistema de propulsão com dois propulsores girando
em sentido contrário. A segunda hélice tende a alinhar o campo de velocidades, evitando perdas geradas pelo redemoinho da primeira hélice. •
Características:
- Presença de eixos coaxiais, girando em sentido contrário. - Recuperação das perdas induzidas pelas componentes tangenciais do escoamento.
Propulsor contra-rotativo •
Características:
- Maior eficiência do que hélices convencionais (5 a 7%). - Segunda hélice tem diâmetro menor devido à contração da linha de corrente em virtude da aceleração do escoamento. - As desvantagens: peso extra, além de transmissão e vedação mais complexas (mais cara e maiores custos de manutenção do que hélices de passo fico) - Aplicações: usados em torpedos (contrabalanceamento do torque).
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Entre outros
http://www.rolls-
Propulsor com transmissão em Z (z-drive units) •
Descrição: Sistema de propulsão onde a potência do motor é
transmitida para a hélice através de eixos e engrenagens cônicas.
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Características:
- Leme não é necessário; - Pode girar 360º para controlar a direção do empuxo, proporciando manobrabilidade. - Hélice pode estar inserida em duto; - Perda de eficiência pelo engrenamento/tranmissão. - Algumas unidades possuem dois propulsores em tandem.
Propulsor podded e azimutal (Podded azimuthing propellers) •
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Descrição: Sistema de propulsão com hélice de passo fixo e motor elétrico de alta eficiência instalada no “ pod”. Características: leme não é necessário, pode girar 360º
para controlar a direção do empuxo, proporcionando manobrabilidade. Hélice pode estar inserida em duto.
Propulsor podded e azimutal (Podded azimuthing propellers) •
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Liberdade de design Capacidade de direção e reversão Pouco ruído e vibração
Propulsores: Jato d`água •
Descrição: sistema de propulsão que utiliza bombas (axial,
centrífuga, de pistão, mista etc.). Ocorre sucção no casco e descarga acima ou abaixo d’água (em geral, acima) e a alta
velocidade. •
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Características: Perdas na bomba, entrada/saída dos dutos
resulta em baixa eficiência a baixas velocidades. Pode ser mais eficiente que hélice convencional a velocidades altas. Mudança na direção do empuxo é possível em alguns casos. Aplicações: pequenas embarcações de resgate, esportivas e de mergulho.
Histórico: Jato d`água •
O uso de propulsão a jato em ambientes aquáticos começou em 1661 com Thomas Toogood e James Hayes que introduziram um parafuso de Arquimedes em uma pequena embarcação
Propulsores: Jato d`água •
Jato Compactos, fácil manutenção e baixa vibração Boa capacidade de manobra
Jato d`água - Histórico
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Princípio de funcionamento: Ação e Reação - Newton
Jato d`água
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As equações que comandam o princípio são:
Força = Fluxo de massa.(Vf – Vi)
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Princípio de funcionamento: Ação e Reação - Newton
Jato d`água •
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A descarga de jato d’água gera empuxo suficiente para mover a embarcação A instalação é feita à ré e no fundo da embarcação
Jato d`água •
Funcionamento ▫
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A água entra pelo fundo do casco (A) Impulsionada pela diferença de pressão, a água passa então pelo impulsor (rotor) (B) e estator (C), que fazem a água ganhar velocidade Essa passa por um bocal (D) e é descarregada :
Jato d`água •
Funcionamento •
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Para mover o rotor, se faz necessário o uso de um motor (F). Para ré, existe um defletor (E) na parte traseira que ao ser acionado muda a direção da água, empurrando o barco para trás.
Jato d`água •
Funcionamento
Jato d`água •
Vantagens ▫
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Melhora capacidade de manobra Sem necessidade de marcha ré Menor desgastes das transmissões Menor manutenção Probabilidade de cavitação diminuída Vibração reduzida Ruído reduzido Reduzida distância de parada Redução de peso na maioria dos casos
Desvantagens ▫
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Menos eficiente para baixas velocidades Possibilidade de entupimento devido a algas e detritos
Exemplos
Exemplos
http://www.hamiltonjet.co.nz/hamiltonjet_waterjet/waterjet_manufacture http://www.hamiltonjet.co.nz/hamiltonjet_waterjet/waterjet_installation http://www.hamiltonjet.co.nz/hamiltonjet_waterjet/waterjet_working
Propulsor (Voith-Schneider) •
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Bom controle da força de impulso Boa manobrabilidade
Hélice Voith-Schneider •
Descrição: propulsor de eixo vertical onde as pás agem como
aerofólios. •
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Características: não necessita de leme. Empuxo pode ser
gerado em qualquer direção. Aplicações: embarcações ou balsas que necessitam de alto grau de manobrabilidade. Algumas embarcações possuem unidades de propulsão nas duas extremidades: Propulsão lateral direta ou rotação em torno de um eixo
Rodas de pás •
Descrição: Dispositivos que aceleram a superfície da camada
de fluido. •
Características: Em alguns sistemas a eficiência é comparável
ao propulsor tradicional (hélice de passo fixo)
Pesquisas alternativas em propulsão •
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Propulsor eletrolítico: Propulsão gerada pela passagem de
corrente alternada de baixa frequência imerso em eletrólito. Empuxo e eficiência reduzidos. Vida marinha: Pesquisa incluem esforços para simular a ação propulsiva de peixes e outros animais. Como resultado, mudanças na superfície do casco podem reduzir a resistência hidrodinâmica. Ram jets: propulsão gerada por bolhas de gás num expansor. Baixa eficiência.
Equipamentos de propulsão auxiliar
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Que utilizam o vento: velas , rotores (Efeito Magnus), Pipas,
aerogeradores. •
Que utilizam a maré, ondas: estruturas com hidrofólios.
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Que utilizam a radiação solar: células fotovoltaicas.
Acessórios e modificações para aumentar a propulsão •
Dispositivos: que reduzem as perdas associadas às componentes
de velocidade tangencial induzidas pela hélice •
Dispositivos: que reduzem as perdas associadas aos vórtices
gerados pelo cubo do propulsor •
Dispositivos: que induzem mudança na direção do escoamento
na entrada do sistema de propulsão. Induzem campo de vorticidade que será alinhado ao atravessar o prupulsor, reduzindo perdas. •
Exemplos: acessórios no leme, alterações na popa, dutos para
pré-swirl (redemoinho).
