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TECNOLOGIA MARÍTIMATECNOLOGIA MARÍTIMA

Capítulo V – Sistemas de Capítulo V – Sistemas de Propulsão e GovernoPropulsão e Governo

ENIDH – 2013/2014ENIDH – 2013/2014

Sistemas de propulsão

ÍndiceSistemas de propulsãoElementos de um sistema de

propulsãoHélicesSistema de governo

Sistemas de propulsãoSistema de propulsão

A sua função é efectuar a propulsão dos navios

O número e tipos de órgãos mecânicos envolvidos na propulsão, depende da velocidade de rotação das máquinas principais e dos respectivos propulsores que accionam

Têm de operar para obter o melhor rendimento para a instalação propulsora, e por conseguinte do tipo de propulsão adoptada

Tipos de propulsãoPropulsão directa – quando a

máquina principal e o hélice que acciona, operam com bom rendimento à mesma velocidade de rotação

A máquina principal acciona directamente a linha de veios, em cuja extremidade a ré está montado o hélice (propulsor)

Tipos de propulsãoPropulsão indirecta – quando a máquina

principal apenas opera com bom rendimento a uma velocidade de rotação superior à do hélice que acciona

A máquina principal acciona, através de uma caixa de engrenagens redutoras, a linha de veios, a fim de que o hélice também montado na extremidade a ré desta, opere com bom a rendimento a uma velocidade de rotação mais baixa

Propulsão directaAs características do equipamento

utilizado na propulsão directa dos navios são normalmente as seguintes :Máquinas principais - motores diesel lentos a 2 tempos

Linhas de veios - accionadas directamente pelos motores

Hélices (propulsores) - de passo fixo ou de passo variável

Propulsão directaElementos de um sistema de

propulsão directa

Sistemas de propulsãoPropulsão indirecta

As características do equipamento utilizado na propulsão indirecta dos navios, são normalmente as seguintes :Máquinas principais - motores diesel a 2

tempos, motores Diesel a 4 tempos de média velocidade, turbinas a vapor e turbinas a gás

Caixas de engrenagens redutoras e linhas de veios.

Hélices (propulsores) - normalmente de passo variável

Propulsão indirectaElementos principais

Sistemas de propulsãoPropulsão indirecta

Motor diesel a dois tempos, caixa redutora e gerador de veioO gerador de veio permite obter energia

eléctrica para o navio a partir da máquina principal (condição de navio a navegar)

Deste modo, evita que estejam a funcionar os geradores Diesel auxiliares com o navio a navegar

Os geradores Diesel funcionam em geral com o navio em manobras, atracado ou a navegar com mau tempo (motivo de segurança)

Propulsão indirectaMotor diesel a dois tempos, caixa

redutora e gerador de veio

Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsorasPara que esta comparação seja

possível tem de ser efectuada no âmbito de aplicabilidade em que as diferentes tipos de instalações propulsoras possam concorrer, tendo em consideração uma potência propulsora, em geral superior a 25000 kW (≈ 34000 CV)

Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsorasPeso da instalação – a mais leve é a

que utiliza a turbina a gás e a mais pesada a que utiliza a solução diesel directa, ocupando a turbina a vapor uma posição intermédia

Espaço ocupado pela instalação – é semelhante para as soluções que utilizam turbinas a vapor e motores diesel e menor para a solução que utiliza turbinas a gás, o que por si só permite aumentar a capaci-dade de carga do navio em cerca de 13 %

Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsoras

Espaço ocupado

pela maquinaria (turbina a

gás vs. motor Diesel)

Sistemas de propulsãoComparação entre os diversos tipos

de instalações propulsorasPessoal a utilizar na operação – é

sensivelmente o mesmo para as três soluções

Preço do equipamento – é sensivelmente igual para as três soluções. Mas à medida que a potência propulsora vai diminuindo, verifica-se uma progressiva redução do custo da propulsão com motor diesel em relação às restantes

Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsorasManutenção do equipamento – a

propulsão com motor diesel apresenta uma ligeira desvantagem devido aos maiores custos que envolve

Consumo de combustível – é menor no caso da propulsão com motor diesel, seguindo-se a propulsão com turbinas a vapor, sendo a propulsão com turbinas a gás a que consome mais para a mesma potência propulsora

Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsorasActualmente, a propulsão com motor

diesel é a que apresenta os custos de exploração mais baixos, para a maior parte dos navios mercantes

Este tipo de propulsão é actualmente utilizado em mais de 97% dos navios da frota mercante mundial

Sistemas de propulsão utilizados em naviosPropulsão mecânicaPropulsão CODOG Propulsão CODAGPropulsão CODLAGPropulsão Diesel-eléctrica

(convencional)Propulsão Diesel-eléctrica (AZIPOD)Propulsão a jacto

Sistemas de propulsãoPropulsão mecânica (directa)

Utiliza-se quando o motor principal opera a baixa velocidade (entre 80 a 200 rpm)

Caso típico: motores diesel a dois temposNeste caso, o veio propulsor roda à mesma

velocidade da máquina principalEsta configuração é mais simples visto

dispensar a utilização de caixas redutorasPodem utilizar gerador de veio e turbina de

potência

Propulsão mecânica directa com recuperação de energiaNos motores de elevada potência,

parte dos gases de evacuação passa por uma turbina de potência (só funciona com carga do motor P.P. acima de 50%)

Os gases passam ainda por uma caldeira recuperativa, de modo a produzir vapor para uma turbo-geradora

Propulsão mecânica directa com recuperação de energia

Utiliza os gases de

evacuação do motor

recuperar energia

através de turbina de potência e

turbo-geradora

Sistemas de propulsãoPropulsão mecânica (indirecta)

Sistema com duas linhas de veios

Sistemas de propulsãoPropulsão CODOG (Combined Diesel

or Gas)É um sistema de propulsão que utiliza

motores Diesel para a propulsão em velocidade de cruzeiro

Para velocidades mais elevadas, e durante períodos não muito prolongados, utiliza-se uma turbina a gás de elevada potência (sistema muito usado em fragatas e outros navios de guerra)

Nesta situação, os motores Diesel não funcionam

Propulsão CODOG (Combined Diesel or Gas)

Sistemas de propulsãoPropulsão CODAG (Combined

Diesel And Gas)É um sistema de propulsão que utiliza

motores Diesel para a propulsão em regime de velocidade de cruzeiro

Para aumentar a velocidade do navio, utiliza-se uma turbina a gás auxiliar em conjunto com os motores Diesel para aumentar a potência total de propulsão do navio

Desvantagem: maior complexidade das engrenagens redutoras

Propulsão CODAG (Combined Diesel And Gas)

Propulsão Diesel-eléctrica com uma linha de veios e caixa redutora

Propulsão Diesel-eléctrica com duas linhas de veios sem caixa redutora

Propulsão Diesel-eléctrica com sistema Azipod Sistema muito usado em navios de

cruzeiro

Sistema de propulsão AzipodPode utilizar uma ou mais unidades,

cada uma constituída por um motor eléctrico e um hélice

O conjunto é acoplado à estrutura do navio sendo capaz de rodar 360º

Este facto, permite eliminar o sistema de governo (leme), uma vez que o fluxo de água de propulsão é direccionado pelo Azipod

Sistema de propulsão AzipodAs perdas de potência nas caixas de

engrenagens e linhas de veios, são eliminadas, e o respectivo espaço ocupado pode ser utilizado para outros fins

Proporciona uma maior estabilidade ao navio e uma redução média de 15% no consumo de combustível

Quando utiliza duas unidades, os hélices operam em contra-rotação

Sistema de propulsão AzipodOs

motores eléctricos accionam os hélices

A direcção é hidráulica

Não necessita

m de máquina do leme

Sistema de propulsão AzipodSistema Azipod (Azipod propellers)

M/S Europa

(2x6,65 MW)

Sistemas de propulsãoInstalação propulsora com sist.

Azipod

Esquema da

instalação propulsora do navio

de cruzeiro “Oasis of the Seas”

Sistema integrado de propulsão Azipod

Propulsão CODLAG (Combined Diesel-eLectric And Gas)Utiliza motores Diesel para produzir

energia eléctrica que vai alimentar os motores de propulsão do navio (velocidade de cruzeiro)

Para obter velocidades mais elevadas, utiliza-se uma turbina a gás auxiliar de modo a aumentar a potência eléctrica total utilizada para a propulsão do navio

Sistemas de propulsãoPropulsão CODLAG (Combined

Diesel-eLectric And Gas)

Propulsão CODLAG (Combined Diesel-eLectric And Gas)

Turbina a gás do navio de cruzeiro Queen Mary 2

Sistemas de propulsãoPropulsão eléctrica utilizando células

de combustível (fuel cells)Uma célula de combustível converte o

hidrogénio directamente em electricidadeEste sistema não possui partes móveisTem um elevado rendimento de

conversãoA reacção da célula de combustível é

semelhante do ponto de vista químico a um processo de combustão: o hidrogénio combina-se com o oxigénio e liberta vapor de água

Sistemas de propulsãoPropulsão eléctrica utilizando células

de combustível (fuel cells)A reacção química produz igualmente

calor que é retirado através de um sistema de arrefecimento

A célula de combustível pode ser utilizada para substituir um grupo diesel-gerador

Aplicação: este sistema é utilizado nos novos submarinos da Marinha Portuguesa (sistema AIP - Air Independent Propulsion)

Célula de combustível (fuel cell)

Princípio de funcionamen

to de uma célula de

combustível

Sistemas de propulsãoPropulsão marítima através de

células de combustível (fuel cells)

Sistemas de propulsãoCélulas de combustível (Sistema

AIP)Células usados nos submarinos

U212/U214

Propulsão do submarino U214 –Marinha Portuguesa (2011)

Sistemas de propulsãoPropulsão por jacto de água (water

jet)A descarga de um bomba a alta

velocidade provoca o impulso necessário para deslocar a embarcação

O seu uso está limitado a certos tipos de embarcações. Destacam-se:Ferries rápidosNavios militares Lanchas rápidas (guarda costeira, recreio, ...)

Motas de água, ....

jet)Utiliza uma bomba que descarrega o

caudal de água a elevada velocidade, à ré do navio

jet)Esquema em corte do sistema de

propulsão

jet)Conjunto motor+ tubeira de descarga

(é orientável para efeitos de manobra)

Propulsão através do ventoUm pouco de história marítima

O “Cutty Sark” foi um dos

últimos veleiros

(“Clipper”) a ser construído para fazer a rota do chá

(Escócia, 1869)

Propulsão através do vento

Entre 1895 e 1922 (27

anos) navegou sob

pavilhão português

com a designação “Ferreira”Actualmente, está em exposição em Greenwich,

Londres

Sistemas de propulsãoPropulsão através do vento

Devido à crise e ao aumento do custo dos combustíveis, as empresas armadoras têm vindo a reduzir a velocidade de cruzeiro dos seus navios (“slow steaming”)

Devido a esta acção, uma das maiores empresas de navegação (Maersk Line) conseguiu reduzir os custos em 30%

Deste modo, actualmente a velocidade dos navios está ao nível da dos veleiros do século XIX (entre 12 e 15 nós)

De forma a reduzir o consumo de combustíveis fósseis bem como a libertação de gases de efeito de estufa para a atmosfera, têm vindo a surgir projectos que apostam no regresso à propulsão através do vento

A empresa B9 Shipping está a construir um navio que deverá estar operacional em 2012 e que irá navegar principalmente com recurso à acção do vento

O navio estará equipado com velas de ajuste automático que respondem ao minuto às mudanças do vento para maximizar a eficiência da propulsão

Vai também utilizar um parapente colocado à proa, que permite aumentar a eficiência da acção do vento e reduzir o consumo de combustível

O motor diesel movido a bio-combustível só entrará em funcionamento quando não houver vento disponível

Este navio irá dispor

de um motor

auxiliar que

fornece 40% da

potência de

propulsão

Dispõe à proa de um sistema avançado de detecção da

intensidade e direcção do vento, para optimizar a

orientação das velas

(automático)

Propulsão através do ventoNavio a motor da US Navy “MV

Beluga”Este navio

dispõe de um balão que lhe

permite reduzir o

consumo de combustível em cerca de

20 a 30%

Navio de cruzeiro moderno

com propulsão à vela (Nota: utilizam um

motor auxiliar)

Elementos de um sistema de propulsãoCaixa redutora (reduction gear)Linha de veios (line shaft)Chumaceira de impulso (thrust

bearing)Conjunto veio, manga, hélice e lemeHélice principal (main propeller)Hélices auxiliares (Bow and stern

propellers)

Caixa de engrenagens redutorasUtiliza-se na propulsão indirecta

para permitir que o hélice opere a uma velocidade de rotação inferior à da máquina principal que o acciona

É constituída por um conjunto de engrenagens redutoras de velocidade, de modo a obter-se uma rotação adequada do hélice (elevado rendimento)

Caixa redutora (esquema em corte)

Linha de veiosQuando a distância entre o hélice e a

máquina principal é grande, a linha de veios é constituída por:

Veio de impulso, veios intermédios e veio propulsor

Chumaceiras de impulso e de apoio Manga e bucim de vedação

Linha de veiosÀ medida que a distância entre a

máquina principal e o hélice que acciona vai diminuindo, o número de veios intermédios e de chumaceiras de apoio também diminui

No limite, pode existir apenas o veio propulsor a ligar a máquina principal ao hélice

Linha de veios

Chumaceira de impulsoÉ o dispositivo que suporta e

transmite o impulso do hélice ao navioÉ a primeira chumaceira a contar de

vante para réÉ por seu intermédio que o propulsor

transmite o impulso ao navio evitando assim que o esforço devido ao impulso axial seja suportado pela máquina principal

Chumaceira de impulsoNas instalações propulsoras cujas

máquina principais são motores diesel de média rotação, turbinas a vapor e turbinas a gás, a chumaceira de impulso pode ser integrada na respectiva caixa de engrenagens redutoras de velocidade de rotação

Chumaceira de impulsoImagens de chumaceira de impulso

Sistemas de propulsãoChumaceira de impulso

Imagem de uma chumaceira de impulso

Chumaceiras de apoioServem de suporte ao veio de

impulso e aos veios intermédios da linha de veios

Situam-se entre a chumaceira de impulso e a manga

Permitem uma adequada lubrificação e arrefecimento dos respectivos moentes de apoio

Chumaceiras de apoio

Linha de veiosA linha de veios é constituída pelo

veio motor que liga à máquina, pelo veio propulsor acoplado ao hélice e pelo veio ou veios intermédios que estabelecem a ligação entre o veio motor e o veio propulsor

A distância entre a máquina e o hélice determina a existência ou não dos veios intermédios

Linha de veiosEsquema de uma linha de veios

Sistemas de propulsãoManga

O veio propulsor atravessa o casco do navio passando por dentro de um tubo (manga)

A vedação é assegurada por um bucim, situado na extremidade anterior da manga que evita que a água entre para dentro do navio

A manga atravessa um tanque de água doce (pique de ré) que efectua o arrefecimento da manga

Sistemas de propulsãoBucim do veio do hélice (tipo

comum)Os bucins destinam-se a vedar a

entrada de água do mar para o navio, e podem ser de diversos tipos

A concepção mais antiga e ainda hoje correntemente utilizada em embarcações de menores dimensões, consiste numa caixa (caixa de estofo) de diâmetro superior ao do veio

A vedação é garantida por um certo número de anéis ou voltas de empanque

Sistemas de propulsãoBucim do veio do hélice (“simplex”)

Tem a vantagem de aumentar consideravelmente o tempo de serviço e os intervalos entre as intervenções de manutenção (mais complexo)

Este tipo de bucim é constituído por uma caixa que envolve o veio e que fica preenchida com óleo

O óleo que circula nesta caixa encontra-se a uma pressão igual ou ligeiramente superior à pressão exercida pela água do mar

Bucim “simplex”

Circuito de óleo do bucim

“Simplex”

Sistemas de propulsãoHélices propulsores

São os órgãos propulsores normalmente utilizados nos navios mercantes e de pesca, tanto na propulsão directa como na indirecta

Os mais utilizados são dos seguintes tipos: Hélice de passo fixo (Fixed Pitch Propeller - FPP)

Hélice de passo variável ou controlável (Controlled Pitch Propeller - CPP)

Fixação do hélice ao veio propulsor

Hélice de passo fixo

Hélices propulsoresEscoamento do fluido na pá do hélice

Sistemas de propulsãoCavitação

Em certos pontos devido à aceleração do fluido pela pá do hélice, a pressão pode diminuir até ser inferior à pressão mínima a que ocorre a vaporização do fluido (Pv) à temperatura a que este se encontra

Neste caso, irá ocorrer uma vaporização local do fluido, dando origem à formação de bolhas de vapor

Este fenómeno designa-se por cavitação (formação de cavidades dentro da massa líquida)

Sistemas de propulsãoCavitação

Estas bolhas de vapor podem chegar a uma região em que a pressão cresça novamente até ser superior à de Pv

Nesse caso, irá ocorrer a "implosão" dessas bolhas

Se a região de colapso das bolhas for próxima da pá, as ondas de choque geradas pelas implosões sucessivas das bolhas podem provocar com o tempo, o descolamento de material da superfície, originando uma cavidade de erosão localizada

Hélice a funcionar com cavitação

Implosão das bolhas geradas pela cavitação junto à superfície da pá

Danos provocados pela cavitação

Hélices propulsoresPerdas num hélice propulsor de

Hélice de passo fixo (FPP)É o mais utilizado em quase todos os

tipos de navios mercantes, sendo constituído por 3 ou mais pás rigidamente fixadas ao cubo

Para um observador colocado a ré do navio e voltado para a proa, na marcha a vante o hélice roda num sentido e na marcha a ré, roda obviamente em sentido contrário

Sistemas de propulsãoHélice de passo fixo (FPP)

A velocidade do navio regula-se através da variação de velocidade de rotação do hélice e por isso da máquina principal

A paragem e a inversão de marcha do navio, implica normalmente a paragem e novamente o arranque da máquina principal em sentido contrário

Os navios podem ter um, dois ou mais hélices (Ex: O navio “Oasis of the Seas” possui 3 hélices)

Hélice de passo fixo (FPP)Configuração dos hélices do navio

Titanic

Hélices propulsores - Pá do hélice (FPP)

FACE – lado de pressão

BACK – lado de aspiração

(navio a deslocar-se para vante)

Sistemas de propulsãoPasso do hélice

O passo do hélice é o comprimento medido na direcção do veio, correspondente a uma espira completa, ou uma rotação da pá

Se a água fosse um meio rígido, o passo do hélice representaria o avanço que o hélice produziria no navio por cada rotação

Nestas condições a velocidade do navio V seria determinada por:

p – o passo do hélicen – número de rotações por unidade

de tempo

Exemplo de meio rígido: rolha de cortiça

Sistemas de propulsãoRecuo do hélice

Contudo, a água não reage como um corpo sólido mas antes como um corpo deformável o que dá origem a que o avanço por cada rotação seja inferior ao passo

À diferença entre a velocidade teórica V e a velocidade real (V’) chama-se recuo do hélice

Sistemas de propulsão Recuo do hélice

O coeficiente de recuo é dado por:

O coeficiente de recuo varia, com bom tempo, entre 5 e 10% para navios de um só hélice e entre 10 e 20% para navios com dois hélices

VVrecuocoef

Recuo do hélice

Hélice de passo variável (CPP)Neste caso, as pás montam-se

separadamente no cubo e podem sofrer um deslocamento angular durante a rotação do hélice

As pás são accionadas por um sistema hidráulico, que faz variar o passo

O início da marcha, a regulação de velocidade, a paragem e a inversão de marcha do navio, realizam-se sem que seja necessário parar a máquina principal

Hélice de passo variável (CPP)Estes tipos de hélices são indicados

para navios que tenham de variar com frequência as suas condições de operação

Exemplos: rebocadores, arrastões, ferries, navios de cruzeiro, etc..

A máquina principal pode operar sempre no regime mais eficiente, uma vez que o impulso é controlado pela regulação do passo do hélice

Hélice de passo variável (CPP)

Aspecto típico de um hélice de passo variável

Hélice de passo variável (esquema do sistema em corte)

Hélice em tubeira (duct propellers)Usa-se em navios que requerem

grande capacidade de tracção a baixas velocidades, como é o caso de rebocadores, arrastões, barcaças, etc.

As suas características são: O hélice trabalha no interior de uma

tubeira que pode estar fixa (ou não) ao casco do navio

Sistemas de propulsãoHélice em tubeira (duct

propellers)A forma geométrica da tubeira é

ligeiramente cónica, pelo que o seu diâmetro, que é cerca do dobro do comprimento, decresce na direcção da popa, a fim de acelerar o escoamento da água no seu interior

O rendimento de propulsão aumenta relativamente ao obtido com o hélice tradicional para cargas elevadas e baixas velocidades de operação

Hélice em tubeira (duct propellers)

Hélice em tubeira (duct propellers)Para velocidades de operação mais

elevadas, a resistência ao avanço da própria tubeira faz diminuir o rendimento de propulsão (desvantagem)

Em alguns navios, como rebocadores e barcaças de rio, o sistema integrado de tubeira e hélice pode rodar, de modo a poderem ser manobrados de forma mais eficiente

Sistemas de propulsãoHélice em tubeira (duct propellers)

Hélice orientável – o conjunto pode rodar, o que aumenta a manobrabilidade do navio

Hélice vertical (sistema Voith-Schneider)

Princípio de funcionament

Sistemas de propulsãoHélice vertical (sistema Voith-

Schneider)Bom controlo da força de impulso Boa manobrabilidade Aplicação principal - rebocadores

Sistemas de propulsãoUnidades auxiliares de propulsão

São unidades de propulsão de pequena potência, constituídas por hélices de passo variável instalados em túneis circulares situados na proa (bow thruster) e na popa (stern thruster) na direcção transversal do navio

Permitem melhorar a capacidade de manobra do navio quando a velocidade for muito baixa, pois nestas circunstâncias a acção do leme é pouco eficiente

Sistemas de propulsãoUnidades auxiliares de propulsão

Normalmente possuem portas que estão fechadas durante a navegação

Sistemas de propulsãoComparação entre hélices de

passo fixo e variávelOs hélices de passo fixo são mais

simples do que os hélices de passo variável, pelo que são mais fáceis de fabricar e por isso mais baratos

O rendimento propulsivo dos hélices de passo fixo, apenas é satisfatório quando operam à velocidade de rotação que melhor aproveita a sua forma geométrica

passo fixo e variávelOs hélices de passo variável são de

construção mais complexaIsto deve-se ao facto de necessitar

de um sistema hidráulico de posicionamento angular das pás

Por este motivo, o seu custo é mais elevado

passo fixo e variávelO rendimento do propulsor pode ser

optimizado para os diferentes passos do hélice, através de um dispositivo designado por “combinator”

Este sistema ajusta com rapidez a velocidade de rotação do motor ao passo do hélice, de modo a que este opere sempre com o melhor rendimento possível

Sistemas de propulsãoSistema de governo do navio

O governo dos navios, efectua-se em geral através do aparelho de governo, constituído pelas máquinas do leme e respectivos sistemas de accionamento e controlo do leme

Por norma existe um leme por cada hélice, todavia, algumas embarcações especiais, tais como ferries, dispõem também de um leme na proa a fim de poderem aumentar a sua capacidade de manobra

Sistema de governo do navioHoje em dia, a quase totalidade dos

lemes clássicos são accionados por sistemas electro hidráulicos controlados por válvulas de solenóide, ou outros dispositivos equivalentes

Estes por sua vez, são operados por um servomotor também hidráulico comandado pela roda do leme, ou por joystick (comando na ponte)

Sistema de governo do navioPor motivos de segurança, os

regulamentos aplicáveis aos navios, obrigam sempre à existência de dois sistemas de accionamento idênticos para cada leme

Assim, um está normalmente em serviço a navegar e o outro de reserva (stand-by)

Em manobras, é usual utilizar os dois sistemas em simultâneo (segurança)

Esquema hidráulico (leme a 0º)

Esquema hidráulico (leme a 20º a EB)

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