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ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE TECNOLOGIA MARÍTIMA Capítulo V – Sistemas de Propulsão e Governo ENIDH – 2013/2014 ENIDH – 2013/2014.

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1 ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE TECNOLOGIA MARÍTIMA Capítulo V – Sistemas de Propulsão e Governo ENIDH – 2013/2014 ENIDH – 2013/2014

2 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 2 Sistemas de propulsão Índice Sistemas de propulsão Elementos de um sistema de propulsão Hélices Sistema de governo

3 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 3 Sistemas de propulsão Sistema 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

4 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 4 Sistemas de propulsão Tipos de propulsão Propulsão 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)

5 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 5 Sistemas de propulsão Tipos de propulsão Propulsão 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

6 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 6 Sistemas de propulsão Propulsão directa As 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

7 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 7 Sistemas de propulsão Propulsão directa Elementos de um sistema de propulsão directa

8 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 8 Sistemas de propulsão Propulsão 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

9 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 9 9 Sistemas de propulsão Propulsão indirecta Elementos principais

10 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 10 Sistemas de propulsão Propulsão indirecta Motor diesel a dois tempos, caixa redutora e gerador de veio O 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)

11 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 11 Sistemas de propulsão Propulsão indirecta Motor diesel a dois tempos, caixa redutora e gerador de veio

12 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 12 Sistemas de propulsão Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsoras Para 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 kW ( CV)

13 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 13 Sistemas de propulsão Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsoras Peso 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 %

14 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 14 Sistemas de propulsão Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsoras Espaço ocupado pela maquinaria (turbina a gás vs. motor Diesel)

15 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 15 Sistemas de propulsão Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsoras Pessoal 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

16 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 16 Sistemas de propulsão Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsoras Manutenção 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

17 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 17 Sistemas de propulsão Comparação entre os diversos tipos de instalações propulsoras Actualmente, 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

18 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 18 Sistemas de propulsão Sistemas de propulsão utilizados em navios Propulsão mecânica Propulsão CODOG Propulsão CODAG Propulsão CODLAG Propulsão Diesel-eléctrica (convencional) Propulsão Diesel-eléctrica (AZIPOD) Propulsão a jacto

19 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 19 Sistemas de propulsão Propulsão mecânica (directa) Utiliza-se quando o motor principal opera a baixa velocidade (entre 80 a 200 rpm) Caso típico: motores diesel a dois tempos Neste caso, o veio propulsor roda à mesma velocidade da máquina principal Esta configuração é mais simples visto dispensar a utilização de caixas redutoras Podem utilizar gerador de veio e turbina de potência

20 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 20 Sistemas de propulsão Propulsão mecânica directa com recuperação de energia Nos 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

21 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 21 Sistemas de propulsão Propulsão mecânica directa com recuperação de energia Utiliza os gases de evacuação do motor recuperar energia através de turbina de potência e turbo-geradora

22 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 22 Sistemas de propulsão Propulsão mecânica (indirecta) Sistema com duas linhas de veios

23 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 23 Sistemas de propulsão Propulsão 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

24 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 24 Sistemas de propulsão Propulsão CODOG (Combined Diesel or Gas)

25 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 25 Sistemas de propulsão Propulsão 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

26 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 26 Sistemas de propulsão Propulsão CODAG (Combined Diesel And Gas)

27 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 27 Sistemas de propulsão Propulsão Diesel-eléctrica com uma linha de veios e caixa redutora

28 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 28 Sistemas de propulsão Propulsão Diesel-eléctrica com duas linhas de veios sem caixa redutora

29 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 29 Sistemas de propulsão Propulsão Diesel-eléctrica com sistema Azipod Sistema muito usado em navios de cruzeiro

30 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 30 Sistemas de propulsão Sistema de propulsão Azipod Pode 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

31 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 31 Sistemas de propulsão Sistema de propulsão Azipod As 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

32 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 32 Sistemas de propulsão Sistema de propulsão Azipod Os motores eléctricos accionam os hélices A direcção é hidráulica Não necessitam de máquina do leme

33 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 33 Sistemas de propulsão Sistema de propulsão Azipod Sistema Azipod (Azipod propellers) M/S Europa (2x6,65 MW)

34 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 34 Sistemas de propulsão Instalação propulsora com sist. Azipod Esquema da instalação propulsora do navio de cruzeiro Oasis of the Seas

35 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 35 Sistemas de propulsão Sistema integrado de propulsão Azipod

36 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 36 Sistemas de propulsão 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

37 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 37 Sistemas de propulsão Propulsão CODLAG (Combined Diesel- eLectric And Gas)

38 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 38 Sistemas de propulsão Propulsão CODLAG (Combined Diesel- eLectric And Gas) Turbina a gás do navio de cruzeiro Queen Mary 2

39 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 39 Sistemas de propulsão Propulsão eléctrica utilizando células de combustível (fuel cells) Uma célula de combustível converte o hidrogénio directamente em electricidade Este sistema não possui partes móveis Tem um elevado rendimento de conversão A 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

40 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 40 Sistemas de propulsão Propulsão 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)

41 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 41 Sistemas de propulsão Célula de combustível (fuel cell) Princípio de funcionamento de uma célula de combustível

42 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 42 Sistemas de propulsão Propulsão marítima através de células de combustível (fuel cells)

43 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 43 Sistemas de propulsão Células de combustível (Sistema AIP) Células usados nos submarinos U212/U214

44 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 44 Sistemas de propulsão Propulsão do submarino U214 –Marinha Portuguesa (2011)

45 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 45 Sistemas de propulsão Propulsão 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 rápidos Navios militares Lanchas rápidas (guarda costeira, recreio,...) Motas de água,....

46 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 46 Sistemas de propulsão Propulsão por jacto de água (water jet) Utiliza uma bomba que descarrega o caudal de água a elevada velocidade, à ré do navio

47 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 47 Sistemas de propulsão Propulsão por jacto de água (water jet) Esquema em corte do sistema de propulsão

48 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 48 Sistemas de propulsão Propulsão por jacto de água (water jet) Conjunto motor+ tubeira de descarga (é orientável para efeitos de manobra)

49 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 49 Sistemas de propulsão Propulsão através do vento Um pouco de história marítima O Cutty Sark foi um dos últimos veleiros (Clipper) a ser construído para fazer a rota do chá (Escócia, 1869)

50 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 50 Sistemas de propulsão 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

51 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 51 Sistemas de propulsão Propulsão 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)

52 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 52 Sistemas de propulsão Propulsão através do vento 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

53 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 53 Sistemas de propulsão Propulsão através 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

54 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 54 Sistemas de propulsão Propulsão através do vento Este navio irá dispor de um motor auxiliar que fornece 40% da potência de propulsão

55 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 55 Sistemas de propulsão Propulsão através do vento Dispõe à proa de um sistema avançado de detecção da intensidade e direcção do vento, para optimizar a orientação das velas (automático)

56 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 56 Sistemas de propulsão Propulsão através do vento Navio 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%

57 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 57 Sistemas de propulsão Propulsão através do vento Navio de cruzeiro moderno com propulsão à vela (Nota: utilizam um motor auxiliar)

58 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 58 Sistemas de propulsão Elementos de um sistema de propulsão Caixa redutora (reduction gear) Linha de veios (line shaft) Chumaceira de impulso (thrust bearing) Conjunto veio, manga, hélice e leme Hélice principal (main propeller) Hélices auxiliares (Bow and stern propellers)

59 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 59 Sistemas de propulsão Caixa de engrenagens redutoras Utiliza-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)

60 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 60 Sistemas de propulsão Caixa redutora (esquema em corte)

61 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 61 Sistemas de propulsão Linha de veios Quando 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

62 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 62 Sistemas de propulsão Linha de veios À 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

63 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 63 Sistemas de propulsão Linha de veios

64 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 64 Sistemas de propulsão Chumaceira de impulso É o dispositivo que suporta e transmite o impulso do hélice ao navio É a primeira chumaceira a contar de vante para ré É 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

65 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 65 Sistemas de propulsão Chumaceira de impulso Nas 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

66 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 66 Sistemas de propulsão Chumaceira de impulso Imagens de chumaceira de impulso

67 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 67 Sistemas de propulsão Chumaceira de impulso Imagem de uma chumaceira de impulso

68 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 68 Sistemas de propulsão Chumaceiras de apoio Servem 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

69 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 69 Sistemas de propulsão Chumaceiras de apoio

70 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 70 Sistemas de propulsão Linha de veios A 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

71 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 71 Sistemas de propulsão Linha de veios Esquema de uma linha de veios

72 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 72 Sistemas de propulsão Manga 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

73 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 73 Sistemas de propulsão Bucim 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

74 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 74 Sistemas de propulsão Bucim 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

75 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 75 Sistemas de propulsão Bucim simplex Circuito de óleo do bucim Simplex

76 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 76 Sistemas de propulsão Hélices 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)

77 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 77 Sistemas de propulsão Fixação do hélice ao veio propulsor

78 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 78 Sistemas de propulsão Hélice de passo fixo

79 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 79 Sistemas de propulsão Hélices propulsores Escoamento do fluido na pá do hélice

80 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 80 Sistemas de propulsão Cavitação 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)

81 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 81 Sistemas de propulsão Cavitação 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

82 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 82 Sistemas de propulsão Hélice a funcionar com cavitação

83 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 83 Sistemas de propulsão Implosão das bolhas geradas pela cavitação junto à superfície da pá

84 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 84 Sistemas de propulsão Danos provocados pela cavitação

85 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 85 Sistemas de propulsão Hélices propulsores Perdas num hélice propulsor de navio

86 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 86 Sistemas de propulsão 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

87 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 87 Sistemas de propulsão Hélice 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)

88 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 88 Sistemas de propulsão Hélice de passo fixo (FPP) Configuração dos hélices do navio Titanic

89 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 89 Sistemas de propulsão Hélices propulsores - Pá do hélice (FPP) FACE – lado de pressão BACK – lado de aspiração (navio a deslocar-se para vante)

90 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 90 Sistemas de propulsão Passo 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

91 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 91 Sistemas de propulsão Passo do hélice Nestas condições a velocidade do navio V seria determinada por: p – o passo do hélice n – número de rotações por unidade de tempo

92 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 92 Sistemas de propulsão Passo do hélice Exemplo de meio rígido: rolha de cortiça

93 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 93 Sistemas de propulsão Recuo 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

94 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 94 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

95 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 95 Sistemas de propulsão Passo do hélice Recuo do hélice

96 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 96 Sistemas de propulsão 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

97 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 97 Sistemas de propulsão 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

98 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 98 Sistemas de propulsão Hélice de passo variável (CPP)

99 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 99 Sistemas de propulsão Hélice de passo variável (CPP) Aspecto típico de um hélice de passo variável

100 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 100 Sistemas de propulsão Hélice de passo variável (esquema do sistema em corte)

101 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 101 Sistemas de propulsão 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

102 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 102 Sistemas de propulsão Hélice 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

103 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 103 Sistemas de propulsão Hélice em tubeira (duct propellers)

104 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 104 Sistemas de propulsão Hélice em tubeira (duct propellers)

105 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 105 Sistemas de propulsão 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

106 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 106 Sistemas de propulsão Hélice em tubeira (duct propellers) Hélice orientável – o conjunto pode rodar, o que aumenta a manobrabilidade do navio

107 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 107 Sistemas de propulsão Hélice vertical (sistema Voith- Schneider) Princípio de funcionamento

108 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 108 Sistemas de propulsão Hélice vertical (sistema Voith- Schneider) Bom controlo da força de impulso Boa manobrabilidade Aplicação principal - rebocadores

109 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 109 Sistemas de propulsão Unidades 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

110 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 110 Sistemas de propulsão Unidades auxiliares de propulsão Normalmente possuem portas que estão fechadas durante a navegação

111 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 111 Sistemas de propulsão Comparação entre hélices de passo fixo e variável Os 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

112 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 112 Sistemas de propulsão Comparação entre hélices de passo fixo e variável Os hélices de passo variável são de construção mais complexa Isto deve-se ao facto de necessitar de um sistema hidráulico de posicionamento angular das pás Por este motivo, o seu custo é mais elevado

113 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 113 Sistemas de propulsão Comparação entre hélices de passo fixo e variável O 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

114 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 114 Sistemas de propulsão Sistema 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

115 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 115 Sistemas de propulsão Sistema de governo do navio Hoje em dia, a quase totalidade dos lemes clássicos são accionados por sistemas electro­hidráulicos 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)

116 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 116 Sistemas de propulsão Sistema de governo do navio Por 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)

117 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 117 Sistemas de propulsão Sistema de governo do navio Esquema hidráulico (leme a 0º)

118 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 118 Sistemas de propulsão Sistema de governo do navio Esquema hidráulico (leme a 20º a EB)


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