Notícias

Jan 17, 2024

Avaliação experimental do efeito dos parâmetros de posicionamento e operação no desempenho de uma superfície

Relatórios Científicos volume 12, número do artigo: 18566 (2022) Cite este artigo 913 Acessos detalhes de métricas Hoje, hélices perfurantes de superfície foram reconhecidas como uma escolha adequada para maiores

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18566 (2022) Citar este artigo

913 acessos

Detalhes das métricas

Hoje, as hélices perfurantes de superfície foram reconhecidas como uma escolha adequada para velocidades mais altas. No entanto, o desenvolvimento de algoritmos de design para tal tem sido desafiado pelo conhecimento insuficiente sobre os parâmetros que afetam o seu desempenho. Por esta razão, desenvolver dados experimentais e estudar a influência de vários parâmetros no seu desempenho é crucial. Com o objetivo de desenvolver o conhecimento experimental dessas hélices, este estudo investiga o impacto dos parâmetros de posição e do Número de Froude nos resultados de testes do modelo de uma hélice customizada. Além disso, foi estudado o desenvolvimento da esteira ventilatória em diferentes números de Froude. Os resultados experimentais apontaram para o impacto favorável do aumento da razão de imersão no empuxo da hélice, um impacto positivo do aumento do ângulo de inclinação em 6° no maior empuxo e eficiência na direção de avanço, e um ligeiro aumento de empuxo com maiores ângulos de guinada de até 10 °. As forças laterais da hélice também foram extraídas em diferentes posições e condições operacionais para identificar o comportamento da hélice e projetar o eixo e os suportes necessários. Por fim, as equações de regressão para projeção dos coeficientes hidrodinâmicos utilizadas na fase de projeto foram comparadas e verificadas pelos resultados experimentais. Os resultados apontaram para a precisão insuficiente deste modelo para estimar os coeficientes hidrodinâmicos que afetam a hélice.

A noção de usar sistemas de propulsão de superfície e hélices perfurantes de superfície (SPPs) foi iniciada pela primeira vez para propulsão de barcos de pequeno calado1, pois o processo de aumento da velocidade em hélices convencionais resulta em dois fatores prejudiciais no desempenho da hélice: (1) cavitação, que é extensivamente adverso, e como não pode ser ignorado em altas velocidades, considera-se o fenômeno de supercavitação na superfície de sucção da pá. Esta solução evitou o impacto negativo das microbolhas, mas ao mesmo tempo diminuiu a eficiência da hélice, limitando a pressão atrás da pá à pressão de vapor da cavitação; e (2) em altas velocidades, a força de arrasto hidrodinâmico é aumentada na estrutura protetora da hélice e no eixo, o que diminui a eficiência do sistema. Para resolver esses problemas, os projetistas de barcos de alta velocidade alteraram a posição instalada da hélice de forma que a linha do eixo ficasse alinhada com a linha de calado da embarcação. Aqui, cada lâmina gira na interface entre a água e o ar, proporcionando o fenômeno de ventilação na parte traseira da lâmina que evita a cavitação. Neste sistema de propulsão, uma parte da hélice é o único componente que entra em contato com a água, o que reduz drasticamente a resistência das partes do sistema2. Desta forma, a velocidade final e a eficiência aumentam enquanto diminui o consumo de combustível. Outras vantagens do uso de hélices perfurantes de superfície incluem maior capacidade de transporte por unidade de potência, possibilidade de aumentar o diâmetro da hélice devido à sua distância da popa e ângulos de eixo flexíveis, que controlam a sustentação e a força lateral, resultando em melhor manobrabilidade.

Apesar das vantagens mencionadas de tais sistemas de propulsão, os investigadores têm sido dificultados pela complicada física e pelo fluxo multifásico em torno das hélices na obtenção de uma compreensão completa do impacto dos diferentes parâmetros no seu desempenho e, assim, na elaboração de um método padrão (semelhante aos que desenvolvidos para hélices convencionais) para projetar suas geometrias para o desempenho pretendido. Esse conhecimento insuficiente resultaria em custos adicionais. As informações publicadas sobre hélices perfurantes de superfície incluem apenas geometrias limitadas e as informações não são totalmente acessíveis devido ao campo de aplicação limitado. Quaisquer esforços para projetar tais hélices implicaram um processo de tentativa e erro ou seguiram os estudos experimentais conduzidos até agora3.