Análise da influência do parâmetro corda/diâmetro na eficiência de hélices utilizando teoria de linha de sustentação

Abstract

Os hélices são componentes amplamente utilizados na propulsão de embarcações. Paradoxalmente, estudos e modelos de avaliação de desempenho desses sistemas permanecem bastante restritos, dado o alto custo associado aos experimentos físicos e a complexidade dos fenômenos a serem modelados numericamente. Assim, diante de tal lacuna, este trabalho apresenta um estudo sobre a influência de um importante parâmetro geométrico: a distribuição do quociente c/D ao longo da pá. A análise desse parâmetro mudou uma das mais importantes e clássicas pesquisas da área. Em 1936, os resultados experimentais de uma das primeiras séries geométricas de hélices sofreram graves problemas de cavitação devido à baixa largura das seções nas pontas das pás. Por essa razão, mudanças intuitivas deram origem à famosa série B-Troost (ou série B de Wageningen). Este trabalho segue essa linha e investiga a influência que a distribuição do parâmetro c/D tem no desempenho de hélices projetados para a geração de empuxo. Como metodologia de análise, utiliza-se a Teoria de Linha de Sustentação de Prandtl para a avaliação de um conjunto sistemático de modificações geométricas, que permitiram avaliar a influência do parâmetro c/D no desempenho das geometrias estudadas. O código utilizado está disponível no programa OpenProp. Inicialmente, é apresentado um procedimento de validação, comparando os resultados experimentais disponíveis na literatura. A seguir, dois grupos de geometrias são propostos, o primeiro com valores de c/D constantes e o segundo com c/D diminuindo na região próxima à ponta da pá. O trabalho apresenta um conjunto de análises que investiga hélices com 3, 4 e 5 pás, combinadas com valores de EAR iguais a 0,45, 0,60 e 0,80. Os resultados apresentados permitem concluir que, para quaisquer combinações analisadas, quanto menores os valores constantes de c/D, maior a eficiência obtida, chegando a incrementos de 5%. Já quando se utilizam valores de c/D menores na ponta das pás, as eficiências obtidas são ainda maiores e podem resultar em um aumento de quase 9%.

Propellers are components widely used in ship propulsion. Paradoxically, studies and models for performance evaluation of such systems remains quite restricted, given the high cost associated with physical experiments and the complexity of phenomena presents in numerical models. Thus, in the face of such a gap, this work presents a study on the influence of and important geometric parameter associated with blades geometry: the distribution of the quotient chord by radius along the blade. The analysis of this parameter changed one of the most important and classic research in the area. In 1936, one of the first experimental geometric variations of propellers was published. However, the geometries suffered severe cavitation problems due to the low width of the sections at the blade's tips. For this reason, intuitive changes gave rise to the famous B-Troost series (or Wageningen's B series). This work follows this line and investigates the influence that the distribution of the parameter c/D has on the performance of propellers designed for thrust generation. As an analysis methodology, the Prandtl lifting-line Theory is used for the evaluation of a systematic set of modifications, which allowed to quantify the influence of the c/D parameter on the performance of the studied geometries. The code used is available in the OpenProp program. Initially, a validation procedure is presented, comparing the experimental results available in the literature for classic geometries. Next, two groups of geometries are proposed, the first with a constant c/D values and the second with c/D decreasing when reaching the tip of the blade. The work presents a full set of analysis investigating propellers with 3, 4 or 5 blades combined with values of EAR equal to 0,45, 0,60 and 0,80. The results presented allow to conclude that for any analyzed combinations, the lower the c/D values for group 1, the greater the efficiency obtained (5% of increase). Already when using lower values of c/D on blade's tips, the performance values obtained are even higher (increase close to 9%).