Automatização do processo de seleção de propulsores da série Kaplan para maximizar o empuxo em bollard pull aplicado a modelos de rebocadores em escala reduzida

Abstract

O projeto do sistema propulsivo influência diretamente no desempenho de uma embarcação, sendo seu correto dimensionamento fundamental para se atingir os objetivos do projeto. No cenário de embarcações que operam sob altos carregamentos em baixas velocidades, tipicamente rebocadores, torna-se interessante desenvolver o sistema propulsivo de forma a entregar o maior empuxo na condição de bollard pull. Durante as fases de projeto de uma embarcação, séries sistemáticas são amplamente utilizadas para o dimensionamento dos hélices. Dentre estas séries destaca-se a Série Kaplan, cujos hélices operam em conjunto com tubulões e sua aplicação é ideal em operações que requerem elevado empuxo em baixas velocidades. O objetivo deste trabalho é apresentar o desenvolvimento de uma ferramenta computacional de automatização do processo de seleção de hélices da Série Kaplan, associados ao tubulão 19A, capaz de encontrar as características do hélice que consiga entregar o maior empuxo na condição de bollard pull, e que respeite as restrições de potência do motor e limites de cavitação. Partindo do hélice selecionado que maximiza o empuxo em bollard pull, a ferramenta permite estimar a velocidade máxima desenvolvida pela embarcação em corrida livre, a partir da geometria do casco e de dados confiáveis da resistência ao avanço. Apesar da Série Kaplan ser amplamente utilizada no projeto de embarcações em escala real, este trabalho contempla a análise do sistema propulsivo de um rebocador nautimodelo utilizado na competição DUNA (Desafio Universitário de Nautidesign). Foram realizados ensaios em um tanque de prova simplificado, para avaliar o desempenho de empuxo do nautimodelo, possibilitando comparar os resultados obtidos com os dados teóricos. Os resultados obtidos levantaram questionamentos à respeito de se realizar o projeto para condição de bollard pull adotando coeficiente de avanço nulo, principalmente pela divergência entre os resultados obtidos no teste prático e aqueles previstos no projeto, contudo evidenciou a importância de se ter um processo de construção e fabricação tão rigoroso quanto a fase de projeto. Apesar das divergências, a ferramenta desenvolvida mostra-se bastante eficiente em etapas iniciais de projeto para análise dos diagramas em águas abertas dos hélices da Série Kaplan, permitindo desenvolver diferentes metodologias para seleção de propulsores tendo esta ferramenta computacional como base e levando em consideração os questionamentos levantados neste trabalho.

The propulsion system design directly influences the performance of a vessel, and its correct dimensioning is fundamental to achieve the project objectives. In the scenario of vessels that operate under high loads at low speeds, typically tugs, it becomes interesting to develop the propulsion system in order to deliver the greatest thrust in the bollard pull condition. During the design phases of a vessel, systematic series are widely used for propeller design. Among these series, the Kaplan Screw Series stands out, whose propellers operate in combination with nozzles and its application is ideal in operations that require high thrust at low speeds. The objective of this work is to introduce the development of a computational tool for automating the selection process of a Kaplan Series propeller, in combination with nozzle 19A, capable of finding the characteristics of a propeller that can deliver the greatest thrust in the bollard pull condition, and that respects engine power restrictions and cavitation limits. Starting from the selected propeller that maximizes the thrust in bollard pull, the tool allows to estimate the maximum speed developed by the vessel in free running, from the hull geometry and reliable data of ship resistance. Although the Kaplan Series is widely used in the design of full-scale vessels, this work includes the analysis of the propulsive system for a small scale model of a tug used in the DUNA (University Challenge of Nautidesign) competition. Tests were carried out in simplified test tank, to evaluate the thrust performance of the model, making it possible to compare the results obtained with the theoretical data. The obtained results raised questions about the design for the bollard pull condition adopting J=0, mainly by the divergence between the results obtained in the practical test and those predicted in the design, however evidenced the importance of having a construction and manufacturing process as rigorous as the design phase. Despite the divergences, the tool developed has shown to be very efficient in initial design stages for the analysis of the open water diagrams of Kaplan Series propellers, allowing the development of different methodologies for propeller selection using this computational tool as a basis and taking into account the questions raised in this work.