Hélices Navais

Por Oscar Daniel Siano

A teoria da propulsão não depende do tamanho do hélice ou do tipo de embarcação para quem está familiarizado com o projeto do hélice.

Os hélices dos navios de guerra fornecem uma grande potência comparável aos outros tipos de navios. A densidade de potência que é (a potência fornecida por metro quadrado) é maior do que a de qualquer outro tipo de navio, pois os navios de guerra de superfície podem ser classificados em quatro tipos principais:

a) Barcos de ataque rápido (barcos muito pequenos e muito rápidos)
b) Fragatas leves ou corvetas.
c) Grandes fragatas ou destróiers.
d) Porta-aviões.
e) Submarinos.

No caso de outros tipos de embarcações da Marinha (carga, rebocadores, embarcações de ressuprimento, embarcações de desembarque, etc.). O desenho de seus hélices pode ser comparado ao dos navios mercantes, exceto no que diz respeito à seleção de materiais ou à característica de resistência.

a) Barcos de Ataque Rápido

O principal objetivo no projeto dos hélices de barcos de ataque rápido é atingir alta velocidade e evitar a cavitação erosiva. Devido ao seu pequeno tamanho, seus hélices costumam ter passo fixo.

b) Fragatas leves ou Corvetas

Em fragatas leves ou corvetas que não navegam em altas velocidades, seu sistema de propulsão deve ser polivalente e muito flexível. O tamanho do hélice geralmente é menor, pois eles precisam suportar menos tensão.

O problema pode surgir não tanto de problemas hidrodinâmicos ou mecânicos, mas de falta de fundos. Esses tipos de navios podem usar hélices de passo fixo ou variáveis, o que está diretamente relacionado ao custo do navio.

c) Fragatas pesadas ou Destróiers

Grandes fragatas multifuncionais, bem como destróiers, precisam de velocidade de cruzeiro eficiente, baixo nível de ruído e atingir velocidade máxima rapidamente. Os sistemas de propulsão existentes combinados garantem uma resposta de velocidade muito diferente e originam principalmente o uso de hélices de passo variável.

d) Porta Aviões

Os porta-aviões devem navegar em alta velocidade para que as aeronaves possam decolar e pousar, razão pela qual a potência é essencial para essas embarcações e, acima de tudo, seus hélices devem gerar e suportar o referido empuxo, em grande parte de passo variável.

e) Submarinos

O tamanho dos hélices de um submarino varia de um Submarino Nuclear a um Submarino Convencional (Diesel Elétrico). Os submarinos nucleares precisam obter uma resposta de velocidade eficiente e produzir um baixo nível de ruído. Você pode usar hélices de passo regulável e passo fixo, entre 5 a 7 pás de um, dois e até três eixos dependendo da nacionalidade.

Os submarinos convencionais, devido ao seu sistema de propulsão, não precisam navegar em altas velocidades, o tamanho de seu hélice costuma ser menor, mas sua configuração é a mesma do submarino nuclear entre 5 a 7 pás, mas com uma diferença notável é que normalmente eles são passo fixo e eixo único.

Projeto de hélice de baixo ruído

Nenhum hélice pode ser silencioso sob quaisquer condições, o trabalho do projetista é manter o ruído produzido por ela o mais baixo possível. Os ruídos são provenientes de diferentes fontes e podem ser induzidos por escoamento, grau de rugosidade dos perfis e da massa, sendo mantido o mais baixo possível, pois geram micro e macro turbulência.

No entanto, os ruídos de fluxo são insignificantes para ruídos de cavitação, que é um fenômeno natural. Uma medida adequada é aquela que permite avaliar o desempenho do ruído do hélice é saber qual a velocidade do navio no início da cavitação. Evitar o início precoce da cavitação é evitar irregularidades de massa, eliminando qualquer protrusão da massa, e o mais importante de tudo é evitar a cavitação antecipada induzida pela geometria total do perfil do hélice.

O primeiro tipo de cavitação é conhecido como cavitação em vórtice das pontas das pás, ocorrem naturalmente devido às diferenças de pressão que existem entre as duas faces da pá do hélice. A maneira mais simples de diminuir a intensidade do vórtice é aumentar o número de pás para o mesmo empuxo. Um hélice de 10 pás produz cerca de metade da cavitação do vórtice de um hélice de 5 pás. O único problema é que quanto maior o número de lâminas, maior a quantidade de problemas relacionados ao projeto e subsequente construção ou produção. A maioria dos navios de guerra de superfície usam hélices de 5 e 6 pás que produzem baixo nível de ruído e principalmente começam a cavitar a cerca de 20 nós e a maioria dos submarinos usa hélices de 5 e 7 pás que aproximadamente eles começam a cavitar em torno de 25 nós, dependendo de sua profundidade (maior profundidade, menos cavitação).

Materiais utilizados na construção dos hélices

Durante a longa história da construção de hélices, vários tipos de materiais resistentes à corrosão da água do mar foram usados ​​para marinhas, bem como marinhas mercantes. O melhor compromisso entre a necessidade de resistência, moldagem, capacidade de reparo e resistência à corrosão de baixo custo e fácil de fabricar adequada é uma liga de bronze de alumínio.

O aço inoxidável é muito difícil de fundir corretamente em grandes quantidades, polir e moldar com grande precisão. Isso explica por que ele só é usado quando uma determinada propriedade é pretendida, como antimagnética para varredores de minas ou caçadores de minas ou dureza extrema para quebra-gelos.

O titânio deve ser forjado para aplicações marítimas e é mais difícil de manusear do que o aço inoxidável. Devido aos custos de forjamento e fabricação, o uso de titânio é muito caro.

Ligas materiais (cobre-manganês) são adequadas quando são novas, mas com o passar do tempo elas se tornam frágeis e não podem ser reparadas, mesmo a vibração do próprio hélice é sua primeira grande desvantagem.

Materiais compósitos, este tipo de materiais tem sido uma grande revelação na construção de hélices e aeronaves, mas para navios não são adequados nem mesmo nos de médio porte, a razão é que os hélices dos navios devem suportar uma grande quantidade de esforços multidirecionais que mesmo as fibras mais sofisticadas não podem tolerar a carga por muito tempo. A segunda desvantagem desses materiais é que apresentam baixos níveis de elasticidade, e a defecção nas pontas dos hélices é bastante grande, e o processo de fabricação não é preciso o suficiente para garantir a mesma defecção em qualquer pá do hélice. Como conseqüência disso, quando ocorre o empuxo, as lâminas deste material se dobram uniformemente para que cada lâmina tenha seu próprio passo ligeiramente diferente do que as outras.

Finalmente, a fibra mais resistente é o carbono, mas não resiste à água do mar, portanto, um revestimento especial deve ser colocado, mas o referido revestimento resiste à erosão por cavitação menos que as ligas metálicas.

Passo fixo ou Hélices de Passo Variável

Esta é a pergunta mais frequente e a resposta depende das escolhas relativas à planta de propulsão e do perfil de missão do navio. Existem também vários fatores a serem considerados e devem ser cuidadosamente analisados, como flexibilidade, eficiência, manobrabilidade, segurança, características de ruído, confiabilidade, facilidade de manutenção e custos de vida útil.

Hélices de Passo Variável (HPV)

No que diz respeito à manobrabilidade e flexibilidade, os HPV são a solução adequada para plantas de propulsão movidas a motores diesel e / ou turbinas a gás, sendo que no HPV a turbina possui alta capacidade de recuo através de sua capacidade de estar para frente, e tudo para trás em cerca de 20 segundos, sem qualquer consequência na força das pás do hélice. Com um degrau baixo, os motores a diesel podem permanecer no lugar mesmo com os motores funcionando.

Para embarcações polivalentes, os HPVs permitem que um dispositivo de sonar seja rebocado, desde que controles adequados sejam instalados para minimizar a emissão de ruído.

Outra vantagem é que às vezes é essencial proteger os motores diesel da deterioração prematura com HPV. Controle de carga eficiente pode ser alcançado para proteger o motor da sobrecarga devido às condições do mar ou manobras em alta velocidade.

No que se refere à confiabilidade, de acordo com relatórios fornecidos pelos estaleiros onde são realizados reparos, que indicam que após colisões e mesmo após algum encalhe, o mecanismo interno da lâmina permaneceu intacto e a lâmina completamente destruída.

No que se refere à manutenção, ela é realizada em períodos normais de doca seca e a cada 4 ou 5 anos as vedações e os elementos de fixação das lâminas devem ser trocados.

Hélice de Passo Fixo (HPF)

Em navios com motores a diesel como único sistema de propulsão, o uso de HPF só é possível quando esses motores apresentam grandes margens de potência, muito maiores do que os HPVs. O HPF exibe capacidade de manobra adequada quando aplicado a grandes motores elétricos.

No entanto, existem algumas desvantagens ao operar o navio para ir para trás, as verdadeiras bordas de ataque das pás são as bordas de fuga e com o design moderno das pás oblíquas, elas induzem cargas muito maiores nas extremidades do que quando operam para frente. É por isso que a rotação ou o torque devem ser limitados para que o hélice não dobre.

A diferença de eficiência entre 5% e 7% entre os dois tipos de hélices esta diferença está relacionada entre a força de propulsão e a velocidade do navio quando o hélice trabalha em seu ponto exato de projeto para uma condição de projeto do navio

Conclusões

A chave número um está no processo de design e fabricação e no compromisso com o qual o melhor desempenho e o resultado ideal do produto final são constantemente buscados.

A chave número dois é a integração. O design não é nada se o material for deficiente ou se o acabamento não estiver em conformidade com o design.

E isso é essencial na primeira fase do projeto para que uma equipe integrada, analise o sistema de propulsão e a escolha ligada às linhas do casco, as opções em termos de layout do motor, a influência dos níveis de ruído/ vibração e os problemas de fabricação que podem afetar o design.

Qualquer uma dessas primeiras decisões afeta diretamente os custos, são poucos os fabricantes de hélices navais, projetistas e fabricantes. Sua integração com a equipe que projeta o design do navio é um elemento chave para o sucesso com o menor custo possível.

TRADUÇÃO E ADAPTAÇÃO: DAN

FONTE: El Snorkel

FOTOS: Internet e Carlos Alberto Damelio