Cálculo de esforços em sistemas propulsivos marítimos

Nauticus™ Machinery
Cálculo de Esforços em Sistemas Propulsivos

João Henrique Volpini Mattos
Engenheiro Naval
Regional Sales Manager – South America – DNV Software

Setembro 2012

Principais Tipos de Sistemas Propulsivos
 Podemos distinguir entre dois principais tipos de sistemas propulsivos :
- Sistemas de acoplamento direto
Normalmente são utilizados em embarcações que navegam longas distâncias sem alteração
na velocidade e não requerem muita capacidade de manobra (navios de grande porte como
petroleiros, graneleiros, etc.).
Sistemas deste tipo utilizam eixos de grande diâmetro (até 1200mm) e são muito sensíveis
ao alinhamento dos mancais.
Sistema de propulsão
com acoplamento direto

Sistema com 2 motores e
acoplamento com redução

- Sistemas de acoplamento por engrenagem
Utilizado em embarcações que requerem muita capacidade de manobra, tais como ferries,
apoio marítimo, rebocadores, pesqueiros, e outras embarcações leves de alta velocidade.
Este tipo de sistema pode ser bastante longo e esbelto (diâmetros do eixo menores), mas
são mais complexos e com maior número de componentes (engrenagem, etc.)
Esles também são mais sensíveis à vibração de precessão e menos ao alinhamento.

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Principais Componentes do Sistema Propulsivo

Típico sistema de
propulsão com redução

1. Motor diesel (em geral de 4 tempos para um sistema com engrenagem de
redução).
2. Eixo do motor e acoplamento flexível.
3. Caixa da engrenagem de redução.
4. PTO (power take off), também chamado de gerador de eixo.
5. Parte do eixo propulsor.
6. Tubo telescópico.
7. Hélice de passo controlável.


Tipos de Propulsores
 Podemos distinguir os seguintes tipos de propulsores :
- Propulsores de passo fixo Hélice de passo fixo
Não há modo de alterar o ângulo das pás, portanto só podemos
ajustar o empuxo no mesmo através de alteração na sua
rotação.
- Propulsores de passo controlável
Podemos ajustar o ângulo das pás, alterando o empuxo gerado
pelo propulsor e a velocidade do navio. Entretanto, este tipo de
propulsor tem o projeto mais vulnerável devido aos componentes
hidráulicos e selos.

 Adicionalmente podemos ter diferentes formatos do
“enviesamento” das pás do propulsor
- Alto skew
Hélice com skew diminui a vibração e rúído
- Médio skew
- Baixo skew

Hélice de passo controlável


Carregamento Hidrodinâmico no Propulsor
 O propulsor gera diversos carregamentos hidrodinâmicos que podem ser de cálculo
bastante difícil. De qualquer modo, eles são muito importantes para o cálculo do
alinhamento do eixo.

Cada seção do propulsor
tem um perfil diferente

Cada perfil gera uma
Cargas geradas no propulsor força de sustentação
e de arrasto

A esteira gerada pelo casco
no plano do propulsor não é
uniforme


Motores Diesel
 Podemos classificar os motores diesel nos seguintes tipos :

Motor de 2 tempos
Motor de 4 tempos

 Enquanto os motores de 2 tempos completam um ciclo completo em 1 revolução,
os de 4 tempos demoram 2 revoluções.
 Com relação à sua velocidade, podemos agrupá-los em :
- Alta rotação : mais de 960 rpm
- Média rotação : entre 240 e 960 rpm
Motores de baixa
- Baixa rotação : abaixo de 240 rpm e média rotação


Linha de Eixos e Tubo Telescópico
 A arranjo da linha de eixos transfere o torque produzido pelo motor para o propul-
sor, ao mesmo tempo em que transfere o empuxo produzido pelo propulsor de
volta para a estrutura do navio.
 Em geral a linha de eixos consiste de um eixo intermediário e do eixo propulsor,
além de um ou dois mancais no eixo intermediário e os mancais no tubo telescó-
pico.
 A parte mais a ré do eixo propulsor é suportado pelos mancais do tubo telescópico,
em geral dentro do tanque de colisão de ré, e portanto fora do alcance visível. Estes
mancais são completamente imersos em óleo lubrificante

Tubo telescópico


Engrenagem de Redução
 Engrenagens de redução são utilizadas entre os motores diesel de alta e média
rotação e o propulsor. Delas dependem que a rotação no motor atinja a rotação
desejada no propulsor.
 A engrenagem fica dentro de uma caixa de aço atrás do motor, parcialmente
preenchida com óleo lubrificante e uma bomba interna que assopra um spray de
óleo sobre os dentes da engrenagem.
 Elas podem ter vários formatos, de projetos relativamente simples a formas
extremamente complexas (com múltiplos eixos).

Caixas de redução marítimas


Tendências Técnicas que nos Influenciam 1
 Regras da Sociedade Classificadora e do IACS

Regras DNV Regras IACS


 Navegação no gelo.

DNV CN 51.1

Rota do Norte
(menos 40% combustível)
IACS UR I3


 Prevenção de avarias e solução de problemas.

Tubo telescópico seco

Cavitação e avaria do eixo

Dentes do pinhão de engrenagem avariados

Eixo de manivelas quebrado


 A deflexão no casco é afetada pelo calado da embarcação.

Deflexão no casco

Deflexão no eixo


Nauticus Machinery : Histórico
DOS / Fortran “PILOT” “NAUTICUS”

1980 1990 2004 2006 2008 2012

 A DNV desenvolve a linha de software para a área de máquinas marítimas há mais
de 30 anos.
 Começou com aplicações monousuárias baseadas em DOS e com o pacote “PILOT”
nos anos 80.
 Nova versão totalmente reescrita em 2001-2001 devido à novas regras.
 Versões periódicas do Nauticus Machinery em 2004, 2006, 2008, 2010, 2011 e
2012
 Nova versão totalmente reescrita em 2010, com a introdução de análise por
elementos finitos.
 Vários módulos para sistemas de alta rotação implementados em 2012.


Nauticus Machinery : Áreas de Atenção
Nauticus Machinery se preocupa com o eixo de manivelas. O torque vibratório
Motor diesel permissível é calculado, sendo um dado de entrada importante para a análise de
vibração torsional.
Eixo motor Fadiga do eixo para ciclos baixo, alto e transiente.
Perda de carga (aquecimento) do acoplamento quando sujeito a variações de
Acoplamento
torque uniformes. O critério de aceitação e a perda de carga são calculados pelo
flexível
software.
O software se preocupa com a distribuição de carga na face dos dentes, já que
Engrenagem uma má distribuição pode acarretar avarias severas. Além disto, as forças de
de redução interação entre a roda e o pinhão da engrenagem podem criar forças externas
que são importantes para a análise de alinhamento da linha de eixos.
PTO Vibração torsional quando o PTO é engajado e desengajado.
Extremamente importante para o alinhamento da linha de eixos. Uma
Mancais do
distribuição de carregamento ruim pode causar falta de lubrificação e avarias
tubo
severas no tubo telescópico (contato metal-metal e parada completa do
telescópico
sistema).
Cálculo do empuxo (importante para a análise do alinhamento da linha de eixos,
Propulsor
vibração de precessão e torsional), passo e espessura nas pás,.


Nauticus Machinery : Visão Geral
Nauticus Machinery consiste de :
 Um framework de cálculo (Nauticus Workflow
Manager)
 7 Ferramentas de cálculo

Nauticus Workflow Manager

Nauticus Machinery é adequado para todos os
tipos de sistemas de propulsão marítimos
 Sistemas com acoplamento direto
 Sistemas com engrenagem
 Grupos geradores

Ferramentas de cálculo


Nauticus Machinery : Empacotamento
Nauticus Machinery é um conjunto de sete ferramen-
tas para o cálculo de esforços em componentes e
sistemas de propulsão, podendo ser utilizado para :
 Projeto inicial
 Resolução de problemas e investigação de avarias
 Verificação de medições a bordo
 Documentação para aprovação

O software usualmente é fornecido em três tipos de
empacotamentos, com as ferramentas adequadas para
cada um :
Ferramentas Workflow Shaft Torsional Shaft Gear Gear Crankshaft Propeller
Pacotes Manager Alignment Vibration Fatigue Rating Faceload Fatigue Blade
Direct coupled √ √ √ √ √
Geared systems √ √ √ √ √ √ √
Generator sets √ √ √ √


Ferramentas do Nauticus Machinery
 São disponíveis os seguintes módulos :
Ferramentas de Projeto

Workflow Manager Shaft alignment Torsional vibrations Shaft fatigue

Ferramentas de Verificação

Gear rating Gear faceload Crankshaft fatigue Propeller Blase


Nauticus Workflow Manager
Ferramenta de colaboração e compartilhamento de projetos relacionados à propulsão.
 Cálculos organizados em “jobs”.
 Vário usuários podem trabalhar no
mesmo job simultaneamente.
 Um repositório comum para todas
as informações de cálculo (SQL
Server central ou SQL Express
local).
 Facilidade de integração com outros
sistemas de cálculo do usuário (ex.
planilhas).
 Conceito de administrador, usuários
e equipes.
 Atualização do software e manuais.
 Anexação de desenhos e outros
documentos aos cálculos.

Slide 18

Princípios do Alinhamento de Eixos


Consequências do Desalinhamento
 Forças e pressões excessivas nos mancais • Perda da propulsão levando a perda de vidas,
propriedade e danos ao ambiente
 Tensões de flexão excessivas no eixo
• Avaria do selo de ré, levando ao vazamento de
 Fadiga óleo
 Problemas de vibração (whirling) • Custos extras
– Reboque ao estaleiro de reparos
 Avarias dispendiosas e de reparo demorado
– Investigação da avaria
– Execução dos reparos
– Retorno ao negócio


Nauticus Shaft Alignment
Ferramenta de cálculo do alinhamento ótimo do sistema de eixos e das frequências
naturais de vibração axial e de precessão pelo método dos elementos finitos.
 Obtém automaticamente o
melhor alinhamento possível dos
mancais, dentro de restrições
definidas pelo usuário.
 Calcula os resultados para folga /
flexão e de medições por maca-
cos hidráulicos.
 Calcula as freqüências naturais
de vibração axial e precessão
utilizando o mesmo modelo.
 Cálculo das deflexões, tensões e
momentos.
 Disponível em versões separa-
das para motores de baixa
rotação (2 tempos) e motores de
média e alta rotação.


Nauticus Torsional Vibration
Análise da vibração torsional e identificação dos componentes críticos em sistemas
propulsivos simples diretos ou complexos com múltiplos motores.
 Calcula as frequências naturais
de vibração torsional.
 Calcula as respostas de ampli-
tude de deflexão angular, tor-
que e tensões às vibrações
livres e forçadas.
 Disponível em versões separa-
das para motores de baixa
rotação (2 tempos) e motores
de média e alta rotação.


Nauticus Shaft Fatigue
Análise da vida útil de fadiga da linha de eixos devido às tensões induzidas pela
vibração torsional para sistemas propulsivos e grupos geradores.
 Baseado na DNV CN 41.4.
 Suporte ao IACS UR M68.
 Calcula os limites inferiores,
superiores e transientes do
ciclo de fadiga para tensões de
vibração torsional
 Método simplificado ou deta-
lhado
 Contém biblioteca de fórmulas
empíricas para cálculo de
concentração de tensões.
 Suporte para clase Polar e
Báltico (DNV CN 51.1 e IACS
UR I3).


Tipos de Engrenagem

Engrenagens cilíndricas
Engrenagens cilíndricas
com dentes retos
planetrárias

Engrenagens cilíndricas Engrenagens cônicas
com dentes helicoidais


Tipos de Problemas Analisados
Força no dente / fratura na raiz do dente

Capacidade de carga
de deslizamento

Durabilidade superficial

Fadiga sub-superficial


Nauticus Gear Rating
Cálculo da carga admissível na engrenagem, limitada pelas tensões de contato e
deslizamento.
 Baseado na DNV Class Note
41.2 e normas ISO.
 Verificação de aceitação para
- Capacidade de carga deslizante
(scuffing)
- Resistência da raiz dos dentes
- Durabilidade da superfície
- Fadiga sub-superficial
 Suporte para clase Polar e
Báltico (DNV CN 51.1 e IACS
UR I3).


Nauticus Gear Faceload

 Calcula o fator de carga na face, KHb
 O fator de carga na face é a carga máxima dividida pela
carga média
 A ferramenta pode ser utilizada para projeto ou solução de
problemas


Nauticus Crankshaft Fatigue
Idealizada para fabricantes de motores, esta ferramenta permite o cálculo de fatores
de segurança para fadiga em partes críticas do eixo de manivelas.

 Baseado em DNV Class Note 41.3 e IACS UR M53.
 Resistência à fadiga no pino e mancal da manivela
 Resistência à fadiga em passagens de óleo
 Baseado nas forças de explosão e massas nos cilindros/pistões.


Nauticus Propeller Blade
Cálculo da fadiga nas pás de propulsores e impelidores.
 Baseado na DNV Class Note
41.5 e 51.1 e nas DNV Rules
PT 4, CH.5 Sec 1B e Pt.5
CH.1 Sec 2C.
 Estimativa do empuxo e pas-
so do propulsor.
 Propulsor aberto ou em tubu-
lão, passo fixo ou variável.
 Avaliação da fadiga para
todos os tipos de ciclos de
trabalho e cargas estáticas
extremas.


Nauticus Machinery : Fatos
 Disponível em versões de 32 e 64 bits.
 Usuários nos 5 continentes: Austrália, Ásia, América do Norte, América do Sul e Europa.
 Mais de 250 usuários externos em todo mundo.
 Aproximadamente 70 usuários internos da DNV.
 13 dos maiores estaleiros na China e Coréia usam o Nauticus Machinery para alinhamento de
eixos.
 Um bom número de fabricantes de componentes - propulsores, mancais, engrenagens -
também utilizam o Nauticus Machinery (80+).
 Os mais importantes fabricantes de motores marítimos utilizam o Nauticus Machinery
 Independente do fabricante do motor
‒ Uma única ferramenta suportando motores MAN e Wartsila, por exemplo.
‒ Dados de excitação harmônicos teóricos ou empíricos.
 Suporta todos os tipos de sistemas propulsivos
‒ Diesel
‒ Turbina a gás ou vapor
‒ Elétrico
‒ Mono ou multi-motorizado.


Nauticus Machinery : Suporte
 Desenvolvido e mantido por uma software house profissional (DNV Software), com 13 escritó-
rios e mais de 350 funcionários.
 Cursos de treinamento a partir da DNV Software ou DNV Technical Advisory.
 Downloads e updates pela Internet.
 Suporte por telefone, e-mail ou acesso remoto a partir da Noruega, China e Coréia.

DNV Maritime EXPERIÊNCIA EM AVARIAS DNV Software
RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS
PESQUISA E DESENVOLVIMENTO
MEDIÇÕES REAIS
Technical
Advisory
Desenvolvedores

Approval
Centers
CONHECIMENTO DAS NORMAS
DIVERSIDADE DE COMPONENTES
DIVERSIDADE DE SISTEMAS


Nauticus Machinery : Alguns Usuários

CPN
Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co Ltd

Chongqing Gearbox Co Ltd


Lista de Referência (Agosto 2012)


Dúvidas
www.dnv.com.br

Salvaguardando a vida, a propriedade e o meio ambiente

?
João Henrique Volpini Mattos
Engenheiro Naval
DNV Software
Regional Sales Manager - South America
 joao.volpini@dnv.com
 +55 21 3722 7337


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