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

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18566 (2022) Citar este artigo

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Hoje, as hélices de perfuração de superfície são reconhecidas como uma escolha adequada para velocidades mais altas. No entanto, o desenvolvimento de algoritmos de design para tal foi desafiado pelo conhecimento insuficiente sobre os parâmetros que afetam seu desempenho. Por esta razão, desenvolver dados experimentais e estudar a influência de vários parâmetros em 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 teste do modelo de uma hélice projetada sob encomenda. Além disso, foi estudado o desenvolvimento da esteira de ventilação em diferentes números de Froude. Os resultados experimentais apontaram para o impacto favorável do aumento da taxa 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 leve aumento do empuxo com maiores ângulos de guinada 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, 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 acionamento de superfície e hélices de perfuração de superfície (SPPs) foi iniciada pela primeira vez para propulsão de barcos de calado raso1, pois o processo de aumento de velocidade em hélices convencionais resulta em dois fatores prejudiciais no desempenho da hélice: (1) cavitação, que é amplamente adverso, e como não pode ser ignorado em altas velocidades, o fenômeno de supercavitação na superfície de sucção da pá é considerado. Esta solução evitou o impacto negativo das microbolhas, mas ao mesmo tempo diminuiu a eficiência da hélice ao limitar a pressão atrás da pá à pressão do vapor de cavitação; e (2) em altas velocidades, a força de arrasto hidrodinâmica é aumentada na estrutura protetora da hélice e no eixo, o que diminui a eficiência do sistema. Para resolver esses problemas, os projetistas de lanchas de alta velocidade mudaram 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. Nesse sistema de propulsão, uma parte da hélice é o único componente a entrar em contato com a água, o que reduz drasticamente a resistência das partes do sistema2. Desta forma, a velocidade final e a eficiência aumentam ao mesmo tempo em que diminui o consumo de combustível. Outras vantagens do uso de hélices de perfuração 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 elevação e a força lateral, resultando em melhor manobrabilidade.

Apesar das vantagens mencionadas de tais sistemas de propulsão, os pesquisadores foram impedidos pela física complicada e pelo fluxo multifásico em torno das hélices em obter uma compreensão completa do impacto de diferentes parâmetros em seu desempenho e, assim, desenvolver um método padrão (semelhante aos desenvolvido para hélices convencionais) para projetar suas geometrias para o desempenho pretendido. Esse conhecimento insuficiente resultaria em custos adicionais. As informações publicadas sobre hélices de perfuração de superfície incluem apenas geometrias limitadas e as informações não são totalmente acessíveis devido ao campo de aplicação limitado. Qualquer esforço para projetar tais hélices envolveu um processo de tentativa e erro ou seguiu os estudos experimentais conduzidos até agora3.