PT1306301E - Dispositivo para contrabalançar os turbilhões de corrente produzidos no fluído envolvente na zona do cubo de hélices e/ou unidades de propulsão - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

"DISPOSITIVO PARA CONTRABALANÇAR OS TURBILHÕES DE CORRENTE PRODUZIDOS NO FLUÍDO ENVOLVENTE NA ZONA DO CUBO DE HÉLICES E/OU UNIDADES DE PROPULSÃO" A presente invenção refere-se a um dispositivo para contrabalançar os turbilhões de corrente produzidos no fluido envolvente na zona do cubo de hélices e/ou unidades de propulsão. Neste caso, trata-se de uma peça de transição (Hub Vortex Vane) rotacionalmente simétrica, entre um hélice e o fluido adjacente (substância incompressivel) na direcção do jacto, sobre o mesmo eixo de rotação que o hélice. Em função da respectiva realização do accionamento do hélice (instalação de veio, gôndola de motor, gôndola de mecanismo) e outros possíveis anexos (por exemplo, leme ou dispositivos de guiamento), o dispositivo pode estar concebido rotativo solidariamente com o hélice ou fixo. Os âmbitos de aplicação são prioritariamente possíveis na construção naval e aeronáutica.

Os hélices de propulsores de navios e de aeronaves formam turbilhões marginais de elevada energia nas extremidades do lado do cubo, bem como nas margens exteriores das pás de hélices. De modo diferente em relação aos turbilhões marginais exteriores das pás individuais de hélices, os turbilhões marginais interiores de todas as pás de hélices unem-se num único turbilhão de cubo, no fluído envolvente na direcção do jacto, atrás do hélice, sendo que o lugar geométrico do turbilhão de cubo coincide de modo bem definido com o eixo de rotação do 1 hélice. Neste caso, é insignificante para a formação do turbilhão de cubo, se atrás do próprio hélice se encontra ainda ou não um corpo hidrodinâmico. Hélices de elevada capacidade de carga com diâmetros do cubo relativamente grandes formam, na maioria dos casos, turbilhões de cubo mais fortes do que hélices de fraca capacidade de carga, com diâmetros do cubo relativamente pequenos. Nas publicações de patente US 4.212.586 [2], 1978, EP 255136 [3], 1987, EP 758606 [4], 1996, são apresentadas diversas variantes para a redução do componente de turbilhão de cubo. Na publicação [1] "An investigation into effective boss cap designs to eliminate propeller hub vortex cavitation" de Atlar, M; Patience, G. (Osterveld, M. W. C.; Tan, S. G. editors: Practical Design of Ships and Mobile Units, 1998, Elsevier Science B.V.), é dada uma vista geral pormenorizada acerca do estado da técnica. Em [2] é analisada uma variante da redução do turbilhão de cubo, na qual os gases de escape de um motor de combustão são conduzidos através do cubo e se pretende assim eliminar a zona de baixa pressão que se forma através do turbilhão de cubo. Em [3] são introduzidas aletas adicionais na corrente de descarga do cubo, em interacção com cada pá de hélice individual, as quais devem ter um efeito de redução do turbilhão de cubo.

Para a redução do ruído em navios de guerra, em especial no caso de submarinos, foi tentado até agora, no projecto de hélices, contrabalançar a formação destes turbilhões marginais, através de distribuições especiais do passo e da curvatura dos hélices. No entanto, isto só pôde ser conseguido com perdas nítidas de eficiência.

Enquanto que no caso dos métodos utilizados com frequência relativa para a redução das influências inconvenientes do 2 turbilhão de cubo, com base em [2], no sector dos barcos desportivos, apenas foram influenciadas as relações de pressão na zona envolvente do cubo de hélice, com esta forma de realização não pode resultar nem a própria força do turbilhão de cubo, nem uma redução do binário. Um outro inconveniente decisivo é a forte emissão de ruido adicional na zona do hélice e a manutenção da cavitação por turbilhão de cubo. Além disso, é posto em causa o impacto ambiental. No caso dos estabilizadores da tampa do cubo de acordo com [3] , encontram-se na tampa do cubo de hélice exactamente tantas aletas adicionais quantas as pás que o hélice tem e estão em interacção directa com estas. Estão (no essencial) situadas fora do raio limite considerado mais adiante (cf. fig. 1 a fig. 3, em [3]) e podem desenvolver o seu efeito ideal apenas numa zona (zona de carga) relativamente pequena do módulo do hélice, uma vez que as posições dos turbilhões marginais interiores dos hélices individuais se alteram em função do módulo do hélice. Apesar do seu efeito redutor do turbilhão, podem surgir ainda fenómenos parasitários de cavitação, em especial com cargas mais elevadas, com o seu efeito inconveniente na propagação do ruido.

Em [4], os estabilizadores de guia para a redução do turbilhão de cubo estão já colocados dentro do raio limite explicado mais adiante, após concentração dos turbilhões marginais num único turbilhão de cubo homogéneo e resultam, no seu número na maioria das vezes maior do que o número de aletas de hélice, num efeito de aumento da eficiência, mas podem ainda não suprimir completamente os fenómenos parasitários de cavitação, com o seu efeito inconveniente na propagação do ruido.

Cabe à invenção o objectivo de desenvolver uma solução para uma redução nitida das perdas de energia através da formação do 3 turbilhão de cubo, para uma redução do ruído através de fenómenos flutuantes, na zona do turbilhão de cubo, na corrente descendente do hélice e, em especial, para a redução do ruído dos fenómenos de cavitação causados pelo turbilhão de cubo (cavitação por turbilhão de cubo).

De acordo com a invenção, este objectivo é resolvido através das características da reivindicação 1. Algumas concepções vantajosas da invenção estão contidas nas correspondentes reivindicações 2 e 3. A invenção parte de um dispositivo para contrabalançar os turbilhões de corrente produzidos no fluído envolvente na zona do cubo de hélices e/ou unidades de propulsão, dispositivo que apresenta pelo menos uma palheta, sendo que a curvatura da palheta é inversa da curvatura do hélice. A palheta prolonga-se, de acordo com a invenção, desde uma peça de transição de forma cónica, passando por uma peça cilíndrica do cubo, até à peça de fecho divergente, de novo de forma cónica, sendo que o fecho exterior da palheta é realizado por um invólucro de forma cilíndrica, que representa de 10 a 50% do comprimento da superfície da palheta. De acordo com uma característica preferida, várias palhetas estão repartidas regularmente, de acordo com uma disposição tangencial, sobre a periferia do dispositivo. De acordo com uma característica especialmente preferida, as palhetas, no seu prolongamento radial, começam no eixo de rotação do hélice e não ultrapassam um raio (RG) limite, no interior do qual a componente (VT) tangencial da velocidade (Vw) da corrente turbilhonária é superior à velocidade (V0) periférica originada pela rotação dos hélices. 4

Cabe à invenção o reconhecimento de que, através de correspondente configuração ou conformação do dispositivo, pode ser contrabalançada a formação de turbilhões através do hélice na zona envolvente do cubo, por serem alteradas de forma orientada as relações de pressão nesta zona envolvente, através da configuração do dispositivo.

Uma vez que o lugar geométrico do turbilhão de cubo (turbilhão marginal interior), em oposição ao turbilhão de ponta (turbilhão marginal exterior) é bem conhecido (eixo de rotação do hélice) e independente do número de rotações do hélice e da velocidade do navio, através de medidas secundárias apenas pode ser contrabalançada a formação do turbilhão de cubo.

Através da configuração do dispositivo de acordo com a invenção, pode ser recuperada energia dos turbilhões, pelo menos na zona do cubo e retardada o mais possivel a formação de cavitação, com o que a eficiência da propulsão de um navio pode ser melhorada de forma notável e a autonomia de localização de um navio de guerra pode ser reduzida consideravelmente.

As vantagens da invenção residem na combinação, realizada pela primeira vez de acordo com a invenção, de um efeito que eleva nitidamente a eficiência e de uma inibição o mais ampla possivel de quaisquer fenómenos de cavitação (com o seu efeito inconveniente na propagação do ruido). Séries experimentais mostraram o maior ganho de eficiência para o dispositivo de acordo com a invenção, em comparação com outros tipos de estabilizadores de tampa de cubo. Um ganho adicional resulta para o projecto de hélice para dimensionamentos isentos de cavitação, porque já não têm de ser tomadas quaisquer medidas 5 redutoras da eficiência para a inibição de cavitação por turbilhão de cubo. Ou seja, o hélice em projecto tem já por si só uma eficiência mais elevada, que é aumentada ainda através da recuperação de energia com o HW, a partir das perdas por turbilhão de cubo. A invenção deve em seguida ser explicada em pormenor, com base num exemplo de realização. Nos desenhos mostram a

Fig. 1: formação de turbilhão atrás de um hélice, ao longo de um Hub Vortex Vane (designado em seguida por HW) ,

Fig. 2: uma aplicação 6 de um HW, como substituto para uma descarga de cubo normal, na qual o HW roda solidariamente com o hélice,

Fig. 3: um HW 6 está fixado à pá 7 do leme de um navio,

Fig. 4: o HW está montado de modo fixo na extremidade de uma gôndola de motor/gôndola separada/caixa 8 de mecanismo de propulsão,

Fig. 5: representação esquemática de uma possível realização de um Hub Vortex Vane, Fig. 6: representação esquemática do componente de "corrente descendente" da distribuição da velocidade na proximidade das pás de hélice, para as relações entre raios de 0,1, como desenvolvimentos do cilindro, 6

Fig. 7: representação esquemática do componente de "corrente descendente" da distribuição da velocidade na proximidade das pás de hélice, para as relações entre raios de 0,15, como desenvolvimentos do cilindro,

Fig. 8: representação da dependência do grau de eficácia da propulsão do número de Reynolds.

De acordo com uma configuração simples, em termos de técnica de fabrico, do dispositivo de acordo com a invenção, o Hub Vortex Vane contém pelo menos uma palheta 12, que, no funcionamento, providencia uma redução da força do turbilhão de cubo e da cavitação por turbilhão de cubo que lhe está ligada. Um HW pode ser reequipado em qualquer altura, para isso não têm de ser substituídos quaisquer outros componentes, antes podem ser mantidos inalterados todos os restantes componentes do sistema de propulsão.

De um modo preferido, estão previstas várias palhetas 12, distribuídas regularmente sobre a periferia do HW, as quais estão situadas numa orientação aproximadamente tangencial. O número das palhetas é independente do número das aletas do hélice e o diâmetro exterior do HW está limitado a aproximadamente 0,16 do diâmetro do hélice (no caso do HW com rotação solidária) . A limitação interior das palhetas é formada por um corpo de revolução, com a forma de acordo com os números de referência 9, 10, 11 e a limitação exterior por um anel com a forma 13. As limitações especiais interiores e exteriores servem para uma considerável supressão de possíveis fenómenos secundários de cavitação, na extremidade interior e exterior da(s) palheta(s). 7

Através de orientações opostas da forte curvatura das palhetas do cubo e da curvatura das aletas do hélice, é possível deflectir na direcção do jacto as elevadas velocidades tangenciais na proximidade do cubo, de modo que é produzido um impulso lateral adicional. 0 binário que surge neste caso através da deflexão é nivelado com o binário motor que acciona o hélice, o que equivale a uma economia de potência. Além disso, a eliminação completa do turbilhão de cubo conduz a uma redução da propagação do ruído. 0 HW de acordo com a invenção pode ser utilizado quer com hélices helicoidais, que funcionam como hélices de impulsão, quer também com hélices de tracção.

Especialmente adequada é a utilização em hélices para graus de carga de impulso lateral mais elevados, por exemplo, em hélices que produzem um impulso lateral elevado em superfícies comparativamente reduzidas e, neste caso, causam necessariamente uma formação reforçada de turbilhão de cubo. Neste caso, o potencial de melhoramento que pode ser conseguido é correspondentemente grande. As figs. 2 a 4 apresentam diferentes possibilidades de aplicação do HW. 0 hélice helicoidal de acordo com a fig. 2, que funciona como hélice 1 de impulsão com cubo 2 de hélice, tem um HW 6 que roda solidariamente, que está situado atrás do hélice 1, na direcção do jacto. 0 turbilhão que se forma atrás do hélice 1, ao longo do HW 6, é constituído, em primeiro lugar, por vários turbilhões das diversas aletas, que confluem depois muito rapidamente num único turbilhão, que deixa atrás de si o seu rasto, numa área estreitamente limitada ao longo do eixo de rotação do hélice. Este comportamento está representado na fig. 1. A direcção de rotação deste turbilhão coincide, neste caso, com a direcção de rotação do hélice e as velocidades tangenciais do turbilhão atingem o máximo no interior (no centro do turbilhão, de acordo com a teoria do potencial, infinitamente grandes) e decrescem para o exterior.

Devido ao incremento das velocidades tangenciais (VT) do fluido na direcção do centro do turbilhão (no caso do turbilhão de cubo, idênticas ao do eixo de rotação do hélice) , de acordo com uma lei puramente teórica do potencial VT = Γβ

Vt = - (ΓΒ força do turbilhão de cubo) 2 · π · r ou, tendo em consideração influências condicionadas pela viscosidade (turbilhão de Oseen), de modo aproximativo, com um valor adequado para a origem do turbilhão t,

Vt = Γβ 2 · π · r surgem dentro de um raio limite I Tb

Rg = J--(-0,16 Rp com Rp = 1/2 Dp raio do hélice) V 2 · π · n

As velocidades tangenciais VT são nitidamente mais elevadas que a velocidade periférica Vu de um ponto que roda com o número n de rotações do hélice, à distância r do eixo de rotação. Até ao raio limite RG é possível uma recuperação de energia, com um HW de rotação solidária. Para um HW montado fixo (cf. fig. 3 e fig. 4) não existe este raio limite.

As palhetas 12 do HW prolongam-se, por esta razão, desde o eixo do hélice até, no máximo, ao raio limite RG, para aproveitar de modo ideal o efeito das palhetas. A curvatura das superfícies das palhetas é oposta à das superfícies do hélice. Desta 9 maneira, as correntes turbilhonárias são deflectidas na direcção do jacto, sendo produzido um impulso lateral adicional. No exemplo de realização representado, são mostradas oito palhetas (fig. 5) repartidas pela periferia do HW, que se prolongam desde o cubo de hélice, pos. 2, na extremidade 9 oposta da fig. 1, até à extremidade do HW, em 11 da fig. 5.

Especialmente vantajoso em comparação com soluções conhecidas, relativamente à inibição de turbilhões de cubo é o fecho interior e exterior das superfícies das palhetas. A fixação interior das superfícies das palhetas realiza-se com uma peça 9 de transição, de forma cónica, desde a extremidade 2 do cubo de hélice do lado da impulsão, passando pela peça 10 cilíndrica do cubo o HW até à peça 11 de fecho do cubo do HW, que diverge novamente para a forma cónica. O fecho exterior das superfícies das palhetas do HW realiza-se por um invólucro 13 de forma cilíndrica, com 10 a 50% do comprimento das superfícies das palhetas. O aproveitamento hidrodinâmico da distribuição do cubo do HW sobre as três secções 9 a 11 consiste na concentração dos componentes individuais (do lado do cubo) do turbilhão marginal das aletas do hélice num único turbilhão de cubo concentrado, na deflexão dos componentes da velocidade tangencial, na totalidade da zona das palhetas 12 e no "desfazer" de um possível componente residual de turbilhão, na zona da peça 11 de fecho cónica divergente. O diâmetro da peça 10 intermédia cilíndrica deveria coincidir com o diâmetro do núcleo do turbilhão (origem do turbilhão) condicionado pela viscosidade. O aproveitamento hidrodinâmico da superfície do invólucro 13 cilíndrico em torno das palhetas consiste numa inibição de possíveis fenómenos parasitas de cavitação, na extremidade exterior das palhetas. 10

Para a representação da derivação da forma das superfícies das palhetas, servem as figuras 6 e 7. Está representado o componente 14 de "corrente descendente" da distribuição da velocidade na proximidade das pás 1 de hélice, que é a causa essencial para a realização das velocidades tangenciais atrás do hélice. Através do incremento, em geral existente, do ângulo de passo das pás de hélice em relação ao eixo de rotação e através do incremento das velocidades tangenciais, condicionado pelo turbilhão, as curvaturas das palhetas 12 devem ser alteradas em função do raio, de modo que as linhas de corrente sejam deflectidas o mais possível na direcção 15 do jacto. Na fig. 6 e na fig. 7, estas relações estão representadas para diferentes relações entre raios como desenvolvimentos do cilindro, para as relações entre raios 0,10 e 0,15.

Algumas possibilidades de utilização e formas de configuração dos HW são mostradas nas figs. 2 a 4. Para disposições de hélice de impulsão, em ligação com instalações de veio normais ou em gôndolas de mecanismo ou em gôndolas separadas ou noutras gôndolas de motor, é vantajosa a forma de realização rotativa solidariamente, correspondente à fig. 2. Para disposições de hélices nas quais se seguem atrás do hélice anexos, como, por exemplo, uma pá de leme, é hidrodinamicamente vantajosa uma forma de realização fixa, como esboçada na fig. 3. Para disposições de hélices de tracção em gôndolas de mecanismo, gôndolas separadas ou gôndolas de motor, é vantajosa uma forma de realização fixa na extremidade da gôndola, correspondente à fig. 4. A utilização de HW concebidos especialmente é importante, em especial em hélices para graus mais elevados de carga de 11 impulso lateral. Hélices deste género produzem um elevado impulso lateral, com superfícies comparativamente reduzidas e, por conseguinte, turbilhões de cubo necessariamente reforçados. Em virtude da elevada perda, com a utilização de um HW concebido de acordo com a invenção pode ser conseguido um elevado melhoramento.

Para uma disposição de hélice de impulsão de acordo com a figura 2, está representado na figura 8 o aproveitamento que pode ser conseguido por meio de um HW ("HW") , com base em medições. Em comparação com um fecho normal de cubo ("Normal"), utilizado frequentemente através de uma simples tampa de cubo cónica, eleva-se nitidamente o ganho de eficiência com o número de Reynolds. A cavitação por turbilhão de cubo pôde ser eliminada completamente com a utilização. Se forem utilizados para a eliminação da cavitação por turbilhão de cubo, como habitualmente, tampas de descarga de cubo divergentes ("Divergente"), aumenta ainda nitidamente o ganho de eficiência, em caso de utilização do HW.

Lista dos números de referência utilizados 1. Hélice, propulsor de navio, propulsor de aeronave 2. Cubo de hélice 3. Veio de accionamento do hélice 4 . Tampa de descarga 5. Turbilhão de cubo 6. Hub Vortex Vane (HW) 7 . Pá de leme 12 8. Caixa de mecanismo de um accionamento que pode ter comando centralizado, gôndola de motor, gôndola separada com motor

9. Peça de transição hélice - HW

10. Peça intermédia cilíndrica do cubo do HW

11. Peça de fecho cónica do cubo do HW

12. Palhetas, estabilizadores do HW

13. Invólucro cilíndrico do HW 14. "Corrente descendente" do hélice numa aleta 15. Direcção axial do jacto

Lisboa, 12 de Fevereiro de 2007 13

Claims (3)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo para contrabalançar os turbilhões de corrente produzidos no fluido envolvente na zona do cubo de hélices e/ou unidades de propulsão, que apresenta pelo menos uma palheta, sendo que a curvatura da palheta é inversa da curvatura do hélice, caracterizado por a palheta (12) se prolongar desde uma peça (9) de transição de forma cónica, passando por uma peça (10) cilíndrica do cubo, até à peça (11) de fecho divergente, de novo de forma cónica, sendo que o fecho exterior da palheta (12) é realizado por um invólucro (13) de forma cilíndrica, que representa de 10 a 50% do comprimento da superfície da palheta.
2. 2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por várias palhetas (12) estarem repartidas regularmente, de acordo com uma disposição tangencial, sobre a periferia do dispositivo.
3. 3. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por as palhetas, no seu prolongamento radial, começarem no eixo de rotação do hélice e não ultrapassarem um raio (RG) limite, no interior do qual a componente (VT) tangencial da velocidade (Vw) da corrente turbilhonária é superior à velocidade (Vu) periférica originada pela rotação dos hélices. Lisboa, 12 de Fevereiro de 2007 1