PT1847455E - Unidade de propulsão e direcção para um navio de superfície - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "UNIDADE DE PROPULSÃO E DIRECÇÃO PARA UM NAVIO DE SUPERFÍCIE" A presente invenção refere-se a uma unidade de propulsão e direcção para um navio de superfície e refere-se praticamente, embora não exclusivamente, a uma unidade de propulsão e direcção do tipo que compreende uma nacela de azimute tendo um veio de hélice que pode rodar em torno de um primeiro eixo com um hélice no exterior à frente da nacela, a nacela podendo rodar em torno de um segundo eixo que não é paralelo ao primeiro eixo.

Antecedentes da Invenção A presente invenção refere-se uma unidade de propulsão e direcção na forma de uma nova mecânica a funcionar em tracção para navios de superfície, conhecida como impulsor de azimute. Uma unidade de propulsão a funcionar em tracção significa que o hélice do azimute foi posicionado no sentido da propulsão de um navio e, consequentemente, deve ser considerado como a puxar, em ligação com a situação em que o hélice foi orientado no sentido oposto ao sentido da propulsão. Nesta última situação é utilizada a designação impulsor "a empurrar".

Verificou-se que há várias vantagens em orientar o impulsor de azimute como tractor, mas uma das desvantagens é que as exigências de binário do motor de direcção aumentarão 1 consideravelmente em comparação com impulsores a empurrar. A implicação disto é que a parte da unidade que está no interior do navio terá que ser fisicamente maior, o que pode, igualmente, ter uma influência negativa nos custos.

O documento DE (fig. 4) divulga reivindicação 1. 3307398 da técnica anterior mais próxima as características do preâmbulo da

Consequentemente, um aspecto da presente invenção é proporcionar uma unidade de propulsão e direcção que reduza as exigências de binário do motor de direcção de modo a torná-las mínimas.

Divulgação da Invenção

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é proporcionada uma unidade de propulsão e direcção para um navio de superfície, compreendendo um invólucro de nacela tendo extremidades da frente e da retaguarda, um hélice e veio de hélice, o hélice estando disposto no exterior na frente da nacela e podendo rodar sobre um eixo longitudinal de um veio de hélice, o veio de hélice estando ligado de forma motriz a meios de movimentação, a unidade compreendendo meios de direcção que rodam a unidade em torno de um eixo substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal do hélice, os meios de movimentação compreendendo um pinhão de ataque e uma roda mandada, a posição do pinhão de ataque na roda mandada sendo tal que, em utilização, o sentido de rotação do pinhão de ataque produz um binário que actua contra um binário hidrodinâmico 2 máximo gerado por uma rotação do hélice e uma rotaçao da unidade pelos meios de direcção. A localização do pinhão de ataque na roda mandada é, de um modo preferido, tal que, em utilização, o sentido de rotação do pinhão de ataque produz um binário que actua com um binário hidrodinâmico mínimo gerado por uma rotação da unidade pelos meios de direcção.

De um modo preferido, o eixo de rotação do pinhão de ataque está localizado à frente da roda mandada. 0 eixo de rotação do pinhão de ataque é, de um modo preferido, substancialmente perpendicular ao eixo de rotação do hélice. A unidade de propulsão e direcção compreende, de um modo preferido, um elemento estabilizador que se estende a partir de uma região posterior do invólucro da nacela.

Deverá apreciar-se que a presente invenção pode incluir um impulsor compreendendo hélices com pás de passo fixo ou, de um modo alternativo, hélices de passo controlável. 0 número de pás nos hélices pode, igualmente, variar e o hélice pode ser um hélice de seis pás.

Descrição Breve dos Desenhos

Serão agora descritas formas de realização específicas da invenção e suas variantes, apenas a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais: 3 A Figura 1 é uma vista em planta de parte de uma unidade de propulsão e direcção mostrando a disposição de um pinhão de ataque e uma roda mandada; A Figura 2 é uma vista em planta da unidade de propulsão e direcção mostrada na Figura 1 e mostra as forças e velocidades experimentadas pela unidade; A Figura 3a é uma vista em planta da unidade de propulsão e direcção mostrada na Figura 1 quando rodada para bombordo e mostra as forças e as velocidades experimentadas pela unidade; A Figura 3b é uma vista em planta da unidade de propulsão e direcção mostrada na Figura 1 quando rodada para estibordo e mostra as forças e velocidades experimentadas pela unidade; A Figura 4 é um gráfico dos resultados do teste, onde o binário de direcção hidrodinâmico induzido é comparado, para uma unidade de direcção com e sem um estabilizador, e mostra o binário (KMZ) não dimensional de direcção, traçado em comparação com o número (JA) de avanço, que é, igualmente, não dimensional; e A Figura 5 é um gráfico onde os resultados do teste do modelo são convertidos para uma aplicação à escala real e o binário hidrodinâmico de direcção para um caso de exemplo à escala real, assim como o binário total do motor (incluindo binário do pinhão) é traçado em comparação com o ângulo de rotação do azimute; 4 A Figura 6 é uma vista lateral da unidade de propulsão e direcção; A Figura 7 é uma vista em planta de uma unidade de propulsão e direcção rodando para a direita e mostra a actuação das forças induzidas pela configuração da esteira; A Figura 8 é uma vista em planta de uma unidade de propulsão e direcção rodando para a esquerda e mostra a actuação das forças induzidas pela configuração da esteira, quando a unidade é orientada na direcção oposta, como mostrado na Figura 7; e A Figura 9 é uma vista em planta de uma unidade de propulsão e direcção rodando para a esquerda e mostra a actuação das forças induzidas pela configuração da esteira, quando a unidade é orientada na mesma direcção que é mostrada na Figura 7.

Com referência à Figura 1, é mostrada parte de uma unidade de propulsão e direcção para um navio de superfície. A unidade de propulsão e direcção tem a forma de um impulsor 1 de azimute, compreendendo um hélice 2 fixo a uma extremidade de um veio 4 de hélice, o qual pode rodar em torno de um eixo 6 longitudinal. Fixa à outra extremidade do veio 4 do hélice existe uma engrenagem de roda 8 de coroa angular. A roda 8 de coroa está acoplada a uma engrenagem 10 de pinhão de ataque e, nesta forma de realização particular, a roda 8 de coroa é movida num sentido 7 pela engrenagem 10 de pinhão de ataque. A engrenagem 10 de pinhão de ataque está montada num veio 12 motriz vertical, que está ligado a meios de movimentação (não mostrados) do navio. Um eixo 18 longitudinal do veio 12 motriz vertical, em torno do 5 qual roda o pinhão 8 motriz, é substancialmente perpendicular ao eixo 6 longitudinal do veio 4 do hélice em torno do qual o hélice 2 roda.

No topo do impulsor 1 de azimute está posicionado um motor de direcção (não mostrado) , que roda o impulsor de modo a que o vector força de tracção possa ser orientado numa direcção escolhida de 0-360 graus ou um múltiplo de 360 graus, em ambos os sentidos. Normalmente, um motor de direcção consiste em motores hidráulicos ou eléctricos que estão ligados a uma engrenagem em coroa ligada a uma haste vertical no impulsor. Se o impulsor 1 for rodado em águas paradas com o hélice desligado, este será rodado facilmente com um minimo de binário, independentemente da direcção. Porém, se o navio estiver em movimento, então, devido às forças do hélice e às caracteristicas dinâmicas da esteira haverá um binário resistente variável que varia com a velocidade de rotação e a velocidade do navio. Se a resistência for maior do que o binário que o motor de direcção é capaz de disponibilizar, o impulsor rodará contra o binário de pressão do motor de direcção. A razão para isto é a contribuição hidráulica (ou induzida pelo fluxo) e o binário obtido no veio 12 motriz vertical devido à rotação do veio 12 motriz vertical.

Em primeiro lugar devem considerar-se os componentes do binário que são mecânicos. A Figura 1 mostra uma linha de propulsão típica para o impulsor 1 de azimute. A engrenagem 10 de pinhão de ataque orientado verticalmente está ligado a um meio de movimentação e, nesta situação, o sentido 14 de rotação da engrenagem 10 de pinhão de ataque é o sentido horário, como visto na vista em planta. Além disso, o ponto de acoplamento da engrenagem 10 de pinhão de ataque estará na parte superior da 6 roda 8 de coroa, o que confere um sentido 16 de rotação do hélice 2 que é anti-horário (como visto na vista em planta na Figura 1) . De um modo alternativo, o ponto de acoplamento da engrenagem 10 de pinhão de ataque pode estar na parte inferior da roda 8 de coroa. O eixo 18 longitudinal de rotação da engrenagem 10 de pinhão de ataque está localizado à frente da roda 8 de coroa.

Como a engrenagem 10 de pinhão de ataque está a rodar com uma dada velocidade de rotação e num sentido 14 como mostrado na Figura 1, então o impulsor 1 será rodado no mesmo sentido 15 que o sentido 14 da engrenagem 10 de pinhão de ataque devido às forças de fricção; este "binário do pinhão" deve ser absorvido pelo sistema do motor de direcção do impulsor 1.

Devido à rotação do hélice 2 existe, igualmente, um momento de binário que, como no eixo 18 de rotação da engrenagem 10 de pinhão de ataque, geralmente conhecido do especialista na técnica como um binário giroscópico. Devido ao momento de inércia e à velocidade angular, o impulsor 1 rodará no mesmo sentido 14 de rotação da engrenagem 10 de pinhão de ataque. Deste modo, será evidente que a direcção do binário para uma linha propulsora como aqui descrito é igual à que foi discutida acima relativamente ao binário do pinhão. O binário giroscópico é relativamente pequeno relativamente ao binário que tem que ser absorvido no motor de direcção do impulsor 1.

Segue-se uma discussão dos binários hidrodinâmicos induzidos que actuam no plano horizontal e que têm importância para as dimensões e a direcção das caracteristicas do impulsor 1. Para uma compreensão do principio disto é necessário, em primeiro lugar, observar as forças que serão induzidas para um 7 impulsor 1 em tracção, dadas pela combinação da velocidade da esteira das hélices e da velocidade do fluxo livre.

Na Figura 2 é mostrado o impulsor 1 de azimute incluindo um invólucro 30 exterior que está posicionado sob navio. O invólucro 30 exterior contém o veio 4 do hélice, a roda 8 de coroa e a engrenagem 10 de pinhão de ataque. O hélice 2 está disposto no exterior de uma extremidade do invólucro 30. A Figura 2 mostra o impulsor 1 posicionado com um ângulo de viragem de zero graus relativamente ao fluxo 40 livre. Devido à rotação do hélice 2 no sentido 19 (nesta situação, no sentido horário em torno do eixo 6), este causará uma rotação da esteira do hélice 2. Consequentemente, a orientação relativamente ao fluxo da caixa de engrenagens superior proporcionará um ângulo de ataque relativamente ao eixo 6 do eixo central. As velocidades mostradas pela seta 20 tracejada darão uma força de impulsão com uma componente paralela ao eixo transversal da secção; estas forças são mostradas pela seta 24 continua.

Numa forma de realização da presente invenção, o impulsor 1 compreende um estabilizador 32 que se estende para baixo a partir da região inferior posterior do invólucro 30. Os vectores velocidade correspondentes mostrados pela seta 22 tracejada darão uma força de impulsão com uma componente paralela ao eixo transversal da secção, estas forças são mostradas pela seta 26 continua, ocorrerão com um estabilizador 32 na extremidade posterior no lado inferior do impulsor 1, mas com outra direcção das respectivas setas 20, 24, como um vector resultante de esteira sob o plano horizontal do centro do hélice, terão uma outra orientação que não acima do plano. A componente do lado da força que actua no hélice depende do sentido de rotação e do número de avanço e a sua magnitude é relativamente pequena no ângulo de viragem neutro, como mostrado na Figura 2

As Figuras 3a e 3b mostram as forças e o binário no impulsor 1 ao virar para bombordo (Figura 3a) e estibordo (Figura 3b).

As Figuras 3a e 3b mostram a uma situação em que o impulsor 1 é movido para estibordo e para bombordo relativamente ao fluxo 40 livre. Ao virar para bombordo relativamente à direcção da esteira 40 proporcionará um ângulo de ataque com o corpo superior do fluxo indicado por uma seta 42 tracejada o que, nesse lado, resultará na componente da força indicada por uma seta 44 continua. O mesmo ocorrerá com o estabilizador 32, mas o fluxo da esteira modificará a direcção das componentes transversais da velocidade sob o hélice devido à rotação do hélice. A direcção da componente da força sobre o estabilizador 32 modificar-se-á em conformidade, de tal modo que estará na direcção oposta (transversalmente oposta) à parte hidrodinâmica acima do veio do hélice. Ao virar para estibordo (Fiqura 3b) relativamente ao fluxo 40 livre, a força representada no corpo superior do fluxo será substancialmente igual à força representada na outra situação, mas existirá a força 52 do hélice que se modificará em direcção e magnitude. Esta modificação é devida ao facto de o ângulo de ataque efectivo aumentar no sentido horário. Isto, além do facto de o ponto de ataque da força ser bastante grande, fará com que o binário mude de sentido. Virando para estibordo relativamente à direcção 40 da esteira, proporcionará um ângulo de ataque com o corpo do fluxo superior indicado por uma seta 53 tracejada, o que, nesse lado, resultará na componente da força indicada por uma seta 56 continua. 9

Na Figura 4 são mostrados os resultados dos testes modelo com um impulsor de acordo com a presente invenção, onde o binário de direcção hidrodinâmico é apresentado como uma função do número (JA) do coeficiente de avanço onde:

A MD VA = Velocidade de avanço do hélice (metros por segundo) N = Velocidade de rotação do hélice (rotações por segundo) D = Diâmetro do hélice (metros)

Em aspectos práticos isto pode ser considerado como proporcional à velocidade do hélice através da água quando as rotações são mantidas constantes para um dado diâmetro do hélice. Estes são medidos rodando, para estibordo ou bombordo, 15 e 35 graus, com ou sem um estabilizador. Duas tendências substanciais podem ser observadas a partir destas medições: pode ver-se que existem diferenças substanciais no binário não dimensional medido do motor de direcção (KMZ, que é não dimensional e corresponde à referência 50 na Figura 3) conforme a direcção para onde é virado. Os valores 60 para a viragem a bombordo são substancialmente mais elevados do que os valores 70 para a viragem a estibordo, para 15 graus e para 35 graus, e isto é, portanto, consistente com a dedução acima. Além disso verifica-se, igualmente, que se regista uma grande redução nos valores 62, 72 que é obtida quando o impulsor é movimentado com um estabilizador 32 em comparação com os valores 64, 74 obtidos sem um estabilizador 32. 10

No seguimento da descrição acima o especialista apreciará que o sentido de rotação da engrenagem 10 de pinhão de ataque será de grande importância para a magnitude do binário total do motor de direcção e, consequentemente, de igual modo, para as magnitudes das forças e binários que têm que ser a base para a escolha do motor de direcção. Para conseguir isto, é necessário seleccionar o sentido de rotação da engrenagem 10 de pinhão de ataque de modo que actue contra o binário hidrodinâmico, rodando no sentido em que o binário hidrodinâmico é máximo e seleccionando o sentido de rotação da engrenagem 10 de pinhão de ataque de modo a que actue a favor do binário hidrodinâmico, rodando no sentido em que o binário hidrodinâmico é mínimo.

Este princípio é ilustrado na Figura 5, que mostra resultados mais adicionais do caso em que os resultados de testes modelo não dimensionais do momento hidrodinâmico de direcção, com e sem o estabilizador, extrapolados para a escala real e onde a versão com o estabilizador é combinada com o binário do pinhão de acordo com a presente invenção.

Com referência à Figura 5, a linha 80 tracejada mostra o binário hidrodinâmico do motor de direcção para o impulsor 1 sem um estabilizador 32 (MHz, sem estabilizador). Comparando isto com a linha 81 tracejada que mostra o binário hidrodinâmico do motor de direcção para a situação do impulsor 1 com um estabilizador 32 (MHz com estabilizador). Os resultados mostram claramente que existe uma diferença substancial entre os valores 80 e 81 do binário, especialmente para valores superiores a 15 graus para rodar em ambos os sentidos. Para deflexões positivas do leme (deflexões a bombordo) há um binário de, aproximadamente, 100 kNm, ao passo que para as deflexões negativas (viragem a estibordo) há um binário de mais de 40 kNm. 11

Isto é uma expressão para a assimetria que é discutida acima. Além disso, existe, igualmente, uma diferença significativa para o binário do motor de direcção para o impulsor 1, com e sem o estabilizador 32, especialmente para ângulos de viragem acima de 15 graus. Para ângulos de viragem de ± 15 graus (que é o intervalo mais utilizado para a viragem normal), há uma redução de 40-50% do binário requerido do motor de direcção, a favor dos impulsores com um estabilizador.

Quando a dimensão do motor de direcção é seleccionado, é naturalmente necessário levar em consideração os maiores binários que podem ocorrer e no caso da escala real (ver Figura 5) a contribuição hidrodinâmica máxima é, aproximadamente, 100 kNm. É neste contexto que o sentido de rotação do eixo 12 da engrenagem 10 de pinhão de ataque se torna importante. Com referência à Figura 3, o sentido de rotação é seleccionado de modo a que o binário do pinhão actue contra o binário hidrodinâmico no ponto em que o binário hidrodinâmico é máximo (deflexão para bombordo) , e o sentido de rotação é seleccionado de modo a que o binário do pinhão actue a favor do binário hidrodinâmico no ponto em que o binário hidrodinâmico é mínimo (deflexão para estibordo) . Isto é ilustrado pela curva 82 na

Figura 5, que mostra que o máximo absoluto para o binário do motor de direcção é reduzido em 20 kNm, aproximadamente, para 80 kNm, aproximadamente. Consequentemente, o binário de dimensionamento de 80 kNm, o qual implica um motor de direcção menor com claras vantagens relativamente à disposição e custos.

Com referência às Figuras 6 a 9, é proporcionado um esclarecimento adicional relativamente à razão pela qual o 12 binário de direcção induzido pelo fluxo é assimétrico relativamente a uma rotação do azimute para estibordo e a uma rotação do azimute para bombordo. As mesmas configurações da esteira e forças induzidas actuarão num hélice a rodar para a esquerda (LH, ver Figura 8) e um hélice a rodar para a direita (RH, ver Figura 7) que se move para o mesmo ângulo de azimute mas para o lado oposto. 0 hélice rodando para a esquerda (ver Figura 9) quando movido para estibordo gerará uma configuração de esteira diferente em comparação com o mesmo ângulo de azimute movido para bombordo. Deste modo, o momento da direcção em função do ângulo de azimute será assimétrico relativamente aos movimentos de azimute para estibordo e para bombordo. Com o hélice rodando para a esquerda movendo-se para estibordo, o estabilizador desaparece progressivamente da esteira para ângulos de azimute mais reduzidos, em comparação com os mesmos movimentos para bombordo. Consequentemente, a força oposta no estabilizador 32 devido ao fluxo livre contribuirá para o binário de direcção reduzido para ângulos de azimute mais reduzidos.

Lisboa 13 de Outubro de 2010 13

Claims (4)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Unidade de propulsão e direcção para um navio de superfície, a unidade de propulsão e direcção compreendendo uma nacela (1) tendo extremidades da frente e da retaguarda, um elemento (32) estabilizador que se estende para baixo a partir da nacela (1), um hélice (2) e veio (4) de hélice, o hélice (2) estando disposto no exterior à frente da nacela (1) e podendo rodar em torno de um eixo (6) longitudinal do veio (4) do hélice, o veio (4) do hélice estando ligado de forma motriz aos meios de movimentação, compreendendo os meios de movimentação uma engrenagem (10) de pinhão de ataque e uma roda (8) mandada, compreendendo a unidade além disso, meios de direcção para rodar a unidade em torno de um eixo (18) substancialmente perpendicular ao eixo (6) longitudinal do hélice (2), caracterizada por o elemento (32) estabilizador estar disposto atrás de um eixo (18) de rotação do veio (12) de accionamento e da engrenagem (10) de pinhão de ataque, o eixo (18) de rotação da engrenagem (10) de pinhão de ataque, estando além disso, à frente da roda (8) mandada, a posição da engrenagem (10) de pinhão de ataque na roda (8) mandada sendo tal que, em utilização, o sentido de rotação da engrenagem (10) de pinhão de ataque produz um binário que actua contra um binário hidrodinâmico máximo gerado por uma rotação do hélice (2) e uma rotação da unidade pelos meios de direcção.
2. 2. Unidade de propulsão e direcção como reivindicado na reivindicação 1, caracterizada por o eixo longitudinal de rotação da roda (8) mandada estar posicionado abaixo da 1 engrenagem (10) de pinhão de ataque.
3. 3. Unidade de propulsão e direcção como reivindicado na reivindicação 1, caracterizada por o eixo de rotação da engrenagem (10) de pinhão de ataque ser substancialmente perpendicular ao eixo (6) de rotação do hélice (2).
4. 4. Unidade de propulsão e direcção como reivindicado na reivindicação 1, caracterizada por o hélice (2) ser um hélice de passo controlável. Lisboa, 13 de Outubro de 2010 2