Setembro 2012 Nauticus ™ Machinery Cálculo de Esforços em Sistemas Propulsivos João Henrique Volpini Mattos Engenheiro Naval Regional Sales Manager – South America – DNV Software
Jun 04, 2015
Setembro 2012
Nauticus™ Machinery
Cálculo de Esforços em Sistemas Propulsivos
João Henrique Volpini Mattos Engenheiro Naval Regional Sales Manager – South America – DNV Software
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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.
- 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.
Sistema de propulsão com acoplamento direto
Sistema com 2 motores e acoplamento com redução
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Principais Componentes do Sistema Propulsivo
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.
Típico sistema de propulsão com redução
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Tipos de Propulsores Podemos distinguir os seguintes tipos de propulsores :
- Propulsores 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 - Médio skew - Baixo skew
Hélice de passo fixo
Hélice de passo controlável
Hélice com skew diminui a vibração e rúído
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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.
Cargas geradas no propulsor
Cada seção do propulsor tem um perfil diferente
Cada perfil gera uma força de sustentação
e de arrasto
A esteira gerada pelo casco no plano do propulsor não é
uniforme
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Motores Diesel Podemos classificar os motores diesel nos seguintes tipos :
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 - Baixa rotação : abaixo de 240 rpm
Motor de 2 tempos
Motor de 4 tempos
Motores de baixa e média rotação
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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
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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
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Tendências Técnicas que nos Influenciam 1 Regras da Sociedade Classificadora e do IACS
Regras DNV Regras IACS
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Tendências Técnicas que nos Influenciam 2 Navegação no gelo.
Rota do Norte (menos 40% combustível)
DNV CN 51.1
IACS UR I3
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Tendências Técnicas que nos Influenciam 3 Prevenção de avarias e solução de problemas.
Eixo de manivelas quebrado
Tubo telescópico seco
Dentes do pinhão de engrenagem avariados
Cavitação e avaria do eixo
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Tendências Técnicas que nos Influenciam 4 A deflexão no casco é afetada pelo calado da embarcação.
Deflexão no casco
Deflexão no eixo
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Nauticus Machinery : Histórico
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.
1980 1990 2004
DOS / Fortran “PILOT” “NAUTICUS”
2008 2006 2012
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Nauticus Machinery : Áreas de Atenção
Motor diesel Nauticus Machinery se preocupa com o eixo de manivelas. O torque vibratório 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.
Acoplamento flexível
Perda de carga (aquecimento) do acoplamento quando sujeito a variações de torque uniformes. O critério de aceitação e a perda de carga são calculados pelo software.
Engrenagem de redução
O software se preocupa com a distribuição de carga na face dos dentes, já que uma má distribuição pode acarretar avarias severas. Além disto, as forças de 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.
Mancais do tubo telescópico
Extremamente importante para o alinhamento da linha de eixos. Uma distribuição de carregamento ruim pode causar falta de lubrificação e avarias severas no tubo telescópico (contato metal-metal e parada completa do sistema).
Propulsor Cálculo do empuxo (importante para a análise do alinhamento da linha de eixos, vibração de precessão e torsional), passo e espessura nas pás,.
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Nauticus Machinery : Visão Geral
Nauticus Workflow Manager
Ferramentas de cálculo
Nauticus Machinery consiste de :
Um framework de cálculo (Nauticus Workflow Manager)
7 Ferramentas de cálculo
Nauticus Machinery é adequado para todos os tipos de sistemas de propulsão marítimos
Sistemas com acoplamento direto
Sistemas com engrenagem
Grupos geradores
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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
Ferramentas\ Pacotes
Workflow Manager
Shaft Alignment
Torsional Vibration
Shaft Fatigue
Gear Rating
Gear Faceload
Crankshaft Fatigue
Propeller Blade
Direct coupled √ √ √ √ √ Geared systems √ √ √ √ √ √ √ Generator sets √ √ √ √
O software usualmente é fornecido em três tipos de empacotamentos, com as ferramentas adequadas para cada um :
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Ferramentas do Nauticus Machinery São disponíveis os seguintes módulos :
Gear rating Gear faceload
Shaft alignment
Crankshaft fatigue
Shaft fatigue Torsional vibrations Workflow Manager
Propeller Blase
Ferramentas de Projeto
Ferramentas de Verificação
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Nauticus Workflow Manager Ferramenta de colaboração e compartilhamento de projetos relacionados à propulsão.
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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.
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Princípios do Alinhamento de Eixos
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Consequências do Desalinhamento Forças e pressões excessivas nos mancais Tensões de flexão excessivas no eixo Fadiga Problemas de vibração (whirling) Avarias dispendiosas e de reparo demorado
• Perda da propulsão levando a perda de vidas, propriedade e danos ao ambiente
• Avaria do selo de ré, levando ao vazamento de óleo
• Custos extras
– Reboque ao estaleiro de reparos
– Investigação da avaria
– Execução dos reparos
– Retorno ao negócio
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Nauticus Shaft Alignment
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.
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.
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Nauticus Torsional Vibration
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.
Análise da vibração torsional e identificação dos componentes críticos em sistemas propulsivos simples diretos ou complexos com múltiplos motores.
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Nauticus Shaft Fatigue
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).
Análise da vida útil de fadiga da linha de eixos devido às tensões induzidas pela vibração torsional para sistemas propulsivos e grupos geradores.
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Tipos de Engrenagem
Engrenagens cilíndricas com dentes retos
Engrenagens cilíndricas com dentes helicoidais
Engrenagens cilíndricas planetrárias
Engrenagens cônicas
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Tipos de Problemas Analisados
Força no dente / fratura na raiz do dente
Capacidade de carga de deslizamento
Durabilidade superficial
Fadiga sub-superficial
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Nauticus Gear Rating
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).
Cálculo da carga admissível na engrenagem, limitada pelas tensões de contato e deslizamento.
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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
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Nauticus Crankshaft Fatigue
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.
Idealizada para fabricantes de motores, esta ferramenta permite o cálculo de fatores de segurança para fadiga em partes críticas do eixo de manivelas.
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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.
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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.
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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 DNV Software
Technical Advisory
Desenvolvedores
Approval Centers
EXPERIÊNCIA EM AVARIAS RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS PESQUISA E DESENVOLVIMENTO MEDIÇÕES REAIS
CONHECIMENTO DAS NORMAS DIVERSIDADE DE COMPONENTES DIVERSIDADE DE SISTEMAS
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Nauticus Machinery : Alguns Usuários
Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co Ltd
Chongqing Gearbox Co Ltd
CPN
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Lista de Referência (Agosto 2012)
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Dúvidas
João Henrique Volpini Mattos Engenheiro Naval DNV Software Regional Sales Manager - South America [email protected] +55 21 3722 7337
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