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Nauticus Machinery : Cálculo de esforços em sistemas propulsivos

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Apresentação da família de softwares Nauticus Machinery para avaliação de esforços em sistemas propulsivos.

Apresentação da família de softwares Nauticus Machinery para avaliação de esforços em sistemas propulsivos.

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  • Publicação excelente, feita por um profissional de campo. Isto é muito importante para a formação e atualização de conhecimentos na área naval. Parabéns ao Engenheiro Volpini.
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  • 1. Nauticus™ MachineryCálculo de Esforços em Sistemas PropulsivosJoão Henrique Volpini MattosEngenheiro NavalRegional Sales Manager – South America – DNV Software Setembro 2012
  • 2. 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.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 3. Principais Componentes do Sistema Propulsivo Típico sistema de propulsão com redução1. 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.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 4. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 5. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 6. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 7. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 8. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 9. Tendências Técnicas que nos Influenciam 1  Regras da Sociedade Classificadora e do IACS Regras DNV Regras IACS© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 10. Tendências Técnicas que nos Influenciam 2  Navegação no gelo. DNV CN 51.1 Rota do Norte (menos 40% combustível) IACS UR I3© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 11. Tendências Técnicas que nos Influenciam 3  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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 12. Tendências Técnicas que nos Influenciam 4  A deflexão no casco é afetada pelo calado da embarcação. Deflexão no casco Deflexão no eixo© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 13. 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.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 14. 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,.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 15. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 16. 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 √ √ √ √© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 17. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 18. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 19. Princípios do Alinhamento de Eixos© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 20. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 21. 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.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 22. 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.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 23. 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).© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 24. Tipos de Engrenagem Engrenagens cilíndricas Engrenagens cilíndricas com dentes retos planetrárias Engrenagens cilíndricas Engrenagens cônicas com dentes helicoidais© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 25. Tipos de Problemas Analisados Força no dente / fratura na raiz do dente Capacidade de carga de deslizamento Durabilidade superficial Fadiga sub-superficial© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 26. 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).© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 27. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 28. 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.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 29. 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.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 30. 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.© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 31. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 32. Nauticus Machinery : Alguns Usuários CPN Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co Ltd Chongqing Gearbox Co Ltd© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 33. Lista de Referência (Agosto 2012)© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.
  • 34. 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© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.

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