Ferry Boat - Apostilas - Engenharia Naval Part1, Notas de estudo de Engenharia Naval

Baixe Ferry Boat - Apostilas - Engenharia Naval Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Naval, somente na Docsity! CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE – UEZO CURSO SUPERIOR EM TECNOLOGIA EM CONSTRUÇÃO NAVAL E OFFSHORE EMBARCAÇÕES ESPECIAIS FERRY BOAT Rio de Janeiro 2010 Trabalho elaborado pelos alunos Antônio Sérgio, Caio Sarti, Diego Pereira, Marcos Aurélio Moura, Renan Frango e Sâmara Pinto, 2º período, referente à disciplina de Embarcações Especiais. CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE – UEZO EMBARCAÇÕES ESPECIAIS FERRY BOAT Rio de Janeiro 2010 Trabalho elaborado pelos alunos Antônio Sérgio, Caio Sarti, Diego Pereira, Marcos Aurélio Moura, Renan Frango e Sâmara Pinto, do 2º período de Construção Naval do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste. Referente à disciplina de Embarcações Especiais, lecionada pelo professor Bruno Sampaio Andrade. 1. Introdução Um dos grandes aspectos da área naval são os diferentes tipos de embarcações e suas propulsões. Designa-se por embarcação toda construção cujo objetivo é navegar, tanto no mar, quanto em lagos, rios, etc., independentemente do tamanho, função, material de construção ou forma de propulsão. Tem-se como propulsão, o movimento criado a partir de uma força com o intuito de gerar impulso, logo cada embarcação tem uma forma diferente de deslocar-se. Ao longo desse estudo serão apresentados especificamente alguns tipos de Ferry Boat, que é um tipo de transporte marítimo, podendo ser um barco ou um navio, usado principalmente para o deslocamento de pessoas, mas em alguns casos usados também para carregar veículos e cargas. Em certos lugares, essas ‘balsas’ fazem parte do sistema de transporte público, assim facilitando a condução e diminuindo custos, visto que é mais barato do que construir pontes ou túneis. 1. O que é Ferry Boat? São embarcações de transporte principalmente de pessoas, e em alguns casos, veículos e cargas. Embora a designação ferry boat seja um anglicismo não se conhece um termo global em português. A maioria dos ferries opera de forma regular em serviços frequentes. Uma balsa de passageiros, como as de Veneza, é às vezes chamada de ônibus aquático ou táxi aquático. As balsas fazem parte dos sistemas de transporte público das cidades ribeirinhas e em muitas ilhas, permitindo o trânsito direto entre os pontos com um custo de capital muito menor do que pontes ou túneis. Navio de conexões de distâncias muito maiores (como em longas distâncias como o Mar Mediterrâneo) também pode ser chamado de ferry, especialmente se são transportadores de veículos. Na região nordeste do Brasil os pescadores constroem sua balsas de toras de madeira atadas lado a lado que recebem o nome de "jangadas". Na região dos Andes, no lago Titicaca, fronteira entre a Bolívia e o Peru, os índios aimará e uros designam por balsa uma embarcação feita de toras que pela sua natureza de construção têm uma duração limitada a acerca de três ou quatro meses. Na região de Lisboa chama-se as balsas as cacilheiros. Figura 1 - Ferry-Boat de Setúbal-Tróia-Setúbal, Portugal Figura 2 - Balsa no rio Paranapanema ligando Paranapanema e Itatinga O projeto de um ferry boat depende do trajeto a qual essa embarcação será submetida em seu uso, a capacidade de passageiros ou cargas, exigências de velocidade entre outras prescrições mecânicas. Devido a esse fato, nesse trabalho, dividimos os ferry em tipos, cada um com características particulares que lhe incluem em uma determinada classificação. Entretanto, trataremos apenas dos principais tipos de ferry, exaltando os sistemas de propulsão e outras características mecânicas e as propriedades de cada estilo. Figura 3 – Desenho de um projeto de um Passenger Ferry Boat (PFB) Figura 4 – Etapa da construção de um ferry boat Figura 5 – Construção do ferry Damen Fast Crew Supplier 3307 Outro sistema de propulsão azimutal é o Schottel Ruderpropeller. O SRP são sistemas combinados de propulsão e comando, com até 6000 kW de potência, que convertem a potência do motor em empuxo [3] otimizado. Como os componentes submersos podem ser direcionados ao longo de 360°, toda a potência de acionamento pode ser também aplicada nas manobras e no posicionamento dinâmico do navio. Capacidade máxima de manobra, ótima eficiência, operação econômica, economia de espaço, manutenção simplificada - estas são apenas algumas das excelentes características deste conceito de propulsão robusto e confiável, demonstradas mundialmente, sob condições tropicais e árticas, em navios de toda espécie. Figura 12 – Hélices de um SRP Figura 13 – Detalhe de um sistema de hélice Figura 14 – Propulsor azimutal Siemens Schottel 2.1.2. VSP O principal sistema utilizado em embarcações tipo double-ended é o sistema Voith Schneider Propeller (VSP), também conhecido como unidade cicloidal (CD) . É um sistema altamente manobrável, sendo capaz de mudar o rumo da sua pressão quase que instantaneamente. É amplamente usado em rebocadores e balsas. A partir de uma placa circular, girando em torno de um eixo vertical, uma matriz circular de lâminas verticais (em forma de aerobarcos) se projetam para fora do fundo do navio. Cada lâmina pode girar em volta de um eixo vertical. As mudanças internas da engrenagem do ângulo de ataque das pás em sincronia com a rotação do prato, de modo que cada lâmina pode fornecer a pressão em qualquer direção, muito semelhante ao do passo coletivo de controle e cíclico em um helicóptero. Figura 15 – Hélice Voith Schneider Figura 16 – Sistema Voith Schneider acoplado em uma embarcação Ao contrário de um drive-Z (onde uma hélice convencional é inclinada em um eixo do leme [4] vertical), para mudar a direção de empuxo uma unidade da Voith-Schneider exige apenas mudar o padrão de orientação das lâminas verticais. Em uma situação marinha, esta dispõe de uma unidade que pode ser dirigida em qualquer direção e, portanto, acaba com a necessidade de um leme. É altamente eficaz e prevê uma mudança quase instantânea de direção. Essas unidades estão se tornando cada vez mais comum nos barcos de trabalho, como fireboats e rebocadores onde uma extrema dirigibilidade é necessária. Z-drives (e Kort nozzles) tem vantagens e desvantagens quando comparados às unidades cicloidal. O Z-drive é menos eficiente e mais lento para a manobra, mas é mais barato a curto prazo. A escolha é feita com base em requisitos de desempenho percebido. Além disso, as lâminas da unidade sem por baixo do casco, tornando a operação em águas rasas um problema. A baixa assinatura acústica favorece o uso do dispositivo em caça-minas. Os esquemas abaixo (Figura 17 e Figura 18) lado ilustram as forças de sustentação do VSP sobre o corpo de água e o caminho de uma lâmina na água, respectivamente. Figura 17 – Forças – VSP Figura 18 – Caminho da lâmina – VSP 2.2. Modelos e características MV Shira Loch Criada pela empresa Ferguson Shipbuilders e lançada na sexta-feira 08 de dezembro de 2006, ela entrou em serviço no sábado, 02 de junho do ano seguinte. A embarcação tem uma capacidade absoluta de 32 carros e 250 passageiros - no entanto Calmac afirmaram que é pouco provável que mais de 24 carros serão transportados na rota atual, a fim de evitar congestionamentos tanto na Ilha de Cumbrae e no Largs terminal da balsa, onde um cruzamento movimentado é encontrado a poucos metros de deixar o barco. A Shira Loch mede 54.27m de comprimento e tem um raio de 13.90m. Possui deck único para carro, dividido em três vias, com a pista central da largura suficiente para dois carros e um veículo de grande porte. Há uma estreita cabine de passageiros a nível da plataforma do carro para o lado estibordo do navio, com mais espaçoso alojamento interno. A ponte fica no topo do salão superior de passageiros, e é deslocada para o estibordo. Em comum com outros ferries da classe, carros e passageiros são descarregados através de rampas, que estão em cada extremidade do navio. Estas rampas entram em funcionamento apenas na hora de embarque e desembarque, quando é necessário o contato do navio com a costa, abrindo mão da utilização de cordas para garantir o desembarque seguro. O sistema de propulsão Voith-Schneider, acrescenta mais eficiência, dando a excelente capacidade de manobra a esse tipo de ferry. Nome: Proprietário: Tonelagem: Comprimento: Boca: Calado: Potência: Propulsão: Velocidade: Capacidade: MV Shira Loch Caledonian MacBrayne 230 54,27m 13,9m 1,8m 2 x 559bkW em 1800rpm Vioth 16 R5 avaliado em 540kW a 625rpm 10 nós 32 carros e 250 passageiros Figura 24 – Fotografia da MV Loch Shira Figura 25 – Perfil da MV Loch Shira MV Queen of Oak Bay MV Queen of Oak Bay é um ferry double-ended classe C roll-on/roll-off da frota da BC Ferries, lançado em 1981, em Victoria, Colúmbia Britânica. Com 139,29 metros de comprimento e 6.969 ton o navio tem capacidade para 362 carros e mais de 1.500 passageiros e tripulantes. Ela funciona normalmente em rotas que ligam o oeste de Vancouver a Nanaimo, na Colúmbia Britânica, parte da Trans-Canada Highway. Uma atualização do navio, no ano de 2005, custou para Vancouver Drydock Company no norte de Vancouver, $ 35 milhões. O projeto elaborado navio, que esta a mais de 20 anos em serviço, inclui melhoramentos nos componentes de engenharia, equipamentos de salvamento e melhoria dos serviços de bordo. Principais trabalhos de manutenção incluindo a substituição de estruturas de aço, e renovação da tubulação e cabeamento, jateamento do casco e pintura extensa. O navio foi equipado com quatro state-of-the-art, sistemas de evacuação para o mar, complementado por dois barcos salva-vidas e oito botes salva-vidas. O ferry retornou ao serviço em 13 de junho de 2005. Em 30 de junho de 2005, a cerca de 10:10 da manhã (17:10 UTC), o Queen of Oak Bay perdeu força quatro minutos antes de ela ser a acostar no terminal da Baía de Horseshoe. A embarcação ficou à deriva, incapaz de alterar a velocidade, mas capaz de dirigir com os lemes. O navio corria lentamente para aMarina Sewell, onde destruiu ou danificou 28 embarcações que estavam no recreio e, posteriormente, encalhou a uma distância curta da costa. Não houve vítimas ou feridos. Nome: Proprietário: Tonelagem: Comprimento: Boca: Calado: Potência: Propulsão: Velocidade: Capacidade: Custo (reparo em 2005): Queen of Oak Bay BC Ferries 6.968,91 139,29m 27m 6m 11.840 hp (8,83 MW) Dois 12M551AK MaK 19-22 nós 1.466 passageiros, 362 veículos e 34 tripulantes $ 35 milhões Figura 26 – Fotografia do Queen of Oak Bay Figura 27 – Acidente com a Queen of Oak Bay MV Isle of Cumbrae MV Isle of Cumbrae é uma embarcação da Caledonian MacBrayne, construída em 1976. Por dez anos operou em Largs, cidade no norte da Escócia e opera desde 1999 em Fyne Loch, lago salgado na costa oeste de Argyll and Bute, na Escócia. O MV Isle of Cumbrae foi construído em 1977 pela companhia Ailsa Shipbuilding, de Troon, cidade escocesa. O MV Isle of Cumbrae tem três vias em seu convés de veículos, com rampas nas extremidades que se dobram em duas seções. A acomodação de passageiros é feita no outro lado de estibordo. MV Isle of Cumbrae assumiu a passagem Largs no início de abril de 1977, substituindo dois ferries de carga de pequeno porte, Largs e Coruisk. A MV Isle of Cumbrae permaneceu nessa travessia até o verão de 1986, quando a via foi tomada pelos ferries do tipo ro-ro, MV Loch esforçado e MV Loch Linnhe. Em agosto de 1986, a Isle of Cumbrae Isle of Cumbrae mudou-se para o Fishnish- terminal marinho na Ilha de Mull, na Escócia, substituindo o pequeno MV Canna. A MV Isle of Cumbrae permaneceu lá até julho de 1997, quando foi substituída pela MV Loch Alainn. Nome: Proprietário: Tonelagem: Comprimento: Boca: Calado: Potência: Propulsão: Velocidade: Capacidade: MV Shira Loch Caledonian MacBrayne 230 54,27m 13,9m 1,8m 2 x 559bkW em 1800rpm Vioth 16 R5 avaliado em 540kW a 625rpm 10 nós 32 carros e 250 passageiros Figura 28 – MV Isle of Cumbrae Figura 29 – Perfil da MV Isle of Cumbrae Hydrofoil que utilizam folhas com forma de U são conhecidos como surface-piercing. Alguns hydrofoils modernos usam hidrofólios T de forma invertida, que ficam submersas. Hydrofoils submersas são menos sujeitos aos efeitos da ação das ondas e, portanto, mais estáveis no mar e são mais confortáveis para a tripulação e passageiros. Este tipo de configuração, no entanto, não é auto estabilizante. O ângulo dos hidrofólios precisa ser ajustado continuamente de acordo com as condições de mudança, um processo de controle que é realizado por meio de sensores, computadores e superfícies ativas. Figura 35 – Tipos de hidrofólios Figura 36 – Hidrofólios tipo T Figura 37 – Hidrofólios tipo U 3.2. Propulsão 3.2.1. Motores a diesel A hidrodinâmica dos navios modernos tem sido possível graças ao desenvolvimento de motores a diesel leve e turbinas a gás. A maioria dos navios comerciais europeus que utilizam sistemas fixos surface-piercing têm utilizado os motores a diesel leve com condução de cavitação [8] das hélices, por meio de um sistema de transmissão em ângulo. Esta combinação fornece a construção simplificada, com relativa facilidade de manutenção e baixo custo. No entanto, o elevado peso específico, comparativamente (6-8 kg por cavalo- vapor) dos motores diesel e maior arrasto global resultaram em velocidades de cerca de 35 a 40 nós. Nestes navios, a energia mecânica necessária à propulsão é fornecida por máquinas, que podem ser máquinas a vapor ou motores de combustão interna. As máquinas transmitem um movimento de rotação a uma linha de eixos, na extremidade da qual é fixado um hélice. Ocasionalmente encontramos navios de rodas, em vez de hélices, para navegação em rios, baías e lagos. A força de propulsão exercida pela água sobre o hélice em movimento é transmitida ao navio por meio de um mancal de escora [9] que é rigidamente ligado ao casco. Entre o eixo do hélice e o mancal de escora pode haver um ou mais eixos intermediários, conforme a distância entre a máquina e o hélice. Estas seções de eixo são ligadas entre si por meio de flanges, e a estanqueidade [10] do casco na passagem do eixo do hélice é assegurada por meio de uma bucha [11] com gaxetas[12]. Os motores a diesel são os mais adequados para navios de velocidade moderada e constante. Suas principais vantagens são: - eliminam a instalação de caldeiras e condensadores, o que representa uma grande economia de peso e espaço; - economizam peso e espaço por dispensarem a água de alimentação de caldeiras e por consumirem menos combustível. Realmente, os motores diesel consomem 175 gramas por CV-hora efetivo, enquanto as máquinas a vapor mais modernas para navios de potência moderada têm um consumo de cerca de 350 gramas. Isto representa, para um cargueiro a motor, a possibilidade de ter maior raio de ação, ou maior potência de máquina ou, então, maior velocidade, ou maior capacidade de carga; - são reversíveis e, como as máquinas alternativas, desenvolvem praticamente a mesma potência na marcha a ré que na marcha a vante [13]. É uma superioridade de manobra sobre os navios a turbina, cuja potência em marcha a AR é limitada a 50% da potência em marcha AV; - durante as estadias no porto o consumo dos motores é nulo, enquanto que as caldeiras dos navios a vapor devem ser mantidas sob pressão. Suas principais desvantagens são: - exigem uma instalação de ar comprimido para partida e injeção de combustível; - maior custo de instalação; - maior trabalho de manutenção, exigindo inspeção periódica a suas diversas peças; e - consome um combustível mais caro, e mais lubrificante. 3.2.2. Turbinas a gás As turbinas a gás, que são muito empregadas em aviação, vêm sendo aplicadas em navios de guerra de alta velocidade. Para avaliar as vantagens das turbinas a gás podemos compará- las com os motores de combustão interna tipo diesel; nestes, as três fases – compressão, combustão e expansão – ocorrem dentro de uma mesma estrutura, o cilindro, de modo que o impulso motor é intermitente, num ciclo que se repete. Nas turbinas a gás, ao contrário, a compressão se dá numa unidade, daí a massa de ar passa a um queimador onde se mistura com o combustível pulverizado, e a expansão se faz por meio de uma ou mais turbinas onde parte da energia se converte em potência útil. Assim, como nas turbinas a vapor, a potência gerada se aplica ao eixo de modo contínuo. As principais vantagens das turbinas a gás são as seguintes: - são muito mais leves do que qualquer outro tipo de máquina: para a mesma potência, um motor a gasolina pesa cerca de seis vezes mais, e um diesel 12 vezes mais; - a instalação é simples, não exigindo as numerosas peças móveis das máquinas tipo alternativa; - ocupam um espaço muito menor que estas máquinas; - permitem rápida partida mesmo em temperatura baixa, aceleram-se rapidamente e se ajustam prontamente às variações de carga; e (5) comparadas com os motores diesel, produzem menos vibrações na potência máxima e exigem menor número de pessoas para manutenção e operação; quase não gastam óleo lubrificante. Outra instalação propulsora moderna é a combinação de um gerador de gás de pistão livre- turbina a gás. A máquina consiste em um cilindro com dois pistões diesel opostos, cada um rigidamente conjugado a um pistão compressor, mas sem nenhuma conexão externa. A combustão se dá entre os dois pistões diesel, e a expansão dos gases continua através de uma turbina a gás até à pressão atmosférica. Reúnem-se assim as vantagens da alta eficiência de compressão num cilindro diesel com a expansão completa obtida na turbina a gás. Figura 38 – Detalhe de uma turbina Um rotor suga a água através do funil de entrada, uma grade de proteção na placa inferior impedindo a entrada de corpos estranhos no sistema. O rotor força a água energizada em um difusor, como resultado da qual a energia cinética é convertida em energia de pressão. Este processo de transformação de energia é continuado no difusor, e que a água é coletada na caixa de pressão. A água é finalmente expulsa através dos bocais de saída em um ângulo de 15 ° e pressão é gerada que pode ser girado a 360 °. Figura 42 – Esquema do funcionamento da propulsão a jato 3.3. História Em março de 1906 a revista Scientific American publicou uma entrevista com o pioneiro na criação do hydrofoil, o americano William E. Meacham, explicando o princípio básico dos hydrofoils. Alexander Graham Bell considerou a invenção do hydrofoils uma conquista muito significativa. Depois de ler este artigo, Bell começou a esboçar os conceitos do que agora é chamado de barcos. Com Casey Baldwin começou a experimentação hidrodinâmica no verão de 1908. Baldwin estudou o trabalho do inventor italiano Enrico Forlanini e começou a testar modelos baseados em seus projetos. Isto levou-o, juntamente com Bell, para o desenvolvimento de embarcações hidrodinâmicas. Durante a turnê mundial de 1910-1911 Bell, ele e Baldwin se reuniram com Forlanini, na Itália. Eles fizeram passeios com o hydrofoils projetado sobre o Lago Maggiore. Baldwin descreveu como sendo tão bom quanto voar. No regresso a Baddeck um número de projetos foram julgados culminando no HD-4. Utilizando os motores Renault uma velocidade máxima de 87 km/h (54 mph) foi alcançada, acelerando rapidamente, enfrentando ondas sem dificuldades, com boa direção e mostrando boa estabilidade. O relatório de Bell para a Marinha dos Estados Unidos permitiu-lhe obter dois motores de 260 kW (350 cv). Em 9 de setembro de 1919 o HD-4 estabeleceu um recorde mundial de velocidade marinho de 114 km / h (70,86 mph). Esse recorde permaneceu por dez anos. O Barão von Schertel trabalhou em hydrofoils antes e durante a Segunda Guerra Mundial na Alemanha. Depois da guerra da equipe Schertel foi capturada pelos russos. Schertel foi para a Suíça, onde fundou a empresa Supramar. Em 1952, Supramar lançou o primeiro hydrofoil comercial, o PT10, no Lago Maggiore, entre a Suíça e a Itália. O PT10 possui um modelo de hidrofólios surface-piercing, e pode transportar 32 passageiros e viajar a 35 nós. A Financiadora Hussain Najadi em 1968 adquiriu o Grupo SUPRAMAR. A Companhia foi a precursora dos hydrofoils com licenciados que abrangem a Europa, EUA e Ásia. Ele expandiu suas operações no Japão, Hong Kong, Cingapura, Reino Unido, Noruega e EUA. General Dynamics dos Estados Unidos tornou-se licenciado e o Pentágono atribuiu o seu primeiro R & D, projeto de pesquisa naval no campo de super cavitações. Hitachi naval de Osaka, no Japão, foi outra das licenciadas Supramar, assim como muitos proprietários de navios e estaleiros líderes dos países da OCDE. Ele estabeleceu mais de 200 linhas hydrofoil em cinco continentes. De 1952 a 1971, Supramar concebeu vários modelos de hydrofoils: PT20, PT50, PT100 PT75 e PT150. Exceto o PT150, todos são surface-piercing. Mais de 200 projetos da Supramar foram construídos, a maioria deles por Rodriquez, em Itália. Hitachi no Japão também tinha construído algumas sob licença. A União Soviética experimentou extensivamente hidrofólios, construindo ferries hydrofoils com design aerodinâmico, especialmente durante os anos 1970 e 1980. Esses navios são o tipo Meteor e o tipo menor, o Voskhod. A Marinha dos EUA operam com hydrofoils de combate, como a classe Pegasus, de 1977 a 1993. Estes hydrofoils são rápidos e bem armados, e são capazes de afundar todos os navios enfrentados. No seu papel de interdição de drogas, os hydrofoils são um pesadelo para traficantes de drogas, sendo muito rápido, e com mísseis e armas de fogo para parar qualquer coisa que não conseguir pegar, assim como a capacidade de chamar apoio aéreo. A Marinha italiana usou seis hidroplanos da classe NIBBIO a partir da década de 1970. Estes estavam armados com pistolas 76 milímetros, dois mísseis e foram capazes de velocidades de até 50 nós. 3.4. Modelos e características USS Aquila (PHM-4) O segundo USS Aquila (PHM-4) foi o quarto navio de sua classe de hydrofoils operado pela Marinha dos Estados Unidos. Navios da classe Pegasus foram projetados para alta velocidade e mobilidade, e carregam um armamento poderoso (levando em consideração seu tamanho). Nomeado em homenagem a constelação de Aquila, a embarcação foi projetado em 10 de julho de 1979 em Seattle, Washington, pela Boeing Marine Systems, lançado em 16 de Setembro de 1981, patrocinado pela Sra. D. João Bulkeley, a esposa do contra-almirante John D. Bulkeley. Nome: Proprietário: Deslocamento: Comprimento: Boca: Propulsão: Velocidade: Complemento: Sensores: Armamento: USS Aquila Marina Norte Americana 255 toneladas longas 41m 8,5m 2 × Mercedes-Benz diesel marinho (hullborne), 1.600 cv (1193 kW) 1 × General Electric LM2500 turbina a gás (foilborne), 18,000 shp (13.423 kW) 12 a 48 nós 4 oficiais, 17 praças LN radar de navegação- 66 Mk-94 Mod.1 sistema de controle de fogo 2 × quad RGM-84 Harpoon 1 × 76 milímetros OTO Melara Mk.75, 62 cal. arma Figura 43 – USS Aquila (PHM-4) Figura 44 – Armamento do USS Aquila