Download - 2. Bolbo de Proa - ULisboa
1
2. Bolbo de Proa
Projecto de Navios I
Manuel Ventura
Mestrado em Engenharia e Arquitectura Naval
Bolbo de Proa 2
Raizes Históricas
• O bolbo de proa teve origem no esporão, estrutura de natureza militar utilizada em navios de guerra dos finais do séc. XIX, princípio do séc.XX.
2
Bolbo de Proa 3
Bolbo de Proa
• O bolbo de proa foi alegadamente inventado no David Taylor Model Basin (DTMB) nos EUA
Bolbo de Proa 4
Aparecimento dos Bolbos de Proa
• Os primeiros bolbos de proa apareceram nos anos 1920s com o “Bremen” e o “Europa”, dois navios de passageiros alemãesconstruídos para operar no Atlântico Norte. O “Bremen”, construído em 1929, ganhou a Blue Riband da travessia do Atlântico com a velocidade de 27.9 nós.
• Outros navios de passageiros mais pequenos, tais como osamericanos “President Hoover” e “President Coolidge” de 1931, começaram a aparecer com bolbos de proa emborafossem considerados ainda experimentais, pelos armadores e estaleiros.
• Em 1935, o “Normandie”, construído com um bolbo de proa, atingia os 30 nós.
3
Bolbo de Proa 5
Bolbo de Proa no Japão
• Alguns navios militares da 2ª Guerra Mundial tais como o cruzador “Yamato” (1940) usavam já bolbos de proa
• A investigação sistemática teveinício nos finais dos anos 50
• O “Yamashiro Maru”, construído em1963 nos estaleiro da Mitsubishi no Japão, foi o primeiro navio equipadocom um bolbo de proa.
• O navio atingia a velocidade de 20’com 13.500 hp enquanto que naviossemelhantes necessitavam de 17.500 hp para atingir a mesma velocidade.
Bolbo de Proa 6
Evolução do Bolbo
• Diagrama que relaciona a evolução da aplicação de bolbos em função do Número de Reynolds, ao longo do século XX
• Verifica-se que o campo de aplicação do bolbo se foi alargando ao longo dos anos para cima e para baixo do intervalo inicialmente considerado útil
4
Bolbo de Proa 7
Sistemas de Ondas do Navio
• Existem dois tipos de ondasgeradas pelos navios:– Ondas Divergentes - que
têm origem nos costados do navio e que têm cristasinclinadas em relação aoplano de simetria do navio
– Ondas Transversais - quese formam nas amuras e quetêm cristas perpendicularesao plano de mediania
• Estes sistemas de ondas são gerados quer a vante quer a ré.• A interferência entre estes sistemas de ondas cria os
característicos altos e baixos, função da razão Vs/Lwl do navio.
Bolbo de Proa 8
Resistência de Onda
• O sistema de ondasgerado pelo bolbointerfere com o sistemade ondas do navio.
• O comprimento do bolbodefine a fase de interferência e o seuvolume determina a largura do seu sistema de ondas.
5
Bolbo de Proa 9
Aplicação do Bolbo
• O bolbo de proa, ao alterar os ângulos de entrada e a distribuição do volume, representa um meio efectivo de reduzir a resistência de onda.
• A forma de bolbo deve ser ajustada às condições de projecto.– Normalmente a velocidades baixas o efeito do bolbo é negativo.
Quando o número de Froude (FN) aumenta o seu efeito torna-se positivo e aumenta até um valor máximo.
– Deste ponto para cima, quando o FN tende para infinito, o efeitodo bolbo tende para zero.
Bolbo de Proa 10
Formas de Bolbos de Proa
6
Bolbo de Proa 11
Geometria do Bolbo (1)
Coeficientes de Forma Lineares
BBC B
BB =
PP
PRLPR L
LC =
FP
BZB T
ZC =
Coeficiente de Boca
Coeficiente de Comprimento
Coeficiente de Altura
Bolbo de Proa 12
Geometria do Bolbo (2)
Coeficientes de Forma Não-Lineares
MS
BTABT A
AC =
MS
BLABL A
AC =
∇= PR
VPR
VC
( ) ( )[ ]ABAsactgLt MSPP −⋅⋅= 2/
Coeficiente de Secção Transversal
Coeficiente de Secção Longitudinal
Coeficiente Volumétrico
Coeficiente de Taylor (p/ Navios rápidos)
7
Bolbo de Proa 13
Tipos de Secção do Bolbo (1)
Bolbo de Proa 14
Tipos de Secção do Bolbo (2)
Menos susceptíveis ao slamming
Mais susceptíveis ao slamming
Observações
Carenas em “V”Calados em carga e lastro bem definidos
Carenas em “U”ou em “V”
Carenas em “U”Grandes variações de calado
Aplicação
Mais comunsElípticosCircularesCilíndricoForma de Lente
Bolbos de TaylorBolbos de pera
Exemplos
Tipo ∇Tipo ()Tipo Δ
8
Bolbo de Proa 15
Integração na Carena
• Aditivos– Curva de áreas mantêm-se
inalterada
• Implícitos– Curva de áreas é alterada,
parte do volume do bolbo distribui-se para ré da PPAV
Bolbo de Proa 16
Projecto do Bolbo (1)
55.035.0 << THB
0074.01811.0 +⋅⋅=PP
BLPR LBCC
0046.02642.0 +⋅⋅=PP
BLPR LBCC
( ) ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ ⋅⋅−−⋅+=
0
000 004.008.0 B
LB
LCCCC PPPPBBLPPLPR
Altura do Ponto de Protuberância Máxima
Coeficiente de Comprimento
• Bolbo p/ Condição de Lastro
• Bolbo p/ Condição de Carga e Lastro
• Bolbos a partir de Navio Semelhante
9
Bolbo de Proa 17
Projecto do Bolbo (2)
Coeficiente de Área Transversal
5.340 −⋅= NABT FC
10 – 14%Tanques9 – 12%Graneleiros7 – 10%Carga Geral
• Valores típicos de CABT
• Na gama de valores 0.22 < FN < 1.45 pode-se relacionar a área na PPAV com o número de Froude pela expressão
Bolbo de Proa 18
Projecto do Bolbo (3)
Coeficiente de Boca ( CBB x 100 )
12.811.811.010.29.68.98.47.2012.511.610.710.09.48.88.27.0012.211.410.59.89.28.68.06.8011.911.110.39.69.08.47.86.6011.610.810.09.38.78.17.56.4011.310.59.79.18.57.97.26.2011.010.29.58.88.27.66.96.0010.79.99.28.68.07.46.75.8010.49.68.98.47.87.26.55.6010.19.38.68.17.66.96.35.409.89.08.47.87.36.76.15.209.58.88.27.46.96.45.85.009.38.67.97.26.66.25.64.800.850.800.750.700.650.600.55
CBLPP/B NOTAS:
• Os valores da tabela aplicam-se p/ bolbos com aprox. ZB/T=0.45.
• Para valores acima ou abaixo, os coeficientes devem ser aumentados ou reduzidos de 0.1% por cada 0.01 de diferença, respectivamente.
10
Bolbo de Proa 19
Construção do Bolbo (1)
• Bolbo para navio com pequenas variações da linha de água
• Parametros <a> e <b>, em que <b> éda ordem de grandeza da altura da onda de proa
United States Patent 3455262 (1969)
Bolbo de Proa 20
Construção do Bolbo (2)
• Bolbo para navio com maiores variações da linha de água
11
Bolbo de Proa 21
Construção do Bolbo (3)
• Bolbo para navio com maiores variações da linha de água
Bolbo de Proa 22
Conical Bulbous Bow (1)
• A novel bulbous bow for bulk carriers comprises a conical bulb with a faired nose, with the axis of the cone substantially parallel to the longitudinal axis of the ship.
• In a preferred embodiment the cone is a right circular cone and the faired nose is substantially a hemisphere. More particularly, the included angle of the cone is in the range of five to twentydegrees.
• Although the cone could be faired into the hull, preferably it is not. • The longitudinal centerline of the bulb is located between 45 and
60 percent of the design draft below the design waterline. • The preferred extension of the bulb, beyond the forward
perpendicular, is proportional to the square of design speed with the proportionality factor in the range of 0.015 to 0.04 and preferably 0.035.
United States Patent 3946687 (1976)
12
Bolbo de Proa 23
Conical Bulbous Bow (2)
• The cross-sectional area of the bulb at the forward perpendicular may be in the range from 10 to 20 percent of the amidships cross-sectional area.
• The bulb, comprising conical and hemispherical sections, is easier and less expensive to fabricate than some of the more complex shapes shown in the prior art.
Bolbo de Proa 24
Bolbo p/ Navegação em Gelo (1)
• Forma de proa patenteada pela EcoShip Engineering baseada em estudos feitos no HSVA
• Apresenta baixa resistência em gelo e simultaneamente baixa resistência em águas abertas
13
Bolbo de Proa 25
Bolbo p/ Navegação em Gelo (2)
• Proas testadas no HSVA
Bolbo de Proa 26
Vantagens do Bolbo de Proa (1)
• O bolbo de proa tem várias vantagens importantes e nãoapresenta desvantagens relevantes:– Reduz a onda de proa, devido à onda gerada pelo próprio bolbo,
tornando o navio mais eficiente em termos energéticos– Aumenta o comprimento do navio na flutuação, aumentando
ligeiramente a velocidade do navio, reduzindo os requisitos de potência instalada e portanto o consumo de combustível
14
Bolbo de Proa 27
Vantagens do Bolbo de Proa (2)
– Funciona como um "para-choques" robusto em caso de colisão. – Permite a instalação mais a vante do impulsor de proa, tornando-
o mais eficiente– Permite maior reserva de flutuação ou maior capacidade de
lastro a vante– Reduz o movimento de cabeceio (pitching)
Bolbo de Proa 28
Aspectos do Projecto do Bolbo
• O bolbo nunca deve emergir completamente. O ponto da extremidade mais a vante deve ficar ao nível da linha de água
• Distribuição do volume do bolbo– Demasiada imersão não produz efeito– Volume concentrado longitudinalmente perto da superfície livre
aumenta o efeito de interferência nas ondas
• As linhas de água da extremidade do bolbo devem ter forma aviada mas não circular, para evitar separação do escoamento
• O bolbo é vantajoso em navegação no gelo – os pedaços de gelo deslizam ao longo do bolbo com o seu lado “molhado” quetem coeficiente de atrito inferior
15
Bolbo de Proa 29
Análise do Bolbo
• Com base na experiência, o projectista deve avaliar se:
• O comprimento do bolbo éadequado para a velocidadeconsiderada
• A sobre-pressão gerada noslados do bolbo é adequada
• O flare da proa não aumentademasiado a altura da onda no bolbo
Representação combinada do perfil da onda, da distribuiçãoda pressão hidrodinâmica(cores) e das linhas de fluxo
Bolbo de Proa 30
Optimização do Bolbo com CFD
• Os bolbos devem ser projectados para o perfil operacionaldo navio e não apenas para a condição de carga completa
• O bolbo que mais reduz o combustível necessário para o perfil operacional requerido deve ser o seleccionado para o navio
16
Bolbo de Proa 31
Análise Não-Linear do EscoamentoPotencial (1)
• A figura mostra dois bolbos diferentes, o de BB muito maior do queo de EB. Está também representada a superfície livre não-linear aolongo do casco. Os contornos no casco representam os gradiantesde pressão dinâmica
Bolbo de Proa 32
Análise Não-Linear do EscoamentoPotencial (2)
• Pode-se concluir da figura, que o bordo do bolbo mais pequeno tem maiores cristas e cavas mais fundas, resultando numa maiorresistência
17
Bolbo de Proa 33
Optimização do Bolbo com CFD
• Representação dos contornos da altura de onda
Bolbo de Proa 34
Bolbos em Navios Mercantes (1)
Exemplo de bolbo de adição, com aresta na intersecção com o costado.
18
Bolbo de Proa 35
Bolbos em Navios Mercantes (2)
Exemplos de bolbos integrados na carena.
Bolbo de Proa 36
Bolbos em Navios Mercantes (3)
Exemplos de bolbos integrados na carena.
19
Bolbo de Proa 37
Bolbos em Navios Mercantes (4)
Bolbo de Proa 38
Bolbos Simplificados (1)
• Para reduzir os custos de produção, têm sido desenvolvidas diversas formas de bolbo simplificadas
• Estes bolbos são compromissos entre a eficácia hidrodinâmica e a redução dos custos de produção, pela diminuição da curvatura das chapas utilizadas na sua construção.
20
Bolbo de Proa 39
Bolbos Simplificados (2)
Bolbo construído a partir de formas simplificadas cónicas (Lamb, 1986 )
Bolbo de Proa 40
Bolbos Simplificados (3)
Bolbo integrado e bolbo de adição, com aresta, evitando roda de proa com peça em aço vazado (Lamb, 1986 ).
21
Bolbo de Proa 41
Bolbos em Embarcações (1)
Bolbo de Proa 42
Bolbos em Embarcações (2)
22
Bolbo de Proa 43
Projecto para a Construção
Planificação das Chapas do Bolbo
Distribuição das chapas
Bolbo de Proa 44
Produção e Montagem
23
Bolbo de Proa 45
Adição de Bolbo
Adição de bolbo a embarcação de recreio emmaterial compósito
Bolbo de Proa 46
Bibliografia (1)
• Chen, P-F, Huang, C-H, Fang, M-C, Chou, J-H (2006), “An Inverse Design Approach in Determining the Optimal Shape of Bulbous Bow with Experimental Verification”, Journal of Ship Research, Vol.50, No.1, pp.1-14. (CD-ROM#41)
• Couch and Moss (????), “Application of Large Protruding Bulbs to Ships of High Block Coefficient”, SNAME Transactions.
• Hoyle, Cheng, Hays, Johnson and Nehring (????), “A Bulbous Bow Design Methodology for High-Speed Ships”, SNAME Transactions.
• Kracht (????), “Design of Bulbous Bows”, SNAME Transactions. • Kracht (1970), “A Theoretical Contribution to the Wave-Resistance
Problem of Ship-Bulb Combinations: Verification of the Negativeness of the Interaction Term”, Journal of Ship Research, March.
24
Bolbo de Proa 47
Bibliografia (2)
• Lamb, Thomas (1986), “Engineering for Ship Production”, SNAME.• Lee, K.J. and Sarath, E.S. (2005), "Optimized Design of Hull Form
and Bulbous Bow for ULCS", Proceedings of The Fifteenth (2005) International Offshore and Polar Engineering Conference, Seoul, Korea.
• Sharma, R. and Sha, O.P. (2005), "Practical Hydrodynamic Design of Bulbous Bows for Ships", Naval Engineers Journal, Vol.117, No.1,pp.57-76.
• Smith and Salvesen (1970), “Comparison of Ship-Motion Theory andExperiment for Destroyer with Large Bulb”, Journal of ShipResearch, March 1970.
• Yim (1974), “A Simple Design Theory and Method for Bulbous Bows of Ships”, Journal of Ship Research, Sept. 1974.