PNA Controlabilidade_10 Accelerating stopping backing

10. Introdução

• Aceleração: Aumento da velocidade a partir do repouso ou de uma velocidade inicial até uma velocidade superior.
• Parada: Desaceleração de qualquer velocidade até o repouso.
• Ao discutir as capacidades de parada, consideram-se ao menos duas velocidades avante.
• O PNA destaca a faixa de 12 a 15 nós.
• O teste de aceitação de máquinas, que envolve o Emergency Full Astern a partir de Full Ahead Speed, é uma medida relativa da capacidade de parada.
• Coasting: Desacelerar o navio sem usar a potência de máquina a ré.
• O tempo e a distância necessários para desacelerar a partir de uma velocidade mais baixa são de interesse para o Ship Handler.
• Raramente se utiliza o Coasting até próximo de Dead in Water devido ao tempo prolongado.
• Reduzir a velocidade de 20 para 10 nós pode ser feito com Coasting, devido à alta resistência hidrodinâmica nessa faixa.
• Diminuir a velocidade de 5 para 3 nós requer backing power, pois a resistência hidrodinâmica é baixa.
• Backing significa acelerar a partir do repouso até uma velocidade ou distância a ré.
• O desequilíbrio entre tração e resistência faz o navio desacelerar até que a resistência total se iguale à tração em uma velocidade mais baixa.
• A distância necessária para desacelerar é crucial para reduzir a velocidade na aproximação ao porto, preparando para o uso de rebocadores.
• Backing Propeller: Hélices com pás girando com ângulo de ataque negativo, produzindo força a ré (astern thrust).
• Os principais índices de performance dessas manobras são o tempo e a distância do início ao fim.
• O tempo é importante por razões operacionais, e a distância para evitar colisões.
• Para simplificar, assume-se frequentemente que o navio segue uma linha reta durante a parada, o que não ocorre na prática.
• Durante a manobra de parada com máquina a ré, a popa tende a ir para bombordo e a proa para boreste, resultando em uma trajetória curva.
• A trajetória em linha reta só ocorre em multiscrows ships com propulsores contrarrotatórios e na ausência de vento e corrente, ou com control fixed strake line stability.
• A distância percorrida é medida ao longo da Curved Track, mas os índices de performance relevantes são o Head Reach e o Side Reach.

10.2. Tempos, Distâncias e Velocidades de Aceleração

• $X$: Força de aceleração em qualquer velocidade.
• $X$ é a diferença entre o Net Thrust (TFI) disponível e a resistência (RT) na mesma velocidade.
• A aceleração é dada pela fórmula: $RT + T(1 - t) = (\Delta + X_{add}) \dot{v}$, onde:
  • $RT$ é a resistência total.
  • $T$ é o Net Thrust.
  • $t$ é o Thrust Deduction Factor.
  • $\Delta$ é o deslocamento do navio.
  • $X_{add}$ é a massa adicional para movimento longitudinal.
  • $\dot{v}$ é a aceleração do navio no eixo x.
• A fórmula representa a segunda lei de Newton: força é igual à massa vezes aceleração.
• Se RT > TFI, o navio desacelera; se TFI > RT, o navio acelera.
• O termo de massa considera o deslocamento do navio e a massa adicional para movimento longitudinal.
• O Thrust Deduction Factor indica a perda de Thrust devido ao casco autopropulsado.
• A figura 57 exibe relações típicas entre $RT$, $TFI$ e velocidade para navios movidos a turbina a vapor.
• Para acelerar de uma velocidade inicial para uma intermediária, há duas opções:
  • Ajustar o telégrafo de máquinas para a velocidade intermediária. A força líquida (X) diminui à medida que a velocidade aumenta, tornando a aceleração lenta.
  • Colocar o telégrafo de máquinas em Full Ahead (fogo a regra) para obter uma grande diferença entre $TFI$ e $RT$. Ao atingir a velocidade intermediária, reduzir o telégrafo.
• Para calcular $X$ em qualquer velocidade: $X = RT + T(1 - t)$.
• $RT$ pode ser calculada como $RT = kV^2$, que é uma forma simplificada da equação hidrodinâmica $R = \frac{1}{2} \rho S V^2$, onde $k$ engloba a constante de densidade ($\rho$) e a área do modelo ($S$).
• Obter $T(1 - t)$ através de ábacos (embora o exemplo forneça um ábaco para torque a ré, existem similares para torque avante).
• Calcular o thrust ($T$) usando a relação $T = 2 \pi r Q$, onde $Q$ é o torque obtido no ábaco.
• A expressão simplificada $R = kV^2$ é adequada para submarinos e navios lentos, onde o número de Froude é baixo e a resistência devido à formação de ondas é menos importante.
• Para navios mais rápidos, a tabela 10 deve ser utilizada.
• A figura 60 mostra que, para uma dada configuração de navio e propulsor, a tração máxima disponível ($TFI$) pode ser encontrada em um ábaco que combina as características do propulsor com o torque do Prime Mover.
• Para cada Pitch Ratio (passo/diâmetro), há uma curva diferente. O gráfico relaciona o RPM a ré com o RPM avante no eixo horizontal e o Torque a ré com o Torque avante no eixo vertical.
• Em máquinas a turbina, a potência é aproximadamente constante ($P = T \omega$), então, quando o RPM diminui, o torque aumenta.
• Pitch fez duas simplificações para calcular as características de aceleração:
  • A aceleração do propulsor é instantânea ao dar o comando no telégrafo.
  • O Thrust Deduction Factor é constante durante a aceleração.

10.3. Distâncias de Parada

• Para Single Screw Ships e velocidades de manobra moderadas (Harbor Speed), o Head Reach não varia muito entre uma trajetória reta ou curva.
• A partir de cerca de 12 nós, o Backing Power é um critério importante para determinar a capacidade de parada.
• Em altas velocidades, é melhor virar (turning) para evitar colisões, enquanto em velocidades mais baixas, a parada (stopping) se torna mais importante.
• Os dois fatores importantes para determinar as características de parada dos navios são a resistência do navio e a força desenvolvida pelos propulsores.
• Para parar o navio, considera-se a soma do Net Thrust com a resistência total.
• A resistência do navio na velocidade inicial dissipa uma quantidade substancial de energia cinética no início da manobra, mas diminui rapidamente com a redução da velocidade (resistência varia com o quadrado da velocidade).
• A figura 60 mostra a velocidade nas abcissas (caindo da esquerda para a direita) e o Thrust nas ordenadas.
• Em altas velocidades, a resistência hidrodinâmica é o principal fator na parada. Em velocidades mais baixas, o Thrust reverso (Astern Thrust) se torna mais relevante.
• O efeito inercial da massa do navio ($\Delta$) e a Longitudinal Added Mass ($X_{add}$) opõem-se à desaceleração.
• Chase considera um termo finito para a tração mudar de Steering Ahead para Steering Astern.
• O tempo para a tração mudar de Steering Ahead para Steering Astern é de 20 segundos.
• O método de Chase se aplica a qualquer navio, em qualquer velocidade, e considera que $R = kV^n$, onde $n$ pode ser qualquer número maior que 0, mas é aproximadamente válido quando $n = 2$ (resistência varia com o quadrado da velocidade).
• Os cálculos do Head Reach e Time to Stop utilizam as mesmas equações da aceleração.
• As variáveis se agrupam em razões adimensionais:
  • Dynamic Position que é proporcional ao head reach.
  • Dynamic inputs que é proporcional ao time to stop.
  • A razão entre a resistência avante e o estern trust.
• Head reach e time to stop variam inversamente com a força retardadora.
• A baixa velocidade, a tração varia aproximadamente com o quadrado do RPM, então head reach e time to stop variam inversamente com o quadrado do RPM.
  $Velocidade \propto RPM^1$
  $Potência \propto RPM^3$
  $Força \propto RPM^2$
• Em altas velocidades, a resistência hidrodinâmica inicial dilui essa relação.
• Chase assume que a massa adicional em X é cerca de 8% do deslocamento.
• As turbinas a vapor são projetadas para prover torque a ré igual a 80% do torque avante, operando a 50% do RPM avante (Backing Power).

10.4. Parando com Liberdade de Guinada (Stopping with Freedom to Yaw)

• Na Crash Astern Maneuver em Single Screw Ships, a trajetória é imprevisível devido à perda de controle direcional.
• Para evitar colisões em navios grandes a altas velocidades e com espaço de mar suficiente, a manobra de Turning é melhor que a de Crash Stop, pois o avanço (Advance) da curva é menor e o controle direcional é mantido.
• Para menores velocidades (cerca de 6 nós), o Head Reach e os desvios de trajetória são menores, e o Turning perde sua vantagem.
• Por volta de 6 nós, a resistência hidrodinâmica não é mais o principal fator de parada, e sim a força da máquina a ré.
• Se uma força auxiliar atuar na popa (ex: Stern Thruster), ela controlará a proa em condições onde o leme e Bow Thruster não conseguiriam.

10.5. Manobra de Ciclagem do Leme (Rudder cycling Maneuver)

• A manobra de Rudder Cycling é uma forma de parar o navio sem perder o controle direcional.
• Consiste em curvas parciais para lados alternados sobre o rumo base.
• Uma grande redução de velocidade resulta da reação inercial do casco nas curvas.
• A máquina é reduzida em estágios durante a manobra até ser revertida.
• Engine Orders Archied to Heading Changes: Retirar pouca máquina após cada guinada para aproveitar a descarga do propulsor no leme.
• Comparado ao Crash Astern, a trajetória é mais previsível e o Head Reach é menor.
• Se houver espaço de mar lateral, uma simples Hard Over Turn é melhor.
• Abaixo de 8 nós, o Crash Astern Direcional geralmente é a melhor manobra.
• Se uma colisão for inevitável, o Rudder Cycling reduzirá a velocidade e a energia do impacto.
• Resumo:
  • Turning é melhor que Rudder Cycling.
  • Se não houver espaço, Rudder Cycling é uma alternativa.
  • Abaixo de 8 nós, o Crash Astern Direcional é geralmente a melhor manobra.

10.6. Efeitos das Características e Dinâmicas do Maquinário

• As características e a dinâmica do maquinário (motor, transmissão, eixos e propulsores) podem ter efeito relevante na controlabilidade.
• A máxima taxa de mudança de RPM determina o tempo necessário para parar e acelerar o propulsor para a máxima RPM.
• Para navios leves de grande potência (ex: navios de passageiros), o Head Reach do Crash Stop diminui com o aumento da taxa de mudança de RPM.
• Em navios grandes e de baixa potência (ex: petroleiros VLCC), esse efeito é menor.
• A relação potência/deslocamento é cerca de 10 vezes maior para navios de passageiros do que para superpetroleiros.
• Para Direct Drive Diesel Power Ships, que possuem capacidade limitada de reverter as máquinas várias vezes devido ao estoque limitado de ar comprimido, a controlabilidade pode ser degradada em águas restritas.
• Nesses navios, não há engrenagem redutora ou reversora, e a capacidade de inverter a rotação é limitada pelo ar comprimido.

10.7. Simulação de Parada

• A parada em linha reta com uso contínuo de máquina a ré é realista apenas se iniciada a partir de velocidades moderadas ou se houver meios especiais de controlar a proa.
• A assunção de straight path stopping permite comparar diferentes propostas para encurtar a manobra.
• Para um navio de 12 nós, reduzir o RPM pela metade (de 60 para 30) aumenta o Time to Stop de 15 para 50 minutos e o Head Reach de 3000 para 7000 metros.
• O Stern Thruster predomina ao parar um grande petroleiro em linha reta a partir de uma velocidade moderada.
• A cavitação pode reduzir a tração a ré quando o RPM a ré for maior que 70% do RPM avante máximo.
• Aumentar a potência absorvida a ré em até 100% (ex: de 30% para 60% da máxima potência avante) reduz o Head Reach em apenas 20% a 25%.
• Isso ocorre porque a tração a ré aumenta com o Shaft Horsepower (SHP) em uma potência de apenas 2/3:
  $RPM \propto Potência^{\frac{1}{3}}$
  $RPM \propto Força^{\frac{1}{2}}$
  $Potência^{\frac{1}{3}} \propto Força^{\frac{1}{2}}$
  $Força \propto Potência^{\frac{2}{3}}$
• O Time Lag para reverter o RPM tende a diluir este aumento de tração.
• O Time Lag não influencia muito na parada, mas pode ser importante para navios leves e de alta potência.
• A figura 73 exibe a influência da potência nos resultados de parada em velocidades de até 6 nós.
• Quando a potência a ré já é alta, um incremento extra de potência não resulta em redução significativa de Head Reach e Time to Stop.
• Head Reach e Time to Stop variam quase diretamente com o deslocamento.
• Deve-se assumir que a tração a ré é pouco afetada pela mudança de imersão do propulsor quando o navio é descarregado.

10.8. Manobra de Costeio (Coasting)

• A manobra de costeiom pode ser feita com o propulsor Wendmilling (girando livremente) ou com o propulsor parado.
• Com o propulsor Wendmilling, reduz-se a potência avante ao nível necessário para fazer o propulsor girar sem produzir tração.
• O navio perde velocidade somente pela resistência do casco.
• O propulsor gira em uma determinada RPM que não produz tração nem avante nem a ré.
• Na prática, a RPM é pouco menor que o RPM de 0 Slip, exercendo alguma tração a ré.
• Com Feedback Engine Control, o propulsor pode ciclar entre avante e a ré.
• No Coasting com o propulsor parado, o navio perde velocidade pela resistência do casco somada à resistência do propulsor travado.
• As equações de Chase (Dynamic Rotation e Dynamic Input) usadas para estimar distância e tempo de parada também se aplicam ao Coasting, com as seguintes exceções:
  • A velocidade final não é 0, mas uma fração da velocidade inicial ($V_0$).
  • Com o Wendmilling, o Astern Thrust é igual a 0.
  • Com o propulsor travado, o thrust também é igual a 0, mas a resistência do casco é aumentada pelo arrasto do propulsor ($\Delta R$).
    $R<em>{total} = R</em>H + \Delta R$
  • Assume-se que t0 vai a zero instantaneamente
• Uma medida útil do comportamento em Coasting é a distância percorrida para alcançar uma fração específica da velocidade inicial (pronto para cair na prova).
• A tabela 12 fornece equações considerando:
  • Massa adicional em X é 8% do deslocamento.
  • O expoente da velocidade é igual a 2 (n=2).
• Com n é igual a 2, a distância percorrida no Coasting para uma dada fração da velocidade inicial é independente do valor da velocidade inicial.
• O arrasto causado pelo propulsor travado no eixo, é muito grande.
• A razão de $\Delta R$ por $R_H$ na faixa de velocidade $n = 2$ pode chegar ate 3, para passageiros grandes de dois eixos.
• A distância de Coasting pode ser reduzida de 2 a 4 vezes se os propulsores forem travados, e não deixados livres.

10.10. Dispositivos Auxiliares de Parada

• A seção é subdividida em Forças de Retardamento Hidrodinâmicas, Forças de Retardamento Não Hidrodinâmicas e Rebocadores.

Forças de Retardamento Hidrodinâmicas

• A resistência hidrodinâmica é proporcional ao quadrado da velocidade.
• Em altas velocidades, a resistência é o principal fator contribuindo para a força de parada.
• Dispositivos como Waterparachutes e Break Flats são relativamente ineficientes a partir de velocidades moderadas, onde paradas não planejadas são mais prováveis.
• Para parar o navio a 20 nós, paraquedas na água seria bom..
• Velocidades moderadas, que são velocidades de porto, (8, 6 nós), a traquitanda não vai te ajudar muito e você também não tem espaço para girar o navio.
• Em baixas velocidades, esses dispositivos não adiantam quase nada, mesmo que sua resistência seja 20 vezes maior que a resistência do casco.

Forças de Retardamento Não Hidrodinâmicas

• A exemplo das hidrodinâmicas, as forças não hidrodinâmicas também são pouco efetivas emHeadReach e stoping time a baixar velocidades.
• Para melhores efeitos, aumentar a intensidade dessa força (ex: foguetes) no começo da manobra, em faixas de maior velocidade.
• Pense em queimar uma maior quantidade de combustível no começo da manobra do que em uma distribuição mais igualitária.

Rebocadores

• Rebocadores são regularmente usados para prover Stoping Forces a baixas, sendo parte do sistema de controle do navio.
• Para os estudos, o rebocados tem fixação constante, provendoRecharging Force adicional.
• Nos testes, petroleiros tinham 190000 toneladas Deadwayght a 6 nós, com 6 e 0 de RPM, o resultado era o mesmo, com cerca de 1300 metros.
• Situação similar para velocidades inicias de 3 nos.
• Nota-se que em uma situação na qual o case usa ao menos 40 RMP a ré a aproximação em RP do navio tem efeito muito maior que o número de rebocadores.
• Nesse trabalho, os rebocadores usados foram muito fraquinhos, com apenas 1500 HP e Ashtern First de 15 toneladas.