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TCC Propulsores Para ROV
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CENTRO UNIVERSITÁRIO DAS FACULDADES ASSOCIADAS DE
ENSINO
Campus São João da Boa Vista
Curso de Engenharia da Computação – ROV Subaquático
SISTEMA DE PROPULSORES PARA UM ROV - SUBAQUÁTICO
Vander Sergio da Silva Jr
Wagner Landiva de Souza
SÃO JOÃO DA BOA VISTA
2010
Vander Sergio da Silva Jr
Wagner Landiva de Souza
SISTEMA DE PROPULSORES PARA UM ROV - SUBAQUÁTICO
Trabalho apresentado a disciplina de Orientação de Projeto de Fim de Curso do programa de Graduação em Engenharia da Computação com Sistema de Propulsores do Centro Universitário das Faculdades Associadas de Ensino – Campus São João da Boa Vista.
Orientador: Prof. Ramiro R. Costa
SÃO JOÃO DA BOA VISTA
2010
SISTEMA DE PROPULSORES PARA UM ROV - SUBAQUÁTICO
Trabalho apresentado a disciplina de Orientação de Projeto de Fim de Curso do programa de Graduação em Engenharia da Computação com Sistema de Propulsores do Centro Universitário das Faculdades Associadas de Ensino – Campus São João da Boa Vista.
Orientador: Prof. Ramiro R. Costa
Prof. M.Sc. Ramiro Romankevicius Costa - Orientador
Prof. M.Sc. Henrique Antônio Mielli Camargo - Examinador
Prof. Dr. Helder Anibal Hermini - Examinador
São João da Boa Vista, 09 de dezembro de 2010.
DEDICATÓRIA
Vander Sergio da Silva Jr:
“Aos meus familiares por acreditarem em mim, pelo amor e carinho, e aos
meus amigos pelo incentivo.”
Wagner Landiva de Souza:
“A Deus, por dar forças nos momentos mais difíceis, a família pelo incentivo e acreditarem no meu potencial, aos amigos que lutaram até o final ”
AGRADECIMENTOS
Ao nosso orientador, Professor Ramiro R. Costa, pela oportunidade de
podermos trabalhar com um robô subaquático, também por incentivar e ter paciência
para finalizar o projeto na prática.
Aos professores Helder e Henrique, por aulas extras concedidas em
momentos de grande precisão.
Aos familiares e amigos por estarem torcendo juntos até o final.
A todos os professores presentes no decorrer da graduação, que
proporcionaram o aprendizado para nossa realização final.
RESUMO
Este trabalho consiste em desenvolver a propulsão e comunicação, para ROV
em ambiente de águas de baixa profundidade.
A propulsão será realizada através de três bombas de água instalada na
estrutura do robô por um berço preparado onde estas serão responsáveis pela
movimentação lateral, ascendente e descendente da estrutura, onde nos seus eixos
serão fixadas os hélices. A alimentação dos propulsores/motores será feita por uma
bateria que ficara do lado externo, sendo que a comunicação entre eles ira ser
realizada através de um cordão umbilical transferindo a energia necessária para sua
locomoção.
Palavras-Chave: Propulsores, hélices, veículo submersível, ROV.
ABSTRACT
This work consists of developing propulsion and communication, for ROV in water
environment of low depth. The propulsion is performed through three water pumps
installed in the structure of the robot for cots prepared where they will be responsible
for lateral movement, ascendant and descendant of structure, where in their axles
shall be fixed propellers. Feeding propellants/engines is done by a battery that had
external side, with communication between them will be accomplished through an
umbilical transferring the energy required for your mobility aid.
Keywords: Thrusters, propellers, submersible vehicle, ROV.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: ROV Duncan – Observação de Náufragos. ............................................13
Figura 2.1: ROV de baixo custo utilizados em inspeções e observações subaquáticas.............................................................................................................. 17
Figura 2.2: ROV de médio porte Perry’s Scorpio....................................................... 18
Figura 2.3: ROV de grande porte Triton XL............................................................... 18
Figura 2.4: Motor elétrico............................................................................................19 Figura 2.5: Motor eletro-hidráulico..............................................................................19
Figura 2.6: Descrição das partes de um hélice.......................................................... 22
Figura 2.7: Representação gráfica de um hélice........................................................23
Figura 2.8: Cabo de fibra óptica................................................................................. 25
Figura 3.1: Motores bomba d'água............................................................................31
Figura 3.2: Motor acoplado no berço.........................................................................31
Figura 3.3: Retirando a capa da bomba. ...................................................................33
Figura 3.4: Motor elétrico pronto. ..............................................................................33
Figura 3.5: Hélice três pás.........................................................................................35
Figura 3.6: Adaptador do hélice no motor. ................................................................35
Figura 3.7: Propulsor finalizado.................................................................................36
Figura 3.8: Cordão umbilical......................................................................................37
Figura 3.9: Bateria automotiva. .................................................................................38
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Testes de Hélices ...................................................................................34
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AH DC GHP ISE KGF PC PV PVC ROV UFBA V W
Ampere Corrente Continua Gross Horse Power International Submarine Engineering Quilograma Força Personal Computer Vaporização do fluido Poly Vinyl Choloride Remotely Operated Vehicle Universidade Federal da Bahia Volt’s Watts
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .......................................................................................................13
1.1 Justificativa ....................................................................................................14
1.2 Objetivos.........................................................................................................15
1.2.1 Objetivo Geral..............................................................................................15
1.2.2 Objetivos Específicos.................................................................................15
2 REVISÂO DE LITERATURA .................................................................................16
2.1 ROV – Veículos Operados Remotamente ....................................................16
2.1.1 Componentes de um ROV..........................................................................16
2.1.2 Modelos de ROV..........................................................................................16
2.2 Motores ...........................................................................................................19
2.2.1 Propulsores .................................................................................................20
2.2.2 Hélices .........................................................................................................21
2.2.4 Cordão umbilical .........................................................................................24
2.2.5 Subsistema de Energia ou Potência .........................................................25
2.3 Cavitação ........................................................................................................26
2.4 Empuxo...........................................................................................................28
3 METODOLOGIA ...................................................................................................29
3.1 Projeto.............................................................................................................29
3.2 Motores ...........................................................................................................30
3.3 Hélices ............................................................................................................34
3.4 Cordão Umbilical............................................................................................36
3.5 Bateria.............................................................................................................38
4 RESULTADOS.....................................................................................................39
5 CONCLUSÃO ......................................................................................................40
5.1 Conclusão.......................................................................................................40
5.2 Trabalhos Futuros..........................................................................................41
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................................42
13
1 INTRODUÇÃO
Um ROV (Remotely Operated Vehicle) é um veículo subaquático,
controlado remotamente, que permite a observação remota do fundo do mar e
estruturas submarinas, Figura 1.1. A ligação entre o veículo e a superfície é
assegurada por um cordão umbilical que permite a comunicação bidirecional, assim
como o transporte de energia para o veículo (IH, 2010).
Figura 1.1: ROV Duncan – Observação de Náufragos. Fonte: Yes Magazine, (2003).
A utilização de um ROV permite a operação a maiores profundidades e
durante um período mais prolongado do que seria conseguido com recurso a
mergulhadores. Além disso, é possível a operação em águas contaminadas que
representam um risco para a vida humana.
No capítulo 2 será apresentada uma revisão bibliográfica de propulsores,
hélices e cordão umbilical já existente ou até mesmo em protótipos finalizados. Uma
pequena previa de efeitos como cavitação, sombra do hélice e arrasto na construção
de um veículo subaquático.
Na seqüência do capítulo 3 demonstra o desenvolvimento do projeto na
prática, como foi realizada passo a passo a construção do ROV determinando suas
características.
14
O capítulo 4 trata-se dos resultados obtidos com os testes realizados no
protótipo em piscina.
Capítulo 5 traz a conclusão final do projeto e futuros trabalhos a serem
realizado no protótipo, melhorando seu desempenho.
1.1 Justificativa
Os ROVs tiveram sua importância comprovada na exploração dos oceanos,
sendo muito utilizadas em pesquisa submarinas na busca de destroços, pesquisa
arqueológica e em especial na indústria do petróleo, onde é usado principalmente na
operação de poços, posicionamento, construção e inspeção, acompanhamento do
trabalho de mergulhadores e fiscalizando barragens de hidrelétricas.
Nos dias atuais o ROV se tornou uma ferramenta muito importante na
extração de petróleo no fundo do mar. Possuindo múltiplas finalidades, desde a
pesquisa até sua exploração.
Por se tratar de um projeto interdisciplinar envolvendo diretamente a teoria
com a prática.
15
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
Projetar e montar um protótipo de ROV submersível – para águas de baixa
profundidade, controlado por Computador. Divido em três grupos responsáveis pela
estrutura, propulsores e controle do robô.
1.2.2 Objetivos Específicos
O objetivo deste projeto foi desenvolver e definir os padrões para os
propulsores utilizados no ROV, desenvolver e analisar as alternativas de hélices e
fontes de alimentação. Após isso definir a melhor opção de cordão umbilical para o
veiculo. Analisando os problemas apresentados no decorrer do projeto e procurando
solucionar da melhor forma.
16
2 REVISÂO DE LITERATURA
2.1 ROV – Veículos Operados Remotamente
Segundo a Marine Technology Society of USA (1984), o veículo remotamente
operado (ROV) é descrito como um robô subaquático que permite que o operador
permaneça em um ambiente confortável enquanto o ROV executa o trabalho
subaquático. O ROV possui um cordão umbilical que interliga os sinais do comando
e de controle do veículo, enviando as informações dos sensores aos operadores.
Em sistemas mais complexos, uma garagem submersa composta pelo cabo
umbilical e o sistema de gerência é freqüentemente incluída.
2.1.1 Componentes de um ROV
Os sistemas do robô para este projeto esta dividido: propulsores, hélices,
alimentação e cordão umbilical.
2.1.2 Modelos de ROV
A classe dos Rovs de pequeno porte elétricos, estes veículos apresentam o
mais recente em tecnologia de motores brushless DC (propulsores) aos sistemas de
controle baseados em PC e sistemas de fibra óptica de telemetria. Veículos
operados eletricamente podem ser feito para ir 20.000 pés (6.096 metros), com
muito menos energia necessária para operá-los em profundidade. A capacidade de
fazer o trabalho pesado ainda não é possível com os ROVs elétrico, principalmente
limitado pela natureza de design necessário ao eletro-hidráulico de manipular
sistemas modernos de trabalho, mas eles ainda podem executar muitas tarefas a um
custo muito menor.
17
Os veículos elétricos ganharam popularidade com os mercados militar e da
ciência, devido principalmente à sua operação silenciosa. Além disso, as exigências
de trabalho para os militares e ciência são, na maioria dos casos, não tão complexo
quando comparado com ROVs usada para operações de petróleo e gás.
Figura 2.1: ROV de baixo custo utilizados em inspeções e observações subaquáticas. Fonte: Marine Technology Society, 1970.
Esta classe de tamanho médio de ROVs se refere aos veículos eletro-
hidráulico variando de 20-100 cavalos, normalmente, os que só podem transportar
cargas moderadas e limitaram a estrutura através da capacidade de transporte.
Estes ROVs variam o peso de 1,000-2,200 kg, com capacidade de carga típica em
100-200 kg de intervalo. Eles carregam geralmente um manipulador único. Alguns
têm a capacidade de elevar através braço mecânico mais de 450 kg. Essa classe foi
desenvolvida para realizar o trabalho, levando um ou dois manipuladores, em
condições de alta corrente. Os ROVs iniciais desenvolvidos, como (AMETEK) Tritech
Perry's (originalmente Escorpio) Figura 2.2 e Submarine Engineering Hydra veículos
Internacional, ainda estão em operação no mundo hoje. Algumas tarefas típicas da
classe são a perfuração de apoio, apoio de construção e inspeção de oleodutos.
18
Figura 2.2: ROV de médio porte Perry’s Scorpio. Fonte: Marine Technology Society, 1970.
Veículos capazes de realizarem grandes trabalhos podem ser divididos pela
capacidade de profundidade e potência, e representa a classe dos ROVs a ser
usada para operações em águas profundas atual para 8.202 pés (2.500 metros),
variando 100-250 cavalos de potência e com capacidade de elevação através de
quadro 5.000 kg, a característica distintiva entre os ROVs de médio e grande porte.
TRITON XL veículos da categoria Trabalho como Tritech Triton Perry XL, Figura 2.3.
Sua faixa de peso (sem os pacotes de trabalho) de cerca de 2,000-6,500 kg.
Figura 2.3: ROV de grande porte Triton XL Fonte: Marine Technology Society, 1970.
19
2.2 Motores
Motores elétricos ou eletro-hidráulico são normalmente utilizados na
propulsão de veículos subaquáticos/ ROV’s, como por exemplo, veículos
submarinos de operação remota, como aqueles usados na inspeção e manutenção
de poços de petróleo em águas profundas, são construídos de forma completamente
vedada, na qual o motor gira imerso em um fluido eletricamente isolante. Esta
concepção busca solucionar os problemas inerentes a altas pressões e evitar
acesso de água aos componentes internos do motor, Figura 2.4 e 2.5.
Figura 2.4: Motor elétrico Figura 2.5: Motor eletro-hidráulico Fonte: Sub-atlantics, 2007 Fonte: OLDS ENGINEERING, 1918.
Esses motores possuem um eixo no qual em uma das extremidades é
colocado o propulsor (hélice). Este conjunto motor/propulsor é posicionado dentro de
um tubo para melhorar do desempenho hidrodinâmico. Um dos aspectos
importantes da propulsão de veículos subaquáticos é que o peso do
motor/hélice/túbulo seja minimizado enquanto a potência é maximizada. Essa
otimização da relação potência/peso é importante para assegurar a maior
mobilidade possível ao veículo. O tipo de construção apresenta limitação decorrente
do peso considerável dos componentes, normalmente metálicos, de vedação e de
ligação do motor ao eixo, limitando a maximização da relação potência/peso. Existe
20
ainda uma segunda desvantagem associada às características de construção dos
motores convencionais. Como o hélice é colocado em uma das extremidades do
eixo é importante que o comprimento de suas pás seja maior que o raio do motor
para minimizar o efeito de sombra do motor quando a propulsão é feita em um
sentido ou outro.
Por se tratar de um robô subaquático, o motor obrigatoriamente tem que ser
blindado, lacrado não podendo entrar água, desta maneira a melhor opção tanto por
custo beneficio, quanto por praticidade foi aplicados propulsores bombas de água.
(para baixa profundidade).
2.2.1 Propulsores
Segundo ISE (2000), quando um veículo submersível se movimenta com
velocidade constante, a propulsão gerada pelos propulsores se iguala à força de
arrasto produzida pelo veículo, EQ. (2.1).
Dap ACVFF2
2
1ρ== (2.1)
Sendo:
pF – Força de propulsão (N)
aF – Força de arrasto (N)
V – velocidade (m/s)
DC – coeficiente de arrasto
A – área de referência (área frontal) (m²)
ρ - massa específica do fluído (kg/m³)
21
A potência requerida para o propulsor pode ser fornecida pela EQ. (2.2).
Dppropulsor ACVVFP 3
2
1ρ== (2.2)
As unidades das variáveis de entrada são fornecidas em (N) para força e
(m/s) para velocidade, as quais resultarão em um valor da potência em (W).
2.2.2 Hélices
Em engenharia naval, diferentemente da engenharia aeronáutica, o termo que
referencia os hélices de um propulsor é tratado no masculino, representando o
sistema de empuxo de uma embarcação (LEWIS, 1998).
Sendo os hélices um dos principais componentes do sistema de propulsão
utilizados em ROV, faz-se importante entender, através de uma breve revisão, seu
funcionamento e suas principais características.
Sendo as hélices um dos principais componentes dos sistemas de propulsão
utilizados em ROV, fazem-se importante entender, através de uma breve revisão,
seu funcionamento e suas principais características.
Os hélices são constituídas por um núcleo, o cubo, ao redor do qual estão
dispostos e regularmente distribuídos um determinado número de pás, Figura 2.6. A
pá da hélice compreende uma superfície ativa, o cara (superfície externa), que
geralmente é um helicóide simples. Esta superfície está disposta na parte de trás,
em relação ao movimento da hélice. A superfície oposta, o dorso (superfície interna),
é geralmente arqueado. A seção transversal da pá se aproxima à dos perfis de
mínima resistência à penetração em fluidos. A pá está limitada por um contorno cuja
borda dianteira é denominada de bordo de ataque e a borda posterior de bordo de
fuga. A seção longitudinal da pá é constituída por uma espessura decrescente do
centro para a periferia. A união das pás com o cubo acontece através das
superfícies de adesão, que constituem um ponto de alta resistência dos hélices
(NICOLET e BRODBECK, 1955).
22
Figura 2.6: Descrição das partes de um hélice. Fonte: Ceyreste hélices, (2004).
Ainda segundo Nicolet e Brodbeck (1955), para definição do hélice é
necessário caracterizar: número de pás, diâmetro, passo e sua variação (se houver),
diretriz, natureza da geratriz, espessura sobre o eixo, espessura periférica, distância
da linha de espessuras máximas ao bordo de ataque, além de vista frontal e superior
que detalhem a forma do cubo e o contorno da pá, conforme Figura 2.7.
23
Figura 2.7: Representação gráfica de um hélice. Fonte: NICOLET e BRODBECK, (1955).
Conforme o sentido de construção do hélice o comportamento do fluido de
propulsão é modificado. A determinação dos parâmetros do hélice permite a
construção de hélices capazes de gerar a mesma eficiência de propulsão nos dois
sentidos de rotação. Segundo o National Research Council (1996), os subsistemas
de propulsão definidos pelos diversos submersíveis ROV já construídos apresentam
as seguintes formas:
1) Propulsão Elétrica do Hélice;
2) Propulsão Hidráulica do Hélice (eletro-hidráulico);
A configuração do sistema de propulsores deriva das tecnologias
desenvolvidas para embarcações. Os propulsores elétricos são normalmente
utilizados em ROV de baixo custo, enquanto os propulsores hidráulicos e eletro-
hidráulico são utilizados em ROV das classes média, grande e ultra-profundos
(JIMENEZ, 2004).
Os propulsores elétricos funcionam através da aplicação de uma diferença de
potencial elétrico entre seus pólos de ligação, enquanto o propulsor hidráulico utiliza
um diferencial de potencial hidráulico para o acionamento do hélice, sendo
necessária à utilização de todo um sistema capaz de suprir a demanda dos
propulsores e outros atuadores hidráulicos disponíveis no ROV.
24
Os propulsores elétricos são muito difundidos pela facilidade de utilização,
pelo baixo custo e pelo baixo consumo de potência, o que permite uma maior
autonomia do veículo (SCHUBAK et. Al., 1995). Estes equipamentos geralmente
fornecem uma propulsão mais eficiente comparada com a fornecida pelos
propulsores hidráulicos (SMALLWOOD, 1999).
Em síntese, para o desenvolvimento de um sistema de propulsão eficiente
para ROV, deve-se buscar a melhor relação entre o peso do submersível e sua
capacidade de carga extra, e o sistema de vetorização de empuxo, que refletirá em
uma menor demanda do sistema de potência.
2.2.4 Cordão umbilical
O sistema de comunicação entre o ROV e os operadores é normalmente
realizado através de um cordão composto por fibra-ótica ou cabo manga, e cabo de
potência (NATIONAL RESEARCH COUNCIL, 996 e LYGOURAS et. Al., 1995). Este
cabo, também denominado de cordão umbilical, transmite aos operadores as
informações dos sensores presentes no ROV, às imagens das câmeras de vídeo,
informações de potência aplicada aos atuadores e outras informações que facilitam
a operação destes equipamentos e retornam ao ROV os comandos enviados pelos
operadores e a alimentação de energia.
A utilização da fibra-óptica, Figura 2.8, permitiu que um maior fluxo de
informações trafegasse no cabo umbilical, agregando a possibilidade de utilização
de diversos tipos de sensores e gerenciamento em tempo real. Segundo Benthos
(2003), os cordões umbilicais utilizam um revestimento capaz de suportar uma
tensão de trabalho, definida pelo dimensionamento do ROV, e que imprime ao cabo
uma flutuação neutra ou negativa.
25
Figura 2.8: Cabo de fibra óptica. Fonte: Cabos Submarinos, 2010.
2.2.5 Subsistema de Energia ou Potência
Os ROV utilizam normalmente sistema de potência externo provido por uma
fonte de alta-tensão. A energia é transmitida pelo cabo umbilical e convertida para
os diversos níveis de tensão utilizados pelos subsistemas embarcados no ROV
(OMERDIC e ROBERTS, 2003).
Apesar de esta prática ser bastante comum, a utilização desta concepção tem
dois problemas: o alto custo do cabo e o alto risco associado ao uso de alta-tensão.
Poucos ROV utilizam sistema de potência embarcado, por ser este um limitador da
carga extra suportada pelo veículo, e do tempo de autonomia do mesmo. Entretanto,
existem algumas vantagens na utilização deste tipo de sistema: redução do diâmetro
do cabo umbilical, com conseqüente redução na interferência do mesmo no controle
do ROV e no custo final e redução dos riscos inerentes à utilização da alta-tensão.
Segundo National Research Council (1996) a definição do sistema de
potência a ser adotado no veículo submersível afetará sua autonomia e sua
capacidade de carga extra. Freqüentemente a fonte de energia é avaliada em
termos de potência, mas poder-se-á referenciá-la também em termos de energia
específica (Watt-hora por quilograma) ou em termos de densidade de energia (Watt-
26
hora por litro).
Baterias são normalmente utilizadas em veículos submersíveis, seja como
fonte secundária de energia ou como fonte primária. Este quadro é dividido em três
tipos de sistema de potência: bateria recarregável bateria não recarregável e células
combustível. As células combustíveis são dispositivos que funcionam por reações
eletroquímicas entre um reagente e um oxidante produzindo eletricidade.
Fatores importantes na seleção da bateria incluem: a capacidade de fornecer
a quantidade de energia na medida necessária, confiabilidade, facilidade e
velocidade de recarga e possibilidade de operar em condições adversas, tais como
sob grandes variações de temperatura e de pressão.
As considerações da segurança aplicadas a sistemas de potência
embarcados em veículo submersíveis são críticas e limitam o uso de algumas
baterias, tais como a de lítio, que apesar de sua elevada capacidade de
fornecimento de energia podem gerar gases explosivos durante a operação ou
podem pegar fogo se falharem.
2.3 Cavitação
De acordo com este projeto a estrutura foi desenhada a fim de evitar a este
inconveniente. No caso dos ROV, a cavitação é um fator preocupante, pois se o
veiculo pairar muito próximo ao leito aquático existe a possibilidade da baixa pressão
provocar uma sucção que prenderá o veiculo ao fundo.
Considere-se um fluido no estado líquido escoando com uma temperatura T0
(temperatura inicial) e a uma pressão P0 (pressão inicial). Em certos pontos devido a
aceleração do fluido, como em um vertedor, em uma turbina hidráulica, em uma
bomba hidráulica, em um bocal ou em uma válvula, a pressão pode cair a um valor
menor que a pressão mínima em que ocorre a vaporização do fluido (Pv) na
temperatura T0. Então ocorrerá uma vaporização local do fluido, formando bolhas de
vapor.
A este fenômeno costuma-se dar o nome de cavitação (formação de
cavidades dentro da massa líquida).
27
A cavitação é comum em bombas de água e de óleo, válvulas, turbinas
hidráulicas, propulsores navais, pistões de automóveis e até em canais de concreto
com altas velocidades, como em vertedores de barragens. Ela deve ser sempre
evitada por causa dos prejuízos financeiros que causa devido à erosão associada,
seja nas pás de turbinas, de bombas, em pistões, válvulas ou em canais.
Estas bolhas de vapor que se formaram no escoamento devido à baixa
pressão, serão carregadas e podem chegar a uma região em que a pressão cresça
novamente a um valor superior à Pv. Então ocorrerá a "implosão" dessas bolhas. Se
a região de colapso das bolhas for próxima a uma superfície sólida, as ondas de
choque geradas pelas implosões sucessivas das bolhas podem provocar trincas
microscópicas no material que, com o tempo, irão crescer e provocar o
descolamento de material da superfície, originando uma cavidade de erosão
localizada. Este é um fenômeno físico molecular e que se dissemina e tende a
aumentar com o tempo causando a ruína dos rotores, válvulas, propulsores.
A Cavitação normalmente é causada por:
• Altura estática de sucção;
• Velocidade do fluido muito alto (que para uma mesma seção transversal
varia de acordo com a vazão);
• Rugosidade das paredes dos tubos;
• Comprimento da tubulação de sucção;
• Perdas de cargas localizadas devidas às peças intercaladas nesta parte da
instalação;
• Bomba de sucção não afogada / Altura da bomba de sucção;
(LUPATECH S.A., 2008).
Além de testes padrão para determinação das características de propulsores
em água aberta, investigações especiais visando à detecção de pulsos e ruídos de
pressão induzida no hélice são realizados no Túnel de Cavitação.
Hélices de grandes dimensões podem ser modeladas e testadas em
números de Reynolds elevados, visando estudar e prevenir o fenômeno de
cavitação. A observação com câmeras de alta velocidade permite a análise
detalhada dos fluxos hidrodinâmicos e o estudo de soluções para a otimização do
projeto de hélices.
28
2.4 Empuxo
Em um corpo imerso em um liquido encontram-se duas forças: Empuxo e
Peso.
Empuxo é denominado quando um corpo imerso na água se torna mais leve
devido a uma força, exercida pelo líquido sobre o corpo, vertical e para cima, que
alivia o peso do corpo;
Peso é devido à interação com o campo gravitacional;
Quando um corpo está totalmente imerso em um líquido, podemos ter as
seguintes condições:
• Se ele permanece parado no ponto onde foi colocada, a intensidade da força
de empuxo é igual à intensidade da força peso (E = P);
• Se ele afundar, a intensidade da força de empuxo é menor do que a
intensidade da força peso (E < P);
• Se ele for levado para a superfície, à intensidade da força de empuxo é
maior do que a intensidade da força peso (E > P).
29
3 METODOLOGIA
A montagem para o protótipo proposto foi conduzida a partir do modelo
(GALATEA) ROV da UFBA, alem de outros modelos semelhantes de outras grandes
universidades do Brasil, cuja finalidade principal é de apoio à operações de poços de
petróleo. O ROV é muito usado também em pesquisas submarinas em geral,
inclusive busca a destroços e pesquisa arqueológica embaixo de águas. Na
indústria do petróleo é usado principalmente na operação de poços, posicionamento,
construção e inspeção, acompanhamento do trabalho de mergulhadores.
O ROV é composto por câmeras ligadas à uma estrutura que pode-se
movimentar graças os hélices ligadas à motores elétricos.
3.1 Projeto
O projeto de um veículo submersível inicia-se com a elaboração e o
planejamento das funções básicas necessárias para o arranjo dos propulsores e
hélices.
Este capítulo tem como objetivo demonstrar a aplicação prática e
conhecimento que relacionam em uma rede de informações e ações, tendo em vista
transpor todo o projeto de construção de um veículo submersível especificando o
sistema de propulsão e empuxo dos hélices.
No início do projeto algumas questões foram levantadas, e surgiram algumas
perguntas que determinaram as características do submersível, assim delimitando o
projeto:
1. Atividades em que o veículo irá realizar e possíveis acessórios a ser
definidos como carga extra para executarem essas atividades?
2. Qual profundidade o submersível irá operar?
3. Em que velocidade o veículo irá operar?
4. Autonomia necessária ao submersível em operação?
30
Os esclarecimentos destas questões definiram alguns parâmetros do projeto:
Com a escolha dos motores definiu o tamanho da estrutura, capacidade de
peso e volume a ser alocado dentro da caixa de equipamentos eletrônicos em que o
submersível agüentaria se locomover sem medir esforços.
Inicialmente por se tratar de um experimento acadêmico de baixo custo
estabeleceu a profundidade de no máximo 10 metros, juntamente de acordo com
motores e a estrutura produzida, a partir de canos de PVC.
A velocidade não será importante pelo motivo de se tratar de um submersível
de baixa profundidade e sem funções especificas de alta ou baixa velocidade, a
escolha dos hélices resultou um melhor desempenho no veiculo tanto em força
como velocidade.
A energia obtida de uma Bateria de 12V, 60AH será distribuída para os
motores de acordo com a potência desejada, em cada comando executado, o gasto
de energia será o mínimo possível.
3.2 Motores
Na definição dos propulsores, optou-se pelo desenvolvimento de um motor
capaz de trabalhar submerso, levando em consideração: a potência e a força
estabelecida pelo sistema de propulsão.
Os motores escolhidos neste protótipo são bombas d’água da marca RULE,
Figura 3.1. Perfeitamente adaptados para uso de propulsor, sendo os três motores
do modelo RULE 500ghp de baixo custo com capacidade de inversão de corrente,
do modelo DC e pela facilidade do manuseio por já ser um propulsor
vedado/blindado e impermeável, facilitou a montagem no protótipo. É um motor
elétrico de 2,5 Amperes, 12 Volts pesando apenas 320g. .
31
Figura 3.1: Motores bomba d'água. Fonte: Própria.
Os propulsores do ROV são acoplados na estrutura por um berço de PVC,
modelo T 40x25 com redução, Figura 3.2. Estão localizados em pontos
transversalmente opostos garantindo simetria no submersível na posição horizontal
e o propulsor vertical no centro da estrutura propiciando equilíbrio na emersão e
submersão do ROV.
Figura 3.2: Motor acoplado no berço. Fonte: Própria.
32
Esses motores são bombas de água,
Cuja potência é dada pela EQ.(3.1) (HALLIDAY, 2006).
WPot
Pot
IVPot
30
5,2*12
*
=
=
=
(3.1)
Sendo um protótipo, o trabalho foi realizado em baixa escala de medidas,
sendo permitido ao máximo 16 metros de cordão umbilical no seu total para a nossa
experiência.
Para o cálculo do peso da estrutura foi utilizado os dados dos motores mais
um acréscimo na distancia e no tempo onde foi proposto que o robô andaria 1 metro
em 10 segundos. Cujo peso da estrutura foi dado pela EQ.(3.2) (HALLIDAY, 2006).
T
DFPot
∆=
* (3.2)
s
MFW
10
1*30 =
s
KgF
1
300=
Onde:
=Pot potência;
=F forca;
=D distancia;
=∆T variação do tempo;
Dado que a estrutura poderia chegar ao máximo de 24 kg, andando 1 metro
em 10 segundos para usar a potencia do motor.
Os motores em potência máxima consomem aproximadamente 30 W e
possuem força equivalente a 1,02 Kgf de acordo com fabricante.
33
A transformação da bomba d’água em um motor elétrico de corrente continua
foi possível através da remoção da capa que envolvia o motor. Com uma serrinha
própria, retirou-se o plástico de entrada e saída de água como mostra a Figura 3.3,
restando apenas o motor elétrico e o eixo de fixação do hélice, Figura 3.4.
Figura 3.3: Retirando a capa da bomba. Fonte: Própria.
Figura 3.4: Motor elétrico pronto. Fonte: Própria.
34
3.3 Hélices
A escolha dos hélices no inicio estava focado em modelos náuticos capazes
de movimentar o ROV com empuxo satisfatório.
Pesquisas de testes realizadas em várias marcas demonstraram que os
modelos de 50 mm, três pás obtiveram um melhor desempenho. A hélice Graupner
proporciona maior empuxo para frente, com menos amperes de consumo em
relação aos outros modelos, porem tem uma perda significativa de pressão no
sentido inverso, como podemos ver na Tabela 3.1. (HOMEBUILT ROV, 2003).
Tabela 3.1: Testes de marcas e modelos do Hélices Frabricante Modelo Hélice Pás Diametro Empuxo Direita Empuxo Esquerda
Robbe ROB1471-72 3 50mm 1.8 1.4Robbe ROB1464-65 3 60mm 1.5 0.8Robbe ROB1487 3 60 c/Kort 1.5 0.8
X-Brand RA3009 2 45mm 1.6 1.3X-Brand RA3010 2 50mm 1.7 1.4
Graupner GR1128 2 45mm 1.5 1.0Graupner GR230840 3 40mm 1.3 0.3
Graupner GR230850 3 50mm 2.2 0.6Graupner GR230850 4 50mm 1.5 0.8
Fonte: HOMEBUILT ROV, (2003).
Serão necessários três hélices do modelo Graupner 50 mm Ø, eixo de 4 mm
com 3 pás, rotação direita, Figura 3.5. São hélices de modelos náuticos com
angulação própria.
São responsáveis pelo movimento coordenado do robô em linhas
longitudinais.
Determinam o empuxo tanto para emergir, submergir e mover para frente e
para trás.
35
Figura 3.5: Hélice três pás. Fonte: Hobby-Lobby, acessado em 05/10/2010.
Para fixar os hélices no eixo do motor, foi preciso de um adaptador que na
entrada fosse de 0,5mm e a saída de 4mm para apertar o hélice no eixo, sem causar
problemas para seu funcionamento como mostra a Figura 3.6.
Figura 3.6: Adaptador do hélice no motor. Fonte: Própria.
36
A Figura 3.7 demonstra todas as etapas acima citadas compondo o propulsor
projetado para o veículo subaquático.
Figura 3.7: Propulsor finalizado. Fonte: Própria.
3.4 Cordão Umbilical
Corresponde com alimentação, entre o circuito eletrônico e os propulsores. É
constituído por seis fios de 2,5mm e 16 metros cada via, como é mostrado na Figura
9. Neste cabo, são utilizadas duas vias por cada propulsor, para ter a capacidade de
inversão de corrente dos pólos positivo ou negativo, conforme o controle executado.
Com utilização da Bateria fora do veículo o cordão umbilical exigiu um
diâmetro maior para evitar aquecimento dos fios e perda de corrente (CREDER,
1986).
37
O cordão longo adquiriu maior peso sendo necessário atrelar peças de isopor
ao longo do cabo em 50 a 50 cm aproximadamente, reduzindo o peso e deixando o
cabo imerso na flor da água.
No final do chicote dos motores, teve de ser feito uma emenda com o restante
dos fios, formando o cordão umbilical. Nesta emenda utilizou uma mangueira de
meia polegada e duas braçadeiras de parafuso para isolar os fios da água, evitando
curto circuito como mostra a Figura 10.
Figura 3.8: Cordão umbilical. Fonte: Própria
38
3.5 Bateria
O ROV subaquático será alimentado por uma Bateria, utilizada em carros de
passeio. Sua especificação de 60AH e 12 v, Figura 3.9. Com autonomia de trabalho
com carga máxima equivalente há 5 horas.
Foi utilizada a bateria pelo baixo custo, comparado as outras fontes de
alimentação como exemplo fontes de alta tensão que possui um alto preço no
mercado brasileiro. Não utilizamos alimentação embarcada, pois essa seria uma
limitação no peso da estrutura e consumiria mais potência dos motores. Como a
proposta inicial foi desenvolver um protótipo para atuar em águas de baixa
profundidade a bateria supriu a necessidade de uma fonte de alimentação com
sucesso.
Figura 3.9: Bateria automotiva. Fonte: Própria.
39
4 RESULTADOS
A partir dos testes do protótipo com a estrutura e o circuito desenvolvido, foi
possível detectar a eficiência da comunicação com os propulsores e a capacidade
de dirigibilidade do veículo. Pode-se afirmar com clareza que os motores e os
hélices atribuem consideravelmente no desenvolvimento do projeto, pois a diferença
destes seria necessárias totais mudanças de tamanhos e modelos da qual foi
utilizado no projeto atual.
Os motores de bomba d’água se mostraram confiável para execução das
funções úteis e o desempenho extremamente estável, garantindo o trabalho ao
veículo sem maiores conseqüências de aquecimento, perdas de força e energia.
Mesmo com as limitações do cordão umbilical, que aparentava ser um cabo
visivelmente simples, foi possível efetuar a comunicação com total capacidade de
transmissão de corrente, pelo motivo de não conter perdas de energia e dificuldades
de arrasto, fragilizando os propulsores na locomoção do ROV.
Algumas dificuldades foram encontradas, uma delas para emergir e
submergir o ROV subaquático, que apresentou esforço maior do que o previsto ao
propulsor determinado a está função, porém logo foi resolvido ao adquirir densidade
neutra do veículo facilitando o seu movimento.
Testes realizados em diferentes ambientes detectaram-se varias mudanças
de flutuabilidade na estrutura, em água quente observou dificuldades para
submergir. Já em água fria sua locomoção foi melhor em relação ao primeiro teste,
demonstrando diferenças de densidade de acordo com a temperatura.
Os hélices utilizados demonstraram corresponder ao problema inicial, tendo
um desempenho otimizado em relação à movimentação do robô para frente, com
apenas uma diferença de velocidade em relação à locomoção para trás, resultado
da marca e modelo do hélice e também da sombra do motor.
40
5 CONCLUSÃO
5.1 Conclusão
O resultado final do sistema de propulsão, não correspondeu ao projeto
inicial, onde seria instalado no robô um cilindro de pressão, acoplado o sistema de
controle e a webcam. Realizados testes com o veiculo submersível com o cilindro
de pressão, teve-se uma queda de vetorização de empuxo decorrido da baixa
potência de apenas um motor central instalado no protótipo. Para a otimização do
veiculo foi retirado o cilindro de pressão, aproximando o peso da estrutura próximo à
densidade da água, resultando uma melhora nos sistemas de emersão e submersão
do robô. Foi satisfatória a instalação de dois propulsores laterais responsáveis pela
movimentação do veiculo submersível ascendente e descendente, onde gerou uma
maior manobrabilidade do veiculo.
Os hélices utilizados no projeto corresponderam as expectativas inicial, tendo
à movimentação do robô para frente, com uma diferença de velocidade em relação à
locomoção para trás, motivos de marcas do hélice e efeito da sombra do motor
sobre o hélice.
Com a mudança do projeto foi alterada a quantidade de fios do cordão
umbilical, influenciando na densidade da estrutura, gerando arrasto acima do
previsto. Para evitar este problema deixamos à densidade do cordão positiva, assim
ele não afundará.
41
5.2 Trabalhos Futuros
Diversas aplicações para este trabalho podem ser analisadas, além da
própria complementação deste.
Sobre a aplicação dos Propulsores é possível o incremento de um novo
motor, onde teria 2 motores para emergir ou submergir e 2 motores de
direcionamento ou frente e traz, totalizando 4 propulsores. Ou até mesmo aumentar
a capacidade de força do motor central, dando maior força ao ROV podendo retornar
a cilindro de pressão e a webcam como no projeto inicial. Esta característica pode
ser interessante, pois não haveria necessidade de mudanças na estrutura em geral,
apenas no berço do motor central, sem muitas conseqüências indesejadas na
estrutura.
Outra mudança que deve ser desenvolvida é alteração dos hélices, podendo
alocar pás maiores do que o raio dos motores, assim evitando o efeito sombra do
motor. Como não foi possível realizar testes com outros modelos de hélices, a
escolha foi feita por outros ROV’s já construídos.
Quanto ao cordão umbilical utilizado, pode ser alterado alocando o circuito
eletrônico na estrutura do veículo subaquático, assim diminuindo o total de fios,
conseqüentemente seu peso.
Na área acadêmica será necessária a criação de um diagrama de
modelagem dos fluidos, para melhor exemplificar e expor o projeto.
42
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BENTHOS, Inc. U.S.A. STINGRAY MK II (2002) - Remotely Operated Vehicle System - Operation and Maintenance Manual, P/N M251-0030, Rev. A, Benthos, Inc., 49 Edgerton Drive, North Falmouth, MA 02556
CABOS SUBMARINOS, (2010). Cabos Submarinos de Fibras Ópticas. Disponível em: <http://cabossubmarinos.blogspot.com>. Acesso em: 01 Nov. 2010
CREDER, Helio - Instalações Elétricas. 10ª edição - Livros técnicos e científicos
Editora S.A. Rio de Janeiro - RJ ano1986.
HALLIDAY, David, RESNICK, Robert. WALKER, Jearl – FUNDAMENTOS DE
FISICA VOL 1. 6º Edição – Mecânica Editora LTC ano 2006.
HOBBY-LOBBY, (2005). Loja de Vendas Nautimodelismo U.S.A. Disponível em:
<http://www.hobby-lobby.com/50mm_r_101_prd1.htm?pSearchQueryId=992966>.
Acesso em: 03 Out. 2010.
HOMEBUILT ROV, (2003). Site para compartilhar idéias sobre veículos
submersíveis pessoais, criado por Stephen Thone. Disponivel em:
<http://www.homebuiltrovs.com/> Acesso em: 18 Maio 2010.
IH - Instituto Hidrográfico da Marinha de Portugal. Disponível em: <www.hidrografico.pt/rov-remotely-operated-vehicle.php>. Acesso em: 16 Ago. 2010. ISE - International Submarine Engineering web based auv designinfo, 2000. <http://www.ise.bc.ca/WADEsysdesign.html/>. Acessado em: 03 Nov. 2010.
JIMENEZ, T. S. (2004). Contribution na la commande d'un robot sous-marin
autonome de type torpille, 21/12/2004, UNIVERSITE MONTPELLIER II, T HESE.
LEWIS, E.V. (1998). Principles of naval architecture, Volume I, Stability and Strength. The Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME),1988.
LUPATECH S.A Unidade Metalúrgica Ipê, 2008. Acessado em 07 Set. 2010.
LYGOURAS J.N., TSAGAS N.F., BAKOS G.C., TARCHANIDIS K. and TSALIDES P.G. (1995) Remotely Operated Vehicle (ROV) Position Control by Implementation of Modem Control, Theory Techniques, Modelling, Measurement & Control, B, ASME Press, Vol. 59, No. 3, 1995, pp. 5-14.
43
MARINE TECHNOLOGY SOCIETY, (1984) Operational Guidelines for ROV’s,
Comitê de Veículos Remotamente Operados, EUA. Disponível em
<http://www.rov.org/index.cfm> Acessado em: 03 Out. 2010.
NICOLET, A., NICOLET, R. e BRODBECK, J. (1955) Manual Del Modelista –
Trazado y realización de modelos para la fundición, ed. Gustavo Gili S.A., Barcelona,
1955 – Pág. 339-361.
NRC - NATIONAL RESEARCH COUNCIL, (1996). Undersea Vehicles and National
Needs, National Academy Press, Washington, D.C.
OMERDIC, E e ROBERTS,G. (2004). Thruster Fault Diagnosis and Accommodation
for Open-frame Underwater Vehicles, Control Engineering Practice,N. 12, pp.
1575-1598, 2004.
SCHUBAK, G. E. e SCOTT, D. S. (1995). A Technoeconomic Comparison of
Power- Systems for Autonomous Underwater Vehicles. Ieee Journal of Oceanic
Engineering 20 (1):94-100, 1995.
SMALLWOOD, D., BACHMAYER, R. and WHITCOMB, L. (1999) New Remotely
Operated Underwater Vehicle for Dynamics and Control Research, Department
of Mechanical Engineering, Johns Hopkins University, In Proceedings of the
11th International Symposium on Unmanned Untethered, Submersible
Technology, Durham, NH, September 19-22.
YES MAGAZINE, (2003). The Science Magazine for Adventurous Minds. Disponível em: <http://www.islandnet.com/~yesmag/ROV/Intro.html>. Acesso em: 26 Ago. 2010.
