O que é um dispositivo de economia de energia de hélice?

Um dispositivo de economia de energia da hélice (ESD) é um apêndice hidrodinâmico auxiliar instalado próximo à hélice de um navio - na frente, atrás ou diretamente sobre ele - que melhora a eficiência da propulsão, otimizando a distribuição do fluxo de água, reduzindo as perdas de energia rotacional na esteira da hélice ou recuperando energia que de outra forma seria dissipada como turbulência. Estes dispositivos não substituem a hélice; eles trabalham em combinação com ele para extrair mais empuxo da mesma potência do eixo, reduzindo assim o consumo de combustível e as emissões de escapamento sem nenhuma alteração no motor principal ou na própria hélice.

Em grandes navios comerciais, como navios-tanque, graneleiros e navios porta-contêineres, dispositivos de economia de energia bem combinados podem alcançar economia de combustível de 3 a 10% , o que se traduz em milhões de dólares ao longo da vida operacional de uma embarcação. Dada a pressão regulatória dos requisitos do Índice de Eficiência Energética de Navios Existentes (EEXI) e do Indicador de Intensidade de Carbono (CII) da Organização Marítima Internacional (IMO), as ESDs tornaram-se uma das ferramentas de conformidade mais econômicas disponíveis para os armadores.

Por que existem perdas na esteira da hélice – e como os ESDs as resolvem

Um conventional propeller imparts both axial (forward-pushing) and rotational (swirling) velocity to the water it displaces. The rotational component — the "slipstream rotation" behind the propeller — represents energy that has been consumed by the engine but has not contributed to forward thrust. It is simply lost as swirling turbulence in the propeller's wake. Additionally, the non-uniform velocity distribution of the ship's wake entering the propeller disk creates pressure fluctuations that reduce efficiency and contribute to cavitation.

Os dispositivos de poupança de energia abordam estas perdas através de três mecanismos:

• Pré-condicionamento de fluxo: Dispositivos de pré-redemoinho instalados à frente da hélice giram a água que entra na direção oposta à rotação da hélice – aumentando efetivamente o ângulo de ataque relativo de cada pá e melhorando a geração de empuxo por revolução.
• Recuperação de energia do despertar: Dispositivos pós-redemoinho (lâmpadas do leme, aletas da tampa da hélice) recuperam a energia rotacional no turbilhão da hélice, convertendo a esteira giratória em impulso adicional para frente através de aletas fixas ou superfícies de guia.
• Equalização de despertar: As aletas do estator ou dutos de equalização de esteira redistribuem o campo de velocidade não uniforme que entra no disco da hélice, reduzindo as cargas flutuantes das pás e a cavitação que degradam a eficiência e a vida útil das pás.

Principais tipos de dispositivos de economia de energia de hélice

Estator Pré-redemoinho (PSS)

Um pre-swirl stator is a set of fixed fins mounted on the stern boss or propeller shaft boss ahead of the propeller. The fins are angled to impart a counter-rotating swirl to the water entering the propeller disk, increasing the effective angle of water incidence on the propeller blades and improving thrust output. Typical fuel savings are 3 a 6% em vasos de parafuso único. O PSS é um dos tipos de ESD mais amplamente instalados devido à sua simplicidade estrutural e desempenho confiável em uma variedade de correntes de ar e velocidades operacionais.

Duto de equalização de despertar (WED)

Um wake equalizing duct is a partial or full annular duct mounted ahead of the propeller in the non-uniform region of the ship's wake. The duct accelerates slow-moving water from the upper wake region and decelerates faster-moving lower water — equalizing the velocity distribution across the propeller disk. This reduces cavitation, vibration, and noise while improving propulsive efficiency by 3 a 5% . Os WEDs são particularmente eficazes em navios completos (petroleiros, graneleiros) com velocidades de projeto lentas e esteiras fortemente não uniformes.

Aletas da tampa da hélice (tampa do cubo da aleta de impulso)

As aletas da tampa da hélice substituem a tampa da hélice convencional por uma unidade que carrega aletas fixas que redirecionam o vórtice do cubo – um fluxo rotativo concentrado que se forma atrás da hélice e representa pura perda de energia. Ao quebrar este vórtice e recuperar a sua energia rotacional como impulso adicional, os dispositivos cap fin conseguem poupanças de combustível de 1 a 4% com mínima modificação estrutural. Eles são um dos tipos de ESD mais facilmente adaptáveis, pois exigem apenas a substituição da tampa da hélice existente.

Bulbo e barbatanas do leme

Um rudder bulb — a streamlined ellipsoid fitted at the leading edge of the rudder at the propeller centerline height — smooths the flow from the propeller hub vortex over the rudder surface, reducing drag. Combined with twisted rudder fins, the device also recovers rotational wake energy. This combined system achieves fuel savings of 4 a 6% e tem o benefício adicional de melhorar a força de sustentação do leme, o que pode reduzir os requisitos de área do leme ou melhorar a manobrabilidade.

Aletas da tampa do chefe da hélice com combinação de pré-redemoinho

Muitas instalações ESD modernas combinam vários dispositivos – por exemplo, um estator de pré-redemoinho à frente da hélice emparelhado com uma aleta de cobertura atrás dele – para abordar simultaneamente a qualidade do fluxo de entrada e a recuperação de energia de despertar. Instalações combinadas podem alcançar economias totais de combustível de 5 a 10% , com a combinação específica escolhida através da análise de dinâmica de fluidos computacional (CFD) para cada configuração individual de casco e hélice.

Tipos de ESD, posições e economia típica de combustível

Quais embarcações se beneficiam mais com dispositivos de economia de energia

O benefício de economia de energia de um ESD não é uniforme em todos os tipos de embarcações – depende da forma do casco, da velocidade do projeto, da carga da hélice e das características da esteira. Os maiores ganhos são normalmente alcançados em:

• Grandes navios-tanque e graneleiros (VLCC, Capesize): Seus cascos completos produzem esteiras fortemente não uniformes e de movimento lento, com alta perda de energia rotacional – as condições que os ESDs são mais eficazes em resolver.
• Navios porta-contêineres e grandes navios cargueiros: Altos níveis de potência no eixo significam que mesmo uma melhoria de eficiência de 3 a 5% representa uma grande economia absoluta de combustível – o incentivo comercial é forte.
• Embarcações operando a uma velocidade de projeto estável para viagens longas: Os ESDs são otimizados para uma velocidade e calado específicos – embarcações que operam consistentemente perto de seu ponto de projeto obtêm o benefício nominal total, ao contrário de embarcações com perfis de velocidade altamente variáveis.