Contribution to the marine propeller hydrodynamic design for small boats in the Amazon region

ABSTRACTIn the Amazon, river navigation is very important due to the length of navigable rivers and the lack of alternative road networks. Boats usually operate in unfavorable conditions, since there is no hydrodynamic relation among propellers, geometry, and the dimensions of the boat hull. Currently, there is no methodology for propeller hydrodynamic optimization with low computational cost and easy implementation in the region. The aim of this work was to develop a mathematical approach for marine propeller design applied to boats typically found on Amazon rivers. We developed an optimized formulation for the chord and pitch angle distributions, taking into account the classical model of Glauert. A theoretical analysis for the thrust and torque relationships on an annular control volume was performed. The mathematical model used was based on the Blade Element Momentum Theory (BEMT). We concluded that the new methodology proposed in this work demonstrates a good physical behavior when compared with the theory of Glauert and the experimental data of the Wageningen B3-50 propeller. RESUMONa Amazônia, a navegação é muito importante devido a extensão de rios navegáveis e a falta de redes rodoviárias alternativas. As embarcações geralmente trabalham em condições desfavoráveis, uma vez que não há relação entre a hidrodinâmica dos hélices, geometria e as dimensões do casco da embarcação. Atualmente, não há metodologia para otimização hidrodinâmica com baixo custo computacional e fácil implementação na região. O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de uma abordagem matemática voltada para o projeto de propulsores marítimos aplicados as embarcações tipicamente encontradas nos rios da Amazônia. Nós desenvolvemos uma formulação otimizada para o cálculo das distribuições de corda e ângulo de torção, considerando o modelo clássico de Glauert. Uma análise teórica para as relações de empuxo e torque em um volume de controle anular foi realizado. O modelo matemático utilizado foi baseado na teoria do momento do elemento de pá (BEMT). Concluímos que a nova metodologia, proposta neste trabalho, demonstra bom comportamento físico quando comparado com a teoria de Glauert e os dados experimentais do propulsor Wageningen B3-50.