Introdução à Propulsão

O que é propulsão?


Propulsão é, em termos simples, o sistema que fornece força de empuxo à embarcação, transmitindo a potência gerada dentro do navio para a água. Esse sistema pode ser feito de diversas formas, cada um com suas características e particularidades.

Logicamente, todas possuem características em comum: uma boa propulsão, em geral, entrega uma boa potência à embarcação, sem abusar da matriz energética. Dessa maneira, sendo considerada eficiente.


Mas como surgiu o modelo de propulsão que mais usamos hoje, o hélice?

Os primeiros modelos de propulsão surgiram por volta de 250 A.C., quando Arquimedes inventa a base do que se tornaria a propulsão por hélice; vale ressaltar que esse projeto não é como os propulsores atuais, mas sim como um “parafuso” que gira e propele a água, fazendo com que esta percorra a trajetória determinada pela espiral do parafuso.

Figura 1: Parafuso de Arquimedes[1]

Após isso, em 1500 D.C., Leonardo da Vinci, usando como base os projetos de Arquimedes, inventa a propulsão a hélice que, por sua vez, lembra mais as hélices utilizadas hoje em dia. Ele abandona o formato de parafuso contínuo e adota a utilização de pás colocadas simetricamente em torno de um eixo rotativo.

Porém, só no século XIX tais ideias se tornaram amplamente utilizadas, estimuladas pelos primeiros motores em desenvolvimento.

Onde ela é aplicada hoje em dia?


Hoje em dia a maioria dos sistemas propulsivos depende de hélices e motores. Esse tipo de sistema se tornou popular devido à sua eficiência e potência.

Apesar da sua grande efetividade, ainda é possível encontrar embarcações que não dependem desse sistema, como barcos a remo e veleiros, que utilizam como meio de propulsão a força dos ventos e a humana.


O que é resistência ao avanço?


Resistência ao avanço é uma combinação de forças que atuam no sentido contrário à direção de movimento da embarcação. Então, para manter a velocidade ou aumentá-la, a propulsão deve igualar ou ultrapassar a resistência ao avanço.

Essa combinação de forças depende de muitas variáveis. As principais são o formato da embarcação e seu material, a área molhada do casco, a velocidade da embarcação e a condição do mar.


O que é Torque e empuxo?


Como dito no tópico anterior, a resistência da embarcação deve ser ultrapassada para que haja aceleração, ou igualada para que sua velocidade se mantenha constante. Em relação a sistemas propulsivos que usam motores e hélices, são informações importantes para calcular a potência fornecida pelo motor o torque e a rotação. Ambas grandezas são transmitidas pela transmissão ao hélice que gera o empuxo.

O torque, em Newton-metro, é uma grandeza vetorial equivalente à “força do motor”. Já a rotação, em rps, representa quantas voltas um eixo acoplado ao motor dá em torno dele mesmo em um segundo. Em outras palavras, essa grandeza equivale à “velocidade do motor”. Em posse de ambas as informações é possível calcular a potência necessária do motor, utilizando a equação abaixo:



Essa potência, quando aplicada em um propulsor, girando-o , gera o empuxo, a força que o propulsor aplica sobre a embarcação. A embarcação, por sua vez, navega a uma determinada velocidade. A potência gerada pelo propulsor, portanto, é:


Assim como a rotação e o torque, essas grandezas são usadas para calcular a potência do propulsor na equação anterior; e então, com essas potências, é possível obter a eficiência do propulsor ao utilizar a equação que segue:






Sistemas de propulsão:


Existem muitos sistemas de propulsão que atuam de diferentes formas e têm suas próprias particularidades. Os principais tipos são listados a seguir.


Hélice de passo fixo


É o sistema propulsivo mais simples e comum. É muito utilizado embarcações de lazer e em grandes navios mercantes, como petroleiros e graneleiros. Esses navios operam quase todo o tempo em uma determinada velocidade de serviço. O hélice é projetado para ter máxima eficiência nessa velocidade específica.

Apesar de mais baratos e menos complexos que os outros da lista, são também os menos versáteis.


Hélice em duto


Similar ao hélice de passo fixo, porém, há um duto envolvendo o hélice. O duto é fixo e não gira como o hélice. Além disso, possui um diâmetro interno bem próximo ao diâmetro do hélice.

Existem 4 tipos de dutos que podem ser usados, cada um trazendo benefícios diferentes - Figura 2. Porém, como característica comum, pode-se citar o aumento da eficiência.



Figura 2: Perfil de tipos de dutos (a) duto acelerador, (b) duto de empuxo, (c) duto fendado de Hannan e (d) duto desacelerador[1]


Propulsor azimutal


O propulsor azimutal foca em manobrabilidade, sendo muito comum em rebocadores, navios menores que manobram grandes embarcações por causa do seu grande potencial de manobra.

Seu funcionamento depende de dois eixos principais: o eixo do motor, ligado ao hélice e responsável por gerar o movimento, e outro, que gira o conjunto, na figura 3, ele é representado pela peça vermelha. Sua movimentação ajusta a direção do empuxo. Esse esquema é vantajoso, pois não são necessários lemes para a mudança de fluxo d’água e do rumo.


Figura 3: exemplo de um propulsor azimutal


Contra Rotativo


O hélice contra-rotativo foi inventado inicialmente para reparar um problema de balanço gerado por propulsores que dispunham de apenas um único hélice. Nas embarcações que possuíam esses propulsores era comum encontrar desvio na rota original, já que o torque gerado pelo eixo propulsivo fazia com que toda a embarcação também estivesse sujeita à reação. A solução encontrada para esse problema foi a utilização de dois hélices coaxiais que rotacionam em sentidos contrários - Figura 4. Uma outra solução encontrada foi implantar um eixo propulsivo que ocupasse a posição simetricamente oposta, mas que rotacionasse no sentido oposto, da mesma forma com que o hélice contra-rotativo; o efeito dessa rotação anula o torque gerado pelo eixo propulsor oposto e, desse modo, a embarcação permanece na rota pré-estabelecida.

A solução do hélice contra-rotativo, além de resolver o problema do desvio de trajetória, melhorou a eficiência do hélice, pois o segundo hélice consegue restaurar parte do fluxo que seria perdido pelo primeiro, e, assim, gera maior empuxo com o mesmo motor. Entretanto, as desvantagens desse propulsor são seu alto custo e sua complexidade de projeto.


Figura 4: exemplo de hélice contra rotativo


Passo-variável


O propulsor de passo variável é um propulsor no qual, ao contrário do hélice de passo fixo, as pás estão acopladas ao eixo rotativo por um cubo, isto é, as pás do hélice podem girar em torno do próprio do eixo e, assim, elas mudam o passo do hélice, que, assim, mudam o ângulo de ataque das pás.

Esse sistema é interessante, pois, mudando o passo do hélice, pode-se mudar o empuxo gerado e a velocidade da embarcação sem mudar o ponto de atuação do motor (pode-se fazer uma analogia com a troca de marcha de um carro).


Lemes


Atuação


Se você já viu algum barco, como veleiros pequenos, já deve ter reparado em uma pequena extensão do barco localizada na popa (em sua parte traseira). Tecnicamente falando, lemes são superfícies de controle que permitem direcionar qualquer aparato imerso em um fluido. Isto significa que estão presentes não só em embarcações, onde comumente são vistos, mas também em aeronaves. Apesar de parecer uma simples estrutura de manobra, eles são baseados em uma teoria muito complexa, mas que não deixa de ser bonita. Ela é a mesma que embasa o voo de aviões, pássaros e o nado das baleias, por exemplo.

Figura 5: Exemplo de leme em uma embarcação


É curioso pensar que, milênios antes do Homo Sapiens colocar uma máquina voadora nos céus, ele já utilizava o mesmo princípio em suas embarcações nos mares. Foi apenas na virada do século XX, com o desenvolvimento da teoria de fólios proposta por Prandtl e Von Kármán, que o refinamento das ideias propostas por Bernoulli forneceu o embasamento teórico para o funcionamento de um leme. Basicamente, eles notaram que quando um fluido (água ou ar, por exemplo) escoa em torno de algum objeto, ele produz uma força que está relacionada de alguma forma com o formato do objeto e sua inclinação em relação à direção do escoamento.

Figura 6: Fluxo d’água em um leme


Na figura 6, podemos ver a força atuante no fólio sendo decomposta em suas componentes horizontal e vertical. Este modelo permite a interpretação dos dois exemplos citados anteriormente. Podemos imaginar como sendo uma secção da asa de um avião ou como a de um leme também. É a atuação da força vertical (a que está em verde na foto) que possibilita que o leme mude a direção da embarcação, vide imagem abaixo.


Figura 7: Drift Angle


Ao introduzir a pequena diferença entre o ângulo do escoamento e o da embarcação (chamado de drift angle na figura 7), aparecem forças hidrodinâmicas que contribuem para sua rotação. O momento líquido gerado que atua no centro de gravidade faz a embarcação virar.


Tipos de lemes


Apesar de a atividade do leme ser uma só, ele possui muitas configurações e formatos que produzem efeitos característicos quando a embarcação deve mudar de rumo. Existem lemes balanceados, não-balanceados, com variações no ângulo com o escoamento, baseados em nadadeiras de baleias, enfim, é difícil nomear todos, porém podemos ver na imagem abaixo alguns que são comumentes utilizados em navios.


Figura 8: Tipos de leme





  • Bibliografia

  • [1] - CARLTON, John. The early development of the screw propeller. In: MARINE Propellers and Propulsion: Global Head of MarineTechnology and Investigation, Lloyd’s Register. 2. ed. rev. 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803, USA: Butterworth-Heinemann, 2007. cap. 1-2, p. 3-30. ISBN 978-07506-8150-6.

  • [2] - Molland, A. and Turnock, S., 2011. Marine Rudders And Control Surfaces. 1st ed. Amsterdam [i pozostałe]: Elsevier/Butterworth-Heinemann.


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