| CONHECIMENTOS NAVAIS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Propulsão de navios de guerra
Este texto aborda os sistemas de propulsão utilizados em embarcações militares atuais, mais especificamente navios de superfície de médio e grande porte. Cada sistema é tratado de forma independente e no final são apresentadas as combinações entre os diversos grupos propulsores. Para cada sistema, são apresentadas breves explicações e exemplos de embarcações, sempre enfatizando as unidades operadas pela Marinha do Brasil. O processo histórico mostrando como ocorreu o desenvolvimento da propulsão marítima também é tratado de forma rápida. TÓPICOS 1. Histórico 2.1. Turbinas a vapor 2.2. Turbinas a gás 2.3. Motores diesel 2.4. Reatores nucleares 3. Combinações
1. Histórico As primeiras embarcações eram movidas apenas pela força humana, mas por volta do ano 3.000 a.C. embarcações dotadas de mastro com vela quadrada começaram a parecer no Egito. Ao longo do tempo, a navegação a vela foi evoluindo e, para travessias maiores, os remos foram abandonados. Durante muito tempo, a vela e o vento constituíram o principal meio de propulsão das embarcações de guerra das marinhas ao longo do planeta até que no início do século XIX, surgiu o motor a vapor. A Grã Bretanha adotou o motor a vapor para suas unidades desarmadas de segunda linha por volta de 1820 para depois introduzir a novidade em suas embarcações de combate. O arranjo era um transtorno para o navio e para as tripulações. O motor fornecia energia para uma roda de pás lateral que, além de ser extremamente vulnerável ao fogo inimigo, atrapalhava a ação e a manobra das velas. Um engenheiro chamado Ericcson (que mais tarde criaria o Monitor), trabalhando nos EUA, desenvolveu uma solução engenhosa conhecida como hélice. Assim, por volta de 1840, os navios da Royal Navy passaram a receber uma seção central contendo o motor a vapor. O hélice ficava recolhido (para reduzir o atrito) e a chaminé desmontada no convés quando navegava-se somente com as velas. Nesta época, a ordem "chaminé acima, hélice abaixo" tornou-se bastante comum. Em três décadas, o motor a vapor evoluiu bastante e, por volta de 1880 todas as principais marinhas do mundo já haviam abandonado as velas.
Parecia que o motor a vapor era a solução definitiva. Na virada do século XIX para o século XX, os ingleses eram líderes no desenvolvimento de turbinas a vapor. Já haviam testado turbinas Parsons em quatro contratorpedeiros e um cruzador leve, obtendo resultados satisfatórios. A primeira grande instalação naval de turbina a vapor foi no HMS Dreadnought, um encouraçado construído sob segredo e que revolucionou a projeto de navios no seu tempo. A instalação propulsora era mais compacta, fornecia mais potência e a velocidade final era superior aos seus concorrentes próximos.Assim, no início do século XIX, a Royal Navy entrava no mundo das modernas instalações propulsoras. Pouco tempo depois, as demais marinhas do mundo seguiram o exemplo e passaram a projetar navios somente com propulsão a vapor. Na II Guerra Mundial a turbina a vapor dominava o ambiente naval e as principais marinhas do mundo possuíam desde pequenas fragatas até encouraçados e NAes (navio-aeródromo) movidos por este sistema de propulsão. Mas já começavam a surgir contratorpedeiros de escolta impulsionados unicamente por motores a diesel. 2.1. Turbinas a vapor As turbinas a vapor são máquinas de combustão externa. Ou seja, os gases resultantes da queima do combustível não entram em contato com o fluído de trabalho. Por esse motivo, a propulsão fornecida por turbinas a vapor apresenta uma grande flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo usar inclusive aqueles que produzem resíduos sólidos (cinzas) durante a queima. O fluido de trabalho é a água, utilizada num processo fechado e, portanto, reciclada. Pode-se dividir o ciclo básico do sistema em quatro partes: a) geração, b) expansão, c) condensação e d) alimentação.
Primeiramente o fluido (água) contido no interior das serpentinas é aquecido em uma ou mais caldeiras (a). O fluido passa para o estado de vapor e é direcionado para a turbina. Ali, ocorre a conversão da energia térmica do vapor em energia mecânica, girando um eixo (b). O vapor então é direcionado para um condensador. O condensador nada mais é que um trocador de calor. Nele, o vapor é novamente convertido em água através de resfriamento com a ajuda de água do mar (c). Uma vez no estado líquido, o fluido é bombeado para a caldeira novamente, dando início a um novo ciclo (d). A figura ao lado apresenta de forma simplificada o esquema de funcionamento de uma turbina a vapor. As turbinas são projetadas para converter de forma mais eficiente possível a energia termal proveniente dos vapores da caldeira em energia mecânica para movimentar o eixo do hélice. Como essas turbinas são eficientes em altíssimas velocidades, uma caixa de redução é necessária para que o hélice não cause cavitação e tanto a turbina como o hélice possam trabalhar na melhor faixa de rendimento possível. Esse tipo de propulsão também foi motivo de vários acidentes. Eventos com as paredes tubulares e feixes de caldeira não só eram freqüentes como também aconteciam em grande quantidade. Em parte, esses acidentes tinham como causa as próprias características desse tipo de propulsão, ou seja, a exigência de geração de alta potência em um espaço extremamente compacto. Além disso, o trabalho pesado executado pelo pessoal foguista exigia deles uma competência de alto nível e muita disciplina. A turbina a vapor associada a caldeiras ainda é um sistema de propulsão largamente empregado em embarcações de grande porte. Os NAes convencionais da USN (USS Kitty Hawk e USS J. F. Kennedy) e o Kusnetsov usam esse tipo de propulsão. Também as classes de navios de assalto anfíbio Wasp e Tarawa utilizam caldeiras e turbinas a vapor. Em relação às escoltas, somente unidades antigas em determinados países utilizam essa propulsão. Entre estes países estão o Chile (classe County e Leander), o Egito (classe Knox), a França (classe Tourville), a Itália (classe Aldace), o Peru (classe Daring) e a Rússia (classe Sovremmennyy).
No Brasil, vários navios possuíram turbinas a vapor incluindo o cruzador Rio Grande do Sul (convertido em 1925-1926), o NAe Minas Gerais e diversas escoltas (entre elas as classes M e P, Fletcher, Gearing e Allen M. Sumner). Atualmente, a única escolta da MB que utiliza turbina a vapor é o contratorpedeiro Pará (D 27). Esse navio é equipado com duas caldeiras verticais de alta pressão superaquecidas (1.200 lb/pol2). Trata-se de um arranjo inovador, pois reduziu as dimensões da praça de máquinas, mas extremamente problemático quanto à manutenção. Também utilizam turbina a vapor os dois NDD, o NAe São Paulo e o NTrT Ary Parreiras. 2.2. Turbinas a gás O nome mais adequado para esse tipo de propulsor é "motor de combustão interna". Porém, os norte-americanos popularizaram o termo "turbina a gás" (gas turbine). A propulsão através da turbina a gás nada mais é que a adoção de um motor a jato acoplado num eixo naval, girando um hélice. Os britânicos começaram a trabalhar em turbinas a gás na segunda metade da década de 1940 e lançaram o primeira embarcação do mundo movida por essa nova propulsão em 1953, o HMS Grey Goose. Na década seguinte já se projetavam navios de grande porte exclusivamente movidos por turbina a gás. Com algumas exceções, quase todas as turbinas a gás utilizadas em navios são "marinizadas" a partir de motores aeronáuticos (aeroderivadas). Porém, para atender requisitos específicos, algumas alterações são efetuadas. Uma delas é a mudança da câmara de combustão. Por utilizar óleo diesel ao invés de querosene de aviação as câmaras de combustão das turbinas navais apresentam um projeto diferenciado. Em outros casos o material das palhetas do compressor é diferente (feitas de aço nos motores navais e de alumínio nos aviões) e a introdução de um compressor de baixa pressão é necessária.
A utilização de turbinas a gás também implica numa outra mudança. Como elas não podem ser revertidas, os navios equipados somente com esse tipo de propulsão devem possuir câmbio de reversão ou hélice de passo variável (um pouco menos eficiente que os hélices de passo fixo). Dentre as características principais de desempenho desse tipo de propulsão destacam-se a boa relação peso/potência. Por essa razão, as turbinas a gás atendem tanto a embarcações pequenas como hovercrafts e aerobarcos (relação de 100HP por tonelada), escoltas (relação entre 10 e 15 HP por tonelada) e até navios-aeródromos (relação de 5 HP por tonelada). A grande aceleração inicial (uma Kortenaer acelera de 0 a 30 nós em cerca de 75 segundos) também é um atrativo para esse tipo de propulsão pois com a turbina a vapor era necessário esperar que a pressão das caldeiras atingisse um nível mínimo desejado. Porém, este ótimo desempenho tem um custo. O consumo específico de combustível é relativamente alto. Por este motivo algumas marinhas decidiram adotar turbinas a gás somente para velocidades altas (acima de 18 nós), utilizando um outro tipo de propulsor (p. e. motores diesel) para velocidades baixas. A introdução das turbinas a gás permitiu uma redução do espaço ocupado quando comparadas com as instalações das casas de máquinas das turbinas a vapor e suas caldeiras. Houve também uma economia em peso. De certa forma, isto trouxe problemas para os projetistas navais da época em que foram introduzidas pois as pesadas instalações antigas garantiam o equilíbrio dos navios, principalmente quando as grandes antenas de radar traziam peso cada vez maior para as partes mais altas. Existem dois grupos de turbinas a gás amplamente utilizados no Ocidente. São as britânicas Olympus/Tyne e a norte-americana LM-2500. A Olympus TM-3B é derivada do motor Olympus 593 que equipava o jato anglo-francês Concorde e a Tyne deriva do motor aeronáutico RB.109, utilizado no turboélice C-160 Transall e algumas versões do Alenia C-27 (G222) Spartan. Ambas foram adotadas inicialmente na Royal Navy no final dos anos sessenta para equipar o projeto no NAe classe Invensible e as escoltas Tipo 21, Tipo 22, Tipo 42. A LM-5200 foi desenvolvida pela General Eletric a partir do motor aeronáutico CF6/TF39. A versão civil CF6 equipa diversos aviões comerciais como DC-10, B-747 e B-767. Sua correspondente militar, a TF39, é usada pelo transporte C-5 Galaxy. No meio naval, a LM-5200 é empregada em um grande número de escoltas da US Navy tais como as classes O. H. Perry, Spruance, Arleigh Burke e Ticonderoga. Também é largamente utilizada no exterior, fornecendo propulsão paras as classes Bremmen, Brandenburg (Alemanha), Artigliere (Itália), Álvaro de Bázan (Espanha) e outras. As turbinas LM-2500 possuem um consumo específico de combustível cerca de 10% menor que as Olympus.
No Brasil, a MB passou a contar com navios movidos por turbinas a gás a partir da década de 1970, quando começaram a chegar as fragatas classe Niterói. Até então, todas as demais escoltas eram movidas por turbinas a vapor ou motores diesel. Hoje, a turbina a gás equipa quase todas as escoltas da Marinha, com exceção do contratorpedeiro Pará. Além das Niterói (que possuem duas turbinas Olympus para altas velocidades) a MB possui a classe Inhaúma, equipada com uma única turbina LM-5200 por corveta e as Tipo 22, com um par de Olympus e outro de Tyne. 2.3. Motores Diesel O princípio de funcionamento do motor a diesel é largamente conhecido (combustão interna) e sua versão naval não apresenta grandes mudanças. Uma quantidade de combustível é queimada, dentro de um cilindro, forçando o pistão a se deslocar. A energia termal é convertida em energia mecânica. O primeiro motor diesel foi desenvolvido na Alemanha na última década do século XIX. Experiências com pequenas embarcações civis começaram logo após a virada do século. Já a partir de 1904, franceses, alemães, ingleses e russos estavam testando motores diesel em submarinos. O desenvolvimento dessa tecnologia levou à construção de três grandes navios mercantes na Dinamarca em 1911, um grande passo para os motores diesel em navios de grande porte. Aos poucos, os mercantes a vapor foram substituídos por diesel tanto nas empresas privadas como nas frotas auxiliares e navios de apoio das diversas marinhas no mundo. A propulsão a diesel sempre foi largamente empregada em pequenas unidades. Mas nos últimos trinta anos, unidades maiores (entre 2.000t e 5.000t) passaram a adotar o diesel como único sistema de propulsão. Uma das razões para isso é o desenvolvimento de grandes e potentes motores, capazes de se igualarem em desempenho (potência e velocidade máxima) às turbinas a gás. Também consomem menos em regime de potência total e o câmbio de redução é muito mais simples. A manutenção não apresenta segredos e é largamente conhecida, mas exige certos cuidados. A remoção para reparos de rotina pode ser complicada. A vibração causada pelo seu funcionamento pode interferir na operação no sonar rebocado, quando em baixas velocidades. Para estes casos, existe a possibilidade de adotar um motor elétrico acoplado ao eixo (ver propulsão CODLAG abaixo).
Na MB, os motores diesel são utilizados em conjunto com turbinas a gás nas Niterói e nas Inhaúma. Ainda na força de Superfície, o Mattoso Maia, os Navios-Tanque, o Felinto Perry e o Brasil (U-27) utilizam exclusivamente motores diesel. Os navios de patrulha, seja oceânica ou fluvial, também utilizam motores diesel (classes River, Imperial Marinheiro, Graúma, Roraima, Raposo Tavares e Piratini), assim como um grande número de unidades de pequeno porte. 2.4. Reatores Nucleares O reator nuclear foi primeiramente desenvolvido para submarinos e posteriormente equipou navios de superfície. Houve uma época (entre os anos de 1955 e 1970) em que os estrategistas norte-americanos pensaram na possibilidade de possuir uma frota de alto mar totalmente nuclear. As vantagens óbvias de uma esquadra nuclear seriam a redução do número de navios de apoio (basicamente navios-tanque) e a independência em relação a portos para abastecimento de combustível. Na USN, a primeira embarcação de superfície a ter propulsão nuclear foi o USS Long Beach. Porteriormente vieram o USS Bainbridge (um Leahy modificado), o USS Truxtun (um Belknap modificado), os dois California e os quatro Virgínia. Da mesma forma que o Congresso norte-americano insistiu para que um dos Belknap fosse modificado para propulsão nuclear, dez anos depois o mesmo Congresso suspendeu a construção de outros Virginia em favor dos convencionais Ticonderoga, pois os custos da propulsão nuclear eram muito superiores. A expectativa era de que os custos fossem caindo conforme novos navios fossem entrando em atividade, mas isto não ocorreu. Nos dias atuais, além do alto custo econômico, pressões ambientais inibem o desenvolvimento de navios de superfície com propulsão nuclear. A propulsão nuclear nos NAes obteve mais sucesso. Além das já mencionadas vantagens, os seguintes fatores são positivos: a) fornece potência ilimitada para as catapultas, enquanto os NAes dotados de caldeiras precisam manter o vapor a toda carga durante operações de lançamentos; b) elimina os gases da chaminé em direção à popa, pois num NAe não nuclear estes gases geram uma considerável turbulência na popa do navio, prejudicando o pouso das aeronaves; c) projeto de ilha de acordo com as necessidades do navio-aeródromo e dispondo as antenas dos radares da melhor forma possível sem preocupação com a corrosão gerada pelos gases da chaminé. No entanto, os reatores substituíram apenas as caldeiras e a energia gerada aquece a água que se transforma em vapor, alimentando turbinas a vapor (não muito diferente do que ocorre num submarino nuclear) .
O primeiro NAe nuclear do mundo foi o USS Enterprise, lançado ao mar pouco tempo depois do Long Beach, e ainda em atividade. A planta propulsora do Enterprise é composta por oito reatores nucleares Westinghouse A2W (atualmente dois estão desligados), dispostos dois a dois em cada um dos quatro eixos. Esses reatores são, na verdade, adaptações de reatores de submarinos. Do USS Nimitz em diante, adotou-se o reator GE A4W/A1G, sendo duas unidades por navio. Outro NAe em atividade com propulsão nuclear é o francês Charles de Gaulle. Segundo estimativas dos técnicos daquele país, a propulsão nuclear representa um acréscimo de 20% no valor final do navio (sem contar o grupamento aéreo), mas que é compensado a longo prazo (depois de 30 anos em atividade já será economicamente vantajoso se comparado com o gasto de combustível que seria necessário). Com exceção dos NAes (França e EUA), somente a Rússia possui unidades de superfície dotadas de reatores nucleares na atualidade. São os cruzadores classe Kirov, que raramente apresentam condições para navegar. 3. Combinações Hoje em dia é possível combinar uma série de diferentes plantas propulsoras num mesmo casco. Reatores nucleares, turbinas a gás, motores diesel e elétricos são empregados conjuntamente de forma a aproveitar as melhores qualidades de cada um deles. Na tabela abaixo estão reunidas as principais combinações existentes na atualidade.
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