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Fragatas Tipo 22 - Parte 2Instalações internas, máquinas e motores
Arranjo Interno Os navios desta classe, independentemente do lote, possuem um convés principal (convés continuo mais elevado do navio) que se estende desde o castelo de proa até o convés de vôo. Esta característica foi inicialmente introduzida no projeto das Tipo 21 e posteriormente adotada na classe Mk 10 (classe Niterói). As vantagens deste arranjo incluem a elevação da borda livre em grande parte do casco e o aumento do volume do espaço interno, representando uma melhora sensível nas acomodações para a tripulação quando comparado com a classe Tipo 42. Acima do convés principal existem três conveses, e abaixo outros quarto. A figura a seguir apresenta a configuração principal do navio no seu arranjo interno.
Imediatamente acima do convés principal encontra-se o convés principal da superestrutura. Este por sua vez estende-se desde o lançador de vante do Seawolf até o hangar, ocupando toda a largura (boca) do navio. O resto da superestrutura encontra-se dividido em dois blocos, separados pela chaminé e pelo mastro principal. O bloco de vante acomoda o passadiço, a diretora de vante do Seawolf, o mastro de vante e a tomada de ar dos motores Olympus. No bloco de ré estão agrupados o hangar, a diretora e o lançador de ré do Seawolf.
No arranjo interno, a porção inferior do navio é basicamente ocupada pelos tanques de combustível. Logo acima dos tanques e na seção central do navio, localizam-se os quarto compartimentos principais da praça de máquinas. Seguindo na direção da proa, existem diversos paióis incluindo um para armas de mão, foguetes e munição para os canhões. Na proa, grande parte do espaço inferior é ocupado pelo equipamento de sonar. Outros compartimentos incluem o paiol de tintas, de produtos inflamáveis e de cabos. Imediatamente à ré da praça de máquinas encontra-se o paiol de munição. Ali são acondicionados os mísseis Seawolf, torpedos e armamentos aerotransportados (mísseis Sea Skua, minas e outros). Outros compartimentos da porção inferior de ré incluem o tanque de combustível aeronáutico, máquina do leme e o compartimento de tratamento de efluentes.
Na popa, logo acima do paiol de munição e da unidade de tratamento de esgoto, encontram-se as acomodações das praças (2ª coberta), incluindo área de recreação, e as acomodações dos sargentos e suboficiais (1ª coberta). Seguindo na direção da proa pela 1ª coberta encontram-se paióis diversos, oficinas e o centro de controle do navio. À vante da praça de máquinas, o restante da 1ª coberta é ocupado pelo refeitório das praças, sargentos e suboficiais, área de lazer e descanso e banheiro. A grande maioria dos oficiais fica acomodada no convés principal, próximo aos lançadores de Exocet. Todos possuem camarotes individuais. Os mesmos variam em tamanho e disposição interna. À ré dos camarotes encontra-se a praça d’armas e, continuando por este convés, chega-se aos diversos escritórios do navio bem como ao sistema de controle do sistema GWS-25. Acima dos camarotes dos oficiais localiza-se o Centro de Operações de Combate (COC), os equipamentos principais de comunicação e as acomodações do capitão do navio. O passadiço está imediatamente acima do COC. O arranjo do passadiço é muito parecido com outros projetos britânicos de sua época, como as Tipo 21, Tipo 42 e Mk 10.
Em função do casco maior e da proa modificada, os navios dos Lotes II e III possuem alterações no seu arranjo interno quando comparados ao Lote I. A seção de 12,5 m adicionada imediatamente à vante da praça de máquinas permitiu a ampliação das acomodações bem como o aumento da capacidade de combustível. O COC ganhou mais espaço para a instalação de novos consoles e novos computadores do sistema CACS-1. As acomodações do capitão foram redesenhadas e parte dos alojamentos foram ampliados, permitindo o aumento da tripulação. Uma tripulação padrão para um navio do Lote I é de aproximadamente 240 homens sendo 20 oficiais, 60 sargentos/suboficiais e 160 cabos e marinheiros. Estes são organizados em diferentes especialidades como armamento, máquinas, etc. Dentro desse quadro ainda existem 10 homens da equipe de vôo (pilotos e equipe de manutenção de aeronave) e outros 10 homens do CFN. Nas unidades dos Lotes II e III esse número pode aumentar ligeiramente, principalmente se o navio atuar como capitânia. Máquinas e Propulsão O sistema de propulsão, composto pelos motores, caixas de câmbio, eixos e hélices, pouco difere dos sistemas empregados nas fragatas Tipo 21 e nos contratorpedeiros Tipo 42. Na verdade, as Tipo 22 acabaram se beneficiando dos testes e provas realizados nestas embarcações pois elas foram predecessoras. Embora os britânicos tenham começado a estudar a adoção de turbinas a gás em navios já nos anos de 1940 (ver texto sobre propulsão navios de guerra), foi somente na década de 1960 que esse tipo de propulsão realmente se firmou como uma opção viável para escoltas do porte de contratorpedeiros e fragatas. O grande passo ocorreu em 1966 quando a HMS Exmouth, uma fragata da classe Tipo 14, foi totalmente modificada para empregar somente turbinas a gás. Eram duas turbinas Bristol Proteus de 3.500 shp cada, para velocidades de cruzeiro, e duas Rolls Royce Olympus de 15.000 shp cada, para altas velocidades, num arranjo denominado COGOG (gás ou gás).
A Proteus era uma turbina desenvolvida para o avião comercial Bristol Britannia (um turboélice quadrimotor) além de ter equipado o protótipo do hidroavião Saunders-Roe Princess (nada menos que dez motores eram usados neste avião). Ela apresentou uma série de problemas no meio aeronáutico (congelamento principalmente) e foi considerada “fraca” para a propulsão de escoltas. Já a Olympus, numa de suas variantes, obteve bons resultados equipando os bombardeios Vulcan da RAF e o protótipo do bombardeiro TSR. Antes da RN colocar a HMS Exmouth com a Olympus no mar, veio a decisão do Governo Trabalhista (o mesmo que colocou o projeto das Tipo 22 de lado) de cancelar o projeto TSR em abril 1965. No seu lugar seria adquirido o General Dynamics F-111 norte-americano (o que também não ocorreu). Isto representava um sério revés para a RN, pois com a entrega do último Vulcan em janeiro daquele ano dificilmente a linha de produção da Olympus permaneceria aberta. A solução veio novamente do céu (e de forma supersônica). O jato de passageiros binacional Concorde recebeu sua motorização baseada em quatro propulsores Olympus e o protótipo começou a ser construído em fevereiro de 1965. A garantia do projeto Concorde manteria a produção daquela turbina ainda por muitos anos. Os resultados com a HMS Exmouth foram satisfatórios e conclusivos a ponto de, em 1967, a RN definir toda uma nova geração de escoltas (fragatas Tipo 21 e 22 e contratorpedeiros Tipo 42) baseadas unicamente em turbinas a gás. Estudos para a adoção de propulsões combinadas, empregando diesel ou turbina a vapor em conjunto com turbina a gás, também foram feitos. Mas a decisão final do uso exclusivo de turbinas a gás baseou-se nas seguintes características:
Obviamente nem tudo representa vantagens. Se por um lado as dimensões das praças de máquinas são reduzidas com o emprego de turbinas a gás, a necessidade de se empregar tomadas de ar (e respectivos filtros) e dutos de exaustão muito volumosos acabaram ocupando um grande espaço nos conveses logo acima das mesmas. Este espaço livre criou condições favoráveis à propagação de fogo originado por danos de combate (a Sheffield sofreu com isso no Atlântico Sul) e justamente num local estruturalmente mais fraco. A propulsão baseada somente em turbinas a gás também trouxe como inconveniente o fato de não permitir a reversão. Para resolver este problema, existiam duas opções: adotar o hélice de passo variável ou uma complexa caixa de câmbio. A RN decidiu adotar a primeira solução porque o hélice de passo variável, embora seja cerca de 5% menos eficiente que um hélice fixo, responde com grande rapidez. Além disso, as caixas de câmbio, por serem complexas, estão sujeitas a um número maior de falhas. Uma outra desvantagem de navios dotados somente de turbinas a gás é a necessidade de unidades auxiliares para manter o navio em funcionamento quando as turbinas não estão em atividade (atracado no porto, por exemplo). Por esse motivo, as Tipo 22 possuem geradores a diesel e câmaras para a geração de vapor (discutidos em detalhe mais a diante). Arranjo COGOG O arranjo das turbinas a gás nas primeiras unidades da classe é do tipo COGOG. Existem dois eixos e em cada um deles está acoplado um par de turbinas a gás de alta e baixa potência. Cada eixo pode ser controlado por uma das turbinas mas nunca pelas duas simultaneamente. As duas turbinas de alta localizam-se lado a lado na praça de máquinas de vante, com as tomadas de ar voltadas para a proa. Estas por sua vez conectam-se por um eixo curto com a caixa de câmbio situada na praça de máquinas de ré. Neste local estão instaladas as turbinas de baixa, com a tomada de ar voltada para a popa. A conexão das turbinas de baixa com as caixas de mudança é feita através de uma caixa de redução. Os eixos principais correm paralelamente às turbinas de baixa, pelo lado externo delas, até os hélices de passo controlável. A figura abaixo apresenta esquematicamente o arranjo das turbinas.
Até a Beaver (2ª unidade do Lote II), todas as Tipo 22 possuem um arranjo COGOG baseado em duas turbinas a gás de alta potência Rolls-Royce Olympus TM3B e duas turbinas de baixa potência Rolls-Royce Tyne RM1A. As Tyne acabaram entrando no lugar das turbinas Proteus, utilizadas experimentalmente na HMS Exmouth conforme descrito acima. Assim como a sua antecessora, a Tyne também é uma turbina derivada de aeronave turboélice. Foi projetada inicialmente final dos anos de 1950 para o quadrimotor Vickers Vanguard (um desenvolvimento do famoso Viscount). Embora o Vanguard não tenha adquirido grande sucesso, a turbina Tyne teve uma carreira mais promissora e passou a equipar aeronaves como o CL-44 canadense, o Dassault-Breguet Atlantique e o Allianz Transall (estes dois últimos de origem francesa). A Tyne, na sua versão navalizada, é designada como RM1A. Primeiramente ela foi testada e avaliada nas fragatas Tipo 21 e nos contratorpedeiros Tipo 42. Mas antes mesmos que os primeiros exemplares desses navios ficassem prontos, a decisão de utilizá-las nas Tipo 22 já estava tomada. Assim como a maioria das turbinas a gás de navios, seu arranjo é modular e compõe-se basicamente das seguintes partes: tomada de ar em cascata; turbina a gás propriamente dita; saída dos gases de exaustão a 90º e isolamento acústico. Os módulos são bastante compactos (comprimento total de aproximadamente 5,5 metros) e leves (toda a instalação pesa somente 14.000 kg). O reator é composto por um compressor de alta pressão (HP) de seis estágios e um compressor de baixa pressão (LP) de nove estágios. Uma turbina de dois estágios comunica-se mecanicamente com uma caixa de redução. As 14.500 rpm geradas pela turbina são reduzidas para 3.600 rpm. A Olympus, conforme descrito acima, também é uma turbina a gás aeroderivada que ganhou fama com o projeto Concorde. Trata-se de um reator composto por um compressor de alta pressão (HP) de sete estágios e um compressor de baixa pressão (LP) de cinco estágios. O que mais impressiona nesta turbina é a potência máxima desenvolvida por cada uma delas, podendo chegar a 28.000 bhp, mas que na prática diminui para 26.900 em função da potência perdida ao longo dos dutos de exaustão. O módulo da Olympus TM3B é, grosso modo, semelhante ao módulo da Tyne, diferenciando-se apenas no arranjo geral e nas dimensões (por se tratar de uma turbina muito maior). A unidade de potência da Olympus ainda possui uma turbina mecanicamente independente do módulo principal. Essa turbina movimenta-se com os gases de exaustão da saída da Olympus. Ela é responsável pela transferência da energia gerada pela Olympus para o eixo principal.
A idéia inicial dos projetistas era utilizar as turbinas a gás de alta potência para velocidades elevadas e as turbinas de baixa potência para velocidades de cruzeiro. No entanto, a versatilidade do sistema é tão grande que os navios podem navegar com uma só turbina de alta ao invés de uma ou duas turbinas de baixa. Não é preciso dizer que, em combate, mesmo com três turbinas fora de ação o navio ainda navega com relativa facilidade. Soma-se a isto a facilidade de se planejar da melhor forma o plano de manutenção preventiva dos motores. Substituição da Olympus e o Arranjo COGAG A diferença de potência entre a Tyne e a Olympus é considerável e por essa razão os engenheiros britânicos sempre desejaram uma turbina com potência intermediária, na faixa dos 15.000 bhp. A idéia foi trabalhada ao longo dos anos de 1970 e uma outra turbina aeroderivada foi selecionada. A Rolls-Royce Spey é mais uma turbina que nasceu para equipar aeronaves civis (o HS Trident e o BAC 111) mas que também equipou jatos militares (Blackburn Buccaneer, Phantom II, Nimrod e AMX). A partir de 1976, versões da Spey foram utilizadas na indústria de forma geral. Esta versão passou a se chamar Tay. Utilizando tecnologia da Tay e da RB211, nasceu a Marine Spey SM1A. A Rolls-Royce entregou a primeira Spey de emprego naval em 1983 para ser instalada a bordo da HMS Brave. Houve interesse de outros países e o propulsor foi exportado para Holanda (Karel Doorman e De Zeven Provinciën) e Japão (Murasane).
O reator é muito similar à Olympus, mas por possuir dimensões menores (ver quadro comparativo abaixo), sobrou bastante espaço livre na praça de máquinas. Isso permitiu que o módulo das Spey pudesse correr para as laterais para a execução de reparos que, no caso da Olympus, só poderiam ser feitos com a retirada da unidade. Em função da diferença de potência entre a Olympus e a Spey, a Brave tornou-se 2 nós mais lenta. A Brave na verdade foi utilizada como banco de provas para a Spey e, nesta fragata, a nova turbina era simplesmente uma substituta para a Olympus. Nos navios subseqüentes, o arranjo foi totalmente modificado. A motorização básica foi mantida e uma versão mais moderna da Tyne (RM1C) foi utilizada. Mas o arranjo passou a ser do tipo COGAG (gás e gás) graças à troca do sistema de câmbio acoplado às Tyne. O ponto central foi a mudança da velocidade máxima de rotação do eixo, elevada para 5.220 rpm, tornando-a compatível com a velocidade da Spey. Desta forma, os dois motores puderam ser acoplados ao eixo principal. O aumento do rpm significou uma elevação do consumo específico de combustível da Tyne, mas este foi grandemente compensado pela maior eficiência da Spey. Somando as duas turbinas, a potência em um único eixo chegou a 22.000 bhp, mas ainda inferior à potência de uma única Olympus.
Caixa de câmbio e hélices A união do eixo principal com a caixa de câmbio é feita através de um equipamento muito engenhoso chamado embreagem SSS (sychronizing self-shifting). Neste dispositivo, um pinhão avança e engranza uma roda grande, e depois desengranza através de uma engrenagem helicoidal. O movimento longitudinal de engranzar e desengranzar e feito pela diferença de velocidade entre os dois eixos, não havendo paradas ou manobras complicadas para transferir de um acionador para outro. A embreagem SSS também foi utilizada para o projeto das Mk10 brasileiras (classe Niterói), que utiliza propulsão mista CODOG (diesel ou turbina a gás) mostrando a grande flexibilidade do sistema. Todas as Tipo 22 utilizam hélices pentapá de passo variável baseado no projeto Model XX, desenvolvido pela Stone Vickers Ltd. O controle do passo é feito por um sistema de circuito hidráulico fechado do tipo dupla ação. O sistema fechado oferece algumas vantagens teóricas mas também possui grandes desvantagens. A principal delas é a facilidade com que ocorrem as contaminações por óleo. A contaminação em si não é um problema pois o sistema pode eliminá-la através da limpeza. A dificuldade está exatamente na execução desse processo, lento e difícil, e que precisa ser repetido pelo menos vinte vezes. Houve até um caso com o HMS Newcasttle (um Tipo 42) que precisou remover todo o seu sistema para que o mesmo fosse reparado no estaleiro. Foram gastas quatro semanas. Não é à toa que o fabricante do hélice desaconselhou fortemente o uso de sistema de circuito fechado, desenvolvido pelo Ministério da Defesa britânico. Além disso, quando o sistema foi desenvolvido, acreditava-se que o torque seria bastante elevado. Para compensar, projetou-se um sistema hidráulico que operasse com pressões próximas de 1.200 lb/pol2 (libras por polegada quadrada). Quando a HMS Amazon (classe Tipo 21) realizou suas primeiras provas de mar, ficou claro que o torque real estava muito aquém do projetado e que bastavam pressões hidráulicas 1/4 menores (perto de 300 lb/pol2) para a operação do sistema. Em função dos problemas enfrentados pelas Tipo 21, Tipo 42 e pelas primeiras Tipo 22 (incluindo todo o Lote I), um novo projeto de sistema hidráulico, desta vez mais convencional (circuito aberto), foi especificado em 1977. O novo sistema foi inicialmente introduzido na Beaver (2ª unidade do Lote II) e nas unidades seguintes. Só como exemplo da simplificação do sistema, a extensão dos dutos e o número de válvulas caiu pela metade, ao passo que a resistência à contaminação aumentou. Sistemas de Controle de Propulsão Os controles básicos do sistema de propulsão são representados por duas manetes de potência, instaladas tanto no passadiço como no Centro de Controle de Máquinas (CCM). Cada uma das manetes controla um conjunto de turbinas de alta/baixa potência e respectivas transmissões e hélices. Os níveis de potência variam de 0 a 100 para frente e 0 a 6 para ré. O processo é todo controlado eletronicamente de forma que, independentemente da rapidez com que as manetes são avançadas ou recuadas, o sistema sempre buscará a melhor relação para evitar danos ao grupo propulsor como estol das turbinas e torque excessivo na transmissão. O sistema de controle foi concebido em módulos para facilitar a troca e o reparo dos mesmos.
Quando o primeiro sistema ficou pronto, não houve tempo para a realização de testes em terra e o mesmo foi embarcado na HMS Amazon que, mais uma vez, funcionou como bancada de testes para esta novidade na época. Não é necessário dizer que vários problemas surgiram desde que o navio iniciou suas provas de mar. Foram necessárias cerca de 900 modificações para que o sistema trabalhasse adequadamente. As Tipo 22 se beneficiaram desde “período” de testes e quando o sistema foi primeiramente embarcado na HMS Broadsword, a taxa de panes caiu para quatro eventos por ano, por navio. O sistema de logística também melhorou com o tempo e, na medida em que um módulo apresentava uma falha, ele era rapidamente substituído por outro, sem maiores prejuízos para a navegabilidade do navio. Em velocidades baixas, ou seja abaixo de 30% da potência máxima para frente e 20% da potência para ré, o sistema trabalha apenas com o passo variável dos hélices, ,mantendo estável o número de rotações dos eixos. Essa rotação mínima é necessária para fornecer potência aos serviços auxiliares do navio que dependem da energia gerada pelo próprio eixo ou pela caixa de câmbio. Sistemas Auxiliares Além do sistema de propulsão, existe uma série de máquinas auxiliares que fornecem energia para os serviços essenciais do navio. O principal deles é o sistema gerador de energia elétrica composto por quatro geradores Paxman Ventura nas fragatas do Lote I e II e quatro Paxman Valenta no Lote III. Cada unidade é capaz de gerar 1 MW de potência (os Valenta podem gerar até 1,3 MW mas para prolongar a vida dos mesmos, sua operação foi reduzida para 1 MW), totalizando 4000 kW. Apenas como comparação, as primeiras Leander necessitavam de 1,5 MW. A grande diferença justifica-se pelo aumento no número de sistemas (basicamente radares, sonares e armamentos). Os geradores são montados em pares
e cada par foi instalado em uma das Praças de Máquinas Auxiliares (vante e
ré). A operação dos mesmos é bastante versátil, sendo que eles podem
trabalhar separadamente ou de forma conjunta. Esta possibilidade é muito
importante pois representa uma proteção contra avarias de combate e somente um
dano de grandes proporções em uma parte do navio causaria interrupção total
no fornecimento de energia. Outros equipamentos das Praças de
Máquinas Auxiliares incluem duas caldeiras para geração de vapor,
equipamentos de ar condicionado e unidades de geração de água doce por osmose
reversa.
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