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Sistemas de propulsãoTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS CORNÉLIO PROCÓPIO
ENGENHARIA MECÂNICA
GABRIEL HIDEO DA SILVA
JEFFERSON ACASIO DA SILVA
JOSÉ MÁRIO BETTIO
LEONARDO MARÇON
LUIZ HERINQUE TURRINI RAMOS
MARCELO AUGUSTO FERREIRA
MARCOS HENRIQUE SALAME DE ANDRADE
PAULO HENRIQUE BOSELLI
RAPHAEL TAVARES CALLADO
RICARDO SILVA GARCIA
SISTEMAS DE PROPULSÃO
SISTEMAS TERMICOS 1
CORNÉLIO PROCÓPIO
2014
GABRIEL HIDEO DA SILVA
JEFFERSON ACASIO DA SILVA
JOSÉ MÁRIO BETTIO
LEONARDO MARÇON
LUIZ HERINQUE TURRINI RAMOS
MARCELO AUGUSTO FERREIRA
MARCOS HENRIQUE SALAME DE ANDRADE
PAULO HENRIQUE BOSELLI
RAPHAEL TAVARES CALLADO
RICARDO SILVA GARCIA
SISTEMAS DE PROPULSÃO
Trabalho de sistemas térmicos I do curso de Engenharia Mecânica, da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Prof. Dr. Edson Hideki Koroishi
CORNÉLIO PROCÓPIO
2014
SUMÁRIO
1. Introdução ...................................................................................................................................... 4
2. Tipos de propulsão naval ............................................................................................................ 6
2.1. Propulsão Direta ....................................................................................................................... 6
2.2. Propulsão Indireta ..................................................................................................................... 6
3. Comparação entre os tipos de instalações propulsoras ........................................................ 7
4. Sistemas de propulsão utilizados em navios ........................................................................... 8
4.1. Propulsão mecânica ................................................................................................................. 9
4.1.1 Propulsão mecânica direta ................................................................................................ 9
4.1.2 Propulsão mecânica direta com recuperação de energia ............................................ 9
4.2. Propulsão CODOG (Combined Diesel or Gas) ............................................................... 9
4.3. Propulsão CODAG (Combined Diesel And Gas) .......................................................... 10
4.4. Propulsão CODLAG (Combined Diesel-eLectric And Gas) ......................................... 11
4.5. Propulsão Diesel-eléctrico ................................................................................................ 12
4.6. Propulsão Diesel-eléctrico Azipod ................................................................................... 12
5. Propulsores de turbina a gás (turbo-jato) ............................................................................... 12
6. Conclusão .................................................................................................................................... 16
7. Referências Bibliográficas ......................................................................................................... 17
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Introdução
Propulsão é o processo de alterar o estado de movimento ou de repouso de um
corpo em relação a um dado sistema de referência. Um corpo pode ser acelerado através
de fontes de energia internas, isto é, transportadas junto com ele, como é o caso de
combustíveis armazenados em tanques, ou por fontes externas, como é o caso da pressão
de radiação solar. Este empuxo é obtido conforme a terceira lei de Newton, pela diferença
da quantidade de movimento aliada ao fluxo de entidades químicas e físicas energizadas
que passam pelo propulsor.
Os meios de propulsão são utilizados para mover aviões, veículos espaciais,
automóveis, trens, navios, submarinos, entre outros. Alguns exemplos podem ser
destacados quando se trata de propulsão.
Como a propulsão naval, que pode ser descrita como qualquer meio de produção
de energia mecânica que permita o deslocamento de embarcações. Os remos, a vela, o
motor a vapor, o motor diesel e a turbina a gás são os principais meios de propulsão naval.
Sendo o usual dos dias de hoje os motores de propulsão com motor diesel. A vela foi o
principal meio de propulsão das embarcações, até o surgimento do motor a vapor no século
XIX. No início, uma solução híbrida foi adotada, a vela era utilizada durante o cruzeiro e o
vapor para atingir velocidades maiores, porem os motores a vapor exigiam grandes
quantidades de carvão, o que ainda diminuía a carga útil do navio e causando alguns
incômodos como o fato do motor acionar uma grande roda na lateral do navio, esta roda
atrapalhava o manuseio das velas e a faina do navio. Este problema só foi resolvido com a
invenção da hélice por John Ericsson. No início do século XX, com a criação de
embarcações totalmente metálicas e a hélice, o motor a vapor se firmou como principal meio
de propulsão naval.
Os motores dieseis marinhos entraram em uso em 1903. Com o desenvolvimento e
surgimento do motor a diesel, a substituição do motor a vapor foi inevitável, pois os motores
de combustão interna possuem maior rendimento, assim como o espaço físico em volume e
peso que o diesel ocupava era muito menor que o carvão fazendo a capacidade de carga
das embarcações aumentarem. As turbinas a gás são usadas em combinação com outros
tipos de motor. Devido à sua baixa eficiência térmica em baixa potência (de cruzeiro) de
saída, é comum aos navios usá-las em motores a diesel para cruzeiros, com turbinas a gás
reservado, para quando as velocidades mais altas forem necessárias. No entanto, no caso
dos navios de passageiros a principal razão para instalação de turbinas a gás tem sido a de
permitir uma redução das emissões em áreas ambientais sensíveis ou no porto. Alguns
navios de guerra e alguns cruzeiros modernos também têm utilizado as turbinas a vapor
para melhorar a eficiência de suas turbinas a gás em ciclo combinado, onde desperdício do
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calor de uma turbina a gás de escape é utilizado para aquecer água e produzir vapor para a
condução de uma turbina a vapor. Em tais ciclos combinados, a eficiência térmica pode ser
o mesmo ou ligeiramente maior que a dos motores a diesel sozinho, no entanto, o grau de
combustível necessário para essas turbinas a gás é muito mais dispendiosa do que a
necessária para os motores a diesel, as despesas de funcionamento ainda são superiores.
Outro exemplo é o propulsor turbo-jato que iniciou uma nova era entre os motores
aeronáuticos, trazendo simplicidade na construção e elevada eficiência. Este propulsor
possibilita elevadas velocidades e operação em altas altitudes devido as suas
características de construção, sendo muito requerido para equipar aeronaves militares.
No século XX, os motores a foguete eram ineficientes para serem usados na
aviação. Em seu lugar, por volta da década de 1930, o motor a combustão interna em suas
diversas formas (rotativos, radiais, ar-refrigerado e refrigerado a água em linha) eram os
únicos tipos de motores viáveis para o desenvolvimento de aviões. Esses motores eram
aceitáveis em vista das baixas necessidades de performance então exigidas, dado o menor
desenvolvimento dos meios técnicos. Entretanto, os engenheiros estavam já a prever,
conceitualmente, que o motor a pistão era autolimitado em termos de performance. O limite
era e é dado essencialmente pela baixa eficiência da hélice. Isto se dá quando as lâminas
da hélice aproximam-se da velocidade do som. Se a performance do motor, assim como a
do avião, aumentasse sempre, mesmo com essa barreira, ainda assim haveria a
necessidade de se melhorar radicalmente o desenho do motor a pistão ou um tipo
completamente novo de motor teria que ser desenvolvido. Esta é a motivação que está por
trás do desenvolvimento da turbina a gás, comumente chamada apenas por motor a jato, a
qual poderia ser quase tão revolucionária para a aviação quanto o primeiro voo de Santos
Dumont.
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1. Tipos de propulsão naval
2.1. Propulsão Direta
Quando a máquina principal e a hélice operam com bom rendimento à mesma
velocidade de rotação. A máquina principal aciona diretamente a linha de veios, em cuja
extremidade a ré está montado a hélice (propulsor).
As características do equipamento utilizado na propulsão direta dos navios são
normalmente as seguintes:
Máquinas principais – motores diesel lentos a 2 tempos;
Linhas de veios – acionadas diretamente pelos motores;
Hélices (propulsores) – de passo fixo ou passo variável.
Figura 1 – Sistema de propulsão direta.
2.2. Propulsão Indireta
Quando a máquina principal apenas opera com bom rendimento a uma velocidade
de rotação superior à da hélice. A máquina principal aciona, através de uma caixa de
engrenagens redutoras, a linha de veios, afim de que a hélice também montada na
extremidade a ré desta, opere com um bom rendimento a uma velocidade de rotação mais
baixa.
As características do equipamento utilizado na propulsão indirecta dos navios, são
normalmente as seguintes :
Máquinas principais - motores diesel a 2 tempos, motores Diesel a 4 tempos
de média velocidade, turbinas a vapor e turbinas a gás;
Caixas de engrenagens redutoras e linhas de veios;
Hélices (propulsores) - normalmente de passo variável;
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Figura 2 –Sistema de propulsão indireto.
Motor diesel dois tempos, caixa redutora e gerador de veio
O gerador de veio permite obter energia elétrica para o navio a partir da
máquina principal. Deste modo, evita que os geradores a diesel auxiliares funcionem com o
navio a navegar.
Os geradores a diesel funcionam em geral com o navio em manobras,
atracado ou a navegar com mau tempo (motivo de segurança).
2. Comparação entre os tipos de instalações propulsoras
Para que esta comparação seja possível deve analisar o tipo de aplicabilidade em
que os diferentes tipos de instalações propulsoras possam concorrer, tendo em
consideração uma potência propulsora, em geral superior a 25000 kW.
Peso da instalação – mais leve utiliza a turbina a gás e a mais pesada a utiliza a
solução diesel direta, ocupando a turbina a vapor uma posição intermédia;
Espaço ocupado pela instalação – é semelhante para as soluções que utilizam
turbinas a vapor e motores diesel e menor para a solução que utiliza turbinas a gás, o que
por si só permite aumentar a capacidade de carga do navio em cerca de 13 %;
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Figura 3 –Espaço ocupado pelo maquinario (turbina a gás x diesel)
Pessoal a ser utilizados na operação é praticamente o mesmo para as três
soluções, assim como o preço do equipamento que praticamente é igual para as três
soluções. Mas à medida que a potência propulsora vai diminuindo, verifica-se uma
progressiva redução do custo da propulsão com motor diesel em relação às restantes. Ja a
manutenção do equipamento, a propulsão com motor diesel apresenta uma ligeira
desvantagem devido aos maiores custos que envolve, porem o consumo de combustível é
menor no caso da propulsão com motor diesel, seguindo-se a propulsão com turbinas a
vapor, sendo a propulsão com turbinas a gás a que consome mais para a mesma potência
propulsora.
Atualmente, a propulsão com motor diesel é a que apresenta os custos de
exploração mais baixos, para a maior parte dos navios mercantes;
Este tipo de propulsão é atualmente utilizado em mais de 97% dos navios da frota
mercante mundial.
3. Sistemas de propulsão utilizados em navios
Propulsão mecânica;
Propulsão CODOG;
Propulsão CODAG;
Propulsão CODLAG;
Propulsão Diesel-eléctrico;
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Propulsão Diesel-eléctrico (AZIPOD);
4.1. Propulsão mecânica
4.1.1 Propulsão mecânica direta
É utilizado quando o motor principal opera a baixa velocidade (entre 80 a 200 rpm),
em geral motores diesel dois tempos com veio propulsor na mesma velocidade da máquina
principal. Essa é uma configuração simples podendo dispensar a utilização de caixas
redutorase tendo como opcional o uso de gerador de veio e turbina de potência.
4.1.2 Propulsão mecânica direta com recuperação de energia
Nos motores com maior potência, parte dos gases de evacuação passa por uma
turbina de potência e os gases ainda passam por uma caldeira recuperativa, de modo a
produzir vapor para uma turbo geradora.
Figura 4- Utiliza os gases de evacuação do motor para recuperar energia através de turbina de
potência e turbo-geradora.
4.2. Propulsão CODOG (Combined Diesel or Gas)
O sistema de propulsão marinha Diesel or Gas (CODOG) combina motores diesel
com turbinas à gás. É um tipo de sistema de propulsão para navios que precisam de
velocidade máxima, que é consideravelmente mais rápido que a velocidade de cruzeiro,
navios de guerra particular, como fragatas modernas ou corvetas.
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Os motores a diesel são os mais adequados para navios de velocidade moderada e
constante. Suas principais vantagens são:
Elimina a instalação de caldeiras e condensadores, o que representa uma
grande economia de peso e espaço;
São reversíveis e, como as máquinas alternativas, desenvolvem praticamente
a mesma potência na marcha a ré que na marcha a vante. É uma superioridade de manobra
sobre os navios a turbina, cuja potência em marcha AR é limitada a 50% da potência em
marcha AV;
Durante as estadias no porto o consumo dos motores é nulo, enquanto que
as caldeiras dos navios a vapor devem ser mantidas sob pressão.
Suas principais desvantagens são:
Exigem uma instalação de ar comprimido para partida e injeção de
combustível;
Maior custo de instalação;
Maior trabalho de manutenção, exigindo inspeção periódica a suas diversas
peças;
Consome um combustível mais caro, e mais lubrificante.
4.3. Propulsão CODAG (Combined Diesel And Gas)
É um sistema de propulsão que utiliza motores Diesel para a propulsão em regime
de velocidade de cruzeiro. Para aumentar a velocidade do navio, utiliza-se uma turbina a
gás auxiliar em conjunto com os motores Diesel para aumentar a potência total de propulsão
do navio.
Este sistema apresenta tambem maior complexidade das engrenagens redutoras.
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Figura 5- Propulsão CODAG (Combined Diesel And Gas)
4.4. Propulsão CODLAG (Combined Diesel-eLectric And Gas)
Utiliza motores Diesel para produzir energia eléctrica que vai alimentar os motores
de propulsão do navio (velocidade de cruzeiro). Para obter velocidades mais elevadas,
utiliza-se uma turbina a gás auxiliar de modo a aumentar a potência eléctrica total utilizada
para a propulsão do navio
Figura 6 - Propulsão CODLAG
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4.5. Propulsão Diesel-eléctrico
Diversos geradores de alta potência, acionados por motores a diesel quatro tempos
de velocidade média, e que também operam a uma velocidade média fornecem a
eletricidade que é usada para os motores elétricos das transmissões principais e auxiliares.
Os geradores principais são acionados diretamente ou por meio de uma caixa
reversora. Os geradores são rígidos e os motores a diesel podem ser rígidos ou de
montagem flexível.
O sistema de propulsão principal, bem como as transmissões auxiliares, como a
bomba de draga, bomba a jato e várias outras máquinas são acionadas pelos motores
elétricos.
4.6. Propulsão Diesel-eléctrico Azipod
Sistema de propulsão Azipod
Há a possibilidade de utilizar uma ou mais unidades, cada uma constituída por um
motor eléctrico e um hélice. O conjunto é acoplado à estrutura do navio sendo capaz de
rodar 360º. Este facto, permite eliminar o sistema de governo (leme), uma vez que o fluxo de
água de propulsão é direccionado pelo Azipod.
As perdas de potência nas caixas de engrenagens e linhas de veios, são
eliminadas, e o respectivo espaço ocupado pode ser utilizado para outros fins.
Proporciona uma maior estabilidade ao navio e uma redução média de 15% no
consumo de combustível. Quando utiliza duas unidades, os hélices operam em contra-
rotação.
5. Propulsores de turbina a gás (turbo-jato)
Tipos de turbina a gás
Os motores a reação são classificados segundo o tipo de compressores que usam,
que recaem em três categorias básicas que são, fluxo centrífugo, fluxo axial e fluxo misto
(axial – centrifugo).
Em uma turbina de fluxo centrifugo, a compressão do ar de entrada é feita mediante
a aceleração do ar externo perpendicularmente ao eixo longitudinal do motor. O motor de
fluxo axial comprime o ar através de uma série de aerófilos estacionários e rotativos
movendo o ar paralelamente ao eixo longitudinal do motor. O motor misto, centrifugo-axial
usa os dois tipos de compressão. O caminho que o ar faz no interior do motor e a forma que
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a energia, tração é produzida determinam o tipo da turbina, sendo estas, em geral, turbo
jatos, turbo hélice, turbofan ou turbo-eixo.
Figura 7 – Turbo Jato
Turbo Jato (jato puro) – Esta turbina é composta de quatro secções – compressor,
câmara de combustão, turbina e exaustor. O compressor passa para a câmara de
combustão ar de entrada com alta razão de velocidade. A câmara de combustão possui os
injetores e os ignitores para a combustão. O ar queimado e altamente expandido movimenta
a turbina que está conectada por um eixo concêntrico ao compressor, sustentando a
operação do motor. Os gases acelerados da exaustão do motor produzem a tração (thrust)
ou propulsão. Estas turbinas têm uso limitado do ponto de vista alcance e durabilidade e são
de resposta lenta aos comandos feitos nos manetes, quando em baixas velocidades do
compressor.
Turbo Hélice - É uma turbina que movimenta uma hélice através de uma caixa de
redução. Os gases de exaustão acionam uma turbina de potência que comanda um eixo
que movimenta a caixa de redução. Nestes motores a caixa de redução é indispensável
porque a hélice apresenta seu melhor rendimento sob rotações muito menores do que as
tipicamente geradas pela turbina. As turbinas deste tipo atendem um compromisso funcional
e de performance, intermediário entre a um motor alternativo e o turbo jato. Os motores
turbo-hélices são mais eficientes em velocidades entre 250 e 400 kts e altitudes entre
18.000 e 30.000 pés, sendo muito econômico em baixas velocidades, como decolagens,
subidas, descidas e pouso. O consumo específico mínimo, normalmente é apresentado na
altitude aproximada de 25.000 pés.
Turbofan - Esta turbina foi desenvolvida para combinar as melhores características
de um turbo jato e de um turbo hélice. Os motores turbofan foram projetados para gerar
tração adicional a partir de um fluxo de ar secundário que passa no contorno das câmaras
de combustão. No turbofan o ar lateral, externo à combustão (bypass) gera tração muito
maior, refrigera o motor e reduz o nível de ruído geral do motor, em especial no
escapamento. Este motor prove a velocidade de cruzeiro turbo jato com um consumo baixo,
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um pouco superior do que o do turbo hélice. O ar admitido e separado para constituir os
fluxos, um passa pelo interior do motor e o segundo contorna o motor. Este fluxo de ar de
contorno é que dá origem ao termo “bypass engine”. A razão de “bypass” de um turbofan se
refere à razão entre o volume do ar que constitui o fluxo de contorno e o volume do fluxo de
ar que passa pelo interior do motor.
Turbo eixo – é a turbina que libera sua potência para um eixo que aciona qualquer
mecanismo que não seja uma hélice. A grande diferença de um motor turbo eixo para um
motor turbo jato está no fato que o turbo jato produz tração enquanto que um turbo eixo
produz potência, aciona uma turbina. Estas turbinas são usadas para equipar helicópteros e
como unidades auxiliares de potência (APU).
A combustão da mistura combustível é marcada pela presença de uma chama a
frente do bico injetor de combustível e processa-se numa região muito pequena, situada na
primeira porção da câmara.
O sistema de ignição de turbina apresenta um ignitor de chama diferente daqueles
utilizadas nos sistemas de ignição dos motores convencionais. Os ignitores somente geram
faísca no momento da partida, sendo que após o início do funcionamento do motor, a faísca
cessa e a chama torna-se constante com a adição contínua de combustível. O seu eletrodo
deve ser capaz de resistir a uma corrente de muito maior energia, em relação ao eletrodo de
velas para motores convencionais. Essa corrente de alta energia pode rapidamente causar a
erosão do eletrodo, mas os pequenos períodos de operação minimizam manutenção da
vela. O espaço do eletrodo de uma vela de ignição típica é muito maior do que aquela das
velas de centelha, uma vez que as pressões de operação são muito menores, e as
centelhas podem ser mais facilmente conseguidas do que nas velas comuns. Finalmente, a
sujeira nos eletrodos, tão comum nas velas de motores convencionais, é minimizada pelo
calor das velas de alta intensidade.
Para a combustão ser eficiente, deve-se ter tempo, temperatura e turbulência.
Resumindo, significa tempo de queima o mínimo possível, temperatura a mais baixa
possível e o mínimo de turbulência. A temperatura aproximada na combustão chega a 2000°
C, com tempo Maximo de 10 a 20 milésimos de segundo.
A chama de combustão apresenta a cor amarela quando o motor está bem
regulado. Chama a atenção uma cor vermelha pálida caso Haja desregulagem de algum
componente. O comprimento da chama varia diretamente com a razão da mistura de
combustível-ar. Os bicos injetores são projetados para trabalhar com um volume específico
de ar e combustível. Existe um limite de chama para que não afete a estrutura da câmara e
os componentes do bico injetor, que se chama de razão máxima de mistura. Um item
importante da chama é manter-se acesa durante a passagem de fortes correntes de ar.
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Sabe-se que o ar que entra na câmara de combustão é muito veloz em relação ao tempo de
propagação da chama. Por isso que é importante ter uma pequena região de turbulência em
volta da chama para diminuir a velocidade do ar.
Convém salientar que a massa de ar que não tomou parte da combustão sofre uma
aceleração no seu movimento, causada pela grande quantidade de calor que lhe é
transmitida pela chama de combustão. Essa massa acelerada chega a 168 metros por
segundo de velocidade. O final é registrado no momento exato em que a massa de ar mais
os produtos da combustão deixam as câmaras de combustão e penetram no anel de pás
orientadoras de fluxo para turbina, passando antes através de tubo orientadores que ligam
as câmaras de combustão com o conjunto da turbina.
O rendimento do motor é definido em termos de energia absorvida e energia obtida
do motor:
Num motor de turbina a gás, a jato, estamos mais interessados no valor de empuxo
desenvolvido do que na quantidade de trabalho realizado, que é dada pelo produto da força
pela distância, pouco importando se ele efetuou algum deslocamento. Assim, a eficiência
fica reduzida à quantidade de empuxo gerado comparado com a quantidade de energia
usada que, neste caso, é o consumo de combustível. A simplificação exposta é permitida na
medida em que um motor a reação quando colocado num banco de provas não se desloca,
assim sendo, não produz trabalho, pois este é o resultado da força gerada pela distância
deslocada que neste exemplo é nulo.
Este fato nos conduz à uma das principais medidas de rendimento do motor a jato:
A quantidade de combustível consumida por hora dividida pelo empuxo
desenvolvido, constituindo a grandeza conhecida como “consumo específico do motor”, em
inglês, Thrust Specific Fuel Consumption (TSFC).
Outras relações compõem o consumo específico do motor a jato, sendo as
principais, o rendimento térmico do ciclo e o rendimento propulsivo. O rendimento propulsivo
é a quantidade de empuxo desenvolvida pelo duto de descarga com a energia que lhe é
fornecida em forma utilizável. O duto de descarga faz o máximo que pode para transformar
a energia recebida em empuxo, mas não consegue ser 100% eficiente.
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6. Conclusão
O trabalho citou diversos modelos de propulsão existentes, especificando em dois
mais comuns, isso mostrou que apenas que a escolha de qual sistema usar varia com a
necessidade e qual será o uso, podendo assim definir qual o melhor método usar, pois o
constante desenvolvimento de novas tecnologias e adaptações fazem com que os
sistemas fiquem mais versáteis e produtível para o uso.
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7. Referências Bibliográficas
FONSECA, Maurílio Magalhães, 1912-1972 - Arte Naval. – 7.ed.– Rio de Janeiro: Serviço
de Documentação da Marinha, 2005.
PALHARINI, Marcos Jesus Aparecido. Motores a Reação. 4 ed. rev. São Paulo: Asa,
1999
NOGUEIRA, Haroldo J.P.. Motores a Jacto. 2 ed. rev. São Paulo: LEP, 1954
Máquinas de Propulsão. Disponível em:
<http://tempodefun.dominiotemporario.com/doc/Propulsao.pdf> Acesso em: Dezembro de
2014.
Propulsão. Disponível em: <http://www.lcp.inpe.br/Plone/LCP/linhas-de-
pesquisa/propulsao-1> Acesso em: Dezembro de 2014.