Uma nova opção para propulsão eficiente em baixa velocidade

Por Harry Valentine

Fatores como a velocidade de rotação e a vazão de volume do fluxo de água em comparação com a velocidade de navegação determinam a eficiência propulsiva das hélices marítimas, com o pico da eficiência da hélice sendo alcançado na navegação oceânica. As restrições de velocidade impostas ao longo das vias navegáveis ​​interiores reduzem muito a eficiência da propulsão da hélice. Uma alternativa está evoluindo na propulsão de pequenos barcos que oferece um possível potencial futuro para aumentar a eficiência propulsiva de navios que navegam ao longo de vias navegáveis ​​interiores de velocidade restrita.

Introdução

A roda d’água foi desenvolvida há cerca de 4.000 anos para converter a corrente do rio em energia de trabalho. Durante meados do século 19, as rodas d’água foram adaptadas para fornecer propulsão como rodas de pás instaladas em barcos movidos a vapor. As hélices evoluíram de moinhos de vento e aprimoraram o controle direcional em comparação com a propulsão da roda de popa e da roda lateral quando os navios navegavam nas ondas. As maiores hélices instaladas na popa dos grandes navios comerciais oferecem uma maior eficiência propulsiva, em certas velocidades de navegação. Até recentemente, havia pouco interesse em adaptar uma tecnologia radicalmente diferente para a propulsão de embarcações, mas isso mudou com o surgimento das pranchas de surf hidrofólio.

Hidrofólios configurados como aviões em escala foram originalmente instalados sob as pranchas de surfe para melhorar a navegação em águas agitadas. Os surfistas aprenderam a “bombear” as pranchas de hidrofólio para obter propulsão depois que uma onda se dissipou e também a viajar por “águas planas”, o movimento de produção de baleia ou golfinho da asa da cauda com hidrofólio rígido. Uma empresa sueca chamada DOL-prop Industries desenvolveu uma tecnologia de propulsão competitiva para pequenos navios, baseada na cauda de baleias e golfinhos. Eles afirmam ter eliminado a vibração e oferecem eficiência propulsiva superior às hélices convencionais usadas em pequenos barcos.

Conceitos concorrentes

Enquanto as asas da cauda da prancha de surfe hidrofólio são rígidas, a tecnologia sueca de propulsão da cauda do golfinho duplica as características da cauda do golfinho por ser macia e flexível. O sul-africano construído “pump-a-bike” era um hidrofólio de propulsão humana que combinava um pequeno hidrofólio líder e um amplo hidrofólio posterior em um eixo transversal colocado abaixo do piloto. Depois de empurrar a bicicleta de uma doca, o motociclista subiu a bordo e, em seguida, saltou para cima e para baixo acima do hidrofólio traseiro para obter a propulsão. Atualmente, as pranchas de hidrofólio representam o principal uso difundido da propulsão sem hélice.

Uma versão do conceito de hidrofólio sul-africano foi instalada na proa de um barco movido a ondas, onde um dispositivo flutuante conectado por hastes de controle levantava e abaixava o hidrofólio de propulsão para impulsionar a embarcação a uma velocidade de 6 nós. Embora a tecnologia tenha se mostrado promissora, a aceitação do mercado da propulsão elétrica em pequenas embarcações tem sido bastante baixa, apesar da eficiência aprimorada. O setor marítimo comercial provavelmente esperaria para ver a operação generalizada de propulsão elétrica em pequenas embarcações antes de desenvolver uma versão da tecnologia do tamanho de um navio, para uso em vias navegáveis ​​interiores de velocidade restrita.

Aplicação num grande navio

Grandes embarcações de tamanho comercial impulsionadas por uma propulsão fluke exigiriam propulsores de proa e popa para otimizar o controle direcional. Essas embarcações construídas para operação ao longo de vias navegáveis ​​interiores podem levar tecnologia de armazenamento de bateria elétrica em escala de grade, como baterias redox de fluxo de longa vida ou tecnologia de bateria de armazenamento de metal líquido concorrente. Haveria oportunidade de fazer recarga parcial quando as embarcações transitarem pelas eclusas de navegação. A eficiência propulsiva potencialmente mais alta da tecnologia fluke em relação às hélices usadas em navios que navegam ao longo de vias navegáveis ​​de velocidade restrita provavelmente aumentaria significativamente a distância de navegação antes que as baterias a bordo precisassem ser recarregadas.

Durante um período anterior, havia pouca pressão sobre o setor marítimo comercial para reduzir as emissões de carbono. Actualmente, a Comunidade Europeia procura impor normas cada vez mais rigorosas sobre as emissões de gases de escape dos navios. A indústria naval respondeu mudando alguns navios para combustível GNL com opções futuras envolvendo tecnologia de célula de combustível de hidrogênio. Essa tecnologia de geração de energia também está sendo instalada em embarcações que operam ao longo de vias navegáveis ​​interiores, onde versões em grande escala da tecnologia de propulsão por acaso podem ser adaptadas às áreas de popa de algumas embarcações movidas a bateria ou por tecnologia de energia de célula de combustível.

Fluke ativado por manivela

Parece possível que um virabrequim acionando uma biela poderia ativar a tecnologia de propulsão sueca DOL-hélice com mola, talvez com um motor elétrico ou turbina eólica acionando o virabrequim. O carregamento por mola de uma ‘pata’ gigante rígida ou não flexível em grande escala seria impraticável e exigiria uma forma diferente de ativação, para elevar e abaixar a ‘pata’ enquanto muda seu ângulo para longe da horizontal para produzir empuxo. Uma opção possível envolveria a combinação de virabrequins montados transversalmente dianteiros e traseiros, conduzindo bielas dianteiras e traseiras fixadas nas áreas dianteira e traseira da pata.

A combinação de virabrequins transversais de curso longo à frente e de curso mais curto pode ser acionada independentemente por diferentes motores elétricos, com potencial para conectar o par de virabrequins usando hastes laterais com os virabrequins dianteiro e traseiro definidos fora de fase para produzir impulso para frente. Um elo mecânico pivotado conectaria a extremidade dianteira da pata à área da popa do barco, com a opção de links superior e inferior pivotados mudando o ângulo da pata à medida que sobe e desce quando ativada por uma única manivela. Alternativas envolvendo ativação vertical da pata rígida em larga escala e pitching estariam sujeitas a pesquisas futuras.

Força do vento

Esta era está testemunhando um interesse renovado em embarcações movidas a vento que incluem barcos movidos a moinhos de vento capazes de navegar a oito nós diretamente contra um vento contrário, usando uma hélice convencional e turbina de três pás. Para pequenas embarcações, a sorte do DOL-prop oferece um ganho significativo na eficiência de propulsão sobre hélices pequenas. Uma turbina eólica exclusiva desenvolvida na Califórnia oferece maior potência para o mesmo diâmetro de uma turbina de três pás. É uma turbina de rotor duplo que usa um par de turbinas de duas pás ajustadas a 90 graus uma da outra e a uma distância entre si no mesmo eixo de força.

Uma tecnologia concorrente envolvia uma pipa de geração de energia presa à popa do navio e capaz de “bombear” o nível de potência do propulsor DOL para produzir propulsão. Embarcações com propulsão pelo vento usando propulsão por acaso e podem navegar diretamente contra ventos contrários ao longo de muitas vias navegáveis ​​interiores internacionalmente, transportando carga para o mercado. Tensões mecânicas causadas pela inclinação e rolamento da embarcação restringem a altura da torre da turbina eólica e o tamanho da turbina eólica que a torre pode carregar. No entanto, a combinação de tecnologia de conversão de energia eólica eficiente e inovadora e propulsão por acaso promete ser potencialmente competitiva na futura propulsão de embarcações sem carbono.

Conclusões

Uma indústria marítima que busca reduzir as emissões de escapamento de navios e melhorar a eficiência propulsiva pode desejar examinar o potencial da propulsão mecânica da ‘pata’ aplicada a embarcações pequenas e grandes. Uma ‘pata’ mecânica em grande escala ativada por um par de virabrequins oferece potencial para melhorar a eficiência de propulsão ao longo de vias navegáveis ​​interiores.

Harry Valentine é um colaborador regular do The Maritime Executive.

Mais informações Dolprop



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