Barcos

Como o design de aviões revolucionou o desenvolvimento de hélices para barcos

por Capitão Vincent Daniello
Postado em 10 de Janeiro de 2018

Descubra como se deu a evolução de uma das partes mais essenciais de uma embarcação

Como o design de aviões revolucionou o desenvolvimento de hélices para barcos (Foto: reprodução/Wikimedia Commons)Mesmo com o fim da corrida espacial, o desenho de hélices continuava a ser uma experiência baseada em tentativa e erro: tira o barco d’água, ajusta o hélice, põe na água, testa, repete. Cansada desse jogo, a Marinha norte-americana contratou o famoso MIT (Massachussets Institute of Technology) para estudar o comportamento e performance de hélices usando teoria de fluxo e computadores.

O modelo 3D resultante desse estudo permitiu aos peritos da Marinha alterar e simular diferentes propriedades dos hélices, além dos tradicionais passo e diâmetro, tais como inclinação, gradientes, comprimento da corda, cambagem, etc, e assim maximizar a performance concomitante à redução de vibração e/ou ruído.

Ao final da Guerra Fria, esse software foi disponibilizado ao setor privado, e, nos últimos dez anos, hélices com design antes classificado como segredo militar passaram a ser disponibilizados para o cidadão comum, podendo ser encontrados em embarcações a partir de 30 pés.

Será que um desses hélices ultramodernos pode aumentar a velocidade final, melhorar a economia, fazer planar mais rapidamente ou até influenciar na forma como você manobra o seu barco?

Falamos com quatro peritos em hélices, e o resultado pode ser conferido a seguir.

A modelagem computadorizada 3D possibilita a técnicos analisar a performance de diferentes modelos e formatos de hélices, para maximizar seu potencial e melhorar tanto a velocidade, quanto a economia (Foto: cortesia/Michigan Wheel Marine)Parentesco não muito distante
“Um hélice, nada mais é do que um conjunto de asas rotativas”, diz Greg Platzer, gerente do grupo responsável pelo desenvolvimento de hélices para naves de superfície durante boa parte da Guerra Fria. A equipe de Greg curvou as pás dos hélices como as asas de um avião. Como consequência, a carga passou a ser mais bem distribuída pela superfície, maximizando sua eficiência, reduzindo a vibração e ruído e tornando sua detecção pelos submarinos inimigos mais difícil. Atualmente em vida civil, Greg desenha hélices para mega e superiates. “Nesse tipo de embarcação, usamos os mesmos princípios por diferentes motivos”, conta, citando exemplos em que hélices proporcionaram aumento de eficiência entre 5% e 10%, ao mesmo tempo que reduziram as vibrações em 75%.

Melhor para que tipo de barco?
“Uma lancha que cruza a 30 nós, com eixo(s) de grande angulação, é candidata ideal para ser reequipada com hélices modernos” diz Jimmie Harrison, presidente da Frank & Jimmie’s Propeller de Fort Lauderdale, Flórida. “Normalmente, vemos aumento da velocidade final de 1 a 2 nós com hélices cujas pás tenham superfícies complexas e otimizadas.”

Mesmo em barcos mais lentos, pás de superfícies complexas podem contribuir para um aumento da performance, mas há mais variáveis nessa equação. “Em um barco cuja velocidade de cruzeiro esteja em torno de 18 nós, o desenho correto do hélice pode proporcionar um aumento de até 5 nós” conta o engenheiro naval Kevin Mitchell, da Michigan Wheel Marine. Kevin diz que hélices com superfície complexa são ideais para lanchas com motor a Diesel e acima de 40 pés, e cujo reversor tenha uma relação de redução maior do que 2:1. “Nas lanchas com motores a gasolina, com hélices menores e que giram quase na velocidade do motor, provavelmente as pás retas tradicionais, com pequena curvatura nas pontas, apresentarão melhor desempenho”, diz.

Conforme o aumento da potência dos motores nos últimos anos, naturalmente houve a necessidade de aumentar também o diâmetro dos hélices. Muitos estaleiros não têm como mudar a configuração de seus cascos de maior sucesso, e então acabam usando hélices tradicionais ineficientes. Acontece muito com quem repotencia seus cascos. Uma solução para resolver esse problema é o uso de hélices com pás de superfícies complexas. “O diâmetro ideal de um hélice de cinco pás para dada potência é sempre menor que o de um hélice de quatro pás e, portanto, podemos ganhar eficiência aumentando o número de pás”, afirma Greg, adicionando ainda que, “em uma pá com perfil de asa, podemos aumentar a cambagem e também acomodar o aumento de potência”.

“Se, ao alcançar a velocidade de planeio os motores não conseguirem desenvolver potência suficiente, o hélices modernos não serão de muita valia.”

Melhor manobrabilidade
Lanchas que usam bastante flap em velocidade de cruzeiro podem se beneficiar de outra característica dos hélices com pás de superfície complexa. Como motores de centro transmitem a potência por meio de eixos angulados para cima, automaticamente há um empuxo na popa que ajuda reduzir a quantidade de flap necessária para o planeio no ângulo de maior eficiência. Os hélices com pás de superfície complexa ajudam a criar ainda mais empuxo na popa. Kevin cita um exemplo: “Uma lancha de série muito popular do mercado andou 2 nós mais rápido e melhorou correspondentemente a performance e economia na velocidade de cruzeiro, simplesmente trocando os tradicionais hélices Dyna Quad pelos EQY com pás de superfície complexa”.

Por outro lado, “se, ao alcançar a velocidade de planeio os motores não conseguirem desenvolver potência suficiente, o hélices modernos não serão de muita valia”, afirma Jimmie, se referindo ao clássico “buraco do turbo” de alguns motores mais antigos. “Resolvemos esse tipo de problema com hélices convencionais, que patinam mais na faixa de rotação média”.

Hélices com grande inclinação para trás aumentam o empuxo na popa, por deslocarem o centro de aplicação da força para trás em relação ao centro de flutuação do casco (uma pequena mudança em altas rotações faz a diferença, sim!). E, caso a inclinação seja para a frente, há uma redução no empuxo resultante na popa, podendo ser usado para balancear a atitude de um casco. Podemos mudar a característica de cascos “mal comportados”, tais como os que enterram a proa nas ondas quando navegam a favor da maré, por meio do desenho inteligente dos hélices.

Hélices farbicados em Nibral — uma liga de bronze, níquel e alumínio — são mais resistentes e mais adequados para altas potências (Foto: cortesia/Twin Disc Rolla)Ruído, vibração e cavitação
“O ruído e, muitas vezes, a vibração transmitida pelo hélice ocorrem, principalmente, por causa de cavitações”, conta Greg. “Para mitigar esse problema, precisamos descarregar empuxo nas pontas das pás e transferí-lo para a parte central, mudando o seu perfil”. Outra forma de reduzir ruído e vibrações é aumentando o número de pás. “A cavitação é  um fenômeno que ocorre quando as pás passam pelo fluxo irregular de água proveniente das estruturas de apoio do eixo e/ou muito próximas ao casco”, afirma.

Quando o hélice possui três pás, a todo momento um terço do hélice passa por essas zonas de água turbulentas. Aumente para cinco pás e teremos apenas um quinto do hélice passando por essa região. Além disso, o aumento do número de pás traz consigo a redução do diâmetro do hélice e o consequente afastamento das pontas das pás do fundo do casco. “Nesse caso, o ganho é linear”, diz Greg. “Dobre a distância das pás em relação ao fundo do casco e o ruído e a vibração serão reduzidos à metade.”

Introduzir uma curvatura no bordo de ataque da pá do hélice — similar à curvatura de uma banana, contra o formato de trevo — era um dos segredos mais bem guardados da Marinha para reduzir o nível de ruído. “O bordo de ataque curvo passa gradualmente no fluxo de água inconstante durante a rotação do hélice, e assim dilui o efeito da cavitação”, diz Greg.

Em barcos com túnel para os hélices, a ponta das pás permanece mais tempo próxima ao fundo do casco, de forma que o uso de pás com superfícies complexas é ainda mais indicado.

O caça-minas da classe Avenger da Marinha norte-americana, com seu casco de madeira de 220 pés, transmite a potência para a água por meio de hélices com pás de passo variável (Foto: cortesia/Platzer Marine)Empuxo regulável
“Um motor de popa é uma folha de papel em branco”, conta Steve Powers, presidente da PowerTech Propellers. “O mesmo motor poderá ser usado para uma lanchinha de 20 pés ou em conjunto com outros numa 40 pés. Além disso, funciona em diferentes ângulos e profundidades.” Essa ampla gama de usos faz com que a Powertech ofereça mais de 100 modelos de hélices, apenas para as versões V-6 de motores de popa. Nesse caso, o que estimulou o desenvolvimento não foi a tecnologia secreta da Marinha, e sim as leis antipoluição, que fizeram com que os motores a quatro tempos, mais pesados, dominassem o mercado. Barcos mais pesados planeiam com maior dificuldade, e a curva de torque desses motores propicia hélices que giram mais lentamente do que nos seus antecessores.

Além disso, motores mais silenciosos requerem hélices que também o sejam. De acordo com Steve, “atualmente vemos uma escalada na potência dos motores de popa, o que demanda ainda mais atenção no desenvolvimento dos hélices”. O hélice certo aproveita a especificidade de cada motor, tais como comandos variáveis ou compressores.

Steve acrescenta que, muitas vezes, o comportamento inadequado de certos cascos é causado por hélices incorretos. Em cascos que caturram, por exemplo, o problema pode ser combatido com hélices inclinados e com maior área. Se o hélice de uma lancha ventila (suga ar da superfície) em curvas muito inclinadas, a substituição por outro com formato de pás diferente pode resolver o problema. Reduzir o passo, aumentar área de pá e diminuir a inclinação do hélice pode ajudar uma lancha pesada a manter o planeio a velocidades baixas — útil quando as condições do mar pioram. Um ajuste perfeito entre diâmetro, número de pás, área de superfície e inclinação resulta em maior economia de combustível na velocidade de cruzeiro.

Excetuando as máquinas de competição, barcos com motores de centro-rabeta são bastante similares e, consequentemente, o são também os hélices. Pode-se optar entre maior economia sacrificando velocidade final, mas, a não ser que uma lancha tenha um problema bastante específico, Steve não vê ganhos consideráveis que justifiquem o
desenvolvimento de hélices para rabetas.

 

"Dobrar a distância da ponta das pás ao fundo do casco reduz o ruído e a vibração à metade."

Disponibilidade e custo
“Nossa empresa começou desenvolvendo hélices customizados para linhas específicas de lanchas”, conta Kevin, referindo-se a longos projetos para auxiliar estaleiros a alcançarem seus objetivos de performance.

Através dessa experiência, a Michigan Wheels Marine criou ferramentas computadorizadas para para desenvolver e produzir, por meio de máquinas CNC modernas, hélices semi-customizados com superfícies complexas. “Dessa forma, podemos oferecer hélices sofisticados, com performance consistente e a um preço bastante acessível”, conta Kevin.

Quando antes eram necessárias uma ou duas provas de mar antes de acertar o hélice, com a nova tecnologia esse trabalho todo passou a se limitar a instalar o hélice customizado e verificar se as características de carga ficaram corretas para cada rotação, inclusive com diferenciação entre motores de bombordo e boreste.

A nova tecnologia pode ser encontrada em hélices de linha também. Com custo cerca de 30% maior que as respeitadas Dyna-Quad com pás retas, as novas EQY com pás de superfícies complexas são especialmente adequadas para motores Diesel em lanchas acima de 40 pés e que cruzam entre 30 e 35 nós, de acordo com Kevin. Se não quiser sofisticar tanto, por cerca de 10% de acréscimo é possível trocar as hélices tradicionais Dyna-Jet (três pás) ou Dyna-Quad (quatro pás) que equipam muitos barcos na faixa dos 30 pés, por um modelo da recém-lançada linha DQX. Ela não possui pás com formato de asa, mas é otimizada para suportar maior potência usando novos materiais e processos de fabricação. “Trocar um hélice de três pás por um de quatro pás pode reduzir um pouco a velocidade de tope, mas os ganhos em eficiência e consumo são consideráveis na velocidade de cruzeiro”, informa Kevin.

Esse scanner Hale MRI transfere os dados das superfícies das pás do hélice para um computador e permite que elas sejam posteriormente usinadas por CNC para alcançarem novos padrões de qualidade e precisão (Foto: Capt. Vincent Daniello)Hélices mal dimensionados
“Às vezes os hélices são reformados tanto que nem correspondem mais às características originais. Ou pode ser que os originais já tenham sido fornecidos de forma incorreta”, conta Kevin. Barcos, assim como nós, ganham peso ao longo de sua vida útil, por meio da adição de equipamentos e absorção de água. Usualmente, o acerto dos hélices é feito considerando apenas a velocidade final alcançada. Os fabricantes podem fornecer a quem repara hélices os dados levantados eletronicamente por equipamentos como o Prop-Scan. Assim, é possível restaurar as características originais usando processos controlados por CNC.

Às vezes, restaurar com precisão hélices usados pode resolver o problema de sua lancha. “O MRI garante tolerâncias de fabricação menores”, informa Jimmie. “Também garante que todas as pás fiquem absolutamente simétricas”, fator crucial quando tratamos de vibrações. Aumentar a tolerância de fabricação de Classe 1 ou Classe 2 para a superior Classe S e, ao mesmo tempo, ajustar o passo e curvatura das pontas das pás custa cerca de US$ 550 para um hélice de quatro pás de 21” (54 cm) de diâmetro. O mesmo acerto feito com tolerância Classe 1 ou Classe 2 custaria US$ 400. Os ganhos em eficiência, perfomance e redução de vibrações mais do que justificam o custo adicional.

Afinal, como a tecnologia secreta dos hélices da Marinha dos EUA foi parar nos eixos dos barcos de qualquer um? “A Marinha desenvolveu novas tecnologias...”, revela Greg.

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