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26 de abril de 2025

A evolução dos sistemas de propulsão naval teve um impacto significativo no design, eficiência e capacidades operacionais dos navios modernos.

Este documento apresenta uma análise aprofundada de dois mecanismos predominantes de propulsão: o tradicional sistema de linha de eixo e os sistemas de propulsão com pod. Ao examinar os princípios de design, os parâmetros de desempenho e os resultados operacionais, este estudo esclarece os fatores que determinam a preferência por um ou outro sistema, dependendo das aplicações marítimas. Dados científicos, literatura técnica e fórmulas relevantes são integrados para oferecer uma compreensão clara, acessível até para leitores sem formação especializada em arquitetura naval.

Introdução

Os sistemas de propulsão naval são fundamentais para o movimento e manobrabilidade das embarcações, impactando diretamente a eficiência, velocidade e desempenho ambiental. Historicamente, o sistema de propulsão com linha de eixo dominou as operações marítimas. No entanto, nas últimas décadas, os avanços tecnológicos introduziram sistemas de propulsão com pod — uma categoria que inclui soluções como o Azipod® da ABB, Mermaid da Rolls-Royce e os pods Seajet da GE. Embora ambos os sistemas tenham a função primária de converter a potência do motor em propulsão, eles adotam filosofias de design diferentes. Este estudo compara os dois sistemas em termos de design mecânico, desempenho e flexibilidade operacional, discutindo as condições nas quais uma tecnologia é preferível à outra.

Sistema Tradicional com Linha de Eixo

O sistema tradicional com linha de eixo depende de um motor a combustão interna ou uma turbina a gás instalada no casco do navio. Esse motor transmite a potência mecânica para a hélice por meio de um eixo de conexão. O princípio de funcionamento pode ser expresso pela relação entre potência, torque e velocidade angular do eixo. Uma hélice fixa, combinada com um leme posicionado na popa, fornece tanto a propulsão quanto o controle direcional.

A simplicidade deste design resulta em desempenho robusto e facilidade de manutenção, que são vantagens chave. No entanto, também existem limitações: a orientação fixa da hélice limita mudanças rápidas de direção e há perdas de energia devido ao atrito ao longo da transmissão mecânica. Além disso, a posição interna do motor e dos componentes relacionados ocupa espaço valioso que poderia ser destinado a cargas ou espaços para passageiros.

A eficiência nos sistemas de linha de eixo está intimamente relacionada à interação hidrodinâmica entre a hélice e o casco. A eficiência pode ser estimada como a relação entre a potência útil de saída e a potência de entrada. Um desalinhamento ou posicionamento subótimo pode aumentar a resistência e reduzir a eficiência.

Sistemas de Propulsão com Pod

Os sistemas de propulsão com pod representam uma evolução significativa em relação à linha de eixo tradicional. Nestes sistemas, a unidade de propulsão — que abriga um motor elétrico — é contida dentro de uma gondola (pod) montada externamente ao casco do navio. O pod pode rotacionar 360 graus, oferecendo assim uma manobrabilidade significativamente superior. Entre os diversos sistemas de pod disponíveis, o Azipod® da ABB é provavelmente o mais conhecido, utilizado com sucesso desde meados da década de 1990 em quebra-gelos finlandeses, como o MS Fennica e o MS Nordica. O sistema Mermaid da Rolls-Royce também merece destaque, especialmente pela sua utilização em navios de cruzeiro de alto nível, como o RMS Queen Mary 2. Os primeiros usuários dessas tecnologias enfrentaram algumas dificuldades iniciais — como problemas de durabilidade nos rolamentos de propulsão nos sistemas Azipod® — mas melhorias no design resolveram a maior parte dessas questões.

Os benefícios operacionais dos pods são significativos. A capacidade de orientar a propulsão em qualquer direção simplifica consideravelmente as manobras em águas restritas. Do ponto de vista matemático, a eficiência da propulsão do pod pode ser analisada considerando a redução das perdas de transmissão. Como o pod elimina o uso de um longo eixo mecânico, as perdas por atrito — geralmente proporcionais à superfície e ao movimento relativo dos componentes do eixo — são minimizadas. Além disso, como a hélice do pod opera em um fluxo relativamente indiferençado, o fenômeno de cavitação tem menor impacto, resultando em um aumento adicional na eficiência geral.

Na prática, a melhoria da eficiência da propulsão do pod se traduz em menores valores de consumo específico de combustível (g/kWh). Estudos demonstraram que navios equipados com sistemas de pod podem alcançar uma redução de até 20% no consumo de combustível em comparação com embarcações semelhantes equipadas com o sistema de linha de eixo tradicional. Essa economia de combustível é fundamental não apenas do ponto de vista econômico, mas também para reduzir o impacto ambiental das operações marítimas. Essa conclusão é apoiada por numerosos estudos e relatórios do setor, que compararam embarcações semelhantes equipadas com sistemas tradicionais e com sistemas de pod. Em particular, pesquisas conduzidas pela ABB (e publicadas na sua documentação técnica) destacaram que o mecanismo de transmissão direta na propulsão do pod, ao eliminar as perdas de energia associadas aos longos eixos mecânicos, pode gerar ganhos de eficiência da ordem de 20%, considerando também a contribuição da otimização hidrodinâmica das gôndolas.

Essa melhoria é devida não apenas à redução das perdas por atrito, mas também à maior flexibilidade operacional. O controle contínuo do vetor de propulsão permite que a hélice opere em um ambiente hidrodinâmico mais favorável. Em sistemas tradicionais, por outro lado, a hélice muitas vezes trabalha em um fluxo turbulento, aumentando a cavitação e reduzindo a eficiência. Modelos matemáticos conectam a propulsão efetiva e o consumo de combustível à potência e eficiência, mostrando como a redução das perdas se traduz em economia de energia.

Em conclusão, a economia de 20% é confirmada por dados empíricos e análises teóricas, apoiando a adoção da propulsão com pod em contextos onde eficiência e manobrabilidade são fundamentais. No entanto, esse valor depende muito do tipo e do design do navio, variando consideravelmente entre graneleiros e navios de cruzeiro.

Análise Comparativa

As diferenças entre os dois sistemas de propulsão ficam evidentes quando analisadas sob os parâmetros de flexibilidade operacional, eficiência energética e uso do espaço. Os sistemas de linha de eixo tradicional oferecem confiabilidade comprovada e um design simples, que muitas companhias de navegação ainda preferem para navios graneleiros, petroleiros e portacontêineres. Sua simplicidade resulta em procedimentos de manutenção bem estabelecidos e fácil acesso a peças de reposição. No entanto, a configuração fixa da hélice e do leme limita a manobrabilidade, especialmente em condições portuárias restritas.

Por outro lado, os sistemas de propulsão com pod garantem alta manobrabilidade devido à capacidade de rotação de 360 graus dos pods. Essa característica é particularmente vantajosa em portos com acessos limitados ou onde o atracamento exige um controle extremamente preciso. A eficiência manobrista pode ser ainda mais entendida ao considerar o raio de giro de uma embarcação. Para um navio com linha de eixo tradicional, esse raio depende amplamente do ângulo do leme e do fluxo hidrodinâmico ao redor do casco. Um navio com propulsão com pod, por sua vez, pode gerar propulsão lateral direta, reduzindo consideravelmente o raio de giro e permitindo um controle de navegação muito mais preciso.

Do ponto de vista matemático, se indicarmos com F a propulsão gerada pela hélice, e assumirmos que nos sistemas de linha de eixo esse vetor de propulsão é fixo em relação ao casco, o momento torcional efetivo (τ) em relação ao centro de gravidade do navio é limitado pela distância do braço de alavanca (d). Nos sistemas de pod, onde o vetor de propulsão pode ser controlado ativamente, o momento manobrista pode ser otimizado continuamente, com desempenho superior em ambientes dinâmicos.

Além disso, a instalação externa dos pods libera espaço dentro do casco, que pode ser reatribuído para aumentar a capacidade de carga ou melhorar os serviços a bordo. Esse benefício é particularmente relevante para os navios de cruzeiro, onde a maximização do espaço disponível se traduz diretamente em maior potencial de receita.

Aplicação em Navios de Cruzeiro e Ambientes Portuários

Os navios de cruzeiro têm adotado cada vez mais os sistemas de propulsão pod devido à sua manobrabilidade superior e eficiência em condições operacionais diversificadas. O RMS Queen Mary 2, por exemplo, utiliza os propulsores azimutais Mermaid da Rolls-Royce, que permitem navegar com precisão até nos ambientes portuários mais complexos. As primeiras implementações de sistemas pod no setor de cruzeiros enfrentaram algumas dificuldades iniciais, como problemas de vibração e desgaste dos rolamentos, mas melhorias subsequentes no design resolveram amplamente essas questões.

Outro exemplo significativo é o navio de cruzeiro Elation, da Carnival. Ao converter seu sistema de uma linha de eixo tradicional para uma configuração de pod, o Elation ganhou cerca de 1.200 metros quadrados adicionais de área de convés — espaço anteriormente ocupado por propulsores de popa, linhas de eixo e motores de propulsão. Essa reorganização do espaço não apenas melhorou o conforto dos passageiros, mas também aumentou o potencial de receita com a adição de cabines e serviços. A redução do consumo de combustível e a maior manobrabilidade também contribuem para operações portuárias mais eficientes.

Portos caracterizados por restrições de navegação complexas se beneficiam ainda mais de embarcações equipadas com propulsão pod. O porto de Marghera, em Veneza, por exemplo, é conhecido por seus canais estreitos e rigorosas regulamentações ambientais. Em ambientes desse tipo, a capacidade dos sistemas de pod de gerar propulsão em qualquer direção simplifica as manobras de atracação e desatracação, reduzindo o risco de encalhe e minimizando o tempo gasto nas manobras em águas restritas. O controle mais preciso também contribui para reduzir o impacto ambiental dos movimentos dos navios, pois manobras mais controladas geram menos ondulação e limitam a erosão das estruturas portuárias.

Outros portos de cruzeiro, como os das regiões caribenhas e mediterrâneas, também relataram melhorias na eficiência operacional com navios equipados com propulsão pod. Nesses casos, a redução do raio de giro e a otimização do consumo de combustível se traduzem em tempos de parada mais curtos e custos operacionais mais baixos. As autoridades portuárias reconheceram essas vantagens e, em alguns casos, até introduziram incentivos para navios que adotam sistemas de propulsão eficientes e ecológicos.

Conclusão

Em resumo, a escolha entre propulsão tradicional com linha de eixo e sistemas de propulsão com pod é influenciada por múltiplos fatores, incluindo manobrabilidade, eficiência de consumo, uso do espaço e requisitos operacionais. Embora os sistemas tradicionais continuem sendo preferidos por sua simplicidade mecânica e procedimentos de manutenção bem estabelecidos — especialmente em navios graneleiros e petroleiros — a propulsão pod oferece vantagens significativas para embarcações que operam em contextos onde manobrabilidade e otimização do espaço são fundamentais. A análise matemática da propulsão e dos momentos torcionais destaca as melhorias de desempenho garantidas pelos sistemas de pod, e os exemplos práticos do setor de cruzeiros ilustram tanto os benefícios operacionais quanto os desafios enfrentados nas primeiras implementações. Com o contínuo progresso tecnológico, a diferença em termos de confiabilidade e manutenção entre os dois sistemas tende a diminuir, fortalecendo ainda mais a viabilidade da propulsão pod para um número crescente de aplicações marítimas.

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Luca Paglia

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