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Capa do catálogo do Chrysler Turbine (Chrysler)

Nem sempre o sucesso sorri às boas ideias. Algumas vezes porque a ideia não é aplicada como deveria, outras vezes a idéia está à frente de seu tempo. O Chrysler Turbine é um grande ícone desse pensamento.

Nascido no meio do turbilhão tecnológico surgido após a Segunda Guerra Mundial, durante a Guerra Fria e em plena Corrida Espacial, as idéias efervesciam na cabeça dos projetistas, cada um tentando achar uma futuro mais ufanista que o outro, e idéias malucas estavam por toda parte, incluindo a de carros de propulsão nuclear que nunca precisariam reabastecer. Ainda bem que nem todas essas idéias se materializaram.

A década de 1950 foram os anos da turbina, assim como da energia nuclear e do foguete espacial.

Ela substituiu definitivamente o motor a pistão e permitiu que os aviões crescessem em tamanho e em potência muito além dos limites experimentados pelos motores a pistão. É claro que alguém, pensando num automóvel futurístico tinha que pensar num carro com propulsão por turbina. Outros tentaram, mas quem realmente levou essa possibilidade mais a sério foi a Chrysler.

Meu foco não é contar a história do Chrysler Turbine, mas sim mostrar detalhes técnicos interessantes e quase desconhecidos.

Minhas fontes de informação são um catálogo descritivo direcionado ao grande público, e uma brochura de informações técnicas que a Chrysler distribuiu na época do lançamento do Turbine.

 

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Contra-capa do catálogo do Chrysler Turbine

 

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Capa da brochura de referência técnica do Chysler Turbine (Chrysler)

Como funciona uma turbina?

Uma turbina é uma máquina que é bem simples em sua essência. Um compressor rotativo admite ar da atmosfera, aumentando sua pressão. Esse ar comprimido é aspergido por combustível e a centelha de uma vela gera a ignição. Os gases queimados ficam muito quentes e energéticos, forçando sua passagem de volta para atmosfera. Entretanto, antes de se verem livres, esses gases sopram uma turbina, mecanicamente conectada ao compressor por uma árvore de transmissão. Quanto mais a turbina gira, mais ar o compressor comprime.  Este é o princípio da turbina pioneira, invenção inglesa, mas utilizada na 2ª Guerra Mundial apenas pelos alemães.

 

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Diagrama de uma turbina simples (livro “Rolls Royce – The Jet Engine”)

Um fato interessante é que, embora uma turbina funcione de forma muito diferente de um motor a pistão, o trabalho termodinâmico sobre os gases é muito semelhante, e podemos emparelhar os 4 tempos do motor de ciclo Otto com as modificações que os gases passam ao fluir através da turbina.

 

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Comparação entre os estágios de uma turbina e os tempos de um motor a pistão (livro “Rolls Royce – The Jet Engine”)

Um fator importante na comparação entre motores a pistão e turbinas é que os primeiros funcionam modificando os gases em estágios (“tempos”), enquanto as turbinas fazem isso de forma contínua. Isso torna as turbinas menos propensas a vibração, com maior rendimento da energia do combustível (rendimento térmico) e ainda são muito mais simples, dispensando complexos sistemas auxiliares como comando de válvulas. Nas turbinas, o sistema de ignição utiliza uma vela semelhante à usada nos motores Otto, porém elas centelham continuamente, sem necessidade de um sincronismo tão cerrado com o motor como acontece nos motores Otto.

Turbinas trabalham com pressões medianas, que mudam de forma contínua ao longo da máquina, enquanto motores a pistão geram picos de pressão durante a fase de combustão/expansão para baixar logo em seguida.

Outra importante diferença é que as turbinas trabalham muito mais quentes que os motores a pistão, e isso aumenta seu rendimento térmico para muito além do potencial dos motores a pistão. Isso se explica pela Lei de Carnot.

Enquanto bons motores de ciclo Otto aspirados nunca passam a barreira dos 35% de rendimento térmico, nas turbinas esse valor pode chegar a 60%.

 

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Gráficos de temperatura, velocidade e pressão ao longo de uma turbina (livro “Rolls-Royce – The Jet Engine”)

A turbina automobilística

Normalmente pensamos numa turbina como motor de avião. Lá, o sopro da turbina substitui o ar bombeado pela hélice dos aviões convencionais. O tipo de propulsão proporcionado pelas turbinas aeronáuticas é muito semelhante em efeitos mecânicos ao oferecido pelos foguetes, com a diferença que os foguetes precisam carregar alguma forma química de oxigênio (comburente) da mesma forma como faz com o combustível, enquanto a turbina capta o oxigênio da própria atmosfera. Daí, tanto a propulsão por foguetes como por turbinas são chamados de propulsão por reação.

 

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Diferença entre aviões com propulsão por hélice e por reação (livro “Rolls Royce – The Jet Engine”)

Esse sistema de propulsão não serve para automóveis. Neles, o mais prático é tracionar através dos pneus. Mas como transformar a força de propulsão por reação das turbinas em torque de tração para os pneus? A resposta está na própria engenharia da turbina, parente dos gigantes imaginados por Dom Quixote de la Mancha.

 

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Diagrama simplificado da turbina do Chrysler Turbine (Chrysler)

Os velhos moinhos de vento são formas bastante primitivas de turbinas, e eles geram torque e potência mecânica através do sopro do vento. Então, impondo uma segunda turbina na saída da primeira, podemos transformar a potência de reação da turbina em energia mecânica útil. A turbina que capta essa energia de reação é bastante eficiente e potente, mas ela gira em alta rotação e oferece pouco torque, e é preciso colocar um redutor de engrenagens para reduzir a velocidade e aumentar o torque para transferir essa potência ao câmbio.

A turbina assim configurada possui dois estágios. O primeiro estágio é composto pelo conjunto do motor, com o compressor, câmara de combustão, árvore e turbina motora. Já o segundo estágio é constituído pela turbina movida e a árvore de saída.

Este conjunto é bastante eficiente, porém ainda desperdiça muita energia térmica. Embora não sejam usados em turbinas aeronáuticas, diversos mecanismos de recuperação de energia térmica foram desenvolvidos, de forma a reintroduzir esse calor na turbina, fazendo com que elas ofereçam o maior rendimento que pode ser obtido por uma máquina térmica. Esses dispositivos podem ser divididos entre recuperadores e regeneradores de calor. Esta é uma característica única das turbinas, não sendo possível usá-los em motores a pistão.

No caso da turbina do Turbine, a Chrysler utilizou um sistema de regenerador, que nada mais era que um disco rotativo formado por uma tela metálica, que ao girar entrava em contato com os gases quentes do escapamento e depois entrava em contato com o ar vindo do compressor, aquecendo-o.

 

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Esquema do regenerador e visão do conjunto da turbina do Chrysler Turbine (Chrysler)

Para criar um pacote mecânico conveniente, foi usado um par de regeneradores laterais, com eixo de rotação perpendicular e concêntrico às árvores do primeiro e segundo estágios.

O esquema básico da turbina do Turbine fica configurada da seguinte forma:

 

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Diagrama básico da turbina do Turbine (Chrysler)

– A turbina real

A turbina real do Turbine apresenta o seguinte aspecto:

 

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Vistas da turbina (Chrysler)

O aspecto exterior é bastante diverso da de uma turbina aeronáutica, com formas circulares laterais moldadas pelos regeneradores.

Na parte frontal, há um conjunto de sistemas auxiliares, com redutores responsáveis pelo acionamento dos regeneradores, pela  injeção de combustível, lubrificação, e há ainda um computador hidráulico simples para funções de regulação das funções da turbina.

A vista em corte desta turbina é vista a seguir:

 

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Vista em corte da turbina (Chrysler)

Parece complexo, mas não é. Na verdade é bastante simples.

A carcaça da turbina é bipartida, e lembra mais uma armação do que os blocos sólidos usados nos motores a pistão:

 

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Carcaça da turbina (Chrysler)

O conjunto de árvores, compressor e turbinas do primeiro e segundo estágio é bastante simples, com compressor do tipo radial e turbinas do tipo axial. Compressores e turbinas do tipo radial transformam potência mecânica de forma diferente de seus correspondentes de fluxo axial. Turbinas e compressores radiais lidam com fluxos pequenos e com altas pressões, enquanto turbinas e compressores axiais lidam com grandes fluxos e e baixas pressões.

Observem que a rotação do segundo estágio é contrária à do primeiro estágio. A explicação está na aerodinâmica.

Uma asa de avião gera sustentação pela diferença de velocidade que existe entre o ar e a asa. Para decolagens e pousos com a menor velocidade possível, é desejável que o vento sopre a frente do avião e nunca a cauda.

O fluxo que sai da turbina de primeiro estágio possui uma velocidade de giro concordante com a desta turbina, e fazer a turbina do segundo estágio girar em sentido contrário aumenta a eficiência desta. Um efeito colateral desejável do segundo estágio contra-rotante é que o conjunto do primeiro estágio apresenta efeitos de um giroscópio (pião de criança) que tendem a manter o carro em linha reta, se opondo a movimentos em curva, e que são compensados pelo segundo estágio girando em sentido oposto.

 

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Conjuntos móveis do primeiro e segundo estágios (Chrysler)

Entre as turbinas há um conjunto de aletas redirecionáveis que modificam a forma como a turbina do segundo estágio recebe o fluxo vindo do primeiro estágio, mudando a potência transferida ao câmbio. Conforme o ângulo de incidência, estas aletas podem gerar potência em condição econômica, passando para alta potência a até um freio motor tão ou mais potente que a de um grande motor V-8. Um acionador gira uma coroa em torno da turbina, e esta coroa gira em sincronismo todas as aletas no mesmo sentido. A posição do acionador é determinada pela diferença de pressão entre um sinal hidráulico vindo do câmbio contra a abertura de uma válvula acionada pelo pedal do acelerador.  O mesmo computador hidráulico controla automaticamente a alimentação de combustível para o primeiro estágio. Resumindo, o controle da potência de saída pelo acelerador é feito pela ação das aletas de incidência variável modificando o comportamento do segundo estágio, enquanto o computador hidráulico se encarrega de fornecer ao primeiro estágio o combustível necessário para haver a potência conforme exigido.

 

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Diagrama de funcionamento das aletas de incidência variável (Chrysler)

 

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Conjunto de acionamento das aletas de incidência variável (Chrysler)

 

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Detalhe de uma aleta de incidência variável (Chrysler)

Diferente das turbinas aeronáuticas e estacionárias que possuem câmaras de combustão únicas em forma de anel ou de múltiplas câmaras de combustão idênticas distribuídas radialmente, a turbina do Turbine é única e posicionada na parte baixa do conjunto. A câmara nada mais é que uma caixa de “lata” com aberturas para a passagem do ar. Há um injetor que  nebuliza combustível na corrente de ar e um centelhador, semelhante a uma vela de carro, porém com centelhamento muito mais potente e constante.

 

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A câmara de combustão (Chrysler)

Nas laterais do conjunto são instalados os regeneradores. Sua rotação é impulsionada por meio de uma coroa de engrenagem na borda, e uma árvore inferior transversal transmite a rotação da árvore do primeiro estágio com enorme fator de redução, de forma que os regeneradores giram a baixa rotação.

 

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Regenerador (Chrysler)

Diferente dos automóveis convencionais, a turbina um componente elétrico de função dupla, que funciona como motor de partida e depois como gerador para o sistema elétrico.

Enquanto os motores a pistão exigem motores de partida com grande redução mecânica para oferecer alto torque com baixa velocidade para vencer a compressão dos cilindros, a turbina não oferece resistência por compressão, mas necessita de alta rotação para que o procedimento de partida seja finalizado com a injeção e ignição do combustível.

 

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Gerador / Motor de Partida (Chrysler)

A turbina parte facilmente, mas o faz ainda mais fácil se o motorista der a partida sem pisar no acelerador.Durante a partida, a potência de centelhamento era aumentada para compensar a baixa temperatura da câmara e a falta de vaporização do combustível. Quase que imediatamente após a partida, a câmara de combustão atinge a temperatura de trabalho e o carro pode ser usado normalmente. Diferente dos carros convencionais, o Turbine não tinha uma fase inicial de aquecimento do motor após a partida a frio.

O sistema de escapamento era diferente do convencional. Como a turbina lida com fluxo de alta velocidade, os dutos não poderiam oferecer grande restrição a este fluxo. Eles também abafavam facilmente o som agudo da saída da turbina. No Turbine haviam dois dutos, cada um ligado à saída da tampa do regenerador.

 

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Sistema de escapamento (Chrysler)

Este conjunto apresentava curvas de torque e potência muito diferentes dos motores a pistão.

O diagrama completo do sistema da turbina do Turbine fica assim:

 

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Diagrama completo de funcionamento da turbina (Chrysler)

A curva descendente de torque tornava o veículo muito bom de arrancada a partir da imobilidade, mas sentia-se a perda de força com o aumento da velocidade. Porém, diferente dos motores convencionais, onde a troca ascendente da marcha faz o motorista sentir um degrau descendente de força impulsora, no Turbine esse degrau era muito menor, gerando um comportamento mais homogêneo.

 

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Curvas de torque e potência da turbina (Chrysler)

 

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Painel de instrumentos do Chrysler Turbine (Chrysler)

Para o motorista, evidentemente, o gerenciamento da turbina exigia instrumentos diferentes dos regularmente instalados nos automóveis padrão. Não há um termômetro da água de arrefecimento porque não existe um sistema de arrefecimento (quanto mais quente a turbina, melhor). Em compensação há um medidor da temperatura do ar admitido, fator importante par ao rendimento da turbina.

Notem a luz-espia de da luz de pressão do ar do freio. A turbina não gera vácuo como os motores convencionais, inviabilizando o uso de servofreio convencional. No seu lugar, um pequeno compressor de ar acionava uma espécie de servofreio ao contrário. Como este ar comprimido era provido por dispositivo auxiliar não necessário ao funcionamento da turbina, uma falha neste sistema não afetaria o funcionamento do motor e o motorista nada sentiria até precisar dos freios. Daí a necessidade da lâmpada de alerta.

 

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Cilindro-mestre do sistema de freios e dispositivo auxiliar de pressão positiva (Chrysler)

As vantagens anunciadas pela Chrysler

Segundo a Chrysler em sua brochura técnica, a turbina oferece várias vantagens sobre os motores convencionais.

– Simplicidade: a turbina possui 80% menos componentes que um motor convencional equivalente;

– Ausência de vibração: a turbina opera por fluxo constante com peças rotativas balanceadas, Não há movimentos alternativos nem grandes massas oscilantes;

– Gases de escapamento frios, combustível completamente queimado e baixa emissão de monóxido de carbono;

– Sobrecarga no motor não gera sua parada: a independência mecânica entre o primeiro e o segundo estágio garante o funcionamento do motor mesmo com o travamento da árvore de saída pela transmissão (a Chrysler não dizia diretamente, mas dava a entender que é um motor a prova de motorista “barbeiro”);

– Leve e compacto: a turbina possui tamanho equivalente o de um motor V-8 de mesma potência, porém dispensa sistemas acessórios volumosos, como o sistema de arrefecimento. A turbina também possui muitos espaços vazios internos, ao contrário dos motores a pistão com blocos sólidos, tornando-a muito mais leve;

– Partida a frio facilitada: a turbina parte facilmente, mesmo em climas muito frios, e atinge temperatura de funcionamento quase instantaneamente;

– Não necessita de anti-congelantes: como a turbina trabalha a quente e os pontos que necessitam de refrigeração possuem fluxo de ar frio para tanto, ela dispensa radiadores e não possui água que possa congelar no inverno;

– Opera com uma grande variedade de combustíveis: por não ser tão dependente das propriedades de vaporização do combustível e nem oferecer condições de detonação, a variedade de combustíveis utilizáveis é enorme.

– Consumo de óleo mínimo: o óleo não entra em contato com a mistura a ser queimada e também não tem de lubrificar grandes áreas de peças deslizantes. O óleo não tem perdas nem sofre desgastes, durando muito tempo;

– Dispensa quase que totalmente a manutenção.

Nem tudo são flores

Um problema comum que todo profissional que lida com informações tem de lidar é com a diferença entre o que é dito e o que é fato, e este é o caso do Turbine, e várias destas características ruins, desprezadas nos materiais de divulgação, levaram ao fracasso do projeto.

Para começar, o Turbine tinha uma resposta estranha para o motorista.

Turbinas aeronáuticas tinham um problema técnico sério nessa época. Elas eras difíceis de reacelerar. Alguns aviões, especialmente grandes bombardeiros, pousavam com um paraquedas de freio aberto (que serviria de inspiração aos carros de arrancada) porque precisavam das turbinas aceleradas em caso de ter de abortar o pouso.

No Turbine, havia um sério atraso entre o comando no acelerador e a resposta do motor. Psicologicamente era perturbador pisar no acelerador para uma ultrapassagem e o carro demorar alguns segundos para responder ao comando.

A curva de torque e potência também interferiam. Motoristas estão acostumados com motores de curva de torque plana e curva de potência parabólica com pico em alta rotação. É um tipo de veículo que responde de forma homogênea aos comandos do acelerador. O Turbine, ao contrário, perdia muito em comportamento com o aumento da rotação e da velocidade, aumentando a preocupação do motorista sobre ter ou não potência para uma manobra em alta velocidade.

Em marcha-lenta, outra calamidade. O primeiro estágio girava em alta rotação em marcha-lenta e exigia muito combustível para se manter em funcionamento. Além do incômodo ruído agudo, consumia-se muito combustível e o carro e o ar em torno dele aqueciam em demasia.

Na parte de emissões, outro problema. A queima completa do combustível ocorre na turbina porque ela ocorre com mistura pobre, com excesso de ar. A turbina também é eficiente em função da alta temperatura dos gases queimados. Tanto a alta temperatura como o excesso de oxigênio são fatores para a formação dos tóxicos óxidos de nitrgênio (NOx), e a turbina do Turbine gerava muito desses gases. Além da função de recuperar energia térmica e aumentar o rendimento, os regeneradores conseguiam uma boa redução na emissão de NOx, mas ainda assim elas eram consideráveis. Este foi um fator que a Chrysler nunca conseguiu contornar completamente.

Ainda da parte da Chrysler, apesar da propaganda da significativa redução no número de peças, havia a dificuldade com a engenharia de materiais utilizados. As ligas de aço usadas nas turbinas e na câmara de combustão eram especiais e eram muito caras na época para uma produção em massa.

Outros setores não viam o Turbine com bons olhos.

Um veículo que dispensa manutenção não interessa a todo um setor que vive de vender peças de reposição e serviços de manutenção (algo que hoje se verifica quando se refere a carros elétricos).

A capacidade multicombustível do Turbine não era interessante para o setor de combustíveis. O motor podia rodar facilmente com óleo diesel, óleos vegetais dos mais variados, querosene, numa lista quase interminável. Haviam muitos produtores rurais nos EUA que produziam óleo de milho, e eles poderiam usar esse óleo para abastecer seus carros.

Um dos poucos combustíveis que não podiam ser utilizados pelo Turbine também era um problema. A turbina não aceitava a gasolina padrão da época, por causa da adição de chumbo como antidetonante. Ao queimar este tipo de combustível, o chumbo gerava incrustrações e corrosões em partes vitais da turbina, comprometendo sua vida útil. Era algo que evidentemente afetava o motorista comum, mas menos visivelmente afetava um grupo que faturava alto com a distribuição de chumbo tetraetila para os combustíveis, grupo que ficou visível quando leis ambientais americanas tentaram eliminar o chumbo dos combustíveis.

O futuro

Como dito no começo desta matéria,  o uso da turbina num automóvel na primeira metade da década de 1960 era uma boa idéia, porém fracassou porque era uma idéia à frente de seu tempo e também foi aplicada da forma errada.

Turbinas não são tão amigáveis à variação de carga quanto motores a pistão, e esta é uma característica dos automóveis. Entretanto, as turbinas são capazes do dobro do rendimento térmico destes.

Numa era onde economia de combustível vem se tornando uma luta diária nos laboratórios, e começamos a ter esse resultado chegando nas ruas na forma de carros elétricos e híbridos, estes conceitos abrem uma lacuna para o ressurgimento da turbina automobilística.

Há um tipo de carro híbrido, o tipo série, onde a tração do veículo é totalmente elétrica, e a função do motor é recuperar a carga das baterias acionando um gerador. São motores pequenos e que operam em regime estacionário, com rotação e cargas constantes para alcançar o máximo de rendimento energético. Tudo neste tipo de aplicação faz da turbina uma opção melhor.

Muitas das dificuldades técnicas enfrentadas pela Chrysler há 50 anos hoje já foram contornadas. Temos aços de alta liga para turbina a preços e volumes de produção acessíveis e melhores tecnologias de fabricação para eles. catalisadores mais eficientes. E se realmente há uma crise do petróleo rondando e o futuro da energia está na biomassa, uma turbina multicombustível será mais que meramente uma conveniência.

Este é o legado do Chrysler Turbine.

 

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Logotipo do Chrysler Turbine (Chrysler)

 

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