Olá a todos! Neste artigo, quero falar sobre como funcionam os motores a turbina a gás para aviação (GTWs). Tentarei explicar isso da forma mais simples e clara possível.
Os GTWs podem ser divididos em:
- motores a jato turbo (JET)
- motores a jato turbo de dois circuitos (JTD)
- motores turbo-hélice (THD)
- motores turboeixos (TE)
Além disso, os JET e JTD podem conter uma câmara de pós-combustão, nesse caso, serão conhecidos como JETF e JTDF, respectivamente. Neste artigo, não vamos discutir esses tipos.
Começaremos com os motores a jato turbo.
Motores a jato turbo
Esse tipo de motor foi criado na primeira metade do século XX e começou a ser amplamente utilizado no final da Segunda Guerra Mundial. O primeiro avião a jato turbo em série do mundo foi o alemão Me.262. Os JET foram populares até a década de 60, quando começaram a ser substituídos pelos JTD.
Foto moderna do Me-262, tirada em 2016
O motor a jato turbo mais simples inclui os seguintes elementos:
- Entrada de ar
- Compressor
- Câmara de combustão
- Turbina
- Bocal de escape (daqui em diante simplesmente bocal)
Pode-se dizer que este é o conjunto mínimo necessário para o funcionamento normal do motor.
Agora vamos ver para que serve cada parte e por quê.
A entrada de ar é um canal que se expande*, onde o ar é direcionado ao compressor e pré-comprimido. Nele, a energia cinética do ar que entra é parcialmente convertida em pressão.
*a partir de agora, vamos falar sobre velocidades subsônicas. Em velocidades supersônicas, a física muda e as coisas são bem diferentes.
O compressor é um dispositivo onde ocorre o aumento da pressão do ar. O compressor pode ser caracterizado por uma medida chamada razão de aumento de pressão. Em motores modernos, essa razão já começa a ultrapassar 40 unidades. Além disso, a temperatura aumenta (pode chegar a cerca de 400 graus Celsius).
A câmara de combustão é um dispositivo onde o ar comprimido (após o compressor) é aquecido pela queima de combustível. A temperatura na câmara de combustão é muito alta, podendo atingir 2000 graus Celsius. Pode parecer que a pressão do gás na câmara também aumenta significativamente, mas isso não é verdade. Teoricamente, considera-se que o fornecimento de calor ocorre a pressão constante. Na realidade, a pressão diminui um pouco devido a perdas (o problema da imperfeição do design).
A turbina é um dispositivo que converte parte da energia do gás após a câmara de combustão em energia para acionar o compressor. Como as turbinas são usadas não apenas na aviação, podemos dar uma definição mais geral: é um dispositivo que transforma a energia interna do fluido de trabalho (neste caso, o fluido é o gás) em trabalho mecânico no eixo. Como você pode entender, a turbina e o compressor estão no mesmo eixo e são rigidamente conectados. Se no compressor ocorre um aumento da pressão do gás, na turbina acontece o contrário, ou seja, o gás se expande.
O bocal é um canal que se afunila, onde ocorre a conversão da energia potencial do gás em energia cinética (o restante da energia do gás após a turbina). Assim como na turbina, no bocal o gás se expande. Forma-se um jato que, ao sair do bocal, impulsiona o avião.
Agora que entendemos os principais elementos, mas ainda assim não está muito claro como tudo funciona? Então, vamos explicar novamente de forma breve.
O ar da atmosfera entra no dispositivo de entrada, onde é ligeiramente comprimido e vai para o compressor. No compressor, a pressão do ar aumenta ainda mais, assim como a temperatura. Após o compressor, o ar entra na câmara de combustão e, ao se misturar com o combustível, inflama-se, o que resulta em um aumento significativo de temperatura, mantendo uma pressão praticamente constante. Após a câmara de combustão, o gás quente comprimido vai para a turbina. Parte da energia do gás é utilizada para girar o compressor acionado pela turbina (para que possa desempenhar sua função descrita acima), e outra parte da energia é usada para o movimento do avião, devido ao fato de que o gás, após passar pela turbina, se transforma em um jato de reação no bocal e é expelido para a atmosfera. Assim, o ciclo se completa. Claro, na realidade, todos os processos do ciclo ocorrem de forma contínua.
Esse ciclo é chamado de ciclo de Brayton, ou ciclo termodinâmico de caráter contínuo com fornecimento de calor a pressão constante. Todos os GTDs operam segundo esse ciclo.
Ciclo de Brayton nas coordenadas P-V
N-V — processo de compressão no dispositivo de entrada
V-K — processo de compressão no compressor
K-G — fornecimento de calor isobárico
G-T — processo de expansão do gás na turbina
G-S — processo de expansão do gás no bocal
S-N — dissipação de calor isobárica para a atmosfera
Estrutura esquemática do motor a jato, onde 0-0 é o eixo do motor
Um motor a jato pode ter dois eixos. Nesse caso, o compressor é composto por um compressor de baixa pressão (KND) e um compressor de alta pressão (KVD), sendo que a turbina de baixa pressão (TND) e a turbina de alta pressão (TVD) realizarão o fornecimento de trabalho, respectivamente. Esse esquema é mais vantajoso do ponto de vista da gasodinâmica.
Um motor real desse tipo em seção transversal
Nós analisamos o princípio de funcionamento do esquema mais simples do motor a gás turbinado de aviação. Naturalmente, nos modernos 'Airbus e Boeings' são instalados os TRDD, cuja construção é significativamente mais complexa, mas operam de acordo com as mesmas leis. Vamos analisá-los.
Motor a jato de duplo circuito
O TRDD, acima de tudo, difere do TRD por ter dois circuitos: externo e interno. O circuito interno contém os mesmos componentes que o TRD: compressor (dividido em KND e KVD), câmara de combustão, turbina (dividida em TVD e TND) e bocal. O circuito externo é um canal, com um bocal na extremidade. Não há câmara de combustão ou turbina nele. Antes de ambos os circuitos (imediatamente após o dispositivo de entrada do motor) há um estágio de compressor que opera para ambos os circuitos.
Não é uma imagem muito clara, é? Vamos entender como isso funciona.
Estrutura esquemática de um motor turbojato bimotor de dois circuitos.
O ar que entra no motor, após passar pelo primeiro estágio do compressor de baixa pressão, é dividido em dois fluxos. Uma parte do ar segue pelo circuito interno, onde ocorrem os mesmos processos que descrevemos ao analisarmos o TRD. A outra parte do ar entra no circuito externo, ganhando energia com o primeiro estágio do KND (aquele que funciona para ambos os circuitos). No circuito externo, a energia do ar é utilizada apenas para superar as perdas hidráulicas (devido ao atrito). No final, esse ar chega ao bocal do circuito externo, gerando uma enorme tração. A tração criada pelo circuito externo pode representar até 80% da tração total do motor.
Uma das características mais importantes do TRDD é o grau de bicircuito. O grau de bicircuito é a relação entre o fluxo de ar no circuito externo e o fluxo de ar no circuito interno. Esse número pode ser maior ou menor que um. Nos motores modernos, esse número ultrapassa o valor de 12 unidades.
Motores cujo grau de bicircuito é superior a dois costumam ser chamados de turbofan, e o primeiro estágio do compressor (aquele que funciona para ambos os circuitos) é chamado de ventilador.
TRDD do avião Boeing 757-200. Em primeiro plano, pode-se ver o dispositivo de entrada e o ventilador.
Em alguns motores, o ventilador é acionado por uma turbina separada, que é colocada mais próxima do bocal do circuito interno. Assim, o motor torna-se tridimensional. Por exemplo, motores como os Rolls Royce RB211 (instalados no L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) são projetados dessa forma.
D-18T em seção transversal interna.
A principal vantagem do TPRD é a capacidade de gerar uma grande tração e boa eficiência, em comparação com o TRD.
Com isso, eu gostaria de encerrar a discussão sobre TPRD e passar para o próximo tipo de motores — TVD.
Motores turboventilados
O motor turboventilado, assim como o turborreativo, pertence à categoria de motores a gás. Ele funciona praticamente como um motor turborreativo. Um motor turboventilado básico consiste nos mesmos elementos que já conhecemos: compressor, câmara de combustão, turbina e bico. A isso, são acrescentados o redutor e a hélice.
O princípio de funcionamento é o mesmo que o do motor turborreativo, com a diferença de que praticamente toda energia do gás é utilizada pela turbina para girar o compressor e a hélice através do redutor (a hélice e o redutor estão no mesmo eixo que o compressor). A hélice gera a maior parte da tração. A parte restante, após a turbina, é direcionada para o bico, criando uma empuxo reativo, mas é insignificante, podendo representar apenas um décimo do total. O redutor é necessário nesta configuração para reduzir as rotações e transferir o torque, já que a turbina pode girar a uma frequência muito alta, por exemplo, 10.000 rotações por minuto, enquanto a hélice precisa girar apenas a 1.500. E a hélice é bastante pesada.
Estrutura esquemática do TVD
Mas existe também outra configuração para motores turboventilados: com turbina livre.
A essência disso é que, atrás da turbina do compressor, é colocada uma turbina separada, que não está mecanicamente ligada à turbina do compressor. Essa turbina é chamada de livre. A conexão entre a turbina do compressor e a turbina livre é apenas gasodinâmica. Da turbina livre, parte um eixo separado, no qual é instalado um redutor com hélice. Todo o resto funciona da mesma maneira que no primeiro caso. A maioria dos motores modernos é projetada exatamente com esse esquema. Uma das vantagens dessa configuração é a possibilidade de usar o motor em terra como uma fonte de energia auxiliar (APU), sem movimentar a hélice.
Estrutura esquemática do TVD com turbina livre
Quero enfatizar que não devemos ver os motores turboventilados como relíquias ineficazes do passado. Já ouvi esse tipo de afirmação várias vezes, mas estão incorretas.
O motor turbo-hélice, em alguns casos, possui a maior eficiência energética, geralmente em aeronaves com velocidades não muito altas (por exemplo, a 500 km/h), enquanto a aeronave pode ser de tamanho considerável. Nesse caso, o motor turbo-hélice pode ser muito mais vantajoso do que o motor turbojato mencionado anteriormente.
Com isso, podemos encerrar a discussão sobre motores turbo-hélice. Aos poucos, chegamos ao conceito de motor turbo-eixo.
Motor turbo-eixo
Deve ser que a maioria dos leitores aqui ouve esse termo pela primeira vez. Esse tipo de motor é instalado em helicópteros.
O motor turbo-eixo é muito semelhante ao motor turbo-hélice com turbina livre. Ele também consiste em um compressor, câmara de combustão, turbina do compressor, seguida pela turbina livre, que está ligada a toda a estrutura anterior apenas de forma gasodinâmica. No entanto, esse motor não gera empuxo reativo, pois não possui bico de reação, apenas um escape. A turbina livre tem seu próprio eixo, que se conecta ao redutor principal do helicóptero (do rotor principal). Sim, todos os helicópteros que conheço têm esse redutor, e, geralmente, ele é de tamanho considerável. A razão é que as rotações do rotor principal de um helicóptero são muito baixas. Se para um avião, como mencionei acima, elas podem atingir 1500 rpm, para um helicóptero, como o Mi-8, são apenas 193 rpm.
As rotações do motor do helicóptero costumam ser muito altas (devido ao tamanho reduzido), e é necessário reduzi-las em cem vezes ou mais. Às vezes, ocorre que o redutor está presente tanto no motor quanto no próprio helicóptero, por exemplo, no Mi-2 e seu motor GTD-350.
Diagrama esquemático do motor turbo-eixo
Motor TV3-117 do helicóptero Mi-8. À direita, são visíveis o tubo de escape e o eixo de transmissão.
Assim, examinamos quatro tipos de motores a gás. Espero que meu texto tenha sido claro e útil para você. Todas as perguntas e comentários podem ser enviados nas observações.
Obrigado pela atenção.
Fonte: habr.com
