Olá a todos! Neste artigo quero falar sobre como funcionam os motores de turbina a gás de aviação (GTE). Tentarei tornar isso o mais simples e compreensível possível.
Os motores de turbina a gás de aviação podem ser divididos em:
- motores turbojato (TRD)
- motores turbojato de circuito duplo (motores turbojato)
- Motores turboélice (TVD)
- Motores turboeixo (TVaD)
Além disso, motores turbojato e turbofans podem conter pós-combustão, caso em que serão turbofans e turbofans, respectivamente. Não os consideraremos neste artigo.
Vamos começar com motores turbojato.
Motores turbojato
Este tipo de motor foi criado na primeira metade do século 20 e começou a ser amplamente utilizado no final da Segunda Guerra Mundial. A primeira aeronave turbojato serial do mundo foi o alemão Me.262. Os motores turbofan foram populares até a década de 60, quando começaram a ser substituídos por motores turbofan.
Fotografia moderna do Me-262 tirada em 2016
O motor turbojato mais simples inclui os seguintes elementos:
- Dispositivo de entrada
- Compressor
- Câmara de combustão
- Turbina
- Bocal de jato (doravante simplesmente bico)
Podemos dizer que este é o conjunto mínimo para o funcionamento normal do motor.
Agora vamos ver o que é necessário para quê e por quê.
O dispositivo de entrada é um canal em expansão* no qual o ar é fornecido ao compressor e pré-comprimido. Nele, a energia cinética do ar que entra é parcialmente convertida em pressão.
*doravante falaremos sobre velocidades subsônicas. Na velocidade supersônica, a física muda e tudo é completamente diferente lá.
Um compressor é um dispositivo que aumenta a pressão do ar. Um compressor pode ser caracterizado por um valor como o grau de aumento de pressão. Nos motores modernos já começa a ultrapassar as 40 unidades. Além disso, a temperatura aumenta (talvez algo em torno de 400 graus Celsius).
Uma câmara de combustão é um dispositivo no qual o calor é fornecido ao ar comprimido (após o compressor) devido à combustão do combustível. A temperatura na câmara de combustão é muito alta, podendo chegar a 2000 graus Celsius. Pode parecer que a pressão do gás na câmara também aumenta muito, mas não é assim. Teoricamente, é geralmente aceito que o calor é fornecido a pressão constante. Na realidade, cai ligeiramente devido a perdas (o problema do design imperfeito).
Uma turbina é um dispositivo que converte parte da energia do gás após a câmara de combustão em energia de acionamento do compressor. Como as turbinas não são utilizadas apenas na aviação, uma definição mais geral pode ser dada: trata-se de um dispositivo que converte a energia interna do fluido de trabalho (no nosso caso, o fluido de trabalho é um gás) em trabalho mecânico no eixo. Como você pode entender, a turbina e o compressor estão localizados no mesmo eixo e rigidamente conectados entre si. Se a pressão do gás no compressor aumenta, na turbina, ao contrário, ela diminui, ou seja, o gás se expande.
Um bocal é um canal cônico no qual a energia potencial do gás é convertida em energia cinética (a reserva restante de energia do gás após a turbina). Como numa turbina, a expansão do gás ocorre no bocal. Forma-se um jato que, saindo do bico, movimenta o avião.
Classificamos os elementos básicos. Mas ainda não está muito claro como funciona? Então vamos fazer isso de novo e brevemente.
O ar da atmosfera entra no dispositivo de entrada, onde é levemente comprimido e entra no compressor. No compressor, a pressão do ar aumenta ainda mais e a temperatura também aumenta. Depois do compressor, o ar entra na câmara de combustão e, misturando-se ali com o combustível, inflama-se, o que leva a um forte aumento da temperatura, a uma pressão, por assim dizer, constante. Após a câmara de combustão, o gás comprimido quente entra na turbina. Parte da energia do gás é gasta na rotação do compressor pela turbina (para que ele possa cumprir sua função descrita acima), a outra parte da energia é gasta na movimentação da aeronave que necessitamos, devido ao fato que o gás, tendo passado pela turbina, se transforma em jato no bico e escapa dele (bocal) para a atmosfera. Isso completa o ciclo. É claro que, na realidade, todos os processos do ciclo ocorrem continuamente.
Este ciclo é denominado ciclo Brayton, ou ciclo termodinâmico com processo operacional contínuo e entrada de calor a pressão constante. Todos os motores de turbina a gás operam de acordo com este ciclo.
Ciclo de Brayton em coordenadas PV
NB - processo de compressão no dispositivo de entrada
V-K - processo de compressão em um compressor
K-G - fornecimento de calor isobárico
G-T - processo de expansão de gás em uma turbina
G-S - o processo de expansão do gás no bico
С-Н - remoção de calor isobárica para a atmosfera
Projeto esquemático de um motor turbojato, onde 0-0 é o eixo do motor
Um motor turbojato pode ter dois eixos. Neste caso, o compressor é composto por um compressor de baixa pressão (LPC) e um compressor de alta pressão (HPC), e o fornecimento de trabalho será realizado por uma turbina de baixa pressão (LPT) e uma turbina de alta pressão ( HPT), respectivamente. Este esquema é mais favorável dinamicamente a gás.
Vista em corte de um motor real deste tipo
Examinamos o princípio de operação do circuito mais simples de motor de turbina a gás de aeronave. Naturalmente, os modernos Airbus e Boeings são equipados com motores turbofan, cujo design é visivelmente mais complexo, mas tudo funciona de acordo com as mesmas leis. Vamos dar uma olhada neles.
Motor turbofan
Um motor turbofan, em primeiro lugar, difere de um motor turbojato por possuir dois circuitos: externo e interno. O circuito interno contém o mesmo que um motor turbojato: um compressor (dividido em LPC e HPC), uma câmara de combustão, uma turbina (dividida em HPT e LHP) e um bocal. O contorno externo é um canal com um bico na extremidade. Não possui câmara de combustão nem turbina. Na frente de ambos os circuitos (logo após a entrada do motor) existe um estágio compressor que opera em ambos os circuitos.
Não é uma imagem muito clara, certo? Vamos descobrir como isso funciona.
Projeto esquemático de um motor turbojato bypass de eixo duplo
O ar que entra no motor, passando pelo primeiro estágio do compressor de baixa pressão, é dividido em duas correntes. Uma parte do ar flui ao longo do circuito interno, onde ocorrem os mesmos processos que foram descritos quando desmontamos o motor turbojato. A segunda parte do ar entra no circuito externo, recebendo energia do primeiro estágio do LPC (aquele que opera em dois circuitos). No circuito externo, a energia do ar é gasta apenas na superação de perdas hidráulicas (por atrito). No final, esse ar entra no bocal do circuito externo, criando um enorme impulso. O empuxo criado pelo circuito externo pode representar 80% do empuxo de todo o motor.
Uma das características mais importantes de um motor turbofan é a relação de bypass. A taxa de bypass é a relação entre o fluxo de ar no circuito externo e o fluxo de ar no circuito interno. Este número pode ser maior ou menor que um. Nos motores modernos esse número ultrapassa 12 unidades.
Motores com relação de bypass superior a dois são geralmente chamados de motores turbofan, e o primeiro estágio do compressor (aquele que opera em ambos os circuitos) é chamado de ventilador.
Motor turbofan Boeing 757-200. O dispositivo de entrada e o ventilador são visíveis em primeiro plano.
Em alguns motores, o ventilador é acionado por uma turbina separada, colocada mais próxima do bocal do circuito interno. Então o motor acaba sendo de três eixos. Por exemplo, os motores Rolls Royce RB211 (instalados nos motores L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) são fabricados de acordo com este projeto.
D-18T em seção interna
A principal vantagem de um motor turbofan é a capacidade de criar alto empuxo e boa eficiência em comparação com motores turbojato.
Com isso, gostaria de encerrar o motor turbofan e passar para o próximo tipo de motor - o motor turbofan.
Motores turboélice
Um motor turboélice, como um turbojato, é um motor de turbina a gás. E funciona quase como um turbojato. Um motor turboélice básico consiste em elementos que já conhecemos: um compressor, uma câmara de combustão, uma turbina e um bico. Uma caixa de engrenagens e um parafuso são adicionados a eles.
O princípio de funcionamento é o mesmo de um turbojato, com a diferença de que quase toda a energia do gás é gasta na turbina para girar o compressor e girar a hélice através da caixa de engrenagens (aqui a hélice e a caixa de engrenagens estão na mesma eixo como o compressor). A hélice cria a maior parte do impulso. O restante da energia após a turbina é direcionado para o bico, formando o empuxo do jato, mas é pequeno, pode ser um décimo do total. A caixa de câmbio neste esquema é necessária para diminuir a velocidade e transmitir torque, já que a turbina pode girar em uma frequência muito alta, por exemplo, 10000 rpm, mas a hélice precisa apenas de 1500. E a hélice é bastante pesada.
Projeto esquemático do teatro
Mas há outro design para motores turboélice: com turbina livre.
Sua essência é que uma turbina separada seja instalada atrás de uma turbina compressora convencional, que não está conectada mecanicamente à turbina compressora. Essa turbina é chamada de gratuita. A conexão entre a turbina do compressor e a turbina livre é apenas dinâmica a gás. Da turbina livre existe um eixo separado no qual é instalada uma caixa de engrenagens com hélice. Todo o resto funciona da mesma forma que no primeiro caso. A maioria dos motores modernos são projetados exatamente desta forma. Uma das vantagens desse esquema é a possibilidade de utilizar o motor no solo como unidade de potência auxiliar (APU), sem acionar a hélice.
Projeto esquemático de um motor turboélice com turbina livre
Gostaria de salientar que não há necessidade de considerar os motores turboélice uma relíquia ineficaz do passado. Já ouvi essas afirmações várias vezes, mas não são verdadeiras.
Em alguns casos, um motor turboélice tem maior eficiência, via de regra, em aeronaves com velocidades não muito altas (por exemplo, 500 km/h), além disso, a aeronave pode ter dimensões impressionantes. Neste caso, um motor turboélice pode ser muitas vezes mais lucrativo do que o motor turbojato discutido anteriormente.
É aqui que podemos terminar com os motores turboélice. Estamos lentamente nos aproximando do conceito de motor turboeixo.
Motor de turbina
Esta deve ser a primeira vez que a maioria dos leitores aqui ouve tal nome. Este tipo de motor é instalado em helicópteros.
Um motor turboeixo é muito semelhante a um motor turboélice de turbina livre. Também é composto por um compressor, uma câmara de combustão, uma turbina compressora, depois há uma turbina livre, conectada a tudo o que era anterior apenas dinamicamente a gás. Mas tal motor não cria impulso a jato; ele não possui bico de jato, apenas escapamento. A turbina livre possui eixo próprio, que é conectado à caixa de engrenagens principal do helicóptero (rotor principal). Sim, todos os helicópteros que conheço possuem essa caixa de câmbio e, via de regra, é de tamanho impressionante. O fato é que a velocidade do rotor de um helicóptero é muito baixa. Se para um avião, como escrevi acima, eles podem atingir 1500 rpm, então para um helicóptero, por exemplo, o Mi-8, apenas 193 rpm.
E a rotação do motor de um helicóptero costuma ser muito alta (devido ao seu pequeno tamanho), sendo necessário reduzi-la cem vezes ou mais. Acontece que a caixa de câmbio está instalada tanto no motor quanto no próprio helicóptero, por exemplo, no Mi-2 e seu motor GTD-350.
Projeto esquemático de um motor turboeixo
Motor TV3-117 do helicóptero Mi-8. O tubo de escape e o eixo de transmissão são visíveis à direita
Então, analisamos quatro tipos de motores de turbina a gás. Espero que meu texto tenha sido claro e útil para você. Você pode escrever todas as perguntas e comentários nos comentários.
Obrigado por sua atenção.
Fonte: habr.com
