Compreendendo os 4 tipos de motores de turbina
Hoje, as turbinas a gás são a forma de propulsão mais amplamente utilizada, mas existem diferentes tipos e variações desse motor.
As modernas turbinas a gás podem gerar dezenas de milhares de libras de empuxo ou potência mecânica, permitindo que as aeronaves viajem mais rápido, mais longe e melhor do que nunca.
Neste artigo, você aprenderá sobre os quatro principais tipos de motores de turbina: turbojato, turboélice, turbofan e turboeixo.
A tecnologia aeronáutica avançou muito desde o histórico primeiro voo dos irmãos Wright. Com o passar do tempo, os aviões evoluíram, tornando-se mais robustos e capazes de transportar cargas mais pesadas, além de atingir velocidades mais altas no ar. Isso exigiu a invenção de um sistema de propulsão para gerar empuxo.
Atualmente, as turbinas a gás são a forma de propulsão mais utilizada, mas existem diferentes tipos e variações desse motor.
As turbinas a gás modernas podem gerar dezenas de milhares de libras de empuxo ou potência mecânica, permitindo que as aeronaves viajem mais rápido, mais longe e melhor do que nunca.
Neste artigo, você aprenderá sobre os quatro principais tipos de motores a turbina: turbojato, turboélice, turbofan e turboeixo.
RESUMO
Basicamente, todos os motores de aeronaves compartilham um princípio de funcionamento comum baseado na terceira lei de Newton:
"Para toda ação há uma reação igual e oposta."
Todos seguem o mesmo ciclo, mas diferem na forma como convertem energia em propulsão ou potência. Aqui está uma visão geral:
- Turbojato: Alto desempenho em alta velocidade, ruidoso, consome muito combustível.
- Turboélice: Eficaz em velocidades moderadas com propulsão gerada por hélice.
- Turbofan: Comum em aviões comerciais, confiável e com operação mais silenciosa.
- Turboeixo: Alimenta helicópteros e unidades auxiliares com foco na potência mecânica.
O que são motores de turbina?
Os motores de turbina a gás são um tipo de motor de combustão interna que gera energia utilizando um fluxo de ar em alta velocidade.
Eles funcionam através da circulação contínua de ar, utilizando estes quatro processos principais:
- Admissão
- Compressão
- Combustão
- Escape
Esses motores compartilham um princípio de projeto fundamental: separar os processos em diferentes seções para melhorar o desempenho operacional.
Mas, diferentemente dos motores de combustão interna, onde essas funções ocorrem sequencialmente em uma única câmara, as turbinas a gás as executam simultaneamente.
1. Motor Turbojato
O turbojato foi o primeiro tipo de motor a turbina a gás desenvolvido para propulsão de aeronaves e continua sendo um projeto notável na história da aviação (apesar de ter sido amplamente substituído na aviação comercial moderna).
O motor a jato apresenta desempenho superior em velocidade e altitude em comparação com os motores a pistão. No entanto, suas capacidades de decolagem e subida são limitadas. Os motores a hélice são mais eficientes em velocidades mais baixas e durante a decolagem e o pouso, resultando em maior economia de combustível.
Lembre-se de que é importante que todos os motores de turbina operem dentro dos limites designados de temperatura, velocidade de rotação e torque.
A configuração de potência pode variar dependendo da instalação e pode incluir parâmetros como temperatura, torque, fluxo de combustível ou RPM.
Normalmente, os limites de operação são atingidos antes de se avançar totalmente os aceleradores, independentemente das condições climáticas.
Os turbojatos funcionam comprimindo o ar, misturando-o com combustível, inflamando a mistura e expelindo-a em altas velocidades para produzir impulso.
Como funciona
- Entrada de ar: A entrada direciona o ar suavemente para as pás do compressor. Para aeronaves que voam em velocidades supersônicas, o sistema de entrada reduz o fluxo de ar para velocidades subsônicas para proteger o motor.
- Compressor: O ar é comprimido por múltiplos estágios de ventiladores, aumentando significativamente sua pressão.
- Câmara de combustão: O ar comprimido é misturado com o combustível e inflamado. Os turbojatos operam com uma mistura ar-combustível pobre de cerca de 50:1, o que ajuda a controlar o arrefecimento do motor.
- Turbina: As pás da turbina absorvem a energia dos gases de escape em alta velocidade. Essa energia aciona o compressor.
- Escape: Os gases de alta pressão saem do motor, gerando impulso.
Os turbojatos foram amplamente utilizados nos primeiros aviões a jato, como o Heinkel He 178 , mas agora são encontrados principalmente em aplicações militares e de alta velocidade.
2. Motor turboélice
O motor turboélice é basicamente um motor turbojato conectado a uma hélice por meio de uma caixa de redução. É excelente para voos regionais operando em velocidades e altitudes médias.
Atualmente, o motor turboélice possui diversas vantagens em relação a outros tipos de motores, como seu peso leve, simplicidade de operação e vibração mínima.
É mais eficiente quando voa a velocidades entre 250 e 400 mph e altitudes entre 18.000 e 30.000 pés.
Sua potência é medida em cavalos-vapor no eixo e é determinada pela rotação por minuto (rpm) e pelo torque. O motor também produz empuxo a jato, mas isso representa apenas uma pequena porcentagem de sua potência total.
Os motores turboélice são mais pesados e complexos do que os motores turbojato, mas se destacam na geração de empuxo em baixas velocidades. A desvantagem é que sua eficiência diminui à medida que a velocidade de voo aumenta.
Como funciona
- Núcleo do Turbojato: O núcleo do motor funciona como um turbojato, gerando energia.
- Caixa de engrenagens: O eixo da turbina de alta velocidade conecta-se a uma caixa de engrenagens, que reduz a velocidade de rotação para acionar a hélice.
- Hélice: A hélice gera impulso deslocando um grande volume de ar a velocidades mais baixas.
Aproximadamente 80-85% da energia do motor é utilizada para acionar a hélice, enquanto a energia restante é liberada pelo escapamento.
Os motores turboélice podem ser encontrados em aeronaves como o King Air e o Dash 8, que normalmente operam em rotas regionais e de carga.
3. Motor Turbofan
Um motor turbofan é um motor a jato com um ventilador embutido que desvia parte do ar de admissão ao redor do núcleo.
Os motores turbofan são onipresentes na aviação comercial moderna devido à sua capacidade de equilibrar de forma excepcional desempenho, potência e redução de ruído. Os motores turbofan podem ser de baixo ou alto bypass.
São uma evolução da tecnologia turbojato, projetadas para gerar a maior parte de seu empuxo através de um grande ventilador de derivação.
Como funciona
- Ventilador: Um grande ventilador canalizado na parte frontal impulsiona o ar de desvio ao redor do núcleo do motor. Esse ar de desvio gera empuxo adicional e resfria o motor.
- Motor central: Parte do ar entra no núcleo, onde sofre compressão, combustão e exaustão, de forma semelhante a um turbojato.
- Taxa de Bypass: Essa taxa compara a quantidade de ar que contorna o núcleo com a quantidade que passa por ele. Motores com alta taxa de bypass são mais eficientes e silenciosos.
Muitos motores turbofan utilizam dois rotores, com compressores e turbinas de alta e baixa pressão separados. Esse projeto melhora o desempenho e a confiabilidade.
Aeronaves como o Boeing 747 e o Airbus A320 dependem de motores turbofan para um desempenho confiável em diversas altitudes e velocidades.
4. Motor Turboeixo
Os motores turboeixo são projetados principalmente para transferir potência mecânica em vez de gerar empuxo. Eles são amplamente utilizados em helicópteros e unidades de potência auxiliares (APUs).
Como funciona
- Núcleo do Turbojato: O núcleo do motor funciona de forma semelhante a um turbojato.
- Eixo de potência: A turbina aciona um eixo de potência conectado a uma transmissão.
- Transmissão: Este sistema transfere energia rotacional para as pás do rotor do helicóptero.
Em helicópteros, isso permite um controle preciso da sustentação e da direção. Os motores turboeixo também fornecem energia a bordo para aeronaves maiores quando estas estão em solo.
O Bell 206 e o Sikorsky UH-60 Black Hawk são exemplos de helicópteros movidos a motores turboeixo.
Motores a gás versus motores alternativos
Uma distinção notável entre turbinas a gás e motores alternativos reside na forma como lidam com as quatro funções principais do motor.
Em um motor de combustão interna, essas funções ocorrem dentro da mesma câmara de combustão em estágios sequenciais. Isso significa basicamente que cada fase deve esperar que a anterior seja concluída.
Em um motor de turbina a gás, cada função possui sua própria seção dedicada, permitindo que todos os processos ocorram simultaneamente e continuamente.
Um motor de turbina a gás típico é composto pelas seguintes seções:
- Entrada de ar: Direciona o ar para dentro do motor.
- Seção do compressor: Aumenta a pressão do ar através de múltiplos estágios de compressão.
- Seção de combustão: Mistura o ar com o combustível e inflama a mistura.
- Seção da turbina: Extrai energia dos gases de escape para acionar o compressor.
- Seção de exaustão: Expele gases em alta velocidade para produzir propulsão.
- Seção de acessórios: Fornece sistemas de suporte, como energia para instrumentos e componentes auxiliares.
- Sistemas de suporte: Inclui sistemas essenciais para partida, lubrificação, fornecimento de combustível e funções auxiliares como anticongelamento e pressurização.
Perguntas frequentes
- Por que os motores turbojato são menos comuns hoje em dia?
- Os motores turbojato não são tão eficientes e são mais ruidosos. São menos adequados para a aviação comercial. Os motores turbofan oferecem uma alternativa mais silenciosa e com maior eficiência de combustível.
- O que é uma taxa de derivação em motores turbofan?
- A taxa de derivação é a quantidade de ar que flui ao redor do núcleo do motor em comparação com a quantidade de ar que passa por ele. Motores com alta taxa de derivação são mais silenciosos e mais eficientes em velocidades subsônicas.
- O que são APUs e como funcionam?
- As Unidades de Potência Auxiliar (APUs) são motores turboeixo que fornecem energia elétrica e ar pressurizado em solo. Elas também podem servir como fontes de energia de reserva durante o voo.
- Como os turboélices conseguem atingir a eficiência de combustível?
- Os turboélices geram propulsão acelerando grandes volumes de ar com uma hélice. Isso os torna excelentes para velocidades e altitudes moderadas.
- Os motores turboeixo são usados apenas em helicópteros?
- Não, os motores turboeixo também alimentam APUs e outros sistemas mecânicos em aeronaves de grande porte.
Remover
Os motores de turbina a gás percorreram um longo caminho, evoluindo para quatro tipos principais para diferentes necessidades da aviação.
Os turbojatos priorizam a velocidade, os turboélices se destacam em operações de médio alcance, os turbofans equilibram desempenho e redução de ruído, e os turboeixos fornecem potência mecânica para helicópteros e sistemas auxiliares.
À medida que você aprende mais sobre esses motores, começará a perceber a notável engenharia por trás da aviação moderna.
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