Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDADE TUIUTI DO PARANÁ
Anderson de Almeida
Luiz Felipe Eyrosa
Rodrigo Ferreira
MOTORES TURBO-JATO: CONCEPÇÃO, FUNCIONAMENTO E APLICAÇÃO NA AVIAÇÃO
CURITIBA
2008
1
Anderson de Almeida
Luiz Felipe Eyrosa
Rodrigo Ferreira
MOTORES TURBO-JATO: CONCEPÇÃO, FUNCIONAMENTO E APLICAÇÃO NA AVIAÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Tecnologia e Manutenção de Aeronaves na Faculdade de Ciências Aeronáuticas da Universidade Tuiuti do Paraná, como requisito parcial para a obtenção do grau de tecnólogo em manutenção de aeronaves.
Orientador: José Marcos Pinto
CURITIBA 2008
2
RESUMO
Este trabalho visa demonstrar o funcionamento básico e principais componentes dos motores turbo-jato. Mostra também o quanto foi importante para a aviação o desenvolvimento deste tipo de motor aeronáutico. Sendo de fácil construção, alcançando alta performance, operando com baixa manutenção, poucas peças móveis e baixa vibração ante os motores convencionais, ganhou destaque no processo evolutivo aeronáutico numa das principais épocas do crescimento da aviação mundial. Palavras chave: motor a reação, turbo-jato, propulsão a jato
3
LISTAS DE FIGURAS
FIGURA 1 – PARTES FUNDAMENTAIS DE UM MOTOR TURBO-JATO.....................11 FIGURA 2 – COMPRESSOR ROTATIVO DE FLUXO CENTRÍFUGO...........................12 FIGURA 3 – COMPRESSOR AXIAL...............................................................................13 FIGURA 4 – COMPRESSOR CENTRÍFUGO DE SIMPLES FACE................................13 FIGURA 5 – COMPRESSOR CENTRÍFUGO DE DUPLA FACE....................................14 FIGURA 6 – ENTRADA AXIAL........................................................................................15 FIGURA 7 – ENTRADA BIFURCADA.............................................................................16 FIGURA 8 – PÁS ESTACIONÁRIAS...............................................................................17 FIGURA 9 – TURBINA....................................................................................................18 FIGURA 10 – PÁS ORIENTADORAS.............................................................................19 FIGURA 11 – DIFUSOR E COLETOR............................................................................20 FIGURA 12– CÃMARA TIPO TUBO...............................................................................21 FIGURA 13 – CÃMARA TIPO ANULAR..........................................................................22 FIGURA 14 – CÃMARA DE COMBUSTÃO....................................................................23 FIGURA 15 – CÃMARA DE FLUXO DIRETO.................................................................24 FIGURA 16 – CÃMARA DE FLUXO DE RETORNO.......................................................25 FIGURA 17 – COLETOR DE ESCAPE...........................................................................28 FIGURA 18 – AR PRIMÁRIO E AR SECUNDÁRIO........................................................42 FIGURA 19 – BICO INJETOR.........................................................................................43 FIGURA 19B – BICO PULVERIZADOR..........................................................................44 FIGURA 20 – TRAJETÓRIA DE UM BALÃO..................................................................51 FIGURA 21 – REPRESENTAÇÃO DA FORÇA PROPULSORA....................................51 FIGURA 22 – COMPARAÇÃO COM MOTOR CONVENCIONAL..................................59 FIGURA 23 – SISTEMA DE COMBUSTÍVEL.................................................................64 FIGURA 24 – BAROSTATO............................................................................................66 FIGURA 25 – VÁLVULA ACELERADORA......................................................................68 FIGURA 26 – TORNEIRA DE ALTA PRESSÃO E ACUMULADOR...............................70 FIGURA 27 – BICOS INJETORES..................................................................................71 FIGURA 28 – BOMBA DE COMBUSTÍVEL....................................................................72 FIGURA 29 – SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO A SECO..................................................77
4
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 05 2 HISTÓRICO ..............................................................................................................06 3 PARTES FUNDAMENTAIS DO MOTOR TURBO-JATO..... ....................................11 3.1 ROTOR ..................................................................................................................12 3.2 CAIXA DO DIFUSOR E COMPRESSOR................................................................20 3.3 CÂMARA DE COMBUSTÃO ................................................................................ 21 3.4 CAIXA CENTRAL ................................................................................................. 26 3.5 CAIXA DA TURBINA ............................................................................................ 26 3.6 COLETOR DE ESCAPE ........................................................................................27 3.7 ACESSÓRIOS ....................................................................................................... 28 4.0 FASES DE FUNCIONAMENTO ............................................................................ 29 4.1 ADMISSÃO ........................................................................................................... 29 4.2 COMPRESSÃO .................................................................................................... 31 4.3 COMBUSTÃO ....................................................................................................... 38 4.3.1 Teoria da combustão .........................................................................................39 4.3.2 Ar primário e ar secundário ................................................................................41 4.3.3 Fluxo direto e de retorno ....................................................................................42 4.3.4 Mistura combustível ...........................................................................................42 4.3.5 Bicos injetores ....................................................................................................43 4.3.6 Combustão .........................................................................................................45 4.4 Escape ..............................................................................................................46 4.4.1 Pás orientadoras ............................................................................................... 47 4.4.2 Atrito superficial ..................................................................................................48 4.4.3 Turbina ...............................................................................................................48 5.0 TEORIA DA FORÇA PROPULSORA ....................................................................50 5.1 EFICIÊNCIA PROPULSORA .................................................................................53 5.2 SEQUÊNCIA DO MOTOR TURBO-JATO ..............................................................58 5.3 APLICAÇÃO DA FORÇA PROPULSORA ..............................................................61 6.0 SISTEMAS ..............................................................................................................63 6.1 SISTEMA DE COMBUSTÍVEL ...............................................................................63 6.1.1 Barostato .............................................................................................................66 6.1.2 Valvula aceleradora .............................................................................................68 6.1.3 Conjunto torneira e acumulador ..........................................................................69 6.1.4 Bicos injetores ....................................................................................................70 6.1.5 Bomba de combustível .......................................................................................71 6.2 SISTEMA DE PARTIDA .........................................................................................74 6.3 SISTEMA DE LUBRIFICAÇÃO ..............................................................................75 6.4 SISTEMA ELÉTRICO E DE IGNIÇÃO ...................................................................77 6.5 SISTEMA ANTI-FOGO E ANTI-GELO ....................................................................80 6.6 INJEÇÃO DE ÁGUA/METANOL ............................................................................82 6.7 PÓS COMBUSTORES ...........................................................................................82 7.0 CONCLUSÃO ...........................................................................................................84 8.0 REFERÊNCIAS.........................................................................................................85
5
INTRODUÇÃO
Com a realização deste trabalho, serão abordados os principais conhecimentos
sobre motores turbo-jato, explanando seu histórico, suas partes fundamentais, seu
funcionamento e seus sistemas sem particularizar qualquer modelo específico.
Este motor foi uma revolução para a época, pois trouxe soluções ante as baixas
performances dos motores convencionais. O motor turbo-jato iniciou uma nova era
entre os motores aeronáuticos, trazendo simplicidade na construção e elevada
eficiência. Este motor possibilita elevadas velocidades e operação em altas altitudes
devido as suas características de construção, sendo muito requerido para equipar
aeronaves militares.
6
2 HISTÓRICO
A idéia dos motores a jato surgiu, como conceito, no primeiro século depois de
Cristo, quando Heron de Alexandria inventou o eolípila. Este invento usava vapor
direcionado através de dois tubos de modo a conseguir movimentar uma esfera em seu
próprio eixo. Na verdade, o invento nunca foi utilizado como fonte de energia mecânica,
e os potenciais usos práticos da invenção de Heron não foram reconhecidos.
Simplesmente foi considerado como uma curiosidade.
A propulsão a jato, literalmente e figurativamente, pode ser levada a sério com
a invenção do foguete pelos chineses no século XI. Foguetes inicialmente foram
destinados a simples fins, como no uso de fogos de artifício, mas gradualmente
passaram a serem usados para propelir armamentos de grande efeito moral. Neste
ponto, a tecnologia estagnou-se por séculos.
No século XX, persistia o problema de que os motores a foguete eram
ineficientes para serem usados na aviação. Em seu lugar, por volta da década de 1930,
o motor a combustão interna em suas diversas formas (rotativos, radiais, ar-refrigerados
e refrigerados a água em linha) eram os únicos tipos de motores viáveis para o
desenvolvimento de aviões. Esses motores eram aceitáveis em vista das baixas
necessidades de performance então exigidas, dado o menor desenvolvimento dos
meios técnicos. Entretanto, os engenheiros estavam já a prever, conceitualmente, que o
motor a pistão era autolimitado em termos de performance. O limite era e é dado
essencialmente pela baixa eficiência da hélice. Isto se dá quando as lâminas da hélice
aproximam-se da velocidade do som. Se a performance do motor, assim como a do
avião, aumentasse sempre, mesmo com essa barreira, ainda assim haveria a
necessidade de se melhorar radicalmente o desenho do motor a pistão ou um tipo
7
completamente novo de motor teria que ser desenvolvido. Esta é a motivação que está
por trás do desenvolvimento da turbina a gás, comumente chamada apenas por motor a
jato, a qual poderia ser quase tão revolucionária para a aviação quanto o primeiro vôo
de Santos Dumont.
Os desenvolvimentos mais adiantados então, eram motores híbridos em que
uma força suplementar, e externa, que auxiliava na compressão. Neste sistema,
chamado termojato, desenvolvido por Secondo Campini, o ar era primeiramente
comprimido por um ventilador movido por um motor a pistão convencional, e depois
misturado com combustível e inflamado para obter o jato de empuxo. Exemplos desse
tipo de motor foram desenvolvidos por Henri Coandă no avião Coandă-1910 e, muito
mais tarde, pelo Caproni Campini e o motor japonês Tsu-11 usado para equipar o
avião Ohka, utilizado em missões de tipo kamikaze no fim da Segunda Guerra Mundial.
Nenhum desses aviões obteve muito sucesso, inclusive acabaram sendo mais lentos
que os aviões equipados com motores convencionais. A chave para motor a jato viável
foi a turbina a gás, utilizando energia oriunda de um compressor para se auto-
propulsionar. A turbina a gás não foi uma idéia desenvolvida nos anos da década de
1930, a patente para uma turbina estacionária foi registrada por John Barber na
Inglaterra em 1791. A primeira turbina a gás autopropelida, entretanto, foi construída
em 1903 pelo engenheiro norueguês Egidius Elling. As primeiras patentes para a
propulsão a jato foram encaminhadas em 1917. Limitações do desenho e dos meios
técnicos de engenharia e metalurgia aplicados na produção inviabilizaram, num
primeiro momento, tais motores. Os principais problemas eram a segurança,
confiabilidade, peso e, especialmente, a operação dos motores.
8
Os motores a reação enfrentaram diversas dificuldades para serem estudados e
fabricados, tais como incerteza de segurança no funcionamento, falta de materiais
específicos, alto dispêndio econômico e estratégias político-militares.
Em 1929, um estudante de aeronáutica inglês, Frank Whittle, encaminhou suas
idéias sobre um motor turbo-jato para seus superiores. Em 16 de janeiro de 1930,
Whittle pediu sua primeira patente, concedida em 1932. A patente exibia um
compressor de dois estágios axial seguido por um compressor centrífugo simples. Mais
tarde, Wittle concentrou-se apenas em simplificar o compressor centrífugo, por conta de
uma variedade de razões práticas.
Em 1935, Hans Von Ohain iniciou um trabalho em um projeto similar na
Alemanha, aparentemente sem conhecimento do trabalho desenvolvido por Wittle.
O primeiro motor desenvolvido por Whittle funcionou em 1937. Era alimentado
com combustível líquido e possuía a bomba de combustível acoplada ao motor. O
motor de Von Ohain, desenvolvido cinco meses depois de Whittle, era abastecido por
gás, sem ter um dispositivo de abastecimento acoplado. A equipe de desenvolvimento
de Whittle passou por apuros por não conseguir parar o motor no seu teste, mesmo
depois que este teve o combustível cortado. Isto se deu porque vazou combustível para
dentro do motor, fazendo-o funcionar até queimar completamente o combustível
vazado. Whittle infelizmente não conseguiu desenvolver um revestimento selante
apropriado para o projeto, e assim que ficou para trás de Von Ohain na corrida para
colocar um motor a jato no ar. Ohain aproximou-se de Ernst Heinkel, um dos grandes
empresários da indústria aeronáutica alemã da época, que imediatamente percebeu o
potencial do projeto. Heinkel tinha recentemente adquirido a companhia Hirth de
fabricação de motores e Ohain e seu mecânico chefe, Max Hahn, foram alocados em
9
uma nova divisão da empresa Hirth. Eles produziram seu primeiro motor, o HeS 1 em
setembro de 1937. Ao contrário do projeto de Whittle, Ohain utilizou hidrogênio como
combustível, abastecido por pressão. Seus desenvolvimentos posteriores culminaram
no motor HeS 3, movido a gasolina e gerando 499 Kgf de empuxo (5 kN). Este motor foi
montado na compacta e simples fuselagem do He 178, pilotado pelo alemão Erich
Warsitz no início da manhã de 27 de agosto de 1939, no aeródromo de Marienehe, em
um curtíssimo período de desenvolvimento. O He 178 foi o primeiro avião a jato do
mundo a voar. O primeiro avião turbo-jato civil a voar foi o Vickers, de fabricação
inglesa.
O primeiro motor de Whittle estava tornando-se viável, e a companhia de Whittle,
a Power Jets Ltda., começou a receber financiamento do Ministério do Ar. Em 1941,
uma versão operacional do motor, chamada de W.1, gerando 454 Kgf de empuxo (4
kN) foi montada em um Gloster E28/39, voando pela primeira vez em 15 de maio de
1941 na base aérea da RAF em Cranwell.
O motor parecia ótimo, entretanto, dadas a limitações técnicas iniciais sobre o
controle da velocidade do eixo do motor, o compressor necessitava ser muito grande
para produzir o nível de potência necessário. Uma desvantagem a mais foi o fato do
fluxo de ar ter que ser recurvado em direção à traseira do motor para a câmara de
combustão e bocal do motor.
O austríaco Anselm Franz da divisão de motores da Junkers (Junkers Motoren
ou Jumo) resolveu estes problemas com a introdução do compressor axial,
essencialmente uma turbina invertida. O ar que entra na parte dianteira do motor é
levado para a seção traseira por uma ventoinha (dutos convergentes) na qual é
comprimido contra uma seção de lâminas não rotativas chamadas estatores (dutos
10
divergentes). Tal processo não é de modo algum tão potente quanto o compressor
centrífugo, de forma que um número de pares de estatores e ventoinhas são colocados
em série de modo a gerar compressão suficiente. Ainda que seja muito mais complexo,
o motor resultante tem um diâmetro significativamente menor. A Jumo atribuiu o nome
para Jumo 004. Depois de se resolverem muitas dificuldades técnicas, a produção em
massa do Jumo 004 iniciou-se em 1944, com vistas a equipar o primeiro avião de
combate à reação, o caça Messerschmitt Me 262. Por conta de Hitler desejar um novo
bombardeiro baseado no Me 262, o avião chegou muito tarde para trazer qualquer
alteração na posição alemã na Segunda Guerra Mundial. Entretanto o Me 262 seria
sempre lembrado como primeiro avião a jato operacional. Após a Guerra, os aviões Me
262 foram extensivamente estudados pelos aliados, contribuindo no desenvolvimento
dos primeiros caças a reação soviética e norte-americana.
Os motores axiais foram melhorados desde a sua introdução. Com as melhorias
na tecnologia de rolamentos, a velocidade do eixo do motor pode ser significativamente
aumentada, reduzindo drasticamente o diâmetro das ventoinhas. Seu menor
comprimento é uma característica vantajosa desse tipo de desenho. Seus componentes
são, também, atualmente mais robustos dado que esses motores são mais suscetíveis
a danos oriundos da penetração de objetos estanhos dentro do motor.
Os motores britânicos foram extensivamente licenciados pelos Estados Unidos.
Seu projeto mais famoso, o Nenê, também equipou aviões soviéticos após um acordo
de troca de tecnologia. Projetos inteiramente norte-americanos não viriam até a década
de 1960, quando começaram a surgir diversas companhias de outros países
culminando em vários tipos de motores derivados do turbo-jato.
11
3 PARTES FUNDAMENTAIS DO MOTOR TURBO-JATO
Da mesma maneira que os motores a pistão, os motores turbo-jato também
apresentam partes fundamentais, bem como acessórios, entrada de ar, câmara de
combustão, difusor, conjunto da turbina, conjunto de escape.
As diferenças dos sistemas nos motores são determinadas pelas modificações
em torno de suas partes fundamentais, por isso qualquer mudança nas partes
fundamentais ou acréscimo de partes vem constituir motivo para diferenciar esse de um
outro semelhante sem novas adaptações ou mudanças. Seguem abaixo suas partes
fundamentais (figura 1):
Fig 1- Partes fundamentais de um motor turbo-jato
Fonte:Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 95
12
3.1 ROTOR
É o conjunto móvel composto de três partes básicas: compressor; roda ou disco
da turbina e eixo do rotor.
O compressor tem a função de captar e comprimir o ar atmosférico para o
interior das câmaras de combustão.
Geralmente um rotor de um motor turbo-jato possui um compressor, mas
também existem motores com mais de um compressor instalado num mesmo eixo
comum ao rotor. Eles podem ser então de dois tipos básicos: compressor rotativo de
fluxo centrífugo (figura 2) ou compressor rotativo de fluxo axial (figura 3).
Figura 2 – Compressor rotativo de fluxo centrífugo
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 156
13
Figura 3 - compressor rotativo do tipo axial
Fonte: Motores a Reação, Editora Asa – 1999, p. 42
O compressor centrífugo recolhe o ar de forma longitudinal e o expele de forma
perpendicular ao seu eixo. Pode apresentar mais dois tipos básicos: compressor
centrífugo de simples face (figura 4) e compressor centrífugo de dupla face (figura 5).
Figura 4: compressor centrífugo de simples face
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 235
14
Figura 5: Compressor centrífugo de dupla face
fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 97
O compressor centrífugo é construído em um simples bloco de metal especial e
as suas lâminas recurvadas são forjadas no próprio bloco metálico.
Nesses tipos de compressores o ar é admitido obliquamente ao eixo
longitudinal por entradas de ar circulares e também existem casos em que o ar é
admitido diretamente, ou seja, ao mesmo nível do eixo do próprio motor.
O compressor de dupla face apresenta lâminas recurvadas na face dianteira e
na face traseira, favorecendo a admissão de uma massa de ar maior, enquanto o
compressor de face simples apresenta lâminas recurvadas somente em uma das duas
faces, geralmente na face dianteira.
Porém alguns motores possuem dois tipos de tomada de ar, onde se fará
necessário de acordo com o tipo de aeronave que irá equipá-lo, ou seja, um tipo é o
axial (figura 6) e o outro é o axial-bifurcado (figura 7).
15
Fig 6 - Entrada de ar tipo axial
Fonte: Motores a Reação, Editora Asa – 1999, p. 42
16
Fig 7 - Entrada do tipo axial bifurcado
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 101
Como já visto, os compressores centrífugos podem apresentar dupla face de
lâminas recurvadas. Esses motores então possuem duas entradas de ar do tipo anelar
sendo cada qual destinada a orientar o ar para as duas faces do compressor, onde
existe geralmente uma tela para protegê-lo contra qualquer tipo de objeto estranho que
possa passar pelo compressor, prejudicando seu funcionamento ou danificando o
compressor. O alojamento que envolve o compressor centrífugo chama-se caixa do
difusor que é onde o compressor gira encaminhando o ar comprimido para as câmaras
de combustão, sendo essa uma de suas funções.
17
O compressor rotativo de fluxo axial provoca o deslocamento do ar durante a
compressão no sentido longitudinal do motor, ele apresenta pás periféricas instaladas
em um tambor rotativo que representa o próprio corpo do compressor. Ele também tem
uma série de pás intermediárias que são chamadas de pás estacionárias presas nas
periferias do tambor que envolve o compressor (fig 8), as pás formam um verdadeiro
anel, e do mesmo modo as pás estacionárias formam uma espécie de coroa presa no
interior da caixa do compressor. Cada anel formado pelas pás periféricas é denominado
de estágio do compressor, e o número de estágios dos compressores de fluxo axial
varia de acordo com o tipo de motor.
Fig 8 – pás estacionárias no tambor
Fonte: Motores a Reação, Editora Asa – 1999, p. 42
A roda da turbina é mais um componente do rotor e é feita de um metal
especial, em que estão instaladas as pás periféricas (fig 9). A função da roda da turbina
juntamente com as pás periféricas é de manter girando o compressor durante o
funcionamento do motor. Esse conjunto gira pelo impacto de ar nas pás das turbinas
18
que estão presas ao eixo do rotor. As pás periféricas apresentam uma seção aerofólica
assim como as pás estacionárias e periféricas do compressor axial. A roda da turbina é
forjada em gessop-18-b e as suas pás periféricas forjadas em nimonic-80 e geralmente
estão presas por processos especiais, o mais usado é do tipo encaixe.
Um rotor pode apresentar uma ou mais rodas de turbina, mas nos motores atuais uma
única roda é empregada.
Figura 9 – turbina
Fonte: Apostila da Anac
Na frente das pás periféricas tem uma série de pás recurvadas fixadas entre
dois anéis de diâmetros diferentes para formar o conjunto de pás orientadoras (fig 10),
tendo como função principal dirigir a massa gasosa superaquecida para as pás da roda
da turbina, além desse encargo, elas tem a função de limitar a passagem de massa
gasosa. Também são conhecidas como agulhetas, que tem por finalidade converter
todo os outros tipos de energia que a massa gasosa possa possuir ao deixar as
câmaras de combustão. O anel de pás orientadoras é um conjunto indispensável para
motores turbo-jatos convencionais.
19
Figura 10 – pás orientadoras
Fonte: Apostila da Anac
O eixo do motor é formado por três partes: eixo frontal do compressor, eixo
traseiro do compressor e eixo da turbina.
O eixo frontal do compressor está apoiado em um mancal frontal no eixo do
rotor à frente do compressor. Essa porção não transpassa o corpo do compressor onde
é presa por parafusos muito resistentes. Nesse eixo estão presas também as
engrenagens dos acessórios.
O eixo traseiro do compressor também é ligado por parafusos muito resistentes
até o eixo da turbina. A turbina está fixada na parte traseira do eixo do motor, podendo
estar apoiada ou não sobre um mancal. O eixo da turbina estende-se pela face
dianteira da roda da turbina até o eixo traseiro do compressor, ele possui um mancal de
suporte especial.
20
3.2 CAIXA DO DIFUSOR E DO COMPRESSOR
É equipado com compressor centrifugo onde estão alojadas as lâminas do
conjunto do difusor.
Esta caixa só é considerada nos motores que possuem compressores
centrífugos, pois envolve uma série de coletores instalados em sua periferia para
canalizar o ar para suas câmaras de combustão (fig 11). Ela envolve o compressor e
também serve para dar suporte aos difusores e coletores.
Figura 11 – difusor e coletor
Fonte: Motores a Reação, Editora Asa – 1999, p. 47
Já a caixa do compressor axial não apresenta difusores porque nos motores
axiais a orientação do ar se faz diretamente para as câmaras de combustão através das
pás estacionárias.
21
3.3 CÂMARA DE COMBUSTÃO
A câmara de combustão é mais que fundamental em um motor turbo-jato, pois
é nela que acontece a queima da mistura ar combustível. Com isso tem-se o aumento
da temperatura ambiente, fazendo com que os gases da combustão se expandam e
escapem com alta velocidade através do conjunto turbina/escapamento. Elas devem
ser cuidadosamente desenhadas, pois o seu desenho interfere diretamente no
desempenho de todo o motor. Geralmente tem formato de um tubo (fig 12), o que
facilita sua identificação.
Figura 12: câmara tipo tubo
1 – Corpo da câmara 2 – Cúpula da cãmara
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 109
Em outros motores pode-se apresentar uma única câmara de combustão
fugindo do formato padronizado de tubo, esse tipo de câmara de combustão é
denominado de câmara do tipo anular (figura 13).
22
Figura13: câmara tipo anular
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 113
Nestes dois tipos de câmaras existem duas partes principais na sua estrutura
que é um cilindro interno e um cilindro envolvente ou principal.
O cilindro interno nas câmaras tubulares é um tubo construído de material
especial que tem alto grau de resistência contra elevadas temperaturas e apresenta
orifícios precisamente alinhados (figura 14).
23
Figura 14 - Câmara de combustão
Fonte: Apostila da Anac
O espaço interno desse cilindro é chamado de câmara primária ou de chama.
No cilindro principal ou envolvente das câmaras de combustão do tipo tubular, o cilindro
interno é envolvido completamente pelo cilindro principal. O espaço interno do cilindro
envolvente chama-se câmara secundária que é limitada pelo cilindro interno.
Nas câmaras do tipo anular o cilindro interno também é envolvido pelo cilindro
principal, em todos os casos o cilindro principal é a única parte da câmara que é visível
por fora.
Em um motor turbo-jato que tenha várias câmaras do tipo tubular, todos os
cilindros internos são ligados entre si por meio de pequenos tubos chamados
interconectores, que facilitam a combustão durante a partida, espalhando a combustão
24
entre as câmaras. Da mesma maneira os cilindros envolventes também estão ligados
entre si.
Uma câmara do tipo tubular pode ser dividida em duas partes que são cúpula e
corpo.
Cúpula: é a porção da câmara de combustão que no motor com compressor do tipo
centrifugo está presa ao cotovelo da caixa do difusor, ou em motores equipados com
compressores do tipo axial ela está presa à canalização que orienta a massa de ar do
compressor para a câmara de combustão. Mas apesar disso, a posição de uma cúpula
pode depender do tipo do modelo de câmara de combustão empregada no motor.
Corpo: é outra parte da câmara e representa quase a totalidade da câmara. Geralmente
os tubos que ligam as câmaras entre si estão alojados no corpo da câmara.
De acordo com o sentido do fluxo de ar admitido e o fluxo dos gases de
escapamento , as câmaras do tipo tubular se classificam em dois grupos: câmara de
combustão de fluxo direto (figura 15) e câmara de combustão de fluxo de retorno
(figura 16).
Figura 15: câmara de fluxo direto
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 111
25
Figura 16: câmara de fluxo de retorno
Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 111
Câmara de combustão de fluxo direto: a massa de ar resultante da combustão é
expelida no mesmo sentido que entrou.
Câmara de combustão de fluxo de retorno: a massa de ar resultante da combustão é
expelida inversamente em relação ao sentido que entrou, passa por um tubo curvado e
então se dirige á turbina no sentido de saída do motor.
Existem motores turbo-jato que apresentam mais de uma câmara de
combustão, mas há vários tipos que ainda apresentam uma única câmara que quase
sempre é do tipo anular, onde o sentido do fluxo que se escapa é o mesmo do fluxo de
admissão.
O número de câmaras de combustão em um motor turbo jato pode variar de
acordo com o tipo do motor, existem motores que possuem dez câmaras, e outros com
dezesseis câmaras de combustão.
26
3.4 CAIXA CENTRAL
Constitui uma parte fundamental do motor, pois em alguns motores ela liga a
caixa do difusor à caixa da turbina. Ela envolve o eixo do rotor e por isso é considerada
a espinha dorsal do motor. As maiorias dos motores atuais possuem essa caixa central,
até mesmo porque naqueles que são equipados com várias câmaras de combustão
tubulares, estas estão distribuídas em torno da caixa central.
3.5 CAIXA DA TURBINA
A caixa da turbina é dividida em:
- Conjunto do anel de pás orientadoras de fluxo para a turbina:
- Anel externo da roda da turbina.
O conjunto do anel de pás orientadoras do fluxo para a turbina tem a função de
direcionar a massa gasosa superaquecida e também converter em energia cinética.
Essas pás estão fixadas entre dois anéis de diâmetros maiores, conhecidos por anel de
conjunto externo e outro com diâmetro menor colocado no interior do de maior diâmetro
e conhecido por anel interno do conjunto. As pás orientadoras se prendem a face
externa do anel externo.
O anel externo da roda da turbina envolve completamente a roda da turbina na
altura das pontas de suas pás periféricas, tendo como única função isolar
completamente a roda da turbina do meio exterior e também continuar formando a
canalização do ar.
Ele está diretamente ligado ao anel externo do conjunto das pás orientadoras
do fluxo para a turbina e também se liga diretamente ao cone externo do coletor de
escape do motor.
27
As câmaras de combustão de um motor turbo-jato equipado com várias
câmaras de combustão tubulares se prendem ao conjunto das pás orientadoras do
fluxo para a turbina, por intermédio dos adaptadores do conjunto do coletor da turbina.
3.6 COLETOR DE ESCAPE
Assim é chamado o conjunto formado pelos cones de escape, que determina a
abertura de saída da massa gasosa resultante da queima nas câmaras de combustão,
e normalmente é representado por dois cones , o cone externo e o cone interno.
O cone externo ou coletor propriamente dito é uma seção semicônica que
representa o verdadeiro coletor de escape tendo como função orientar os gases
oriundos das câmaras de combustão para fora do motor expelindo-os pelo tubo de
escape.
O cone interno é perfeitamente cônico e fechado por completo e está no interior
do coletor do escape, tendo como função determinar o aumento gradativo do espaço
interno que é por onde os gases saem.
É fixado por montantes aerodinâmicos que se prendem à face interna do coletor.
Existem alguns tipos de motores turbo-jato que possuem bocais variáveis, que
possibilitam a variação do espaço por onde os gases são expelidos, usados para
aumentar a performance em determinadas velocidades. Estes bocais são ajustados por
meios mecânicos pelo piloto em vôo.
28
Fig 17: coletor de escape montado
1 – caixa central 2 e 3 – tubo de escape 4 – bocal de escape 5 – montantes do suporte do motor 6 – câmaras de combustão 7 – tubo de escape do ar de refrigeração
Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 248
3.7 ACESSÓRIOS
Os acessórios dos motores turbo-jato são as diversas unidades que compõem
os sistemas como, sistema de ignição, sistema de combustível, sistema hidráulico, etc.
Nos motores com compressor rotativo de fluxo centrífugo a maioria dos
acessórios está na parte frontal do motor, e naqueles com compressores rotativos de
fluxo axial os acessórios se distribuem não só na parte frontal do moto, mas também
sobre a caixa do compressor. Raramente encontrarão-se acessórios depois da caixa do
compressor, exceto algumas unidades de certos sistemas como bicos injetores de
combustível, conjunto de ignição e medidores de temperatura.
29
4 FASES DO CICLO DE FUNCIONAMENTO DO TURBO-JATO
Um motor turbo-jato possui quatro fases que definem seu funcionamento, que
são admissão, compressão, combustão e escapamento. Para este tipo de ciclo de
funcionamento damos o nome de ciclo aberto.
Isso porque toda a massa gasosa que é admitida pelo motor é inteiramente
expelida para fora após passar por diversos estágios e tratamentos dentro do reator.
Mesmo que essa massa tenha sido transformada em seu estado físico ou teve
adicionado outro componente, no caso o combustível, ainda recebe a denominação de
massa gasosa ao sair do motor.
Ainda pode-se afirmar que certas turbinas a gás funcionam em um ciclo fechado,
mas não no objeto deste estudo. Agora será definida cada uma das quatro fases
citadas anteriormente.
4.1 ADMISSÃO
Teoricamente, a admissão ou sucção do ar é produzida pelos compressores do
rotor, sejam axiais ou centrífugos. A rotação do rotor depende do tipo de conjunto
compressor/turbina utilizado, mas suas revoluções variam desde 10.000 até 18.000
rotações por minuto (rpm). Como exemplo, o motor DeHavilland Goblin desenvolve
3.000 rpm em regime de marcha lenta, 8.700 rpm em regime de cruzeiro e 10.200 rpm
em regime de decolagem. Grandes forças centrífugas operam principalmente no
compressor e na turbina através do eixo.
Estes compressores têm seu movimento rotativo impelido pelas turbinas ao
longo do final do rotor em um único eixo. Quando o avião está parado, a sucção dos
compressores é o único meio de entrada de ar no motor.
30
Quando o avião inicia se deslocamento, a massa de ar que vai de encontro ao bocal de
entrada do compressor é aumentada pela velocidade aerodinâmica do avião, fazendo
com que uma maior quantidade de ar penetre no motor. E essa massa de ar auxiliar é
aumentada proporcionalmente à velocidade do avião. Quanto maior a velocidade de
deslocamento, maior será a massa de ar que será canalizada ao interior do motor, o
que provocará aumento de rendimento.
Chamamos de massa de ar de admissão justamente essa massa que penetra
dentro do motor e se dirige às palhetas do compressor através da sucção dos
compressores, e se for o caso, a massa que entra do fruto do deslocamento.
As entradas de ar ou bocais de motor possuem diversas formas que foram
projetadas para propiciar uma quantidade otimizada de ar para dentro do motor.
Essas entradas devem canalizar o ar de uma forma eficiente, que garanta o bom
desempenho de todo o motor. Suas principais características são de promover a
entrada de ar com o mínimo de atrito em suas paredes, seu formato deve evitar que o
ar entre turbilhonado e deve ter formas que excluam o máximo a possibilidade de
ingestão de materiais estranhos.
Diversos bocais foram produzidos para diversos tipos de aviões e sempre de
acordo com o tipo de compressor usado.
Nos motores turbo-jatos equipados com compressor rotativo do tipo centrífugo
de dupla face, a massa de ar é admitida através de duas entradas circulares,
destinadas a orientá-la sobre as duas faces do compressor. Quando o motor apresenta
este tipo de entrada de ar, encontramos fixadas no compressor lâminas guias, que tem
a função de auxiliar a mudança brusca do sentido de deslocamento da massa de ar,
que é admitida perpendicularmente ao eixo longitudinal do rotor. O fluxo de massa de ar
31
admitida atinge as palhetas do compressor numa direção paralela ao eixo longitudinal
do rotor.
Geralmente, as entradas de ar circulares estão equipadas com um a tela
metálica destinada a impedir a penetração de qualquer corpo estranho no
compartimento do compressor, o que poderia causar danos nas palhetas.
Nos motores turbo-jatos equipados com compressor rotativo centrífugo de
simples face, a massa de ar é normalmente admitida através de uma entrada de ar do
tipo axial, isto é, um tipo de entrada de ar que admite o ar no sentido longitudinal do
motor.
Há também um tipo de entrada do tipo axial-bifurcado. Este tipo pode ser
adaptado para motores que possuem compressor centrífugo rotativo de fluxo centrifugo
de simples face. Essa entrada favorece o avião que possui pouca área frontal ou o
motor está numa determinada posição impossibilitando a instalação da entrada pelo
nariz do avião, fazendo com que duas entradas sejam instaladas ao lado da raiz das
asas.
4.2 COMPRESSÃO
Após a massa de ar penetrar na entrada do motor, ela passará pela segunda
fase do processo que é o de compressão. Assim que o ar toca as palhetas do
compressor, este processo se inicia. O volume de ar a ser comprimido varia com a
rotação do conjunto eixo-compressor e a velocidade do avião, que quanto maior for
esta velocidade de compressão, maior será a quantidade de ar comprimido. O término
da compressão se dá com a massa gasosa comprimida e com certa velocidade
entrando na câmara de combustão.
32
Nesta fase o principal tratamento dado à massa de ar é a compressão, que é
sempre feita por um compressor rotativo.
O compressor rotativo pode ser de dois tipos básicos:
- Compressor rotativo de fluxo centrífugo;
- Compressor rotativo de fluxo axial.
O compressor rotativo de fluxo centrífugo pode apresentar uma ou duas faces
de palhetas. Neste compressor temos duas subfases:
Subfase de compressão: quando a massa de ar sofre a ação do compressor:
Subfase de difusão: quando o ar sofre a fase de difusão.
Subfase de compressão – nesta fase, com o compressor girando, o ar é admitido
axialmente através das entradas de ar que vão a região central do compressor, e são
colhidas para as palhetas curvadas e mudam sua direção, que era axial e passa a ser
perpendicular ao eixo do motor pelo movimento do compressor. Em virtude da força
centrifuga causada, a massa de ar é impelida para a periferia da face do compressor,
ocasionando um aumento de pressão e velocidade do ar. O aumento de pressão da
massa de ar depende grandemente da velocidade registrada na ponta das palhetas do
compressor, pois quanto maior for a velocidade maior, será a pressão. O ar, deixando
os canais formados pelas palhetas do compressor, terá uma velocidade tangencial
adicionada a sua velocidade radial, e é por essa razão que podemos considerar uma
velocidade resultante.
A subfase de compressão termina no momento em que o ar deixa o compressor
em alta velocidade e penetra nos canais formados pelas palhetas fixas do difusor.
Uma observação muito importante deve ser feita em torno do ar de admissão.
Percebemos que o ar de admissão tem sua trajetória mudada de 180° para 90° e flui
33
radialmente na direção da periferia do compressor. Mas a massa de ar em seu primeiro
contato como disco do compressor, não tem uma orientação radial uniforme que seja
de maneira satisfatória, pois, quando ela entra em contato com o compressor sofre uma
ação por parte deste, que lhe transmite um movimento rotativo. Por ser o ar um fluído
viscoso, e também pela ação do atrito superficial da massa de ar no disco do
compressor, este movimento rotativo é transmitido ao ar de admissão (aquele ar que
está vindo e ainda não atingiu o compressor), com uma intensidade decrescente.
Por essa razão, o ar de admissão aproxima-se e toca o compressor com um movimento
helicoidal, não sendo assim um movimento direto e uniforme para chegar a parede do
compressor. É muito importante observar que tal movimento rotativo é transmitido
somente a uma porção da totalidade da massa de ar de admissão, porção essa situada
próxima ao compressor.
Existem alguns fatores responsáveis pelas perdas registradas durante a
subfase de compressão.
Durante a segunda fase do ciclo de funcionamento de um motor turbo-jato com
compressor de fluxo centrífugo, as perdas se registram, em maior número, no
compressor, durante a subfase de compressão. Algumas dessas perdas registradas
durante a compressão, variam consideravelmente com o tamanho e o tipo de
compressor empregado no motor. O número de palhetas empregadas em um
compressor influi muito na eficiência do mesmo. Podemos dizer que um compressor
que possui um pequeno número de palhetas produzirá uma pequena quantidade de
trabalho útil perdendo eficiência. Essa é uma das desvantagens apresentadas por um
compressor rotativo de fluxo centrífugo possuidor de um pequeno número de palhetas.
34
Por outro lado, poderá parecer que um grande número de palhetas será ideal
para obtenção de um elevado grau de eficiência no compressor. Mas na realidade isso
não se aplica.
Dessa maneira, se um grande número de palhetas for empregado, teremos um
grande aumento na área atuadora, e, por conseguinte, um aumento na resistência
produzida pela fricção da massa de ar, e tendo como resultante uma redução na
eficiência adiabática do compressor.
Em adição ao fator área, tem o fator peso, que também atua como elemento
desfavorável à eficiência de um compressor.
Assim, havendo um grande número de palhetas, o peso do compressor será
aumentado, pois se torna necessário aumentar a sua dimensão para manter sua
solidez e obter-se um espaço capaz de acomodar o volume de massa de ar, absorvido
em maior escala. Pelas razões apresentadas, um número variável, de doze a vinte e
quatro palhetas, empregado em um compressor centrífugo de um motor turbo-jato, é o
que melhores resultados oferece.
O atrito nos mancais dos compressores faz com que ocorram perdas na
eficiência do compressor de fluxo centrífugo, já que absorve uma certa quantidade de
potência transmitida pela turbina ao compressor.
Subfase de difusão - esta subfase começa no momento exato em que a massa de ar
penetra nos canais do conjunto do difusor. O difusor que envolve o compressor e tem o
formato de um anel, possui palhetas fixadas e colocadas de tal modo que as suas
extremidades livres estão alinhadas com a direção da velocidade resultante do ar
expelido do compressor. Com essa disposição, o ar será suavemente canalizado para o
interior do difusor. A massa de ar que deixa o compressor possui uma alta velocidade
35
de deslocamento, mas ao passar através do difusor, terá essa velocidade bem
reduzida. Essa é a mais importante função do difusor, e é executada graças ao fato de
os canais difusores possuírem suas áreas internas aumentadas gradativamente, à
medida que se aproximam da periferia do conjunto do difusor. Com a diminuição da
velocidade da massa de ar teremos uma conversão da energia cinética em energia de
pressão. Isso indica que a massa de ar terá a sua pressão aumentada ao passar pelos
canais difusores, e que não é somente nos compressores que se registra esse aumento
de pressão.
A subfase de difusão termina exatamente quando a massa de ar penetra nas
diversas câmaras de combustão existentes no motor turbo-jato.
Outra função do difusor, no motor equipado com compressor de fluxo centrífugo,
é a de fazer com que a massa de ar comprimido seja canalizada suavemente, de
maneira a reduzir ao mínimo a turbulência que possa surgir, momentos após a massa
de ar haver deixado o compressor. Convém frisar que a principal função do difusor é a
de converter a energia cinética da massa de ar em energia de pressão.
As perdas são registradas no funcionamento do motor turbo-jato, quando há
variação no sentido de fluxo da massa de ar que sai do compressor, em relação às
palhetas fixas do difusor.
Com o compressor girando sob condições ideais de funcionamento, a massa de
ar comprimida é suavemente recebida pelas palhetas do difusor. Estas estão colocadas
de tal maneira que o seu ângulo de entrada auxilia muito a penetração normal e suave
da massa de ar comprimida, nos canais por ela formados.
36
Na prática, as condições de operação de um motor divergem bastante das
condições ideais de funcionamento, as quais correspondem as eficiências teóricas
máximas do motor.
A variação na direção de fluxo da massa de ar, ao deixar o compressor, produz
um rápido aumento de turbulência no interior dos canais difusores, causando uma
grande redução na eficiência do compressor. Estas turbulências dão origem a um
aumento excessivo de temperatura, atingindo um valor bem superior ao normalmente
registrado durante uma compressão eficiente, o qual concorre bastante para diminuir a
eficiência da compressão, por conseguinte, a eficiência de funcionamento de todo o
motor será prejudicada.
Outra causa que é responsável pela intensidade da compressão da massa de ar
absorvida no interior do motor turbo-jato é a fricção das partículas de ar contra as
paredes da superfície do canal difusor. Essa fricção dependendo da intensidade
também diminui a eficiência do compressor.
Se o compressor rotativo for do tipo axial, a segunda fase de ciclo de
funcionamento processa-se da seguinte maneira: a compressão total da massa
absorvida é executada por uma série de compressões intermediárias, isto é, cada
estágio do compressor comprime a massa de ar à medida que ela for passando através
das diversas pás dos diversos estágios existentes no compressor. Essa compressão
tem uma direção paralela ao eixo longitudinal do motor.
Nesta segunda fase que se inicia quando a massa de ar absorvida atinge o
primeiro estágio das pás dos compressores, e termina quando passa pelo último
estágio e segue em direção a turbina, ocorre a compressão do ar, sendo que este terá
sua velocidade diminuída e sua pressão aumentada. As pás do compressor são
37
firmadas em um tambor rotativo. Este tambor tem um formato de funil, que vai
aumentando o diâmetro de seu corpo para o interior. O tambor gira dentro de uma
carenagem, que tem seu formato de uma forma que deixa uma passagem mais larga no
seu início, mais precisamente no bocal do motor, e na medida que vai se introduzindo
para dentro essa passagem vai ficando cada vez mais estreita. As pás estão fixadas
nestes espaços entre o tambor e a carenagem. Elas são instaladas em uma
determinada posição formando um ângulo. Este ângulo é calculado para que a
passagem do ar se processe de maneira suave e com o mínimo possível de resistência,
que é geralmente produzida pelo chamado choque de entrada da massa de ar no
conjunto das pás compressoras. E entre essas pás rotativas, estão fixadas na
carenagem as pás estacionárias, que como o próprio nome diz, não giram, e servem
para direcionar e ajudar a pressionar o ar que sai da pá rotativa. O ar, ao passar pelo
anel das pás compressoras, adquire certa velocidade tangencial no sentido do
movimento de rotação do compressor. Assim, a massa de ar deixa essas pás
compressoras com sua velocidade axial de origem, paralela ao eixo de rotação, mais a
velocidade tangencial componente.
A velocidade que penetra nos primeiro estágios do compressor chama-se
velocidade absoluta, e a velocidade que deixa os compressores e é maior chama-se
velocidade resultante. Mas essa velocidade resultante quando deixa o compressor não
é mais paralela ao eixo, e sim inclinada, formando um determinado ângulo.
As pás estacionárias também têm um ângulo pré-definido de instalação. Isso faz
com que o ar passe por elas com o mínimo de turbulência. Estão alinhadas de modo
que seus bordos de ataque acatem a massa de ar vindo das pás rotativas de maneira
adequada para guiá-las para o próximo estagio de pás rotativas. O principal fato é que
38
essa massa de ar advinda das pás estacionárias atinja as pás rotativas da mesma
maneira que atingiram as pás rotativas anteriores. Todas as pontas das pás têm uma
certa distância da parede externa por causa da dilatação pela velocidade e
temperatura. Dessa maneira, a massa de ar perde a força tangencial adquirida nas pás
rotativas, diminuindo as perdas e aumentando a pressão e fluxo único da massa de ar.
Convém dizer que a velocidade é sempre diminuída quando o ar passa nas pás
estacionárias. Em cada estágio nota-se que há uma porção diferente de massa de ar
que sofre modificações, isso porque cada estágio tem um grau de compressão devido
ao estreitamento do sistema. O número de estágios depende da compressão requerida
para o motor.
É importante notar que, nesta segunda fase deste ciclo de funcionamento, as
duas subfases se processam em cada estágio do compressor. Portanto podemos
concluir que a massa de ar absorvida passará tantas vezes por esta ou aquela subfase
quantos forem os estágios existentes no conjunto do compressor do motor. Essa é uma
das principais diferenças que pode apresentar o ciclo de funcionamento do motor turbo-
jato equipado como compressor axial, em relação ao ciclo de funcionamento de outro
motor turbo-jato equipado com um compressor centrífugo. Neste último tipo de motor,
temos a massa de ar considerada passando somente uma vez pela subfase de
compressão e também uma única vez pela subfase de difusão.
4.3 COMBUSTÃO
Esta é a fase em que a massa de ar com pressão e determinada velocidade sai
do compressor e é queimada dentro da câmara de combustão. Após a queima, a
massa gasosa é acelerada para fora da câmara de combustão.
39
Na câmara de combustão, temos a introdução de um componente auxiliar do
funcionamento do motor: o combustível.
Como será explanado mais adiante, o combustível é queimado na corrente de
uma massa de ar chamada de ar primário, onde a razão de combustível e ar é ótima
para o inicio da combustão. A principal função da queima de combustível é de aumentar
a temperatura da massa de ar para um valor desejado, produzindo uma aceleração no
ar introduzido no motor. Considera-se terminada a terceira fase, quando a maior
porcentagem da massa de ar, que penetrou nas câmaras de combustão se escapa em
alta velocidade pela abertura posterior da câmara de combustão e atinge o conjunto da
turbina.
O escape da maior porcentagem da massa de ar (não é a totalidade, pois uma
pequena porcentagem toma parte na combustão, transformando-se em gases) faz-se
graças a sua grande expansão, que é influenciada pela grande temperatura da chama
de combustão. Misturados com esse ar são também expelidos os gases resultantes da
combustão.
4.3.1 Teoria da câmara de combustão
As câmaras de combustão de um motor turbo-jato devem ser cuidadosamente
desenhadas, pois isso afeta diretamente o desempenho do motor.
Durante a compressão, a massa de ar absorvida pelo motor sofre uma redução
no seu volume específico e um aumento de sua pressão. Quando a massa de ar
penetra na câmara de combustão, uma energia calorífica lhe será transmitida, e por
conseqüência, haverá um aumento no seu volume especifico da massa de ar, sem se
registrar nenhuma variação de pressão, sendo que esta permanecerá constante. O
formato da câmara de combustão é divergente, isto é, é inicialmente estreito, e vai
40
alargando-se em um certo ponto variável logo após o bico injetor de combustível. Isso é
eficaz porque logo que a massa de ar entra em combustão com o líquido inflamável,
terá um espaço suficiente para expandir-se em alta velocidade para a saída da câmara.
Isso se processa de uma maneira suave e constante no funcionamento do motor. O fato
de a câmara ter um espaço convexo na sua parede, faz com que a massa de ar
expandida somente flua na direção da saída. Havendo a queima de combustível, a
expansão processar-se-á única e exclusivamente graças a energia fornecida por esta
combustão. Em outras palavras, a energia necessária para a execução da expansão
lateral da massa de ar é fornecida pela própria chama de combustão, não havendo
nenhuma alteração na velocidade e na pressão da massa de ar. Devemos notar que
com a queima de combustível, o fluxo de ar tornar-se-á compressível, pois ocorrerá
uma redução de sua densidade, o qual não afeta a pressão estática, pelo fato do
grande aumento de temperatura ocorrido. Há a possibilidade de aumentar ainda a
velocidade dos gases usando uma câmara de fluxo dividido. O jeito encontrado é de
encaixar uma tubulação em volta do bico injetor chamado cilindro interno. Esta
tubulação tem primeiramente na sua entrada a forma divergente ligando-se logo após
por uma forma convergente na saída. Isso faz com que uma parte da massa de ar
penetre neste espaço e sofra um aumento de pressão junto com o combustível
pulverizado pelo bico injetor. O resultado é uma massa gasosa com maior pressão que
se encontra com o restante da massa de ar externa, fazendo com que todo o conjunto
adquira maior velocidade na saída da câmara de combustão. Este dispositivo evita
certas inconveniências ocorridas na sua ausência, como distribuição desigual da
expansão dos gases, pelo fato do diâmetro da câmara ser grande demais e a mistura
desigual do combustível como os gases por parte do bico injetor.
41
4.3.2 Ar primário e ar secundário
O ar primário é o que entra pela entrada principal para ser introduzido aos bicos
injetores, dos quais são 25 por cento do total enviado pelos compressores. Temos
também o ar secundário (fig 18), que representa os outros 75 por cento, que são
usados para se misturarem à massa gasosa já queimada e promoverem a devida
ventilação necessária ao resfriamento das paredes da câmara de combustão, evitando
que as chamas afetem a parede interna da câmara. Esse ar secundário penetra por
orifícios localizados estrategicamente na extensão externa da câmara de combustão.
Também este ar é chamado ar de diluição. O ar primário também é dirigido à área dos
bicos injetores para formar uma pequena turbulência, a fim de melhorar a mistura do ar
com o combustível.
Fig 18: ar primário e ar secundário
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 192
42
No inicio do funcionamento do motor, a combustão da mistura ar e combustível
processa-se pela ação de faíscas produzidas por uma vela de ignição, sendo que
depois que o motor atinge determinada rotação, essa faísca cessa e a combustão
torna-se contínua.
4.3.3. Fluxo direto e de retorno
Na câmara de combustão de fluxo direto, o sentido de direção de deslocamento
da massa de ar primário, e mais o escape da massa gasosa superaquecida, através da
câmara de chama, são os mesmos que o deslocamento da massa de ar introduzida na
câmara de combustão. Neste caso o sentido de fluxo do ar primário é o mesmo do fluxo
de ar secundário.
Na câmara de combustão de fluxo de retorno, há uma estrutura interna tal que o
movimento da massa de ar primário, mais a massa de ar gasosa aquecida, será
exatamente o oposto do fluxo de ar secundário. Esse tipo de câmara foi uma das
primeiras usadas nos motores turbo-jato, sendo substituídas posteriormente pelas de
fluxo direto e logo depois de fluxo dividido.
4.3.4 Mistura combustível
A mistura combustível é de suma importância para o bom funcionamento do
motor turbo-jato
Ela é formada no interior da câmara de combustão por uma certa quantidade de
combustível e ar primário. O combustível comumente usado é o querosene. Convém
salientar que o querosene de aviação usado é diferente do querosene doméstico. O
querosene de aviação deve conter na suas propriedades dois requisitos básicos: alto
valor calorífico e capacidade de produzir o mínimo de poluição. Também se deve ter
facilidade de pulverização, ausência de matérias sólidas, capacidade de suportar baixas
43
temperaturas sem perder suas propriedades e possuir elevado ponto crítico de
volatilidade, que é a temperatura em que o combustível se torna suficientemente volátil
para formar a mistura combustível com o ar primário. Quanto mais for elevado o ponto
crítico de volatilização, menos volátil ele será, o que de fato lhe dará maior segurança
ao registrar menor perigo de explosões.
4.3.5 Bicos injetores
Os bicos injetores (fig 19) possuem uma estrutura interna que possibilita que o
combustível seja dividido em várias partículas muito pequenas para ser misturado com
o ar primário. Cada câmara de combustão possui um bico injetor, se alojando em
diferentes situações dependendo do tipo de câmara de combustão.
Fig 19 - A: bico injetor
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 260
A ação pulverizadora de um bico pulverizador precisa ter gotículas de
combustível com o diâmetro mais parecido possível para bom funcionamento da
queima. Na verdade não importa a quantidade de gotículas, e sim, a sua formação. A
variação de tamanho entre as partículas varia de 10 a 200 mícrons de diâmetro, e a
44
quantidade varia de 5 a 10 milhões de partículas por centímetro cúbico de combustível
pulverizado.
Mas a mais importante característica do bico injetor é ainda a melhor queima do
combustível. Sendo assim, existe um sistema que se chama pré-vaporização do
combustível no interior da câmara de combustão.
Figura 19 – B: dispositivo de pré-vaporização de combustível
A – bico injetor de combustível B – tubos pré-vaporizadores
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 203
Este sistema tem por finalidade básica vaporizar o combustível antes que ele
penetrar no recinto da câmara de combustão propriamente dita.
Ele é constituído em cada câmara de combustão, por um bico injetor que termina
em quatro tubos de diâmetro bastante reduzido. Através desses tubos o combustível é
introduzido no interior de cada um dos tubos pré-vaporizadores que são recurvados, e
devido a temperatura tem seu conteúdo pulverizado antes de sair para a queima.
Este sistema tem mostrado ser bastante eficiente, principalmente pelo fato de ser quase
impossível a formação de carvão.
45
4.3.6 A combustão
A combustão da mistura combustível é marcada pela presença de uma chama a
frente do bico injetor de combustível e processa-se numa região muito pequena, situada
na primeira porção da câmara.
O sistema de ignição de turbina apresenta um ignitor de chama diferente
daqueles utilizadas nos sistemas de ignição dos motores convencionais. Os ignitores
somente geram faísca no momento da partida, sendo que após o início do
funcionamento do motor, a faísca cessa e a chama torna-se constante com a adição
contínua de combustível. O seu eletrodo deve ser capaz de resistir a uma corrente de
muito maior energia, em relação ao eletrodo de velas para motores convencionais. Essa
corrente de alta energia pode rapidamente causar a erosão do eletrodo, mas os
pequenos períodos de operação minimizam manutenção da vela. O espaço do eletrodo
de uma vela de ignição típica é muito maior do que aquela das velas de centelha, uma
vez que as pressões de operação são muito menores, e as centelhas podem ser mais
facilmente conseguidas do que nas velas comuns. Finalmente, a sujeira nos eletrodos,
tão comum nas velas de motores convencionais, é minimizada pelo calor das velas de
alta intensidade.
Para a combustão ser eficiente, deve-se ter tempo, temperatura e turbulência.
Resumindo, significa tempo de queima o mínimo possível, temperatura a mais baixa
possível e o mínimo de turbulência. A temperatura aproximada na combustão chega a
2000° C, com tempo Maximo de 10 a 20 milésimos de segundo.
A chama de combustão apresenta a cor amarela quando o motor está bem
regulado. Chama a atenção uma cor vermelha pálida caso Haja desregulagem de
algum componente.
46
O comprimento da chama varia diretamente com a razão da mistura de
combustível-ar. Os bicos injetores são projetados para trabalhar com um volume
específico de ar e combustível. Existe um limite de chama para que não afete a
estrutura da câmara e os componentes do bico injetor, que se chama de razão máxima
de mistura. Um item importante da chama é manter-se acesa durante a passagem de
fortes correntes de ar. Sabe-se que o ar que entra na câmara de combustão é muito
veloz em relação ao tempo de propagação da chama. Por isso que é importante ter
uma pequena região de turbulência em volta da chama para diminuir a velocidade do
ar.
Convém salientar que a massa de ar que não tomou parte da combustão sofre
uma aceleração no seu movimento, causada pela grande quantidade de calor que lhe é
transmitida pela chama de combustão. Essa massa acelerada chega a 168 metros por
segundo de velocidade.
O final é registrado no momento exato em que a massa de ar mais os produtos
da combustão deixam as câmaras de combustão e penetram no anel de pás
orientadoras de fluxo para turbina, passando antes através de tubo orientadores que
ligam as câmaras de combustão com o conjunto da turbina.
4.4 ESCAPE
O escape se inicia quando os gases superaquecidos que saem da câmara de
combustão se encontram com os anéis das pás orientadoras de fluxo e se dirigem para
a turbina.
O final coincide com o do ciclo de funcionamento do motor, e é marcado pelo
escape da massa gasosa para a atmosfera passando pelo coletor de escape.
47
O produto da combustão no interior da câmara de combustão sai da mesma com
uma velocidade aproximada de 168 metros por segundo, uma pressão de 4,08 quilos
por centímetro quadrado e temperatura perto dos 837 °C. Nestas condições ela
encontra-se com as pás orientadoras de fluxo para a turbina.
4.4.1 Pás orientadoras
A função dessas pás orientadoras é dirigir os gases advindos da combustão para
a turbina com o mínimo de formação de turbulência. Essas pás estão instaladas
formando um ângulo chamado ângulo teórico de eficiência máxima.
Essas pás orientadoras são formadas por uma serie de pás fixadas entre dois
anéis, sendo que um anel serve de base inferior e outro de base superior que contorna
toda a extensão da pá. A fixação difere de modelo para modelo. Geralmente são
fixadas através de pinos rebitados transpassados.
Outra forma é o processo de flutuação, onde os encaixes convergem-se ao
contrário do sentido de rotação do rotor.
As extremidades da pá orientadora não são paralelas entre si nem tão pouco
com o eixo longitudinal do motor. Este fato concorre para evitar o deslocamento
longitudinal das pás, em relação ao motor.
Existe um folga entre os anéis suportes e as pás orientadoras do valor
aproximado de 0,005 de polegada, que é destinada a prevenir o rompimento das pás
quando se processar a dilatação influenciada por elevadas temperaturas.
Quando a massa gasosa proveniente da câmara de combustão atravessa as pás
orientadoras, recebe uma queda de pressão e um aumento de velocidade, ou seja,
converte-se em energia cinética. Este processo ocorre na agulheta ou embocadura, que
são os espaços existentes entre duas pás orientadoras. Em alta velocidade, os gases
48
se dirigem à turbina fazendo com que ela gire e conseqüentemente mova o
compressor.
4.4.2 Atrito superficial
Apesar de, teoricamente, não se considerar a existência de protuberâncias nas
paredes das agulhetas, na prática não é possível obter uma superfície lisa e
completamente livre de protuberâncias. As protuberâncias existentes nas superfícies
das pás orientadoras diminuem a velocidade do fluxo da massa gasosa, acarretando
desta maneira uma perda de eficiência no funcionamento do motor. As pás orientadoras
de fluxo, ao saírem da fábrica, apresentam uma superfície bem polida, mas após um
período de funcionamento do motor, sofre a ação corrosiva dos gases superaquecidos,
combinada com o atrito das partículas desses mesmos gases fluindo am alta
velocidade, vai tornando mais áspera as superfícies das pás.
Se as superfícies das pás orientadoras forem examinadas com um microscópio,
podem-se verificar inúmeras protuberâncias, que atuam como freios sobre a parte da
massa gasosa que está em contato direto com as paredes das agulhetas.
4.4.3 Turbina
A turbina tem a finalidade de extrair a energia cinética dos gases em expansão
que escoam da câmara de combustão, e transformar em energia mecânica, dando
potência ao compressor e aos acessórios. Ela é formada por um rotor preso a um eixo
ligado diretamente ao compressor, tendo palhetas fixadas ao seu redor. Pode-se ter um
ou mais estágios.
Existem dois tipos principais mais utilizados de palhetas na turbina:
Palheta de impulso;
Palheta de reação.
49
A palheta de impulso a sua forma é convergente, e sua área de entrada é maior do que
a de descarga, promovendo a aceleração dos gases acarretando diminuição de
temperatura e pressão. Os gases ao passar por essas palhetas sofrem mudança de
direção, assim sendo, surge uma força de impulso para girar o rotor.
A palheta de reação faz com que os gases não sejam acelerados, apenas tem sua
direção mudada. Isso acontece porque a primeira extremidade da palheta é
arredondada, e a outra extremidade é afinalada, diferente da palheta de impulso que
contém as duas pontas afinaladas.
50
5 TEORIA DA FORÇA PROPULSORA
Considera-se que o princípio básico dos motores a jato está no fundamento da
aceleração de uma massa gasosa, obtendo uma determinada força em um sentido e
resultando num deslocamento contrário de mesma força e intensidade, sendo chamada
de força propulsora.
Um exemplo muito simples é um balão, tendo-o bem cheio de ar. Segurando
pelo bico sem deixar escapar o ar e em seguida soltando o mesmo, de forma que o bico
fique totalmente aberto, observa-se que o balão tem um deslocamento com uma
trajetória totalmente desorientada. Isto acontece porque o ar dentro do balão tende a
escapar através do bico, produzindo uma reação contrária ao do escape. A reação que
atua no interior do balão produz um deslocamento no espaço.
A trajetória não mantém uma linha reta porque como o ar irá escapar do interior do
balão, o mesmo perderá a sua forma esférica, com essa deformação registram-se
mudanças na posição do bico em diversas direções. Por conseqüência haverá
alterações na direção do jato de ar e da força de reação relativamente ao próprio balão,
ocorrendo a sua desorientação do mesmo pelo espaço (fig 19 e 20). As mudanças de
direção acontecem rapidamente, pelo fato de esvaziar rapidamente.
51
Figura 20 – trajetória do balão
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 124
Figura 21 – representação da força de propulsão
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 125
52
Outro exemplo para entendermos melhor o funcionamento é de uma
metralhadora montada sobre uma plataforma com rodas assentadas sobre trilhos. Cada
disparo proporcionará a expulsão de um projétil, tendo uma mesma força da mesma
direção, mas em sentido contrário á trajetória no interior do cano. Esta reação também
conhecida vulgarmente como recuo. A sucessão dos recuos provoca o movimento do
conjunto montado sobre os trilhos.
Num motor a jato, cada molécula de massa de ar que se movimenta no seu
interior, pode ser comparada com os projéteis da metralhadora em disparo. Com
exceção dos foguetes que transportam elementos propelentes no seu bojo, o motor
desloca-se e suga o ar e expele-o com velocidades superiores que as de entrada,
acelerando esta mesma massa para se obter a força propulsora que chamamos de
tração. Este é o princípio básico dos motores aerotérmicos de propulsão a jato.
Variando os procedimentos de produzir a aceleração da massa de ar absorvida, temos
uma variedade de motores aerotérmicos de reação direta (propulsão a jato). Mesmo os
foguetes que funcionam segundo o mesmo princípio, a segunda lei de Newton, possui
dispositivos de funcionamento ligeiramente diferentes dos motores a reação direta.
Enquanto os turbo-jatos funcionam dependendo do meio em que se encontram,
os foguetes são completamente independentes do meio ambiente.
No caso dos foguetes, toma-se o exemplo de uma pessoa sentada em uma
cadeira de balanço, possuindo ainda uma certa quantidade de tijolos para arremessar
para frente. Cada arremesso lhe dará um impulso para trás, e quanto mais rápido e
sucessivo ela arremessar, maior será o movimento contrário do balanço. No caso dos
motores térmicos a jato que empregam o ar atmosférico para seu funcionamento,
sabemos que a força de tração cai para um valor igual à zero, quando a velocidade da
53
massa de ar expelida for igual a velocidade da massa de ar absorvida. Concluindo que
a tração será negativa se a velocidade da massa de ar expelida for menor que a
velocidade da massa de ar absorvida.
Esta conclusão não se aplica aos motores de foguetes, pois para qualquer
velocidade de ejeção da massa gasosa, teremos sempre uma tração correspondente e
proporcional à velocidade de ejeção. Por isso os motores foguetes podem alcançar
velocidades superiores às registradas no bocal de escape do próprio motor.
Simplificando, podemos dizer que a tração em libras é numericamente equivalente ao
produto da massa de ar, passando através da unidade propulsora e considerada em
cada segundo de tempo, com excesso de velocidade da corrente de ar. Este excesso é
igual a velocidade com que o ar é expelido (ou acelerado), menos a velocidade do
avião em pés por segundo.
5.1 EFICIÊNCIA PROPULSORA
Esta eficiência é definida como sendo o trabalho útil executado pela tração
dividido pela quantidade de trabalho transmitido à corrente de ar que passa pelo
atuador (hélice ou motor a jato). E representada pela letra grega η. O trabalho útil
expresso em termos correspondentes à força propulsora é igual ao produto da tração
pela velocidade do avião:
TRABALHO ÚTIL = T.V,
Onde T é expresso em lbs (libras) e V em ft./s. O trabalho útil, portanto, é
expresso em ft.lbs/s (pés libras por segundo).
Sendo o cavalo força (HP) equivalente a 550 ft.lbs de trabalho por segundo,
escreve-se assim:
THP= T.V/550
54
Onde o THP representa o cavalo de força de tração (Thrust horse Power).
Numa conclusão de dois caminhos bem diferentes:
a) Estando o observador colocado numa posição qualquer junto a massa de ar
que não participa da corrente;
b) Estando o observador colocado no próprio avião.
a) Para um observador colocado num ponto qualquer, a corrente de ar terá uma
velocidade igual a Vs-V, onde V é a velocidade do avião e Vs a velocidade da
corrente de ar considerada.
A energia cinética da corrente de um fluído é dada por:
Ee=½. massa.v²
Onde v é igual a (Vs-V); e a massa por segundo é g.AV.
Então a energia da corrente relativa à massa de ar que está servindo de base,
será igual a:
½. g AV.(Vs-V)²
A quantidade de trabalho transmitido para a corrente da massa de ar será
igual à soma do trabalho útil com a energia da corrente da massa de ar.
Como vimos anteriormente, a eficiência propulsora é representada por:
η=T.V / T.V+½. g AV (Vs-V)²
Substituindo o valor de T(tração) =g.AV.(Vs-V) teremos:
η=g AV (Vs-V) V / g AV(Vs-V) V+½ g AV(Vs-V)²
Onde, η=V(Vs-V) / V(Vs-V)+½ V(Vs-V)²
55
b) Para o observador colocado no próprio avião, que será o ponto de referência,
teremos:
A energia cinética da corrente da massa de ar na frente do avião em movimento,
igual a:
Ec=g AV.V²
A energia cinética da corrente da massa de ar em relação ao avião, igual a:
Ec=q AV.Vs²
A quantidade de energia transmitida para a corrente da massa de ar igual a
diferença entre esses dois valores:
½ g AV (Vs²-v²)
O trabalho útil já definido, igual a:
g AV (Vs-V) . V
Neste caso, a energia propulsora será igual ao quociente de trabalho útil pela
energia transmitida à corrente.
Conclue-se que a eficiência propulsora é inversamente proporcional à razão
entre a velocidade da corrente de ar e a velocidade do avião. Portanto, quanto maior for
essa razão menor será a eficiência propulsora.
Em um exemplo de que a velocidade do avião é de 400ft/s, e a velocidade da
corrente é de 440ft/s, teremos então 95,2%. A eficiência propulsora não será admissível
à idéia de obter-se um valor excessivo para Vs (velocidade corrente da massa gasosa
que se desprende do motor em relação à velocidade do avião), por isso iria resultar em
uma grande perda de energia inútil, transmitida para a corrente da massa gasosa.
56
Neste exemplo a eficiência propulsora foi de 95,2%, podemos perceber que a Vs
excedeu V em cerca de 10% (Vs=440ft/s e V=400ft/s), sendo assim a energia da massa
gasosa é aproximadamente 5% de toda a energia perdida no sistema.
Neste ponto de vista chega-se a várias conclusões:
Supondo a possibilidade de manter constante a porcentagem de excesso da Vs
sobre a V com o intuito de obter sempre um valor satisfatório para a eficiência
propulsora, logo a quantidade Vs-V tornar-se-á menor quando a velocidade do avião (V)
for baixa.
Considerando agora o avião voando a uma velocidade inferior qualquer, mas
mantendo a mesma tração para ambos os casos, faz-se o seguinte raciocínio:
A tração é determinada pela fórmula g AV (Vs-V); a densidade do ar (g) será
constante par uma determinada altitude a qual considera-se invariável; a velocidade (v)
do avião e a velocidade Vs da corrente de massa de ar em relação ao avião, são
consideradas como dadas e também invariáveis. Voltando a fórmula que determina a
tração, verifica-se que o único elemento variável será a área de secção (A).
Para manter a tração constante é evidente que quanto menor for a velocidade do
avião, maior será a área de secção do atuador (moto a jato ou hélice).
Num caso mais específico, onde o avião tem uma velocidade média, pode-se
supor o fato de ser necessário uma área com um diâmetro tão grande que seria
impossível representar a área de um atuador por intermédio de um conduto. Neste caso
deve-se utilizar outro tipo de conduto, uma hélice. Mas tudo deve ser analisado,
mantendo um mesmo valor para a tração, em diversas situações de uma velocidade
variável do avião.
Nesta idéia conclui-se que:
57
1) Um motor a jato com estrutura básica, não pode ser como uma unidade
propulsora eficiente para aviões de pequena velocidade, segundo as mesmas
considerações feitas quanto a ampliação da área da secção.
2) No caso em aviões com velocidades moderadas, a hélice aparece como sendo
única solução prática, vendo que possui possibilidades de obter uma área de
secção maior.
Não há dúvidas de que o motor a jato pode produzir tração em praticamente
qualquer velocidade, mas em um caso particular como o dos aviões de baixa
velocidade, a eficiência propulsora desses motores teria um valor tão baixo que a
instalação seria de caráter pouco econômico.
Até o momento, os motores turbo-jato possuem uma estrutura bem particular
baseada em um compressor, movimentado por uma turbina, que fornece ar para a
câmara ou câmaras de combustão de fluxo constante. Essa mesma massa de ar
movimenta a turbina, escapando em seguida pelo conjunto de escape (em forma de
tubo) com uma velocidade superior a velocidade aerodinâmica do avião. A diferença
entre essas duas velocidades registrará a o valor da tração liquida do motor.
Recordando o estudo sobre a tração e sobre eficiência propulsora, pode-se
dizer que a massa de ar é medida exatamente à frente da tomada de ar do avião no
ponto em que a velocidade do ar não seja materialmente diferente da velocidade (V)
do avião.
58
5.2 SEQUÊNCIA DO MOTOR TURBO-JATO
O motor convencional de quatros tempos, comum em carro e aviões, está
baseado num ciclo chamado de ciclo-aberto, onde as operações compõem-se de
quatro tempos:
1) Admissão
2) Compressão
3) Expansão ou potência
4) Escape
Para aqueles que não conhecem as operações, em seguida mostraremos uma
breve descrição. Todas as funções se processam numa seqüência regular em cada
cilindro.
No cilindro, quando o pistão desce, a mistura ar e combustível entram na câmara
de combustão, através de uma entrada controlada pela válvula de admissão: neste
momento a válvula se fecha e o pistão sobe para comprimir a mistura, e em seguida
será gerado uma centelha pelas velas.
Após a queima, os gases expandidos resultantes da combustão, forçam o pistão
para sua posição anterior (esse tempo é considerado como potência ou ignição);
novamente o pistão sobe, mas agora pra expulsar os gases através de outra válvula,
chamada de válvula de escape.
Para cada subida ou descida do pistão dentro do cilindro, corresponde a ½ volta
do eixo de manivelas do motor. Como um ciclo completo corresponde a quatro tempos,
59
isto é, duas subidas e duas descidas do pistão, tem-se então duas voltas do eixo de
manivelas para cada ciclo completo do cilindro.
Mas para cada duas voltas do eixo de manivelas, temos somente um tempo de
potência. Por conseguinte, a energia de trabalho é aplicada intermitentemente ao eixo
de manivelas.
Num motor turbo-jato o ar é absorvido por um compressor de palhetas rotativas e
orientado por palhetas estáticas para a câmara de combustão, onde o combustível é
constantemente pulverizado no próprio ar. A combustão é constante, não existe
combustão intermitente, como no motor convencional.
Na figura 22 percebe-se de forma bem simples a operação do motor turbo-jato.
Figura 22 – comparação das fases do motor convencional e turbo-jato
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 137
Entendendo melhor este funcionamento, considera-se uma massa de ar
passando pelas suas diversas fases durante o ciclo de funcionamento, dentro do motor.
60
A massa de ar absorvida é a fase, cada um dos tratamentos que o ar sofre no
seu percurso dentro do motor. Esse termo, fase, substitui inteiramente o termo tempo,
normalmente utilizado para explicar cada uma das etapas do ciclo de funcionamento de
um motor convencional. O termo tempo não pode ser empregado num motor turbo-jato,
pelo fato do seu funcionamento ser único e contínuo. Em resumo, o motor
convencional, em cada uma de suas quatro etapas da massa de ar absorvida é
processado separadamente no cilindro, tendo duração determinada, na qual chamamos
de tempo.
Esta regra não se aplica ao motor turbo-jato. No seu ciclo de funcionamento
temos a massa de ar passando ao mesmo tempo pelas quatro etapas, isto é, no
momento que o ar é absorvido, ele passa a ser comprimido, já tem-se a compressão,
em seguida a combustão e finalmente o escape, tudo processado simultaneamente em
todo o motor, não importando o número de câmaras existentes.
Fica mais evidente quando o motor se encontra em funcionamento, porque os
primeiros instantes da partida do motor não têm a fase de escape, sem que antes haja
a fase de compressão e a fase de combustão.
O funcionamento do motor turbo-jato pode ser explicado assim:
O ar é sugado e comprimido no compressor, na câmara de combustão o
combustível é injetado em forma de pulverização e em seguida queimado. Apenas uma
pequena parte do ar absorvido é queimada. Devido a uma temperatura muito elevada
no momento da combustão, a mistura queimada expande o ar que não tomou parte da
combustão e numa velocidade relativamente alta, os gases e a massa de ar
superaquecida abrem caminho através da única saída, a extremidade a câmara. A
passagem rápida dos gases aquecidos sobre as pás da roda da turbina, imprimindo um
61
movimento rotativo, cria uma energia mecânica no eixo comum à turbina e ao
compressor, a qual é utilizada para movimentar o compressor e os acessórios do motor.
O compressor continua girando e mantendo o suprimento de ar, fluindo através
da unidade, isto é, do motor.
Uma vez passado pelas pás da turbina, os gases e o ar superaquecido se
escapam pela extremidade traseira do motor, através do conjunto de escape, numa
forma de jato em alta velocidade.
Esta força que é gasta na eliminação dos gases produz uma reação direta no
sentido oposto aos gases de escape, que resulta na força propulsora do motor.
5.3 APLICAÇÃO DAS FORÇAS PROPULSORAS
Num motor turbo-jato de compressor centrífugo de dupla face, a massa de ar é
admitida através das duas entradas circulares, circulando em duas faces do
compressor.
As cargas impostas por essa massa de ar ao compressor são anuladas uma a
uma, isto é, a carga imposta pela massa de ar, penetra pela entrada circular frontal, é
anulada pela carga imposta pela massa de ar que penetra pela entrada de ar circular
traseira, e vice-versa.
Toda a massa de ar é comprimida pelo compressor na forma centrífuga,
orientada em seguida para a câmara de combustão.
A massa de ar para entrar nas câmaras de combustão sofre uma variação no
seu sentido de deslocamento, o que dá origem a força de reação. A soma de todas as
forças que atuam nos coletores (motores equipados com compressor de fluxo
centrífugo) produz cerca de dois terços da força propulsora total.
62
A massa de ar entrando nas câmaras de combustão sofre o efeito de elevação
de temperatura. Nesta ação, há uma expansão intensa, o que dará origem a forças pós-
anteriores, que atuam contra as paredes internas. Esta força constitui cerca de um terço
da força total de propulsão.
Esta mesma massa saindo das câmaras de combustão, passa pelo anel de pás
orientadoras de fluxo para a turbina e finalmente escapa para a atmosfera, através do
conjunto de escape. Neste caso há forças atuando no sentido ântero-posterior. A maior
força que atua neste sentido é registrada no anel de pás orientadoras de fluxo para a
turbina, constitui mais da metade da força total, tanto num motor a jato como em
motores turbo-jatos em geral.
Assim, representam-se as diversas forças ou cargas impostas pela massa de ar
circulante com valores expressos por porcentagem, tendo-se por base um valor X
desconhecido para as forças totais atuando nos dois sentidos. A diferença entre a força
total que atua no sentido pós-anterior do motor e a força total que atua no sentido
ântero-posterior, constitui a potência disponível ou a tração líquida do motor que é
100%.
Lembrando que a soma final de todas as forças que atuam no sentido pós-
anterior será sempre maior que a soma de todas as forças que atuam no sentido
antero-posterior.
63
6 SISTEMAS
6.1 SISTEMA DE COMBUSTÍVEL
Em um motor turbo-jato, o combustível é controlado e canalizado através de um
sistema próprio que apresenta diversos componentes. É de se esperar que haja um
certo número de variações de sistemas de combustível de diversos modelos de motor
turbo-jato, mas mesmo assim pode-se afirmar que determinados componentes básicos
repetir-se-ão.
Do mesmo modo que nos motores convencionais a gasolina, os motores turbo-
jato apresentam em seu sistema bombas de combustíveis, válvula aceleradora, bicos
injetores, unidades controladoras e outras.
Serão abordados aqui todos esses elementos constantes ou comuns de um
sistema de combustível do motor turbo-jato.
O sistema de combustível descrito abaixo pertence ao motor Rollys Royce
Dervent - I
Este propulsor contém um motor com compressor centrífugo de dupla face e seu
sistema de combustível apresenta as seguintes partes,
64
Figura 23 – sistema de combustível do motor Derwent v
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 250
a ) bomba de combustível de deslocamento variável ( especialmente construída para
esse motor)
b ) unidade barométrica de controle de pressão ( barostato )
c ) válvula aceleradora
d ) unidade acumuladora, possuindo uma torneira de alta pressão
e ) tubulações condutoras de combustível
f ) uma série de 10 bicos injetores
65
Analisando este sistema de combustível, notamos que apesar de simples, ele
funciona de uma maneira bastante eficaz. O combustível que advém dos tanques entra
na bomba de combustível principal de alta pressão através de uma bomba elétrica
auxiliar de sucção (de baixa pressão). A bomba de combustível principal, que é
acionada pelo próprio motor, possui deslocamento variável e opera junto com a unidade
barométrica de controle de pressão, para que não ultrapasse os máximos de pressão
permitidos. Esta bomba funciona com uma ligação com o próprio motor em
funcionamento. Depois que o combustível sai da bomba vai para a válvula aceleradora,
e trabalha sobre uma pressão que não ultrapassa 91Kg/cm² . Quando o piloto move as
manetes de potência, está atuando na válvula aceleradora, permitindo ou fechando a
passagem de combustível que vai para as câmaras de combustão, e desta maneira,
controlar a potência do motor. Esta válvula tem o mesmo principio de funcionamento da
borboleta de combustível nos motores a pistão.
Depois que o combustível passa pela válvula aceleradora, ele se dirige para a
unidade acumuladora. O acumulador serve para dar pressão nos bicos injetores
somente durante a partida do motor, pois no inicio da rotação não há força suficiente da
bomba para ocorrer pulverização de combustível nas câmaras de combustão, pois
como o sistema dispõe-se de linhas com um certo comprimento, ocorre perda de
pressão nas mesmas.
E por fim, depois que o combustível passa pelo acumulador, termina nos bicos
injetores.
A torneira de alta pressão é utilizada na partida e o corte do motor, sendo que
estando aberta libera combustível, e fechada impede-o. Existem sensores de pressão
da bomba e pressão e depressão de combustível na tubulação para a cabine.
66
6.1.1 Barostato
O barostato, ou unidade barométrica de controle de pressão, está ligado
indiretamente às tubulações do sistema de combustível. É um sistema que regula a
pressão do combustível por meios mecânicos caso haja uma sobrepressão oriunda das
bombas, ou controla a pressão em relação a altitude da aeronave, pois também possui
um diafragma de pressão diferencial.
Figura 24 - barostato
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 253
1) câmara da cápsula com óleo 2) câmara da válvula com combustível 3) placa diafragma 4) barra móvel de balanço 5) cavidade semi-esférica 6) orifício de passagem 7) filtro 8) diafragma de borracha
67
9) pistão 10) haste 11) manga excêntrica 12) cápsula barométrica emergida em óleo 13) respiro
Componentes:
Conforme figura 24, pode-se observar que o barostato é formado por um corpo
dividido em duas câmaras: câmara cápsula, que se encontra emergida em óleo; câmara
de válvula, que esta emergida em combustível. Entre essas duas câmaras há uma
placa flexível (3), que possui no seu corpo uma barra de balanço (4) que se movimenta
verticalmente. Na câmara cápsula há um diafragma apoiado em bases (pivôs) sendo
que o pivô inferior se apóia na barra de balanço e o superior em um parafuso ajustador.
Na câmara de válvula encontra-se a outra extremidade da barra móvel de
balanço, que na sua parte superior há um parafuso ajustador com uma mola e na parte
inferior uma cavidade semi-esférica por onde passa o combustível.
Como foi mencionado, o barostato regula a pressão que vem da bomba de
combustível. Este barostato trabalhará com duas hipóteses de pressão.
Primeira hipótese: na câmara de válvula, se uma pressão excessiva chegar pelo tubo
de combustível, essa pressão vencerá a mola da válvula e permitirá que uma
quantidade maior de combustível entre na válvula, aliviando a pressão no sistema. O
mesmo vai acontecer se caso a pressão baixar muito, pois a mola devidamente
calibrada vai baixar e estrangular a entrada de combustível, fazendo com que a pressão
de combustível volte ao limite estabelecido.
Segunda hipótese: na câmara da cápsula o diafragma trabalhará com a pressão
estática da atmosfera, assim a medida que o avião ganhar altitude, a cápsula irá dilatar-
68
se, e sua base inferior pressionará a barra móvel de balanço, fazendo com que abra
mais a passagem de combustível na outra câmara e este trabalhe com menos pressão.
Convém salientar que na câmara válvula haverá sempre um pequeno fluxo de
combustível para efetuar este controle, junto a bomba de combustível principal.
6.1.2 Válvula aceleradora
Ela se localiza entre a bomba de combustível e a unidade acumuladora. A
válvula aceleradora (fig 25), é controlada pelo piloto através da manete de potência.
Figura 25 - válvula aceleradora
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 255
Os componentes são: um tubo onde percorre o combustível (1), uma válvula tipo
pistão que restringe ou libera a passagem de combustível (5), um parafuso ajustador de
batente (8), um orifício calibrado de marcha lenta (7), tubo de escoamento (2), alavanca
que se liga a manete (3), corpo da válvula (4), saída do combustível (6).
O combustível percorre o tubo (1) e segue para a unidade acumuladora, caso o
pistão esteja aberto. A abertura deste pistão controla a potência do motor. Estando
fechado, somente passará combustível pelo orifício calibrado (7), mantendo o motor em
marcha lenta. O corte total é feito pela torneira de alta pressão.
69
6.1.3 Conjunto torneira de alta pressão e unidade acumuladora
Este conjunto tem a finalidade de liberar ou cortar combustível para os bicos
injetores e fornecer combustível com alta pressão na partida. Durante a partida, a
bomba não tem força suficiente para pulverizar a quantidade adequada de combustível
nos bicos injetores, então assim que o combustível começa a chegar na câmara da
unidade acumuladora, encontrará resistência devidamente calibrada com uma válvula
com mola (5), e pressionará o pistão para baixo ate encher a câmara com combustível
pressionado. Em um determinado grau de pressão, vencerá a mola (5) e irá com
pressão para os bicos. Assim que o motor pegar, a bomba terá pressão suficiente para
manter a mola aberta e o pistão ficará descarregado, fazendo que o sistema funcione
com a pressão da bomba já suficiente para dar pressão aos bicos injetores. A torneira
de alta pressão (4) já deverá estar toda aberta, e somente será fechada no corte do
motor, e o combustível será desviado novamente para a bomba, e há um dreno (6) para
eventuais sobras de combustíveis.
70
Fig 26 – Conjunto da torneira de alta pressão e unidade acumuladora
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 257 1- canalização do combustível para a bomba 2- canalização para os bicos injetores
3- válvula de alívio 4- torneira de controle de alta pressão 5- válvula apoiada sobre um diafragma 6- dreno para atmosfera
6.1.4 Bicos injetores
A quantidade de bicos injetores varia de motor para motor, distribuído um para
cada câmara de combustão tipo tubo ou ao longo da câmara tipo anular. A função do
bico é pulverizar o combustível para ser queimado na câmara. O bico do motor Derwent
71
pode ser dividido em 3 partes principais: corpo, cilindro interno e manga ou cilindro
externo. Ainda o cilindro externo tem canalização interna, filtro, mola e pulverizador.
O combustível entra na canalização interna, passa pelo filtro e chega ao
pulverizador através de uma mola que permite a passagem de combustível
estrangulada, e é finalmente expelido em camada finíssima pelo atomizador
devidamente calibrado por três orifícios. Ainda existem 8 entradas de ar que passam
pela manga externa para chegar ao atomizador e ajudar a evitar acúmulo de carvão.
Figura 27: bico injetor
1 - Pulverizador 2 - Câmara do pulverizador 3 - Orifício de descarga 4 - Entrada de ar 5 - Manga 6 - Fixador do pulverizador 7 - Corpo do bico injetor 8 - Aba da manga 9 - Filtro de arame
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 260
6.1.5 Bomba de combustível
A bomba de combustível fornece combustível sob pressão para o sistema.
72
Figura 28: Bomba de combustível
A) eixo B) mancal de esferas C) canalizações no rotor D) admissão de descarga E) saída de combustível F) câmara de descarga G) diafragma H) mola do diafragma I) barra móvel de balanço J) cavidade semi-esférica da barra móvel de balanço K) pistão de controle de pressão L) passagem orientadora M) pistão cilíndrico N) eixo-extensão controlador O) junção do eixo com anel controlador P) anel controlador Q) suporte-eixo do anel controlador
Fonte: Motores a Jacto, Editora Lep – 1954, p. 264
É acionada pelo próprio motor em funcionamento através de um rotor (A).
73
Este rotor gira uma placa giratória (P) que é curvada de uma forma onde possa
pressionar e aliviar os pistões cilíndricos (M). Estes pistões trabalham em movimento
retilíneo dentro de um canal e possuem molas em suas bases, quando o pistão sobe
pela ação da mola, recolhe combustível por rarefação da câmara de admissão, e
quando desce manda combustível sobre pressão para a câmara de descarga, tudo isso
através de uma válvula orientadora (L), que de acordo com a rotação do eixo ora libera
passagem de combustível da câmara de admissão e ora para a câmara de descarga
(F). O pistão de controle (N) está instalado paralelamente ao eixo principal da bomba.
Este pistão trabalhará com a inclinação da placa giratória (P) por meio da haste do
pistão para que esta envie mais ou menos pressão aos pistões cilíndricos. Nesta
câmara, há um pistão e uma mola que mantém a placa giratória com o máximo grau de
inclinação e maior rendimento da bomba.
Na câmara da haste (K), há passagem de combustível proveniente da câmara de
descarga por meio de um orifício, e sua saída pelo orifício (J).
Assim ocorre um equilíbrio, e a haste de pistão não se move. Mas se a bomba estiver
produzindo excesso de fluxo de combustível, essa pressão aumentará também nestas
câmaras, fazendo com que a câmara de haste se mova contra a mola, e na câmara
mola o excesso de pressão vencerá esta mola e liberará combustível para a bomba
novamente. Isto fará com que diminua a inclinação da placa giratória, e, por
conseguinte, diminuirá a pressão na bomba.
Na própria estrutura interna da bomba há uma saída de pressão de combustível
com intenção de regular a velocidade de rotação do conjunto compressor – turbina do
motor.
74
Se o motor estiver com rotação excessiva, aumentará a velocidade da bomba de
combustível também, e essas saídas de combustível são ligadas às câmaras de
admissão, e esta câmara possue um diafragma que por sua vez aumentará e
pressionará a abertura da válvula da câmara de mola, e o processo da haste se iniciará
igual a explicação interior.
6.2 SISTEMA DE PARTIDA
Para demonstrar como funciona o ciclo de partida de um motor turbo-jato, tomar-
se-á o exemplo do motor Rolls Royce “Nene”. A partida é executada por um motor
elétrico de 24 volts, ou também por fonte externa. Todas as operações necessárias
para sua execução são efetuadas num ciclo que se interrompe num determinado
tempo. Essa força, provinda de um motor elétrico instalado na caixa de acessórios,
ligado através de engrenagens acopladas no eixo principal, faz girar este eixo até uma
velocidade ideal quando se libera o combustível e inicia-se a combustão.
Quando a chave de energia principal é fechada, a corrente é suprida para a
bomba auxiliar de combustível, fazendo-a funcionar. Uma luz de indicação se mantém
ligada até atingir a pressão indicada no sistema. Com a manete de potência fechada,
aciona-se o botão de partida fazendo funcionar a bomba auxiliar elétrica durante alguns
segundos. A corrente é fornecida as bobinas, aos conjuntos de ignição e ao motor de
partida. Este motor gira o rotor do motor de baixa velocidade nos primeiros cincos
segundos, em seguida fecha um relê dando o máximo de rotação ao motor de partida.
Uma chave automática completa seu ciclo em 30 segundos, interrompendo todo
o circuito após este tempo. Liberando-se a passagem de combustível e acontecendo de
o rotor do motor atingir a velocidade requerida antes dos 30 segundos, a chave também
desligará.
75
Neste momento o motor turbo-jato estará em funcionamento sem auxílio do
sistema de ignição, apenas dependerá do comando manete de potência.
O ciclo de partida deste motor é idêntico ao motor DeHavilland “Goblin”.
6.3 LUBRIFICAÇÃO
Os mancais e suportes do rotor registram o maior atrito verificado no motor
turbo-jato. O número de mancais varia com o tipo e modelo de motor. Como exemplo,
pode-se citar o sistema de lubrificação do motor “Nene”, cujo rotor possui três mancais.
O motor “Nene” apresenta um sistema de lubrificação de cárter úmido, o que
constituiu uma inovação no programa de desenvolvimento de motores turbo-jato para a
Rolls Royce na época. Os primeiros motores “Derwent” possuíam um sistema de
lubrificação de cárter seco, com um reservatório separado assim como em motores
convencionais.
Em alguns motores o cárter está posicionado na parte frontal, nele estão
instaladas umas bombas de pressão, bomba de retorno (ambas funcionam pelo próprio
rotor do motor), um filtro purificador de alta pressão e dois filtros de sucção.
O cárter logo abaixo da caixa de engrenagens dos acessórios e todos os
elementos, componentes do sistema de lubrificação.
Quando o motor inicia seu funcionamento, a bomba de pressão drena o óleo do
cárter através de um ralo especial e o envia para um filtro de alta pressão. Deste filtro o
óleo irá para cada um dos mancais (frontal, central e traseiro) por intermédio de
tubulações.
Grande parte do óleo irá para a caixa de acessórios (engrenagens). O óleo
retorna ao cárter por ação da gravidade. O retorno do óleo que lubrifica os outros
mancais é feito pela bomba de retorno. Este mesmo óleo que retorna dos mancais
76
central e traseiro passa através de outro ralo e por um purificador antes de voltar para o
cárter.
No painel de instrumentos dos aviões equipados com motores a jato, há uma
lâmpada que indica ao piloto a elevação de queda ou aumento de pressão de óleo além
dos limites permitidos.
Vários motores turbo-jato possuem lubrificação com cárter do tipo seco.
Neste sistema, o óleo fica em um tanque fixo. Uma parte considerável de óleo
pode ser transportada, e a temperatura pode ser prontamente controlada através de um
radiador de óleo. Esse radiador pode usar o ar ou o próprio combustível como agente
resfriador. O sistema de cárter seco permite que motores de fluxo axial mantenham
seus diâmetros relativamente pequenos, sendo que o tanque de óleo se encaixa dentro
do projeto do motor. Há um tanque que contém a maior parte do óleo utilizado no
sistema, uma pequena quantidade é mantida dentro do motor em um pequeno
reservatório. Nele encontramos a bomba de óleo, as telas das linhas de pressão e
recuperação, as conexões de retorno, um filtro e os pontos de fixação do transmissor
de pressão de óleo e do bulbo de temperatura.
77
Figura 29 - lubrificação do tipo seca
Fonte: apostila da Anac
6.4 SISTEMA ELÉTRICO E IGNIÇÃO
Os motores turbo-jato utilizam um sistema elétrico e de ignição mais simples e
são menos passíveis de defeitos. Isso porque sua maior ação é somente durante a
partida, diferente dos motores convencionais.
Em todo motor a reação há um sistema de ignição no qual a vela de ignição é a
unidade principal. É usado um sistema chamada descarga capacitiva, consistindo em
duas unidades idênticas e independentes de ignição, operando a partir de uma fonte
elétrica de corrente contínua de baixa tensão comum, que é a bateria de bordo da
aeronave ou fonte externa. Os sistemas de ignição dos motores turbo-jato podem ser
operados em condições atmosféricas ideais, sendo que muitas vezes eles operam em
condições de grandes altitudes e baixas temperaturas, e é preciso que seja capaz de
fornecer centelhas de alta intensidade de calor. Uma alta tensão é fornecida ao
78
terminal da vela de ignição, fornecendo um alto grau de confiabilidade em condições
variáveis de altitude, pressão atmosférica, temperatura, vaporização de combustível e
tensão de entrada. Um sistema de ignição típico inclui duas unidades excitadoras, dois
transformadores, dois cabos de ignição intermediários e dois cabos de ignição de alta
tensão.
Há a necessidade da presença de centelha para os bicos injetores de
combustível no interior da câmara de combustão, e esta centelha é produzida pela vela
de ignição que só opera durante a partida do motor. Uma vez que se mantêm as
chamas nos bicos injetores não é mais preciso a presença de centelha, pois neste
momento o motor funcionará por combustão contínua. O sistema de ignição é desligado
por controle automático de tempo.
No sistema de ignição de motores convencionais a centelha das velas é
produzida durante todo o tempo funcionamento do motor. Neste tipo de sistema as
combustões são produzidas dentro dos cilindros, e como a potência é adquirida pelas
sucessivas centelhas, as velas de ignição não podem parar um só momento.
A ausência de centelha em qualquer um dos cilindros pode gerar perda de
potência e ou parada total do motor. A perturbação no funcionamento de um motor
convencional a gasolina provocada pelo sistema de ignição poderá surgir a qualquer
momento quando o avião estiver voando. O mesmo não acontece com o motor turbo-
jato, porque o sistema de ignição funciona somente na partida.
Nenhuma pane de motor por falha de ignição durante o vôo pode ser atribuída ao
sistema de ignição.
Um problema do sistema de ignição em motor turbo-jato é a localização da vela
em relação injeção de combustível. Para assegurar uma posição eficiente, a
79
extremidade final da vela fica geralmente exposta ao elevado calor (superior a 1200ºC)
provocado pela chama do bico injetor. Este calor é prejudicial ao sistema, pois estraga
rapidamente a vela.
O diâmetro da câmara de combustão constitui muitas vezes em um dos maiores
problemas de instalação do conjunto de ignição.
Em muitos motores, o tamanho da câmara é relativamente grande em relação a
vela. Para solucionar o problema adaptou-se um novo conjunto de ignição, formado por
um bico injetor especial e uma vela de ignição. Apenas um conjunto desses é suficiente
para por em funcionamento o motor. Neste está instalado dois conjuntos, o que facilita
a partida.
No funcionamento do Conjunto de Ignição, durante o ciclo de partida, o
combustível oriundo da bomba auxiliar entra no injetor passando por um filtro de tela.
A passagem do combustível para o corpo do bico injetor é controlada por uma
válvula, um solenóide opera durante a partida e mantém a válvula aberta. Solenóide é
um dispositivo que por efeito eletromagnético atua automaticamente sobre a válvula,
abrindo a passagem do combustível para o bico injetor. Normalmente a válvula
permanece fechada comprimida por uma mola. O combustível pulverizado inflama-se
sob a ação da centelha da vela produzindo uma chama que devido a orientação e
intensidade, irá inflamar o jato de combustível pulverizado pelo bico injetor principal da
câmara de combustão.
O funcionamento dessa unidade de controle de combustível é interrompido
quando a transmissão de corrente é cortada pela bobina, cortando o campo magnético
e o núcleo retornar a posição normal, sob a influência da mola interna. Com esta volta
80
do núcleo para a posição normal, a válvula vedará a passagem interrompendo o fluxo
de combustível para o bico injetor.
Como a vela e o solenóide estão incluídos no mesmo circuito elétrico, todo o
conjunto desligará por um único controle.
Uma vez que haja as chamas nos bicos injetores das câmaras, os demais bicos
(das outras câmaras de combustão existentes) serão acesos pela propagação desta
combustão através dos tubos que interligam uma câmara a outra.
No conjunto de ignição as extremidades da vela e do bico injetor são protegidos
por uma manga, reduzindo a ação direta da temperatura elevada durante o
funcionamento do motor.
6.5 SISTEMAS ANTI-FOGO E ANTI-GELO
Os motores turbo-jatos em sua maioria são equipados com um sistema de
detecção e extinção de fogo. Há um sistema fixo, dos quais suas partes são instaladas
em locais estratégicos da nacele do motor, onde há mais chance de ocorrerem
incêndios, como na seção de combustão.
No momento em que surgirem princípios de incêndio, detectores alertam a
cabine de comando, e o piloto aciona um sistema para neutralizá-lo.
Existem dois reservatórios pressurizados geralmente com um agente extintor chamado
bromotrifluorometano. Este agente pode ser dirigido de cada um dos reservatórios, em
cada uma das naceles dos motores com alta razão de descarga. As linhas de descarga
de cada reservatório se juntam em uma válvula de retenção dupla, em "T", para
seguirem daí em uma linha única de descarga. O sistema possui uma válvula
unidirecional que evita que um reservatório descarregue o seu conteúdo dentro da linha
do outro reservatório. O piloto abre o sistema usando um punho manual e mais um
81
interruptor seletor elétrico. Dois discos indicadores de descarga, montados
externamente na fuselagem, indicam tanto a descarga manual do reservatório, como a
descarga automática ocasionada por condições externas. Um indicador de pressão é
montado em cada reservatório. O cartucho na válvula de descarga do extintor é
acionado por 28 volts de corrente DC, quando um punho "FIRE PULL" é puxado e o
seletor extintor de fogo é atuado para EXT nº 1 ou EXT nº 2. Uma válvula direcional
então dirige o agente extintor para o devido motor, de acordo com o punho puxado.
Quando o cartucho é detonado, o conteúdo de um reservatório é descarregado pela
pressão do nitrogênio, e forçado através de linhas de entrega e bicos de descarga,
dentro do compartimento dianteiro da nacele do motor selecionado.
É de suma importância que não se forme gelo no motor turbo-jato, pois afetaria
seu funcionamento. O local mais provável de formação de gelo é no sistema de
admissão, pois é o local de entrada de ar ainda frio, dependendo das condições
climáticas. O gelo pode restringir ou obstruir a passagem de ar no duto de entrada ou
na seção de compressor.
O sistema possui detecção e extração. A detecção é feita por sonda, sendo que
na presença de gelo um sinal de capacitância é emitida a cabine ou ao sistema
automático, se houver, para ser providenciada a extração.
A extração é feita por aquecimento da área, através de ar sangrado de um determinado
estágio do compressor, onde este ar quente aquecer o bocal de entrada de ar e evitar
que o gelo se forme. Há alguns sistemas que empregam resistências elétricas, caso
seja impossível aplicar tubulações de ar quente sangrado do compressor.
82
6.6 SISTEMA DE INJEÇÃO ÁGUA/METANOL
Em se tratando do desempenho de um motor, é de grande valia a densidade ou
peso de fluxo de ar que entra no motor. Em altas altitudes onde o ar é menos denso, há
uma perda de potência no motor, como também em altas temperaturas. Por isso, há um
sistema de injeção de água/metanol, que proporciona o resfriamento e aumento de
densidade do fluxo de ar, nos momentos propícios onde é importante a potência do
motor máxima, como na decolagem. A seção do motor que recebe a mistura no turbo-
jato é a câmara de combustão. Essa adição aumenta o fluxo de ar para a câmara,
fazendo com que esta não perca sua potência com a baixa densidade do ar de
admissão. Se for injetada apenas água, ocorre uma redução muito grande na
temperatura da combustão, desfavorecendo o propósito. O metanol, sendo combustível
e solúvel em água, evita tal perda.
Neste sistema, o composto resfriador advém de um tanque próprio, por uma bomba de
turbina a ar, que conduz a mistura até uma unidade sensora de fluxo, e é vaporizado
por dois jatos para dentro da câmara de combustão.
6.7 SISTEMA DE PÓS-COMBUSTÃO
O dispositivo de pós-queimadores ou pós-combustão é um sistema formado para
aumentar a potência do motor. É um sistema que utiliza bicos injetores de combustível
pulverizadores e uma vela especial logo após a saída dos gases da turbina,
promovendo uma segunda combustão do ar que ainda não queimou. Este dispositivo
tem uma câmara especial formada junto com um bocal de geometria variável entre a
turbina e o bocal de escape do motor. O sistema funciona junto com a manete de
potência do combustível, o qual também aciona o bocal variável de descarga de acordo
com a potência exigida.
83
Este sistema aumenta até 90% de empuxo adicional ao nível do mar. Isto ocorre
porque a combustão no duto de escapamento, em um bocal apropriado, promove um
acréscimo de temperatura que, por sua vez, resultará em um aumento da velocidade
dos gases de escape e na tração.
84
CONCLUSÃO
O motor turbo-jato foi uma grande evolução para a aviação depois dos motores
convencionais á hélice. Demonstrou ser muito veloz e de fácil construção. Suas poucas
peças móveis e fácil manutenção proporcionam uma larga vantagem no seu uso.
Apesar de ter um elevado consumo de combustível, propicia alta velocidade,
característica bastante apreciada na época por causa da segunda guerra mundial.
Esta pesquisa não seria completa se não houvesse contribuições didáticas e
técnicas dos inventores desse tipo de motor, que além de proporcionarem a evolução
dos motores a jato, deixaram claro sua transparência na construção e experiências.
Seria de extrema importância mais pesquisas relacionadas ao tipo de material
empregado nas peças destes motores, tipo de aviões que foram usados e para quais
fins.
85
REFERÊNCIAS
PALHARINI, Marcos Jesus Aparecido. Motores a Reação . 4 ed. rev. São Paulo: Asa, 1999 NOGUEIRA, Haroldo J.P.. Motores a Jacto. 2 ed. rev. São Paulo: LEP, 1954 MOTORES turbojato, disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_jacto acessado em 12/05/2008
![UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA …sociedade humana usava a diferença sexual como argumento na constituição dos papéis sociais. [...] Ela estava, então, separando sexo](https://img.document.onl/doc/110x75/5e6b4b721c668e25df641f07/universidade-federal-de-santa-catarina-sociedade-humana-usava-a-diferena-sexual.jpg)
