A tecnologia aeronáutica avançou muito desde o primeiro voo histórico dos irmãos Wright. Com o passar do tempo, os aviões evoluíram para se tornarem mais fortes e capazes de transportar cargas mais pesadas enquanto alcançavam velocidades mais altas no ar. Isso exigiu a invenção de um sistema de propulsão para gerar impulso.
Hoje, as turbinas a gás são a forma de propulsão mais amplamente utilizada, mas existem diferentes tipos e variações desse motor.
As modernas turbinas a gás podem gerar dezenas de milhares de libras de empuxo ou potência mecânica, permitindo que as aeronaves viajem mais rápido, mais longe e melhor do que nunca.
Neste artigo, você aprenderá sobre os quatro principais tipos de motores de turbina: turbojato, turboélice, turbofan e turboeixo.
RESUMO
Basicamente, todos os motores de aeronaves compartilham um princípio operacional comum baseado na terceira lei do movimento de Newton:
"Para cada ação, há uma reação igual e oposta."
Todos eles seguem o mesmo ciclo, mas diferem em como convertem energia em impulso ou potência. Aqui está uma visão geral:
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Turbojato: desempenho de alta velocidade, barulhento e com alto consumo de combustível.
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Turboélice: Eficaz em velocidades moderadas com propulsão acionada por hélice.
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Turbofan: Comum em aviões comerciais, confiável e com operações mais silenciosas.
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Turboeixo: Alimenta helicópteros e unidades auxiliares com foco na potência mecânica.
O que são motores de turbina?
Motores de turbina a gás são um tipo de motor de combustão interna que gera energia usando um fluxo de ar de alta velocidade.
Eles operam por meio da ciclagem contínua de ar usando estes quatro processos principais:
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Ingestão
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Compressão
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Combustão
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Escape
Esses motores compartilham um princípio fundamental de design: separar os processos em diferentes seções para melhorar o desempenho das operações.
Mas, diferentemente dos motores alternativos, onde essas funções ocorrem sequencialmente em uma única câmara, as turbinas a gás as executam simultaneamente.
1. Motor turbojato
O turbojato foi o primeiro tipo de motor de turbina a gás a ser desenvolvido para propulsão de aeronaves e continua sendo um projeto notável na história da aviação (apesar de ter sido amplamente substituído na aviação comercial moderna).
O motor a jato tem desempenho superior em velocidade e altitude em comparação aos motores alternativos. Mas eles têm habilidades limitadas de decolagem e subida. As hélices são mais capazes em velocidades mais baixas e durante a decolagem e o pouso, resultando em maior eficiência de combustível.
Tenha em mente que é importante que todos os motores de turbina operem dentro dos limites designados de temperatura, velocidade de rotação e torque.
A configuração de potência pode variar dependendo da instalação e pode incluir parâmetros como temperatura, torque, fluxo de combustível ou RPM.
Normalmente, os limites operacionais são atingidos antes de avançar totalmente os aceleradores, independentemente das condições climáticas.
Os turbojatos funcionam comprimindo o ar, misturando-o com combustível, inflamando a mistura e expelindo-a em altas velocidades para produzir empuxo.
Como funciona
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Admissão de ar: A admissão direciona o ar suavemente para as lâminas do compressor. Para aeronaves voando em velocidades supersônicas, o sistema de admissão reduz o fluxo de ar para velocidades subsônicas para proteger o motor.
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Compressor: O ar é comprimido por vários estágios de ventiladores, aumentando sua pressão significativamente.
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Câmara de combustão: O ar comprimido é misturado ao combustível e inflamado. Os turbojatos operam com uma proporção ar-combustível pobre de cerca de 50:1, o que ajuda a gerenciar o resfriamento do motor.
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Turbina: As lâminas da turbina absorvem energia dos gases de exaustão de alta velocidade. Essa energia aciona o compressor.
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Escape: Os gases de alta pressão saem do motor, gerando empuxo.
Os turbojatos foram amplamente utilizados nos primeiros aviões a jato, como o Heinkel He 178, mas agora são encontrados principalmente em aplicações militares e de alta velocidade.
2. Motor turboélice
O motor turboélice é basicamente um motor turbojato conectado a uma hélice por meio de uma caixa de redução. É realmente ótimo para voos regionais operando em velocidades e altitudes médias.
Agora, o motor turboélice tem várias vantagens sobre outros tipos de motores, como seu peso leve, simplicidade de operação e vibração mínima.
Ele é mais capaz quando voa em velocidades entre 250 e 400 mph e altitudes entre 18.000 e 30.000 pés.
Sua potência de saída é medida em potência de eixo e é determinada por rpm e torque. O motor também produz propulsão a jato, mas isso representa apenas uma pequena porcentagem de sua potência total.
Os motores turboélice são mais pesados e complexos do que os motores turbojato, mas eles realmente se destacam em fornecer empuxo em baixas velocidades. A desvantagem é que sua eficiência diminui conforme a velocidade de voo aumenta.
Como funciona
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Núcleo do turbojato: o núcleo do motor funciona como um turbojato, gerando potência.
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Caixa de engrenagens: O eixo da turbina de alta velocidade se conecta a uma caixa de engrenagens, que reduz a velocidade de rotação para acionar a hélice.
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Hélice: A hélice gera empuxo deslocando um grande volume de ar em velocidades mais baixas.
Aproximadamente 80-85% da energia do motor é usada para acionar a hélice, enquanto a energia restante sai pelo escapamento.
Motores turboélice podem ser encontrados em aeronaves como o King Air e o Dash 8, que normalmente operam em rotas regionais e de carga.
3. Motor turbofan
Um motor turbofan é um motor a jato com um ventilador canalizado que desvia parte do ar de admissão ao redor do núcleo.
Os motores turbofan estão por toda a aviação comercial moderna porque são capazes de equilibrar maravilhosamente capacidade, potência e redução de ruído. Os motores turbofan podem ser de bypass baixo ou bypass alto.
Eles são uma evolução da tecnologia de turbojato, projetados para gerar a maior parte de seu empuxo por meio de um grande ventilador de desvio.
Como funciona
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Fan: Um grande fan dutado na frente empurra o ar de desvio ao redor do núcleo do motor. Esse ar de desvio gera empuxo adicional e resfria o motor.
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Núcleo do motor: parte do ar entra no núcleo, onde passa por compressão, combustão e exaustão, semelhante a um turbojato.
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Bypass Ratio: Esta relação compara a quantidade de ar que desvia do núcleo com a quantidade que passa por ele. Motores de alto bypass são mais eficientes e silenciosos.
Muitos motores turbofan usam dois spools, com compressores e turbinas de alta e baixa pressão separados. Este design melhora o desempenho e a confiabilidade.
Aeronaves como o Boeing 747 e o Airbus A320 contam com motores turbofan para desempenho confiável em diversas altitudes e velocidades.
4. Motor Turboeixo
Os motores turboeixo são projetados principalmente para transferir potência mecânica sobre a geração de empuxo. Eles são amplamente usados em helicópteros e unidades de potência auxiliares (APUs).
Como funciona
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Núcleo do turbojato: O núcleo do motor opera de forma semelhante a um turbojato.
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Eixo de força: A turbina aciona um eixo de força conectado a uma transmissão.
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Transmissão: Este sistema transfere energia rotacional para as pás do rotor do helicóptero.
Em helicópteros, isso permite controle preciso sobre elevação e direção. Motores turboeixo também fornecem potência a bordo para aeronaves maiores quando em solo.
O Bell 206 e o Sikorsky UH-60 Black Hawk são exemplos de helicópteros movidos por motores turboeixo.
Motores a gás vs. motores alternativos
Uma distinção notável entre turbinas a gás e motores alternativos está na maneira como eles lidam com as quatro funções principais do motor.
Em um motor alternativo, essas funções ocorrem dentro da mesma câmara de combustão em estágios sequenciais. Isso significa basicamente que cada fase deve esperar a anterior terminar.
Em um motor de turbina a gás, cada função tem sua própria seção dedicada, permitindo que todos os processos aconteçam simultânea e continuamente.
Um motor de turbina a gás típico é composto das seguintes seções:
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Entrada de ar: direciona o ar para dentro do motor.
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Seção do compressor: aumenta a pressão do ar por meio de vários estágios de compressão.
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Seção de combustão: mistura ar com combustível e inflama a mistura.
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Seção da turbina: extrai energia dos gases de escape para acionar o compressor.
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Seção de exaustão: expele gases de alta velocidade para produzir empuxo.
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Seção de acessórios: fornece sistemas de suporte, como energia para instrumentos e componentes auxiliares.
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Sistemas de suporte: Inclui sistemas essenciais para partida, lubrificação, fornecimento de combustível e funções auxiliares, como anticongelamento e pressurização.
Perguntas frequentes
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Por que os turbojatos são menos comuns hoje em dia?
Turbojatos não são tão eficazes e barulhentos. Eles são menos adequados para aviação comercial. Motores turbofan oferecem uma alternativa mais silenciosa e com maior eficiência de combustível. -
O que é uma taxa de desvio em motores turbofan?
A taxa de desvio é a quantidade de ar fluindo ao redor do núcleo do motor em comparação ao ar que passa por ele. Motores de alto desvio são mais silenciosos e mais eficazes em velocidades subsônicas. -
O que são APUs e como elas funcionam?
Unidades Auxiliares de Energia (APUs) são motores turboeixo que fornecem energia elétrica e ar pressurizado no solo. Elas também podem servir como fontes de energia de reserva durante o voo. -
Como os turboélices alcançam eficiência de combustível?
Turboélices geram empuxo acelerando grandes volumes de ar com uma hélice. Isso os torna ótimos em velocidades e altitudes moderadas. -
Os motores turboeixo são usados apenas em helicópteros?
Não, motores turboeixo também alimentam APUs e outros sistemas mecânicos em aeronaves grandes.
Remover
Os motores de turbina a gás percorreram um longo caminho, evoluindo para quatro tipos principais para diferentes necessidades da aviação.
Os turbojatos priorizam a velocidade, os turboélices se destacam em operações de médio alcance, os turbofans equilibram desempenho e redução de ruído, e os turboeixos fornecem potência mecânica para helicópteros e sistemas auxiliares.
À medida que você aprende mais sobre esses motores, você começará a ver a engenharia notável por trás da aviação moderna.
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