Aeronaves: Motores de turbina

Um motor de turbina de aeronave consiste em uma entrada de ar, compressor, câmaras de combustão, uma seção de turbina e exaustão. O empuxo é produzido aumentando a velocidade do ar que flui através do motor. Os motores de turbina são motores de aeronaves altamente desejáveis. Eles são caracterizados por uma operação suave e uma alta relação potência-peso, e usam combustível de jato prontamente disponível. Antes dos avanços recentes em materiais, projetos de motores e processos de fabricação, o uso de motores de turbina em aeronaves de produção pequena/leve era proibitivo em termos de custos. Hoje, vários fabricantes de aviação estão produzindo ou planejam produzir aeronaves pequenas/leves com turbina. Essas aeronaves menores movidas a turbina geralmente acomodam entre três e sete passageiros e são chamadas de jatos muito leves (VLJs) ou microjatos.

Tipos de motores de turbina

Os motores a turbina são classificados de acordo com o tipo de compressor que utilizam. Existem três tipos de compressores: fluxo centrífugo, fluxo axial e fluxo centrífugo-axial. A compressão do ar de entrada é alcançada em um motor de fluxo centrífugo acelerando o ar para fora perpendicular ao eixo longitudinal da máquina. O motor de fluxo axial comprime o ar por uma série de aerofólios rotativos e estacionários movendo o ar paralelamente ao eixo longitudinal. O projeto de fluxo centrífugo-axial usa os dois tipos de compressores para atingir a compressão desejada.

O caminho que o ar percorre através do motor e como a potência é produzida determina o tipo de motor. Existem quatro tipos de motores de turbina de aeronaves: turbojato, turboélice, turbofan e turboeixo. 

Turbojato 

O motor turbojato consiste em quatro seções – compressor, câmara de combustão, seção da turbina e exaustão. A seção do compressor passa o ar de entrada em alta velocidade para a câmara de combustão. A câmara de combustão contém a entrada de combustível e ignitor para combustão. O ar em expansão aciona uma turbina, que é conectada por um eixo ao compressor, sustentando o funcionamento do motor. Os gases de escape acelerados do motor fornecem impulso. Esta é uma aplicação básica de compressão de ar, ignição da mistura ar-combustível, produção de energia para auto-sustentar a operação do motor e exaustão para propulsão.

Os motores turbojato são limitados em alcance e resistência. Eles também são lentos para responder a aplicações de aceleração em baixas velocidades do compressor.

Turboélice

Um motor turboélice é um motor de turbina que aciona uma hélice através de uma engrenagem de redução. Os gases de escape acionam uma turbina de potência conectada por um eixo que aciona o conjunto da engrenagem de redução. A engrenagem de redução é necessária em motores turboélice porque o desempenho ideal da hélice é alcançado em velocidades muito mais baixas do que as rpm de operação do motor. Os motores turboélice são um compromisso entre os motores turbojato e os motores alternativos. Os motores turboélice são mais eficientes em velocidades entre 250 e 400 mph e altitudes entre 18.000 e 30.000 pés. Eles também têm um bom desempenho nas baixas velocidades necessárias para decolagem e pouso e são eficientes em termos de combustível. O consumo específico mínimo de combustível do motor turboélice está normalmente disponível na faixa de altitude de 25.000 pés até a tropopausa. 

Turbofan

Os turbofans foram desenvolvidos para combinar algumas das melhores características do turbojato e do turboélice. Os motores turbofan são projetados para criar impulso adicional desviando um fluxo de ar secundário ao redor da câmara de combustão. O ar de desvio do turbofan gera maior empuxo, resfria o motor e ajuda na supressão do ruído de exaustão. Isso proporciona velocidade de cruzeiro do tipo turbojato e menor consumo de combustível.

O ar de entrada que passa por um motor turbofan é geralmente dividido em duas correntes de ar separadas. Um fluxo passa pelo núcleo do mecanismo, enquanto um segundo fluxo ignora o núcleo do mecanismo. É esse fluxo de ar de desvio que é responsável pelo termo “motor de desvio”. A taxa de desvio de um turbofan refere-se à proporção do fluxo de ar em massa que passa pelo ventilador dividido pelo fluxo de ar em massa que passa pelo núcleo do motor. 

Turboeixo

O quarto tipo comum de motor a jato é o turboeixo. Ele fornece energia a um eixo que aciona algo diferente de uma hélice. A maior diferença entre um motor turbojato e um turboeixo é que em um motor turboeixo, a maior parte da energia produzida pelos gases em expansão é usada para acionar uma turbina em vez de produzir empuxo. Muitos helicópteros usam um motor de turbina a gás com turboeixo. Além disso, os motores turboeixo são amplamente utilizados como unidades de potência auxiliares em aeronaves de grande porte.

Instrumentos de motor de turbina

Os instrumentos do motor que indicam a pressão do óleo, a temperatura do óleo, a velocidade do motor, a temperatura dos gases de escape e o fluxo de combustível são comuns a motores de turbina e alternativos. No entanto, existem alguns instrumentos que são exclusivos dos motores de turbina. Esses instrumentos fornecem indicações da razão de pressão do motor, pressão de descarga da turbina e torque. Além disso, a maioria dos motores de turbina a gás possui vários instrumentos de detecção de temperatura, chamados termopares, que fornecem aos pilotos leituras de temperatura dentro e ao redor da seção da turbina.

Relação de Pressão do Motor (EPR)

Um medidor de razão de pressão do motor (EPR) é usado para indicar a potência de um motor turbojato/turbofan. EPR é a razão entre a descarga da turbina e a pressão de entrada do compressor. As medições de pressão são registradas por sondas instaladas na entrada do motor e no escapamento. Uma vez coletados, os dados são enviados para um transdutor de pressão diferencial, que é indicado em um medidor EPR da cabine de comando. 

O design do sistema EPR compensa automaticamente os efeitos da velocidade do ar e da altitude. Mudanças na temperatura ambiente exigem que uma correção seja aplicada às indicações de EPR para fornecer configurações precisas de potência do motor. 

Temperatura dos gases de escape (EGT)

Um fator limitante em um motor de turbina a gás é a temperatura da seção da turbina. A temperatura de uma seção da turbina deve ser monitorada de perto para evitar o superaquecimento das pás da turbina e outros componentes da seção de exaustão. Uma maneira comum de monitorar a temperatura de uma seção de turbina é com um medidor EGT. EGT é um limite de operação do motor usado para monitorar as condições gerais de operação do motor.

Variações de sistemas EGT têm nomes diferentes com base na localização dos sensores de temperatura. Os medidores comuns de sensor de temperatura da turbina incluem o medidor de temperatura de entrada da turbina (TIT), medidor de temperatura de saída da turbina (TOT), medidor de temperatura de turbina entre estágios (ITT) e medidor de temperatura de gás de turbina (TGT).

Torquímetro 

A potência do motor turboélice/turboeixo é medida pelo torquímetro. Torque é uma força de torção aplicada a um eixo. O torquímetro mede a potência aplicada ao eixo. 

Os motores turboélice e turboeixo são projetados para produzir torque para acionar uma hélice. Os torquímetros são calibrados em unidades de porcentagem, libras-pé ou psi. 

Indicador N1 

N1 representa a velocidade de rotação do compressor de baixa pressão e é apresentado no indicador como uma porcentagem de rpm do projeto. Após a partida, a velocidade do compressor de baixa pressão é governada pela roda da turbina N1. A roda da turbina N1 é conectada ao compressor de baixa pressão através de um eixo concêntrico. 

Indicador N2 

N2 representa a velocidade de rotação do compressor de alta pressão e é apresentado no indicador como uma porcentagem de rpm do projeto. O compressor de alta pressão é governado pela roda da turbina N2. A roda da turbina N2 é conectada ao compressor de alta pressão através de um eixo concêntrico.

Considerações operacionais do motor de turbina

A grande variedade de motores de turbina torna impraticável cobrir procedimentos operacionais específicos, mas existem certas considerações operacionais comuns a todos os motores de turbina. Eles são limites de temperatura do motor, danos por objetos estranhos, partida a quente, parada do compressor e queima. 

Limitações de temperatura do motor 

A temperatura mais alta em qualquer motor de turbina ocorre na entrada da turbina. O TIT é, portanto, geralmente o fator limitante na operação do motor de turbina. 

Variações de impulso 

O empuxo do motor da turbina varia diretamente com a densidade do ar. À medida que a densidade do ar diminui, o mesmo acontece com o empuxo. Além disso, como a densidade do ar diminui com o aumento da temperatura, o aumento da temperatura também resulta em diminuição do empuxo. Embora os motores de turbina e alternativos sejam afetados em algum grau pela alta umidade relativa, os motores de turbina experimentarão uma perda insignificante de empuxo, enquanto os motores alternativos uma perda significativa de potência de freio. 

Danos por Objetos Estranhos (FOD)

Devido ao design e função da entrada de ar de um motor de turbina, sempre existe a possibilidade de ingestão de detritos. Isso causa danos significativos, principalmente nas seções do compressor e da turbina. Quando ocorre a ingestão de detritos, é chamado de dano por objeto estranho (FOD). O FOD típico consiste em pequenos cortes e amassados ​​causados ​​pela ingestão de pequenos objetos da rampa, pista de táxi ou pista, mas também ocorrem danos FOD causados ​​por colisões com pássaros ou ingestão de gelo. Às vezes, o FOD resulta na destruição total de um motor.

A prevenção de FOD é uma alta prioridade. Algumas entradas de motor tendem a formar um vórtice entre o solo e a entrada durante as operações terrestres. Um dissipador de vórtice pode ser instalado nesses motores. Outros dispositivos, como telas e/ou defletores, também podem ser utilizados. Os procedimentos de pré-voo incluem uma inspeção visual para qualquer sinal de FOD. 

Partida Quente/Parada do Motor da Turbina

Quando o EGT excede o limite seguro de uma aeronave, ela experimenta um “hot start”. Isso é causado por muito combustível entrando na câmara de combustão ou rpm insuficiente da turbina. Sempre que um motor tiver uma partida a quente, consulte o AFM/POH ou um manual de manutenção apropriado para obter os requisitos de inspeção. 

Se o motor não acelerar até a velocidade adequada após a ignição ou não acelerar até a rotação de marcha lenta, ocorreu uma partida travada ou falsa. Uma partida travada pode ser causada por uma fonte de energia de partida insuficiente ou mau funcionamento do controle de combustível.

Paradas do Compressor 

As pás do compressor são aerofólios pequenos e estão sujeitos aos mesmos princípios aerodinâmicos que se aplicam a qualquer aerofólio. Uma lâmina de compressor tem um AOA que é resultado da velocidade do ar de entrada e da velocidade de rotação do compressor. Essas duas forças se combinam para formar um vetor, que define o AOA real do aerofólio para o ar de entrada que se aproxima.

Um estol do compressor é um desequilíbrio entre as duas grandezas vetoriais, velocidade de entrada e velocidade de rotação do compressor. As paradas do compressor ocorrem quando o AOA das pás do compressor excede o AOA crítico. Neste ponto, o fluxo de ar suave é interrompido e a turbulência é criada com flutuações de pressão. As paradas do compressor fazem com que o fluxo de ar no compressor diminua e fique estagnado, às vezes invertendo a direção.

As paradas do compressor podem ser transitórias e intermitentes ou constantes e severas. As indicações de um estol transitório/intermitente geralmente são um “estrondo” intermitente, pois ocorre o retorno e a reversão do fluxo. Se o estol se desenvolver e se tornar estável, forte vibração e um rugido alto podem se desenvolver a partir da reversão do fluxo contínuo. Muitas vezes, os medidores da cabine de comando não mostram um estol leve ou transitório, mas indicam um estol desenvolvido. As indicações típicas do instrumento incluem flutuações em rpm e um aumento na temperatura dos gases de escape. A maioria das paradas transitórias não são prejudiciais ao motor e geralmente se corrigem após uma ou duas pulsações. A possibilidade de danos graves ao motor devido a um estol em estado estacionário é imediata. A recuperação deve ser realizada reduzindo rapidamente a potência, diminuindo o AOA da aeronave e aumentando a velocidade do ar.

Embora todos os motores de turbina a gás estejam sujeitos a paralisação do compressor, a maioria dos modelos possui sistemas que os inibem. Um sistema usa uma palheta guia de entrada variável (VIGV) e palhetas de estator variáveis ​​que direcionam o ar de entrada para as pás do rotor em um ângulo apropriado. Para evitar estol da pressão do ar, opere a aeronave dentro dos parâmetros estabelecidos pelo fabricante. Se ocorrer uma parada do compressor, siga os procedimentos recomendados no AFM/POH.

Extinção 

Um flameout ocorre na operação de um motor de turbina a gás em que o fogo no motor se apaga involuntariamente. Se o limite rico da relação combustível-ar for excedido na câmara de combustão, a chama se extinguirá. Esta condição é muitas vezes referida como um rico apagamento. Geralmente resulta de uma aceleração muito rápida do motor, onde uma mistura excessivamente rica faz com que a temperatura do combustível caia abaixo da temperatura de combustão. Também pode ser causado por fluxo de ar insuficiente para suportar a combustão. 

Uma ocorrência mais comum de apagamento é devido à baixa pressão do combustível e baixas velocidades do motor, que normalmente estão associadas ao voo de alta altitude. Essa situação também pode ocorrer com o motor desacelerado durante uma descida, o que pode configurar o esgotamento da condição magra. Uma mistura fraca pode facilmente fazer com que a chama se apague, mesmo com um fluxo de ar normal através do motor. 

Qualquer interrupção do fornecimento de combustível pode resultar em um incêndio. Isso pode ser devido a atitudes incomuns prolongadas, mau funcionamento do sistema de controle de combustível, turbulência, formação de gelo ou falta de combustível. 

Os sintomas de uma falha normalmente são os mesmos que ocorrem após uma falha do motor. Se o apagamento for devido a uma condição transitória, como um desequilíbrio entre o fluxo de combustível e a velocidade do motor, uma partida a ar pode ser tentada assim que a condição for corrigida. Em qualquer caso, os pilotos devem seguir os procedimentos de emergência aplicáveis ​​descritos no AFM/POH. Geralmente, esses procedimentos contêm recomendações sobre altitude e velocidade no ar, onde a partida no ar tem maior probabilidade de ser bem-sucedida. 

Comparação de desempenho 

É possível comparar o desempenho de um motor alternativo e diferentes tipos de motores de turbina. Para que a comparação seja precisa, a potência de empuxo (potência utilizável) para o motor alternativo deve ser usada em vez da potência de freio, e o empuxo líquido deve ser usado para os motores movidos a turbina. Além disso, a configuração e o tamanho do projeto da aeronave devem ser aproximadamente os mesmos. 

Ao comparar o desempenho, as seguintes definições são úteis:       

• Potência do freio (BHP) — a potência realmente entregue ao eixo de saída. A potência do freio é a potência real utilizável.

• Empuxo líquido — o empuxo produzido por um motor turbojato ou turbofan.

• Potência de potência (THP) — a potência equivalente à potência produzida por um motor turbojato ou turbofan. 

Potência de eixo equivalente (ESHP)—com relação a motores turboélice, a soma da potência de eixo (SHP) entregue à hélice e THP produzida pelos gases de escape.

A figura mostra como quatro tipos de motores se comparam no empuxo líquido à medida que a velocidade do ar aumenta. Esta figura é apenas para fins explicativos e não para modelos específicos de motores. A seguir estão os quatro tipos de motores:

• Central elétrica alternativa 

• Combinação de turbina e hélice (turboélice) 

• Motor de turbina incorporando um ventilador (turbofan) 

• Turbojato (jato puro)

Ao traçar a curva de desempenho de cada motor, pode-se comparar a variação máxima da velocidade da aeronave com o tipo de motor utilizado. Como o gráfico é apenas um meio de comparação, os valores numéricos para empuxo líquido, velocidade da aeronave e arrasto não estão incluídos.

A comparação dos quatro motores com base no empuxo líquido torna evidentes certas capacidades de desempenho. Na faixa de velocidade mostrada à esquerda da linha A, o motor alternativo supera os outros três tipos. O turboélice supera o turbofan na faixa à esquerda da linha C. O motor turbofan supera o turbojato na faixa à esquerda da linha F. O motor turbofan supera o motor alternativo à direita da linha B e o turboélice à direita da linha C. O turbojato supera o motor alternativo à direita da linha D, o turboélice à direita da linha E e o turbofan à direita da linha F.

Os pontos onde a curva de arrasto da aeronave cruza as curvas de empuxo líquido são as velocidades máximas da aeronave. As linhas verticais de cada um dos pontos até a linha de base do gráfico indicam que a aeronave turbojato pode atingir uma velocidade máxima maior do que as aeronaves equipadas com os outros tipos de motores. Aeronaves equipadas com motores turbofan atingem uma velocidade máxima mais alta do que aeronaves equipadas com turboélices ou motores alternativos.