Aeronaves requerem empuxo para produzir velocidade suficiente para as asas fornecerem sustentação ou empuxo suficiente para superar o peso da aeronave para decolagem vertical. Para que uma aeronave permaneça em voo nivelado, deve-se fornecer empuxo igual e na direção oposta ao arrasto da aeronave. Esse empuxo, ou força propulsora, é fornecido por um tipo adequado de motor térmico de aeronave. Todos os motores térmicos têm em comum a capacidade de converter energia térmica em energia mecânica pelo fluxo de alguma massa fluida (geralmente ar) através do motor. Em todos os casos, a energia térmica é liberada em um ponto do ciclo onde a pressão de trabalho é alta em relação à pressão atmosférica.
A força propulsora é obtida pelo deslocamento de um fluido de trabalho (novamente, ar atmosférico). Este ar não é necessariamente o mesmo ar usado dentro do motor. Ao deslocar o ar em uma direção oposta àquela em que a aeronave é propelida, o empuxo pode ser desenvolvido. Esta é uma aplicação da terceira lei do movimento de Newton. Ele afirma que para cada ação há uma reação igual e oposta. Assim, à medida que o ar está sendo deslocado para a parte traseira da aeronave, a aeronave é movida para frente por esse princípio. Uma interpretação errônea desse princípio é que o ar está empurrando o ar atrás da aeronave, fazendo-a avançar. Isso não é verdade. Foguetes no espaço não têm ar para empurrar, mas podem produzir impulso usando a terceira lei de Newton. O ar atmosférico é o principal fluido usado para a propulsão em todos os tipos de motores de aeronaves, exceto o foguete, no qual os gases totais de combustão são acelerados e deslocados. O foguete deve fornecer todo o combustível e oxigênio para a combustão e não depende do ar atmosférico. Um foguete carrega seu próprio oxidante em vez de usar o ar ambiente para combustão. Ele descarrega os subprodutos gasosos da combustão através do bocal de exaustão a uma velocidade extremamente alta (ação) e é impulsionado na outra direção (reação).
As hélices de aeronaves movidas por motores alternativos ou turboélices aceleram uma grande massa de ar a uma velocidade relativamente menor girando uma hélice. A mesma quantidade de empuxo pode ser gerada pela aceleração de uma pequena massa de ar a uma velocidade muito alta. O fluido de trabalho (ar) usado para a força propulsora é uma quantidade de ar diferente daquela usada dentro do motor para produzir a energia mecânica para girar a hélice.
Turbojatos, ramjets e jatos de pulso são exemplos de motores que aceleram uma quantidade menor de ar através de uma grande mudança de velocidade. Eles usam o mesmo fluido de trabalho para força de propulsão que é usado dentro do motor. Um problema com esses tipos de motores é o ruído produzido pelo ar de alta velocidade que sai do motor. O termo turbojato foi usado para descrever qualquer motor de turbina a gás, mas com as diferenças nas turbinas a gás usadas em aeronaves, esse termo é usado para descrever um tipo de turbina a gás que passa todos os gases diretamente pelo núcleo do motor.
Turbojatos, ramjets e jatos de pulso têm muito pouco ou nenhum uso em aeronaves modernas devido ao ruído e ao consumo de combustível. Pequenas aeronaves de aviação geral usam principalmente motores de pistão alternativos horizontalmente opostos. Embora algumas aeronaves ainda usem motores radiais de pistão alternativo, seu uso é muito limitado. Muitas aeronaves usam uma forma de motor de turbina a gás para produzir energia para empuxo. Esses motores são normalmente o turboélice, turboeixo, turbofan e alguns motores turbojato. “Turbojet” é o antigo termo para qualquer motor de turbina. Agora que existem tantos tipos diferentes de motores de turbina, o termo usado para descrever a maioria dos motores de turbina é “motor de turbina a gás”. Todos os quatro motores mencionados anteriormente pertencem à família de turbinas a gás.
Todos os motores de aeronaves devem atender a certos requisitos gerais de eficiência, economia e confiabilidade. Além de ser econômico no consumo de combustível, um motor de aeronave deve ser econômico no custo de aquisição original e no custo de manutenção; e deve atender aos requisitos exatos de eficiência e baixa relação peso-potência. Ele deve ser capaz de sustentar uma saída de alta potência sem sacrificar a confiabilidade; ele também deve ter durabilidade para operar por longos períodos de tempo entre revisões. Ele precisa ser o mais compacto possível, mas ter fácil acessibilidade para manutenção. É necessário ser o mais livre de vibração possível e ser capaz de cobrir uma ampla faixa de potência em várias velocidades e altitudes.
Esses requisitos ditam o uso de sistemas de ignição que entregam o impulso de ignição às velas de ignição no momento adequado em todos os tipos de clima e sob outras condições adversas. Os sistemas de fornecimento de combustível do motor fornecem combustível medido na proporção correta de combustível/ar ingerido pelo motor, independentemente da atitude, altitude ou tipo de clima em que o motor é operado. O motor precisa de um tipo de sistema de óleo que forneça óleo sob a pressão adequada para lubrificar e resfriar todas as partes operacionais do motor quando estiver funcionando. Além disso, deve ter um sistema de unidades de amortecimento para amortecer as vibrações do motor quando estiver em funcionamento.
Potência e Peso
A saída útil de todos os motores de aeronaves é o empuxo, a força que impulsiona a aeronave. Uma vez que o motor alternativo é avaliado em potência de freio (bhp), o motor de turbina a gás é avaliado em potência de empuxo (thp):
- Thp = empuxo × velocidade da aeronave (mph) / 375 milhas-libras por hora
O valor de 375 milhas por hora é derivado da fórmula básica de potência da seguinte forma:
- 1 hp = 33.000 pés-lb por minuto
- 33.000 × 60 = 1.980.000 pés-lb por hora
- 1.980.000 / 5.280 pés em uma milha = 375 milhas-libras por hora
Um cavalo-vapor equivale a 33.000 pés-lb por minuto ou 375 milhas por hora. Sob condições estáticas, o empuxo é calculado como equivalente a aproximadamente 2,6 libras por hora.
Se uma turbina a gás está produzindo 4.000 libras de empuxo e a aeronave na qual o motor está instalado está viajando a 500 mph, o thp é: 4.000 × 500 / 375 = 5.333,33 thp
É necessário calcular a potência para cada velocidade de uma aeronave, pois a potência varia com a velocidade. Portanto, não é prático tentar avaliar ou comparar a potência de um motor de turbina com base na potência. O motor da aeronave opera em uma porcentagem relativamente alta de sua potência máxima ao longo de sua vida útil. O motor da aeronave está em potência máxima sempre que uma decolagem é feita. Ele pode manter esse poder por um período de tempo até os limites estabelecidos pelo fabricante. O motor raramente é mantido na potência máxima por mais de 2 minutos e geralmente não por muito tempo. Dentro de alguns segundos após a decolagem, a potência é reduzida a uma potência que é usada para escalar e que pode ser mantida por longos períodos de tempo. Após a aeronave atingir a altitude de cruzeiro,
Se o peso de um motor por cavalo-vapor de freio (chamado de peso específico do motor) é diminuído, a carga útil que uma aeronave pode transportar e o desempenho da aeronave obviamente aumentam. Cada quilo a mais de peso transportado por um motor de aeronave reduz seu desempenho. Uma tremenda melhoria na redução do peso do motor da aeronave por meio de design e metalurgia aprimorados resultou em motores alternativos com uma relação potência-peso muito melhorada (peso específico).
Economia de combustível
O parâmetro básico para descrever a economia de combustível de motores de aeronaves é geralmente o consumo específico de combustível. O consumo específico de combustível para turbinas a gás é o fluxo de combustível medido em (lb/h) dividido pelo empuxo (lb), e para motores alternativos o fluxo de combustível (lb/h) dividido pela potência do freio. Estes são chamados de consumo de combustível específico de empuxo e consumo de combustível específico de freio, respectivamente. O consumo de combustível específico equivalente é usado para o motor turboélice e é o fluxo de combustível em libras por hora dividido pela potência de eixo equivalente de um turboélice. As comparações podem ser feitas entre os vários motores com base no consumo de combustível específico. Em baixa velocidade, os motores alternativos e turboélices têm melhor economia do que os motores turbojato ou turbofan puros. No entanto, em alta velocidade, devido a perdas na eficiência da hélice,
Durabilidade e Confiabilidade
Durabilidade e confiabilidade são geralmente considerados fatores idênticos, pois é difícil mencionar um sem incluir o outro. Simplificando, a confiabilidade é medida como o tempo médio entre falhas, enquanto a durabilidade é medida como o tempo médio entre revisões.
Mais especificamente, um motor de aeronave é confiável quando pode funcionar nas classificações especificadas em atitudes de voo amplamente variadas e em condições climáticas extremas. Os padrões de confiabilidade do motor são acordados pela Federal Aviation Administration (FAA), o fabricante do motor e o fabricante da fuselagem. O fabricante do motor garante a confiabilidade do produto por meio de projeto, pesquisa e teste. O controle rigoroso dos procedimentos de fabricação e montagem é mantido, e cada motor é testado antes de sair da fábrica.
Durabilidade é a quantidade de vida útil do motor obtida mantendo a confiabilidade desejada. O fato de um motor ter concluído com sucesso seu tipo ou teste de prova indica que ele pode ser operado de maneira normal por um longo período antes de exigir revisão. No entanto, nenhum intervalo de tempo definido entre revisões é especificado ou implícito na classificação do motor. O tempo entre revisões (TBO) varia de acordo com as condições de operação, como temperaturas do motor, quantidade de tempo em que o motor é operado em configurações de alta potência e a manutenção recebida. Os TBOs recomendados são especificados pelo fabricante do motor.
A confiabilidade e a durabilidade são incorporadas ao motor pelo fabricante, mas a confiabilidade contínua do motor é determinada pela manutenção, revisão geral e pessoal de operação. Métodos cuidadosos de manutenção e revisão, inspeções periódicas e pré-voo completas e observância estrita dos limites operacionais estabelecidos pelo fabricante do motor tornam a falha do motor uma ocorrência rara.
Flexibilidade Operacional
A flexibilidade de operação é a capacidade de um motor funcionar suavemente e fornecer o desempenho desejado em todas as velocidades, desde a marcha lenta até a potência máxima. O motor da aeronave também deve funcionar eficientemente através de todas as variações nas condições atmosféricas encontradas em operações generalizadas.
Compacidade
Para afetar a racionalização e o balanceamento adequados de uma aeronave, a forma e o tamanho do motor devem ser o mais compactos possível. Em aeronaves monomotoras, a forma e o tamanho do motor também afetam a visão do piloto, tornando um motor menor melhor deste ponto de vista, além de reduzir o arrasto criado por uma grande área frontal.
As limitações de peso, naturalmente, estão intimamente relacionadas ao requisito de compacidade. Quanto mais alongado e espalhado for um motor, mais difícil se torna manter o peso específico dentro dos limites permitidos.
Seleção de Powerplant
O peso específico do motor e o consumo específico de combustível foram discutidos nos parágrafos anteriores, mas para certos requisitos de projeto, a seleção final do motor pode ser baseada em outros fatores além daqueles que podem ser discutidos do ponto de vista analítico. Por essa razão, segue uma discussão geral sobre a seleção do powerplant.
Para aeronaves cuja velocidade de cruzeiro não exceda 250 mph, o motor alternativo é a escolha usual de motor. Quando é necessária economia na faixa de baixa velocidade, o motor alternativo convencional é escolhido devido à sua excelente eficiência e custo relativamente baixo. Quando o desempenho em alta altitude é necessário, o motor alternativo turboalimentado pode ser escolhido porque é capaz de manter a potência nominal a uma altitude elevada (acima de 30.000 pés). Os motores de turbina a gás operam mais economicamente em grandes altitudes. Embora na maioria dos casos o motor de turbina a gás forneça desempenho superior, o custo dos motores de turbina a gás é um fator limitante. Na faixa de velocidade de cruzeiro de 180 a 350 mph, o motor turboélice funciona muito bem. Desenvolve mais potência por quilo de peso do que o motor alternativo, permitindo assim uma maior carga de combustível ou carga útil para motores de uma determinada potência. De 350 mph até Mach .8–.9, os motores turbofan são geralmente usados para operações aéreas. As aeronaves destinadas a operar a Mach 1 ou superior são movidas por motores turbojato puros/motores de pós-combustão (aumentados), ou motores turbofan de baixo desvio.
