Bocal de propulsão - Propelling nozzle
Um bico de propulsão é um bico que converte a energia interna de um gás de trabalho em força de propulsão; é o bico, que forma um jato, que separa uma turbina a gás , sendo geradora a gás , de um motor a jato .
Os bicos de propulsão aceleram o gás disponível para velocidades subsônicas , transônicas ou supersônicas, dependendo da configuração de potência do motor, sua forma interna e as pressões na entrada e saída do bocal. A forma interna pode ser convergente ou convergente-divergente (CD). Os bicos CD podem acelerar o jato a velocidades supersônicas dentro da seção divergente, enquanto um bocal convergente não pode acelerar o jato além da velocidade sônica.
Os bicos de propulsão podem ter geometria fixa ou geometria variável para fornecer diferentes áreas de saída para controlar o funcionamento do motor quando equipado com pós - combustão ou sistema de reaquecimento. Quando os motores de pós-combustão estão equipados com um bico de CD, a área da garganta é variável. Bocais para velocidades de vôo supersônicas, nas quais altas taxas de pressão de bocal são geradas, também têm seções divergentes de área variável. Os motores turbofan podem ter um bocal de propulsão adicional e separado que acelera ainda mais o ar de desvio.
Os bocais de propulsão também atuam como restritores a jusante, cujas consequências constituem um aspecto importante do projeto do motor.
Princípios de operação
- Um bico opera de acordo com o efeito Venturi para trazer os gases de exaustão à pressão ambiente e, assim, formá-los em um jato coerente; se a pressão for alta o suficiente, o fluxo pode obstruir e o jato pode ser supersônico. O papel do bico na contrapressão do motor é explicado abaixo .
- A energia para acelerar o fluxo vem da temperatura e pressão do gás. O gás se expande adiabaticamente com baixas perdas e, portanto, alta eficiência . O gás acelera até uma velocidade de saída final que depende da pressão e temperatura na entrada do bico, da pressão ambiente até a qual ele esgota (a menos que o fluxo seja obstruído ) e da eficiência da expansão. A eficiência é uma medida das perdas por atrito, divergência não axial e também vazamento nos bicos CD.
- Os motores que respiram o ar criam empuxo para a frente na estrutura do avião, transmitindo um impulso líquido para trás ao ar, produzindo um jato de gás de escapamento que é maior do que seu impulso ambiente. Contanto que o empuxo exceda a resistência contraída pela aeronave em movimento no ar, ele se acelerará, de modo que a velocidade da aeronave pode, e geralmente o faz, exceder a velocidade de saída do jato. O jato pode ou não ser totalmente expandido .
- Em alguns motores equipados com pós-combustão, a área do bocal também varia durante as condições de não pós-combustão ou de empuxo a seco. Normalmente, o bico está totalmente aberto para partida e em marcha lenta. Ele pode então fechar conforme a alavanca de empuxo é avançada atingindo sua área mínima antes ou na configuração de empuxo seco máximo ou militar. Dois exemplos desse controle são o General Electric J-79 e o Tumansky RD-33 no MIG-29 . As razões para variar a área do bico são explicadas na seção: Controle da área do bico durante a operação a seco .
Geometrias principais
Bocal convergente
Bicos convergentes são usados em muitos motores a jato. Se a razão de pressão do bocal estiver acima do valor crítico (cerca de 1,8: 1), um bocal convergente irá engasgar , resultando em parte da expansão para a pressão atmosférica ocorrendo a jusante da garganta (ou seja, menor área de fluxo), na esteira do jato. Embora o impulso do jato ainda produza muito do impulso bruto, o desequilíbrio entre a pressão estática da garganta e a pressão atmosférica ainda gera algum impulso (de pressão).
Bico divergente
A velocidade supersônica do ar fluindo em um scramjet permite o uso de um bocal divergente simples
Bocal convergente-divergente (CD)
Os motores capazes de voo supersônico têm características de duto de exaustão convergentes-divergentes para gerar fluxo supersônico. Os motores de foguete - o caso extremo - devem sua forma distinta às relações de área muito altas de seus bicos.
Quando a razão de pressão em um bico convergente excede um valor crítico, o fluxo afoga e, portanto, a pressão do escapamento que sai do motor excede a pressão do ar circundante e não pode diminuir por meio do efeito Venturi convencional . Isso reduz a eficiência de produção de impulso do bico, fazendo com que grande parte da expansão ocorra a jusante do próprio bico. Consequentemente, os motores de foguete e os motores a jato para vôo supersônico incorporam um bico de CD que permite expansão adicional contra o interior do bico. No entanto, ao contrário do bocal convergente-divergente fixo usado em um motor de foguete convencional , aqueles em motores turbojato devem ter geometria variável pesada e cara para lidar com a grande variação na razão de pressão do bocal que ocorre com velocidades de subsônico a acima de Mach 3.
No entanto, os bicos de baixa relação de área têm aplicações subsônicas.
Tipos de bico
Bocal de área fixa
Os motores subsônicos sem pós-combustão têm bicos de tamanho fixo porque as mudanças no desempenho do motor com a altitude e as velocidades de vôo subsônicas são aceitáveis com um bocal fixo. Este não é o caso em velocidades supersônicas conforme descrito para o Concorde abaixo .
Com baixa proporção de área
No outro extremo, alguns turbofans civis de alta taxa de desvio controlam a linha de trabalho do ventilador usando um bico convergente-divergente com uma relação de área extremamente baixa (menos de 1,01) no fluxo de desvio (ou exaustão mista). Em baixas velocidades do ar, tal configuração faz com que o bocal aja como se tivesse geometria variável, evitando que ele engasgue e permitindo que ele acelere e desacelere o gás de exaustão que se aproxima da garganta e da seção divergente, respectivamente. Conseqüentemente, a área de saída do bico controla a partida do ventilador, que, sendo maior que a garganta, puxa a linha de trabalho do ventilador ligeiramente para longe do pico. Em velocidades de vôo mais altas, o aumento do aríete na entrada sufoca a garganta e faz com que a área do bocal dite a correspondência do leque; o bocal, sendo menor que a saída, faz com que a garganta empurre a linha de trabalho do ventilador ligeiramente em direção à onda. Isso não é um problema, pois a margem de oscilação do ventilador é muito maior em altas velocidades de vôo.
Em foguetes (com alta proporção de área)
Os motores de foguete também empregam bicos convergentes-divergentes, mas geralmente são de geometria fixa, para minimizar o peso. Por causa das altas taxas de pressão associadas ao voo do foguete, os bicos convergentes-divergentes do motor de foguete têm uma razão de área muito maior (saída / garganta) do que aqueles instalados nos motores a jato.
Área variável para pós-combustão
Os pós-combustores em aeronaves de combate requerem um bico maior para evitar afetar adversamente o funcionamento do motor. O bico de íris de área variável consiste em uma série de pétalas móveis e sobrepostas com uma seção transversal quase circular do bico e é convergente para controlar a operação do motor. Se a aeronave deve voar a velocidades supersônicas, o bocal de pós-combustão pode ser seguido por um bocal divergente separado em uma configuração de bocal ejetor, como abaixo, ou a geometria divergente pode ser incorporada com o bocal de pós-combustão na configuração de bocal convergente-divergente de geometria variável , como abaixo.
Os pós-combustores iniciais estavam ligados ou desligados e usavam um bico tipo concha de 2 posições, ou pálpebra, que fornecia apenas uma área disponível para uso de pós-combustão.
Ejetor
Ejetor se refere à ação de bombeamento do escapamento do motor muito quente e de alta velocidade, arrastando (ejetando) um fluxo de ar circundante que, junto com a geometria interna do bico secundário ou divergente, controla a expansão do escapamento do motor. Em velocidades subsônicas, o fluxo de ar restringe a exaustão a uma forma convergente. Quando a pós-combustão é selecionada e a aeronave acelera, os dois bicos dilatam, o que permite que o escapamento adquira uma forma convergente-divergente, acelerando os gases de escapamento além de Mach 1. Instalações de motor mais complexas usam um fluxo de ar terciário para reduzir a área de saída em baixas velocidades . As vantagens do bico ejetor são relativa simplicidade e confiabilidade nos casos em que as abas do bico secundário são posicionadas por forças de pressão. O bocal ejetor também pode usar o ar que foi ingerido pela admissão, mas não é exigido pelo motor. A quantidade deste ar varia significativamente em todo o envelope de vôo e os bicos ejetores são adequados para combinar o fluxo de ar entre o sistema de admissão e o motor. O uso eficiente desse ar no bocal era um requisito primordial para aeronaves que precisavam navegar com eficiência em altas velocidades supersônicas por períodos prolongados, daí seu uso no SR-71 , Concorde e XB-70 Valkyrie .
Um exemplo simples de bico ejetor é a cobertura cilíndrica de geometria fixa que envolve o bico de pós-combustão na instalação do J85 no T-38 Talon . Mais complexos foram os arranjos usados para as instalações J58 ( SR-71 ) e TF-30 ( F-111 ). Ambos usaram portas de sopro terciárias (abertas em velocidades mais baixas) e abas sobrepostas flutuantes para um bico final. Ambas as portas de abertura e os flaps do bocal final são posicionados por um equilíbrio de pressão interna do escapamento do motor e pressão externa do campo de fluxo da aeronave.
Nas primeiras instalações do J79 ( F-104 , F-4 , A-5 Vigilante ), a atuação do bico secundário foi mecanicamente ligada ao bico do pós-combustor. As instalações posteriores tiveram o bico final acionado mecanicamente separadamente do bico do pós-combustor. Isso proporcionou maior eficiência (melhor combinação da área de saída primária / secundária com o requisito de alto número de Mach) em Mach 2 ( B-58 Hustler ) e Mach 3 (XB-70).
Geometria variável convergente-divergente
As instalações de turbofan que não requerem um fluxo de ar secundário a ser bombeado pelo escapamento do motor usam o bico de CD de geometria variável. Esses motores não requerem o ar de resfriamento externo necessário para os turbojatos (carcaça do pós-combustor quente).
O bico divergente pode ser uma parte integrante da pétala do bico de pós-combustão, uma extensão angular após a garganta. As pétalas viajam ao longo de trilhas curvas e a translação axial e rotação simultânea aumentam a área da garganta para a pós-combustão, enquanto a porção posterior torna-se uma divergência com área de saída maior para expansão mais completa em velocidades mais altas. Um exemplo é o TF-30 ( F-14 ).
As pétalas primárias e secundárias podem ser articuladas e acionadas pelo mesmo mecanismo para fornecer controle da pós-combustão e expansão da razão de alta pressão do bico como no EJ200 ( Eurofighter ). Outros exemplos são encontrados no F-15 , F-16 , B-1B .
Características adicionais
Vetor de empuxo
Bicos para empuxo vetorial incluem geometria fixa Bristol Siddeley Pegasus e geometria variável F119 ( F-22 ).
Inversão de impulso
Os reversores de empuxo em alguns motores são incorporados ao próprio bico e são conhecidos como reversores de empuxo de destino. O bocal abre em duas metades que se juntam para redirecionar o escapamento parcialmente para a frente. Uma vez que a área do bico tem influência na operação do motor (veja abaixo ), o reversor implantado deve ser espaçado na distância correta do jetpipe para evitar mudanças nos limites de operação do motor. Exemplos de reversores de empuxo de alvo são encontrados no Fokker 100, Gulfstream IV e Dassault F7X.
Redutor de ruído
O ruído do jato pode ser reduzido adicionando recursos à saída do bico que aumentam a área de superfície do jato cilíndrico. Turbojatos comerciais e motores de by-pass iniciais normalmente dividem o jato em vários lóbulos. Os modernos turbofans de desvio alto têm serrilhas triangulares, chamadas divisas, que se projetam ligeiramente para o jato de propulsão.
Tópicos adicionais
A outra finalidade do bocal de propulsão
O bico, em virtude do ajuste da contrapressão, atua como um restritor a jusante do compressor e, assim, determina o que vai para a frente do motor. Ele compartilha essa função com o outro restritor a jusante, o bico da turbina. As áreas do bocal de propulsão e do bocal da turbina definem o fluxo de massa através do motor e a pressão máxima. Embora ambas as áreas sejam fixas em muitos motores (ou seja, aqueles com um bico de propulsão fixo simples), outros, principalmente aqueles com pós-combustão, têm um bico de propulsão de área variável. Esta variação de área é necessária para conter o efeito perturbador no motor das altas temperaturas de combustão no tubo de jato, embora a área também possa ser variada durante a operação sem pós-combustão para alterar o desempenho de bombeamento do compressor em configurações de empuxo mais baixas.
Por exemplo, se o injector de propulsão deviam ser removidos para converter um turbo-jacto num turboshaft , o papel desempenhado pela área de bocal é agora tomado pela área da turbina de energia palhetas guia bocal ou estatores.
Razões para a expansão excessiva do bocal de CD e exemplos
A superexpansão ocorre quando a área de saída é muito grande em relação ao tamanho da pós-combustão, ou bico primário. Isso ocorreu sob certas condições na instalação do J85 no T-38. O bico secundário ou final tinha uma geometria fixa dimensionada para o caso de pós-combustão máximo. Em configurações de empuxo sem pós-combustão, a área de saída era grande demais para o bico do motor fechado, causando expansão excessiva. Portas de flutuação livre foram adicionadas ao ejetor, permitindo que o ar secundário controle a expansão do jato primário.
Razões para subexpansão do bocal de CD e exemplos
Para expansão completa para a pressão ambiente e, portanto, empuxo ou eficiência máxima do bico, a razão de área necessária aumenta com o número Mach de voo. Se a divergência for muito curta, dando uma área de saída muito pequena, o escapamento não se expandirá para a pressão ambiente no bocal e haverá perda de potencial de empuxo. Com o aumento do número de Mach, pode chegar um ponto onde a área de saída do bocal é tão grande quanto o motor diâmetro da nacela ou diâmetro posterior da aeronave. Além desse ponto, o diâmetro do bico torna-se o maior diâmetro e começa a incorrer em um arrasto crescente. Os bicos são, portanto, limitados ao tamanho da instalação e a perda de empuxo incorrida é uma troca com outras considerações, como menor arrasto, menos peso.
Os exemplos são o F-16 em Mach 2.0 e o XB-70 em Mach 3.0.
Outra consideração pode estar relacionada ao fluxo de resfriamento do bico necessário. As abas ou pétalas divergentes devem ser isoladas da temperatura da chama do pós-combustor, que pode ser da ordem de 3.600 ° F (1.980 ° C), por uma camada de ar de resfriamento. Uma divergência mais longa significa mais área a ser resfriada. A perda de impulso da expansão incompleta é negociada contra os benefícios de menos fluxo de resfriamento. Isso se aplica ao bocal TF-30 no F-14A, onde a razão de área ideal em Mach 2,4 foi limitada a um valor inferior.
O que vale a pena adicionar uma seção divergente em termos reais?
Uma seção divergente fornece velocidade de escape adicional e, portanto, empuxo em velocidades de vôo supersônicas.
O efeito de adicionar uma seção divergente foi demonstrado com o primeiro bocal de CD da Pratt & Whitney. O bico convergente foi substituído por um bico CD no mesmo motor J57 da mesma aeronave F-101 . O impulso aumentado do bocal CD (2.000 lb, 910 kg na decolagem ao nível do mar) neste motor aumentou a velocidade de Mach 1.6 para quase 2.0, permitindo que a Força Aérea estabelecesse um recorde mundial de velocidade de 1.207,6 mph (1.943,4 km / h) que estava logo abaixo de Mach 2 para a temperatura naquele dia. O verdadeiro valor do bico de CD não foi percebido no F-101, pois a entrada não foi modificada para as velocidades mais altas atingíveis.
Outro exemplo foi a substituição de um convergente por um bocal de CD no YF-106 / P & W J75 quando não chegava a Mach 2. Junto com a introdução do bocal de CD, o injetor foi redesenhado. A USAF posteriormente estabeleceu um recorde mundial de velocidade com o F-106 de 1526 mph (Mach 2,43). Basicamente, uma seção divergente deve ser adicionada sempre que o fluxo for obstruído na seção convergente.
Controle da área do bico durante a operação a seco
Alguns motores a jato muito antigos que não eram equipados com pós-combustão, como o BMW 003 e o Jumo 004 (que tinha um design conhecido como Zwiebel [cebola selvagem] por sua forma), tinham um tampão de translação para variar a área do bico. O Jumo 004 tinha uma grande área de partida para evitar o superaquecimento da turbina e uma área menor para decolagem e vôo para dar maior velocidade de escape e empuxo. O Zwiebel do 004 possuía uma faixa de 40 cm (16 pol.) De deslocamento para frente / para trás para variar a área do bocal de escape, acionado por um mecanismo acionado por motor elétrico dentro da área divergente do corpo logo atrás da turbina de saída.
Os motores equipados com pós-combustão também podem abrir o bico para dar partida e em marcha lenta. O empuxo de marcha lenta é reduzido, o que reduz as velocidades de táxi e o desgaste do freio. Este recurso no motor J75 do F-106 foi chamado de 'Controle de Impulso de Marcha Lenta' e reduziu o empuxo de marcha lenta em 40%. Em porta-aviões, o empuxo de marcha lenta mais baixo reduz os riscos de explosão de jato.
Em algumas aplicações, como a instalação do J79 em várias aeronaves, durante os avanços rápidos do acelerador, a área do bocal pode ser impedida de fechar além de um certo ponto para permitir um aumento mais rápido em RPM e, portanto, um tempo mais rápido para o empuxo máximo.
No caso de um turbojato de 2 carretéis, como o Olympus 593 em Concorde , a área do bocal pode ser variada para permitir a obtenção simultânea da velocidade máxima do compressor de baixa pressão e da temperatura máxima de entrada da turbina ao longo da ampla faixa de temperaturas de entrada do motor que ocorre com velocidades de vôo de até Mach 2.
Em alguns turboventiladores aumentados, a linha de operação do ventilador é controlada com a área do bico durante a operação seca e úmida para trocar a margem de sobretensão excedente por mais empuxo.
Controle da área do bico durante a operação úmida
A área do bico é aumentada durante a operação de pós-combustão para limitar os efeitos a montante no motor. Para operar um turbofan para fornecer o máximo fluxo de ar (impulso), a área do bico pode ser controlada para manter a linha de operação do ventilador em sua posição ideal. Para que um turbojato dê impulso máximo, a área pode ser controlada para manter a temperatura de exaustão da turbina em seu limite.
O que acontece se o bico não abrir quando a pós-combustão for selecionada?
Nas primeiras instalações da pós-combustão, o piloto tinha que verificar o indicador de posição do bico após selecionar a pós-combustão. Se o bico não abrir por algum motivo, e o piloto não reagir cancelando a seleção do pós-combustor, controles típicos daquele período (por exemplo, o J47 no F-86L), podem causar superaquecimento e falha nas lâminas da turbina.
Outras aplicações
Algumas aeronaves, como o alemão Bf-109 e o Macchi C.202 / 205, foram equipadas com "exaustores do tipo ejetor". Esses escapamentos converteram parte da energia residual do fluxo de escapamento dos motores (de combustão interna) em uma pequena quantidade de impulso para a frente, acelerando os gases quentes na direção traseira a uma velocidade maior do que a da aeronave. Todas as configurações de exaustão fazem isso até certo ponto, desde que o vetor exaustão-ejeção seja oposto / diferente da direção do movimento da aeronave.
Escapamentos ejetor foram concebidos pelo Rolls-Royce limitada em 1937. Em 1944 de Havilland Hornet 's Rolls-Royce Merlin 130/131 motores a propulsão dos escapamentos multi-ejetor eram equivalentes a um 450bhp extra por motor na altura em aceleração máxima .