Turbojet - Turbojet

Diagrama de um motor a jato de turbina a gás típico
Frank Whittle
Hans von Ohain

O turbojato é um motor a jato que respira ar , normalmente usado em aeronaves. Consiste em uma turbina a gás com um bocal de propulsão . A turbina a gás possui uma entrada de ar, um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina (que aciona o compressor). O ar comprimido do compressor é aquecido pela queima de combustível na câmara de combustão e, em seguida, pode se expandir através da turbina. A exaustão da turbina é então expandida no bocal de propulsão, onde é acelerada a alta velocidade para fornecer empuxo. Dois engenheiros, Frank Whittle no Reino Unido e Hans von Ohain na Alemanha , desenvolveram o conceito de forma independente em motores práticos durante o final dos anos 1930.

Embora o turbojato tenha sido a primeira forma de usina de turbina a gás para a aviação, ele foi amplamente substituído em uso por outros desenvolvimentos do conceito original. Em operação, os turbojatos normalmente geram empuxo acelerando uma quantidade relativamente pequena de ar para velocidades supersônicas muito altas, enquanto os turbofans aceleram uma quantidade maior de ar para velocidades transônicas mais baixas. Turbojatos foram substituídos em aeronaves mais lentas por turboélices porque têm melhor consumo específico de combustível . Em velocidades médias a altas, onde a hélice não é mais eficiente, os turboélices foram substituídos por turbofans. Nessas velocidades transônicas, o turbofan é mais silencioso e tem melhor consumo de combustível específico de alcance do que o turbojato. Turbojatos podem ser altamente eficientes para aeronaves supersônicas .

Os turbojatos têm baixa eficiência em baixas velocidades do veículo, o que limita sua utilidade em veículos que não sejam aeronaves. Motores turbojato têm sido usados ​​em casos isolados para impulsionar veículos que não sejam aeronaves, normalmente para tentativas de recordes de velocidade em terra . Onde os veículos são "movidos a turbina", isso é mais comumente pelo uso de um motor turboeixo , um desenvolvimento do motor de turbina a gás em que uma turbina adicional é usada para acionar um eixo de saída giratório. Eles são comuns em helicópteros e hovercraft. Turbojatos foram usados ​​no Concorde e nas versões de longo alcance do TU-144, que precisavam passar um longo período viajando supersonicamente. Turbojatos ainda são comuns em mísseis de cruzeiro de médio alcance , devido à sua alta velocidade de exaustão, pequena área frontal e relativa simplicidade. Eles também ainda são usados ​​em alguns caças supersônicos como o MiG-25 , mas a maioria passa pouco tempo viajando supersonicamente e, portanto, usa turbofans e pós-combustores para aumentar a velocidade de exaustão para sprints supersônicos.

História

Patente alemã de Albert Fonó para motores a jato (janeiro de 1928). A terceira ilustração é um turbojato.
Heinkel He 178 , o primeiro avião do mundo a voar apenas a energia turbojet, usando um HeS 3 motor

A primeira patente para usar uma turbina a gás para mover uma aeronave foi registrada em 1921 pelo francês Maxime Guillaume . Seu motor seria um turbojato de fluxo axial, mas nunca foi construído, pois teria exigido avanços consideráveis ​​em relação ao estado da arte em compressores.

O motor Whittle W.2 / 700 voou no Gloster E.28 / 39 , a primeira aeronave britânica a voar com um motor turbojato, e o Gloster Meteor

Em 1928, o cadete do British RAF College Cranwell, Frank Whittle, apresentou formalmente suas idéias para um turbojato a seus superiores. Em outubro de 1929, ele desenvolveu ainda mais suas idéias. Em 16 de janeiro de 1930 na Inglaterra, Whittle apresentou sua primeira patente (concedida em 1932). A patente mostrou um compressor axial de dois estágios alimentando um compressor centrífugo de um lado . Compressores axiais práticos foram possibilitados por idéias de AA Griffith em um artigo seminal em 1926 ("An Aerodynamic Theory of Turbine Design"). Whittle mais tarde se concentraria apenas no compressor centrífugo mais simples, por uma variedade de razões práticas. Whittle teve o primeiro turbojato a funcionar, o Power Jets WU , em 12 de abril de 1937. Ele era movido a combustível líquido e incluía uma bomba de combustível independente. A equipe de Whittle quase entrou em pânico quando o motor não parou, acelerando mesmo depois que o combustível foi desligado. Descobriu-se que o combustível vazou para o motor e se acumulou em poças, de modo que o motor não pararia até que todo o combustível vazado fosse queimado. Whittle não conseguiu interessar o governo por sua invenção, e o desenvolvimento continuou em um ritmo lento.

Na Alemanha, Hans von Ohain patenteou um motor semelhante em 1935.

Em 27 de agosto de 1939, o Heinkel He 178 tornou-se a primeira aeronave do mundo a voar com turbojato, com o piloto de testes Erich Warsitz nos controles, tornando-se assim o primeiro avião a jato prático. O Gloster E.28 / 39 , (também conhecido como "Gloster Whittle", "Gloster Pioneer" ou "Gloster G.40") fez o primeiro voo com motor a jato britânico em 1941. Ele foi projetado para testar o Whittle motor a jato em vôo, levando ao desenvolvimento do Gloster Meteor.

As duas primeiras aeronaves turbojato operacionais, o Messerschmitt Me 262 e depois o Gloster Meteor , entraram em serviço em 1944, no final da Segunda Guerra Mundial .

O ar é puxado para o compressor rotativo através da entrada e é comprimido a uma pressão mais alta antes de entrar na câmara de combustão. O combustível é misturado ao ar comprimido e queima no combustor. Os produtos da combustão saem do combustor e se expandem pela turbina, de onde a energia é extraída para acionar o compressor. Os gases de saída da turbina ainda contêm energia considerável que é convertida no bocal de propulsão em um jato de alta velocidade.

Os primeiros motores a jato eram turbojatos, com compressor centrífugo (como no Heinkel HeS 3 ) ou compressores axiais (como no Junkers Jumo 004 ), que proporcionavam um motor com diâmetro menor, embora mais longo. Ao substituir a hélice usada nos motores a pistão por um jato de escape de alta velocidade, velocidades mais altas da aeronave eram atingidas.

Uma das últimas aplicações para um motor turbojato foi o Concorde, que usava o motor Olympus 593 . Durante o projeto, o turbojato foi considerado o ideal para cruzar com o dobro da velocidade do som, apesar da vantagem dos turbofans para velocidades mais baixas. Para o Concorde, menos combustível era necessário para produzir um determinado empuxo por uma milha a Mach 2.0 do que um turbofan moderno de alta derivação, como o General Electric CF6, em sua velocidade ideal de Mach 0,86.

Os motores turbojato tiveram um impacto significativo na aviação comercial . Além de oferecer velocidades de voo mais rápidas, os turbojatos tinham maior confiabilidade do que os motores a pistão, com alguns modelos demonstrando classificação de confiabilidade de despacho superior a 99,9%. As aeronaves comerciais pré-jato foram projetadas com até quatro motores, em parte devido a preocupações com falhas durante o vôo. Trajetos de voos no exterior foram traçados para manter os aviões dentro de uma hora de um campo de pouso, aumentando os voos. O aumento na confiabilidade que veio com o turbojato permitiu designs de três e dois motores e voos de longa distância mais diretos.

As ligas de alta temperatura eram uma saliência reversa , uma tecnologia-chave que arrastava o progresso dos motores a jato. Os motores a jato fora do Reino Unido construídos nas décadas de 1930 e 1940 tiveram que ser revisados ​​a cada 10 ou 20 horas devido a falhas de fluência e outros tipos de danos às pás. Os motores britânicos, no entanto, utilizaram ligas Nimonic que permitiram uso prolongado sem revisão, motores como o Rolls-Royce Welland e Rolls-Royce Derwent , e em 1949 o de Havilland Goblin , sendo testado por 500 horas sem manutenção. Foi só na década de 1950 que a tecnologia das superligas permitiu que outros países produzissem motores economicamente práticos.

Desenhos iniciais

Os primeiros turbojatos alemães tinham limitações severas na quantidade de operação que podiam fazer devido à falta de materiais adequados de alta temperatura para as turbinas. Os motores britânicos, como o Rolls-Royce Welland, usaram materiais melhores, proporcionando maior durabilidade. O Welland foi certificado por tipo por 80 horas inicialmente, depois estendido para 150 horas entre revisões, como resultado de uma corrida estendida de 500 horas sendo alcançada em testes. Apesar de sua alta manutenção, alguns dos primeiros caças a jato ainda estão operacionais com seus motores originais.

Motor turbojato J85-GE-17A da General Electric (1970)

A General Electric nos Estados Unidos estava em uma boa posição para entrar no negócio de motores a jato devido à sua experiência com os materiais de alta temperatura usados ​​em seus turboalimentadores durante a Segunda Guerra Mundial.

A injeção de água era um método comum usado para aumentar o empuxo, geralmente durante a decolagem, nos primeiros turbojatos que tinham o empuxo limitado pela temperatura permitida de entrada da turbina. A água aumentou o empuxo no limite de temperatura, mas impediu a combustão completa, muitas vezes deixando um rastro de fumaça muito visível.

As temperaturas de entrada da turbina permitidas aumentaram de forma constante ao longo do tempo, tanto com a introdução de ligas e revestimentos superiores, quanto com a introdução e eficácia progressiva dos projetos de resfriamento das pás. Nos primeiros motores, o limite de temperatura da turbina tinha que ser monitorado e evitado pelo piloto, normalmente durante a partida e nas configurações de empuxo máximo. A limitação automática de temperatura foi introduzida para reduzir a carga de trabalho do piloto e reduzir a probabilidade de danos à turbina devido ao excesso de temperatura.

Projeto

Uma animação de um compressor axial. As lâminas estacionárias são os estatores.
Animação turbojato
Diagrama esquemático mostrando a operação de um motor turbojato de fluxo centrífugo. O compressor é acionado pelo estágio da turbina e lança o ar para fora, exigindo que seja redirecionado paralelamente ao eixo de empuxo.
Diagrama esquemático mostrando a operação de um motor turbojato de fluxo axial. Aqui, o compressor é novamente acionado pela turbina, mas o fluxo de ar permanece paralelo ao eixo de impulso

Entrada de ar

Uma entrada, ou tubo, é necessária na frente do compressor para ajudar a direcionar o ar de entrada suavemente para as lâminas do compressor em movimento. Os motores mais antigos tinham palhetas estacionárias na frente das lâminas móveis. Essas pás também ajudaram a direcionar o ar para as lâminas. O ar que flui para um motor turbojato é sempre subsônico, independentemente da velocidade da própria aeronave.

A admissão deve fornecer ar ao motor com uma variação de pressão aceitavelmente pequena (conhecida como distorção) e tendo perdido o mínimo de energia possível no caminho (conhecida como recuperação de pressão). O aumento da pressão ram na entrada é a contribuição da entrada para a taxa de pressão geral do sistema de propulsão e eficiência térmica .

A entrada ganha destaque em altas velocidades ao gerar mais compressão que o estágio do compressor. Exemplos bem conhecidos são os sistemas de propulsão Concorde e Lockheed SR-71 Blackbird , onde a entrada e as contribuições do motor para a compressão total foram de 63% / 8% em Mach 2 e 54% / 17% em Mach 3+. As entradas variaram de "comprimento zero" na instalação do turbofan Pratt & Whitney TF33 no Lockheed C-141 Starlifter , às entradas gêmeas de 65 pés de comprimento no North American XB-70 Valkyrie , cada um alimentando três motores com um fluxo de ar de entrada de cerca de 800 lb / s.

Compressor

O compressor é acionado pela turbina. Ele gira em alta velocidade, adicionando energia ao fluxo de ar e ao mesmo tempo comprimindo (comprimindo) em um espaço menor. A compressão do ar aumenta sua pressão e temperatura. Quanto menor o compressor, mais rápido ele gira. Na grande extremidade do intervalo, o ventilador GE90-115B gira a cerca de 2.500 RPM, enquanto um pequeno compressor de motor de helicóptero gira em torno de 50.000 RPM.

Turbojatos fornecem ar de sangria do compressor para a aeronave para o sistema de controle ambiental , anticongelante e pressurização do tanque de combustível, por exemplo. O próprio motor precisa de ar em várias pressões e taxas de fluxo para mantê-lo funcionando. Esse ar vem do compressor e, sem ele, as turbinas superaqueceriam, o óleo lubrificante vazaria das cavidades dos mancais, os mancais de impulso do rotor patinariam ou ficariam sobrecarregados e gelo se formaria no cone do nariz. O ar do compressor, chamado de ar secundário, é usado para resfriamento da turbina, vedação da cavidade do mancal, anti-gelo e garantindo que a carga axial do rotor em seu mancal de impulso não o desgaste prematuramente. O fornecimento de ar de sangria para a aeronave diminui a eficiência do motor porque ele foi comprimido, mas não contribui para a produção de empuxo. O ar de sangria para serviços de aeronaves não é mais necessário no Boeing 787 com motor turbofan .

Os tipos de compressores usados ​​em turbojatos eram tipicamente axiais ou centrífugos. Os primeiros compressores turbojato tinham baixas taxas de pressão de até cerca de 5: 1. Melhorias aerodinâmicas, incluindo a divisão do compressor em duas partes giratórias separadas, incorporando ângulos de lâmina variáveis ​​para as palhetas-guia de entrada e estatores, e a purga de ar do compressor possibilitou que turbojatos posteriores tivessem taxas de pressão globais de 15: 1 ou mais. Para efeito de comparação, os motores turbofan civis modernos têm taxas de pressão gerais de 44: 1 ou mais. Depois de sair do compressor, o ar entra na câmara de combustão.

Câmara de combustão

O processo de queima no combustor é significativamente diferente daquele em um motor a pistão . Em um motor a pistão, os gases em combustão são confinados a um pequeno volume e, à medida que o combustível queima, a pressão aumenta. Em um turbojato, a mistura de ar e combustível queima no combustor e passa para a turbina em um processo de fluxo contínuo sem aumento de pressão. Em vez disso, ocorre uma pequena perda de pressão no combustor.

A mistura ar-combustível só pode queimar em ar de movimento lento, então uma área de fluxo reverso é mantida pelos bocais de combustível para a queima aproximadamente estequiométrica na zona primária. É introduzido mais ar comprimido que completa o processo de combustão e reduz a temperatura dos produtos de combustão a um nível que a turbina pode aceitar. Menos de 25% do ar é normalmente usado para combustão, pois uma mistura pobre geral é necessária para se manter dentro dos limites de temperatura da turbina.

Turbina

Lâminas diferentes são usadas nas rodas da turbina.

Os gases quentes que saem do combustor se expandem através da turbina. Os materiais típicos para turbinas incluem inconel e Nimonic . As palhetas e lâminas de turbina mais quentes em um motor têm passagens de resfriamento internas. O ar do compressor passa por eles para manter a temperatura do metal dentro dos limites. Os demais estágios não precisam de resfriamento.

No primeiro estágio, a turbina é em grande parte uma turbina de impulso (semelhante a uma roda Pelton ) e gira devido ao impacto da corrente de gás quente. Os estágios posteriores são dutos convergentes que aceleram o gás. A energia é transferida para o eixo por meio da troca de momento na forma oposta à transferência de energia no compressor. A potência desenvolvida pela turbina aciona o compressor e acessórios, como combustível, óleo e bombas hidráulicas, que são acionadas pela caixa de engrenagens de acessórios.

Bocal

Após a turbina, os gases se expandem através do bocal de exaustão, produzindo um jato de alta velocidade. Em um bocal convergente, o duto se estreita progressivamente até uma garganta. A taxa de pressão do bico em um turbojato é alta o suficiente em configurações de empuxo mais altas para fazer com que o bico engasgue.

Se, no entanto, um bico convergente-divergente de Laval for instalado, a seção divergente (área de fluxo crescente) permite que os gases atinjam a velocidade supersônica dentro da seção divergente. Impulso adicional é gerado pela maior velocidade de escape resultante.

Aumento de impulso

O empuxo foi mais comumente aumentado em turbojatos com injeção de água / metanol ou pós-combustão . Alguns motores usaram os dois ao mesmo tempo.

A injeção de líquido foi testada no Power Jets W.1 em 1941, inicialmente usando amônia antes de mudar para água e depois água-metanol. Um sistema para testar a técnica no Gloster E.28 / 39 foi desenvolvido, mas nunca adaptado.

Pós-combustão

Um pós-combustor ou "jetpipe de reaquecimento" é uma câmara de combustão adicionada para reaquecer os gases de exaustão da turbina. O consumo de combustível é muito alto, normalmente quatro vezes o do motor principal. Os pós-combustores são usados ​​quase exclusivamente em aeronaves supersônicas , sendo a maioria aeronaves militares. Dois aviões supersônicos, o Concorde e o Tu-144 , também usavam pós-combustores, assim como o Scaled Composites White Knight , um porta-aviões para a espaçonave experimental suborbital SpaceShipOne .

Reaquecimento foi vôo-testado em 1944 nas / 700 W.2 motores em um Gloster Meteor I .

Impulso da rede

O impulso líquido de um turbojato é dado por:

Onde:

é a taxa de fluxo de ar através do motor
é a taxa de fluxo de combustível que entra no motor
é a velocidade do jato (a pluma de exaustão) e é considerada menor que a velocidade sônica
é a verdadeira velocidade da aeronave
representa o impulso bruto do bocal
representa o arrasto de aríete da entrada

Se a velocidade do jato for igual à velocidade sônica, o bico está " bloqueado ". Se o bico estiver obstruído, a pressão no plano de saída do bico é maior do que a pressão atmosférica e termos extras devem ser adicionados à equação acima para contabilizar o empuxo de pressão.

A taxa de fluxo de combustível que entra no motor é muito pequena em comparação com a taxa de fluxo de ar. Se a contribuição de combustível para o empuxo bruto do bico for ignorada, o empuxo líquido é:

A velocidade do jato deve exceder a velocidade real da aeronave se houver um empuxo líquido para frente na estrutura da aeronave. A velocidade pode ser calculada termodinamicamente com base na expansão adiabática .

Melhorias de ciclo

A operação de um turbojato é modelada aproximadamente pelo ciclo de Brayton .

A eficiência de uma turbina a gás é aumentada aumentando a razão de pressão geral, exigindo materiais de compressor de alta temperatura e aumentando a temperatura de entrada da turbina, exigindo melhores materiais de turbina e / ou melhor resfriamento de palheta / lâmina. Também é aumentado reduzindo as perdas à medida que o fluxo progride da entrada para o bocal de propulsão. Essas perdas são quantificadas pelas eficiências do compressor e da turbina e pelas perdas de pressão dos dutos. Quando usado em uma aplicação de turbojato, onde a saída da turbina a gás é usada em um bico de propulsão, elevar a temperatura da turbina aumenta a velocidade do jato. Em velocidades subsônicas normais, isso reduz a eficiência propulsiva, dando uma perda geral, conforme refletido pelo maior consumo de combustível, ou SFC. No entanto, para aeronaves supersônicas, isso pode ser benéfico e é parte da razão pela qual o Concorde empregava turbojatos. Os sistemas turbojato são sistemas complexos, portanto, para garantir o funcionamento ideal de tal sistema, há uma chamada para os modelos mais novos sendo desenvolvidos para avançar seus sistemas de controle para implementar os mais novos conhecimentos das áreas de automação, a fim de aumentar sua segurança e eficácia.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Springer, Edwin H. (2001). Construindo um motor turbojato turbocompressor . Turbojet Technologies.


links externos