Turbojato

Turbojet

O turbojato é um motor a jato que respira ar , normalmente usado em aeronaves. Consiste em uma turbina a gás com um bico propulsor . A turbina a gás tem uma entrada de ar que inclui palhetas guia de entrada, 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 depois expandido através da turbina. A exaustão da turbina é então expandida no bocal de propulsão, onde é acelerada a alta velocidade para fornecer impulso. [1] Dois engenheiros, Frank Whittle no Reino Unido e Hans von Ohain emAlemanha , desenvolveu o conceito de forma independente em motores práticos durante o final da década de 1930.

Junkers Jumo 004 , o primeiro turbojato de produção em uso operacional
Diagrama de um motor a jato de turbina a gás típico
Frank Whittle
Hans von Ohain

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. Os turbojatos foram substituídos em aeronaves mais lentas por turboélices por apresentarem 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 da faixa do que o turbojato. Os turbojatos podem ser altamente eficientes para aeronaves supersônicas .

Os turbojatos têm baixa eficiência em baixas velocidades de veículos, o que limita sua utilidade em veículos que não sejam aeronaves. Os motores turbojato têm sido usados ​​em casos isolados para acionar veículos que não sejam aeronaves, normalmente para tentativas de recordes de velocidade em terra . Onde os veículos são "alimentados por turbina", isso é mais comumente pelo uso de um motor turboeixo , um desenvolvimento do motor de turbina a gás onde uma turbina adicional é usada para acionar um eixo de saída rotativo. Estes são comuns em helicópteros e hovercraft. Turbojatos foram usados ​​no Concorde e nas versões de longo alcance do TU-144, que foram obrigados a passar um longo período viajando supersônico. 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 gasta pouco tempo viajando supersônico e, portanto, emprega turbofans e pós-combustores para aumentar a velocidade de exaustão para sprints supersônicos.

História

Heinkel He 178 , a primeira aeronave do mundo a voar puramente em turbojato, usando um motor HeS 3

A primeira patente para o uso de uma turbina a gás para alimentar uma aeronave foi registrada em 1921 pelo francês Maxime Guillaume . [2] Seu motor era para ser um turbojato de fluxo axial, mas nunca foi construído, pois exigiria avanços consideráveis ​​sobre o estado da arte em compressores. [3]

O motor Whittle W.2 /700 voou no Gloster E.28/39 , o primeiro avião britânico a voar com um motor turbojato, e o Gloster Meteor

Em 1928, o cadete britânico da RAF College Cranwell [4] Frank Whittle apresentou formalmente suas idéias para um turbojato a seus superiores. Em outubro de 1929, ele desenvolveu ainda mais suas idéias. [5] Em 16 de janeiro de 1930 na Inglaterra, Whittle apresentou sua primeira patente (concedida em 1932). [6] A patente mostrou um compressor axial de dois estágios alimentando um compressor centrífugo de um lado . Compressores axiais práticos foram possíveis graças às ideias de AA Griffithem 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. Era movido a combustível líquido e incluía uma bomba de combustível autônoma. A equipe de Whittle quase entrou em pânico quando o motor não parava, acelerando mesmo depois que o combustível era desligado. Descobriu-se que o combustível vazou no motor e se acumulou em poças, de modo que o motor não parava até que todo o combustível vazado tivesse queimado. Whittle não conseguiu interessar o governo em sua invenção, e o desenvolvimento continuou em ritmo lento.

Na Alemanha, Hans von Ohain patenteou um motor similar em 1935. [7]

Em 27 de agosto de 1939, o Heinkel He 178 tornou-se a primeira aeronave do mundo a voar sob turbojato, com o piloto de testes Erich Warsitz nos controles, [8] 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 vôo britânico com motor a jato em 1941. Ele foi projetado para testar o Whittle motor a jato em vôo, levando ao desenvolvimento do Gloster Meteor. [9]

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 . [10] [11]

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 com o ar comprimido e queima no combustor. Os produtos da combustão saem do combustor e se expandem através da turbina onde a energia é extraída para acionar o compressor. Os gases de saída da turbina ainda contêm uma energia considerável que é convertida no bico propulsor em um jato de alta velocidade.

The first jet engines were turbojets, with either a centrifugal compressor (as in the Heinkel HeS 3), or axial compressors (as in the Junkers Jumo 004) which gave a smaller diameter, although longer, engine. By replacing the propeller used on piston engines with a high speed jet of exhaust, higher aircraft speeds were attainable.

One of the last applications for a turbojet engine was Concorde which used the Olympus 593 engine. During the design the turbojet was found to be the optimum for cruising at twice the speed of sound despite the advantage of turbofans for lower speeds. For Concorde, less fuel was required to produce a given thrust for a given distance at Mach 2.0 than a modern high-bypass turbofan such as General Electric CF6 at its Mach 0.86 optimum speed.[12]

Os motores turbojato tiveram um impacto significativo na aviação comercial . Além de proporcionar velocidades de voo mais rápidas, os turbojatos tiveram maior confiabilidade do que os motores a pistão, com alguns modelos demonstrando uma 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 em voo. As trajetórias de voo no exterior foram traçadas para manter os aviões dentro de uma hora de um campo de pouso, prolongando os voos. O aumento da confiabilidade que veio com o turbojato permitiu projetos de três e dois motores e mais voos diretos de longa distância. [13]

As ligas de alta temperatura eram uma saliência reversa , uma tecnologia chave que arrastou o progresso nos motores a jato. Motores a jato não-britânicos 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 lâminas. Os motores britânicos, no entanto, utilizavam ligas Nimonic que permitiam uso prolongado sem revisão, motores como o Rolls-Royce Welland e Rolls-Royce Derwent , [14] e em 1949 o de Havilland Goblin , sendo testados por 500 horas sem manutenção. [15] Não foi até a década de 1950 que a superligaA tecnologia permitiu que outros países produzissem motores economicamente práticos. [16]

Projetos iniciais

Os primeiros turbojatos alemães tinham severas limitações na quantidade de funcionamento que podiam fazer devido à falta de materiais adequados de alta temperatura para as turbinas. Motores britânicos, como o Rolls-Royce Welland , usavam materiais melhores, proporcionando maior durabilidade. O Welland foi certificado por 80 horas inicialmente, depois estendido para 150 horas entre revisões, como resultado de uma operação estendida de 500 horas alcançada nos testes. [17] 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 turbocompressores durante a Segunda Guerra Mundial. [18]

A injeção de água era um método comum usado para aumentar o empuxo, geralmente durante a decolagem, nos primeiros turbojatos que eram limitados pelo empuxo por sua temperatura de entrada na turbina permitida. 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 permitidas de entrada na turbina aumentaram constantemente ao longo do tempo, tanto com a introdução de ligas e revestimentos superiores, quanto com a introdução e a 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 de turbojato
Diagrama esquemático mostrando o funcionamento de um motor turbojato de fluxo centrífugo. O compressor é acionado pelo estágio da turbina e lança o ar para fora, exigindo que ele seja redirecionado paralelamente ao eixo de empuxo.
Diagrama esquemático mostrando o funcionamento 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 empuxo

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 rotativas do compressor. Motores mais antigos tinham palhetas estacionárias na frente das lâminas móveis. Essas palhetas 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 perdendo o mínimo de energia possível no caminho (conhecida como recuperação de pressão). O aumento da pressão do pistão na entrada é a contribuição da entrada para a relação de pressão geral e eficiência térmica do sistema de propulsão .

A admissão ganha destaque em altas velocidades quando gera mais compressão que o estágio compressor. Exemplos bem conhecidos são os sistemas de propulsão Concorde e Lockheed SR-71 Blackbird , onde as contribuições de admissão e motor para a compressão total foram de 63%/8% [19] em Mach 2 e 54%/17% [20] em Mach 3+ . As entradas variaram de "comprimento zero" [21] na instalação do turbofan Pratt & Whitney TF33 no Lockheed C-141 Starlifter , até as entradas gêmeas de 65 pés (20 m) de comprimento no XB-70 Valkyrie norte-americano , cada alimentando três motores com um fluxo de ar de admissão de cerca de 800 libras por segundo (360 kg/s).

Compressor

O compressor é acionado pela turbina. Ele gira em alta velocidade, adicionando energia ao fluxo de ar e, ao mesmo tempo, espremendo-o (comprimindo-o) em um espaço menor. A compressão do ar aumenta sua pressão e temperatura. Quanto menor o compressor, mais rápido ele gira. Na extremidade maior da faixa, 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.

Os turbojatos fornecem ar de sangria do compressor para a aeronave para a operação de vários subsistemas. Exemplos incluem o sistema de controle ambiental , anti-gelo, e pressurização do tanque de combustível. O próprio motor precisa de ar em várias pressões e taxas de fluxo para mantê-lo funcionando. Este ar vem do compressor e, sem ele, as turbinas superaqueceriam, o óleo lubrificante vazaria das cavidades dos mancais, os mancais de impulso do rotor derrapariam ou ficariam sobrecarregados e o 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, antigelo e garantindo que a carga axial do rotor em seu mancal de encosto não o desgaste prematuramente. O fornecimento de ar de sangria para a aeronave diminui a eficiência do motor porque foi comprimido, mas não contribui para a produção de empuxo.

Os tipos de compressores usados ​​em turbojatos eram tipicamente axiais ou centrífugos. Os primeiros compressores turbojato tinham baixas taxas de pressão até cerca de 5:1. Melhorias aerodinâmicas, incluindo a divisão do compressor em duas partes rotativas separadas, incorporando ângulos de lâmina variáveis ​​para palhetas e estatores de guia de entrada, e purga de ar do compressor permitiram que os turbojatos posteriores tivessem taxas de pressão gerais de 15:1 ou mais. Para 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

The burning process in the combustor is significantly different from that in a piston engine. In a piston engine, the burning gases are confined to a small volume, and as the fuel burns, the pressure increases. In a turbojet, the air and fuel mixture burn in the combustor and pass through to the turbine in a continuous flowing process with no pressure build-up. Instead, a small pressure loss occurs in the combustor.

A mistura ar-combustível só pode queimar em ar de movimento lento, de modo que uma área de fluxo reverso é mantida pelos bicos de combustível para a queima aproximadamente estequiométrica na zona primária. Mais ar comprimido é introduzido, o 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

Diferentes lâminas são usadas em rodas de turbina.

Os gases quentes que saem do combustor se expandem através da turbina. Materiais típicos para turbinas incluem inconel e Nimonic . [22] As pás e palhetas de turbina mais quentes em um motor têm passagens internas de resfriamento. 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 do fluxo de gás quente. Os estágios posteriores são dutos convergentes que aceleram o gás. A energia é transferida para o eixo através da troca de momento de forma oposta à transferência de energia no compressor. A potência desenvolvida pela turbina aciona o compressor e acessórios, como bombas de combustível, óleo e hidráulicas que são acionadas pela caixa 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, for instalado um bocal de Laval convergente-divergente , a seção divergente (área de fluxo crescente) permite que os gases atinjam velocidade supersônica dentro da seção divergente. Empuxo adicional é gerado pela maior velocidade de exaustão resultante.

Aumento de impulso

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

A injeção de líquido foi testada nos 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 concebido, mas nunca instalado. [23]

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 maior que o do motor principal. Os pós-combustores são usados ​​quase exclusivamente em aeronaves supersônicas , sendo a maioria aeronaves militares. Dois aviões supersônicos, Concorde e Tu-144 , também usaram pós-combustores, assim como Scaled Composites White Knight , um avião transportador para a espaçonave suborbital experimental SpaceShipOne .

O reaquecimento foi testado em voo em 1944 nos motores W.2/700 em um Gloster Meteor I . [24]

Empuxo líquido

O impulso líquido F_{N}\;de um turbojato é dado por: [25] [26]

F_{N}=({\dot {m}}_{air}+{\dot {m}}_{f})V_{j}-{\dot {m}}_{air}V

Onde:

{\dot {m}}_{air} é a taxa de fluxo de ar através do motor
{\dot {m}}_{f} é a taxa de fluxo de combustível que entra no motor
V_{j}\; é a velocidade do jato (a pluma de exaustão) e é considerada menor que a velocidade sônica
V\; é a velocidade real da aeronave
({\dot {m}}_{air}+{\dot {m}}_{f})V_{j} representa o empuxo bruto do bocal
{\dot {m}}_{air}V representa o arrasto de ram da entrada

Se a velocidade do jato for igual à velocidade sônica , diz-se que o bocal está " engasgado ". Se o bocal estiver bloqueado, a pressão no plano de saída do bocal é maior que a pressão atmosférica, e termos extras devem ser adicionados à equação acima para levar em conta o empuxo de pressão. [27]

A taxa de fluxo de combustível que entra no motor é muito pequena em comparação com a taxa de fluxo de ar. [25] Se a contribuição do combustível para o empuxo bruto do bocal for ignorada, o empuxo líquido é:

F_{N}={\dot {m}}_{air}(V_{j}-V)

A velocidade do jato V_{j}\;deve exceder a velocidade real da aeronave V\;se houver um empuxo líquido para a frente na fuselagem. A velocidade V_{j}\;pode ser calculado termodinamicamente com base na expansão adiabática . [28]

Melhorias no ciclo

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

A eficiência de uma turbina a gás é aumentada aumentando a razão geral de pressão, exigindo materiais de compressor de temperatura mais alta e aumentando a temperatura de entrada da turbina, exigindo melhores materiais de turbina e/ou resfriamento de palhetas/pás aprimorado. Também é aumentado reduzindo as perdas à medida que o fluxo progride da entrada para o bocal propulsor. 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 bocal de propulsão, o aumento da 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. [29]No entanto, para aeronaves supersônicas, isso pode ser benéfico e é parte da razão pela qual o Concorde empregou turbojatos. Os sistemas Turbojet são sistemas complexos, portanto, para garantir o funcionamento ideal de tal sistema, há uma chamada para os modelos mais recentes que estão sendo desenvolvidos para avançar seus sistemas de controle para implementar os mais novos conhecimentos das áreas de automação, aumentando sua segurança e eficácia. [30]

Veja também

Referências

  1. ^ "Motor turbojato" . Centro de Pesquisa Glenn da NASA . Recuperado em 6 de maio de 2009 .
  2. ^ Maxime Guillaume,"Propulseur par réaction sur l'air," French patent FR 534801  (filed: 3 May 1921; issued: 13 January 1922)
  3. ^ Ellis, Guy (15 February 2016). Britain's Jet Age: From the Meteor to the Sea Vixen. Amberley. ISBN 978-1-44564901-6.
  4. ^ "Chasing the Sun – Frank Whittle". PBS. Retrieved 26 March 2010.
  5. ^ "History – Frank Whittle (1907–1996)". BBC. Retrieved 26 March 2010.
  6. ^ Frank Whittle, Improvements relating to the propulsion of aircraft and other vehicles, British patent no. 347,206 (filed: 16 January 1930).
  7. ^ Experimental e protótipo de caças a jato da Força Aérea dos EUA, Jenkins & Landis, 2008
  8. Warsitz, Lutz 2009 The First Jet Pilot – The Story of German Test Pilot Erich Warsitz , Pen and Sword Books, England, ISBN 978-1-84415-818-8 , p. 125. 
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    • Universidade Técnica de Košice, Departamento de Cibernética e Inteligência Artificial, Košice, Eslováquia ** Universidade Técnica de Košice, Departamento de Estudos Ambientais e Engenharia da Informação, Košice,))

Leitura adicional

  • Springer, Edwin H. (2001). Construindo um motor turbojato turbo . Tecnologias Turbojet.


links externos