Motores de Aviões

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Motores a Reação
Paulo Henrique marques
Engenharia mecânica
Introdução
 
O homem sempre admirou o vôo suave dos pássaros, aquelas habilidades  e técnicas naturais herdadas de Deus, que sempre foram de causar inveja. Ao passar dos tempos alguns aventureiros tentaram de alguma forma imitar os seres  de asas, mas não obtiveram sucesso,  Leonardo da Vinci foi  uma figura que pesquisou  a  anatomia  dos pássaros, obteve informações do comportamento das asas em  relação  ao ar. Tempos depois tivemos  a colaboração  de  Alberto Santos Dumont,  que conseguiu voar  com seu 14-BIS,  aeronave  biplano, durante  alguns metros,  e   com isto fez   deslanchar  a aviação  mundial.   Com o  efeito  das   guerras,  a   indústria   aérea  teve  um  grande  impulso,  promovendo  estudos e  pesquisas para o aperfeiçoamento dessas máquinas maravilhosas.
Fundamentos físicos 
Sabemos que o principal obstáculo nas primeiras tentativas para colocar um avião no ar era o seu peso, uma força causada pela  gravidade, mas com alguns diferentes formatos na aerodinâmica dos corpos, conseguiu-se controlar este problema, de forma artesanal no início. Nos estudos e pesquisas feitos pelos cientistas das várias épocas, verificou-se que o ar, fluído que será responsável para sustentar uma aeronave em vôo é composto de alguns elementos, entre eles, nitrogênio, oxigênio e água, com isto podendo sofrer alterações em grandezas como a densidade, temperatura e pressão. Estas mudanças na atmosfera estão relacionadas entre as diferenças de temperatura e pressão entre as várias massas de ar que circulam, originando deslocamentos das camadas, dando início aos ventos, que poderão ser úteis ou desfavoráveis ao vôo. 
As grandezas vetoriais e escalares estão presentes neste assunto, sendo as forças, todas vetoriais, incluindo as velocidades, pressões e acelerações, já as escalares, compostas da massa, das temperaturas e densidades. Quando um avião tem o vento a seu favor, temos uma soma vetorial, ou vice-versa, com isto, os vetores são amplamente utilizados, originando todo tipo de resultantes, sejam elas verticais, como peso e sustentação, que será vista posteriormente no item das forças, ou horizontais, como a tração e a resistência do ar, quando o avião está em vôo com velocidade constante, a soma de todas as suas forças é nula. O empuxo, visto em hidrostática, também é bem utilizado, porém tendo como fluído, o ar, pois o deslocamento de ar para trás irá causar uma força para frente, então o empuxo, já relacionando com a 3º lei de newton, lei da ação e reação ( para toda força existe uma outra de mesma direção, mesmo módulo e sentido contrário). A temperatura é uma grandeza escalar muito importante, sendo muito variável, sabemos que quanto mais alto estivermos em relação ao nível do mar, menor será seu valor, o mesmo acontece com a densidade do ar, pois quanto maior a altitude, ficará mais rarefeito alterando nas forças relacionadas no vôo, pois altera diretamente a resistência do ar, quanto ao avanço de um corpo.   
 
 
 
Forças
 
Existem quatro forças básicas presentes no vôo:
 
SUSTENTAÇÃO , ARRASTO , TRAÇÃO , PESO
 
 
 
Motores a reação:
 
Este tipo de motor funciona de acordo com a terceira lei de newton, ação e reação, onde a ação se situa na expulsão dos gases para trás, provocando a reação do deslocamento do avião para frente. Os sistemas utilizados são os turbo-jato e turbo-fan, sendo este último mais moderno.
O sistema em si, utiliza-se de um conjunto de pás na parte da frente, formando o primeiro compressor e a parte de traz, segundo compressor da turbina, e no meio contendo uma câmara de combustão, onde se dará a queima da mistura de ar comprimido com o combustível, normalmente querosene, que aumentará ainda mais a pressão dos gases originando uma saída dos mesmos muito forte. Neste caso, está presente a força de empuxo devido ao deslocamento dos gases. Abaixo pode ser visto o correto funcionamento de uma turbina.
 
 
Conheça os principais tipos usados na aviação:
Motor Turbofan
O turbofan é um motor a reação utilizado em aeronaves projetadas especialmente para altas velocidades de cruzeiro. Possui um excelente desempenho em altitudes elevadas, entre 10 e 15 mil metros, apresentando velocidades na faixa de 700 km/h até 1.000 km/h.
Basicamente, neste tipo de projeto, o motor é constituído por um “fan” (ventilador ou ventoinha), que complementa o fluxo de ar gerado pelos compressores de baixa pressão e alta pressão.
Tipo mais moderno de motorização, foram evoluídos do turbojato de eixo duplo, basicamente aumentando o tamanho relativo do compressor de baixa pressão, até o ponto em que uma parte do ar passa pelo motor contornando o fluxo principal (bypass ratio) ao redor da câmara de combustão.
Esse ar pode tanto se expandir através de um bocal, independente do quanto seja misturado aos gases quentes que saem da turbina de baixa pressão, antes de se expandir através de um bocal comum. Apesar de gerarem um jato mais lento, os turbofans são mais silenciosos que seus turbojatos equivalentes.
São justamente muito apreciados na aviação civil, por serem relativamente pouco ruidosos. Atualmente, praticamente todos os motores que impulsionam os aviões comerciais a jato são turbofans. Entretanto, são menos utilizados em aeronaves militares, nas quais altas velocidades e baixo peso são necessários, ao passo que ruído e eficiência são menos importantes.
Os turbofans tem ainda uma eficiência térmica maior, que será explicada mais abaixo. Nele, o compressor de baixa pressão é frequentemente chamado de ventoinha. Os civis geralmente têm uma única, enquanto a maioria das versões militares apresentam múltiplas ventoinhas.
Motor Turbojato
O turbojato, ou turboreator, é o tipo mais simples e mais antigo de motor a jato para fins gerais. Como visto em outro post (link), dois engenheiros distintos, frank whittle, no reino unido, e hans von ohain, na alemanha, desenvolveram independentemente o conceito durante o final da década de 1930.
Em 27 de agosto de 1939, o heinkel he 178 se tornou o primeiro avião do mundo a voar sob a propulsão do turbojato, se transformando assim no primeiro avião a jato funcional.
Um motor turbojato é usado essencialmente na propulsão de aeronaves. Nele, o ar é introduzido no compressor giratório através da entrada e comprimido a uma pressão superior antes de entrar na câmara de combustão. O combustível é misturado com o ar comprimido e inflamado por uma faísca.
Este processo de combustão aumenta significativamente a temperatura do gás. Os produtos quentes da combustão que saem do combustor se expandem através da turbina, onde a potência é extraída para dirigir o compressor. O fluxo de gás saído da turbina se expande até à pressão ambiental através do bocal de propulsão, produzindo um jato de alta velocidade à saída do motor.
Motor pulso Jato
O motor pulso jato foi inventado por Karavodine, em 1908, e aperfeiçoado e patenteado pelo engenheiro alemão Paul Schmidt, em 1931. Após inúmeros testes e ajustes, em 1942 o motor, batizado de Schmidt-Argus, foi utilizado nos mísseis V-1, sendo o precursor dos atuais mísseis de cruzeiro.
O pulso jato funciona utilizando um processo de combustão em pulsos, ou combustão ressonante. O ciclo termodinâmico que mais se aproxima deste funcionamento é o chamado ciclo Lenoir: a combustão inicia com a admissão de ar através do difusor frontal, onde o ar se mistura com o combustível, que é injetado ou aspirado a partir do bico injetor.
A mistura ar-combustível é admitida pela válvula e introduzida na câmara de combustão e, em contato com a faísca elétrica da vela (ou com as paredes já aquecidas), a mistura entra em combustão.
Devido à combustão ocorre o aumento de pressão na câmara. Com isso, a válvula “margarida” se fecha, impedindo a entrada de ar. Os gases de combustão são então expelidos pelo tubo de escape,
fazendo surgir a força propulsora.
Os ciclos no pulso jato ocorrem numa frequência de combustão que depende exclusivamente de seu comprimento. Apresenta um consumo de combustível típico de 1,2 a 1,5 Kg/h por Kgf de empuxo, dependendo do combustível e do regime de voo. Quanto maior a frequência de combustão, mais elevado será o seu rendimento.
Os motores Argus dos mísseis V-1 apresentavam uma frequência da ordem de 40 Hz, enquanto que um pulso jato para aeromodelismo podem chegar a frequências de 200 Hz.
Motor Ramjet (Estato jato)
Os ramjets tentam explorar a elevada pressão da corrente de ar que se forma à frente da entrada de ar, devido à alta velocidade de voo. Uma entrada de ar bem projetada poderá se aproveitar da pressão de entrada para permitir a combustão do combustível e a expulsão dos gases resultantes.
A maioria dos ramjets operam em velocidades de voo supersônicas. Como precisam de alta velocidade de voo para poderem iniciar o seu funcionamento, é necessária a utilização de um motor secundário para levar a aeronave até uma velocidade crítica, na qual inicia o seu funcionamento.
Os ramjets geralmente não são capazes de gerar impulso útil com pressões geradas a velocidades aproximadamente da metade de velocidade de som, e são ineficientes até que a velocidade aerodinâmica exceda mil km/h.
Mesmo acima da velocidade mínima necessária, vários fatores podem determinar a eficiência do ramjet como, por exemplo, a altitude do voo.
 
Entre dois enormes pedaços de concreto na foto acima está o maior motor a jato do mundo, montado recentemente por engenheiros da General Electric.
Ele é o primeiro protótipo funcional do motor turbofan GE9X, que a GE colocará em testes em uma área próximo a peebles, no estado de ohio, EUA.
Você deve estar se perguntando quão grande é o maior motor do mundo. De acordo com a GE, “shaquille o’neil caberia dentro dele com kobe bryant sentado nos seus ombros”.
Mais ou menos assim?
Esta turbina será usada no avião boeing 777x, que ainda está em desenvolvimento pela fabricante. A previsão é que o modelo fique pronto até 2020.
Maiores fabricantes de motores a reação 
Os maiores fabricantes São Pratt & Whitney e General Electric nos Estados Unidos, e Rolls-Royce na Grã-Bretanha.
Seus preços variam u$$9.000.000 e u$$ 14.000.000
Referênçias
www.ebah.com.br/content/ABAAAfjwEAD/motor-a-reacao
https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_reação
www.if.ufrgs.br/
https://super.abril.com.br/tecnologia/supermotores-para-superavioes/