Aula 05 Propulsão

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Teoria de Voo II
Aula 05 – Propulsão
Prof. Ten Cel R1 Norival Floriano Júnior
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Propulsão
ROTEIRO
A – Introdução
B – Motores a Turbina 
C – Pós Combustão 
D – Regimes dos Motores Turbojato e Turbofan
E – Outros Tipos de Motores
F – Tração e Potência
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Propulsão
A - INTRODUÇÃO
		Desde a sua criação até meados da década de 40, os motores alternativos foram os únicos propulsores dos aviões.
		No entanto, à medida que a velocidade e o peso dos aviões crescia, eles foram se tornando muito pesados e volumosos e o conjunto de tração por hélices perdia sua eficiência.
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Propulsão
A - INTRODUÇÃO
		Com o desenvolvimento dos motores a reação, tornou-se uma questão de tempo a substituição por estes, mais simples e mais eficientes nas grandes velocidades.
		Os primeiros motores a reação foram os motores a turbina: turbojato, turboélice e o turbofan.
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Propulsão
A - INTRODUÇÃO
		O primeiro avião de transporte a jato foi o Cometa.
		Foi inicialmente um sucesso, pois era cerca de 150Kt mais rápido que o DC-6, o mais veloz avião de transporte da época.
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Propulsão
B – MOTORES A TURBINA
		A parte mecânica dos motores a turbina é extremamente simples: duas partes rotativas (compressor e turbina), e uma ou mais câmaras de combustão.
		Toda e qualquer propulsão é sempre baseada na terceira lei de Newton: “a toda ação corresponde uma reação de igual intensidade e sentido contrário”.
		Nos aviões, a hélice joga o ar para trás, e como reação este a empurra para frente, o mesmo ocorrendo com os motores a reação.
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Propulsão
B – MOTORES A TURBINA
		A principal diferença no desempenho da tração produzida pelos motores à hélice e os turbojatos é que:
		 Os motores a hélice produzem pequena aceleração numa grande massa de ar (devido ao grande diâmetro das hélices),
		enquanto os turbojatos produzem grande aceleração numa pequena massa de ar.
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Propulsão
B – MOTORES A TURBINA
		Os motores a pistão e a turbina são motores de combustão interna que possuem um ciclo semelhante:
		Admissão, compressão, combustão, expansão e escapamento.
		Em ambos os motores a eficiência do ciclo aumenta com o aumento da taxa de compressão, enquanto a tração/potência produzida aumenta com a vazão do ar.
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Propulsão
B – MOTORES A TURBINA
	O turbojato é o mais simples dos motores a turbina.
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Propulsão
B – MOTORES A TURBINA
		No turbojato, todo o ar admitido passa pelas câmaras de combustão, enquanto no turbofan, apenas parte do ar passa por estas, indo a maior parte por fora das câmaras.
		O ar que passa por dentro das câmaras de combustão e turbina é chamado ar primário, e aquele que passa pelos “fans” é o ar secundário.
		A razão entre as massas de ar secundário e primário é a taxa de derivação (bypass ratio).
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Propulsão
B – MOTORES A TURBINA
		Os primeiros turbofans tinham taxa de derivação da ordem de
								0,3:1
		Hoje esta taxa supera os valores de 
								6:1
		Temos, por exemplo, os motores GE 90 com taxa de derivação de 9:1, isso significa que a massa que passa por fora das câmaras de combustão é 9 vezes aquela que passa pelo interior da mesma.		
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Propulsão
B – MOTORES A TURBINA
		É evidente que os motores (a turbina ou não) devem produzir tração eficientemente, consumindo a menor quantidade de combustível e com o menor peso possível, sem comprometer a durabilidade.
		O consumo de combustível nos motores vêm caindo aceleradamente.
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Propulsão
B – MOTORES A TURBINA
		Um motor produzido na década de 70 tem consumo específico 35% menor que aqueles construídos em 60.
		Outro produzido na década de 80 tem consumo 10% menor do que os fabricados em 70.
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Propulsão
B - MOTORES A TURBINA
		Outra medida de eficiência do motor é o seu peso por libra de tração, ou peso específico do motor que se obtém dividindo o peso total pela tração desenvolvida.
		Avanços no desenvolvimento dos materiais, processos de fabricação e técnicas de projeto permitem que os motores atuais operem por mais tempo, com maiores temperaturas, pressões e rotação, e tudo isso com estruturas mais leves.
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Propulsão
B - MOTORES A TURBINA
		A redução dos pesos específicos dos motores construídos na década de 80 foi de 45% em relação aos motores da década de 60.
		Os motores dos anos 90 progrediram:
		- produzem tração 6 vezes maior que os motores da década de 60;
		- têm redução de 50% do peso específico (peso/tração) em relação aos de 60;
		- redução de consumo específico de 7% sobre os motores dos anos 80.
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Propulsão
B - MOTORES A TURBINA
		Novas especificações da década de 90 exigem que os motores mantenham pelo menos 75% da tração após a ingestão de:
		4 pássaros de 2,5 libras (aprox. 1,1 Kg); ou
		1 pássaro de 8 libras (aprox. 3,6 Kg)
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Propulsão
B - MOTORES A TURBINA
		O consumo específico de um motor é função de duas eficiências, a saber:
					- Eficiência Térmica
					- Eficiência Propulsiva	
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Propulsão
B - MOTORES A TURBINA
		A Eficiência Térmica mede a eficiência da conversão da energia química do combustível em energia mecânica, e
		depende, basicamente, da taxa de compressão desenvolvida pelo motor.
		Motores a turbina alcançam taxas de compressão superiores a 40, enquanto os motores a pistão chegam a 8.	
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Propulsão
B - MOTORES A TURBINA
		A Eficiência Propulsiva mede quão eficientemente o motor move o avião. 
É expressa pela fórmula:
		Onde 
	V2 = velocidade de saída dos gases de escapamento
	V1 = velocidade do avião
		Observe que a diferença entre V2 e V1 deve ser a menor possível, para produzir uma boa eficiência propulsiva. 
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Propulsão
C – PÓS COMBUSTÃO
		A pós combustão (after burning) é um método pelo qual a tração máxima do motor turbojato ou turbofan pode ser aumentada em 50% ou mais.
		Existem ocasiões em que é necessária uma tração maior que a tração máxima do motor, por períodos limitados, como na decolagem, na subida e, no caso de aviões militares, no regime de combate.
		
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Propulsão
C – PÓS COMBUSTÃO
		Não seria econômico instalar um motor com maior tração e assim penalizar o avião com área frontal, peso e volume maiores, somente para satisfazer uma necessidade temporária de tração extra.
		A solução nesse caso é a pós combustão.
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Propulsão
C – PÓS COMBUSTÃO
		Tal processo aproveita o fato de que apenas aproximadamente 25% do ar que passa por um turbojato ou 25% do ar primário de um turbofan é consumido pela combustão. Os 75% restantes são capazes de suportar uma combustão adicional se for fornecido mais combustível.
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Propulsão
C – PÓS COMBUSTÃO
		A característica fundamental da pós combustão é a sua simplicidade. Consiste em quatro partes:
		duto de pós combustão, queimador,
		suportes de chama e bocal de área variável.
		Quando o avião necessita de tração extra, liga-se a pós combustão, introduzindo-se, assim, o combustível, que é queimado com o oxigênio não consumido na combustão normal.		
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Propulsão
C – PÓS COMBUSTÃO
		Com o aumento de temperatura ocorre um aumento de velocidade dos gases, e, em consequência, um aumento de tração.	
		O aumento de tração pela pós combustão é função do aumento de temperatura absoluta após a queima do combustível extra.	
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Propulsão
D – REGIMES DOS MOTORES
TURBOFAN E TURBOJATO
			Todos os motores empregados em aviação são operados com diferentes regimes, que sãolimitações das rotações dos compressores/turbinas de baixa e alta pressão, das temperaturas dos gases de escapamento etc, para assegurar uma razoável vida útil para os mesmos.
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Propulsão
D – REGIMES DOS MOTORES
TURBOFAN E TURBOJATO
		Os regimes são os seguintes:
		a) Decolagem	: é o regime de tração máxima do motor. Ele só pode ser utilizado por 5 minutos.
		b) Arremetida: como a decolagem, é um regime de tração máxima, também limitado a 5 minutos.	
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Propulsão
D – REGIMES DOS MOTORES
TURBOFAN E TURBOJATO
		c) Máximo Contínuo: representa a maior tração para uso contínuo, e só deve ser usada em emergência, no caso da ultrapassagem dos 5 minutos de regime de decolagem ou arremetida, ou na perda de um motor.
		d) Máxima Subida: tração normalmente inferior à tração do regime máximo contínuo, e deve ser empregada para subida em rota, para subida em degrau (step climb) ou na aceleração para o regime de cruzeiro.
		e) Regime de Cruzeiro Máximo: é o limite superior para o cruzeiro normal em aviões modernos.		
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Propulsão
D – REGIMES DOS MOTORES
TURBOFAN E TURBOJATO
		Os fabricantes de aviões baseiam os diferentes regimes no limite absoluto da resistência da turbina, o chamado “limite da temperatura de entrada na turbina” - conhecido mais comumente como “ TIT ”.
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Propulsão
D – REGIMES DOS MOTORES
TURBOFAN E TURBOJATO
	
		Quanto maior a margem sobre o limite da TIT, maior a expectativa de vida do motor.
		O regime de decolagem se aproxima da TIT, mas é usado por pouco tempo (5 minutos), enquanto o regime de cruzeiro é empregado por longos períodos de tempo.
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Propulsão
D – REGIMES DOS MOTORES
TURBOFAN E TURBOJATO
			Quando o avião está leve, nem sempre é necessária a aplicação da tração máxima de decolagem.
			Nesse caso, é possível reduzir a tração de decolagem em até 25%, o que aumentará a vida útil e a confiabilidade do motor, aumentando a segurança de voo.		
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Propulsão
E – OUTROS TIPOS DE MOTORES
E.1 - Estatorreator
			
		É o mais simples dos motores a jato, pois não possui partes móveis.
		Constituído basicamente de um tubo aberto nas duas extremidades, com seções variáveis, com um queimador e suportes de chamas.
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Propulsão
E – OUTROS TIPOS DE MOTORES
E.1 - Estatorreator
			
		O estatorreator, não possuindo compressor, necessita atingir uma velocidade mínima para transformar a pressão dinâmica do ar em pressão estática.
		Atualmente esse motor é usado em mísseis. Nesses, para atingir a velocidade mínima para seu funcionamento, é empregado ou um motor foguete ou a queda de grande altura de uma avião.
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Propulsão
E – OUTROS TIPOS DE MOTORES
E.2 - Foguete
		A maior diferença entre o foguete e os demais motores, a reação ou alternativos, é que ele não utiliza o oxigênio do ar como comburente.
		A combustão nesse motor é feita com combustível e o oxigênio que ele tem armazenado.
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Propulsão
E – OUTROS TIPOS DE MOTORES
E.2 - Foguete
		A característica de consumir seu próprio oxigênio armazenado, permite o seu uso fora da atmosfera terrestre, e este tipo de motor equipou todas as naves espaciais que atingiram a Lua.
		Devido seu grande consumo de combustível e oxigênio, este tipo de motor só pode ser usado por períodos breves.
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Propulsão
E – OUTROS TIPOS DE MOTORES
E.3 – Turbo Estatorreator
		Como o estatorreator só pode operar em velocidades superiores a Mach 3, uma possível solução para esse tipo de motor poderá ser a combinação turbo-estatorreator.
		Este motor funcionaria como turbojato até cerca de Mach 3. Para velocidades superiores, a entrada dos compressores seria fechada e a seção de pós-combustão funcionaria como um motor estatorreator.
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Propulsão
F – TRAÇÃO OU POTÊNCIA
			Quando se descreve os aviões a pistão ou turboélice, a unidade para classificá-los é a potência, normalmente expressa em HP. 
			No entanto, os motores a reação têm sua capacidade medida em unidades de força: tração em libras, quilograma força, Newton e etc.
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Propulsão
F – TRAÇÃO OU POTÊNCIA
		Convém relembrar algumas noções da Física:
	“Potência é o trabalho produzido na unidade de tempo”
		Para haver o trabalho é necessário que exista o movimento, pois o “trabalho é igual ao produto da força pelo movimento.”
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Propulsão
F – TRAÇÃO OU POTÊNCIA
		Em funcionamento, os motores a pistão e os turboélices produzem um trabalho, que é movimentar a hélice num certo torque e numa certa rotação, o que produz uma potência.
		Portanto, mesmo com o avião estacionado, estes motores produzem potência, que é absorvida pela hélice, a qual, por sua vez, produz tração.
		
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Propulsão
F – TRAÇÃO OU POTÊNCIA
		Já os termos Potência e HP não são indicados para classificar os turbojatos/turbofans, porque tempo e distância nem sempre estão envolvidos com os mesmos.
		Quando um turbojato está freado com os motores funcionando, o elemento distância vale zero: não ocorre nenhum movimento e, portanto, nenhum trabalho que possa ser dividido por um intervalo de tempo para se obter a potência.
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Propulsão
F – TRAÇÃO OU POTÊNCIA
		Apesar de existir torque e rotação dentro do motor, a potência é inteiramente usada pelo motor (a turbina absorve potência para girar o compressor e acessórios).
		No entanto os motores estão produzindo tração, e tão logo os freios sejam liberados, o avião se deslocará.
		Assim que o avião adquirir velocidade, será possível calcular uma potência, pois aparecerão as grandezas tempo e distância.
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Propulsão
F – TRAÇÃO OU POTÊNCIA
		Os motores a jato são produtores de potência muito eficientes nas grandes velocidades mas, ineficientes nas baixas velocidades.
		Dessa forma, classificamos os jatos puros como produtores de tração, e os motores a pistão e turboélices como produtores de potência.
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Teoria de Voo II
Aula 05 – Propulsão
		Esta aula refere-se ao capítulo 6
Bibliografia: Aerodinâmica de Alta Velocidade
Autor: Nelson Soler Saintive
Editora: ASA – Edições e Artes Gráficas Ltda.
 São Paulo – SP
Prof. Ten Cel R1 Norival Floriano Junior
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