A EVOLUO DOS MOTORES NO CENTENRIO DA AVIAO

Gerson de Souza Carvalho Ricardo Oliveira Silva Cap QOEAV Mrcio Pinto Srgio 2 SBMA Rosinaldo Silva Alves Bonfim

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RESUMO

A evoluo das pesquisas no cenrio aeronutico levou construo de diversos motores a reao tais como: turbojato, estatojato, pulsojato, jato puro, turbofan, propfan os quais equipam aeronaves de todo o mundo. Esses propulsores admitem o ar atmosfrico em sua parte anterior e expelem os gases da combusto por sua parte posterior. Essa expulso gera uma grande fora de empuxo a qual perfeitamente explicada pela terceira lei de Newton, chegando a conduzir aeronaves em diversos regimes de velocidades, desde subsnicas at supersnicas; cumprindo, assim, com xito a funo qual foram propostos.

Palavras-chave: motor a reao; motor a jato; turbina; seo difusora; zona de combusto; escapamento; ao e reao; evoluo; gases; turbojato; estatojato; pulsojato; propfan.

Na histria da aviao sempre houve uma grande preocupao e uma busca incessante por meios que aperfeioassem o desempenho operacional das aeronaves. Com isso, surgem a cada dia, vrias pesquisas no cenrio aeronutico que objetivam a otimizao dos referidos meios. Neste cenrio se inserem: a) os grupos moto-propulsores, dos quais fazem partes os motores alternativos (movidos a pisto), que so empregados em aeronaves operando em baixas altitudes e com velocidades reduzidas; b) os motores-foguete, os quais utilizam o princpio de queima de combustvel sem a utilizao do ar atmosfrico e so empregados em artefatos blicos e aeronaves estratosfricas (nibus espaciais e foguetes etc.); e c) os motores de propulso a jato usados em aeronaves que operam em altitudes elevadas, cobrindo a lacuna entre os motores alternativos e os motores-foguete. Estes equipamentos so de fundamental importncia para o bom desempenho das aeronaves modernas e ser o foco principal desta obra (FIG. 1).

Este Gloster Meteor F-8 pertenceu ao Esq. pif-Paf (2/1 Gp.Av.Ca.). O padro de pintura chamado ovo estalado foi usado a partir de 1962 com algumas variaes.

FIGURA 1 Primeiro avio a jato usado pela FAB (Gloster Meteor F-8)

A idia de propulso a jato no to recente como pode parecer. Os princpios fsicos nos quais esto baseados os atuais motores a jato j haviam sido apresentados ao mundo h vrios sculos. Documentos antigos afirmam que no incio da Era Crist, Hero de Alexandria, grande filsofo da poca, apresentou um aparelho com o qual conseguia transformar a presso do vapor dgua em energia mecnica (energia cintica). Este aparelho, a eolpila de Hero (fig. 2), segundo a histria, provavelmente, tenha sido o primeiro a demonstrar o princpio da ao e reao, princpio fsico este que mais tarde passou a ttulo de Terceira Lei de Newton e que rege o princpio da propulso a jato.

FIGURA 2 Eolpila de Hero

Nas ltimas dcadas, os motores a reao vm sofrendo mudanas significativas a despeito de tecnologias que visam ao refinamento da aeronavegabilidade. Muitos, inclusive colegas da Fora, no tm a noo exata e correta da importncia desses propulsores que, na realidade, carregam o mais pesado que o ar. Este artigo ir abordar, de forma detalhada, esses propulsores e as partes que compem esse corao, que de vital importncia para as aeronaves de todo o mundo. Alguns motores a jato no possuem sequer uma pea mvel, no entanto carregam aeronaves a grandes distncias e em altas velocidades. Neste trabalho, sero mostradas as vrias peas integrantes dos propulsores turbojato, dentre elas a turbina, nica pea mvel destes motores, que capaz de transformar a energia cintica dos gases em propulso e, pela sua grande importncia funcional, referida por alguns como sendo o prprio motor. Voc conseguiria imaginar a FAB (Fora Area Brasileira) sem avies? Ento, na mesma proporo em que os avies esto para FAB, os motores esto para os avies. Com o passar dos anos, novas tecnologias foram surgindo dando lugar a novos propulsores mais complexos e mais econmicos. sobre essas magnficas mquinas que o artigo tratar.

1. Motor turbojato

Vamos iniciar falando sobre os motores turbojato, que tambm so conhecidos como motor a jato puro, pelo fato de sua fora propulsiva ser conseguida exclusivamente pelos gases expelidos, a alta velocidade, pelo tubo de escapamento. Este tipo de reator tem sua fora de propulso e funcionamento baseado na terceira lei de Newton: a toda ao corresponde uma reao igual e contrria. Assim, uma massa de ar admitida e direcionada para o interior de

um compressor, que ir aumentar a presso desta massa antes de a mesma ser submetida a uma expanso trmica, pela combusto, no interior de um compartimento fechado denominado de cmara de combusto (fig. 3). Concludas estas quatro fases (admisso, compresso, combusto e expanso), a massa de ar, agora dotada de grande velocidade em conseqncia da expanso (jato de ar quente), segue sua trajetria no sentido ntero-posterior em direo s turbinas e da para o tubo de escapamento, para concluir a quarta e ltima fase do ciclo do motor turbo jato: o escapamento. Contudo, antes do escapamento, a massa de ar quente (jato) dotada de energia cintica, ao passar pelas turbinas, transforma a energia cintica em mecnica, fazendo com que o conjunto de turbinas gire, movimentando todo o conjunto rotor, que formado apenas pelo compressor e turbina unidos por um eixo, os quais consistem nas nicas peas mveis do motor turbojato. Os motores turbojato desenvolvem boa fora propulsiva; porm, em baixa altitude e velocidade, consomem quantidade demasiada de combustvel. Muitos avies utilizaram estes motores, como por exemplo, os Caravelle e alguns modelos de LearJet. Hoje, na aviao comercial brasileira, no so mais usados. So motores muito barulhentos, devido ao choque do ar quente dos gases de escapamento com o ar frio da atmosfera. Em resumo, o funcionamento do motor turbojato consiste em admitir, comprimir e expandir uma massa de ar e fazer com que esta passe atravs de um conjunto de turbinas, momento em que ocorre a transformao de energia cintica (contida na massa de ar) em energia mecnica, fazendo com que o conjunto de turbinas adquira movimento de rotao, sendo este transferido a todo o conjunto rotor. Finalmente, a massa de ar direcionada ao tubo de escapamento, de onde expelida para a atmosfera em forma de jato, da o fato de tal tipo de motor ser denominado de turbojato.

FIGURA 3 Motor turbojato 2. Motor pulsojato

Dando prosseguimento, o foco ser dirigido sobre o propulsor pulsojato, tambm conhecido como motor intermitente, e veremos que constitudo por uma simples tubulao, alm do sistema de um sistema vlvulas controladoras, que so as nicas partes mveis do motor. Estas vlvulas ficam na parte dianteira do motor e so fechadas por molas. A abertura das vlvulas ocorre pela presso de impacto e pela reduo de presso, quando o motor se desloca. Para o motor iniciar o funcionamento, necessrio pr na cmara ar comprimido, que, misturado com o combustvel, formar a mistura. Inicialmente uma vela produz a centelha para queimar a mistura, depois o calor acumulado no duto responsvel pela queima. Quando ocorre a queima, as vlvulas so fechadas (pela presso dos gases queimados, que atuam em todas as direes). Durante o escapamento, a presso interna diminui, abrindo novamente as vlvulas e admitindo novamente o ar que ir misturar-se com o combustvel injetado continuamente (FIG. 4). Esse motor apresenta um ciclo pulsativo de aproximadamente 50 ciclos por segundo. Apesar do seu modo de funcionamento, a trao obtida praticamente contnua. Este motor apresenta consumo muito elevado e desregrado. Esse tipo de motor de reao direta foi empregado para impulsionar as bombas alems. (bombas V1 e V2 - letra V a inicial da palavra alem Vergeltungswaffe, que significa arma da vingana).

3. Motor estatojato

Na Frana, em 1938, o engenheiro francs Ren Leduc, apresentou pela primeira vez o motor que inicialmente recebeu o nome de stato-reator e que mais tarde foi denominado de REACCION POR PRESSION DINMICA, mas, nos Estados Unidos, recebeu outras denominaes, tais como: RAN-JET e ATHODYD (AERO THERMODYNAMIC DUCT). Diferentemente do motor pulsojato visto anteriormente, o motor estatojato (FIG. 5) no possui absolutamente nenhuma pea mvel em sua composio, o que justifica seu nome. O ATHODYD no possui seu funcionamento fundamentado na sucesso de ciclos e sim no ciclo aberto. Este motor basicamente tido como motor suplementar, pois no funciona quando estacionrio e necessrio estar animado de certa velocidade para que haja, em sua admisso, um fluxo de ar considervel para obter compresso pelo processo de difuso em sua seo difusora (cerca de 460 Km/h).

FIGURA 5 Motor estatojato

Estruturalmente falando, o stato-reator muito simples, pois representado por um verdadeiro tubo, tendo variaes de reas no seu interior (em determinadas regies). dividido basicamente em trs partes: seo difusora, cmara de combusto e conduto de escapamento. Na sua parte anterior (entrada de ar/admisso), possui um conduto interno que vai se afunilando de maneira idntica a um condutor convergente; em seguida, de maneira abrupta, esse conduto se transforma num tipo divergente. Esta regio recebe uma marcao como sendo seo difusora do motor. A seo difusora termina exatamente onde se inicia a chamada zona de combusto ou cmara de combusto do motor. Esta representada por uma pequena extenso de todo o conduto do motor e possui uma rea de escoamento mais ou menos constante. neste recinto que se processa a queima contnua da mistura ar/combustvel ali pulverizado. Na regio dos limites entre a seo difusora e a cmara de combusto, encontram-se instalados os bicos injetores ou pulverizadores de combustvel; e, imediatamente aps esses bicos, iremos encontrar uma pea que denominamos estabilizador de chamas, que, como o prprio nome j diz, tem a finalidade de estabilizar e uniformizar a chama contnua existente na cmara. Para que haja o acendimento do motor, tambm necessrio um dispositivo que produza fascas. Temos ento a vela de ignio que somente necessria na partida do motor, pois aps seu acendimento, a chama permanecer continuamente at que seja desligado o motor. Na regio onde termina a cmara de combusto, inicia-se o coletor de escapamento que bem dimensionado, com a finalidade de otimizar o barulho inconveniente na rea da descarga.

4. Motor Turbofan

Os motores tipo turbofan so atualmente os tipos de reatores mais usados na aviao comercial. So compostos de um motor turbojato, j apresentado anteriormente, interligados a uma espcie de ventoinha carenada de dimetro maior - fan (fig. 6). As ps desta ventoinha giram com velocidades da mesma ordem de grandeza que o motor (compressor-turbina) e produzem de 30 a 75% da fora de trao do motor. Com estas caractersticas, o motor turbofan capaz de impulsionar uma quantidade maior de massa gasosa do que um motor turbojato, uma vez que sua rea de admisso tambm maior. Apenas cerca de 20% da massa gasosa passa pelo interior do motor (compressor cmara de combusto turbina escapamento) queimada para produzir trao, o que minimiza o consumo de combustvel e o torna mais silencioso que os demais. Com relao ao fan, existem motores com ventoinhas dianteiras e traseiras. Nos de ventoinha dianteira, a massa gasosa pode ser expelida para o exterior ou pode passar por um conduto, derivao, que leva esta massa ao coletor de escapamento aumentando assim a eficincia propulsiva (relao existente entre a velocidade do ar de admisso e a velocidade da massa de ar que abandona o tubo de escapamento). A relao dos volumes das massas de ar (que passam pelo exterior/interior do motor) chamada de razo de derivao ou razo de by-pass. Na FAB este tipo de motor utilizado nas aeronaves Learjet 55 e HS 800.

5. Motor Propfan

Uma forma pesquisada para dar uma sobrevida aos avies dotados de motores antigos e ultrapassados para os modernos padres de rudo e consumo surgiu no incio dos anos 80 e visava, alm desta nova motorizao para estes avies j existentes, proporcionar o surgimento de avies especialmente projetados para este grupo propulsor, que tem um conceito misto entre o jato e o turbohlice. Nessa poca, a NASA iniciou pesquisas neste sentido e o estudo mais profcuo foi o realizado com a Hamilton-Standart (empresa fabricante de itens aeronuticos), que desenvolveu uma nova hlice, na forma de alfanje, mais larga e com corda maior, de estrutura composta (estrutura constituda de mais de um tipo de material que, juntos, conferem caractersticas especiais ao produto, as quais no existiam com tais materiais isoladamente) e bem leve

(fig. 7). Nas pesquisas, o sistema foi dotado de uma outra hlice igual, contrarotativa e, depois de registrado pela empresa como Prop-Fan, deu nome a estes tipos de motores.

FIGURA 7 Motor propfan

Para propelir um avio em velocidades entre o Mach 0.65 e 0.85, as lminas propfan experimentam velocidades locais do fluxo perto ou acima do Mach 1. A maioria dos projetos propfan experimenta nmeros de Mach (expresso relacionada velocidade do som Mach 1= 1224 Km/h) supersnico na ponta da lmina. Isto cria pequenas ondas de choque (ondas formadas pela grande velocidade de escoamento da massa de ar sobre superfcies aerodinmicas) na superfcie dessa lmina, que causam resistncia ao avano e o rudo maiores. A fim de minimizar esses efeitos, as lminas propfan compartilham das mesmas caractersticas do projeto que as superfcies de sustentao do aviosupersnico (avies que voam com velocidades acima de Mach 1).

Vrias empresas testaram essa tecnologia, entre elas a Rolls-Royce e a General Eletric, sendo que esta ltima, em parceria com a Boeing, utilizou-se de um 727-100, retirando os motores laterais normais da aeronave e instalando no lugar os UDF GE-36 (fig. 8), que permitiam, sem a existncia das caixas de engrenagens, operao em velocidades de at 0.85 Mach (1040 Km/h), com capacidade para reverso de passo (hlices de passo reverso so hlices cujas ps giram em torno do seu eixo, variando seu ngulo de ataque e, conseqentemente, variando sua fora de trao). O estudo mostrou que o consumo de combustvel era 20% menor que os melhores turbofans da poca.

FIGURA 8 Motor propfan UDF

Como foi mostrado neste artigo, motor a jato qualquer motor que acelere ou descarregue um jato ou fludo em rpido movimento para gerarimpulso, conforme explica a terceira lei de Newton (ao e reao). Esta definio inclui turbo-reatores, turbofans ou foguetes, embora seja geralmente referida com relao a uma turbina a gs, utilizada para produzir um jato de gases de exausto de alta velocidade, permitindo apropulso. Alm das diferenas anteriormente citadas entre os motores, existem diferenas de adequabilidades para os diferentes tipos de aeronaves que voam com diferentes velocidadescruzeiro (velocidade econmica / velocidade predominante durante o vo) e em diferentes altitudes. Alm da economia, a confiabilidade (o motor deve ser capaz de prover alta potncia de sada), a durabilidade (operar por longos perodos entre revises), a compactabilidade (grande potncia, pouco volume e baixo peso) e o fcil acesso para a manuteno, so fatores determinantes para a implantao dos motores nas aeronaves em geral e, principalmente na Fora Area. Foram vistos, tambm, tipos de propulsores utilizados nas diversas aeronaves que operam no mundo inteiro: pulsojato, estatojato, turbojato, turbofan e a mais recente tecnologia aplicada nos motores propfan - que tem sido um grande cone no tocante a motores modernos, uma vez que tornam o transporte mais agradvel por seu baixo rudo e, o que muito importante, seu consumo de combustvel significativamente menor.

REFERNCIAS

1. http://members.aol.com/sciszek/propfan.htm. Acesso em: 09/08/2006. 2. http://www.geocities.com/egnnews/tipomotores.htm. Acesso em: 09/08/2006. 3. Palharini, Marcos Jesus Aparecido, 1960. Motores a reao. 4.ed. (Rev.) So Paulo: ASA, 1999.

4. Soler, Newton Saintive. Aerodinmica de alta velocidade. 7.ed. So Paulo: ASA, 2002.