01Teoria Construção de Motores

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CAPÍTULO 1 TEORIA E CONSTRUÇÃO DE MOTORES DE AERONAVES INTRODUÇÃO

Para que uma aeronave permaneça em vôo e com velocidade constante, deve existir um empuxo igual e em direção oposta ao arrasto aerodinâmico dessa aeronave. Esse empuxo ou força propulsora é fornecida por um motor térmico adequado.

Todos os motores térmicos têm em comum a capacidade de converter energia calorífica em energia mecânica, por meio do fluxo de uma massa de fluido através desse motor. Em todos os casos, a energia calorífica é liberada em uma posição (um ponto) do ciclo onde a pressão é alta em relação à pressão atmosférica.

Esses motores são usualmente divididos em grupos ou tipos dependendo de:

(1) do fluido de trabalho utilizado no ciclo do motor; (2) dos meios pelos quais a energia mecânica é transformada em força de propulsão; e

(3) do método de compressão do fluido de trabalho do motor.

Os tipos de motores estão ilustrados nas figura 1-1.

Figura 1-1 Tipos de motores.

A força de propulsão é obtida através do deslocamento de um fluido de trabalho (não necessariamente o mesmo fluido utilizado dentro do motor) na direção oposta àquela na qual a aeronave é propelida.

Isso é uma aplicação da terceira lei de

Newton. O ar é o principal fluido utilizado para propulsão em todos os tipos de motores exceto foguetes, nos quais apenas sub-produtos da combustão são acelerados e deslocados.

As hélices de uma aeronave equipada com motores turboélices aceleram uma grande massa de ar através de uma pequena mudança de velocidade. O fluido (ar) utilizado para a força de propulsão, é em diferente quantidade daquela utilizada no motor para produzir energia mecânica.

Turbojatos, estatojatos e pulsojatos aceleram uma menor quantidade de ar através de uma maior mudança de velocidade. Eles utilizam para a força de propulsão, o mesmo fluido de trabalho utilizado dentro dos motores.

Um foguete transporta seu próprio oxidante ao invés de utilizar ar ambiente para combustão. Ele descarrega os sub-produtos gasosos de combustão através do bocal de escapamento, a uma velocidade extremamente alta.

Além disso, os motores são caracterizados por comprimir o fluido de trabalho antes da adição de calor, os métodos são caracterizados por comprimir o fluido de trabalho antes da adição de calor.

São estes os métodos básicos de compressão:

(1) compressor à turbina (motor à turbina). (2) descolamento positivo, compressor tipo pistão (motor alternativo). (3) ar de impacto devido à velocidade de vôo (estatoreator).

(4) aumento da pressão devido à combustão (pulsojato e foguete).

Uma descrição específica dos principais tipos de motores utilizados na aviação comercial é dada adiante, nesse capítulo.

Além das diferenças nos métodos empregados pelos diversos tipos de motores para produzir empuxo, existem diferenças em sua adequabilidade para diferentes tipos de aeronaves. A discussão seguinte assinala algumas das importantes características que determinam sua adequabilidade.

Exigências gerais

Todos os motores devem obedecer as exigências gerais de eficiência, economia e confiabilidade. Além de econômico quanto ao consumo de combustível, um motor deve ser econômico quanto ao custo de sua obtenção original e quanto ao custo de manutenção, e tem que atender às exigências rigorosas da razão de eficiência e baixo peso de unidade por potência.

O motor deve ser capaz de prover alta potência de saída sem sacrifício da confiabilidade, e deve ter durabilidade para operar por longos períodos entre revisões. É necessário que o motor seja tão compacto quanto possível, apesar do fácil acesso para manutenção.

É requerido que ele seja tão livre de vibrações quanto possível, e que possa cobrir um largo alcance de potência de saída a várias velocidades e altitudes.

Essas exigências ditam o uso dos sistemas de ignição que irão entregar o impulso elétrico para as velas ou ignitores no tempo exato, em qualquer condição de tempo, mesmo adversa. Dispositivos medidores são necessários para entregar combustível na proporção correta para o ar ingerido pelo motor, independente da altitude ou condições de tempo nas quais o motor está sendo operado.

O motor precisa de um tipo de sistema de óleo, que seja fornecido sob pressão adequada para todas as peças móveis, quando ele estiver em funcionamento. Ele deve, também, ter um sistema para amortecer as vibrações, quando estiver operando.

Potência e Peso

O rendimento útil de todo motor de aeronave é o empuxo, a força que impele a aeronave. Sendo a potência do motor alternativo medida em BHP (cavalo força ao freio), e a potência do motor de turbina a gás medida em libras de empuxo, não pode ser feita uma comparação direta.

Contudo, uma vez que a combinação motor alternativo/hélice recebe o empuxo da hélice, a comparação pode ser feita convertendo o cavalo força, desenvolvido pelo motor alternativo, para empuxo.

Se desejado, o empuxo de um motor de turbina a gás pode ser convertido em THP (cavalo força de empuxo). Porém, é necessário considerar a velocidade da aeronave. Essa conversão pode ser feita através da fórmula:

MPHlbs MPHVelocidadeEmpuxoTHP −×= 375

O valor 375 libras-milha por hora é tirado da fórmula básica de cavalo-força abaixo. 1hp = 3.0 lb. pé por minuto 3.0 x 60 = 1.980.0 lBb. pé por hora.

5280

Um cavalo-força é igual a 3.0 lb pé por minuto ou 375 libras-milha por hora. Sob condições estáticas, o valor do empuxo é equivalente a aproximadamente 2,6 libras por hora.

Se uma turbina a gás está produzindo 4.0 libras de empuxo, e a aeronave na qual o motor está instalado está voando a 500 m.p.h., o THP será:

É necessário calcular o cavalo-força para cada velocidade de uma aeronave, uma vez que o cavalo-força varia com a velocidade. Portanto, não é prático tentar comparar o rendimento de motor à turbina na base de cavalo força.

O motor de aeronave opera a uma percentagem relativamente alta de sua potência máxima durante sua vida em serviço. Durante uma decolagem, o motor está sempre em potência máxima. Ele pode manter essa potência por um

período, até o limite estabelecido pelo fabricante.

Raramente um motor é mantido à pontência máxima por mais de 2 minutos, e usualmente nem atinge esse tempo. Poucos segundos após a decolagem, a potência é reduzida para aquela utilizada durante a subida, e que pode ser mantida por longos períodos. Após a aeronave atingir a altitude de cruzeiro, a potência do(s) motor(es) é reduzida para a potência de cruzeiro, a qual pode ser mantida, enquanto durar o vôo.

Se o peso de um motor por B.H.P. (chamado peso específico do motor) diminui, a carga útil que uma aeronave pode transportar, e a performance da aeronave, obviamente aumentam. Cada libra a mais no peso do motor de uma aeronave reduz o seu desempenho. Enormes ganhos, reduzindo o peso de motores de aeronaves através de melhoria de projetos e metalurgia, têm resultado em motores alternativos, produzindo, atualmente, 1hp por cada libra de peso.

Economia de combustível

O parâmetro básico para descrever a economia de combustível de motores aeronáuticos é, geralmente, o consumo específico. O consumo específico de combustível para turbojatos e estatojatos é o fluxo de combustível (Lbs.h) dividido pelo empuxo (Lbs); e para motores alternativos o fluxo de combustível (Lbs.h) dividido pelo B.H.P. São denominados: "consumo específico por unidade de empuxo" e "consumo específico por B.H.P.”, respectivamente.

O consumo específico equivalente é utilizado para motores turboélices, e é o fluxo em libras por hora dividido pela equivalente potência no eixo. Comparações podem ser feitas entre os diversos motores com relação à base de consumo específico.

À baixa velocidade, os motores alternativos e turboélices têm melhor economia que os motores turbojatos.

Contudo, à alta velocidade, devido a perdas na eficiência da hélice, a eficiência dos motores alternativos ou turboélices torna-se menor que a dos turbojatos.

A figura 1-2 mostra uma comparação dos consumos específicos de empuxo médio de três tipos de motores à potência homologada, ao nível do mar.

Figura 1-2 Comparação do consumo específico de três tipos de motores, à potência homologada, ao nível do mar.

Durabilidade e Confiabilidade

Durabilidade e confiabilidade são geralmente considerados fatores idênticos, uma vez que é difícil mencionar um sem incluir o outro. Um motor de aeronave é confiável quando pode manter seu desempenho dentro de uma classificação específica, em variações amplas de atitudes de vôo, sob condições atmosféricas extremas. Padrões de confiabilidade de motores devem satisfazer as exigências da autoridade aeronáutica, do seu fabricante e do fabricante do seu produto através do projeto, pesquisa e teste. Um rígido controle de fabricação e de procedimentos de montagem é mantido, e cada motor é testado antes de sair da fábrica.

Durabilidade é o tempo de vida do motor, enquanto mantém a confiabilidade desejada. O fato de um motor ter completado com sucesso seu ensaio de carga estática, indica que ele pode ser operado de forma normal por um longo período, antes de requerer uma revisão geral. Contudo, intervalos definidos de tempo entre revisão geral, não é especificado ou implicado na classificação do motor.

O TBO (intervalo entre revisões), varia com as condições de operação do motor, tais como temperaturas, duração do tempo em que o motor é operado em alta potência e manutenção recebida.

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