Motores de turbina a gás para aeronaves

Olá pessoal! Neste artigo, quero falar sobre como funcionam os motores de turbina a gás de aeronaves (GTEs). Vou tentar fazer desta a linguagem mais simples e compreensível.

O GTE da aviação pode ser dividido em:

• motores turbojato (motores turbojato)
• motores de turbojato de circuito duplo (motores de turbojato)
• Motores turboélice
• Motores de turbojato (TVAD)

Além disso, os motores turbofan e motores turbofan podem conter um pós-combustor; nesse caso, serão motores turbofan e motores turbofan, respectivamente. Neste artigo, não os consideraremos.

Vamos começar com motores turbojato.

Motores de turbojato

Este tipo de motor foi criado na primeira metade do século XX e começou a ser amplamente utilizado no final da Segunda Guerra Mundial. A primeira aeronave de turbojato de produção do mundo foi o alemão Me.262. Os motores turbojato eram populares até os anos 60, após o que começaram a ser substituídos por motores turbojato.


Foto moderna Me-262 tirada em 2016

O mecanismo turbojato mais simples inclui os seguintes elementos:

• Dispositivo de entrada
• Compressor
• Câmara de combustão
• Turbina
• Bico a jato (daqui em diante simplesmente bico)

Podemos dizer que este é o conjunto mínimo para a operação normal do motor.

Agora considere o que você precisa e por quê.

O dispositivo de entrada é um canal * em expansão, no qual o ar é fornecido ao compressor e pré-comprimido. Nele, a energia cinética do ar recebido é parcialmente convertida em pressão.

* daqui em diante falaremos sobre velocidades subsônicas. Na velocidade supersônica, a física está mudando, e tudo é completamente diferente lá.

Um compressor é um dispositivo no qual a pressão do ar aumenta. O compressor pode ser caracterizado por um valor como o grau de aumento de pressão. Nos motores modernos, ele já está começando a ultrapassar 40 unidades. Além disso, a temperatura aumenta (talvez em algum lugar até 400 graus Celsius).

Câmara de combustão - um dispositivo no qual o calor é fornecido ao ar comprimido (após o compressor) devido à combustão do combustível. A temperatura na câmara de combustão é muito alta, pode atingir 2000 graus Celsius. Pode parecer que a pressão do gás na câmara também aumenta muito, mas não é assim. É teoricamente assumido que o calor é fornecido a pressão constante. Na realidade, cai um pouco devido a perdas (o problema da construção imperfeita).

Uma turbina é um dispositivo que converte parte da energia do gás após a câmara de combustão na energia do acionamento do compressor. Como as turbinas são usadas não apenas na aviação, uma definição mais geral pode ser dada: este é um dispositivo que converte a energia interna do fluido de trabalho (no nosso caso, o fluido de trabalho é gás) em trabalho mecânico no eixo. Como você pode entender, a turbina e o compressor estão no mesmo eixo e estão rigidamente interconectados. Se no compressor há um aumento na pressão do gás, na turbina, pelo contrário, uma diminuição, ou seja, o gás se expande.

Um bocal é um canal de estreitamento no qual a energia potencial do gás é convertida em cinética (a reserva de energia restante do gás após a turbina). Como em uma turbina, a expansão de gás ocorre no bico. Forma-se um jato que, emergindo do bico, move o avião.

Com os elementos básicos resolvidos. Mas ainda não está muito claro como isso funciona? Então, novamente, brevemente.

O ar da atmosfera entra na entrada, onde é ligeiramente comprimido e entra no compressor. No compressor, a pressão do ar aumenta ainda mais e a temperatura aumenta. Após o compressor, o ar entra na câmara de combustão e, sendo misturado com combustível, inflama, o que leva a um forte aumento de temperatura, a, pode-se dizer, pressão constante. Após a câmara de combustão, o gás comprimido quente entra na turbina. Parte da energia do gás é gasta na rotação do compressor pela turbina (para que ele possa executar sua função descrita acima), outra parte da energia é gasta no movimento da aeronave de que precisamos, devido ao fato de que o gás que passa pela turbina se transforma em uma corrente de jato no bico e escapa (bocal) para a atmosfera. Isso completa o ciclo. Certamente, na realidade, todos os processos do ciclo são contínuos.

Esse ciclo é chamado de ciclo de Brighton, ou um ciclo termodinâmico com uma natureza contínua do processo de trabalho e o suprimento de calor a pressão constante. Nesse ciclo, todos os motores de turbina a gás funcionam.


Ciclo de Brighton em coordenadas fotovoltaicas

HB - processo de compressão no dispositivo de entrada
VK - o processo de compressão no compressor
KG - entrada de calor isobárico
GT - processo de expansão de gás em uma turbina
GS - processo de expansão de gás no bico
CH - remoção isobárica do calor para a atmosfera


Projeto esquemático de um motor turbojato, em que 0-0 é o eixo do motor

O motor turbojato pode ter dois eixos. Nesse caso, o compressor consiste em um compressor de baixa pressão (LPC) e um compressor de alta pressão (HPC), e a turbina de baixa pressão (HPH) e a turbina de alta pressão (HPD) fornecerão o trabalho, respectivamente. Esse esquema é mais vantajoso em termos dinâmicos.


Um mecanismo real secional desse tipo

Examinamos o princípio de operação do esquema mais simples de um motor de turbina a gás de aeronave. Naturalmente, os motores turbofan são instalados nos modernos motores Airbus e Boeing, cujo design é muito mais complicado, mas funciona de acordo com as mesmas leis. Vamos olhar para eles.

Ignorar o motor turbojato

O motor turbofan, em primeiro lugar, difere do motor turbofan por ter dois circuitos: externo e interno. O circuito interno contém o mesmo que o motor turbojato: compressor (dividido em bombas de baixa e alta pressão), câmara de combustão, turbina (dividida em bombas de alta e alta pressão) e bico. O circuito externo é um canal, com um bico no final. Não possui câmara de combustão nem turbina. Na frente dos dois circuitos (imediatamente após o dispositivo de entrada do motor), há um estágio de compressor operando nos dois circuitos.

Uma imagem não muito clara sai, certo? Vamos ver como isso funciona.


Projeto esquemático de um motor de turbojato de circuito duplo de eixo duplo

O ar que entra no motor, passando pelo primeiro estágio do compressor de baixa pressão, é dividido em dois fluxos. Uma parte do ar percorre o circuito interno, onde ocorrem os mesmos processos que foram descritos quando desmontamos o motor turbojato. A segunda parte do ar entra no circuito externo, recebendo energia do primeiro estágio do pressostato de baixa pressão (aquele que funciona em dois circuitos). No circuito externo, a energia do ar é gasta apenas na superação de perdas hidráulicas (devido ao atrito). No final, esse ar entra no bico do circuito externo, criando uma tremenda tração. O impulso criado pelo circuito externo pode ser responsável por 80% do impulso de todo o motor.

Uma das características mais importantes de um motor turbofan é a taxa de derivação. A taxa de derivação é a razão do fluxo de ar no circuito externo para o fluxo de ar no circuito interno. Esse número pode ser maior ou menor que um. Nos motores modernos, esse número ultrapassa o valor de 12 unidades.
Os motores, cujo grau de circuito duplo é superior a dois, geralmente são chamados turbofan, e o primeiro estágio do compressor (aquele que funciona nos dois circuitos) é um ventilador.


Aeronaves de turbojato Boeing 757-200. No primeiro plano, você pode ver o dispositivo de entrada e o ventilador

Em alguns motores, o ventilador é acionado por uma turbina separada, que é colocada mais próxima ao bico do circuito interno. Então o motor acaba sendo de três eixos. Por exemplo, os motores Rolls Royce RB211 (instalados em L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) são fabricados de acordo com esse esquema


D-18T no contexto do interior

A principal vantagem de um motor turbofan é a capacidade de criar grande tração e boa eficiência, em comparação com um motor turbofan.

Nisso, eu gostaria de terminar sobre o motor turbofan e passar para o próximo tipo de motor - um motor turbojato.

Motores turboélice

Um motor turboélice, como um turbojato, pertence aos motores de turbina a gás. E funciona quase como um turbojato. Um motor turboélice elementar consiste em elementos que já nos são familiares: um compressor, uma câmara de combustão, uma turbina e um bico. A eles são adicionados uma caixa de engrenagens e um parafuso.



O princípio de operação é o mesmo de um turbojato, com a diferença de que quase toda a energia gasosa é gasta na turbina para girar o compressor e girar o parafuso através da caixa de engrenagens (aqui, o parafuso e a caixa de engrenagens estão no mesmo eixo que o compressor). O parafuso cria a maior parte do impulso. O restante, depois da turbina, parte da energia é direcionada para o bico, formando um impulso de jato, mas é pequeno, pode ser um décimo do total. A caixa de engrenagens neste circuito é necessária para diminuir as rotações e transmitir o momento, pois a turbina pode girar em uma frequência muito alta, por exemplo, 10.000 rotações por minuto, e o parafuso precisa apenas de 1.500. E o parafuso é bastante pesado.


Projeto esquemático do teatro

Mas há outro esquema de motores turboélice: com uma turbina livre.
Sua essência é que uma turbina separada é colocada atrás de uma turbina de compressor convencional, que não é mecanicamente conectada à turbina do compressor. Essa turbina é chamada de livre. A conexão entre a turbina do compressor e a turbina livre é apenas dinâmica de gás. Um eixo separado sai de uma turbina livre na qual é montada uma caixa de engrenagens com um parafuso. Tudo o resto funciona da mesma maneira que no primeiro caso. Os motores mais modernos funcionam exatamente dessa maneira. Uma das vantagens desse esquema é a capacidade de usar o motor no solo como uma unidade de energia auxiliar (APU) sem mover a hélice.


Projeto esquemático de um motor de turbina com uma turbina livre

Quero observar que não é necessário olhar para os motores turboélice como uma relíquia ineficaz do passado. Já ouvi essas declarações várias vezes, mas estão incorretas.
Em alguns casos, um motor turboélice tem a maior eficiência, em regra, em aviões com velocidades não muito altas (por exemplo, a 500 km / h); além disso, a aeronave pode ser de tamanho impressionante. Nesse caso, um motor turboélice pode ser várias vezes mais lucrativo do que o motor turbojato considerado anteriormente.

Sobre isso sobre os motores turboélice, você pode terminar. Lentamente, nos aproximamos do conceito de um motor de eixo turbo.

Motor turbo

A maioria dos leitores aqui deve primeiro ouvir esse nome. Este tipo de motor é montado em helicópteros.

O motor do turbo-eixo é muito semelhante a um motor turbo-hélice com uma turbina livre. Ele também consiste em um compressor, uma câmara de combustão, uma turbina de compressor e, em seguida, é fornecida uma turbina livre, conectada a tudo o que era anterior apenas de maneira dinâmica. Mas esse mecanismo não cria propulsão a jato, não possui um bico de jato, apenas o escapamento. Uma turbina livre tem seu próprio eixo, que é conectado à caixa de engrenagens principal do helicóptero (rotor). Sim, todos os helicópteros que eu conheço têm uma caixa de câmbio dessas e, como regra, são de tamanho impressionante. O fato é que a velocidade do rotor do helicóptero é muito baixa. Se em um avião, como escrevi acima, eles podem atingir 1.500 rpm, em um helicóptero, por exemplo, no Mi-8, apenas 193 rpm.
A velocidade do motor de um helicóptero geralmente é muito alta (devido ao tamanho pequeno) e elas precisam ser reduzidas cem ou mais vezes. Acontece que a caixa de velocidades está no motor e no próprio helicóptero, por exemplo, o Mi-2 e o seu motor GTD-350.


Projeto esquemático de um motor de turboshaft


O motor TV3-117 do helicóptero Mi-8. O tubo de escape e o eixo de acionamento são visíveis à direita.

Então, examinamos quatro tipos de motores de turbina a gás. Espero que meu texto seja claro e útil para você. Todas as perguntas e comentários podem ser escritos nos comentários.

Obrigado pela atenção.