Aeronáutica, Energia, Mecânica, Temperatura, Termodinâmica

Motor a jato turbofan: como funciona?

O assunto deste post é o motor a jato turbofan. É usado em todo avião comercial por ter alta propulsão e por ser o tipo mais eficiente e silencioso.

Princípio de funcionamento do motor a jato turbofan

Entrada de ar

O turbofan tem este nome devido à grande hélice que suga o ar. Cada pá possui um formato aerodinâmico, quando o vento chega na pá é induzida uma força de sustentação, como na asa do avião. Esta força nas pás é a que mais contribui para o empuxo do avião com motores turbofan.

aerofólio efeito coanda

Quanto maior a hélice, maior a capacidade de sugar o ar para dentro do motor.

hélice do turbofan
Fonte: OpenPR.

Comprensão do ar

Para realizar a combustão no motor, o ar precisa estar com pressão e temperatura altas. Logo atrás da hélice, há um compressor de baixa pressão, e em seguida, um outro compressor de alta pressão, que gira mais rápido do que o anterior.

compreensor do turbofan
Um compressor é formado por vários estágios de lâminas. A seta azul indica o compressor do motor a jato. Fonte: Boldmethod.

São usados 2 tipos de compressores: axial e centrífugo. No tipo axial, as lâminas têm formato de aerofólio e o ar flui paralelo ao eixo do motor.

compressor axial
Fonte: AerMech.

O compressor axial possui um ou mais estágios de lâminas fixas, chamados de estatores. As funções do estator são converter a energia rotacional em pressão e direcionar o fluxo para o próximo estágio em rotação, chamado de rotor.

compressor centrífugo
O compressor centrífugo tem o formato diferente das lâminas, para mudar a direção do fluxo de ar. Impeller=impulsor. Fonte: Leeham News and Analysis.

Combustão

Depois de passar pelos compressores, a pressão do ar e a temperatura ficam muito maiores. A próxima etapa é a câmara de combustão.

Cãmara de combustão
A cãmara de combustão possui vários buracos para a entrada de ar e injeção do combustível. Deve ser feito de um material que resista a uma temperatura de aproximadamente 2000ºC. Fonte: Jet Engine Trader.

O combustível vai do tanque até a câmara por válvulas e um tubo, auxiliado por bombas. Vários injetores (fuel injector) colocam o combustível na câmara como um spray, para se misturar com o ar de alta pressão e alta temperatura. Uma faísca elétrica (ingniter) inicia a combustão da mistura.

funcionamento da câmara de combustão no turbofan
Esquema representativo da câmara de combustão. Holes=buracos, air=ar. Fonte: Mechanical Boost.
swirler
Este é o swirler, um componente que induz turbulências dentro da câmara para melhorar a mistura e a estabilização da chama. Fonte: AM.

A primeira parte do post “Todos os combustíveis” mostra os combustíveis usados na aviação.

Todos os combustíveis (Parte 1)Clique aqui

Turbinas

Os gases que saem da câmara de combustão vão para as turbinas de alta e baixa pressão, respectivamente. Estas turbinas usam a energia cinética dos gases para girar os compressores e a hélice, pois estão ligados ao mesmo eixo.

turbinas do turbofan
As lâminas da turbina também têm formato de aerofólio. A seta aponta para as turbinas do motor turbofan. Fonte: Mechanical Boost.

As lâminas de baixa pressão são mais longas, uma velocidade menor reduz o stress centrífugo na base da lâmina, aumentando a sua vida útil.

Exaustão

Depois de passar pelas turbinas, a mistura de gases é expelida por um bocal. Este deve ser estreito para aumentar o empuxo do avião. É uma aplicação da terceira lei de Newton, quando o ar quente é expelido pelo bocal a uma alta velocidade, uma força é produzida. O ar gera uma força de reação que produz empuxo para o avião.

A equação da força de empuxo F do turbofan, em Newtons (N).

F=\dot{m}_{f}\cdot (V_{f}-V_{o})+\dot{m_{c}}\cdot (V_{e}-V_{o})

  • \dot{m}_{f}, a taxa do fluxo de ar de desvio.
  • V_{f} é a velocidade do fluxo de desvio.
  • V_{o}, a velocidade do ar antes de entrar no motor.
  • \dot{m_{c}} é a taxa do fluxo de ar que passa pelo motor.
  • V_{e} é a velocidade do ar expelido pelo bocal.

Razão de desvio do turbofan

A maioria do ar puxado pela grande hélice não vai para a câmara de combustão, e sim, para ao lado do motor. Este é chamado fluxo de desvio, bypass em inglês.

diagrama do turbofan
O ar frio (rosa) sai junto com o ar quente (vermelho) no bocal. Esta é a razão do turbofan ser o mais silencioso e econômico dos motores a jato. Fonte: Century of Flight.

A equação da razão de desvio.

bpr=\frac{\dot{m}_{f}}{\dot{m}_{c}}

As 2 categorias de turbofan são: baixo desvio (Low-bypass) e alto desvio (High-bypass). O de alto desvio tem um grande volume de ar que passa ao lado, em relação ao volume que entra no motor. No baixo desvio, a relação entre os fluxos é pequena.

motores turbofan
Acima, um motor de baixo desvio (Low-bypass) e abaixo, motor de alto desvio (High-bypass). A grande maioria dos aviões comerciais usam motores de alto desvio. Enquanto muitos aviões militares usam o de baixo desvio pois é melhor para obter velocidades supersônicas. Fonte: David Darling.
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