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Motor à reação
Prof. Henrique Ribeiro
17/04/23 2
Sistema de exaustão
17/04/23 3
Sistema de exaustão
Sistema de escapamento
Função de direcionar para a atmosfera com velocidade, pressão e densidades adequadas, os gases de saída da turbina, para produção da tração requerida
17/04/23 4
Sistema de exaustão
Sistema de escapamento
A temperatura na seção do escapamento pode variar de 550°C a 850°C
Com a utilização de afterburning a temperatura na seção do escapamento pode chegar até 1500°C
Embora nos motores tubo-jato a temperatura de descarga seja elevada, nos motores Turbo-fan e Turbo-hélices a temperatura dos gases de saída é menor
17/04/23 5
Sistema de exaustão
Sistema de escapamento
O fluxo de ar deixa a turbina e entra na seção de escapamento a velocidade de 750 a 1200 Ft/s
Existe a perda de velocidade devido a fricção dos gases junto a parede interna do tubo e também devido ao turbilhonamento dos gases originários da turbina
17/04/23 6
Sistema de exaustão
Sistema de escapamento
Os gases devem se expandir completamente, descarregando em fluxo laminar, isentos de turbilhonamentos e axialmente orientados
A performance de um motor à reação está relacionada à eficiência do sistema de escapamento
Alguns bocais têm a capacidade de variar sua área
17/04/23 7
Sistema de exaustão
Sistema de escapamento
Os gases da turbina devem possuir velocidade de saída relativamente baixa que, na passagem pelo duto de descarga é consideravelmente aumentada, antes da descarga final pelo bocal
17/04/23 8
Sistema de exaustão Sistema de escapamento
O material empregado no sistema de escapamento normalmente é o a liga de titânio ou níquel
Lâmina de Insulation são colocados em torno do ducto de escapamento para se evitar a transferência do calor de escapamento para a estrutura da aeronave
Insulation possui uma fina lâmina de aço com uma camada de manta (fibra) em seu interior
17/04/23 9
Sistema de exaustão Tipos de bocais de escape
Aerodinamicamente, as formas de saídas dos bocais podem ser classificados como:
Bocal convergente
Bocal divergente
Bocal convergente-divergente
Bocal de seção variável
17/04/23 10
Sistema de exaustão Bocal convergente ou convencionais
17/04/23 11
Sistema de exaustão Tipos de bocais de escapamento
A escolha do tipo de bocal é determinada pela:
Temperatura dos gases na entrada da turbina
Fluxo gasoso
Pressão dos gases na área de escape
Temperatura dos gases de descarga
17/04/23 12
Sistema de exaustão
Bocal convergente ou bocais convencionais
Empregado em vôo subsônico
Têm área saída fixa, na qual determina a velocidade e densidade dos gases
A área de saída não pode ser alterada, exceto pelo seu fabricante, pois qualquer modificação acarretará alterações consideráveis na performance do motor
17/04/23 13
Sistema de exaustão Bocal convergente ou bocais convencionais
A velocidade de saída é mantida subsônica, para evitar a perda de eficiência que ocorreria caso o escoamento se tornasse sônica antes da saída do bocal
17/04/23 14
Sistema de exaustão Bocal divergente
17/04/23 15
Sistema de exaustão Bocal divergente
Empregados em motores turbo-eixo
A expansão faz-se principalmente na turbina e não se deseja o aumento de tração
A pressão estática aumenta enquanto a velocidade diminui
A tração produzida é chamada tração residual
17/04/23 16
Sistema de exaustão Bocal convergente-divergente ou termo-propulsivo
17/04/23 17
Sistema de exaustão Bocal convergente-divergente ou termo-propulsivo
Utilizado em aeronaves supersônicas
Combinação do bocal divergente e convergente, com características semelhantes ao tubo de Venturi
Fim de se evitar o efeito “estrangulamento” que se produz por volta da velocidade do som
17/04/23 18
Sistema de exaustão
Bocal convergente-divergente ou termo-propulsivo
Seção convergente
Projetada para manter velocidade subsônica os gases de descarga da turbina até que eles atinjam a garganta (junção), onde a velocidade é sônica
Seção divergente
Controle de expansão dos gases, possibilita que sua velocidade se torne supersônica
17/04/23 19
Sistema de exaustão
Bocal convergente-divergente ou termo propulsivo
Consegue-se maior tração quando a velocidade de saída dos gases de descarga exceder Mach 1.0
Se o bocal for adequadamente projetado, pode-se obter até Mach 2,0 e razões de pressão na descarga em relação à atmosfera de 2:1, aumentando a força de tração (empuxo) produzida
17/04/23 20
Sistema de exaustão
Bocal convergente-divergente ou termo propulsivo
Quando a velocidade dos gases atinge a velocidade do som no ducto de escape, aumenta a pressão estática ficando acima da pressão ambiente.
Esta diferença de pressão cria um empuxo adicional proporcional a área de escape
F = Wa/g . (V2 – V1) + Wf/g . (Vj)+ Aj . ( Pj – Patm)
17/04/23 21
Sistema de exaustão
Bocal convergente-divergente ou termo propulsivo
Conclui-se que um motor equipado com este tipo de bocal apresentará maior tração quando comparado com outro de mesmo empuxo, se este estiver equipado com bocal convergente ou divergente
17/04/23 22
Sistema de exaustão Bocal convergente-divergente ou termo-propulsivo
Constituição
Seção circular onde o ducto pode ser uma combinação
Cilindros
Cones
Função
Aumentar ou diminuir o diâmetro periférico interno do orifício
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Sistema de exaustão Bocal de seção variável
Variação do bocal pode ser realizado de três maneiras:
Lâminas guias ou tipo iris
Tipo pálpebras
Cone móvel
A seção variável permite adaptar o bocal às diferentes condições de funcionamento
17/04/23 24
Sistema de exaustão Bocal de seção variável
Variação do bocal pode ser realizado de três maneiras:
Lâminas guias ou tipo iris
Filme after 1
17/04/23 25
Sistema de exaustão Bocal de seção variável
Variação do bocal pode ser realizado de três maneiras:
Tipo pálpebras
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Sistema de exaustão Bocal de seção variável
Variação do bocal pode ser realizado de três maneiras:
Cone móvel
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Sistema de exaustão Bocal de seção variável
Este tipo de bocal é normalmente controlado automaticamente e projetado para manter o correto balanceamento de pressão, temperatura em todas as condições de operação
Amplamente utilizados em motores que operam com afterburning
17/04/23 28
Sistema de exaustão Bocal de seção variável
Dispositivo de atuação dos bocais variáveis
Mecanismo elétrico
Mecanismo hidráulico
Mecanismo pneumático (mais utilizado)
17/04/23 29
Sistema de exaustão Bocal de seção variável
Nos motores de alto desempenho, com largas faixa operacionais, o emprego de bocais de área variável permite obter vantagens relativas de ruído, tração e economia de combustível
Os bocais ficam abertos para decolagem, em baixa altitude, após a decolagem, dependendo do tipo da aeronave
O bocal é fechado com o propósito de se conseguir empuxo necessário ao cruzeiro
17/04/23 30
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
17/04/23 31
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
Utilizados para produzir um aumento no empuxo do motor por meio do aproveitamento do oxigênio remanescente no ar que atravessa o motor, pois somente ¼ do ar admitido é utilizado na combustão
17/04/23 32
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
Constituição
1. Tubo metálico colocado após a saída da turbina
2. Injetores de combustíveis
3. Ignitores
4. Bocal variável
5. Estabilizador de chamas
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Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
17/04/23 34
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
17/04/23 35
Sistema de exaustão Pós-combustor / Afterburning Control Unit
17/04/23 36
Sistema de exaustão Pós-combustor / Afterburning Nozzle Control System
17/04/23 37
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
Operação
O piloto da aeronave comanda a abertura do combustível e a operação dos ignitores
Por meio da manete de potência que também aciona os dispositivos da variação de entrada de ar do sistema de indução
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Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
17/04/23 39
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
Bocal totalmente aberto / pós-combustor em operação
Bocal totalmente fechado / pós-combustor fora de operação
17/04/23 40
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning) / Aumento de empuxo
Aumento de potência – empuxo adicional de até 90% maior nas decolagens ao nível do mar.
Aumento do consumo de combustível – um aumento de 50% no empuxo é conseguido às custas de um aumento de até 150% no consumo de combustível
17/04/23 41
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning) / aumento de empuxo
O aumento do empuxo utilizando afterburning depende somente da razão absoluta entre as temperaturas
Razão da temperatura na seção do escapamento depois da pós-combustão e antes da pós-combustão
17/04/23 42
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
Por exemplo, a temperatura quando o pós-combustor está desligado é de 640°C e quando está ligado é de 1081°C, portanto a razão entre as temperaturas é de:
TR = 1081°C / 640°C = 1,69
Logo, consegue-se um aumento de 30% de empuxo
17/04/23 43
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
Consumo específico de combustível
17/04/23 44
Sistema de exaustão Pós-combustor (afterburning)
Afterburning e seu efeito na decolagem e em subida
17/04/23 45
Supressor de ruídos
Comparação de ruído entre os tipos de motores à reação
Sistema de exaustão
17/04/23 46
Supressor de ruídos
Sistema de exaustão
17/04/23 47
Supressor de ruídos
Comparação de fontes de ruídos entre os motores de baixa e alta razão de by-pass
Sistema de exaustão
17/04/23 48
Sistema de exaustão Supressor de ruídos
A principal fonte de ruído em um motor à reação é o fluxo de descarga dos gases de escapamento
Também registra-se ruído na seção de admissão e compressão devido ao turbilhonamento nessas áreas
O princípio de funcionamento destes bocais consiste em aumentar o perímetro total do bocal, reduzindo o tamanho dos redemoinhos formados pela descarga dos gases quentes
17/04/23 49
Sistema de exaustão Supressor de ruídos
Objetivo – colocar os ruídos produzidos em uma faixa de freqüências acima da faixa audível, e ainda, freqüências mais altas são facilmente atenuadas com a distância
17/04/23 50
Sistema de exaustão Supressor de ruídos
Desvantagens
Significativa redução no empuxo devido à formação dos turbilhões, sendo essa redução crítica nos motores turbo-jato que têm velocidade dos gases sua principal forma de gerar tracão
Supressor de ruídos aumentam o peso e o arrasto produzido
17/04/23 51
Sistema de exaustão Supressor de ruídos
Motores Turbofan
Nestes motores com descarga misturada, o ar do fan junta-se aos gases de escapamento antes da descarga final para a atmosfera
A maior parte das ondas de choque, resultantes da mistura do ar frio do fan com os gases quentes da queima, passa a ocorrer no interior do duto e bocal de escapamento, assim ocorre uma atenuação do ruído produzido
17/04/23 52
Alta razão de by-pass
Sistema de exaustão
17/04/23 53
Baixa razão de by-pass
Sistema de exaustão
17/04/23 54
Reverse Thrust
85% thrust85% thrust
15% thrust15% thrust
Net 25% to 30% thrustNet 25% to 30% thrust
17/04/23 55
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
17/04/23 56
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
As aeronaves da atualidade por serem mais pesadas e mais velozes, a desaceleração e parada após o pouso constituem um sério problema
Nas aeronaves turbo-hélices os problemas foram resolvidos pela utilização de hélices de passo reversível
17/04/23 57
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Métodos de reverso de empuxo
17/04/23 58
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Tipo Clamshell doors
17/04/23 59
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Tipo Clamshell doors
17/04/23 60
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Tipo Fan Cold Stream Thrust Reverse
17/04/23 61
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Tipo Fan Cold Stream Thrust Reverse
17/04/23 62
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Tipo Fan Cold Stream Thrust Reverse
17/04/23 63
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Tipo Bucket Doors ou Hot Stream Thrust Reverse
17/04/23 64
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Tipo Bucket Doors ou Hot Stream Thrust Reverse
17/04/23 65
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Reverso do passo da hélice
17/04/23 66
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
A ação dos reversores de empuxo não oferece inversão completa do sentido das forças de empuxo, pela impossibilidade de se desviar de 180° o escoamento, que comprometeria a operação do motor
Ocorre um desvio de 45° do escoamento em relação à direção normal de saída, contribuindo com aproximadamente 50% da tração normal do motor
17/04/23 67
Sistema de exaustão Reversores de empuxo
Um reversor de empuxo deve:
Possuir dispositivos mecânicos robustos, capazes de suportar esforços e temperaturas elevadas
Ser relativamente leve, oferecendo alta rentabilidade
Alta confiabilidade
Não afetar a operação do motor quando aplicado
Quando não aplicado, acomodar-se aerodinamicamente a configuração da nacele do motor, de modo a aumentar apreciavelmente a àrea frontal do mesmo
17/04/23 68
Sistema de combustível
17/04/23 69
Sistema de combustível
Tipo de combustível
Acreditava-se que, para os motores à reação, qualquer tipo de combustível que pudesse ser bombeado poderia ser usado na queima, no entanto, ficou estabelecido que o tipo de combustível a ser usado, é o que possuir as seguintes qualidades:
17/04/23 70
Sistema de combustível
Tipo de combustível
Qualidades dos combustíveis dos motores à reação
1. Baixa viscosidade -> o que permite ser bombeável, fluindo com facilidade em todas as direções, bem como a adequada pulverização do combustível nos bicos injetores, possibilitando melhores condições para a combustão
2. Alta volatilidade -> proporcionar partida rápida no motor, tendo combustão eficiente sob todas as condições operacionais
17/04/23 71
Sistema de combustível
Tipo de combustível
Qualidades dos combustíveis dos motores à reação
3. Baixo ponto de congelamento -> permite manter sua viscosidade quando exposto a baixas temperaturas, em função da altitude de vôo que realiza
4. Ponto de Fulgor –> acima de 38°C, assim não desprende vapores inflamáveis à temperatura ambiente
5. Densidade –> a 20°C possui 0,80 kg/l
17/04/23 72
Sistema de combustível
Tipo de combustível
Qualidades dos combustíveis dos motores à reação
6. Ponto de congelamento –> previne problemas de escoamento do combustível nos sistemas da aeronave, durante o voo a grandes altitudes e baixas velocidades (- 47°C)
7. Elevado poder calórico -> representa a quantidade de energia liberada na combustão, influenciando diretamente no consumo de combustível e na autonomia de voo
17/04/23 73
Sistema de combustível Tipo de combustível
Qualidades dos combustíveis dos motores à reação
8. Não ser corrosivo -> garantindo maior vida útil para o sistema de alimentação, câmara de combustão, palhetas da turbina
9. Lubricidade -> permite minimizar adequadamente o atrito das peças móveis do sistema
10. Boa fluidez
11. Capacidade de bombeamento 12. Límpido –> livre de sujeira, sedimentos, ferrugem, água
17/04/23 74
Sistema de combustível
Tipo de combustível
As especificações levaram ao emprego do combustível querosene, que é um produto do petróleo pelo processo de destilação
Designação nacional pela ANP –> QAV-1
Designação internacional –> JET- A-1
17/04/23 75
Sistema de combustível Tipo de combustível
O querosene de aviação é comumente encontrado conforme as seguintes designações, dependendo do fabricante:
Petrobrás -> designação QAV ( querosene de aviação)
Sua fabricação: QAV-1 e QAV-4
2. Esso -> designação “Turbo Fuel” (combustível de jato)
Sua fabricação: turbo fuel A-1 / turbo fuel A / turbo fuel B
3. Shell -> designação JP (Jet Petroleum / Petróleo de Jato)
Sua fabricação: JP-1 / JP-2 / JP-3 / JP-4 / JP-5 / JP-6
17/04/23 76
Sistema de combustível
Tipo de combustível
A ASTM (Sociedade Americana para testes de Materiais) publicou especificações técnicas definindo o grau de combustíveis empregados para uso nos motores à reação para os aviões comerciais, classificando-os como:
Especificações “A”, que inclui o querosene JP-5
Especificações “B”, que inclui o querosene JP-4
17/04/23 77
Sistema de combustível Classificação dos combustíveis quanto à utilização
1. Recomendado -> é aquele especificado pelo fabricante e que a aeronave apresenta maior performance no seu desempenho
2. Alternado -> é o combustível que pode ser utilizado, porém com pequena perda de potência do motor. O uso deste combustível resulta no aumento de manutenção e também no custo
3. Emergência -> é aquele que causa danos significativos à aeronave. Deverá ter seu uso restrito a uma etapa
17/04/23 78
Sistema de combustível O sistema de combustível, além de ser responsável pelo
fornecimento de combustível limpo, sem vapor, na pressão correta e no fluxo exigido pelo motor, ele também tem as seguintes funções:
Pulverização do combustível
Controle de RPM
Controle do fluxo de combustível em todas as fases operacionais do motor
Controle de temperatura dos gases de descarga
Parada do motor
17/04/23 79
Sistema de combustível
O sistema de combustível de uma aeronave está dividido em duas partes distintas:
1. Sistema da célula
2. Sistema do motor
17/04/23 80
Sistema de combustível Sistema da célula -> relaciona todos os componentes instalados
no avião
1. Tanques + tubulações
2. Bombas auxiliares (booster pumps) -> instaladas no interior do tanque, e total ou parcialmente submersas no combustível / acionamento elétrico
17/04/23 81
Sistema de combustível Sistema da célula -> relaciona todos os componentes instalados
no avião
3. Válvulas de corte (Shutoff valves) -> interromper o fluxo de combustível no sistema / acionamento elétrico
4. Válvula de controle de transferência ( crossfeed valves) -> fim de proporcionar alimentação cruzada / acionamento elétrico
17/04/23 82
Sistema de combustível Sistema da célula -> relaciona todos os componentes instalados
no avião
5. Filtros de baixa pressão -> fim de reter as impurezas que o combustível possa conter / válvula de desvio (by pass) / detector de congelamento
17/04/23 83
Sistema de combustível Sistema da célula -> relaciona todos os componentes instalados
no avião
5. Válvula de alívio
17/04/23 84
Sistema de combustível Sistema do motor -> relaciona todos os componentes do
motor
17/04/23 85
Sistema de combustível Sistema do motor -> relaciona todos os componentes do
motor
1. Bomba principal (engine pump) -> fim de entregar combustível ao queimador com fluxo e pressão elevada / acionamento mecânico
17/04/23 86
Sistema de combustível Sistema do motor
2. Aquecedor de combustível (fuel heater) -> fim de aquecer o combustível
a. Por troca térmica com o ar sangrado
b. Por troca térmica com o óleo do motor
17/04/23 87
Sistema de combustível Sistema do motor
2. Aquecedor de combustível (fuel heater)
Visa assegurar, para o sistema, um fluxo constante de combustível, pois o gelo que se forma e’ fruto da solidificação de gotículas de umidade (água) em suspensão no combustível.
Estas gotículas, ao se congelarem, transformam-se em cristais de gelo que irão obstruir o elemento filtrantre do filtro principal, restringindo o fluxo normal de combustível para o consumo.
17/04/23 88
Sistema de combustível Sistema do motor
2. Aquecedor de combustível (fuel heater)
a. Por troca térmica com o ar sangrado
17/04/23 89
Sistema de combustível Sistema do motor
2. Aquecedor de combustível (fuel heater)
b. Por troca térmica com o óleo do motor
17/04/23 90
Sistema de combustível Sistema do motor
3. Unidade de controle de combustível -> recebe o sinal de solicitação de potência e dosa a quantidade de combustível necessária para atender a potência solicitada
FCU (fuel control unit) – nomenclatura adotada pela Pratt & Whitney
MEC (main engine control) – nomenclatura adotada pela General Eletric
17/04/23 91
Sistema de combustível3. Unidade de controle de combustível (FCU e MEC)
a. Sistema de dosagem
b. Sistema de computação
17/04/23 92
Sistema de combustível3. Unidade de controle de combustível (FCU e MEC)
a. Sistema de dosagem -> seleciona a razão de fluxo que deve ser fornecido aos queimadores, de acordo com a quantidade de empuxo solicitada pelo piloto, através da manete de potência
17/04/23 93
Sistema de combustível3. Unidade de controle de combustível (FCU e MEC)
b. Sistema de computação -> os sinais defletidos para a unidade controladora de combustível, provêm das seguintes condições ambientais e funcionais
1. Temperatura do ar na entrada do compressor (CIT)
2. Temperatura da entrada da turbina (TIT)
3. Pressão de descarga do compressor (CDP)
4. Temperatura dos gases de descarga (EGT)
5. Velocidade de rotação do motor (N2)
6. Posicionamento da manete de potência
17/04/23 94
Sistema de combustível3. Unidade de controle de combustível (FCU e MEC)
b. Sistema de computação -> todas estas condições afetam e são afetadas pelo fluxo de combustível, de maneira que o sistema de controle, através da unidade controladora de combustível, deve possuir dispositivos que analisem e respondam a essas condições.
17/04/23 95
Sistema de combustível Sistema do motor
4. Injetores (fuel nozzles) -> dispositivo que pulveriza o combustível que alimenta a chama na câmara de combustão. Essa pulverização deve se processar de modo eficiente a fim de acelerar a vaporização do combustível que sofrerá a miscigenação mecânica com o ar, formando a mitura
17/04/23 96
Sistema de combustível Sistema do motor
4. Injetores (fuel nozzles) / Estágios de pulverização
a. O primeiro e’ do tipo bolha, a baixa pressão de combustível forma um jato continuo
b. No segundo, uma pressão maior quebra os cantos do jato e este torna a forma de uma tulipa
c. No terceiro, a elevação da pressão do combustível encurta o jato de forma tulipa, aproximando-se do orifício, formando, assim, um jato finalmente pulverizado
17/04/23 97
Sistema de combustível
17/04/23 98
Sistema de combustível Sistema do motor
5. Transmissor de fluxo de combustível ->
17/04/23 99
Sistema de combustível
17/04/23 100
Sistema de combustível
17/04/23 101
Sistema de combustível
Sistema do motor
6. Controle de combustível de pós-combustão (afterburner) -> serve para dosar a quantidade de combustível entregue aos queimadores posteriores (se o motor for equipado com este dispositivo)
17/04/23 102
Sistema de combustível
Sistema de degelo do combustível
Objetivo
Assegurar, para o sistema, um fluxo constante de combustível, pois o gelo que ser forma é fruto da solidificação de gotículas de umidade (água) em suspensão no combustível
Essas gotículas ao se congelarem, transformam-se em “cristais de gelo” que irão obstruir o elemento filtrante do filtro principal, restringindo o fluxo normal de combustível para o consumo
17/04/23 103
Sistema de combustível
Sistema de degelo do combustível
Como se evita?
Com um sistema de trocador de calor (fuel heater) que, por troca térmica com o ar sangrado do compressor do reator ou, até mesmo com o óleo de lubrificação, evita a formação de gelo e, em alguns casos, promove o degelo do elemento filtrante do filtro
17/04/23 104
Sistema de combustível Variação do consumo de combustível com altitude
17/04/23 105
Sistema de combustível Sistema de combustível de um turbo-hélice
17/04/23 106
Sistema de combustível Sistema de combustível de um turbofan