Introdução às turbinas a gás

É difícil não notar os enormes motores dos jatos comerciais. Na maioria deles os motores são turbinas a gás, do tipo turbofan.

Turbinas a gás podem ter várias aplicações. Por exemplo, em muitos helicópteros, em usinas termoelétricas de pequeno porte e mesmo no tanque M-1 (em inglês). Este artigo explica como funcionam as turbinas a gás.

Vantagens e desvantagens das turbinas a gásEntão, por que um tanque M-1 usa uma turbina a gás de 1.500 cavalos em vez de um motor diesel? Existem duas grandes vantagens da turbina sobre o diesel:

Turbinas a gás têm uma ótima relação potência/peso, se comparadas a se comparadas a motores a pistão. Isso quer dizer que a quantidade de potência que se consegue do motor comparada ao seu próprio peso é muito boa.

Turbinas a gás são menores do que motores a pistão de mesma potência

A principal desvantagem de turbinas a gás é que, comparadas a motores a pistão do mesmo tamanho, elas são caras. Por girar a velocidade muito alta e por causa das altas temperaturas de operação, o projeto e a construção são dificeis, tanto do ponto de vista da engenharia quanto dos materiais. Turbinas a gás também tendem a consumir mais combustível quando estão em marcha lenta e preferem uma carga constante à variável. Isso torna turbinas a gás excelentes para algo como aviões a jato e usinas, mas explica por que não há uma sob o capô do seu carro.

O funcionamento básico da turbina a gás Teoricamente, turbinas a gás são extremamente simples. Elas têm três partes:

Compressor: comprime o ar de admissão por alta pressão; Câmara de combustão: queima o combustível e produz gás com alta pressão

e alta velocidade; Turbina: extrai energia do gás a alta pressão e alta velocidade vindo da câmara

de combustão.

A figura seguinte mostra o esquema de uma turbina a gás de fluxo axial - o tipo de motor que aciona o rotor de um helicóptero, por exemplo:

Neste motor, o ar é sugado pela direita do compressor. Ele tem basicamente a forma de um cone com pequenas pás fixadas em fileiras (aqui estão representadas oito fileiras de pás). Na figura a área em azul claro é o ar à pressão normal, que é forçado através no estágio de compressão, com aumento considerável de pressão. Em alguns motores, a pressão do ar pode ser multiplicada por 30. O ar com alta pressão produzido pelo compressor é mostrado em azul escuro.

Isso quer dizer que a quantidade de potência que se consegue do motor comparada ao seu próprio peso é muito boa.

Turbinas a gás são menores do que motores a pistão de mesma potência.

Câmara de combustãoO ar sob alta pressão entra na câmara de combustão, na qual um anel de injetores de combustível injeta um jato constante de combustível. Geralmente o combustível é querosene, combustível de jato, propano ou gás natural. Se você pensar em como é fácil apagar uma vela, então você pode imaginar o problema de projeto na área de combustão - nessa área entra ar a alta pressão, a centenas de quilômetros por hora, e é preciso manter uma chama queimando continuamente nesse ambiente. A peça que resolve esse problema é o chamada de "queimador" ou, às vezes, de "caneca". A caneca é uma peça oca e perfurada de metal pesado. Metade da caneca em seção transversal é mostrada abaixo:

Os injetores estão à direita. O ar comprimido entra pelos furos. Os gases de escape saem à esquerda. Você pode ver na figura anterior que um segundo grupo de cilindros envolve o interior e o exterior dessa caneca perfurada, guiando pelos furos o ar comprimido da admissão.

A turbina

À esquerda do motor está a seção da turbina. Nesta figura existem dois conjuntos de turbinas. O primeiro conjunto aciona diretamente o compressor. As turbinas, o eixo e o compressor giram como uma coisa só:

Na extrema esquerda está um estágio final da turbina, mostrado aqui com uma única fileira de pás. Ela aciona o eixo de saída. Esse estágio final da turbina e o eixo de saída são uma unidade independente que gira livremente. Elas giram livremente sem nenhuma conexão com o resto do motor. E essa é a parte surpreendente de uma turbina a gás - há energia suficiente nos gases quentes passando pelas pás dessa turbina final de saída para gerar 1.500 cavalos de força e movimentar um tanque M-1 (em inglês) de 63 toneladas! Uma turbina a gás é realmente bem simples.

No caso da turbina usada num tanque ou numa usina não há realmente nada a fazer com os gases de escape a não ser direcioná-los pelo tubo de exaustão, como mostrado. Às vezes o exaustor passa por algum tipo de trocador de calor, para extrair calor para alguma outra finalidade ou para pré-aquecer o ar antes dele entrar na câmara de combustão.

Obviamente a discussão aqui está um pouco simplificada. Por exemplo, não discutimos as áreas de mancais, sistemas de lubrificação, estruturas de suporte interno do motor, pás dos estatores, etc. Todas essas áreas se tornam um  problemas serio de engenharia por causa das elevadas temperaturas, pressões e altas velocidades dentro do motor. Mas os princípios básicos descritos aqui determinam o funcionamento de todas as turbinas a gás e ajudam a compreender o desenho básico e a operação do motor.

Outras variações

Grandes jatos comerciais usam o que é conhecido como motores turbofan, que nada mais são do que turbinas a gás com enormes pás de ventilador na parte da frente do motor. Aqui está o desenho básico (altamente simplificado) de um motor turbofan:

Dá para ver que o coração de um turbofan é uma turbina a gás normal como a descrita na seção anterior. A diferença é que o estágio final da turbina aciona um eixo que vai até a frente do motor para girar as pás de ventilador (mostradas em vermelho nesta figura). Esse arranjo de múltiplos eixos concêntricos, a propósito, é extremamente comum em turbinas a gás. Na verdade, em muitos turbofans maiores, pode haver dois estágios de compressores completamente separados acionados por turbinas separadas, juntamente com a turbina do ventilador, como mostrado acima. Todos os três eixos giram um ao redor do outro.

A finalidade do ventilador é aumentar consideravelmente a quantidade de ar passando pelo motor e assim aumentar consideravelmente o empuxo. Quando você olha dentro de um motor de um jato comercial no aeroporto, o que você vê são as pás de ventilador na parte dianteira do motor. Elas são imensas - por volta de 3 metros de diâmetro nos grandes jatos, podendo assim mover muito ar. O ar puxado pelo ventilador é chamado de ar desviado (mostrado em roxo acima) porque ele passa por fora da turbina do motor e vai direto para a parte traseira da nacele em alta velocidade para fornecer empuxo.

Um motor turboélice é similar a um turbofan, mas em vez de um ventilador ele tem uma hélice convencional na parte da frente. O eixo de saída é conectado a uma caixa de redução para diminuir a velocidade, e o eixo de saída da caixa de redução gira uma hélice.