1  CAPÍTULO 08 - TURBINAS A GAS (JATO)      0. SUMÁRIO a. Introdução Generalidades b. Tipos de Turbinas Quanto ao Fluxo do Ar (Centrífugo/Axial/Misto) Quanto  à  Produção  da  Tração  (Turbo  Jato/Turbo Hélice/Turbofan/Turbo Eixo) c. Turbo Jato/Turbo Hélice/TurboFan/Turbo Eixo Características d. Comparação de Performances e. Parâmetros e Instrumentos da Turbina Razão de Pressão do Motor (EPR) Temperatura dos Gases de Exaustão (EGT) TIT/TOT/TGT Torque (Turbo Hélice/Turbo Eixo) N1 N2 f. Considerações Operacionais Limites de Temperatura do Motor Variações de Tração Ingestão de Objetos Partida Quente Stall de Compressor Apagamento do Motor g. 

Alguns Conhecimentos Complementares Desenvolvimento do Empuxo/Reversão de Empuxo     Fatores que Afetam o Empuxo/Níveis de Empuxo     Rendimento/ Operação do Motor de Turbina a Gás     Controle de combustível/Sistemas de Ignição 

 2   INTRODUÇÃO  A turbina a gás produz tração pela elevação da energia cinética do fluxo de ar que é admitido. O  motor  é  constituído  de  uma  entrada  de  ar,  compressor,  câmaras  de combustão,  turbina  e  escapamento  (exaustão),  conforme  pode  ser  visto  na figura 1. Estes  motores  apresentam  como  principais  vantagens  relativamente  aos motores alternativos, menor vibração, melhor performance do conjunto motor-avião, confiabilidade e fácil operação.  Nota: Neste capítulo a abordagem do assunto será em caráter introdutório, uma vez que o tema será estudado em profundidade e especificidade na disciplina de Motores  Aeronáuticos,  onde  o  motor  a  reação  da  General  Electric  modelo CFM-56, instalado em aeronaves comercias, será estudado.   2. TIPOS DE TURBINA A GÁS  Os  motores  a  reação  são  classificados  segundo  o  tipo  de  compressores  que usam, que recaem em três categorias básicas que são,  fluxo centrífugo, fluxo axial e fluxo misto (axial – centrifugo). Em  uma  turbina  de  fluxo  centrifugo,  a  compressão  do  ar  de  entrada  é  feita mediante  a  aceleração  do  ar  externo  perpendicularmente  ao  eixo  longitudinal do motor. O  motor  de  fluxo  axial  comprime  o  ar  através  de  uma  série  de  aerófilos estacionários  e  rotativos  movendo  o  ar  paralelamente  ao  eixo  longitudinal  do motor. O motor mixto, centrifugo-axial usa os dois tipos de compressão. O caminho que o ar faz no interior do motor e a forma que a energia, tração é produzida  determinam  o  tipo  da  turbina,  sendo  estas,  em  geral,  turbo  jatos, turbo hélice, turbofan ou turbo-eixo.  .  Turbo  Jato  (jato  puro)  –  Esta  turbina  é  composta  de  quatro  secções  – compressor, câmara de combustão, turbina e exaustor. O compressor passa para a câmara de combustão ar de entrada com alta razão de velocidade. A câmara de combustão possui os injetores e os ignitores para a combustão.  O  ar  queimado  e  altamente  expandido  movimenta  a  turbina  que está conectada por um eixo concêntrico ao compressor, sustentando a operação do motor. Os gases acelerados da exaustão do motor produzem a tração (thrust) ou propulsão. Estas turbinas têm uso limitado do ponto de vista alcance e durabilidade e são de  resposta  lenta  aos  comandos  feitos  nos  manetes,  quando  em  baixas velocidades do compressor. 

  .  Turbo  Hélice  -    É    uma  turbina  que  movimenta  uma  hélice  através  de  uma caixa de redução. Os gases de exaustão acionam uma turbina de potência que comanda um eixo que movimenta a caixa de redução. Nestes  motores  a  caixa  de  redução  é  indispensável  porque  a  hélice  apresenta seu  melhor  rendimento  sob  rotações  muito  menores  do  que  as  tipicamente geradas  pela  turbina.  As  turbinas  deste  tipo  atendem  um  compromisso funcional  e  de  performance,  intermediário  entre  a  um  motor  alternativo  e  o turbo jato. 

 3 Os  motores  turbo-hélices  são  mais  eficientes  em  velocidades  entre  250  e  400 kts  e  altitudes  entre  18.000  e  30.000  pés,  sendo  muito  econômicos  em  baixas velocidades,  como  decolagens,  subidas,  descidas  e  pouso.  O  consumo específico  mínimo,  normalmente  é  apresentado  na  altitude  aproximada  de 25.000 pés.  .  Turbofan  -  Esta  turbina  foi  desenvolvida  para  combinar  as  melhores características de um turbo jato e de um turbo hélice. Os  motores  turbofan  foram  projetados  para  gerar  tração  adicional  a  partir  de um  fluxo  de  ar  secundário  que  passa  no  contorno  das  câmaras  de  combustão. No turbofan o ar lateral, externo à combustão (bypass) gera tração muito maior, refrigera  o  motor  e  reduz  o  nível  de  ruído  geral  do  motor,  em  especial  no escapamento.  Este  motor  prove  a  velocidade  de  cruzeiro  turbo  jato  com  um consumo baixo, um pouco superior do que o do turbo hélice. O  ar  admitido  e  separado  para  constituir  os  fluxos,  um  passa  pelo  interior  do motor  e  o  segundo  contorna  o  motor.  Este  fluxo  de  ar  de  contorno  é  que  dá origem ao termo “bypass engine”. A razão de “bypass” de um turbofan se refere  à razão entre o volume do ar que constitui o fluxo de contorno e o volume do fluxo de ar que passa pelo interior do motor.  .  Turbo  eixo  –  é  a  turbina  que  libera  sua  potência  para  um  eixo  que  aciona qualquer mecanismo que não seja uma hélice. A grande diferença de um motor turbo eixo para um motor turbo jato está  no fato  que  o  turbo  jato  produz  tração  enquanto  que  um  turbo  eixo  produz potência,  aciona  uma  turbina.  Estas  turbinas  são  usadas  para  equipar helicópteros  e como unidades auxiliares de potência (APU).   3. COMPARAÇÃO DE PERFORMANCES  É  possível  fazer a comparação entre a performance de um  motor alternativo e diferentes turbinas a gás, todavia para a comparação ser correta, devemos usar THP  (HP  de  tração)  do  motor  alternativo  e  não  sua  potência  de  freio  (BHP) (brake  horse  power)  e,  a  tração  líquida    deve  ser  usada  para  a  turbina,  bem como o projeto dos aviões equipados com os dois tipos de motores , devem ser semelhantes. A  figura 2  mostra  como  quatro  tipos  de  motores  se  comportam  em  termos  de tração líquida na medida em que a velocidade é aumentada. Visto que as curvas de performance são genéricas, não são para um determinado tipo de motor, as ordenadas  e  abscissas  não  foram  quantificadas  tanto    para  as  velocidades, tração líquida ou arrasto. Note-se  que  para  velocidades  à  esquerda  da  linha  “A”,  o  motor  alternativo apresenta  melhor  performance  do  que  os  outros  três.  O  motor  turbofan 

apresenta  melhor  performance  do  que  o  motor  alternativo  para  velocidades localizadas a direita do ponto “B”. Os  pontos  nos  quais  o  arrasto  do  avião  cruza  com  a  curva  de  tração  líquida definem a velocidade máxima do avião. Fica visível que o avião equipado com o motor turbo jato é aquele que pode atingir a maior velocidade, visto que esta característica  é  indicada  pela  intercessão  das  curvas  de  tração  liquida  com  a curva de arrasto.  

 4    4. INSTRUMENTOS E PARÂMENTROS DA TURBINA  O  funcionamento  de  uma  turbina  pode  ser  monitorado    pela  verificação  de certos  parâmetros  como:  pressão  de  óleo,  temperatura  de  óleo,  velocidade  do motor, temperatura dos gases de exaustão e fluxo de combustível, instrumentos estes comuns aos motores alternativos, mas existem outros parâmetros  a serem medidos e indicados como: Razão  de  pressão  do  motor,  pressão  de  descarga  do  motor  e  torque,  podendo ainda ter indicadores de temperatura do módulo da turbina.  .  Razão  de  pressão  do  motor  (EPR)  –  um  manômetro  é  usado  para  esta indicação. EPR é a razão de descarga da pressão de descarga da turbina  pra a pressão do ar de entrada. Os sensores de pressão estão instalados junto à entrada do ar e à exaustão. Os sinais são enviados para transdutores diferenciais de pressão de onde a pressão diferencial medida é levada para um indicador de EPR localizado no painel de instrumentos, indicadores de parâmetros dos motores. O projeto do sistema de indicação de EPR já  provê compensações de efeitos de velocidade  e  altitude,  todavia  mudanças  na  temperatura  necessitam  ser consideradas para se fazer setagem correta de potência.  .  Temperatura  dos  gases  de  exaustão  (EGT)  –  um  fator  funcional  limitante na operação de uma turbina é a temperatura máxima que pode ocorrer na seção  da turbina. Este parâmetro é vigiado seriamente através de indicador próprio de EGT, visto que ele indica o estado de vida da turbina, e é o principal parâmetro que define serviços de manutenção do motor. Dependendo  da  localização  dos  sensores  de  temperatura,  os  indicadores recebem diferentes designações como:   TIT – turbine inlet temperature,  TOT – turbine outlet temperature   TGT – turbine gas temperature.  .  Torquemeter  –  este  parâmetro  é  medido  e  indicado  nas  turbinas  tipo turbohélice  e turbo  eixo. Torque é uma força de torção aplicada a um  eixo. O torquímetro mede a potência aplicada ao eixo, sendo sua escala em percentual de pés por libra ou libras por polegada.  .  Indicador  de  N1 –  representa  a  velocidade  de  rotação  do  compensador    de baixa pressão e é apresentada  como percentual da rotação de projeto (%RPM). Após a partida a velocidade N1 é definida pela turbina de N

1 através de seu eixo concêntrico.   . Indicador de N2 – representa a velocidade de rotação do compressor de alta pressão  e é apresentada  como  percentual da rotação de projeto  (%RPM). Este compressor é acionado pela turbina de N2 através de seu eixo concêntrico, veja-se a figura 3.   

 5 5. CONSIDERAÇÕES OPERACIONAIS  Pela  variedade  construtiva  das  turbinas,  é  impraticável  cobrir  procedimentos operacionais  específicos,  todavia    existem  algumas  considerações  que  são comuns para qualquer turbina, como: limites de temperatura , danos por objetos sugados, partida quente , stall de compressor e apagamento.  .  Limites  de  temperatura  do  motor  –  a  temperatura  mais  elevada  em  um motor a reação ocorre na entrada da secção das turbinas, por este motivo este é um parâmetro limitante do funcionamento do motor.  .  Variações  de  tração  –  a  tração  varia  diretamente  com  a  densidade  do  ar. Estes motores diferentemente do motor alternativo, não sofre perda significante de tração em decorrência da alta umidade relativa do ar.  .  Admissão  de  objetos  (FOD  –  forign  object  damage)  –  estes  motores  são bastante suscetíveis à ingestão de corpos estranhos e estes causam sérios danos, principalmente  nos  compressores  e  turbinas.  Preventivamente  alguns  motores dispõem  de  um  sistema  de  vórtice  instalados  na  entrada  de  ar  para  impedir  a sua sucção.  .  Partida  quente  –  partida  quente  é  quando  a  EGT  ultrapassa  seu  limite,  é causada pela injeção excessiva de combustível ou por baixa rotação da turbina. Uma partida falsa também pode ocorrer caso a velocidade de partida  foi muito baixa    ou  a  alimentação  de  combustível  falhou.  O  motor  não  atinge  a velocidade de marcha lenta e apaga.  .  Stall  de  compressor  –  ocorre  quando  o  ângulo  de  ataque  das  aletas  do compressor for maior do que o ângulo de ataque crítico, condição em que deixa de haver fluxo laminar de ar no compressor e a turbulência se faz presente pela flutuação da pressão. Veja a figura 4.  O stall do compressor causa a parada de entrada de ar para o compressor até a estagnação, algumas vezes revertendo o fluxo. Um  stall  de  compressor  é caracterizado pelo  ruído como  se fosse um  “tiro” e pode ter conseqüências severas, como vibrações  do motor e danos maiores. O stall  é  acompanhado  de  oscilações  nas  indicações  de  RPM  e  na  temperatura EGT. A maioria dos motores dispõem de um sistema que inibe a ocorrência de stall, este  sistema  VIGV  –  (variable  inlet  guide  vane)  e  VSV  –  (variable  stator vanes), têm  a função de jogar o ar admitido no motor de forma a iniciar  com as  aletas do motor em ângulo apropriado. A melhor forma de evitar a ocorrência de stall de compressor é operar o avião segundo os parâmetros estabelecidos pelo fabricante.  . Apagamento do motor – é uma condição na operação de uma turbina a gás em que o fogo no motor se extingue espontaneamente. A chama pode apagar se 

a mistura combustível-ar ficar muito rica, o que constitui um “rich flameout”.  Esta condição pode ocorrer quando de uma aceleração acentuada e  rápida em que  o  volume  de  combustível  é  grande  o  suficiente  para  baixar  a  temperatura na  câmara  de  combustão,  de  forma  que  esta  temperatura  é  insuficiente  para queimar  a  mistura,  ou  ainda,  se  a  velocidade  é  tão  baixa  que  o  volume  de  ar 

 6 comprimido é insuficiente para manter a chama, ou outros motivos como falhas dos sistemas de injeção ou elétrico.                                         

 7  6. ALGUNS CONHECIMENTOS COMPLEMENTARES 

 8  6.1. Desenvolvimento da tração (EMPUXO)  Deixando de lado as minúcias, aqui desnecessárias, interessando-nos apenas no entendimento geral, pode-se dizer que aceleramos uma massa de ar em direção à  parte  traseira  do  motor,  daí  resultando  uma  reação,  em  direção  oposta, denominada empuxo. A massa de um corpo é constituída pelo número de moléculas que existem nele. Naturalmente  não  podemos  contar  o  número  de  moléculas  que  passam  pelo motor, tão pouco, podemos interromper o fluxo de ar que flui através dele para pesá-lo, mas é certo que o peso lá está. Newton  definiu  as  três  Leis  do  Movimento  conhecidas  como  Lei  da  Inércia (um  corpo  em  repouso  permanece  em  repouso  e  um  corpo  em  movimento continua  a  mover-se  em  velocidade  constante,  isto  é,  em  movimento  retilíneo uniforme),  Lei  da  Aceleração  (a  aceleração  adquirida  por  um  corpo  é diretamente  proporcional  à  força  F  e  inversamente  proporcional  à  massa  M deste corpo a = F/M, de onde tiramos F = M . a) e Lei da Ação e Reação (para cada ação existe sempre uma reação igual de sentido oposto). Sabe-se que a massa é uma função do peso e da aceleração da gravidade e que a aceleração é uma medida da variação da velocidade na unidade de tempo, isto é: M= W/g,  a = ∆V/∆t  de onde  V = a.t  e  F = W/g . ∆V (fórmula 1), sendo F  =  força,  W  =  peso,  g  =  aceleração  da  gravidade  e  ∆V  =  variação  de velocidade por unidade de tempo. Tendo  a  fórmula  1  como  referência,  para  que  um  corpo  em  repouso  seja colocado  em  movimento,  é  necessário  aplicar  uma  força,  esta  deve  ter  a capacidade de acelerar o corpo para que entre em movimento, saia do repouso. Dando continuidade ao desenvolvimento de nosso raciocínio relativo à fórmula F  =  W/g  .  a,    ao  multiplicarmos  os  dois  lados  da  equação  pelo  tempo  (t)  e substituindo-se a.t por V, teremos: F . t = W/g . V onde F . t = I (Impulso ou Impulsão)   e  W/g . V = MV (Quantidade de Movimento). Das relações anteriores conclui-se que: F.t = MV. Para  o  campo  dos  motores  a  jato,  já  que  estamos  tratando  de  variação  de velocidade de fluxo de ar, mistura ou gases, devemos ter:  F = M (Vj – Va)  ou seja  F = W/g (Vj – Va),  Sendo Vj a velocidade do ar no tubo de descarga do motor e  Va a velocidade inicial  do  ar  admitido,  logo  a  diferença  das  duas  velocidades  representa  a velocidade  do  ar  adquirida  no  interior  do  motor.  Veja  as  figuras  6.1.1  e  6.1.2 que no dão uma idéia de como definir o peso da massa de ar.   FIGURA 6.1.1 – MUDANÇA DE VELOCIDADE ATRAVÉS DO MOTOR 

 9    FIGURA 6.1.2 – ÁREA DE ENTRADA E CÁLCULO DO PESO DO FLUXO DE AR   Note-se  que  até  aqui  estamos  considerando  apenas  a  força  decorrente  da velocidade  da  massa  de  ar  no  interior  do  motor,  quando  na  verdade  outros parâmetros  se  fazem  presentes,  como,  por  exemplo,  a  massa  do  combustível que,  diga-se  de  passagem,  é  significativa,  bem  como  também  importante  a variação da pressão ocorrida na entrada de ar, pois existe uma sucção à frente da  entrada  do  motor  e  igualmente,  em  sentido  contrário  na  parte  traseira  do motor onde ocorre a descarga dos gases queimados.  A figura 6.1.3 nos permite uma idéia relativa à distribuição do fluxo de ar em um  motor  de  turbina  a  gás  turbofan  com  fan  dianteiro  e  traseiro  onde,  no segundo  conceito  apresentado,  temos  o  fluxo  de  ar  do  fan  reconduzido  para constituir uma descarga única.     FIGURA 6.1.3 – FLUXOS DE DESCARGA MISTURADOS E SEPARADOS 

 10   A figura 6.1.4 mostra três configurações básicas dos motores de turbinas a gás, em especial a seção geradora de gás.    FIGURA 6.1.4 – CONFIGURAÇÃO BÁSICA DE MOTORES DE TURBINA A GÁS  Portanto a equação mais adequada para representar o empuxo desenvolvido por um motor a reação será:  F (empuxo) = Wa/g . (Vj – Va) + Wf/g . Vj + Aj . (Psj – Pam)  Onde: Wa = Peso do ar; Wf = peso do combustível; Psj = Diferença da pressão estática da descarga; Pam = pressão ambiente; Aj = Área da descarga. Na parcela referente à contribuição do combustível  não existe a multiplicação pela  diferença  das  velocidades  (final  e  inicial)  porque  a  velocidade  inicial  é