Assunto Técnico: Motores a Jato - Parte 1 - Motores de Ciclo Brayton

 A algum tempo falei aqui no blog sobre motores à combustão, e obtive vários comentários favoráveis sobre o assunto tanto na pista quanto por e-mail, e olha que recebi e-mails do Brasil inteiro falando sobre o assunto... 

Então, para dar continuidade, resolvi postar hoje a primeira metade do artigo sobre MOTORES A JATO. 

Espero que gostem, afinal, este assunto foi tema de conversas na pista neste final de semana...

Hoje vamos conhecer o mais popular tipo de motor a jato para os nossos aviões: O Motor à turbina, ou simplesmente, motor a reação... 

A História

Os motores a reação foram os responsáveis por uma verdadeira revolução da aviação. Surgidos bem no final da segunda guerra mundial (entre 1944 e 1945), de invenção alemã (embora os ingleses tenham tido a mesma idéia há vários anos, mas sem tempo para por em vôo antes dos nazistas), os aviões equipados com os "motores a jato" das forças de Hitler colocavam respeito e desafiavam os pilotos das aeronaves aliadas equipadas com motores convencionais de aterrorizante cavalaria, como é caso do P-51 Mustang, Corsair, Spitfire e do P-47 Thunderbolt, equipadas com motores de até 3000 hp de potência. Na aviação civil, foram gradativamente ganhando espaço no pós-guerra, tornando-se os responsáveis pelo "boom" do transporte aéreo transcontinental, e pela aposentadoria de verdadeiros titãs a pistão dos céus como são os Constellation, Electra, Douglas entre outros que acabaram perdendo a preferência dos seus passageiros de vanguarda e, devido a isso, a "preferência" de seus clientes (companhias aéreas) devido à baixa velocidade.

Mas antes de qualquer coisa, vamos eliminar as confusões (afinal, aqui não tem espaço pro narrador da sessão da tarde)

Uma confusão constante 1 – Turbina não é motor

Não se diz que turbina é motor. Turbina é parte do motor. Não se diz que "eu vi na televisão que o passarinho fez ninho dentro da turbina!" Da próxima vez diga que fez o ninho no motor do avião. Não aumente as estatísticas de pérolas da aviação! Por isso, lembre-se "motor a reação".
A turbina é a parte de um motor que recebe os gases quentes oriundos da explosão. No jato, a turbina é a parte quente alimentada pelos gases provenientes da câmara de combustão e o compressor é a parte fria, que é alimentado pelo ar frio que depois de comprimido, entra na câmara de combustão, provido de pressão, velocidade e temperaturas elevadas. Isso também vale para os carros turbo-alimentados.

Uma confusão constante 2 - Reversor

É comum a grande imprensa querer dar aula técnica de pilotagem e mecânica/elétrica após acidentes aeronáuticos e ainda afirmar qual foi a causa do acidente antes mesmo do anúncio oficial. A pérola da imprensa desta vez foi afirmar, taxativamente, que o reverso funcionava da seguinte maneira. O motor pára e inverte o seu sentido de rotação. O ar ao invés de entrar pelo motor, passa a sair! Esta pérola foi ensinada nas tragédias do vôo 402 e 3054. Portanto: Atenção! Não repitam o que aprenderam com a grande imprensa!
Na verdade, o reversor é uma espécie de freio aerodinâmico. Salvo algumas exceções, só funciona com a aeronave no solo. Ele desvia o ar, que sai do escapamento, para frente e ajuda na frenagem da aeronave. Durante o vôo normal o ar sai pelo escapamento e empurra a aeronave para frente. Com o reverso, o ar continua saindo pelo escapamento e é desviado pelas conchas do reversor para frente, empurrando a aeronave para trás. Desta forma se o avião estiver parado e o Piloto acionar este dispositivo, o avião dará marcha à ré com toda facilidade! Os Electra faziam sempre esta manobra quando atrasados para decolagem!

Vamos entender como tudo isso funciona?

Verdadeira proeza da engenharia, os motores a jato são assustadores. Basta ficar em sua frente, olhando para sua bocarra...
Podem ser de fluxo axial ou centrífugo, ou uma combinação dos dois.
Atualmente existem motores a reação com potência que ultrapassam a marca de 80 Toneladas de empuxo em bancadas de teste. Estes motores equipam o Boeing 777. Uma potência tão "discreta" que à grosso modo poderíamos comparar a massa de ar sendo propelida, como se fossem carretas de 60 toneladas arremessadas, constantemente, pelo fan do motor.
O que impressiona é justamente esta constância da propulsão, ao contrário dos motores do ciclo Otto, que possuem os quatro tempos-motor ocorrendo um de cada vez no interior de cada cilindro, os motores a reação, do ciclo Brayton, contam com estes quatro estágios ocorrendo simultaneamente em quatro partes distintas do motor, vamos conhecê-las.

1º Estágio (Admissão):

O estágio admissão (suck) começa aqui, estamos na entrada de admissão do motor, bem na parte visível onde sempre os urubus teimam em entrar durante o vôo e acabam virando picadinho. Neste estágio o ar entra em baixa pressão, sugado pela depressão criada pelas palhetas (blades) do compressor e pelo ar de impacto, se aeronave já estiver em vôo. Vale lembrar que os motores a jato são projetados para que o ar na admissão tenha direção, velocidade e volume determinados. Se a quantidade não estiver dentro da margem operacional, o motor não funciona: ou ele apaga por falta de ar, ou apaga por excesso, neste último caso imaginem uma vela sendo apagada pela força do sopro.

2º Estágio (Compressão):

O estágio da compressão (squeeze) vem em seguida. A massa de ar, obtida na admissão, chega aos compressores intermediários e em seguida aos compressores de alta pressão. Como logo denuncia seu nome, este estágio faz com que o ar que vem da admissão em pressão muito baixa ganhar, a cada etapa da compressão, mais velocidade, caloria e densidade. Todos estes parâmetros em níveis absurdos de pressão e o entrega pronto para explodir na câmara de combustão.

3º Estágio (Combustão):

O penúltimo estágio, combustão (burn). É aqui que literalmente as coisas pegam fogo. A massa de ar, entregue pelos compressores no estágio anterior, chega prontinha para ser misturada com o combustível (querosene), formando a famosa mistura ar-combustível que pega fogo no interior da câmara de combustão, que em seu interior atinge com toda facilidade mais de 1300 ºC entregando a massa de gases de combustão para a Turbina.

4º Estágio (Escapamento):

Agora queimada, a mistura ar-combustível, chega transformada em gás propelente até a Turbina, trocando energia térmica em energia mecânica, girando os discos de turbina, produzindo energia que faz o 1º, 2º e 3º estágios aconteceram anteriormente ligados em eixos concêntricos, neste ciclo vicioso "sem fim", até que cesse ou diminua o fornecimento de combustível. Vencida esta fase o ar flui pelo escapamento (blow), fornecendo a propulsão necessária para colocar a aeronave em movimento.

Partida

Nos jatos, cada estágio depende um do outro. Assim como nos carros, para ligar o motor a jato, precisamos de uma forcinha extra, precisamos de um motor de partida um famoso "motor de arranque" ligado no compressor (2º estágio). Quando a rotação chega em um ponto ideal, as velas centelham dentro da câmara de combustão (3º estágio) e explodem, levando os gases da queima para as turbinas (4º estágio) e, assim o ar é admitido pelo compressor (1º estágio).

Eixos concêntricos

Os estágios do motor a reação de fluxo axial ou centrífugo ocorrem simultaneamente e são interligados entre si por eixos concêntricos. Nos motores de nossos carros (ciclo Otto), cada tempo motor também depende do outro, mas cada um ocorre de cada vez. Assim, não há escapamento sem a explosão, esta sem a precedente compressão e admissão, isto em duas voltas de 360º de movimentação do eixo de manivelas.

Existem diversos tipos de motores de automóveis... alguns com quatro, seis, oito pistões. Alguns com oito, outros com 16, 20 válvulas, alguns turbo, outros aspirados e também supercarregados. Alguns podem ser carburados outros injetados eletronicamente. Enfim, todos funcionam da mesma forma. O mesmo ocorre com os jatos. Existem diversos modelos de motores a jato, cada um para uma aplicação. Se for para a caça, defesa ou aeromodelismo: jato puro; se aviação comercial moderna: turbo-fan; se aviação comercial para operar em pistas curtas ou não asfaltadas, o turbo-hélice; Se for para helicóptero é usado o turbo-eixo (shaft). Há também os motores foguete, pulso-jato e estato-reator, os dois últimos foram usados, restritivamente, pelos militares em beligerância e serão abordados na segunda metade deste artigo.

Existem várias marcas de motores a reação para aeromodelos, as mais comuns são Jet-Cat, AMT Netherlands ou FTE. 

Exemplo de motor a jato AMT.

Olha só o que uma bichinha dessas pode fazer por um de nossos aviões...

Por hoje é só... Semana que vem vou postar como funciona o resto dos motores a jato usados em aeromodelos, começando pelo famoso PULSOJATO... Aquele trem é pra maluco... mas sempre tem um que gosta!