“As Máquinas Mais Fascinantes Já Fabricadas”: Como funcionam os motores a jacto

Quando embarcas num avião, podes ter notado aquele pequeno remoinho, ou haxixe branco, no meio do motor, a girar lentamente como uma ilusão de óptica. Atrás desse redemoinho está provavelmente a peça de engenharia mais complexa alguma vez concebida: Um dos motores a jacto que alimenta a sua aeronave.

“Não há contacto metal-metal. Eles podem ir por milhares de horas – 60.000 horas – dependendo apenas do ar e do combustível. Os componentes são incrivelmente duradouros”, disse Dr. Magdy Attia, Professor de Engenharia Aeroespacial da Universidade Aeronáutica Embry-Riddle.

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Falei com o Dr. Attia e James Speich, Diretor de Marketing da Pratt & Whitney Commercial Engines, para entender como funciona um motor a jato.

Attia é um especialista de longa data em engenharia aeroespacial; ele tem várias patentes aeroespaciais em seu nome juntamente com um braço de publicações revisadas por pares. Ele também dirige uma instalação de pesquisa de turbinas a gás na universidade. Speich é um engenheiro mecânico que está na Pratt há 45 anos; ele cortou os dentes trabalhando nos primeiros modelos computadorizados de motores a jato e no PW4000, o sucessor do primeiro motor Pratt projetado para o Boeing 747. Mais sobre isso mais tarde.

Acho que estamos em boas mãos aqui.

Coisas da Sede Primeiro: Muito ar. Really Lots.

Motores Jet funcionam fundamentalmente por extrair ar, muito ar, misturando-o com combustível e expulsando os gases resultantes para fora das traseiras a grande velocidade. Isso faz o motor avançar por reacção, assim como o avião ligado a ele.

Mas não é bem assim que os motores a jacto de hoje funcionam. Na verdade, a maior parte do impulso gerado por um motor a jacto moderno vem simplesmente movendo um volume incrível de ar, tudo de uma só vez, muito rapidamente. Um total de 90% do ar que entra nos motores passa sem ser misturado com combustível e inflamado. As pás do ventilador na frente são um escravo do núcleo do motor – e esse núcleo faz com que esses ventiladores façam todo o trabalho pesado.

No início do motor a jacto, os aviões utilizavam um tipo de motor a jacto que já não é feito para usos comerciais: um turbo-jacto, no qual todo o ar sugado para o motor passa pelo seu núcleo. Hoje em dia, os aviões a jacto utilizam turbocompressores, que empurram quase todo o ar que ingerem à volta do núcleo do motor. São mais silenciosos e muito mais eficientes que os turborreactores.

Os maiores jactos em serviço actualmente têm motores de bypass extremamente elevados, onde existe uma elevada relação entre o ar acelerado através do motor – contornando o núcleo – e o ar que passa para o núcleo do próprio motor. O enorme diâmetro desses motores, como os dos Boeing 777s, deve-se à necessidade de ter um ventilador gigante na frente.

Turbojactos civis pararam de voar com o Concorde, que até usou algo encontrado apenas em caças supersónicos e bombardeiros: pós-combustões – injectando literalmente combustível no escape para criar um enorme impulso de impulso – para ajudar a acelerar na descolagem e, mais tarde no voo, para quebrar a barreira do som.

Você não vai ver chamas a explodir nas costas de aviões civis na descolagem hoje em dia.

Energiaropulsiva é a Chave

A teoria posta em prática com turbofans é algo chamado eficiência propulsiva. É muito mais eficiente mover um grande volume de ar a velocidades relativamente mais lentas do que mover um pequeno volume de ar a velocidades mais elevadas. (Átia repetiu-me esta máxima por memória de rote). “Geralmente, na descolagem, 70% a 80% do impulso é fornecido pelo bypass e cerca de 20% é fornecido pelo próprio núcleo. À medida que a aeronave atinge a altitude de cruzeiro, esta tende para 95% a 100% do impulso (ser) fornecido pelo bypass”, disse Átia. Os motores Turbojet, como os do Concorde, não tinham nenhum bypass, o que os tornava muito caros de operar. Para fazer aquele jacto rugir, os motores tinham de queimar muito combustível.

Suck, Squeeze, Bang and Blow

“Suck, Squeeze, Bang, Blow” é como os pilotos se lembram dos vários estágios de um motor.

Uma cutaway simplificada do núcleo e do ventilador de um motor a jacto. Imagem via Pratt & Whitney, modificado pelo autor.

Suck

O ventilador na frente suga ar. 10% desse ar vai para o chamado “núcleo” do motor. 90 por cento é acelerado e empurrado ao redor do núcleo.

Premir

O ar que entrou no núcleo move-se através de uma série de pequenas pás giratórias presas a um eixo chamado compressor. O ato de girar o ar causa o torque, o que faz com que o ar acelere e aumente sua pressão.

Bang

O combustível é então injetado no ar comprimido e inflamado em um incinerador.

Blow

Próximo, a mistura de gás quente, em rápida expansão, passa por outro conjunto de pás do ventilador chamado turbina. Estes gases são apanhados por pequenas pás na turbina, fazendo girar a turbina.

É esta turbina que é incrível.

A turbina giratória faz girar um eixo que faz girar os compressores e faz girar o ventilador na própria frente. Um takeaway chave: o objectivo do núcleo do motor é girar o ventilador na frente – não para fornecer a maior parte do impulso em si.

“A turbina converte a energia térmica gerada pela combustão de volta em energia mecânica. São as pequenas pás da turbina que giram, e estão ligadas a um eixo, que está ligado ao próprio compressor e ao ventilador”, explicou Átia. Esse eixo da turbina gira em torno de 20.000 RPM – que é realmente, realmente rápido.

Então, quanto ar é necessário para fornecer o movimento de avanço suficiente para colocar as asas em funcionamento, e para gerar elevação?

53 Caminhões UPS

Um motor a jato típico ingerirá cerca de 1.500 quilos de ar por segundo. A densidade do ar ao nível do mar é de cerca de 1,2 quilos por metro cúbico. O Dr. Átia fez algumas contas rápidas para nosso benefício: um caminhão UPS típico tem 23 metros cúbicos e, portanto, um motor a jato puxa o volume de cerca de 53 caminhões UPS – por segundo.

“É o fluxo de massa de ar que é a parte mais importante da equação de empuxo”, disse Átia. Speich concordou, observando que Pratt & Whitney tem se concentrado há 20 anos na eficiência propulsora: “bombeando muito ar”, como ele disse.

As pás do ventilador

A energia criada pelas pás do ventilador é impressionante. E cada fabricante de motores parece ter uma maneira colorida de explicar a energia capturada em uma única pá. Um fabricante disse que a energia em uma única pá em funcionamento poderia lançar um pequeno carro sobre um edifício de sete andares. Outro: basta içar nove autocarros de dois andares (ou 13 elefantes de touro.)

As pás do ventilador para os motores Pratt são feitas com liga de alumínio de alta resistência com uma borda dianteira de titânio. Outros fabricantes de motores a jacto utilizam lâminas ocas de titânio ou lâminas embrulhadas em fibra de carbono. Fato engraçado: as próprias pás do ventilador são mini asas, gerando elevação.

Uma coisa que você percebe quando você chega perto do motor é o quão perto as pontas do ventilador estão da carcaça do motor. Na verdade, P&W as construiu com tal precisão que elas se esfregam na carcaça interna de borracha apenas um pouco, milímetros, o que cria uma pequena ranhura na borracha. As tolerâncias devem ser incrivelmente pequenas.

Supersonic Fan Tips and The Geared Turbofan Solution

Em vôo, as pás do ventilador giram a cerca de 3.000 RPM. Qualquer uma delas mais alta e as pontas dos ventiladores começam a funcionar supersonalmente, fazendo uma enorme quantidade de ruído na forma de um zumbido perfurante. Em contraste, o eixo de baixa pressão gira a 12.000 RPM e o eixo de alta pressão a cerca de 20.000 RPM. Então, como se reduz esta rotação – passando de uma RPM alta na parte de trás do motor para uma RPM mais baixa na parte da frente?

Back to design do motor.

Passar pelo meio do núcleo é um “eixo dentro do eixo”. Um eixo faz girar a turbina de baixa pressão, o compressor de baixa pressão e o ventilador, que você pode ver no diagrama acima. Outro eixo faz girar a turbina de alta pressão e o compressor de alta pressão. Cada componente precisa girar em velocidades diferentes para cada estágio.

Para que o ventilador na frente abrande, “é necessário mais estágios de pressão mais baixa para operar o ventilador a uma velocidade mais lenta do que o eixo de alta pressão”, disse Speich, referindo-se ao projeto convencional do motor de duas palhetas. Esses estágios adicionais adicionam peso e afetam negativamente a eficiência do combustível.

E é aí que entra o turbofan de engrenagem, ou GTF. É o desenvolvimento mais significativo na tecnologia do motor em 20 anos.

Primeiro, com o tempo P&W descobriu como fazer uma caixa de engrenagens leve. A caixa de velocidades actual tem cerca de 250 libras; as primeiras tentativas foram mais próximas dos 600 libras. A engrenagem reduz a velocidade de rotação de três para um. Se o eixo de baixa pressão estiver funcionando a 10.000 RPM, a caixa de engrenagens irá agir para reduzir o ventilador em si para 3.000 rpm mas – criticamente – sem adicionar mais estágios de baixa pressão. Pratt tem trabalhado nela desde que Speich entrou para a empresa, e ativamente por 20 anos de testes.

“Com a engrenagem, você pode girar o ventilador mais lentamente, mas deixar o resto dos componentes girar na velocidade que for mais eficiente para eles”, explicou Speich. Por sua vez, você precisa de menos estágios de baixa pressão – e menos peso dos componentes – para operar o ventilador a essa velocidade mais lenta.

“A engrenagem comprou seu caminho para o motor”, disse Speich. “Todos esses aprendizados…e finalmente hoje a tecnologia alcançou”.

Ganhos de eficiência com o tempo

Speich está em P&W desde meados dos anos 70, e juntou-se logo após P&W lançou o JT9D, que alimentou o primeiro Boeing 747. “Esses primeiros motores tinham uma taxa de desvio de cerca de 4,5 para 1”, disse Speich. Eles também foram feitos com caixas de ventiladores de aço e componentes de aço forjado, que era bastante pesado.

Compare isso para o motor GTF, que ostenta uma razão de desvio de 12 para 1. O motor é relatado para oferecer 15% de ganhos em eficiência de combustível. “Isso é enorme neste espaço”, disse Attia enfaticamente.

Speich observou que sua empresa está vendo ganhos de eficiência superiores a 15%. “Lembro-me que, ao atingir um aumento de um a dois por cento na eficiência do combustível, estava atingindo uma mina de ouro”, disse ele, olhando para trás em sua carreira na empresa. O GTF está atualmente voando em cinco plataformas: a série Airbus A320Neo, o Airbus A220, os jatos E-2 da Embraer, o Irkut MC-21 de fabricação russa e o Mitsubishi MRJ. (Estes dois últimos ainda não estão em serviço comercial.) Você os pilotará nos EUA com Hawaiian, Delta e Spirit entre outros.

“Quando se trata de aerodinâmica, materiais, estruturas, física…tudo – tudo isso é empurrado aos seus limites”, disse Attia. “Acho que são as máquinas mais fascinantes já feitas pelo homem”.

E caso você estivesse se perguntando, o pequeno redemoinho no meio do nariz do motor é deixar qualquer um saber – visualmente – se o ventilador está girando ou não.

Mike Arnot é o fundador do Boarding Pass NYC, uma marca de viagens sediada em Nova York, e um piloto privado.

Imagem em destaque do autor.

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