Tudo sobre os principais componentes do motor a jato

Já alguma vez olhou para um avião a sobrevoar o céu e se perguntou o que o faz andar? Motores a jato são máquinas espantosas que empurram os aviões pelo céu. Neste artigo, vamos conhecer as principais partes dos motores a jato e como funcionam em conjunto para tornar possível o voo.

Como os motores a jato alimentam a aviação moderna

Motores a jato são máquinas potentes que tornam possível as viagens aéreas modernas. Funcionam inspirando o ar, espremendo-o, misturando-o com combustível, queimando a mistura e expelindo os gases quentes para criar impulso. Este impulso empurra o avião para a frente no céu.

Existem vários tipos de motores a jato. Os principais são:

• Turbojactos (motores simples para aviões muito rápidos)
• Turbofans (motores com grandes ventiladores que a maioria dos aviões utiliza)
• Turboprops (motores que accionam hélices para aviões mais pequenos)

Vejamos o componentes principais que compõem estas máquinas fantásticas!

Componentes principais de um motor a jato

A. Sistema de admissão de ar

O entrada de ar é a parte da frente do motor que introduz o ar necessário ao funcionamento do motor. Tem de o fazer:

• Abrandar o ar que entra para a velocidade correta
• Dirigir este ar suavemente para o motor
• Funciona bem a diferentes velocidades e alturas

Os aviões que voam abaixo da velocidade do som (a maioria dos aviões comerciais) utilizam entradas de ar simples e arredondadas. Os aviões supersónicos (como os aviões de combate) necessitam de entradas de ar especiais com peças móveis para lidar com o ar muito rápido.

B. Secção do compressor

Depois de o ar entrar no motor, o compressor O compressor espreme-o para o preparar para a combustão. O compressor tem muitas pás giratórias que empurram o ar para um espaço cada vez mais pequeno, aumentando a sua pressão e temperatura.

Existem dois tipos principais:

• Compressores axiais: Têm filas de lâminas que empurram o ar diretamente para trás (utilizado na maioria dos grandes motores a jato)
• Compressores radiais: Empurrar o ar para fora do centro (utilizado em motores mais pequenos)

O compressor também tem palhetas do estator (lâminas fixas) entre as lâminas rotativas para ajudar a direcionar corretamente o fluxo de ar. Os motores modernos têm frequentemente ambos alta pressão e baixa pressão secções que giram a diferentes velocidades para um melhor desempenho.

C. Câmara de combustão (Combustor)

O incinerador é onde a magia acontece! Esta câmara em forma de anel é onde o combustível é misturado com o ar comprimido e queimado. Esta queima cria gases quentes e em expansão que alimentam o motor.

O incinerador deve:

• Misturar completamente o combustível e o ar
• Manter a chama acesa de forma constante
• Lidar com temperaturas extremas (mais de 2.000°F)
• Proteger o resto do motor do calor

Existem três tipos principais de incineradores:

1. Anular: Uma única câmara em forma de anel (mais comum nos motores modernos)
2. Can-anular: Várias câmaras em forma de tubo dispostas em anel
3. Fluxo inverso: Onde o ar flui de volta para a frente antes de arder

Os incineradores modernos utilizam técnicas especiais de arrefecimento para proteger as paredes metálicas de derreterem com o calor intenso.

D. Conjunto da turbina

Após a combustão do combustível no incinerador, os gases quentes entram no secção da turbina. A turbina tem filas de pás especiais que giram à medida que os gases quentes passam. Este movimento giratório:

• Acciona o compressor na parte da frente do motor
• Fornece energia para os sistemas eléctricos do avião
• Faz a ventoinha rodar nos motores turbofan

As turbinas têm de suportar temperaturas incrivelmente altas. São feitas de ligas especiais que suportam o calor. As turbinas modernas têm pequenos canais de arrefecimento no interior das pás que bombeiam ar frio através delas para evitar a fusão.

A secção da turbina tem normalmente turbinas de alta pressão (HPT) ligado ao compressor de alta pressão, e turbinas de baixa pressão (LPT) ligado ao ventilador ou ao compressor de baixa pressão.

E. Sistema de escape

O sistema de escape trata os gases quentes depois de passarem pelas turbinas. Inclui:

• O cone de escape que ajuda a orientar os gases
• O bocal que acelera os gases para criar mais impulso

Os diferentes tipos de bicos incluem:

• Bicos convergentes: Estes estreitam-se para acelerar o escape (utilizados na maioria dos aviões comerciais)
• Bicos divergentes: Estes alargam-se para obter um escape supersónico (utilizado nos jactos militares)
• Bicos com vetor de impulso: Estes podem mudar de direção para ajudar os aviões a virar rapidamente

Muitos aviões também têm inversores de impulso que redireccionam o escape para a frente ao aterrar, para ajudar a parar o avião mais rapidamente. Trata-se de dispositivos de segurança que evitam que o avião deslize em pistas molhadas ou com gelo.

F. Sistemas de apoio

Para além dos componentes principais, os motores a jato necessitam de vários sistemas de apoio para funcionarem corretamente:

• Rolamentos e lubrificação: Rolamentos especiais e sistemas de óleo mantêm as peças giratórias em movimento suave
• FADEC (Controlo Digital do Motor com Autoridade Total): Sistemas informáticos que monitorizam e controlam o motor
• Sistema de purga de ar: Utiliza um pouco de ar comprimido do motor para:
• Pressurizar a cabina para que as pessoas possam respirar a grandes altitudes
• Aquecer as asas para evitar a acumulação de gelo
• Ligar o motor
• Arrefecer peças quentes do motor

Estes sistemas de apoio são essenciais para o funcionamento seguro e eficiente do motor.

Variações nas concepções de motores a jato

Nem todos os motores a jato são iguais. Vejamos os principais tipos:

Motores de turbojacto

Estes são os motores a jato mais simples. São eles:

• Empurrar o ar diretamente através do motor
• São muito barulhentos
• Funciona bem a altas velocidades
• Utilizar muito combustível
• Eram comuns nos primeiros aviões a jato, mas raramente são utilizados hoje em dia, exceto em algumas aplicações militares

Motores Turbofan

A maioria dos aviões modernos utiliza motores turbofan. Têm uma grande ventoinha na frente que:

• Puxa muito mais ar do que aquele que pode passar pelo núcleo
• Envia a maior parte do ar para o exterior do motor ("ar de derivação")
• Cria a maior parte do impulso de forma mais eficiente
• Funciona mais silenciosamente do que os turbojactores

O rácio de bypass (a quantidade de ar que passa à volta ou através do núcleo) é muito importante. Os motores modernos, como o GE90 dos Boeing 777 e o Trent XWB dos Airbus A350, têm rácios de bypass elevados para melhorar a eficiência do combustível. Este a engenharia de precisão exige uma maquinação complexa para criar os intrincados desenhos das pás das ventoinhas.

Motores Turbopropulsores

Motores turboélice utilizam um núcleo de turbina a gás para fazer girar uma hélice através de uma caixa de velocidades. São eles:

• São mais eficientes a velocidades médias (300-400 mph)
• Utilizam menos combustível do que os motores a jato puros
• Funciona bem em aviões regionais e de carga
• Produzem menos ruído no interior da cabina do que os turbofans

Motores Ramjet/Scramjet

Estes motores não têm partes móveis e só funcionam a velocidades muito elevadas:

• Ramjets funcionam entre Mach 3 e Mach 6 (3-6 vezes a velocidade do som)
• Scramjets pode funcionar acima de Mach 6
• Ambos são utilizados principalmente em mísseis e aeronaves experimentais
• Não podem trabalhar a partir de um ponto de paragem e precisam de outro motor para se moverem rapidamente primeiro

Sistemas avançados e inovações

A tecnologia dos motores a jato continua a melhorar. Aqui estão alguns desenvolvimentos de ponta:

Bocais de vectorização do impulso

Os aviões militares, como o F-22 Raptor, utilizam vectorização do impulso onde o bocal de escape pode apontar em diferentes direcções para:

• Tornar o avião super-manobrável
• Permitir mudanças rápidas de direção
• Permitir descolagens e aterragens mais curtas

Fabrico aditivo

Impressão 3D está a mudar a forma como as peças do motor são fabricadas:

• Canais de arrefecimento complexos podem ser impressos diretamente nas pás das turbinas
• As peças que costumavam ser feitas de várias peças podem agora ser impressas como uma só
• Reduz o peso e melhora o desempenho
• Permite a criação rápida de protótipos e o ensaio de novos desenhos

Muitos Processos de maquinagem CNC continuam a ser utilizadas juntamente com a impressão 3D para criar componentes de precisão para motores.

Compósitos de matriz cerâmica (CMCs)

Estes materiais fantásticos:

• Suporta temperaturas mais elevadas do que os metais
• Pesar menos do que os materiais tradicionais
• Permite que os motores funcionem mais a quente e de forma mais eficiente
• Requerem menos ar de refrigeração, melhorando o desempenho

Propulsão híbrido-eléctrica

As empresas estão a desenvolver motores que combinam:

• Turbinas a gás tradicionais com motores eléctricos
• Baterias para energia adicional ou de reserva
• Potencial de redução das emissões
• Gestão de energia mais flexível

Ciência dos materiais em motores a jato

Diferentes partes dos motores a jato necessitam de materiais diferentes para enfrentar desafios específicos:

Ligas de titânio

Utilizados principalmente na secção do compressor porque

• Têm uma elevada relação resistência/peso
• Resistir à corrosão
• Suporta calor moderado
• Reduzir o peso total do motor

Lâminas de turbina monocristalinas

As lâminas das turbinas modernas são cultivadas como cristais únicos de metal que:

• Não têm limites de grão onde se podem formar fissuras
• Suporta calor extremo sem se deformar
• Duram muito mais do que as lâminas convencionais
• Permite que os motores funcionem mais a quente e de forma mais eficiente

O fabrico avançado destes componentes exige frequentemente Maquinação de 5 eixos para uma precisão perfeita.

Revestimentos de barreira térmica (TBCs)

Estes revestimentos cerâmicos especiais:

• Proteger as peças metálicas do calor extremo
• Permitir temperaturas de funcionamento mais elevadas
• Aumentar a vida útil do motor
• Melhorar a eficiência do combustível

Segurança e manutenção de componentes críticos

Para manter os motores a jato seguros são necessários procedimentos de manutenção rigorosos:

Resiliência em caso de colisão com aves

As pás do ventilador devem ser capazes de:

• Resistir aos impactos das aves
• Continuar a funcionar após danos
• Conter as peças partidas no interior da caixa do motor
• Evitar danos no resto do avião

Monitorização da EGT (temperatura dos gases de escape)

Esta medida crítica:

• Mostra se o motor está a funcionar demasiado quente
• Ajuda a prever quando é que as peças podem falhar
• Orienta os calendários de manutenção
• Evita falhas catastróficas

Deteção de fissuras em discos de turbina

Técnicas especiais detectam pequenas fissuras antes de se tornarem perigosas:

• O teste ultrassónico utiliza ondas sonoras para encontrar defeitos ocultos
• Os testes de penetração de corantes tornam visíveis as pequenas fissuras
• A radiografia e a tomografia computorizada examinam o interior das peças
• As inspecções regulares evitam catástrofes

Estudos de casos de motores a jato modernos

GE9X: O maior motor turbofan do mundo

Este enorme motor para o Boeing 777X:

• Tem um diâmetro de ventoinha de 134 polegadas (mais de 11 pés!)
• Produz 134.300 libras de impulso
• Utiliza pás de ventilador compostas de fibra de carbono
• Obtém uma melhoria do consumo de combustível de 10% em relação aos motores anteriores
• Possui bocais de combustível impressos em 3D para uma melhor mistura do combustível

Rolls-Royce Trent XWB: Campeão da eficiência

Equipado com o Airbus A350, este motor:

• É um dos turbofans de grande porte mais eficientes em serviço
• Fornece 97.000 libras de impulso
• Proporciona uma eficiência de combustível 15% superior à dos motores anteriores
• Utiliza lâminas avançadas de titânio oco
• Possui um sistema de compressor avançado com uma relação de pressão de 50:1

Pratt & Whitney F135: potência militar

Este motor para o jato de combate F-35 Lightning II:

• Produz mais de 43.000 libras de impulso
• Pode proporcionar uma capacidade de descolagem curta e aterragem vertical
• Incorpora caraterísticas furtivas para reduzir a assinatura do radar
• Inclui controlos digitais avançados para um desempenho preciso

Muitos componentes para estes motores avançados requerem maquinagem de precisão de metais para cumprir especificações exactas.

Perguntas frequentes sobre componentes de motores a jato

O futuro da tecnologia dos motores a jato

A tecnologia dos motores a jato continua a progredir de forma entusiasmante:

• Combustão de hidrogénio: Motores que podem queimar hidrogénio em vez de combustível de avião, produzindo apenas água como escape
• Combustíveis sustentáveis para a aviação (SAF): Substitutos imediatos do combustível convencional para aviões a jato fabricados a partir de fontes renováveis
• Modelos de rotor aberto: Motores com pás de ventilador expostas que são muito mais eficientes mas têm problemas de ruído
• Propulsão distribuída: Vários motores mais pequenos espalhados pela aeronave em vez de alguns grandes
• Materiais avançados: Novos compósitos e cerâmicas que permitem temperaturas mais elevadas e menor peso

Resumo

Os motores a jato são máquinas espantosas com muitos componentes especializados que funcionam perfeitamente em conjunto. Desde a entrada de ar na parte da frente até ao sistema de escape na parte de trás, cada peça desempenha um papel fundamental na criação do impulso que impulsiona o voo moderno.

Os principais componentes que abordámos incluem:

1. O entrada de ar que capta e direciona o ar para o motor
2. O compressor que comprime o ar a alta pressão
3. O incinerador onde o combustível arde com o ar comprimido
4. O turbina que extrai energia dos gases quentes
5. O sistema de escape que acelera os gases para criar impulso
6. Diversos sistemas de apoio que mantêm tudo a funcionar corretamente

À medida que a tecnologia avança, os motores a jato continuam a tornar-se mais potentes, mais eficientes e mais amigos do ambiente, garantindo que as viagens aéreas continuarão a ser uma parte vital do nosso mundo durante as gerações vindouras.