Motor a jato

Força Aérea dos EUA F-15E Águias de ataque

Motor a jato durante a descolagem mostrando exaustão quente visível (Alemanha Airbus A319)

Um motor a jato é um tipo de motor de reação, descarregando um jato rápido de gás aquecido (geralmente ar) que gera impulso por propulsão a jato. Embora essa definição ampla possa incluir foguete, jato de água e propulsão híbrida, o termo motor a jato geralmente se refere a um motor a jato de combustão interna, como um turbojato, turbofan, ramjet ou jato de pulso. Em geral, os motores a jato são motores de combustão interna.

Os motores a jato que respiram ar normalmente apresentam um compressor de ar giratório alimentado por uma turbina, com a energia restante fornecendo impulso através do bocal de propulsão - esse processo é conhecido como ciclo termodinâmico de Brayton. Aeronaves a jato usam esses motores para viagens de longa distância. Os primeiros aviões a jato usavam motores turbojato que eram relativamente ineficientes para voos subsônicos. A maioria dos aviões a jato subsônicos modernos usa motores turbofan de alto desvio mais complexos. Eles fornecem maior velocidade e maior eficiência de combustível do que os motores aeronáuticos de pistão e hélice em longas distâncias. Alguns motores de respiração de ar feitos para aplicações de alta velocidade (ramjets e scramjets) usam o efeito ram da velocidade do veículo em vez de um compressor mecânico.

O impulso de um motor de avião típico passou de 5.000 lbf (22.000 N) (turbojato de Havilland Ghost) na década de 1950 para 115.000 lbf (510.000 N) (turbofan General Electric GE90) na década de 1990, e sua confiabilidade passou de 40 desligamentos em voo por 100.000 horas de voo do motor para menos de 1 por 100.000 no final de 1990. Isso, combinado com uma grande redução no consumo de combustível, permitiu voos transatlânticos de rotina em aviões bimotores na virada do século, onde anteriormente uma viagem semelhante exigiria várias paradas para abastecer.

História

O princípio do motor a jato não é novo; no entanto, os avanços técnicos necessários para fazer a ideia funcionar não se concretizaram até o século XX. Uma demonstração rudimentar do poder do jato remonta ao aeolipile, um dispositivo descrito por Herói de Alexandria no Egito do século I. Este dispositivo direcionava a energia do vapor através de dois bocais para fazer uma esfera girar rapidamente em seu eixo. Foi visto como uma curiosidade. Enquanto isso, aplicações práticas da turbina podem ser vistas na roda d'água e no moinho de vento.

Historiadores ainda traçaram a origem teórica dos princípios dos motores a jato aos tradicionais sistemas chineses de fogos de artifício e propulsão de foguetes. Tais dispositivos' O uso para o vôo está documentado na história do soldado otomano Lagâri Hasan Çelebi, que supostamente conseguiu voar usando um foguete em forma de cone em 1633.

As primeiras tentativas de motores a jato que respiram ar eram projetos híbridos nos quais uma fonte de energia externa primeiro comprimia o ar, que era então misturado com combustível e queimado para o impulso do jato. O italiano Caproni Campini N.1 e o motor japonês Tsu-11 destinado a alimentar os aviões Ohka kamikaze no final da Segunda Guerra Mundial não tiveram sucesso.

Mesmo antes do início da Segunda Guerra Mundial, os engenheiros começaram a perceber que os motores que acionavam as hélices estavam se aproximando dos limites devido a problemas relacionados à eficiência da hélice, que diminuía à medida que as pontas das pás se aproximavam da velocidade do som. Se o desempenho da aeronave aumentasse além dessa barreira, um mecanismo de propulsão diferente seria necessário. Esta foi a motivação por trás do desenvolvimento do motor de turbina a gás, a forma mais comum de motor a jato.

A chave para um motor a jato prático era a turbina a gás, extraindo energia do próprio motor para acionar o compressor. A turbina a gás não era uma ideia nova: a patente de uma turbina estacionária foi concedida a John Barber na Inglaterra em 1791. A primeira turbina a gás a funcionar de forma autossustentável foi construída em 1903 pelo engenheiro norueguês Ægidius Elling. Tais motores não chegaram a ser fabricados por questões de segurança, confiabilidade, peso e, principalmente, operação sustentada.

A primeira patente para o uso de uma turbina a gás para alimentar uma aeronave foi registrada em 1921 por Maxime Guillaume. Seu motor era um turbojato de fluxo axial, mas nunca foi construído, pois teria exigido avanços consideráveis sobre o estado da arte em compressores. Alan Arnold Griffith publicou An Aerodynamic Theory of Turbine Design em 1926, levando a trabalhos experimentais na RAE.

O motor Whittle W.2/700 voou no Gloster E.28/39, a primeira aeronave britânica a voar com um motor turbojato, e o Meteor Gloster

Em 1928, o cadete da RAF College Cranwell, Frank Whittle, apresentou formalmente suas ideias para um turbojato a seus superiores. Em outubro de 1929, ele desenvolveu ainda mais suas ideias. Em 16 de janeiro de 1930, na Inglaterra, Whittle apresentou sua primeira patente (concedida em 1932). A patente mostrava um compressor axial de dois estágios alimentando um compressor centrífugo de um lado. Os compressores axiais práticos foram possíveis graças às ideias de A.A.Griffith em um artigo seminal em 1926 ("Uma teoria aerodinâmica do projeto de turbina"). Whittle mais tarde se concentraria apenas no compressor centrífugo mais simples. Whittle não conseguiu interessar o governo em sua invenção e o desenvolvimento continuou em um ritmo lento.

Heinkel Ele 178, a primeira aeronave do mundo a voar puramente com turbocompressor

Na Espanha, o piloto e engenheiro Virgilio Leret Ruiz obteve a patente de um projeto de motor a jato em março de 1935. O presidente republicano Manuel Azaña providenciou a construção inicial da fábrica de aviões Hispano-Suiza em Madri em 1936, mas Leret foi executado meses depois mais tarde pelas tropas marroquinas franquistas, após defender sem sucesso sua base de hidroaviões nos primeiros dias da Guerra Civil Espanhola. Seus planos, escondidos dos franquistas, foram entregues secretamente à embaixada britânica em Madri alguns anos depois por sua esposa, Carlota O'Neill, após sua libertação da prisão.

Em 1935, Hans von Ohain começou a trabalhar em um projeto semelhante ao de Whittle na Alemanha, tanto o compressor quanto a turbina eram radiais, em lados opostos do mesmo disco, inicialmente sem saber do trabalho de Whittle. O primeiro dispositivo de Von Ohain era estritamente experimental e só podia funcionar com energia externa, mas ele conseguiu demonstrar o conceito básico. Ohain foi então apresentado a Ernst Heinkel, um dos maiores industriais de aeronaves da época, que imediatamente viu a promessa do projeto. Heinkel havia comprado recentemente a empresa de motores Hirth, e Ohain e seu mestre maquinista Max Hahn foram estabelecidos lá como uma nova divisão da empresa Hirth. Eles tiveram seu primeiro motor centrífugo HeS 1 funcionando em setembro de 1937. Ao contrário do projeto de Whittle, Ohain usava hidrogênio como combustível, fornecido sob pressão externa. Seus projetos subsequentes culminaram no HeS 3 movido a gasolina de 5 kN (1.100 lbf), que foi instalado na estrutura simples e compacta do He 178 da Heinkel e pilotado por Erich Warsitz no início da manhã de 27 de agosto de 1939, de Aeródromo de Rostock-Marienehe, um tempo impressionantemente curto para o desenvolvimento. O He 178 foi o primeiro avião a jato do mundo. Heinkel solicitou uma patente nos Estados Unidos cobrindo a Usina de Aeronaves de Hans Joachim Pabst von Ohain em 31 de maio de 1939; patente número US2256198, com M Hahn referenciado como inventor. O projeto de Von Ohain, um motor de fluxo axial, em oposição ao motor de fluxo centrífugo de Whittle, acabou sendo adotado pela maioria dos fabricantes na década de 1950.

Um corte do motor Junkers Jumo 004

O austríaco Anselm Franz of Junkers' divisão de motores (Junkers Motoren ou "Jumo") introduziu o compressor de fluxo axial em seu motor a jato. Jumo recebeu o próximo número de motor na sequência de numeração RLM 109-0xx para usinas de turbinas a gás, "004", e o resultado foi o motor Jumo 004. Depois que muitas dificuldades técnicas menores foram resolvidas, a produção em massa desse motor começou em 1944 como um motor para o primeiro caça a jato do mundo, o Messerschmitt Me 262 (e mais tarde o primeiro avião a jato do mundo)., o Arado Ar 234). Diversos motivos conspiraram para atrasar a disponibilidade do motor, fazendo com que o caça chegasse tarde demais para melhorar a posição da Alemanha na Segunda Guerra Mundial, porém este foi o primeiro motor a jato a ser usado em serviço.

Gloster Meteor F.3s. O Meteor Gloster foi o primeiro caça a jato britânico e o único avião a jato dos Aliados a alcançar operações de combate durante a Segunda Guerra Mundial.

Enquanto isso, na Grã-Bretanha, o Gloster E28/39 teve seu voo inaugural em 15 de maio de 1941 e o Gloster Meteor finalmente entrou em serviço com a RAF em julho de 1944. Eles eram movidos por motores turbojato da Power Jets Ltd., montados por Frank Whittle. As duas primeiras aeronaves turbojato operacionais, o Messerschmitt Me 262 e depois o Gloster Meteor entraram em serviço com três meses de diferença um do outro em 1944, o Me 262 em abril e o Gloster Meteor em julho, então o Meteor viu apenas cerca de 15 aeronaves entrarem na Guerra Mundial II enquanto até 1400 Me 262 foram produzidos, com 300 entrando em combate, entregando os primeiros ataques terrestres e vitórias em combate aéreo de aviões a jato.

Após o fim da guerra, os aviões a jato alemães e os motores a jato foram extensivamente estudados pelos aliados vitoriosos e contribuíram para o trabalho nos primeiros caças a jato soviéticos e americanos. O legado do motor de fluxo axial é visto no fato de que praticamente todos os motores a jato em aeronaves de asa fixa tiveram alguma inspiração desse projeto.

Na década de 1950, o motor a jato era quase universal em aeronaves de combate, com exceção de carga, ligação e outros tipos especiais. A essa altura, alguns dos designs britânicos já estavam liberados para uso civil e haviam aparecido nos primeiros modelos, como o de Havilland Comet e o Avro Canada Jetliner. Na década de 1960, todas as grandes aeronaves civis também eram movidas a jato, deixando o motor a pistão em funções de nicho de baixo custo, como voos de carga.

A eficiência dos motores turbojato ainda era um pouco pior do que os motores a pistão, mas na década de 1970, com o advento dos motores turbofan de alto desvio (uma inovação não prevista pelos primeiros comentaristas, como Edgar Buckingham, em altas velocidades e altas altitudes que lhes pareciam absurdas), a eficiência de combustível era quase a mesma dos melhores motores a pistão e hélice.

Usos

Um motor a jato turbofan JT9D instalado em uma aeronave Boeing 747.

Motores a jato alimentam aviões a jato, mísseis de cruzeiro e veículos aéreos não tripulados. Na forma de motores de foguetes, eles alimentam fogos de artifício, foguetes modelo, voos espaciais e mísseis militares.

Os motores a jato impulsionaram carros de alta velocidade, particularmente os pilotos de arrancada, com o recorde histórico detido por um carro-foguete. Um carro movido a turbofan, ThrustSSC, atualmente detém o recorde de velocidade terrestre.

Os projetos de motores a jato são freqüentemente modificados para aplicações não aeronáuticas, como turbinas a gás industriais ou usinas marítimas. Estes são usados na geração de energia elétrica, para alimentar bombas de água, gás natural ou óleo e fornecer propulsão para navios e locomotivas. As turbinas a gás industriais podem criar até 50.000 cavalos de potência no eixo. Muitos desses motores são derivados de turbojatos militares mais antigos, como o Pratt & Modelos Whitney J57 e J75. Há também um derivado do turbofan de baixo desvio P&W JT8D que cria até 35.000 cavalos de potência (HP) .

Os motores a jato também são às vezes desenvolvidos ou compartilham certos componentes, como núcleos de motores, com turboeixos e motores turboélice, que são formas de motores de turbina a gás normalmente usados para mover helicópteros e algumas aeronaves movidas a hélice.

Tipos de motores a jato

Existe um grande número de diferentes tipos de motores a jato, todos os quais alcançam impulso para a frente a partir do princípio da propulsão a jato.

Respiração aérea

Comumente as aeronaves são propulsionadas por motores a jato que respiram ar. A maioria dos motores a jato de ar que estão em uso são motores a jato turbofan, que oferecem boa eficiência em velocidades logo abaixo da velocidade do som.

Movido a turbina

As turbinas a gás são motores rotativos que extraem energia de um fluxo de gás de combustão. Eles têm um compressor a montante acoplado a uma turbina a jusante com uma câmara de combustão no meio. Em motores de aeronaves, esses três componentes principais costumam ser chamados de "gerador de gás". Existem muitas variações diferentes de turbinas a gás, mas todas usam um sistema gerador de gás de algum tipo.

Turbojato

Motor Turbojet

Um motor turbojato é um motor de turbina a gás que funciona comprimindo o ar com uma entrada e um compressor (axial, centrífugo ou ambos), misturando o combustível com o ar comprimido, queimando a mistura no combustor e passando a quente, ar de alta pressão através de uma turbina e um bocal. O compressor é alimentado pela turbina, que extrai energia do gás em expansão que passa por ela. O motor converte energia interna no combustível em energia cinética no escapamento, produzindo empuxo. Todo o ar ingerido pela entrada passa pelo compressor, combustor e turbina, ao contrário do motor turbofan descrito abaixo.

Turbofan

Diagrama esquemático que ilustra a operação de um motor turbofan de baixa bypass.

Os turbofans diferem dos turbojatos porque possuem um ventilador adicional na frente do motor, que acelera o ar em um duto que contorna o motor central da turbina a gás. Turbofans são o tipo de motor dominante para aviões de médio e longo alcance.

Os turbofans são geralmente mais eficientes do que os turbojatos em velocidades subsônicas, mas em altas velocidades sua grande área frontal gera mais arrasto. Portanto, em voos supersônicos e em aeronaves militares e outras em que outras considerações têm prioridade maior do que a eficiência de combustível, os ventiladores tendem a ser menores ou ausentes.

Devido a essas distinções, os projetos de motores turbofan são frequentemente categorizados como bypass baixo ou bypass alto, dependendo da quantidade de ar que contorna o núcleo do motor. Os turbofans de baixo desvio têm uma taxa de desvio de cerca de 2:1 ou menos.

Compressão RAM

Os motores a jato de compressão Ram são motores que respiram ar semelhantes aos motores de turbina a gás e ambos seguem o ciclo Brayton. A turbina a gás e os motores movidos a carneiro diferem, no entanto, em como eles comprimem o fluxo de ar de entrada. Considerando que os motores de turbina a gás usam compressores axiais ou centrífugos para comprimir o ar que entra, os motores ram contam apenas com ar comprimido através da entrada ou difusor. Um motor ram, portanto, requer uma velocidade inicial substancial antes de poder funcionar. Os motores movidos a RAM são considerados o tipo mais simples de motor a jato de respiração de ar porque não podem conter partes móveis.

Ramjets são motores a jato movidos a carneiro. Eles são mecanicamente simples e operam com menos eficiência que os turbojatos, exceto em velocidades muito altas.

Scramjets diferem principalmente no fato de que o ar não diminui a velocidades subsônicas. Em vez disso, eles usam combustão supersônica. Eles são eficientes em velocidades ainda mais altas. Muito poucos foram construídos ou voados.

Combustão não contínua

Outros tipos de propulsão a jato

Foguete

Propulsão do motor de foguete

O motor de foguete usa os mesmos princípios físicos básicos de empuxo como uma forma de motor de reação, mas é diferente do motor a jato, pois não requer ar atmosférico para fornecer oxigênio; o foguete carrega todos os componentes da massa de reação. No entanto, algumas definições o tratam como uma forma de propulsão a jato.

Como os foguetes não respiram ar, isso permite que eles operem em altitudes arbitrárias e no espaço.

Este tipo de motor é utilizado para o lançamento de satélites, exploração espacial e acesso tripulado, tendo permitido a aterragem na Lua em 1969.

Os motores de foguete são usados para vôos de grande altitude, ou em qualquer lugar onde são necessárias acelerações muito altas, uma vez que os próprios motores de foguete têm uma relação impulso-peso muito alta.

No entanto, a alta velocidade de exaustão e o propulsor mais pesado e rico em oxidantes resultam em um uso muito maior de propelente do que os turbofans. Mesmo assim, em velocidades extremamente altas, eles se tornam energeticamente eficientes.

Uma equação aproximada para o empuxo líquido de um motor de foguete é:

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Onde? FNNão. F_{N}} é o impulso líquido, Eu...- Não.Não. I_{text{sp,vac}}} é o impulso específico, g0Não. g_{0}} é uma gravidade padrão, m:: {displaystyle {dot {m}}} é o fluxo propelente em kg/s, AeNão. A_{e}} é a área transversal na saída do bico de escape, e pNão. é a pressão atmosférica.

Híbrido

Motores de ciclo combinado usam simultaneamente dois ou mais princípios diferentes de propulsão a jato.

Jato de água

Um jacto de água, ou pump-jet, é um sistema de propulsão marítima que utiliza um jacto de água. O arranjo mecânico pode ser uma hélice canalizada com bocal ou um compressor centrífugo e bocal. A bomba-jato deve ser acionada por um motor separado, como uma turbina a diesel ou a gás.

Um esquema de jato de bomba.

Princípios físicos gerais

Todos os motores a jato são motores de reação que geram empuxo emitindo um jato de fluido para trás em velocidade relativamente alta. As forças no interior do motor necessárias para criar este jato dão um forte impulso ao motor que empurra a embarcação para a frente.

Os motores a jato fabricam seus jatos a partir do propelente armazenado em tanques que são conectados ao motor (como em um 'foguete'), bem como em motores de dutos (aqueles comumente usados em aeronave) ingerindo um fluido externo (normalmente ar) e expelindo-o em alta velocidade.

Bocal propulsor

O bocal de propulsão é o componente chave de todos os motores a jato, pois cria o jato de exaustão. Os bicos propulsores transformam a energia interna e de pressão em energia cinética de alta velocidade. A pressão total e a temperatura não mudam através do bocal, mas seus valores estáticos caem conforme a velocidade do gás aumenta.

A velocidade do ar que entra no bocal é baixa, cerca de Mach 0,4, um pré-requisito para minimizar as perdas de pressão no duto que leva ao bocal. A temperatura que entra no bocal pode ser tão baixa quanto a ambiente ao nível do mar para um bocal de ventilador no ar frio em altitudes de cruzeiro. Pode ser tão alta quanto a temperatura dos gases de escape de 1000K para um motor de pós-combustão supersônico ou 2200K com o pós-combustor aceso. A pressão que entra no bocal pode variar de 1,5 vezes a pressão fora do bocal, para um ventilador de estágio único, até 30 vezes para a aeronave tripulada mais rápida em mach 3+.

Bicos convergentes só são capazes de acelerar o gás até condições sônicas locais (Mach 1). Para atingir altas velocidades de vôo, são necessárias velocidades de exaustão ainda maiores e, portanto, um bocal convergente-divergente é frequentemente usado em aeronaves de alta velocidade.

O impulso do bocal é maior se a pressão estática do gás atingir o valor ambiente ao sair do bocal. Isso só acontece se a área de saída do bico for o valor correto para a relação de pressão do bico (npr). Como o npr muda com o ajuste de empuxo do motor e a velocidade de vôo, isso raramente acontece. Também em velocidades supersônicas, a área divergente é menor do que o necessário para dar expansão interna completa à pressão ambiente como compensação com o arrasto externo do corpo. Whitford dá o F-16 como exemplo. Outros exemplos subexpandidos foram o XB-70 e o SR-71.

O tamanho do bico, juntamente com a área dos bicos da turbina, determina a pressão de operação do compressor.

Empurrão

Eficiência energética relacionada a motores a jato de aeronaves

Esta visão geral destaca onde ocorrem as perdas de energia em usinas a jato completas ou instalações de motores.

Um motor a jato em repouso, como em uma bancada de testes, suga o combustível e gera empuxo. Quão bem ele faz isso é julgado por quanto combustível ele usa e qual força é necessária para contê-lo. Esta é uma medida de sua eficiência. Se algo se deteriorar dentro do motor (conhecido como deterioração do desempenho), ele será menos eficiente e isso se manifestará quando o combustível produzir menos empuxo. Se for feita uma alteração em uma parte interna que permita que o ar/gases de combustão fluam mais suavemente, o motor será mais eficiente e usará menos combustível. Uma definição padrão é usada para avaliar como coisas diferentes mudam a eficiência do motor e também para permitir comparações entre diferentes motores. Essa definição é chamada de consumo específico de combustível, ou quanto combustível é necessário para produzir uma unidade de empuxo. Por exemplo, será conhecido para um projeto de motor particular que, se algumas saliências em um duto de derivação forem suavizadas, o ar fluirá mais suavemente, resultando em uma redução de perda de pressão de x% e y%, menos combustível será necessário para obter a tomada. fora de impulso, por exemplo. Esse entendimento vem da disciplina de engenharia Desempenho do motor a jato. Como a eficiência é afetada pela velocidade de avanço e pelo fornecimento de energia aos sistemas da aeronave será mencionado posteriormente.

A eficiência do motor é controlada principalmente pelas condições de operação dentro do motor, que são a pressão produzida pelo compressor e a temperatura dos gases de combustão no primeiro conjunto de pás rotativas da turbina. A pressão é a pressão de ar mais alta no motor. A temperatura do rotor da turbina não é a mais alta no motor, mas é a mais alta na qual ocorre a transferência de energia (temperaturas mais altas ocorrem no combustor). A pressão e a temperatura acima são mostradas em um diagrama de ciclo termodinâmico.

A eficiência é ainda mais modificada pela facilidade com que o ar e os gases de combustão fluem através do motor, o quão bem o fluxo está alinhado (conhecido como ângulo de incidência) com as passagens móveis e estacionárias nos compressores e turbinas. Ângulos não ideais, bem como passagens e formas de lâmina não ideais podem causar espessamento e separação de camadas de limite e formação de ondas de choque. É importante desacelerar o fluxo (velocidade menor significa menos perdas de pressão ou queda de pressão) quando ele percorre os dutos que conectam as diferentes partes. Quão bem os componentes individuais contribuem para transformar combustível em impulso é quantificado por medidas como eficiências para os compressores, turbinas e combustor e perdas de pressão para os dutos. Estes são mostrados como linhas em um diagrama de ciclo termodinâmico.

A eficiência do motor ou a eficiência térmica, conhecida como ? ? )h{displaystyle eta _{th}}. é dependente dos parâmetros do ciclo termodinâmico, pressão máxima e temperatura, e das eficiências dos componentes, ? ? compReSSoR{displaystyle eta _{compressor}}, ? ? comb)uS)Eu...on{displaystyle eta _{combustion}} e ? ? )uRb)Eu...ne{displaystyle eta _{turbine}} e perdas de pressão do ducto.

O motor precisa de ar comprimido para funcionar com sucesso. Este ar vem de seu próprio compressor e é chamado de ar secundário. Não contribui para aumentar o empuxo, tornando o motor menos eficiente. É utilizado para preservar a integridade mecânica do motor, para impedir o superaquecimento das peças e para evitar que o óleo escape dos mancais, por exemplo. Apenas parte desse ar retirado dos compressores retorna ao fluxo da turbina para contribuir com a produção de empuxo. Qualquer redução na quantidade necessária melhora a eficiência do motor. Mais uma vez, será conhecido para um projeto de motor particular que um requisito reduzido para fluxo de resfriamento de x% reduzirá o consumo específico de combustível em y%. Em outras palavras, menos combustível será necessário para dar impulso à decolagem, por exemplo. O motor é mais eficiente.

Todas as considerações acima são básicas para o motor funcionar sozinho e, ao mesmo tempo, não fazer nada de útil, ou seja, não está movendo uma aeronave ou fornecendo energia para os sistemas elétrico, hidráulico e aéreo da aeronave sistemas. Na aeronave, o motor cede parte de seu potencial de produção de empuxo, ou combustível, para alimentar esses sistemas. Esses requisitos, que causam perdas na instalação, reduzem sua eficiência. Está usando algum combustível que não contribui para o empuxo do motor.

Finalmente, quando a aeronave está voando o próprio jato de propulsão contém energia cinética desperdiçada depois que ele deixou o motor. Isto é quantificado pelo termo propulsivo, ou Froude, eficiência ? ? p{displaystyle eta _{p}} e pode ser reduzido redesenhando o motor para dar-lhe fluxo de bypass e uma velocidade menor para o jato de propulsão, por exemplo, como um motor turboélice ou turbofan. Ao mesmo tempo, a velocidade de avanço aumenta ? ? )h{displaystyle eta _{th}} aumentando a taxa de pressão geral.

A eficiência geral do motor em velocidade de voo é definida como ? ? o= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? p? ? )h{displaystyle eta _{o}=eta _{p}eta _{th}}.

O ? ? o{displaystyle eta _{o}} na velocidade do voo depende de quão bem a entrada comprime o ar antes de ser entregue aos compressores do motor. A relação de compressão de admissão, que pode ser tão alta quanto 32:1 em Mach 3, acrescenta ao compressor do motor para dar a relação de pressão geral e ? ? )h{displaystyle eta _{th}} para o ciclo termodinâmico. Quão bem isso é definido pela sua recuperação de pressão ou medida das perdas na ingestão. Mach 3 voo tripulado forneceu uma ilustração interessante de como essas perdas podem aumentar dramaticamente em um instante. O North American XB-70 Valkyrie e Lockheed SR-71 Blackbird em Mach 3 tiveram recuperações de pressão de cerca de 0,8, devido a baixas perdas durante o processo de compressão, ou seja, através de sistemas de múltiplos choques. Durante um "início" o sistema de choque eficiente seria substituído por um choque único muito ineficiente além da entrada e uma recuperação de pressão de admissão de cerca de 0,3 e uma relação de pressão correspondentemente baixa.

O bocal de propulsão em velocidades acima de Mach 2 geralmente tem perdas extras de empuxo interno porque a área de saída não é grande o suficiente como uma compensação com o arrasto externo do corpo posterior.

Embora um motor de bypass melhore a eficiência propulsiva incorre em perdas próprias dentro do próprio motor. As máquinas devem ser adicionadas para transferir energia do gerador de gás para um fluxo de ar de bypass. A baixa perda do bico de propulsão de um turbojet é adicionada com perdas extras devido a ineficiências na turbina e ventilador adicionados. Estes podem ser incluídos em uma transmissão, ou transferência, eficiência ? ? T{displaystyle eta _{T}}. No entanto, essas perdas são mais do que feitas pela melhoria da eficiência propulsiva. Há também perdas de pressão extra no ducto bypass e um bico de propulsão extra.

Com o advento de turbofans com suas máquinas de fazer perdas o que passa dentro do motor foi separado por Bennett, por exemplo, entre gerador de gás e máquinas de transferência dando ? ? o= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =? ? p? ? )h? ? T{displaystyle eta _{o}=eta _{p}eta _{th}eta _{T}}.

Dependência de eficiência de propulsão (η) sobre a velocidade do veículo/taxa de velocidade de escape (v/v_e) para motores a jato de ar e foguetes.

A eficiência energética (? ? o{displaystyle eta _{o}}) dos motores a jato instalados em veículos tem dois componentes principais:

• eficiência propulsiva (? ? p{displaystyle eta _{p}}): quanto da energia do jato acaba no corpo do veículo em vez de ser levado como energia cinética do jato.
• eficiência do ciclo (? ? )h{displaystyle eta _{th}}): como eficientemente o motor pode acelerar o jato

Embora a eficiência energética global ? ? o{displaystyle eta _{o}} é:

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para todos os motores a jato eficiência propulsiva é mais alto como a velocidade do jato de escape fica mais perto da velocidade do veículo, pois isso dá a menor energia cinética residual. Para um motor de respiração aérea uma velocidade de escape igual à velocidade do veículo, ou um ? ? p{displaystyle eta _{p}} igual a um, dá zero impulso sem mudança de impulso líquido. A fórmula para motores de respiração a ar que se movem em velocidade vNão. com uma velocidade de escape ve{displaystyle v_{e}}, e negligenciando o fluxo de combustível, é:

? ? p= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =21+vev{displaystyle eta} _{p={frac {2}{1+{frac {v_{e}}{v}}}}}}}

E para um foguete:

? ? p= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2(vve)1+(vve)2{displaystyle eta} _{p}={frac {2,({frac {v}{v_{e}}}}{1+({frac {v}{v_{e}}})^{2}}}}

Além da eficiência propulsiva, outro fator é a eficiência do ciclo; um motor a jato é uma forma de motor térmico. A eficiência do motor térmico é determinada pela razão entre as temperaturas alcançadas no motor e as de exaustão no bocal. Isso melhorou constantemente ao longo do tempo, à medida que novos materiais foram introduzidos para permitir temperaturas máximas de ciclo mais altas. Por exemplo, materiais compósitos, combinando metais com cerâmica, foram desenvolvidos para pás de turbina HP, que funcionam na temperatura máxima do ciclo. A eficiência também é limitada pela taxa de pressão geral que pode ser alcançada. A eficiência do ciclo é maior em motores de foguete (~60+%), pois eles podem atingir temperaturas de combustão extremamente altas. A eficiência do ciclo em turbojato e similares está próxima de 30%, devido às temperaturas de pico do ciclo muito mais baixas.

Eficiência de combustão típica de uma turbina de gás de aeronaves sobre a gama operacional.

Limites típicos de estabilidade de combustão de uma turbina a gás de aeronaves.

A eficiência de combustão da maioria dos motores de turbina a gás de aeronaves em condições de decolagem ao nível do mar é quase 100%. Ele diminui não linearmente para 98% em condições de cruzeiro em altitude. A relação ar-combustível varia de 50:1 a 130:1. Para qualquer tipo de câmara de combustão existe um limite rico e um limite fraco para a relação ar-combustível, além do qual a chama se extingue. A faixa da relação ar-combustível entre os limites rico e fraco é reduzida com o aumento da velocidade do ar. Se o aumentando o fluxo de massa de ar reduz a proporção de combustível abaixo de certo valor, ocorre a extinção da chama.

Impulso específico como uma função de velocidade para diferentes tipos de jato com combustível de querosene (hidrogênio I_sp seria aproximadamente duas vezes mais alto). Apesar de ameixas de eficiência com velocidade, maiores distâncias são cobertas. Eficiência por unidade de distância (por km ou milhas) é aproximadamente independente de velocidade para motores a jato como um grupo; no entanto, os sistemas de ar se tornam ineficientes em velocidades supersônicas.

Consumo de combustível ou propulsor

Um conceito intimamente relacionado (mas diferente) com a eficiência energética é a taxa de consumo de massa do propelente. O consumo de propelente em motores a jato é medido pelo consumo específico de combustível, impulso específico ou velocidade de exaustão efetiva. Todos eles medem a mesma coisa. O impulso específico e a velocidade efetiva de exaustão são estritamente proporcionais, enquanto o consumo específico de combustível é inversamente proporcional aos demais.

Para motores que respiram ar, como turbojatos, eficiência energética e eficiência do propelente (combustível) são praticamente a mesma coisa, já que o propelente é um combustível e a fonte de energia. Em foguetes, o propulsor também é o escapamento, e isso significa que um propelente de alta energia oferece uma melhor eficiência do propulsor, mas pode, em alguns casos, realmente proporcionar uma eficiência energética menor.

Pode ser visto na tabela (logo abaixo) que os turbofans subsônicos como o turbofan CF6 da General Electric usam muito menos combustível para gerar empuxo por um segundo do que o Rolls-Royce do Concorde /Snecma Olympus 593 turbojato. No entanto, como a energia é força vezes a distância e a distância por segundo foi maior para o Concorde, a potência real gerada pelo motor para a mesma quantidade de combustível foi maior para o Concorde em Mach 2 do que para o CF6. Assim, os motores do Concorde eram mais eficientes em termos de energia por milha.

Relação impulso-peso

A relação impulso-peso de motores a jato com configurações semelhantes varia de acordo com a escala, mas é principalmente uma função da tecnologia de construção do motor. Para um determinado motor, quanto mais leve for o motor, melhor será a relação empuxo-peso, menos combustível será usado para compensar o arrasto devido à sustentação necessária para suportar o peso do motor ou para acelerar a massa do motor.

Como pode ser visto na tabela a seguir, os motores de foguete geralmente atingem proporções de empuxo para peso muito mais altas do que os motores de duto, como os motores turbojato e turbofan. Isso ocorre principalmente porque os foguetes quase universalmente usam líquido denso ou massa de reação sólida, o que dá um volume muito menor e, portanto, o sistema de pressurização que alimenta o bocal é muito menor e mais leve para o mesmo desempenho. Os motores de duto precisam lidar com ar que é duas a três ordens de magnitude menos denso e isso gera pressões em áreas muito maiores, o que, por sua vez, resulta na necessidade de mais materiais de engenharia para manter o motor unido e para o compressor de ar.

Comparação de tipos

Comparação de eficiência propulsiva para várias configurações do motor de turbina a gás

Os motores a hélice lidam com fluxos de massa de ar maiores e fornecem uma aceleração menor do que os motores a jato. Como o aumento na velocidade do ar é pequeno, em altas velocidades de vôo, o empuxo disponível para aviões movidos a hélice é pequeno. No entanto, em baixas velocidades, esses motores se beneficiam de uma eficiência propulsiva relativamente alta.

Por outro lado, os turbojatos aceleram um fluxo de massa muito menor de ar de admissão e combustível queimado, mas depois o rejeitam em velocidade muito alta. Quando um bocal de Laval é usado para acelerar a exaustão de um motor quente, a velocidade de saída pode ser localmente supersônica. Os turbojatos são particularmente adequados para aeronaves que viajam em velocidades muito altas.

Os turbofans têm um escapamento misto que consiste no ar de derivação e no gás de combustão quente do motor central. A quantidade de ar que contorna o motor principal em comparação com a quantidade que flui para o motor determina o que é chamado de taxa de desvio do turbofan (BPR).

Enquanto um motor turbojato usa toda a potência do motor para produzir empuxo na forma de um jato quente de gás de escape de alta velocidade, o ar frio de desvio de baixa velocidade de um turbofan produz entre 30% e 70% do empuxo total produzido por um sistema turbofan.

O impulso líquido (F_N) gerado por um turbofan também pode ser expandido como:

FN= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =m:: evhe- Sim. - Sim. m:: ovo+BPR(m:: cvf)Não. F_{N} {m}}_{e}v_{he}-{dot {m}}_{o}v_{o}+ BPR,({dot {m}}_{c}v_{f})}

onde:

Os motores de foguete têm velocidade de escape extremamente alta e, portanto, são mais adequados para altas velocidades (hipersônicas) e grandes altitudes. Em qualquer aceleração, o impulso e a eficiência de um motor de foguete melhoram ligeiramente com o aumento da altitude (porque a contrapressão cai, aumentando assim o impulso líquido no plano de saída do bocal), enquanto com um turbojato (ou turbofan) a densidade decrescente do ar entrar na admissão (e os gases quentes que saem do bocal) faz com que o empuxo líquido diminua com o aumento da altitude. Os motores de foguete são mais eficientes do que os scramjets acima de aproximadamente Mach 15.

Altitude e velocidade

Com exceção dos scramjets, os motores a jato, privados de seus sistemas de admissão, só podem aceitar ar em cerca de metade da velocidade do som. O trabalho do sistema de entrada para aeronaves transônicas e supersônicas é desacelerar o ar e realizar parte da compressão.

O limite de altitude máxima para motores é definido pela inflamabilidade - em altitudes muito altas, o ar fica muito fino para queimar ou, após a compressão, muito quente. Para motores turbojato, altitudes de cerca de 40 km parecem ser possíveis, enquanto para motores ramjet 55 km podem ser alcançáveis. Os Scramjets podem, teoricamente, gerenciar 75 km. Motores de foguete, é claro, não têm limite superior.

Em altitudes mais modestas, voar mais rápido comprime o ar na frente do motor e isso aquece muito o ar. O limite superior é geralmente considerado em torno de Mach 5–8, pois acima de Mach 5,5, o nitrogênio atmosférico tende a reagir devido às altas temperaturas na entrada e isso consome energia significativa. A exceção a isso são os scramjets, que podem atingir Mach 15 ou mais, pois evitam a desaceleração do ar, e os foguetes novamente não têm limite de velocidade específico.

Ruído

O ruído emitido por um motor a jato tem muitas origens. Estes incluem, no caso de motores de turbina a gás, o ventilador, o compressor, o combustor, a turbina e o(s) jato(s) propulsor(es).

O jato de propulsão produz ruído de jato que é causado pela violenta ação de mistura do jato de alta velocidade com o ar circundante. No caso subsônico o ruído é produzido por redemoinhos e no caso supersônico por ondas Mach. A potência sonora irradiada de um jato varia com a velocidade do jato elevada à oitava potência para velocidades de até 2.000 pés/seg e varia com a velocidade ao cubo acima de 2.000 pés/seg. Assim, os jatos de exaustão de baixa velocidade emitidos por motores como turbofans de alto desvio são os mais silenciosos, enquanto os jatos mais rápidos, como foguetes, turbojatos e ramjets, são os mais barulhentos. Para aeronaves a jato comercial, o ruído do jato foi reduzido desde o turbojato, passando pelos motores de derivação até os turbofans, como resultado de uma redução progressiva nas velocidades de propulsão do jato. Por exemplo, o JT8D, um motor de desvio, tem uma velocidade de jato de 1450 pés/seg, enquanto o JT9D, um turbofan, tem velocidades de jato de 885 pés/seg (frio) e 1190 pés/seg (quente).

O advento do turbofan substituiu o ruído característico do jato por outro som conhecido como "buzz saw" barulho. A origem são as ondas de choque originadas nas pás do ventilador supersônico no impulso de decolagem.

Refrigeração

A transferência de calor adequada das peças de trabalho do motor a jato é fundamental para manter a resistência dos materiais do motor e garantir uma longa vida útil do motor.

Depois de 2016, a pesquisa está em andamento no desenvolvimento de técnicas de resfriamento por transpiração para componentes de motores a jato.

Operação

Airbus A340-300 Monitor de aeronaves centralizadas eletrônicas (ECAM)

Em um motor a jato, cada seção rotativa principal geralmente possui um medidor separado dedicado ao monitoramento de sua velocidade de rotação. Dependendo da marca e modelo, um motor a jato pode ter um medidor N₁ que monitora a seção do compressor de baixa pressão e/ou a velocidade do ventilador em motores turbofan. A seção do gerador de gás pode ser monitorada por um medidor N₂, enquanto os motores de carretel triplo também podem ter um medidor N₃. Cada seção do motor gira a muitos milhares de RPM. Seus medidores, portanto, são calibrados em porcentagem de uma velocidade nominal em vez de RPM real, para facilitar a exibição e a interpretação.