Basic Overview
A imagem acima mostra como um motor a jacto estaria situado numa moderna aeronave militar. No motor a jacto básico, o ar entra na admissão frontal e é comprimido (veremos como mais tarde). Em seguida, o ar é forçado a entrar em câmaras de combustão onde é aspergido combustível, e a mistura de ar e combustível é inflamada. Os gases que se formam expandem-se rapidamente e são esgotados pela parte de trás das câmaras de combustão. Estes gases exercem a mesma força em todas as direcções, proporcionando um impulso para a frente à medida que escapam para a traseira. À medida que os gases saem do motor, eles passam por um conjunto de pás tipo ventilador (turbina), que gira um eixo chamado eixo da turbina. Este eixo, por sua vez, faz girar o compressor, trazendo assim um novo suprimento de ar através da admissão. Abaixo está uma animação de um motor a jato isolado, que ilustra o processo de entrada de ar, compressão, combustão, saída de ar e rotação do eixo, que acaba de ser descrito.
O processo pode ser descrito pelo diagrama a seguir, adotado do site da Rolls Royce, um popular fabricante de motores a jato.
Este processo é a essência de como os motores a jacto funcionam, mas como é que algo como compressão (squeezing) ocorre exactamente? Para saber mais sobre cada um dos quatro passos na criação do impulso por um motor a jato, veja abaixo.
SUCK
O motor suga um grande volume de ar através dos estágios do ventilador e compressor. Um motor a jato comercial típico absorve 1,2 toneladas de ar por segundo durante a decolagem, ou seja, ele poderia esvaziar o ar em uma quadra de squash em menos de um segundo. O mecanismo pelo qual um motor a jato aspira o ar é, em grande parte, uma parte do estágio de compressão. Em muitos motores, o compressor é responsável tanto por aspirar o ar como por comprimi-lo. Alguns motores têm um ventilador adicional que não faz parte do compressor para aspirar ar adicional para dentro do sistema. O ventilador é o componente mais esquerdo do motor ilustrado acima.
SQUEEZE
Além de aspirar ar para o motor, o compressor também pressuriza o ar e o fornece para a câmara de combustão. O compressor é mostrado na imagem acima à esquerda do fogo na câmara de combustão e à direita do ventilador. Os ventiladores de compressão são acionados a partir da turbina por um eixo (a turbina, por sua vez, é acionada pelo ar que está deixando o motor). Os compressores podem atingir taxas de compressão superiores a 40:1, o que significa que a pressão do ar no final do compressor é mais de 40 vezes superior à do ar que entra no compressor. Na potência máxima as pás de um típico compressor a jato comercial giram a 1000mph (1600kph) e absorvem 2600lb (1200kg) de ar por segundo.
Agora discutiremos como o compressor realmente comprime o ar.
Como pode ser visto na imagem acima, os ventiladores verdes que compõem o compressor vão ficando cada vez menores, assim como a cavidade pela qual o ar deve passar. O ar deve continuar movendo-se para a direita, em direção às câmaras de combustão do motor, já que os ventiladores estão girando e empurrando o ar nessa direção. O resultado é uma determinada quantidade de ar movendo-se de um espaço maior para um menor, e assim aumentando a pressão.
BANG
Na câmara de combustão, o combustível é misturado com o ar para produzir o bang, que é responsável pela expansão que força o ar para dentro da turbina. Dentro do típico motor a jato comercial, o combustível queima na câmara de combustão a até 2000 graus Celsius. A temperatura a que os metais nesta parte do motor começam a derreter é de 1300 graus Celsius, pelo que devem ser utilizadas técnicas de refrigeração avançadas.
A câmara de combustão tem a difícil tarefa de queimar grandes quantidades de combustível, fornecido através de bicos de pulverização de combustível, com extensos volumes de ar, fornecidos pelo compressor, e libertar o calor resultante de tal forma que o ar é expandido e acelerado para dar um fluxo suave de gás uniformemente aquecido. Esta tarefa deve ser realizada com a mínima perda de pressão e com a máxima liberação de calor dentro do espaço limitado disponível.
A quantidade de combustível adicionado ao ar dependerá do aumento de temperatura necessário. No entanto, a temperatura máxima é limitada a uma determinada faixa ditada pelos materiais a partir dos quais as pás e bicos da turbina são feitos. O ar já foi aquecido entre 200 e 550 °C pelo trabalho realizado no compressor, o que dá uma exigência de aumento de temperatura de cerca de 650 a 1150 °C a partir do processo de combustão. Uma vez que a temperatura do gás determina o impulso do motor, a câmara de combustão deve ser capaz de manter uma combustão estável e eficiente em uma ampla gama de condições de operação do motor.
O ar trazido pelo ventilador que não passa pelo núcleo do motor e, portanto, não é utilizado para a combustão, que corresponde a cerca de 60% do fluxo total de ar, é introduzido progressivamente no tubo da chama para baixar a temperatura dentro do incinerador e resfriar as paredes do tubo da chama.
BLOW
A reação da mistura de gás expandido de combustível e ar sendo forçada através da turbina, aciona o ventilador e o compressor e sopra para fora do bocal de exaustão fornecendo o empuxo.
Assim, a turbina tem a tarefa de fornecer energia para acionar o compressor e acessórios. Ela faz isso extraindo a energia dos gases quentes liberados do sistema de combustão e expandindo-os para uma pressão e temperatura mais baixas. O fluxo contínuo de gás ao qual a turbina está exposta pode entrar na turbina a uma temperatura entre 850 e 1700 °C, que está novamente muito acima do ponto de fusão da tecnologia atual de materiais.
Para produzir o torque de acionamento, a turbina pode ser composta de vários estágios, cada um empregando uma fileira de pás móveis e uma fileira de palhetas guia estacionárias para direcionar o ar como desejado sobre as pás. O número de estágios depende da relação entre a potência necessária do fluxo de gás, a velocidade de rotação em que deve ser produzido e o diâmetro permitido da turbina.
O desejo de produzir uma alta eficiência do motor exige uma alta temperatura de entrada da turbina, mas isso causa problemas, pois as pás da turbina seriam necessárias para funcionar e sobreviver a longos períodos de operação a temperaturas acima de seu ponto de fusão. Estas pás, enquanto brilham em vermelho quente, devem ser suficientemente fortes para suportar as cargas centrífugas devido à rotação a alta velocidade.
Para operar sob estas condições, o ar frio é forçado a sair de muitos pequenos furos na pá. Este ar permanece perto da lâmina, impedindo que derreta, mas não prejudicando significativamente o desempenho geral do motor. Ligas de níquel são usadas para construir as pás da turbina e as palhetas guia do bico, porque estes materiais demonstram boas propriedades a altas temperaturas
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