Teoria de Construção de motores, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe Teoria de Construção de motores e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! 1-1 CAPÍTULO 1 TEORIA E CONSTRUÇÃO DE MOTORES DE AERONAVES INTRODUÇÃO Para que uma aeronave permaneça em vôo e com velocidade constante, deve existir um empuxo igual e em direção oposta ao arrasto aerodinâmico dessa aeronave. Esse empuxo ou força propulsora é fornecida por um motor tér- mico adequado. Todos os motores térmicos têm em comum a capacidade de converter energia calorífica em energia mecânica, por meio do fluxo de uma massa de fluido através desse motor. Em todos os casos, a energia calorífica é liberada em uma posição (um ponto) do ciclo onde a pressão é alta em relação à pressão atmosférica. Esses motores são usualmente divididos em grupos ou tipos dependendo de: (1) do fluido de trabalho utilizado no ciclo do motor; (2) dos meios pelos quais a energia mecânica é transformada em força de propulsão; e (3) do método de compressão do fluido de tra- balho do motor. Os tipos de motores estão ilustrados nas figura 1-1. TIPO DE MOTOR PRINCIPAL MÉTODO DE COMPRESSÃO FLUÍDO DE TRABALHO DO MOTOR FLUÍDO DE TRABA- LHO DE PROPUSÃO TURBO JATO COMPRESSOR À TURBINA MISTURA AR/COMBUSTÍVEL O MESMO DO TRA- BALHO DO MOTOR TURBOÉLICE COMPRESSOR À TURBINA MISTURA AR/COMBUSTÍVEL AR AMBIENTE ESTATO- REATOR AR DE IMPACTO DEVIDO À ALTA VELOCIDADE DE VÔO MISTURA AR/COMBUSTÍVEL O MESMO DO TRA- BALHO DO MOTOR PULSO-JATO COMPRESSÃO DEVIDO À COMBUSTÃO MISTURA AR/COMBUSTÍVEL O MESMO DO TRA- BALHO DO MOTOR ALTERNATIVO AÇÃO ALTERNADA DOS PIS- TÕES MISTURA AR/COMBUSTÍVEL AR AMBIENTE FOGUETE COMPRESSÃO DEVIDO À COMBUSTÃO MISTURA OXIDADOR/COM- BUSTÍVEL O MESMO DO TRA- BALHO DO MOTOR Figura 1-1 Tipos de motores. A força de propulsão é obtida através do deslocamento de um fluido de trabalho (não ne- cessariamente o mesmo fluido utilizado dentro do motor) na direção oposta àquela na qual a aeronave é propelida. Isso é uma aplicação da terceira lei de Newton. O ar é o principal fluido utilizado para propulsão em todos os tipos de motores exceto foguetes, nos quais apenas sub-produtos da combustão são acelerados e deslocados. As hélices de uma aeronave equipada com motores turboélices aceleram uma grande massa de ar através de uma pequena mudança de velo- cidade. O fluido (ar) utilizado para a força de propulsão, é em diferente quantidade daquela utilizada no motor para produzir energia mecâ- nica. Turbojatos, estatojatos e pulsojatos acele- ram uma menor quantidade de ar através de uma maior mudança de velocidade. Eles utilizam para a força de propulsão, o mesmo fluido de trabalho utilizado dentro dos motores. Um foguete transporta seu próprio oxidan- te ao invés de utilizar ar ambiente para combus- tão. Ele descarrega os sub-produtos gasosos de combustão através do bocal de escapamento, a uma velocidade extremamente alta. Além disso, os motores são caracterizados por comprimir o fluido de trabalho antes da adi- ção de calor, os métodos são caracterizados por comprimir o fluido de trabalho antes da adição de calor. São estes os métodos básicos de compres- são: (1) compressor à turbina (motor à turbina). (2) descolamento positivo, compressor tipo pistão (motor alternativo). (3) ar de impacto devido à velocidade de vôo (estatoreator). 1-2 (4) aumento da pressão devido à combustão (pulsojato e foguete). Uma descrição específica dos principais ti- pos de motores utilizados na aviação comercial é dada adiante, nesse capítulo. COMPARAÇÃO DOS MOTORES DE AERONAVES Além das diferenças nos métodos empre- gados pelos diversos tipos de motores para pro- duzir empuxo, existem diferenças em sua ade- quabilidade para diferentes tipos de aeronaves. A discussão seguinte assinala algumas das im- portantes características que determinam sua adequabilidade. Exigências gerais Todos os motores devem obedecer as exi- gências gerais de eficiência, economia e confia- bilidade. Além de econômico quanto ao consu- mo de combustível, um motor deve ser econô- mico quanto ao custo de sua obtenção original e quanto ao custo de manutenção, e tem que aten- der às exigências rigorosas da razão de eficiên- cia e baixo peso de unidade por potência. O motor deve ser capaz de prover alta po- tência de saída sem sacrifício da confiabilidade, e deve ter durabilidade para operar por longos períodos entre revisões. É necessário que o mo- tor seja tão compacto quanto possível, apesar do fácil acesso para manutenção. É requerido que ele seja tão livre de vibra- ções quanto possível, e que possa cobrir um largo alcance de potência de saída a várias velo- cidades e altitudes. Essas exigências ditam o uso dos sistemas de ignição que irão entregar o impulso elétrico para as velas ou ignitores no tempo exato, em qualquer condição de tempo, mesmo adversa. Dispositivos medidores são necessários para entregar combustível na proporção correta para o ar ingerido pelo motor, independente da alti- tude ou condições de tempo nas quais o motor está sendo operado. O motor precisa de um tipo de sistema de óleo, que seja fornecido sob pressão adequada para todas as peças móveis, quando ele estiver em funcionamento. Ele deve, também, ter um sistema para amortecer as vibrações, quando estiver operando. Potência e Peso O rendimento útil de todo motor de aero- nave é o empuxo, a força que impele a aerona- ve. Sendo a potência do motor alternativo medi- da em BHP (cavalo força ao freio), e a potência do motor de turbina a gás medida em libras de empuxo, não pode ser feita uma comparação direta. Contudo, uma vez que a combinação mo- tor alternativo/hélice recebe o empuxo da héli- ce, a comparação pode ser feita convertendo o cavalo força, desenvolvido pelo motor alternati- vo, para empuxo. Se desejado, o empuxo de um motor de turbina a gás pode ser convertido em THP (ca- valo força de empuxo). Porém, é necessário considerar a velocidade da aeronave. Essa con- versão pode ser feita através da fórmula: ( ) MPHlbs MPHVelocidadeEmpuxoTHP − × = 375 O valor 375 libras-milha por hora é tirado da fórmula básica de cavalo-força abaixo. 1hp = 33.000 lb. pé por minuto 33.000 x 60 = 1.980.000 lBb. pé por hora. 1980000 5 280 . . . = 375 Libras - milhas por hora Um cavalo-força é igual a 33.000 lb pé por minuto ou 375 libras-milha por hora. Sob condi- ções estáticas, o valor do empuxo é equivalente a aproximadamente 2,6 libras por hora. Se uma turbina a gás está produzindo 4.000 libras de empuxo, e a aeronave na qual o motor está instalado está voando a 500 m.p.h., o THP será: 4000 x 500 375 = 5333 33 thp.. , É necessário calcular o cavalo-força para cada velocidade de uma aeronave, uma vez que o cavalo-força varia com a velocidade. Portanto, não é prático tentar comparar o rendimento de motor à turbina na base de cavalo força. O motor de aeronave opera a uma percen- tagem relativamente alta de sua potência máxi- ma durante sua vida em serviço. Durante uma decolagem, o motor está sempre em potência máxima. Ele pode manter essa potência por um 1-5 montagem dos cilindros com relação ao eixo de manivelas (em linha, em V, radial e opostos) ou de acordo com método de refrigeração (a líqui- do ou a ar). Realmente, todos os motores são refrigerados através da transferência do excesso de calor para o ar ao seu redor. Nos motores refrigerados a ar, essa trans- ferência de calor é feita diretamente dos cilin- dros para o ar. Nos motores refrigerados a líqui- do, o calor é transferido dos cilindros para o refrigerante, o qual é então enviado através de tubulações e resfriado dentro do radiador, insta- lado no fluxo de ar. O radiador deve ser sufici- entemente grande para resfriar o líquido com eficiência. O calor é transferido para o ar mais devagar que para o líquido, portanto, é necessá- rio prover finas aletas metálicas nos cilindros, para uma efetiva troca de calor. A maior parte dos motores aeronáuticos é refrigerada a ar. Motores em linha Um motor em linha tem geralmente um número par de cilindros, muito embora alguns motores de 3 cilindros já tenham sido construí- dos. Esses motores podem ser refrigerados a água ou a ar e têm somente um eixo de manive- las, o qual está localizado abaixo ou acima dos cilindros. Se um motor for projetado para operar com os cilindros abaixo do eixo de manivelas, será denominado motor invertido. O motor em linha tem uma pequena área frontal, e é melhor adaptado ao fluxo de ar. Quando montado com os cilindros na posição invertida, ele oferece a vantagem adicional de um trem de pouso menor e maior visibilidade para o piloto. Os motores em linha têm maior razão peso-cavalo-força que muitos outros mo- tores. Com o aumento no tamanho do motor, o tipo refrigerado a ar, em linha, oferece desvan- tagem adicional quanto à refrigeração adequada; portanto, esse tipo de motor é, em larga escala, restrito aos de pequenas e médias potências uti- lizadas em pequenas aeronaves. Motores opostos ou tipo “O” Os motores opostos, mostrados na figura 1-3, têm duas carreiras de cilindros diretamente opostos, com eixo de manivelas no centro. Os pistões das duas carreiras de cilindros são co- nectados ao eixo de manivelas. Embora o motor possa ser refrigerado a líquido ou a ar a versão refrigerada a ar é utilizada predominantemente em aviação. Ele pode ser montado com os cilin- dros na posição horizontal ou vertical. Os moto- res opostos têm uma baixa razão peso-cavalo- força, e sua estreita silhueta o torna ideal para instalação horizontal em asas de aeronaves. Ou- tra vantagem é sua relativamente baixa vibra- ção. Figura 1-3 Motor de cilindros opostos. Motores em “V” Nos motores em “V” os cilindros são mon- tados em duas carreiras em linha, geralmente a 60º. A maioria dos motores tem 12 cilindros, os quais são refrigerados a líquido ou a ar. Os mo- tores são designados por um “V” seguido de um traço, e pelo "deslocamento" do pistão em pole- gadas cúbicas, por exemplo, V-1710. Motores radiais Os motores radiais consistem de uma car- reira ou carreiras de cilindros dispostos ao redor de um cárter central (figura 1-4). Esse tipo de motor demonstrou ser muito rijo e digno de con- fiança. O número de cilindros que compõem uma carreira pode ser três, cinco, sete ou nove. Alguns motores radiais têm duas carreiras de sete ou nove cilindros dispostos ao redor do cárter. Um tipo tem quatro carreiras de cilindros com sete cilindros em cada. A potência produzida pelos diferentes ta- manhos de motores radiais varia de 100 a 3800 cavalos-força. 1-6 Figura 1-4 Motor radial. Projeto e construção de Motores alternativos As peças básicas de um motor são o cárter, os cilindros, os pistões, as bielas, o mecanismo de comando de válvulas e o eixo de manivelas. Na cabeça de cada cilindro estão as válvulas e as velas. Uma das válvulas dá passagem para o sistema de admissão; a outra dá passagem para o sistema de escapamento. Dentro de cada cilin- dro está um pistão móvel conectado ao eixo de manivelas por uma biela. A figura 1-5 ilustra as partes básicas de um motor alternativo. Figura 1-5 Partes básicas de um motor alterna- tivo. Seções do carter A base de um motor é o seu cárter. Ele contém os rolamentos nos quais o eixo de ma- nivelas se apoia. Além de auto sustentar-se o cárter deve prover um recipiente para o óleo de lubrificação, e tem que apoiar diversos mecanis- mos externos e internos do motor. Ele também provê apoio para fixação dos conjuntos de ci- lindros e para fixação do motor à aeronave. O cárter deve ser suficientemente rígido e forte para evitar desalinhamento do eixo de manive- las e de seus rolamentos. Ligas de alumínio, fundidas ou forjadas, são geralmente usadas na construção de cárter devido à sua leveza e resis- tência. Cárteres de aço forjado são utilizados em alguns motores de alta potência. O cárter está sujeito a muitas variações de vibração e de outras forças. Considerando que os cilindros são presos ao cárter, enormes forças de expansão tendem a arrancar os cilindros do cárter. As forças de inércia e centrífuga desba- lanceadas do eixo de manivelas, agindo no rola- mento principal, expõem o cárter a momentos de flexão, os quais trocam continuamente de direção e de intensidade. O cárter precisa ter suficiente rigidez para resistir a esses momentos de flexão sem deflexões de oposição. Se o mo- tor for equipado com engrenagem de redução de hélices, a parte frontal estará sujeita a forças adicionais. Além das forças de empuxo desenvolvidas pelas hélices sob condições de alta potência, existem severas forças centrífugas e giroscópi- cas aplicadas ao cárter devido às súbitas trocas de direção de vôo, tais como aquelas que ocor- rem durante as manobras das aeronaves. Forças giroscópicas são, particularmente severas quan- do uma hélice muito pesada é instalada.` Motores radiais O motor mostrado na figura 1-6 é um mo- tor radial de nove cilindros, em uma carreira de construção relativamente simples, possuindo a parte frontal interiça e o cárter em duas seções. Os motores com duas carreiras de cilindros são de construção ligeiramente mais complexa que os de uma só carreira. Por exemplo o cárter do motor Wright R-3350 é composto de uma seção frontal, quatro seções principais (principal dian- teira, central dianteira, central traseira e princi- 1-7 pal traseira),alojamento do prato de resaltos e tuchos traseiros, alojamentos frontal e traseiro do compressor e tampa traseira do alojamento do compressor. Os motores Pratt and Whitney de tamanho equivalente, incorporam as mesmas seções bási- cas, muito embora a construção e a nomenclatu- ra tenham diferenças consideráveis. Figura 1-6 Seções do motor. Seção do nariz As formas da seção do nariz variam consi- deravelmente. Em geral, elas são cônicas ou ar- redondadas, de forma a manter o metal sob ten- são ou compressão, ao invés de esforços cisa- lhantes. Uma seção de nariz cônica, é utilizada frequentemente em motores de baixa potência de acionamento direto, porque não é requerido espaço extra para alojar as engrenagens de redu- ção da hélice. É, geralmente fundido em liga de alumínio ou magnésio, uma vêz que a baixa po- tência desenvolvida e a utilização de hélice leve não requerem seção forjada, que é de custo mais elevado. A seção do nariz nos motores que desen- volvem de 1.000 a 2.500 h é geralmente arre- dondada e, algumas vezes, contêm nervuras para mantê-la o mais rígido possível. A liga de alumínio é o material amplamen- te utilizado devido à sua adaptação aos proces- sos de forjamento, e suas características de ab- sorver vibrações. O projeto e construção da seção do nariz constituem um importante fator, pois ela está sujeita a uma ampla variação de forças de vibra- ção. Por exemplo, se o mecanismo de válvulas estiver localizado na frente dos cilindros, a vi- bração e as forças que ocorrem nos tuchos e conjunto guia são aplicadas próximo à parte flangeada do cárter. As forças criadas pelas engrenagens de redução da hélice são aplicadas ao cárter como um todo. Cuidadosas inspeções quanto à vibra- ção são conduzidas durante os testes experimen- tais dos motores projetados mais recentemente, para observarmos que essas condições não irão tornar-se danosa durante toda a faixa de opera- ção do motor. A montagem do governador da hélice é variável. Em alguns motores, ele se localiza na seção traseira, muito embora isso complique sua instalação - especialmente se a hélice for opera- da ou controlada por pressão de óleo, devido à distância entre o governador e a hélice. Onde são utilizadas hélices operadas hidraulicamente, é prático instalar o governador na seção do na- 1-10 para acionar os acessórios com cargas mais pe- sadas, aqueles que requerem jogo ou folga mí- nima no trem de engrenagens. As engrenagens de dentes chanfrados permitem posição angular de eixos principais curtos para os diversos su- portes de acessórios. Praticamente, todos os motores de alta po- tência são equipados com compressor. De 75 a 125HP pode ser requerido acionar o compres- sor. As forças de aceleração e desacelaração im- postas ao trem de engrenagens do compressor, durante os avanços e recuos da manete, produz um dispositivo antichoque para aliviar as cargas excessivas. A prática corrente nos grandes mo- tores radiais é usar a engrenagem principal de acionamento de acessórios, a qual é adaptada com diversas molas entre a borda da engrena- gem e o eixo de acionamento. Esse dispositivo, chamado de engrenagem acionadora de acessó- rios, carregada por mola, permite absorção de forças elevadas, prevenindo os trens de engrena- gens dos acessórios contra danos. Quando um motor está equipado com um compressor de duas velocidades, a embreagem operada à pressão de óleo age como um disposi- tivo, absorvendo choques para proteger o trem de engrenagens do compressor. Nos motores em linha e nos opostos de baixa potência, os trens de engrenagens são ge- ralmente de montagem simples. Muitos desses motores utilizam acoplamentos de mola ou de borracha sintética, para proteger os trens de en- grenagem do magneto e do gerador contra car- gas excessivas. Tipos em linha e opostos Os cárteres utilizados nos motores com montagem de cilindros opostos ou em linha, va- riam de forma para os diferentes tipos de moto- res, porém, em geral, eles são aproximadamente cilíndricos. Um ou mais lados são facetados para servir de base, onde cilindros são presos por meio de parafusos ou de prisioneiros. Figura 1-7 Vista explodida de um típico motor de cilindros opostos e seus componentes. Essas superfícies trabalhadas de forma precisa são frequentemente referidas como base do cilindro. O eixo de manivelas é montado em uma posição paralela ao eixo longitudinal do cárter e, é geralmente, suportado por meio de um rola- mento principal entre cada curso. O rolamento principal do eixo de manivelas deve ser rigida- mente apoiado no cárter. Isso geralmente é con- seguido por meio de nervuras transversais no 1-11 cárter, uma para cada rolamento principal. As nervuras formam uma parte integral da estrutura e, além de suportar os rolamentos principais, au- menta a resistência do invólucro como um todo. O cárter está dividido em duas seções em um plano longitudinal. Essa divisão pode ser no plano do eixo de manivelas, de forma que meta- de do rolamento principal (e algumas vezes ro- lamentos do eixo de ressaltos) está montada numa seção do invólucro e a outra metade, na seção oposta (ver figura 1-7). Um outro método consiste em dividir o invólucro, de maneira que os rolamentos princi- pais sejam presos apenas a uma seção do invó- lucro, sobre a qual os cilindros estão presos, proporcionando dessa forma condições de re- mover a seção do cárter para inspeção sem alte- rar o ajuste do rolamento. EIXOS DE MANIVELAS O eixo de manivelas é a espinha dorsal dos motores alternativos. Ele está sujeito à maioria das forças desenvolvidas pelo motor. Seu objeti- vo principal, é transformar o movimento alternativo do pistão e da biela em movimento rotativo, para acionamento da hélice. O eixo de manivelas, como o próprio nome sugere, é um eixo composto de uma ou mais manivelas localizadas em pontos específicos ao longo do seu comprimento. As manivelas são feitas forjando-se protuberâncias em um eixo antes dele ser trabalhado. Tendo em vista que os eixos de manivelas tem que ser muito resistentes, eles são geralmente forjados em ligas muito resistentes, tais como aço cromo-níquel- molibidênio. Um eixo de manivelas pode ser construído em uma ou em múltiplas peças. A figura 1-8 mostra dois tipos representativos de eixos de manivelas compactos, utilizados em motores de aeronaves. A construção de quatro manivelas pode ser utilizada, ou nos motores de quatro ci- lindros opostos, ou nos de quatro cilindros em linha. Figura 1-8 Eixos de manivela do tipo sólido. Os eixos de seis manivelas são utilizados nos motores em linha de seis cilindros, motores em V de doze cilindros e opostos de seis cilin- dros. Os eixos de manivelas dos motores radiais podem ser de manivela única; duas ou quatro manivelas , dependendo do motor, que pode ser do tipo de uma, duas ou quatro fileiras de cilin- dros. A figura 1-9 mostra um eixo de manivelas de motor radial de uma manivela. Figura 1-9 Eixo de manivelas de um motor ra- dial de uma série de cilindros. Independente do número de manivelas que ele tenha, cada eixo tem três partes principais: munhão, pino da manivela (moente) e braço da manivela. Muito embora não façam parte do eixo de manivelas, contrapesos e amortecedores são geralmente ligados a ele para reduzir as vi- brações do motor. O munhão é suportado por um rolamento principal que gira dentro dele. Ele serve como centro de rotação do eixo de manivelas e tem sua superfície endurecida para reduzir o desgas- te. O moente é a seção à qual a biela está conec- tada. Ele está fora do centro do munhão princi- pal e é comumente chamado de manivela. Dois braços da face e um moente consti- tuem uma manivela. Quando uma força é aplica- da ao moente em qualquer direção, que não seja paralela ou perpendicular, e passando pela linha de centro do eixo de manivelas, irá acusar a rotação do eixo de manivelas. A superfície ex- terna é endurecida por nitruração para aumentar sua resistência ao desgaste, e prover a superfície de contato do rolamento. O moente é geralmente ôco. Isso reduz o peso total do eixo de manivelas e proporciona a 1-12 passagem para transferência do óleo de lubrifi- cação. O moente ôco também serve como uma câmara para coleta de borra, depósitos de car- bono e outras matérias estranhas. A força centrí- fuga arremessa essas substâncias para fora da câmara, impedindo que elas alcancem a superfí- cie do rolamento da biela. Em alguns motores a passagem é feita na cabeça da manivela, para permitir que o óleo do interior do eixo de mani- velas salpique as paredes dos cilindros. O braço da manivela conecta o moente ao munhão prin- cipal. Em alguns projetos, a cabeça se estende além do munhão e leva um contrapeso para ba- lancear o eixo de manivelas, o braço da manive- la deve ser de construção robusta para obter a rigidez entre o moente e o munhão. Em todos os casos, o tipo de eixo de mani- velas e o número de moentes deve corresponder à montagem do cilindro do motor. A posição das manivelas no eixo, em relação a outras ma- nivelas do mesmo eixo, é expressa em graus. O eixo de manivelas mais simples é exata- mente o de manivela única ou de 360º. Esse tipo é usado em motores radiais de uma só carreira de cilindros. Pode ser construído em uma ou duas peças. Dois rolamentos principais (um em cada extremidade) são requeridos quando esse tipo de eixo de manivelas é usado. O eixo de dupla manivela ou 180º é utili- zado nos motores radiais de dupla manivela. No motor radial uma manivela é requerida para cada carreira de cilindros. Balanceamento do eixo de manivelas Vibração excessiva em um motor, resulta não apenas em falha por fadiga da estrutura me- tálica, mas também causa rápido desgaste das partes móveis. Em alguns exemplos, a vibração excessiva é causada pelo desbalanceamento do eixo de manivelas. Eixos de manivelas são balanceados estática e dinamicamente. Um eixo de manivelas está estaticamente balanceado quando o peso de todo o conjunto de moentes, braço da manivela e contrapesos, está balanceado em volta do eixo de rotação. Durante o teste de balanceamento estático do eixo de manivelas, ele é colocado sobre dois cutelos. Se o eixo tender a girar através de qual- quer posição durante o teste, estará fora de ba- lanceamento estático. Um eixo de manivelas está dinamicamente balanceado, quando todas as forças criadas pela sua rotação e impulsões estão balanceados entre si, de maneira que pou- ca ou nenhuma vibração é produzida quando o motor está funcionando. Para reduzir ao mínimo a vibração durante o funcionamento do motor, amortecedores di- nâmicos são incorporados ao eixo de manivelas. Um amortecedor dinâmico é simplesmente um pêndulo, o qual é bem preso ao eixo de ma- nivelas, de forma que ele fique livre para se mover num pequeno arco. Ele está incorporado ao conjunto de contrapesos. Alguns eixos de manivelas incorporam dois ou mais desses conjuntos, cada um ligado a um diferente braço da manivela. A distância em que o pêndulo se move, e sua frequência de vibração, correspondem à fre- quência dos impulsos de potência do motor. Quando ocorre a frequência de vibração do eixo de manivelas, o pêndulo oscila fora de tempo, reduzindo, dessa forma, a vibração ao mínimo. Amortecedores dinâmicos A construção do amortecedor dinâmico utilizado em um motor, consiste de um contra- peso de aço com ranhuras, conectado ao braço da manivela. Dois pinos de aço em forma de carretel se prolongam pela ranhura, e passam através dos tubos superdimensionados nos contrapesos e braço da manivela. A diferença nos diâmetros entre os pinos e os furos provoca um efeito de pêndulo. Uma analogia do funcionamento de um amortecedor dinâmico é mostrado na figura 1-10. BIELAS As bielas são elos que transmitem forças entre o pistão e o eixo de manivelas. Elas devem ser suficientemente fortes para permanecerem rígidas sob cargas, e ainda serem leves o bastante para reduzir as forças de inér- cia, as quais são produzidas quando a haste e pistão param, invertem a direção e começam novo movimento ao fim de cada curso. 1-15 Fabricação do pistão A maioria dos pistões de motores de aero- naves são usinados de forjamentos de liga de alumínio. Ranhuras são usinadas em suas faces ex- ternas para receberem os anéis do pistão e, ale- tas de refrigeração, estão instaladas em sua parte interna para grandes transferências de calor para o óleo do motor. Os pistões podem ser do tipo sapata ou êmbolo; ambos são mostrados na figura 1-13. Os pistões do tipo sapata não são utiliza- dos nos motores modernos de alta potência, porque eles não proporcionam adequada resistência ao desgaste. A face superi- or do pistão, ou cabeça, pode ser plana, convexa ou côncava. Rebaixos podem ser usinados na cabeça do pistão, afim de evitar interferência com as vál- vulas. Figura 1-13 Conjunto de pistão e tipos de pis- tão. Seis ranhuras podem ser usinadas em volta do pistão para acomodar os anéis de compressão e de óleo. (ver figura 1-13.) Os anéis de com- pressão estão instalados nas três ranhuras supe- riores; os anéis de controle de óleo estão insta- lados imediatamente acima do pino do pistão. O pistão é geralmente furado nas ranhuras dos anéis de controle de óleo, para permitir que o óleo excedente raspado das paredes do cilin- dro, pelos anéis de controle de óleo retorne para o cárter. Um anel raspador de óleo está instalado na base da parede do pistão ou saia, para evitar o consumo excessivo de óleo. As partes da parede do pistão que estão entre cada par de ranhura são chamados de anel plano. Além de agir como um guia para a cabeça do pistão, a saia incorpora o orifício para passa- gem do pino do pistão. Os orifícios são constru- ídos, de forma a permitir que as pesadas cargas sobre a cabeça do pistão sejam transferidas para o pino do pistão. Pino do pistão O pino do pistão une o pistão à biela. É usinado na forma de tubo, de aço-níquel, forja- do, cementado e retificado. O pino do pistão é, algumas vezes, chamado de pino de punho, de- vido à similaridade entre os movimentos relati- vos do pistão e da biela com os do braço huma- no. O pino do pistão usado nos motores de ae- ronaves modernas são do tipo completamente flutuante, assim chamados porque o pino está livre para girar nos mancais, tanto do pistão quanto da biela. O pino do pistão tem que ser contido para evitar riscos nas paredes do cilindro. Nos moto- res primitivos, molas helicoidais eram instaladas nas ranhuras dos pinos do pistão em cada ex- tremidade. A prática corrente, é instalar um bu- jão de alumínio relativamente macio, nas ex- tremidades dos pinos, para proporcionar uma boa superfície de mancal em contato com as paredes dos cilindros. ANÉIS DE SEGMENTO Os anéis de segmento evitam o vaza- mento de gases sob pressão e, reduzem ao mí- nimo, a infiltração de óleo na câmara de com- bustão. Os anéis se ajustam às ranhuras do pis- tão, mas se expandem para fazer pressão sobre as paredes dos cilindros. Quando lubrificados adequadamente, os anéis constituem um selo efetivo de gases. Fabricação dos anéis de segmento A maioria dos anéis de segmento são fa- bricados com ferro fundido de altos teores. A- pós a fabricação, eles são retificados para o cor- te transversal desejado. Eles são então seciona- dos, de forma que possam deslizar sobre a face externa do pistão e nas ranhuras, as quais são usinadas nas paredes dos pistões. Uma vez que seu propósito é vedar a folga entre o pistão e a parede do cilindro, eles têm que se ajustar na 1-16 parede do cilindro, o suficiente para torná-lo hermeticamente fechado. Eles devem exercer pressões iguais em todos os pontos das paredes dos cilindros, e um fechamento hermético con- tra os lados das ranhuras dos anéis. Ferro fundido cinzento é frequentemente mais usado na fabricação de anéis de segmento. Contudo, muitos outros materiais têm sido ten- tados. Em alguns motores, são usados anéis de aço macio cromado na ranhura superior de compressão, porque esses anéis resistem melhor às altas temperaturas presentes nesse ponto. Anéis de compressão A finalidade dos anéis de compressão é evitar o escapamento de gases através do pistão, durante a operação do motor. Eles são coloca- dos nas ranhuras, imediatamente abaixo da ca- beça do pistão. O número de anéis de compressão, utiliza- dos em cada pistão, é determinado pelo tipo de motor e de seu projeto, embora a maioria dos motores de aeronaves usem dois anéis de com- pressão, além de um ou mais anéis de controle de óleo. A seção transversal dos anéis é retangular ou em forma de cunha com uma face cônica. A face cônica apresenta uma estreita borda de mancal para a parede do cilindro, que ajuda a reduzir a fricção e proporcionar melhor sela- gem. Anéis de controle de óleo Os anéis de controle de óleo são colocados nas ranhuras, imediatamente abaixo dos anéis de compressão, e acima das cavidades dos pinos do pistão. Pode haver um ou mais anéis de controle de óleo por pistão. Dois anéis podem ser instala- dos na mesma ranhura ou em ranhuras separa- das. Os anéis de controle de óleo regulam a espessura do filme de óleo sobre a parede do cilindro. Se entrar muito óleo na câmara de combustão, ele será queimado e deixará uma fina camada de carbono sobre as paredes da câ- mara de combustão, na cabeça do pistão, velas e cabeça das válvulas. Esse carbono pode causar o emperramento das válvulas ou dos anéis, se ele penetrar nas ranhuras dos anéis ou nas guias das válvulas. Além disso, o carbono pode causar falha das velas, bem como detonação, pré-ignição ou ex- cessivo consumo de óleo. Para permitir que o óleo excedente retorne ao cárter, são usinados furos nas ranhuras dos anéis, ou nas regiões próximas dessas ranhuras. Anel raspador de óleo O anel raspador de óleo, geralmente tem uma face chanfrada, e está instalado em uma ra- nhura no fundo da saia do pistão. O anel está instalado com a face raspadora para fora da ca- beça do pistão ou na posição reversa, depen- dendo da posição do cilindro e da série do mo- tor. Na posição reversa o anel raspador retém o óleo em excesso acima dele, no golpe as- cendente do pistão, e esse óleo, é retornado para o cárter através dos anéis de controle de óleo, no golpe descendente. CILINDROS A parte do motor na qual a potência é de- senvolvida, é chamada de cilindro. O cilindro provê a câmara de combustão onde ocorrem a queima e a expansão dos gases, e aloja o pistão e a biela. Existem quatro fatores principais que pre- cisam ser considerados no projeto e construção do conjunto de um cilindro. São eles: (1) o cilindro tem que ser suficientemente forte para resistir às pressões internas, desen- volvidas durante a operação do motor. (2) tem que ser construído de um metal leve para diminuir o peso do motor. (3) tem que possuir boas propriedades de con- dução de calor, para um eficiente resfria- mento. (4) tem que ser comparativamente fácil e bara- to quanto à fabricação, inspeção e manuten- ção. A cabeça é produzida unitariamente para cada cilindro nos motores refrigerados a ar, ou é fundida "em bloco"(todas as cabeças em um bloco) para motores refrigerados a líquido. A cabeça de cilindro de um motor refrigerado a ar é geralmente feita de liga de alumínio, porque 1-17 essa liga constitui um bom condutor de calor, e seu baixo peso reduz o peso total do motor. Cabeças de cilindro são forjadas ou fundi- das sob pressão para maior resistência. A forma interna da cabeça de um cilindro pode ser plana, semi-esférica ou na forma de telhado. O tipo semi-esférico tem sido satisfatório porque é mais forte, e ajuda numa expulsão mais rápida e mais completa dos gases de esca- pamento. Os cilindros usados nos motores refrigera- dos a ar são do tipo válvula sobre a cabeça, mostrado na figura 1-14. Cada cilindro é um conjunto de duas partes principais: (1) a cabeça do cilindro, e (2) o corpo do cilindro. Na mon- tagem, a cabeça do cilindro é expandida através de aquecimento, e então roscada no corpo do ci- lindro que foi resfriado. Então, quando a cabeça esfria e se contrai e o corpo é aquecido e se ex- pande, resulta em uma junta hermeticamente fechada. Enquanto a maioria dos cilindros usados são construídos dessa maneira, alguns são cons- truídos em peça única, em liga de alumínio, fundidos em areia. A cavidade do pistão de um cilindro fundido em areia é presa a uma camisa de aço, a qual se estende por toda a seção do corpo do cilindro e se projeta abaixo do flange. Essa camisa é facilmente removida, e outra no- va, pode ser instalada em seu lugar. Figura 1-14 Vista em corte de um conjunto de cilindro. Cabeças de cilindro A finalidade da cabeça do cilindro é prover um lugar para a combustão da mistura ar/combustível, e dar ao cilindro maior conduti- vidade de calor para uma adequada refrigeração. A mistura ar/combustível é inflamada pela centelha na câmara de combustão e, dá início à queima, quando o pistão passa através do ponto morto superior, no tempo de compressão. A carga inflamada é rapidamente expan- dida a essa altura, e a pressão é aumentada, de forma que, assim que o pistão passar através do ponto morto superior, ele seja impelido para baixo no tempo de potência. As passagens das válvulas de admissão e escapamento estão localizadas na cabeça do cilindro, junto com as velas e mecanismos das válvulas. Após a fundição, as buchas das velas, gui- as de válvulas, buchas dos balancins e sede das válvulas, são instaladas na cabeça do cilindro. As aberturas para as velas podem conter buchas de bronze ou aço, que são contraídas e atarra- chadas nessas aberturas. Muitos motores correntemente fabricados utilizam velas com roscas postiças ("heli-coil") de aço inoxidável. Guias de válvulas de bronze ou aço, são geralmente contraídos ou roscados em aberturas usinadas na cabeça do cilindro, para prover gui- as para as hastes das válvulas. As guias estão geralmente localizadas a um determinado ângulo, com a linha de centro do cilindro. As sedes das válvulas são anéis cir- culares de metal endurecido, o qual protege o metal, relativamente macio, da cabeça do cilin- dro, da ação de martelamento das válvulas e dos gases de escapamento. As cabeças de cilindro dos motores refri- gerados a ar estão sujeitas a temperaturas extre- mas. É portanto, necessário prover adequadas áreas com aletas de refrigeração, e utilizar me- tais que conduzam calor rapidamente. As cabe- ças de cilindro de motores refrigerados a ar são geralmente fundidas ou forjadas isoladamente. Liga de alumínio é utilizada em sua fabricação, por diversas razões. Essa liga se adapta bem à fundição e à usi- nagem de aletas fundas e com pouco espaça- mento, e, é mais resistente que a maioria dos metais ao ataque corrosivo do chumbo tetra- etílico presente na gasolina. 1-20 A cabeça de cada válvula abre e fecha es- sas passagens nos cilindros. As válvulas utiliza- das em motores de aeronaves são do tipo gatilho convencional. As denominações dos tipos de válvulas são também em função de sua forma e, são ainda, chamadas de cogumelo ou tulipa, devido a sua semelhança com a forma dessas plantas. A figura 1-16 ilustra os diversos tipos e formas dessas válvulas. Figura 1-16 Tipos de válvulas. Construção das válvulas As válvulas nos cilindros do motor de uma aeronave estão sujeitas a altas temperaturas, corrosão e tensão de operação; com isso, a liga metálica nas válvulas têm que resistir a todos esses fatores. Devido ao fato das válvulas de admissão trabalharem em temperaturas mais baixas que as temperaturas das válvulas de escapamento, elas podem ser fabricadas de aço cromo-níquel. As válvulas de escapamento são geralmente fabri- cadas de nicromo, silcrômo ou aço cobalto- cromo. A cabeça das válvulas tem uma face retifi- cada, a qual forma um selo contra a sede na ca- beça do cilindro, quando a válvula está fechada. A face da válvula é geralmente retificada para um ângulo de 30º ou 45º. Em alguns motores a face da válvula de admissão é retificada para um ângulo de 30º e a face da válvula de escapamen- to, retificada para um ângulo de 45º. As faces das válvulas são frequentemente mais duráveis por meio da aplicação de um ma- terial denominado estelita, cerca de 1/16" dessa liga é soldada à face da válvula, e retificada para o ângulo correto. A estelita é resistente à corro- são por altas temperaturas e, também resiste ao choque e desgaste, associados à operação da válvula. Alguns fabricantes de válvulas usam um revestimento de nicromo. O nicromo é utili- zado com a mesma finalidade da estelita. A haste da válvula tem sua superfície en- durecida para resistir ao desgaste causado pelo seu deslocamento atravéis da guia de válvula. O pescoço é a parte que forma a junção entre a cabeça e a haste. A extremidade da válvula é endurecida para resistir ao martelamento do balancim, quando ele abre a válvula. Uma ra- nhura usinada na haste, próximo à extremidade, recebe o anel freno dela. Esse mecanismo forma uma trava para prender a arruela da mola de retenção no lugar. Algumas válvulas de admissão e de esca- pamento são ocas e, parcialmente, cheias com sódio metálico. Esse material é utilizado porque é um excelente condutor de calor. O sódio irá fundir a aproximadamente 110ºC, e o movi- mento alternativo da válvula faz circular o sódio líquido, facilitando a retirada de calor da cabeça da válvula para a haste, onde é dissipado atráves da guia da cabeça do cilindro e das aletas de refrigeração. Então, a temperatura de operação da válvula pode ser reduzida tanto a 167ºC co- mo a 230ºC. Sob nenhuma circunstância deve uma vál- vula cheia de sódio ser cortada, ou sujeita a tra- tamento, o qual possa causar ruptura. A ex- posição do sódio, dessas válvulas ao ar exterior, irá resultar em fogo ou explosão com possíveis ferimentos no pessoal. As válvulas de admissão comumente mais utilizadas, têm haste sólida, e as cabeças são na forma plana ou de tulipa. Válvulas de admissão, para motores de baixa potência, são geralmente de cabeça plana. Em alguns motores, a válvula de admissão pode ser do tipo tulipa, e ter uma haste menor que a haste da válvula de escapamento, ou pode ser similar à da válvula de escapamento, mas ter hastes e cabeça sólidas. Muito embora essas vál- vulas sejam similares, elas não são intercambiá- veis, uma vez que as suas faces são construídas de materiais diferentes. A válvula de admissão 1-21 tem, geralmente, um serrilhado na extremidade para identificá-la. MECANISMO DE OPERAÇÃO DA VÁL- VULA Para que um motor alternativo funcione de forma apropriada, cada válvula deve abrir no tempo certo, permanecer aberta pelo espaço de tempo requerido e fechar no tempo requerido. As válvulas de admissão são abertas antes do êmbolo ou pistão atingir o ponto morto supe- rior, e as válvulas de escapamento permanecem abertas após o ponto morto superior. Em um instante particular, contudo, am- bas as válvulas são abertas ao mesmo tempo (fim do escapamento e início da admissão). Esse claro da válvula permite melhor efi- ciência volumétrica e mais baixas temperaturas de operação de cilindros mais baixas. Esse sin- cronismo das válvulas é controlado pelo seu mecanismo de operação. O curso da válvula (distância que a válvula é desalojada de sua sede), e a duração (tempo que a válvula permanece aberta) são determina- dos pela forma do ressalto de came. Ressaltos típicos estão ilustrados na figura 1-17. A parte do ressalto que pouco a pouco dá início ao mecanismo de operação da válvula é chamada rampa ou degrau. Figura 1-17 Tipos de ressaltos. A rampa é usinada em cada lado do ressal- to, para facilitar o contato do balancim com a extremidade da válvula, reduzindo, dessa forma, a carga de choque que de outra forma ocorreria. O mecanismo de operação da válvula con- siste de um anel ou eixo, equipado com ressal- tos, os quais trabalham contra um rolete do tu- cho (ver figura 1-18 e 1-19). O tucho, aciona uma haste impulsora que, por sua vez, atua no balancim que abre a válvu- la. As molas, que deslizam sobre as hastes das válvulas e, que são mantidas no lugar pela arru- ela de retenção da mola e pela ranhura da haste, fecham cada válvula e, empurram o mecanismo da válvula na direção oposta, quando o rolete do tucho rola ao longo da baixa seção do anel de ressalto. Figura 1-18 Mecanismo de operação das válvu- las ( motor radial) 1-22 Figura 1-19 Mecanismo de operação das válvulas ( motor de cilindros opostos). Anel de ressaltos O mecanismo da válvula de um motor ra- dial é operado por meio de um ou dois anéis de ressaltos` dependendo do número de carreiras de cilindros. Em um motor radial, com uma só carreira de cilindros, é utilizado um anel com dupla cur- va motriz (ou trilha). Uma, aciona a válvula de admissão; a outra, aciona a de escapamento. O anel de ressaltos é uma peça circular de aço, com uma série de ressaltos ou lóbulos na superfície externa. A superfície desses lóbulos e o espaço en- tre eles (sobre o qual o rolete do tucho desliza) é conhecido como curva motriz. À medida que o anel de ressaltos gira, os lóbulos provocam o levantamento do impulsor na sua guia, transmitindo dessa forma a força, através da vareta e do balancim, para abrir a vál- vula. No motor radial de carreira simples, o anel de ressaltos é geralmente localizado entre a en- grenagem de redução da hélice e a extremidade frontal da seção de potência. No motor radial de duas carreiras de cilin- dros, um segundo anel de ressaltos, destinado à operação das válvulas da carreira traseira, é ins- talado entre a extremidade traseira da seção de potência e a seção do compressor. O anel de ressaltos é montado concentrica- mente com o eixo de manivelas, e por ele é a- cionado a uma razão de velocidade reduzida, através do conjunto de engrenagens acionadoras intermediarias do anel. O anel de ressaltos tem dois conjuntos de lóbulos paralelos espaçados na periferia, sendo, um conjunto para as válvulas de admissão e outro para as de escapamento. Os anéis de ressaltos utilizados podem ter quatro ou cinco lóbulos sobre as trilhas de am- bas as válvulas. O tempo de operação das válvulas, é de- terminado pelo espaçamento desses lóbulos e pela velocidade e direção, na qual os anéis de ressaltos são acionados em relação à velocidade e direção do eixo de manivelas. Os métodos de acionamento dos cames va- riam com as diferentes marcas de motores. O anel de ressaltos pode ser projetado com dentes interna ou externamente. Se as engrenagens de redução engrenam-se com a parte externa do anel, ele irá girar na di- reção de rotação do eixo de manivelas. Se o disco for acionado pelo lado interno, o anel de ressaltos irá girar na direção oposta a do eixo de manivelas. Esse método está ilustrado na figura 1-25 Haste impulsora As hastes impulsoras de forma tubular transmitem a força de levantamento do tucho para o balancim. Uma esfera de aço endurecido é pressiona- da sobre ou para dentro de cada extremidade do tubo. Uma esfera encaixa-se no balancim. Em alguns exemplos, as esferas estão nos tuchos e balancins e os soquetes estão na haste impulso- ra. A forma tubular é empregada devido à sua leveza e resistência. Ela permite que o óleo sob pressão de lubrificação do motor passe através da haste oca e extremidades esféricas, com furo para lubrificar os terminais esféricos, rolamento do balancim e guia da haste de válvula. A haste impulsora está revestida por um envelope, que se estende do cárter à cabeça do cilindro. Balancins Os balancins transmitem a força de acio- namento do ressalto para as válvulas. Os con- juntos de balancins são suportados por mancais lisos, de roletes ou de esferas, ou uma combina- ção deles, os quais servem como um eixo (pi- vô). Geralmente, uma extremidade do braço encosta na haste impulsora e, a outra, encosta na haste da válvula. Algumas vezes, a extremidade do balan- cim possui uma ranhura para acomodar um role- te de aço. A extremidade oposta é construída ou com grampo bi-partido roscado e parafuso trava, ou furo rosqueado. O braço pode ter um parafuso para ajustar a folga entre o balancim e a ponta da haste da válvula. O parafuso é ajustado à folga especifi- cada, para garantir a abertura completa da vál- vula. Molas das válvulas Cada válvula é fechada por meio de duas ou três molas helicoidas. Se apenas uma mola fosse utilizada, haveria vibração ou oscilação em determinadas velocidades. Para eliminar essa dificuldade, duas ou mais molas (uma den- tro da outra) são instaladas em cada válvula. Cada mola irá vibrar em diferentes velocidades do motor, resultando num rápido amortecimento das vibrações e oscilações durante o funciona- mento. Duas ou mais molas também reduzem o perigo de enfraquecimento e possível falha por fratura, devido ao aquecimento e fadiga do ma- terial. As molas são mantidas no lugar por meio de travas bipartidas, instaladas no rebaixo do batente superior da mola da válvula ou arruela, e engraza num entalhe usinado na haste da vál- vula. As funções das molas são fechar as válvu- las e prendê-las seguramente em suas sedes. Levantador hidráulico de válvulas (tuchos hidráulicos) Levantadores hidráulicos de válvulas, são normalmente ajustados durante a revisão geral. Eles são montados a seco (sem lubrificação), as folgas são verificadas e os ajustes são geral- mente feitos por meio de hastes impulsoras de diferentes comprimentos. São estabelecidas as folgas mínima e máxima. Qualquer medida en- tre esses extremos é aceitável, porém, o ideal é que esta seja aproximadamente a média entre os extremos. Levantadores hidráulicos de válvulas requerem menos manutenção, são melhor lubri- ficados, e de operação mais silenciosa que os do tipo ajustados por meio de parafuso. Mancais Um mancal é qualquer superfície que su- porta, ou é suportada, por outra superfície. Um bom mancal deve ser composto de material que seja suficientemente forte para resistir às pres- sões impostas a eles, e deve permitir que a outra superfície se movimente com um mínimo de atrito e desgaste. As peças têm que ser montadas dentro de pequenas tolerâncias, para proporcionar um funcionamento eficiente e silencioso, e ainda, permitir liberdade de movimento. Para se conseguir essa condição e, ao mesmo tempo reduzir o atrito entre as peças móveis, de forma que a perda de potência não seja excessiva, são utilizados mancais de diver- sos tipos. Os mancais são requeridos para suportar cargas radiais, cargas de empuxo ou uma com- binação das duas. Existem dois meios, pelos quais as superfí- cies dos mancais se movem, uma em relação à outra. 1-26 Um é pelo movimento de deslizamento de um metal contra o outro e, o segundo, é pelo rolamento de uma superfície sobre outra. Os três diferentes tipos de mancais, em uso geral, são li- sos, de rolete e de esfera (ver figura 1-23). Figura 1-23 Rolamentos. Mancais lisos Os mancais lisos são utilizados geralmente nos eixos de manivelas, anéis de ressaltos, eixo de comando de ressaltos, bielas e eixo de acio- namento de acessórios. Tais mancais estão, ge- ralmente, sujeitos apenas a cargas radiais, em- bora alguns tenham sido projetados para absor- ver cargas de empuxo. Os mancais planos são, de modo geral, fa- bricados de metais não-ferrosos (sem ferro), tais como prata, bronze, alumínio, e diversas ligas de cobre, estanho ou chumbo. Os rolamentos da biela mestra ou pino de biela, em alguns motores, são finos invólucros de aço, protegidos com prata sobre as superfí- cies interna e externa; com chumbo-estanho protegendo a prata apenas na superfície interna. Mancais menores, como aqueles utilizados para apoiar os diversos eixos na seção de aces- sórios, são denominados buchas. Buchas "porous oilite" são amplamente usadas nesse exemplo. Elas são impregnadas com óleo, de tal forma que o calor proveniente da fabricação, traz o óleo para a superfície do mancal durante a operação do motor. Mancais de esferas Um mancal de esferas consiste em canais ranhurados interno e externamente, um ou mais conjuntos de esferas, e, nos mancais projetados para serem desmontáveis, um retentor. Eles são utilizados nos eixos de ventoinha dos compres- sores e balancins de alguns motores. Mancais de esferas especiais (deep-grove) são usados em motores de aeronaves, para transmitir o empuxo da hélice para a seção do nariz do motor. Mancais de roletes Mancais de roletes são fabricados de mui- tos tipos e formas, porém os dois tipos geral- mente usados nos motores de aeronaves são os roletes retos e de roletes cônicos. Mancais de roletes retos são utilizados onde esse mancal está sujeito apenas a cargas radiais. Eles são utilizados como mancais prin- cipais dos eixos de manivelas, nos motores de aeronaves de alta potência e, também em situa- ções onde as cargas radiais são elevadas. Nos mancais de roletes cônicos, conforme o próprio nome sugere, as superfícies interna e externa têm a forma de cone. Esses mancais resistem tanto às cargas de empuxo, quanto às radiais. . ENGRENAGENS DE REDUÇÃO DA HÉ- LICE A potência elevada entregue por um motor de alta potência, resulta da alta rotação do eixo de manivelas. É, portanto, necessário prover engrenagens de redução para limitar a velocidade de rotação da hélice, para um valor no qual uma operação eficiente seja obtida. Sempre que a velocidade das pontas das pás se aproxima da velocidade do som, a efici- ência da hélice diminui rapidamente. A prática geral tem sido prover engrenagens de redução para hélices de motores, cujas velocidades são 1-27 acima de 2.200 RPM, porque a eficiência da hélice diminui rapidamente acima dessa veloci- dade. Uma vez que as engrenagens de redução têm que resistir a tensões extremamente altas, elas são usinadas em aço forjado. Existem em uso, muitos tipos de sistemas de redução. Os três tipos (figura 1-24) comumente mais utiliza- dos são: (1) Planetário de dentes retos; (2) Planetário de dentes chanfrados; e (3) Pinhão cilíndrico. Figura 1- 24 Engrenagens de redução. Os sistemas de engrenagens de redução do tipo planetário são usados com motores radiais e opostos; e os de dentes retos e pinhão cilíndrico são usados com os motores do tipo em linha e em “V”. Dois desses tipos, o planetário de dentes retos e o planetário de dentes chanfrados, são aqui discutidos. Os sistemas de engrenagens do tipo plane- tário de dentes retos consistem de uma grande engrenagem acionadora ou engrenagem sol, presa por chaveta (e algumas vezes por estrias) ao eixo de manivelas, uma grande engrenagem estacionária chamada engrenagem sino, e um conjunto de pequenas engrenagens planetárias de dentes retos, montadas sobre um anel de su- porte. O anel é preso ao eixo da hélice, e as en- grenagens planetárias unidas tanto à engrena- gem sol quanto à sino estacionária ou anel. A engrenagem estacionária é presa ou estriada na carcaça da seção central. Quando o motor está em operação, a engrenagem sol gira. Estando as engrenagens combinadas com o anel, elas tam- bém têm que girar. Uma vez que, também estão engrazadas com a engrenagem estacionária, elas irão caminhar ou rolar em torno da mesma, à medida em que ela gira; e o anel no qual estão montadas irá girar o eixo da hélice na mesma direção do eixo de manivelas, mas a uma velo- cidade reduzida. Em alguns motores, a engrenagem sino é montada no eixo da hélice, e a engrenagem do pinhão planetário é ali fixada. A engrenagem sol é encaixada por estrias ao eixo de manivelas e, dessa forma, age como uma engrenagem aciona- dora. Nessa montagem, a hélice move-se a uma velocidade reduzida, porém em direção con- trária a do eixo de manivelas. No sistema de engrenagens de redução do tipo planetário de dentes chanfrados, a engrena- gem acionadora é usinada com dentes externos chanfrados e presa ao eixo de manivelas. Um conjunto de engrenagens de pinhão cônico conjugado, é montado na caixa ligada ao eixo da hélice. As engrenagens pinhão, são acionadas pela engrenagem acionadora, e, giram em torno da engrenagem estacionária, a qual é presa por parafusos ou por estrias à carcaça da seção fron- tal. O empuxo das engrenagens tipo pinhão cô- nico é absorvido pelo empuxo de um mancal de esferas de projeto especial. As engrenagens acionadora e fixa são, ge- ralmente, suportadas por mancais de esferas apropriados para trabalhos pesados. Esse tipo de conjunto de redução planetário é mais compacto que o outro descrito e, pode, por isso, ser utili- zado onde uma menor engrenagem redutora de hélice é desejada. 1-30 geral. A distribuição de ignição e a abertura das válvulas são sempre especificadas em graus, com relação ao eixo de manivelas. Nos parágrafos seguintes, o tempo de cada evento será especificado em termos de graus em relação ao eixo de manivelas, no tempo em que o evento ocorre. Deve ser lembrado que é requerido um certo intervalo de movimento do eixo de mani- velas para abrir completamente a válvula; dessa forma, o tempo especificado representa o início da abertura, ao invés da posição completamente aberta. Tempo de admissão Durante o tempo de admissão, o êmbolo é puxado para baixo no cilindro, através da rota- ção do eixo de manivelas. Isso reduz a pressão no interior do cilindro e provoca um fluxo de ar na pressão atmosférica através do carburardor, que mede a quantidade correta de combustível. A mistura ar/combustível passa através das tubulações de admissão, e da válvula de admis- são para os cilindros. A quantidade ou a carga da mistura ar/combustível depende da abertura da manete de aceleração. A válvula de admissão é aberta muito an- tes do êmbolo atingir o ponto morto superior no tempo de escapamento, de modo a provocar a entrada de maior quantidade de carga ar/combustível no cilindro, aumentando dessa forma sua potência. A distância antes do ponto morto superior em que a válvula pode ser aberta, está, contudo limitada por vários fatores; tal como a possibili- dade de que os gases quentes remanescentes do ciclo anterior, retornem pela tubulação de ad- missão e sistema de indução. Em todos os motores de aeronaves de alta potência, as válvulas de admissão e escapamen- to estão fora de suas sedes no ponto morto supe- rior, no início do tempo de admissão. Conforme mencionado acima, a válvula de admissão abre antes do ponto morto superior no tempo de escapamento (avanço de válvula). Esse tempo é denominado claro de válvu- la, e é projetado para ajudar na refrigeração do cilindro, internamente, por meio da circulação da mistura ar/combustível que está fria na ad- missão, para aumentar a quantidade de mistura introduzida no cilindro e para ajudar na expul- são dos sub-produtos da combustão. A válvula de admissão é regulada para fechar entre 50º e 75º após o ponto morto infe- rior no tempo de compressão, dependendo da especificação do motor, para permitir que a im- pulsão dos gases de admissão carregue o cilin- dro mais completamente. Devido ao volume do cilindro acima do êmbolo, comparativamente grande, quando o êmbolo está próximo ao ponto morto inferior, o ligeiro curso do êmbolo para cima durante esse tempo não tem grande efeito sobre o fluxo de gases sendo admitidos. Esse retardo pode ser estendido, porque os gases po- dem ser forçados de volta através da válvula de admissão, e anular o proposito do retardo no fechamento. Tempo de compressão Após a válvula de admissão estar fechada, a continuação do movimento do êmbolo para cima comprime a mistura ar/combustível, para obter as características de queima e expansão desejadas. A carga é queimada por meio de uma cen- telha elétrica, quando o êmbolo se aproxima do ponto morto superior. O tempo de ignição varia de 20º a 35º antes do ponto morto superior, de- pendendo do que seja requerido pelo motor es- pecífico, para assegurar completa combustão da carga, no tempo em que o êmbolo tiver passado ligeiramente do ponto morto superior. Muitos fatores afetam a distribuição de ignição. O fabricante do motor gasta tempo con- siderável em pesquisa e teste para determinar o melhor ajustamento. Todos os motores incorporam dispositivos para ajuste da distribuição de ignição, e, é mais importante que os sistema de ignição seja regu- lado de acordo com as recomendações do fabri- cante do motor. Tempo de potência Quando o êmbolo se move para o ponto morto superior, no fim do tempo de compressão, e começa a descer no tempo de potência, ele é forçado para baixo pela rápida expansão dos gases, queimando na cabeça do cilindro com uma força que pode ser maior que 15 toneladas, à potência máxima de saída do motor. 1-31 A temperatura de saída desses gases pode estar entre 1650ºC e 2200ºC. Na medida em que o êmbolo é forçado para baixo, durante o tempo de potência, através da pressão que os gases queimados exercem sobre ele, o movimento da biela para baixo é transformado em movimento de rotação pelo eixo de manivelas. Então, o mo- vimento de rotação é transmitido ao eixo da hélice para acioná-la. Conforme os gases queimados são expan- didos, a temperatura cai para limites seguros, antes de fluirem pelo escapamento. O tempo de abertura da válvula de esca- pamento é determinado, entre outras considera- ções, pela conveniência de utilizar as forças de expansão o máximo possível, e de esvaziar o cilindro o mais completo e rapidamente possí- vel. A válvula é aberta antes do ponto morto inferior no tempo de potência (em alguns moto- res, de 50º a 75º antes do ponto morto inferior), enquanto ainda existe alguma pressão no cilin- dro. Esse tempo é utilizado de forma que a pressão possa forçar a saída dos gases através do escapamento, o mais imediato possível. Esse processo livra o cilindro das sobras de calor, após a expansão desejada ter sido obti- da, e evita superaquecimento do cilindro e do êmbolo. Uma drenagem completa é muito impor- tante, uma vez que qualquer produto de exaus- tão remanescente no cilindro, irá diluir a carga ar/combustível, sendo admitida no início do ciclo seguinte. Tempo de escapamento Conforme o êmbolo passa no ponto morto inferior no fim do tempo de potência, e sobe no tempo de escapamento, ele começa a empurrar os gases queimados. A velocidade dos gases de escapamento deixando o cilindro, cria uma baixa pressão no seu interior. Essa pressão baixa ou reduzida acelera o fluxo da mistura ar/combustível para o cilindro, quando a válvula de admissão começar a abrir. A abertura da válvula de admissão é regu- lada para ocorrer entre 8º e 55º antes do ponto morto superior, no tempo de escapamento em muitos motores. POTÊNCIA E EFICIÊNCIA DOS MOTORES ALTERNATIVOS Todos os motores são homologados de acordo com sua capacidade para produzir traba- lho e potência. Esta seção apresenta uma explanação so- bre trabalho e potência, e sobre como eles são calculados. Também são discutidas as diversas competências que governam a saída de um mo- tor alternativo. Trabalho Os físicos definem trabalho da seguinte forma:"Trabalho é força multiplicada por dis- tância.O trabalho realizado por uma força agin- do sobre um corpo, é igual ao produto dessa força pela distância através da qual ela age." trabalho (w) = força (f) x distância (d) O trabalho é medido em diversos sistemas, a unidade mais comum é chamada libra-pé. Se a massa de uma libra for erguida de um pé, uma lb.pé de trabalho foi produzido. Quanto maior a massa e maior a distância, maior será o trabalho realizado. Cavalo-vapor (HP) A unidade comum de potência mecânica é o hp ( ou HP). Há muito tempo no século 18, James Watt, o inventor do motor a vapor, descobriu que um cavalo inglês poderia trabalhar à razão de 550 lb.pé por segundo ou 33.000 lb.pé por minuto, por um espaço razoável de tempo. A partir des- sas observações veio o hp, o qual é a unidade padrão de potência no sistema inglês de medida. Para calcular a capacidade de um motor em hp, divide-se a potência desenvolvida em lb.pé por minuto por 33.000, ou a potência em lb.pé por segundo por 550. 000.33 min/. pélbHP= ou 550 /. segpélb Conforme mostrado acima, trabalho é o produto de uma força por uma distância;e po- tência é o trabalho por unidade de tempo. 1-32 Consequentemente, se um peso de 33000 lb. for levantado verticalmente na altura de um pé, em um minuto, a potência despendida é 33000 lb.pé por minuto ou exatamente um hp. O trabalho não é realizado apenas quando a força é aplicada para levantamento. A força pode ser aplicada em qualquer direção. Se um peso de 100 lb. for arrastado no solo, uma força estará sendo aplicada para desenvolver trabalho, embora a direção do movimento resultante seja aproximadamente horizontal, o valor dessa for- ça dependerá da aspereza do piso. Se o peso for ligado a uma mola com esca- la graduada em lbs., e então arrastado, puxando- se o punho da escala, o valor da força requerida pode ser medido. Suponhamos que a força re- querida seja 90 lb. e que o peso de 100 lbs. seja arrastado 660 pés em dois minutos. O valor do trabalho realizado em dois minutos será 59.400 lb. pé, ou 29700 lb.pé por minuto; o hp. despen- dido nesse caso será 29700 dividido por 33000 ou 0,9 hp. Deslocamento do êmbolo Quando outros fatores permanecem iguais, quanto maior o deslocamento, maior será a po- tência máxima que o motor desenvolverá. Quando um êmbolo se move do ponto morto inferior para o ponto morto superior, ele desloca um volume específico. O volume deslo- cado é conhecido como cilindrada, e é expresso em polegadas cúbicas para a maioria dos moto- res de fabricação americana, e centímetros cúbi- cos para os outros. O volume deslocado pelo pistão de um cilindro (ou cilindrada) pode ser obtido multipli- cando a área da seção reta de um cilindro pela distância total que o êmbolo se desloca em um tempo do motor. Para motores multicilindros, esse produto é multiplicado pelo número de cilindros, para se obter o volume total ou cilin- drada do motor. Uma vez que o volume (v) de um cilindro é igual a área (A) da base multiplicada pela altu- ra (H), é expresso matematicamente como: V = A x H. Para nossos propósitos, a área da base é a área da seção reta do cilindro ou da face superi- or do êmbolo. Área de um círculo Para se encontrar a área de um círculo é necessário, usar um número denominado Pi (¶). Esse número representa a razão entre a circun- ferência e o diâmetro de qualquer círculo. O valor de π (Pi) não é exato, uma vez que ele representa uma dízima, porém com quatro casas decimais, seu valor é 3,1416, aproximação suficiente para a maioria dos cálculos. A área de círculo, como de um retângulo ou de um triângulo, tem que ser expressa em unidades quadradas. A distância equivalente à metade do diâ- metro do círculo é denominada raio. A área de um círculo é obtida multiplicando-se ¶ pelo raio elevado ao quadrado. A f'órmula é expressa por: A = ¶ R² Onde A é a área do círculo, ¶ é a constante da- da, e R é o raio do círculo, o qual é igual à me- tade do diâmetro ou: R D= 2 Exemplo: Encontrar o volume deslocado pelo êmbo- lo ou cilindrada de um motor PWA, 14 cilin- dros, tendo cada cilindro 5,5 polegadas de diâ- metro e um curso de 5,5 polegadas. As fórmulas requeridas são: R D 2 = A = ¶R² V = A x H VTOT = V x N (NÚMERO DE CILINDROS) Substituindo os valores nessas fórmulas, e com- pletando os calculos. R D= = 2 2 75 R = 5,5 2 , A = ¶R² A = 3,1416 . (2,75 x 2,75) A = 3,1416 x 7,5625 = 23,7584 pol². V = A x HV = 23,7584 x 5,5 V = 130,6712 VTOT = V x N VTOT = 130,6712 x 14 VTOT = 1829, 3968 1-35 P = pressão efetiva média indicada (em PSI) L = Comprimento do curso (em PÉS ou fração) A = Área da cabeça do pistão ou sa seção reta do cilindro (em sq. in.) N = Número de tempos de potência por minuto: RPM 2 K = Número de cilindros Figura 1-28 Pressão do cilindro durante o ciclo de potência. Na fórmula acima, a área do êmbolo mul- tiplicada pela pressão efetiva média indicada, dá a força que atua sobre o pistão em polegadas. Essa força,multiplicada pelo comprimento do curso, em pés, dá o trabalho desenvolvido em um tempo de potência, o qual multiplicado pelo número de tempos de potência por minuto, for- nece o número de lb.pé por minuto, de trabalho produzido por um cilindro. Multiplicando-se esse resultado pelo nú- mero de cilindros do motor, encontramos a quantidade de trabalho desenvolvido em lb.pé pelo motor. Uma vez que HP é definido como o traba- lho produzido à razão de 33.000 lb.pé por minu- to, o número total de lb.pé de trabalho desen- volvido pelo motor é dividido por 33.000 para se encontrar a potência indicada. EXEMPLO DADOS: Pressão efetiva média indicada (P) = 165 PSI CURSO (L) = 6" ou 0,5 PÉ Diâmetro interno do cilindro (A) = 5,5" RPM = 3.000 Número de cilindros (K) = 12 HP INDICADA = PLANK 33000 LB PE / MIM Encon- tre a HP indicada. A é calculado usando-se a equação: A = ¼ ¶D² A = ¼ x 3,1416 X 5,5 X 5,5 = 23,76 POL² N é calculado multiplicando-se a RPM por N = x 3.000 = 1.500 RPM Agora, substituindo na fórmula: HP INDICADA = 165 0 5 23 7 1500 12 33 000 x x x x, , . LB. PE / MIM 1069,20= Potência ao freio O cálculo da potência indicada, discutido no parágrafo precedente, é a potência teórica de um motor sem atrito. A potência total pedida para vencer o atri- to, tem que ser subtraída da potência indicada, para chegar à potência real entregue à hélice. A potência entregue para a hélice para trabalho útil é conhecida como B.H.P. (potência ao freio). A diferença entre potência indicada e po- tência ao freio é conhecida como potência de atrito, a qual é a potência requerida para vencer as perdas mecânicas, tais como a ação de bom- beamento e atrito dos êmbolos e de todas as partes móveis. 1-36 Na prática, a medição do BHP de um mo- tor envolve a medição de variáveis, conhecidas como torque ou momento de torção. Torque é o produto de uma força pela dis- tância dessa força, ao eixo sobre o qual ela atua, ou: TORQUE = FORÇA x DISTÂNCIA (A 90º DA FORÇA) Torque é uma medida de carga, expressa em libra-polegada (lb.pol.) ou libra-pé, e não deverá ser confundida com trabalho, que é ex- presso em polegada-libra (pol.lb) ou pé-libra (pé.lb). Existe uma quantidade de dispositivos para medição de torque, da qual o freio de Prony, o dinamômetro e o torquímetro são exemplos. O freio de Prony é um desses dispositivos típicos (figura 1-29), o qual mede a potência de saída disponível de um motor na bancada de teste. Ele consiste essencialmente em um anel articulado ou freio, o qual pode ser preso a um tambor estriado preso ao eixo da hélice. O anel e o tambor formam um freio de atrito, o qual pode ser ajustado por meio de uma roda. Um braço de alavanca de comprimento conhecido, é rigidamente ligado ao anel estriado ou constitui parte do mesmo, e termina num ponto onde se apóia num conjunto de balança. Figura 1-29 Típico freio de Prony. Na medida em que o eixo gira, tende a girar também o anel estriado, sendo impedido pelo braço de alavanca que se apóia na balança. A escala da balança mostra a leitura da força necessária para impedir o movimento do braço. O produto reultante será o torque exercido pela rotação do eixo. Exemplo: Se uma balança registra 200 lb, e o comprimento do braço for 3,18 pés; o torque exercido pelo eixo será: 200 lb x 3,18 pés = 636 lbs.pé Uma vez conhecido o torque, o trabalho produzido por rotação do eixo da hélice pode ser registrado sem dificuldade por meio da e- quação: Trabalho por rotação = 2 π x Torque. Se o trabalho por rotação for multiplicado pela RPM, o resultado será trabalhado por minuto ou potência. Se o trabalho for expresso em lb.pé por minuto, esse valor será dividido por 33.000; o resultado será a potência ao freio do eixo. Em outras palavras: Potência = Trabalho por rotação x RPM E BHP 000.33 RPMrotaçãoporTrabalho × = ( ) 000.33 RPMpébraçodooCompriment × ou BHP = 2π x força indicada na balança(LBS) Exemplo: Dados: Força na balança = 200 lbs Comprimento do braço = 3,18 pés RPM = 3.000 π = 3,1416 Encontro BHP Substituindo na equação BHP x x x= =6 2832 200 318 3 000 33000 363 2, , , . , BHP = 363 Enquanto o atrito entre o anel freio e o tambor do eixo da hélice for suficiente para im- 1-37 por uma carga aplicável ao motor, porém insufi- ciente para provocar sua parada, não será neces- sário conhecer o valor do atrito entre o anel e o tambor para calcular o BHP. Se não houvesse carga imposta, não have- ria torque a ser medido e o motor sofreria um "disparo". Se a carga imposta for tão grande que cau- se o estol do motor, pode haver considerável torque a ser medido, mas não haverá RPM. Nes- se caso é impossível medir o BHP do motor. Contudo, se existir um atrito razoável en- tre o tambor-freio e o anel, e a carga for aumen- tada, a tendência do eixo da hélice de conduzir o anel e o braço aumenta, impondo dessa forma, maior força à balança. Enquanto o aumento de torque for propor- cional à diminuição de RPM, a potência libera- da no eixo permanece inalterada. Isso pode ser visto da equação na qual 2¶ e 33.000 são cons- tantes e torque e RPM são variáveis. Se a alteração na RPM for inversamente proporcional à alteração no torque, seu produto irá permanecer inalterado. Dessa forma, o BHP permanecerá, também, inalterado. Isso é importante porque mostra que a po- tência é função tanto do torque quanto da RPM, e pode ser alterada, alternando-se o torque, a RPM ou ambos. Potência de atrito Potência de atrito é a potência indicada menos a potência de freio. É a potência usada por um motor para vencer o atrito entre as partes móveis, aspirar combustível, expulsar os gases de escapamento, acionar bombas de óleo e combustível, e similares. Nos motores aeronáuticos modernos, essa potência perdida por atrito é elevada, podendo atingir de 10% a 15% da potência indicada. Pressões efetivas médias de freio e de atrito A P.E.M.I. (pressão efetiva média indica- da), discutida anteriormente, é a pressão média produzida na câmara de combustão durante o ciclo de operação, e é uma expressão teórica de potência sem fricção, conhecida como potência indicada. Além de desprezar completamente a potência perdida por atrito, a potência indicada não informa quanta potência real é entregue ao eixo da hélice para produzir trabalho útil. Con- tudo, está relacionada com a pressão real, a qual ocorre no cilindro e pode ser usada como uma medida dessas pressões. Para registrar a perda por atrito e a potên- cia líquida de saída, a potência indicada de um cilindro pode ser conceituada como duas potên- cias separadas, cada uma produzindo um efeito diferente. A primeira vence o atrito interno, e a potência assim consumida é conhecida como potência de atrito. A segunda, conhecida como potência de freio, produz trabalho útil para o eixo da hélice. Logicamente, por conseguinte, a porção de P.E.M.I. que produz potência de frei- o, é denominada P.E.M.F. (pressão efetiva mé- dia de atrito). Isso está ilustrado na figura 1-30. A P.E.M.I., é uma expressão útil da potência total de saída do cilindro, mas não é a quantida- de física real. Da mesma forma, P.E.M.A. e P.E.M.F. são teóricas, mas expressões úteis das perdas por atrito e potência líquida de saída. Embora P.E.M.F. e P.E.M.A. não existam de fato, no cilindro elas provêem meios conven- cionais de se representar os limites de pressão ou taxas de desempenho do motor, por toda sua faixa de operação. Isto é verdade, desde que haja um relacionamento entre P.E.M.I., P.E.M.F. e P.E.M.A. Uma das limitações básicas da operação do motor é a pressão desenvolvida no cilindro, du- rante a combustão. Na discussão de razão de compressão e pressão efetiva média indicada, foi observado que, dentro de certos limites, o aumento de pressão resulta em aumento de po- tência. Foi notado também, que se a pressão no cilindro não for controlada dentro de limites estreitos, perigosas cargas internas serão impos- tas, podendo resultar em falha do motor. É, por- tanto, necessário ter meios de determinarmos essas pressões no cilindro, como medida de pro- teção, e para uma aplicação eficiente da potên- cia. Se o BHP for conhecido o P.E.M.F. pode ser calculado por meio da seguinte equação: P E M F BHP. . . .= x 33000 LANK Exemplo: Calcule P.E.M.F Dado: BHP =1000 Curso = 6" Diametro interno do cilindro = 5,5" RPM = 3.000 número de cilindros = 12 1-40 motor, permanece praticamente constante em toda faixa de velocidade do motor. Portanto, o rendimento mecânico de um motor será maior quando ele estiver funcionando à RPM, na qual a máxima BHP for desenvolvida. O rendimento mecânico de um motor aeronáutico alternativo médio aproxima-se de 90%. Figura 1-31 Distribuição térmica em um motor. Rendimento volumétrico Rendimento volumétrico, outro ren- dimento do motor, é uma taxa expressa em ter- mos de porcentagem. É uma comparação entre volume da carga ar/combustível (corrigida pela temperatura e pressão) introduzida nos cilindros e o deslocamento total do êmbolo do motor. Diversos fatores provocam a saída de um ren- dimento volumétrico de 100%. Os êmbolos de motores, sem supercom- pressor, deslocam o mesmo volume cada vez que são deslocados no cilindro, do ponto morto superior ao ponto morto inferior. A quantidade de carga que preenche esse volume, no tempo de admissão, depende da pressão existente e da temperatura do ar exteri- or. Dessa forma, para calcular o rendimento volumétrico de um motor, é necessário estabele- cer padrões para a pressão atmosférica e para a temperatura. O padrão americano para atmosfera foi estabelecido em 1958, e fornece a pressão ne- cessária e o valor de temperatura para se calcu- lar rendimento volumétrico. A temperatura padrão ao nível do mar é 15ºC. A essa temperatura, a pressão de uma atmosfera é 14.69 lb/pol² e essa pressão suporta uma coluna de mercúrio de 29,92 pol. de altura. Essas condições de padrão ao nível do mar, determinam uma densidade padrão, e se o motor aspira um volume de carga dessa densi- dade exatamente igual ao deslocamento do êm- bolo, é dito que ele está operando a 100% de rendimento volumétrico. Um motor aspirando um volume inferior a esse, tem rendimento volumétrico inferior a 100%. Um motor equipado com um compressor interno ou externo de alta velocidade, pode ter um rendimento volumétrico maior que 100%. A equação para rendimento volumétrico é: rendimento volumétrico = vol. da carga corrigida quanto à temp./pressão deslocamento do êmbolo Muitos fatores diminuem o rendimento volumétrico, alguns deles são: (1) operação com o motor reduzido. (2) tubulações de admissão compridas e de pe- queno diâmetro. (3) curvas acentuadas no sistema de indução. (4) temperatura do ar do carburador muito ele- vada. (5) temperatura da cabeça do cilindro muito elevada. (6) descarga incompleta. (7) tempo de abertura de válvulas inadequado. Rendimento propulsivo Uma hélice é utilizada com um motor para prover empuxo. O motor fornece BHP através da rotação do eixo, e a hélice absorve a BHP e a converte em potência de empuxo. Nessa conver- são, alguma potência é perdida. Uma vez que o rendimento de qualquer máquina é a razão entre a potência útil de saída e a de entrada; o rendimento propulsivo (nesse 1-41 caso, rendimento da hélice) é a razão entre a po- tência de empuxo e a potência ao freio. Na mé- dia, a potência de empuxo constitui aproxima- damente 80% da potência ao freio. Os outros 20% são perdidos em atrito e escorregamento. O controle dos ângulos das pás da hélice, é o melhor método de obtermos o máximo de ren- dimento propulsivo para todas as condições encontradas em vôo. Durante a decolagem, quando a aeronave está se deslocando em baixa velocidade e, quando são requeridos potência e empuxo má- ximos, um baixo ângulo de pá da hélice produ- zirá o máximo de empuxo. Para vôos em alta velocidade ou picada, o ângulo da pá é aumentado para se obter o má- ximo de empuxo e rendimento. A hélice de ve- locidade constante é utilizada para fornecer o empuxo requerido, a um rendimento máximo, para todas as condições de vôo. CONSTRUÇÃO DO MOTOR A TURBINA Em um motor alternativo, a admissão, a compressão, a combustão e o escapamento ocor- rem na mesma câmara de combustão; conse- quentemente, cada uma dessas funções tem o- cupação exclusiva da câmara, durante sua res- pectiva parte no ciclo de combustão. Uma vantagem significante do motor de turbina a gás, contudo, é que existem seções separadas para cada função, e todas as funções ocorrem simultaneamente sem interrupção. Um motor de turbina a gás tipico consiste em: (1) uma entrada de ar (2) seção do compressor (3) seção de combustão (4) seção de turbina (5) seção de escapamento (6) seção de acessórios (7) sistemas necessários para partida, lubrifica- ção, suprimento de combustível e fins auxi- liares, tais como degelo, refrigeração e pressurização. Os principais componentes de todos os motores de turbina a gás são basicamente os mesmos; contudo, a nomenclatura das peças componentes de diversos motores de uso cor- rente, varia ligeiramente devido à diferença na terminologia de cada fabricante. Essas diferen- ças estão refletidas nos manuais de manutenção aplicáveis. O fator que mais influencia as carac- terísticas de construção de um motor de turbina a gás é o tipo do compressor (de fluxo axial ou centrífugo) para o qual o motor é projetado. Adiante neste capítulo, será dada uma descrição detalhada de compressores, mas para o momen- to vejamos as figuras 1-32 e 1-33. Observe o efeito físico que os dois tipos de compressores têm sobre as características de construção do motor. É obvio que existe uma diferença nos seus comprimentos e diâmetros. Figura 1-32 Motor de fluxo axial. 1-42 Figura 1-33 Motor de fluxo centrífugo. Observamos que no motor de fluxo axial, o duto da entrada de ar é um dos principais com- ponentes do motor; por outro lado, no motor de fluxo centrífugo, o ar, após passar pela entrada, é dirigido para as aletas indutoras do compres- sor através de passagens circunferenciais, loca- lizadas à frente e atrás do impelidor. As passagens são protegidas com tela, para evitar a entrada de objetos estranhos que poderi- am causar sérios danos em componentes metáli- cos, quando permitida a sua entrada no com- pressor. Os acessórios dos dois tipos de motores estão localizados em pontos diferentes. Isso é necessário devido à construção do motor. A parte dianteira do motor de fluxo axial é utilizada como entrada de ar; consequentemen- te, os acessórios deverão estar localizados em outra parte. Além das características já mencionadas, existem poucas dissimilaridades visuais entre os demais componentes principais dos dois moto- res. Entrada de ar A entrada de ar é projetada de forma a di- rigir o ar para o compressor com um mínimo de perda de energia, resultante do arrasto aerodi- nâmico ou pressão de impacto; ou seja, o fluxo de ar no compressor deve estar livre de turbu- lência para alcançar o máximo de eficiência de operação. Um projeto adequado contribui meterial- mente para o desempenho da aeronave, aumen- tando a taxa de pressão de descarga do compres- sor em relação à pressão de entrada do duto. A quantidade de ar que entra no motor depende de três fatores: (1) velocidade do compressor (rpm) (2) velocidade da aeronave (3) densidade do ar ambiente As entradas de ar podem ser classificadas como: (1) entradas de ar localizadas no nariz da fuselagem ou nacele do motor. (2) entradas de ar localizadas ao longo dos bordos de ataque das asas, geralmente na raiz, para as instalações de monomoto- res. (3) entradas de ar anulares, circundando, no todo ou em parte, a fuselagem ou nacele do motor. (4) entradas de ar de aspiração, as quais se pro- jetam além da superfície imediata da fuse- lagem ou nacele. 1-45 Os acessórios, usualmente instalados em um motor, são o controle de combustível com seus dispositivos de governo, a(s) bomba(s) de alta pressão de combustível; bombas de pressão e de retorno de óleo, bomba auxiliar de combus- tível e, algumas vezes, bomba de combustível de partida e diversos acessórios do motor, inclu- indo motor de partida, gerador e tacômetro. Embora esses acessórios sejam na maioria peças essenciais, uma combinação particular dos acessórios acionados pelo motor depende do uso para o qual o motor foi projetado. Os acessórios acima mencionados (exceto os motores de partida) são do tipo acionado pelo motor. Também associados com os sistemas do motor estão os acessórios não acionados meca- nicamente tais como excitadores de ignição, filtros de óleo e combustível, unidades baromé- tricas, válvulas de drenagem, válvulas de san- gria do compressor e válvulas de alívio. Seção do compressor A seção do compressor de um motor de turbina a gás tem muitas funções. A principal delas é suprir ar em quantidade suficiente às necessidades dos queimadores de combustão. Especialmente para cumprir sua finalidade, o compressor tem que aumentar a pressão da mas- sa de ar recebida do duto de entrada, e então descarregá-la para os queimadores em quanti- dade e pressão requeridas. Uma função secundária do compressor é suprir ar de sangria para as diversas finalidades no motor e na aeronave. O ar de sangria é tomado em qualquer um dos diversos estágios do compressor. A locali- zação exata das tomadas de sangria depende naturalmente da pressão ou temperatura, reque- rida para um próposito particular. As tomadas são pequenas aberturas na carcaça do com- pressor, adjacente ao particular estágio do qual o ar será extraído; assim, níveis variados de pressão e calor estão disponíveis, simplesmente sangrando no estágio apropriado. O ar é frequentemente extraído do último estágio ou estágio de pressão mais elevado, uma vez que nesse ponto, a pressão e temperatura do ar estão no máximo. Algumas vezes, pode ser necessário resfri- ar esse ar de alta pressão. Se ele for utilizado para pressurização da cabine ou outros propósi- tos onde o calor excessivo seria desconfortável ou danoso, será enviado através de uma unidade de refrigeração. O ar sangrado do motor é utilizado numa ampla variedade de situações, incluindo o acio- namento dos acessórios mencionados anterior- mente. Algumas das aplicações correntes do ar extraído são: (1) pressurização, aquecimento e refrigeração da cabine. (2) equipamentos de degelo e anti-gelo (3) partida penumática de motores (4) unidade de acionamento auxiliar (APU) (5) sistema servo de reforço (6) potência para acionamento de instrumentos. A localização da seção do compressor, depende do tipo deste último. As figuras 1-32 e 1-33, ilustram como a montagem dos compo- nentes do motor variam com o tipo de compres- sor. No motor de fluxo centrífugo, o compres- sor está localizado entre a seção de acessórios e a seção de combustão; no motor de fluxo axial o compressor está localizado entre o duto de en- trada de ar e a seção de combustão. Tipos de compressor Os dois tipos principais de compressores, sendo utilizados correntemente em motores tur- bojatos de aeronaves, são de fluxo centrífugo e axial. O tipo de compressor é um meio de classi- ficação do motor. Os termos "fluxo centrífugo"e "fluxo axi- al" têm sido muito usados para descrever o mo- tor e o compressor. Contudo, eles são aplicá- veis para o fluxo de ar através do compressor. Nos motores de fluxo centrífugo, o com- pressor alcança seu propósito, captando a massa de ar de entrada e acelerando-a de dentro para fora através de ação centrífuga. No motor de fluxo axial, o ar é comprimi- do enquanto continua em sua direção original de fluxo, evitando dessa forma perda de energia causada pela rotação. Da entrada para a saída, o ar flui por um caminho axial, e é comprimido a uma razão aproximada de 1,25:1 por estágio. Os compo- 1-46 nentes de cada um desses tipos de compressores têm suas funções individuais na compressão do ar para a sua combustão. Compressores de fluxo centrífugo O compressor centrífugo consiste basica- mente de um impulsor (rotor), um difusor (esta- tor) e um coletor compressor, ilustrado na figura 1-37. Os dois principais elementos funcionais são o impulsor e o difusor. Embora o difusor seja uma unidade, separada e instalada, interi- ormente presa por parafusos ao coletor; o con- junto (difusor e coletor) é freqüentemente cha- mado de difusor. Para classificação durante a familiarização com o compressor, as unidades são tratadas individualmente. O impulsor é geralmente fabricado em liga de alumínio forjado, tratado termicamente, usi- nado e polido para restrição mínima ao fluxo e turbulência. Em alguns tipos, o impulsor é fa- bricado com um único forjamento. Esse tipo de impulsor é mostrado na figura 1-37(A). Em ou- tros tipos de aletas curvas de indução curvas são partes separadas, como ilustrado na figura 1-38. O impulsor, cuja função é captar e acelerar o ar de dentro para fora para o difusor pode ser de dois tipos: entrada simples ou dupla. Ambas são similares em construção, ao impulsor do compressor do motor alternativo, sendo o tipo de entrada dupla similar a dois im- pulsores costa com costa. Contudo, devido à quantidade de ar muito maior, requerida nos motores turbojato, os im- pulsores são maiores que os impulsores dos su- percompressores. A principal diferença entre os dois tipos de impulsores são o tamanho e a montagem do duto. O tipo de entrada dupla tem um diâmetro menor, mas funciona geralmente em velocida- des de rotação mais elevadas, para assegurar um fluxo de ar suficiente. O impulsor de entrada dupla permite um duto conveniente direto para o olhal do impul- sor (palhetas do indutor), oposto aos dutos mais complicados, necessários para alcançar a parte traseira do tipo de entrada dupla. Embora ligeiramente mais eficiente na recepção de ar, o impulsor do tipo entrada sim- ples precisa ter um grande diâmetro para forne- cer a mesma quantidade de ar que o tipo entrada dupla fornece; isso, naturalmente, aumenta o diâmetro total do motor. Incluída no duto para motores com com- pressor de entrada dupla está uma câmara plena. Essa câmara é necessária nos compressores de entrada dupla porque o ar deve ser admitido no motor a ângulos quase retos, em relação ao eixo do motor. Portanto, o ar deve, a fim de pro- porcionar um fluxo positivo, circundar o com- pressor do motor a uma pressão positiva antes de entrar nessa unidade. Incluídas em algumas instalações, como peça essencial da câmara plena, estão as entra- das de ar auxiliares (blow-in doors). Essas en- tradas auxiliares admitem ar para o comparti- mento do motor durante a operação no solo, quando o ar requerido para o motor excede o fluxo que passa através dos dutos de entrada. As entradas são mantidas fechadas por ação de mola, quando o motor não está ope- rando. Durante a operação, no entanto, as entra- das abrem automaticamente sempre que a pres- são no compartimento do motor cai abaixo da pressão atmosférica. Durante a decolagem e em vôo, a pressão do ar de impacto no compartimento do motor auxilia a mola a manter a entrada fechada. O impelidor é uma câmara anular provida de uma quantidade de aletas formando uma sé- rie de passagens divergentes no coletor. As ale- tas difusoras dirigem o fluxo para reter a máxi- ma quantidade de energia imprimida pelo im- pulsor. Elas também distribuem o ar para o cole- tor a uma velocidade e pressão satisfatórias para uso nas câmaras de combustão. Vejamos a figura 1-37(A) e observamos a seta indicando o caminho seguido pelo fluxo de ar através do difusor, e então através do coletor. O coletor do compressor, mostrado na fi- gura. 1-37(A) desvia o fluxo de ar do difusor, o qual é parte integral do coletor nas câmaras de combustão. O coletor tem uma saída para cada câmara, afim de que o ar seja igualmente dividido. Um cotovelo de saída do compressor está preso por parafusos à janela de saída. Essas saídas de ar são construídas na forma de dutos e são conhe- cidas por uma variedade de nomes, tais como dutos de saída de ar, cotovelos de saída ou dutos de entrada da câmara de combustão. Indiferente à terminologia utilizada, esses dutos de saída cumprem uma parte muito impor- tante do processo de difusão; isto é, eles mudam 1-47 a direção radial do fluxo de ar para uma direção axial, onde o processo de difusão é completado após a volta. Para ajudar os cotovelos a cumprirem sua função de maneira eficiente, defletores em cas- cata são algumas vezes presos dentro deles. Es- sas aletas ou deflectores reduzem as perdas de pressão de ar, apresentando uma suave super- fície torneada. Ver figura 1-37(B). Figura 1-37 A- Componentes de um compressor centrífugo; e B- Saídas de ar do cotovelo, com aletas curvas para reduzir as perdas da pressão do ar. Figura 1-38 Compressor de duas entradas com palhetas indutoras como peças se- paradas. Compressor de fluxo axial O compressor de fluxo axial tem dois ele- mentos principais: o rotor e o estator. O rotor tem lâminas fixas a um eixo. Essas lâminas im- pelem o ar para trás da mesma forma que uma hélice, devido ao seus ângulos e perfil de aero- fólio. O rotor, girando a alta velocidade, toma o ar na entrada do compressor e o impele através de uma série de estágios. A ação do rotor au- menta a compressão do ar em cada estágio, e o acelera para trás através dos diversos estágios. Com essa velocidade aumentada, a energia é transferida do compressor para o ar na forma de energia dinâmica. As lâminas estatoras atuam como difusores em cada estágio, convertendo parcialmente alta velocidade em pressão. Cada par consecutivo de rotor e lâminas estatoras constitui um estágio de pressão. O número de fileiras de lâminas (está- gios) é determinado pela quantidade de ar e au- mento de pressão total requeridos. Quanto maior o número de estágios, mais alta será a taxa de compressão. Muitos motores utilizam de 10 a 16 está- gios. O estator tem fileiras de lâminas ou aletas em forma de cauda de andorinha, em anéis bi- partidos, os quais são, por sua vez, presos inte- riormente a uma camisa envolvente. As lâminas estatoras projetam-se radialmente pelo eixo do motor e se unem em cada lado de cada estágio do rotor. A carcaça do compressor, na qual as lâmi- nas estatoras são fixas, é dividida horizontal- mente em metades. Tanto a metade superior quanto a inferior podem ser removidas para ins- peção e manutenção do rotor e das aletas estato- ras. A função das lâminas é duplicada. Elas são projetadas para receber ar do duto de entrada ou de cada estágio precedente do compressor, e distribuí-lo para o estágio seguinte ou para os queimadores, à pressão e velocidade trabalhá- veis. Elas também controlam a direção do ar pa- ra cada estágio do rotor, para obterem a máxima eficiência possível das palhetas do compressor. São mostrados na figura 1-39 os elementos do rotor e do estator de um compressor típico de fluxo axial. As palhetas do rotor são geralmente precedidas por um conjunto de lâminas guias de entrada. As lâminas guias direcionam o fluxo de 1-50 seguinte. Lembre-se que embora cada tipo de compressor tenha méritos e limitações, o de- sempenho em potencial é a chave para desen- volvimento e utilização ulteriores. As vantagens do compressor de fluxo cen- trífugo são: (1)a alta pressão a cada estágio. (2) boa eficiência sobre largo alcance de ve- locidade rotacional. (3) simplicidade de fabricação, além do baixo custo. (4)Baixo peso. (5)necessidade de baixa potência de partida. As desvantagens dos compressores de flu- xo centrífugo são: (1) extensa área frontal para o fluxo obtido. (2) não são práticos para mais de dois estágios, devido às perdas nas curvas entre estágios. As vantagens do compressor de fluxo axial são: (1) alto rendimento máximo. (2) pequena área frontal para um dado fluxo de ar. (3) fluxo direto, permitindo alta eficiência de impacto. (4) elevação da pressão, através do aumento do número de estágios com perdas desprezí- veis. As desvantagens do compressor de fluxo axial são: (1) são eficientes apenas numa estrita faixa de rotação. (2) difícil fabricação e alto custo. (3) relativamente pesado. (4) requer alta potência para partida (isso tem sido parcialmente superado pelos compressores divididos. Seção de combustão A seção de combustão encerra o processo de combustão, o qual eleva a temperatura do ar que passa através do motor. Esse processo libera a energia contida na mistura ar/combustível. A maior parte dessa energia é requerida na turbina para acionar o compressor. A energia remanes- cente cria uma reação ou propulsão e desembo- ca na traseira do motor na forma de jato em alta velocidade. A função principal da seção de combustão é, naturalmente, queimar a mistura ar/combustível, adicionando dessa forma ener- gia calorífica ao ar. Para fazer essa queima de forma eficiente a câmara de combustão deve: (1) prover os meios para a mistura apropriada do ar e do combustível para assegurar boa combustão. (2) queimar essa mistura de forma eficiente. (3) resfriar os produtos da combustão para uma temperatura na qual as palhetas da turbina possam resistir sob condições de operação. (4) distribuir os gases quentes para a seção da turbina. A posição da seção de combustão é entre o compressor e as seções da turbina. As câmaras de combustão são sempre montadas coaxialmente com o compressor e com a turbina, independente do tipo, uma vez que as câmaras devem estar numa posição de fluxo direto para funcionar eficientemente. Todas as câmaras de combustão contêm os mesmos elementos básicos: (1) carcaça; (2) camisa interna perfurada; (3) sistema de injeção de combustível; (4) alguns dispositivos para a ignição inicial; (5) um sistema de drenagem para drenar o combustível não queimado, após o corte do motor. Existem três tipos básicos de câmara de combustão, sendo as variações dentro desses tipos, apenas particularidades. Esses tipos são: (1) câmara múltipla ou caneca (2) anular ou tipo cesta (3) caneca anular, ou canelar A câmara de combustão tipo caneca é típi- ca dos modelos usados, tanto nos motores de fluxo centrífugo quanto nos de fluxo axial. É particularmente adequada para motores de com- pressor centrífugo (uma vez que o ar que deixa o compressor já está dividido em porções iguais, quando deixa as lâminas difusoras). Ela é então um simples espaço para conduzir o ar dos difu- sores nas respectivas câmaras de combustão, 1-51 montadas radialmente em volta do eixo do mo- tor. No passado, o número de câmaras, de duas passaram a dezesseis. Nos tempos atuais esse número é bastante vari- ado. A figura 1-43 ilustra a montagem para a câmara de combustão tipo caneca. Nos motores de construção americana essas câmaras são nu- meradas no sentido horário, com a câmara nú- mero um fazendo o topo do motor, visto por trás. Figura 1-43 Arranjo das câmaras de combustão do tipo caneca. Figura 1-44 Câmara de combustão do tipo caneca. 1-52 Cada câmara de combustão tipo caneca consiste de uma carcaça externa, dentro da qual existe uma camisa de aço inoxidável perfurada (resistente a altas temperaturas) ou camisa in- terna. (ver figura 1-44). A carcaça externa está dividida para facilitar a substituição da camisa. A seção maior ou o corpo da câmara, encaixa a camisa na extremidade de saída, e a tampa da câmara menor encaixa na extremidade frontal ou entrada da camisa. Os tubos interconectores (propagadores de chama) são peças necessárias das câmaras de combustão tipo caneca. Uma vez que cada caneca é um queimador separado, operando independentemente de ou- tras canecas, deve haver um meio de espalhar a combustão durante a operação inicial de partida. Isso é conseguido interconectando todas as câ- maras, de forma que a chama seja iniciada pelos ignitores em duas das câmaras inferiores, pas- sando através dos tubos e inflamando a mistura de combustível na câmara adjacente. A ação é continuada até que todas as câ- maras estejam queimando. Os tubos de chama variam em detalhes de construção de um motor para outro, embora os componentes básicos sejam quase idênticos. Os tubos interconectores são mostrados na figura 1-45. Devemos ter em mente que as câ- maras não apenas devem estar interconectadas por um tubo externo (nesse caso uma virola), mas deve haver também um tubo ligeiramente maior, dentro do tubo externo, para interconec- tar, as camisas das câmaras onde a chama está localizada. Os tubos externos ou invólucros em volta dos tubos de interconex o da chama, não apenas proporcionam um fluxo de ar entre às câmaras, mas também cumprem uma função isoladora em volta dos tubos de chama. Figura 1-45 Tubos interconectores de chama para câmaras do tipo caneca. Os ignitores anteriormente mencionados são geralmente dois; e estão localizados em du- as câmaras de combustão tipo caneca. Outro requisito muito importante na cons- trução das câmaras de combustão é prover mei- os para drenagem do combustível não queima- do. Essa drenagem evita a deposição de goma nas tubulações de combustível, bicos injetores e câmaras de combustão. Esses depósitos são causados pelo resíduo deixado quando o combustível evapora. Prova- velmente mais importante é o perigo de explo- são (pós chama), se houver acúmulo de combus- tível após o corte do motor. Se o combustível não for drenado, existe uma grande possibilida- de de, na tentativa da partida seguinte, o excesso de combustível na câmara se inflame e a tempe- ratura do tubo de escapamento ultrapasse os limites seguros de operação. As camisas dos combustores tipo caneca(figura 1-44) têm perfu- rações de tamanhos e formas variados, tendo cada furo um propósito e efeito específicos so- bre a propagação da chama dentro da camisa. O ar que entra na câmara de combustão é dividido entre os próprios furos, venezianas e fendas em duas correntes principais: ar primário e ar secundário. O ar primário ou de combustão é dirigido dentro da camisa na extremidade frontal, onde se mistura com o combustível e é queimado. O ar secundário ou ar de refrigeração passa entre a carcaça externa e a camisa e se junta aos gases de combustão através dos furos maiores em di- reção à parte traseira da camisa, resfriando os gases de combustão de cerca de 192ºC para a- proximadamente 815ºC. Para ajudar na atomização do combustível, são construídos furos em volta dos injetores, na cúpula ou extremidade de entrada da camisa do combustor tipo caneca. As camisas dispõem também de venezia- nas ao longo do comprimento do eixo axial para direcionar uma camada de ar de refrigeração ao longo de suas paredes internas. Essas camadas de ar tendem a controlar a forma da chama mantendo-a centrada na cami- sa, evitando dessa forma a queima das paredes da camisa. A figura 1-46 ilustra o fluxo de ar através das venezianas na câmara de combustão anular dupla. 1-55 queimadores. Um sistema especial de deflecto- res é utilizado para provocar uma turbulência no fluxo de ar. A figura 1-49 mostra o fluxo de ar de combustão, ar de refrigeração do metal e ar diluente ou gás de refrigeração. Prestamos particular atenção para a direção do fluxo de ar indicado pelas setas. Figura 1-49 Fluxo de ar através de uma câma- ra anular. SEÇÃO DA TURBINA A turbina transforma uma quantidade de energia cinética dos gases de escapamento em energia mecânica, para acionar o compressor e acessórios. Essa é a única finalidade da turbina e, essa função, absorve aproximadamente 60 a 80% da energia total da pressão dos gases de escapamento. A quantidade exata de energia absorvida na turbina é determinada pela carga que é impelida por ela, isto é, do tamanho e do tipo do compressor, da quantidade de acessó- rios e pela hélice e suas engrenagens de redu- ção, se o motor for turboélice. A seção da turbina de um motor turbojato está localizada na parte traseira ou à jusante da seção da câmara de combustão. Especificamen- te, ela está na saída da câmara de combustão. O conjunto da turbina consiste de dois elementos básicos: o estator e o rotor, como a unidade do compressor. Esses dois elementos são mostrados nas figura 1-50 e 1-51, respecti- vamente. O estator é conhecido por uma variedade de nomes, como: aletas guias dos bocais da turbina e aletas guias da turbina. As aletas gui- as dos bocais da turbina estão localizados após a câmara de combustão, e imediatamente à frente da roda da turbina. A função das aletas guias da turbina é dupla. Primeiro, depois que a câmara de com- bustão introduz a energia calorífica na massa de Figura 1-50 Elemento estator do conjunto da turbina. ar e o distribui igualmente para os bocais ejeto- res da turbina, o trabalho dos bocais ejetores é preparar o fluxo da massa de ar para aciona- mento do rotor da turbina. As aletas estacioná- rias ou aletas guias da turbina, são contornadas e colocadas num ângulo tal que formam uma quantidade de pequenos bocais ejetores descar- regando o gás a velocidades extremamente ele- vadas; assim, os bocais ejetores convertem uma porção variável de calor e energia sob forma de pressão para energia sob forma de velocidade, a qual pode então ser convertida em energia mecânica através das palhetas do rotor. Figura 1-51 Elemento rotor do conjunto da turbina. A segunda finalidade dos bocais ejetores da turbina é defletir os gases para um ângulo específico na direção de rotação da roda da turbina. Uma vez que o fluxo de gás dos bocais ejetores tem que penetrar no curso das aletas da turbina enquanto ela ainda está girando, é es- sencial dirigir o gás na direção de rotação da turbina. 1-56 O conjunto de bocais ejetores da turbina consiste de um anel de contenção interno e outro externo, entre os quais são fixadas as aletas. O número de aletas empregadas varia com os diferentes tipos e tamanhos dos motores. A figura 1-52 ilustra ejetores de turbina típicos com aletas livres e soldadas. Figura 1-52 Conjuntos típicos de aletas ejeto- ras da turbina. As lâminas ou aletas dos ejetores da tur- bina podem ser montadas entre os anéis de con- tenção interno e externo numa variedade de formas. Embora os elementos reais possam variar levemente em sua configuração e carac- terísticas de construção, existe uma carac- terística peculiar para todos os bocais ejetores de turbina; isto é, as aletas têm que ser cons- truídas para permitir a expansão térmica. Por outro lado, pode haver severas distor- ções ou empenamento dos componentes de metal devido às rápidas mudanças de tempera- tura. A expansão térmica dos bocais da turbina é consumada por diversos métodos. Um méto- do necessita que as aletas sejam montadas li- vremente nos anéis de contenção interno e ex- terno. (ver figura 1-52 A). Cada aleta assenta em uma fenda contor- nada nos anéis de contenção, as quais estão em conformidade com a forma de aerofólio das aletas. Essas fendas são ligeiramente maiores que as aletas para proporcionar uma folga. Para proteção adicional, os anéis de contenção estão envolvidos por um anel protetor interno e um externo, os quais dão um aumento de resistên- cia e rigidez. Esses anéis de proteção também facilitam a remoção de cada aleta; de outra forma, elas se soltariam na medida em que os anéis de contenção fossem removidos. Outro método de construção para permitir a expansão térmica é fixar as aletas nos anéis de contenção interno e externo; contudo nesse método, as aletas são soldadas ou rebitadas na posição (ver figura 1-52 B). Alguns recursos devem ser providos para permitir a expansão; por tanto ou anel de contenção interno ou o externo é partido em segmentos. Esses cortes, dividindo os segmentos, irão permitir expansão suficiente para evitar esforço e empenamento das aletas. O rotor da seção da turbina consiste es- sencialmente de um eixo e uma roda. (ver figu- ra 1-51). A roda da turbina é uma unidade balance- ada dinamicamente, consistindo de lâminas presas a um disco rotativo. O disco, por sua vez, está preso ao eixo principal de transmissão de potência do motor. O jato de gases, deixan- do as aletas dos bocais da turbina agem sobre as lâminas da roda da turbina, causando à rota- ção do conjunto uma taxa de velocidade bastante elevada. A elevada velocidade de rotação impõe severas cargas centrífugas sobre a roda da turbina e, ao mesmo tempo, as elevadas temperaturas resultam em uma diminuição da resistência do material. Consequentemente, a rotação e a temperatura devem ser controladas para manter a operação da turbina dentro dos limites de segurança. Referimo-nos ao disco da turbina, como se ela estivesse sem as palhetas. Quando as aletas da turbina são instaladas, então o disco torna-se a roda desta. O disco atua como um componente de ancoragem para as lâminas. Uma vez que o disco é aparafusado ou soldado ao eixo, as lâminas podem transmitir ao rotor a energia extraída dos gases de escapamento. A extremidade do disco é exposta aos gases quentes, que passam através das lâminas, e absorve quantidade de calor considerável desses gases. Além disso, a extremidade tam- bém absorve calor das lâminas da turbina por condução. Portanto, as temperaturas das extre- midades dos discos são normalmente altas e bem acima das temperaturas das partes mais 1-57 internas do disco. Como resultado desses gra- dientes de temperatura, tensões térmicas são adicionadas às tensões de rotação. Existem diversas maneiras de aliviar, ao menos parcialmente, as tensões acima mencio- nadas. Uma delas é sangrar o ar de refrigeração atrás da face do disco. Outro método de aliviar a tensão térmica do disco é a casual instalação das aletas. Uma série de ranhuras ou entalhes, de acordo com o projeto da raiz da lâmina, são abertos na extre- midade do disco. Essas ranhuras prendem as aletas da turbina ao disco, e, ao mesmo tempo, provê um espaço através dos entalhes para a expansão térmica dos discos. Existe folga sufi- ciente entre a raiz das aletas e os entalhes para permitir o movimento das aletas quando o dis- co está frio. Durante a operação do motor, a expansão do disco diminui a folga. Isso faz com que a raiz da aleta fique justa na borda do disco. O eixo da turbina, ilustrado na figura 1- 51, é geralmente fabricado de liga de aço. A liga deve ser capaz de absorver os altos torques que são exercidos, quando é dada partida num compressor de fluxo axial. Os métodos de fixar o eixo ao disco da turbina são variáveis. Em um método, o eixo é soldado ao disco, o qual tem uma parte mais grossa ou protuberância existente para a fixação. Um outro método é através de parafusos, esse requer que o eixo tenha um cubo o que coincida com a superfície usinada na face do disco. Os parafusos são en- tão inseridos através de orifícios no cubo do eixo, e fixados em orifícios com rosca interna nos discos. Dos dois métodos, o último é o mais comum. O eixo da turbina deve ter alguns meios para ligação ao cubo do rotor do compressor. Isso é geralmente feito por um rasgo de chaveta na parte dianteira do eixo. A chaveta encaixa no entalhe entre o compressor e o eixo da tur- bina. Se não for utilizado esse método, a ex- tremidade estriada do eixo da turbina pode ser presa ao encaixe ranhurado no cubo do rotor do compressor. Esse arranjo estriado é utilizado quase exclusivamente nos motores de compres- sor centrífugo, enquanto os motores de com- pressor axial podem usar qualquer um dos mé- todos descritos. Existem diversos meios de fixar palhetas, alguns similares à fixação das aletas do compressor. O método mais satisfatório usado é o for- mato pinheiro, mostrado na figura 1-53. Figura 1-53 Palheta da turbina com formato de pinheiro e o método de freno para retenção. As palhetas são presas às suas respectivas ranhuras por uma variedade de métodos; alguns dos mais comuns são martelagem, soldagem, frenagem e rebitagem. A figura 1-54 mostra uma roda de turbina típica, usando rebitagem para retenção das palhetas. Figura 1-54 Método de rebitagem para reten- ção da palheta da turbina. O método de martelagem para retenção das palhetas é utilizado frequentemente em várias formas. Uma das mais comuns aplica- ções da martelagem requer que se faça um pe- queno entalhe na raiz da palheta tipo pinheiro, antes da sua instalação. Após a aleta ter sido inserida no disco, o entalhe é preenchido pelo metal do disco, o qual "flui" por um sinal de punção feito no dis- co, adjacente ao entalhe. A ferramenta empre- gada para esse serviço é idêntica a um punção de centro. Outro método de retenção de palheta é construir sua raiz, de forma que a aleta conte- nha todos os elementos necessários à sua reten- ção. Esse método, ilustrado na figura 1-55, 1-60 O duto deve ser construído de forma a incluir características, como um predetermina- do número de saliências dos pares térmicos do tubo de escape, e deve haver também orifícios para inserir os tirantes de sustentação. Em al- guns casos, não são utilizados tirantes para sustentação do cone interno. Se for o caso, as longarians ocas proporcionam a base de sus- tentação do cone interno, sendo soldadas por pontos, posicionadas para a superfície interna do duto e cone interno, respectivamente. (ver figura 1-61). Figura 1-61 Coletor de escapamento com su- porte soldados. As longarinas radiais têm uma função duplicada. Elas não apenas fixam o cone inter- no ao duto de escapamento, como também de- sempenham a importante missão de alinhamen- to dos gases de escape, que, de outra forma, deixariam a turbina a um ângulo de aproxima- damente 45º. O cone interno de localização central é fixado junto à face traseira do disco da turbina, evitando a turbulência dos gases quando eles deixam a roda da turbina. O cone é suportado por longarinas radiais. Em algumas configura- ções um pequeno orifício está localizado na extremidade de saída do cone. Esse orifício permite que o ar de refrigeração circule da tra- seira do cone, onde a pressão de ar na roda da turbina é relativamente alta, para o interior do cone, e consequentemente, contra a face da roda da turbina. O fluxo de ar é positivo, já que a pressão de ar na roda da turbina é relativa- mente baixa devido sua rotação, garantindo, assim, a circulação do ar. Os gases utilizados para refrigeração da roda da turbina retornam ao trajeto de escoamento principal, passando através da folga entre o disco da turbina e o cone interno. O conjunto do cone de escapamento com- pleta o motor básico. Os componentes restantes (bocal de descarga e bocal ejetor)são geralmen- te considerados componentes da fuselagem. O bocal de descarga é utilizado primeiramente para fazer com que os gases escapem da fuse- lagem. A utilização do bocal de escape impõe uma penalidade à eficiência de operação do motor, na forma de perdas de calor e atrito. Essas perdas materialmente afetam a velocida- de final dos gases de escapamento e consequentemente, o empuxo. O bocal de escape termina em um bocal ejetor que está à frente da extremidade da fuse- lagem. A maioria das instalações utiliza um escapamento dirigido simples, em oposição às saídas de escapamento duplas, para obter as vantagens de baixo peso, simplicidade e perdas mínimas no duto (ver a figura 1-62). Figura 1-62 Tipos de tubos de escapamento. O bocal de descarga é geralmente fabrica- do com características semiflexíveis. Mais uma vez, a necessidade dessas características de- pende do seu comprimento. Nos bocais de escape extremamente com- pridos, uma montagem de foles é incorporada à sua construção, permitindo movimentos tanto na instalação quanto na manutenção, além da expansão térmica. Isso elimina as tensões e deformações que, de outra forma, estariam pre- sentes. 1-61 A irradiação de calor do cone e bocal de escapamento pode danificar os componentes da estrutura em volta dessa unidade. Por essa ra- zão, alguns processos de isolamento devem ser idealizados. Existem diversos métodos dispo- níveis para proteção da estrutura da fuselagem, sendo os dois mais comuns, a manta de isola- mento e as proteções de isolamento. As mantas de isolamento, ilustradas nas figura 1-63 e 1-64, consistem de diversas ca- madas de lâminas de alumínio, cada uma sepa- rada por uma camada de lã de vidro ou algum outro material adequado. Embora essas mantas protejam a fuselagem da irradiação de calor, elas são utilizadas, inicialmente, para reduzir perdas de calor do sistema de escapamento. A redução de perdas de calor melhora o desempe- nho do motor. Uma manta de isolamento típica, e as temperaturas na seção de escapamento, são mostradas na figura 1-64. Essa manta contém fibra de vidro como material de baixa condu- tância e lâminas de alumínio como blindagem de irradiação. A manta deve ser conveniente- mente coberta para evitar que seja impregnada com óleo. Figura 1-63 Sistema de escapamento com manta isolante. Figura 1-64 Manta isolante com as temperatu- ras encontradas nas diferentes lo- calizações. A proteção do calor consiste de um invó- lucro de aço inoxidável contornando todo o sistema de escapamento (ver figura 1-65). Figura 1-65 Reforço do sistema de escapamento. O escapamento imprime aos gases um importante reforço final da velocidade. O inje- tor, como o turbo de saída, não está incluído como parte do motor básico, mas sim como componente da fuselagem. Ele, também, está preso à parte traseira do tubo de saída como requerido, ou ao flange traseiro do duto de escapamento, se o tubo de saída não for necessário. Existem dois tipos de projetos de bocal ejetor: convergente, para velocidades subsôni- cas dos gases; e convergente-divergente, para velocidades supersônicas dos gases. Tudo é discutido com maiores detalhes no capítulo 2 "Sistemas de indução e escapamento". A abertura do ejetor pode ser de área fixa ou de área variável. O de área fixa é o mais simples dos dois. Uma vez que não existem peças móveis, nenhum ajuste nas áreas dos ejetores deve ser feito mecanicamente. Ajustes na área dos ejetores são algumas vezes necessários, porque o tamanho do orifí- cio de saída afeta diretamente a temperatura de operação do motor. Quando necessário, um ejetor de área fixa pode ser ajustado de diversas formas. Um método de mudar essa área, é a utili- zação de compensadores, os quais são instala- dos dentro do ejetor e presos por parafusos. Os compensadores são de tamanhos e curvaturas variáveis. Os diferentes tamanhos de compensadores permitem a variação na área do ejetor, variando os incrementos. Assim, através da experiência, um mecâ- nico pode fazer o motor funcionar à maxima velocidade com uma combinação de compen- sadores, verificar a temperatura e substituir 1-62 outra combinação para completar uma tempera- tura deficiente ou corrigir uma temperatura em excesso. SUBCONJUNTOS MAIORES Os conjuntos incluídos na discussão que se segue são parte integral, ou uma combinação dos componentes, os quais contêm as seções principais do motor turbojato. Difusor O difusor é a seção divergente do motor. Tem a importante função de trocar a alta velo- cidade do ar de descarga do compressor para pressão estática. Isso prepara o ar para entrar nos queimadores à baixa velocidade,de forma que irá queimar sem que apague. Adaptadores de ar Os adaptadores de ar do compressor cen- trífugo estão ilustrados na figura 1-37 junta- mente com o difusor. O propósito dos dutos de saída de ar é distribuir o ar do difusor para as câmaras de combustão individuais, tipo caneca. Em alguns casos, os injetores de combustível ou plugs de ignição também estão montados no duto de escape. Rotor do motor O rotor do motor é uma combinação dos rotores do compressor e da turbina em um eixo comum, o eixo comum liga os eixos da turbina e do compressor por um método conveniente. O rotor está apoiado por mancais, os quais es- tão apoiados em convenientes caixas de man- cais Mancais principais Os mancais principais têm a função crítica de suportar o rotor principal. O número necessário de mancais para su- portar o motor adequadamente, e para a maioria das peças, será decidido pelo comprimento e peso do rotor. O comprimento e peso são afetados dire- tamente pelo tipo de compressor usado no mo- tor. Naturalmente, um compressor axial bi- partido irá requerer maior apoio que um com- pressor centrífugo. Provavelmente o número mínimo de man- cais requeridos seria três, enquanto alguns dos modelos mais modernos de compressor axial bi-partido requerem seis ou mais. Os rotores de turbina a gás são geralmente suportados, ou por mancais de esferas, ou de roletes. Mancais hidrodinâmicos ou tipo desli- zante estão recebendo alguma atenção quanto ao uso em turbinas, onde a velocidade de ope- ração do rotor aproxima-se de 45.000RPM e onde são previstas excessivas cargas nos man- cais durante o vôo (ver figura 1-66). Em geral, os mancais antifricção de esferas ou roletes são preferidos, uma vez que eles: (1) oferecem pouca resistência à rotação; (2) facilitam a precisão de alinhamento dos elementos rotativos; (3) são relativamente baratos; (4) são facilmente substituídos; (5) resistem as sobrecargas momentâneas; (6) são de fácil refrigeração, lubrificação e manutenção; (7) acomodam tanto cargas radiais quanto axi- ais; (8) são relativamente resistentes a tempe- raturas elevadas. Figura 1-66 Tipos de mancais principais usa- dos para suportar o rotor de turbi- na a gás. Suas principais desvantagens são a vulne- rabilidade a materiais estranhos e a tendência a falhas sem aviso antecipado. Geralmente os mancais de esferas são posicionados no eixo do compressor ou no da 1-65 inha), e assim, aumentar a expansão através da turbina. Isso significa que haverá menos energia perdida e menos pressão atrás da turbina. Tam- bém os pulverizadores devem ter maior área. O resultado final é que o motor principal não de- senvolve tanto empuxo quanto o motor turboja- to direto. A ventoinha então compensa a dimi- nuição no empuxo do motor principal. Depen- dendo do projeto da ventoinha, ela produzirá algo em torno de 50% de empuxo total dos mo- tores turbofan. Em um motor de 18.000 libras de empuxo, cerca de 9000 libras serão desenvolvidas pela ventoinha, e as 9000 libras remanescentes pelo motor principal. O mesmo motor turbojato bási- co sem uma ventoinha desenvolverá cerca de 12.000 libras de empuxo. Figura 1-70 Instalação de motor turbofan com ventoinha à frente. Dois diferentes projetos de conduto são utilizados com motores turbofan. O ar que deixa a ventoinha pode ser conduzido por cima da borda (figura 1-70) ou externamente à carcaça do motor básico para ser descarregado através dos pulverizadores. O ar da ventoinha é mistu- rado com os gases de escapamento antes de ser descarregado ou vai diretamente para a atmosfe- ra, sem que antes seja misturado. O turbofan, algumas vezes chamado de jatofan está se tornando o motor de turbina a gás mais usado. O turbofan é um compromisso entre a operação eficiente, uma alta capacidade de empuxo de um turboélice e a alta velocidade e capacidade de grande altitude de um turbojato. PRINCÍPIOS DE OPERAÇÃO DO MOTOR A TURBINA O princípio usado por um motor turbojato quando ele provê força para mover um avião, baseia-se na segunda lei de Newton. Essa lei mostra que uma força é requerida para acelerar uma massa; portanto, se um motor acelerar uma massa de ar, ele aplicará uma força à aeronave. Os motores a hélice e turbojatos têm uma rela- ção muito próxima. A hélice gera empuxo dan- do uma aceleração relativamente pequena a uma grande quantidade de ar. O motor turbojato al- cança o empuxo, imprimindo maior aceleração a uma menor quantidade de ar. A massa de ar é acelerada dentro do motor pelo uso de um ciclo de fluxo contínuo. O ar ambiente entra pelos difusores onde é sujeito a trocas de temperatura, pressão e velocidade; causado pelo efeito do impacto. O compressor então, aumenta a pressão e a temperatura do ar, mecanicamente. O ar continua à pressão constante para a seção dos queimadores, onde a sua temperatura é aumentada pela queima do combustível. A energia é tomada dos gases quentes pela expan- são através de uma turbina que aciona um com- pressor, e, expandindo-se através de um tubo, projetado para descarregar os gases de escapa- mento à alta velocidade para produzir empuxo. O jato de alta velocidade de um motor tur- bojato pode ser considerado uma bobina contí- nua, imprimindo força contra a aeronave na qual está instalado, dessa forma produzindo empuxo. A fórmula para empuxo pode ser derivada da segunda lei de Newton, a qual estabelece que a força é proporcional ao produto da massa pela aceleração. Essa lei é expressa na fórmula: F = M x A Onde: F = força em Newtons M = massa em quilograma A= aceleração em metro por segundo ao quadro Na fórmula acima, "massa" é similar a "peso", porém é realmente uma quantidade dife- rente. Massa se refere a uma quantidade de maté- ria, enquanto peso se refere à atração da gravi- dade sobre aquela quantidade de matéria. Ao nível do mar, sob condições padrão, um quilo de massa terá o peso de um quilo. Para calcular a aceleração de uma dada massa, a constante gravitacional é usada como unidade de comparação. A força da gravidade é 9,8 m/s². Isso significa que um objeto de um quilo, em queda livre, terá uma razão de acele- ração de 9,8 metros por segundo, a cada segun- do que a gravidade agir sobre ela. Uma vez que a massa do objeto é de um quilo, o qual é também a força real imprimida a 1-66 ela pela gravidade, podemos assumir que a força de um Newton irá acelerar um objeto de um quilograma à razão de 9,8 metros por segundo ao quadrado. Também uma força de 10 Newtons irá acelerar uma massa de 10 quilogramas à razão de 9,8 metros por segundo quadrado. Isso, con- siderando que não existe atrito ou outra resis- tência a ser vencida. Está agora evidente que a razão de uma força (em Newtons) está para a massa (em quilograma) como a aceleração em metros por segundo ao quadrado está para 9,8. Usando “m” para representar a massa em quilo- grama, a fórmula pode ser expressa as- sim: F M A g = ou, F = M .A g onde: F = força M = massa A = aceleração g = gravidade Em qualquer fórmula envolvendo trabalho, o fator tempo tem que ser considerado. É con- veniente ter sempre fatores em unidades equiva- lentes, ou seja, segundo, minuto ou hora. No cálculo de empuxo, o termo "quilograma de ar por segundo" é conveniente, uma vez que o fa- tor tempo é o mesmo que o tempo na força de gravidade, isto é, segundo. EMPUXO Utilizando a fórmula já mencionada, calcu- lamos a força necessária para acelerar a massa de 50 quilogramas e 100 metros por segundo ao quadrado, como segue: F = 50 KG x 100 M / S 2 9 8, F = 50 x 100 9,8 F = 510 N. Isso ilustra que, se a velocidade de 50 qui- logramas de massa por segundo for aumentada de 100 Newtons por segundo ao quadrado o empuxo resultante será de 510 N. Uma vez que o motor turbojato acelera uma massa de ar, a fórmula seguinte pode ser usada para determinar o empuxo: F Ms V g = − (V2 1) O nde: F = força em Newtons Ms = fluxo de massa em quilograma por segundo V1 = velocidade de entrada V2 = velocidade do jato (escapamento) V2 - V1 = troca de velocidade; diferença entre velocidade de entrada e velocidade do jato de ar. g = aceleração da gravidade ou 9,8 m/s² Como exemplo, usar a fórmula para troca de velocidade de 100 quilogramas de fluxo de massa de ar por segundo de 600 m/s para 800 m/s; a fórmula pode ser aplicada assim: F = 1 0 0 ( 8 0 0 - 6 0 0 ) 9 , 8 F = 2040 N Como mostrado pela fórmula, se o fluxo de massa de ar por segundo e a diferença de velocidade do ar da admissão para o escapamen- to são conhecidos, é fácil calcular a força neces- sária para produzir a mudança de velocidade. Dessa forma, o empuxo do motor tem que ser igual à força requerida para acelerar a massa de ar através do motor. Então, usando o símbolo "E" para empuxo, a fórmula fica: E Ms V g = − (V2 1) É fácil ver nessa fórmula que o empuxo de um motor de turbina a gás pode ser aumentado de duas formas: primeiro, aumentando o fluxo da massa de ar através do motor e, segundo, aumentando a velocidade do jato de ar. Se a velocidade do motor turbojato perma- necer constante com respeito à aeronave o em- puxo diminuirá se a velocidade da aeronave 1-67 aumentar, porque o valor de V1 aumentará. Isso não apresenta um problema sério, contudo, con- forme a velocidade da aeronave aumenta, maior quantidade de ar entra no motor e a velocidade do jato aumenta. O empuxo líquido resultante é quase constante com a velocidade do ar aumen- tada. Ciclo de Brayton, é o nome dado ao ciclo termodinâmico de um motor de turbina a gás destinado a produzir empuxo. Isso é um ciclo de eventos, o volume variável e a pressão constan- te, e é comumente chamado de ciclo a pressão constante. Um termo mais recente é ciclo de combustão contínua. Os quatro eventos contínuos e constantes são admissão, compressão, expansão (inclui potência) e escapamento. Esses ciclos serão discutidos à medida em que eles se referem a motores de turbina a gás. No ciclo de admissão, o ar entra à pressão ambiente e a um volume constante. Ele deixa a admissão a uma pressão aumentada e com vo- lume diminuído. Na seção de compressão,o ar é recebido da admissão a uma pressão aumentada ligeiramente acima da pressão ambiente, e com uma pequena diminuição de volume. O ar entra no compressor onde é comprimido, ele deixa o compressor com um grande aumento de pressão e redução de volume. Isso é causado pela ação mecânica do compressor. O passo seguinte, a expansão, acontece na câmara de combustão pela queima do combustível, o qual expande o ar pelo calor. A pressão permanece relativamen- te constante, porém ocorre um aumento notável do volume. Os gases em expansão se movem para trás através do conjunto da turbina e, são convertidos pela turbina, de energia dinâmica para energia mecânica. A seção de escapamento, a qual é um duto convergente, converte o volume em expansão e a pressão reduzida dos gases para uma alta ve- locidade final. A força criada dentro do motor para man- ter esse ciclo contínuo tem uma reação igual e oposta (empuxo) para movimentar a aeronave para frente. O princípio de Bernoulli (sempre que um fluxo de um fluido qualquer tiver sua velocidade aumentada em um dado ponto, a pressão desse fluxo nesse ponto é menor que no resto do flu- xo) é aplicado ao motor a jato através dos proje- tos de seus dutos de ar. Os dois tipos de dutos são convergente e divergente. O duto convergente aumenta a velocidade e diminui a pressão. O duto divergente diminui a velocidade e aumenta a pressão. O princípio de convergência é geralmente utilizado para o tubo e bocal de descarga. O princípio de diver- gência é utilizado no compressor, onde a velo- cidade do ar é diminuída e o ar pressurizado. DESEMPENHO DO MOTOR DE TURBINA A GÁS A eficiência térmica é o fator principal no desempenho de uma turbina a gás. É a razão entre o trabalho líquido produzido pelo motor e a energia química suprida na forma de combus- tível. Os três fatores mais importantes que afe- tam a eficiência térmica são: a temperatura da entrada da turbina, a razão de compressão; e as eficiências componentes do compressor e da turbina. Outros fatores que afetam a eficiência tér- mica são a temperatura da entrada do compres- sor e eficiência dos queimadores. A figuras 1-71 mostra o efeito que a alte- ração da razão de compressão tem sobre a efici- ência térmica, quando a temperatura na entrada do compressor e a eficiência no componente do compressor e na turbina permanecem constan- tes. Figura 1-71 O efeito da razão de compressão na eficiência térmica. O efeito, que a eficiência dos componentes do compressor e da turbina, têm sobre a eficiên- cia térmica quando as temperaturas das entradas da turbina e do compressor permanecem cons- tante, é mostrada na figura 1-72. Em operação