TURBOFAN (INDÚSTRIA AERONÁUTICA)

MOTOR TURBOFAN
MOTOR TURBOJATO
MOTOR DE JATO PURO
MOTORES A JATO
MOTOR TURBOÉLICE (SEM HÍFEN)
MOTOR TURBO-HÉLICE (COM HÍFEN)
MOTOR PROPFAN
MOTORES A REAÇÃO
MOTORES AERONÁUTICOS
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA
TURBINA A GAS
FOGUETES
ESTATORREATOR

INTRODUÇÃO

Logo acima, uma ilustração simplificada de um típico motor turbofan com alta taxa de bypass, que, atualmente, é o tipo mais comum de motor a reação disponível no mercado aeronáutico mundial. Observe atentamente que as flechas representam o fluxo de ar que entra pela parte da frente do motor, passa pelos compressores e pela turbina, até ser descarregado pelo bocal de exaustão, atrás. Logo abaixo, um típico exemplo de motor turbojato, o General Electric CJ610, ainda hoje utilizado para impulsionar alguns modelos clássicos de aviões executivos, como o jatinho Learjet 25, por exemplo.

O termo ou expressão generalista motor a reação é utilizado para denominar uma variedade de motores de combustão interna utilizados para impulsionar e/ou tracionar uma variedade de aeronaves de médio e/ou alto desempenho, alguns tipos menos comuns de embarcações e uma variedade de foguetes e mísseis. Uma parte desses motores a reação, conhecidos como motores turbofan, motores turboélice e motores turboshaft, está entre os tipos de motores mais comuns, utilizados principalmente para impulsionar, tracionar e sustentar aeronaves em geral, principalmente os aviões a jato, os turboélices e os helicópteros, e outra parte é menos comum ou não tão popular, utilizada principalmente para impulsionar aeronaves, embarcações, foguetes e mísseis.

Conhecidos também como motores a jato ou apenas como reatores, eles são motores que expelem, para trás do respectivo veículo em estão fixados ou embutidos, um jato rápido de algum fluido, principalmente um fluxo de ar misturado com gases queimados de querosene e/ou outros combustíveis, líquidos e/ou sólidos, para gerar uma força de impulso, tração ou sustentação para frente ou para cima, de acordo com a Terceira Lei de Newton, esta, por sua vez, conhecida também como Lei da Ação e Reação, que afirma que toda força de tração e/ou impulso aplicada sobre um objeto (ação) possui uma força correspondente (reação), na mesma direção, mas em sentido oposto.

De modo geral, a categoria dos motores a reação faz parte de uma linhagem mais ampla, com uma definição ainda mais ampla e ainda mais variada, a linhagem dos motores de combustão interna, da qual também fazem parte os motores de cilindros, conhecidos também como motores a pistão, utilizados em automóveis, aeronaves de baixo desempenho e em embarcações em geral, como, por exemplo, os motores de Ciclo Otto, de quatro tempos, geralmente a gasolina e/ou etanol; os motores de Ciclo Diesel, que, como o próprio nome diz, são movidos a diesel, também de quatro tempos; os motores de dois tempos, ainda hoje utilizados em pequenas máquinas e equipamentos, como, por exemplo, motosserras, aeromodelos e roçadeiras; e os motores rotativos Wankel, estes menos comuns.

CRIAÇÃO E DESENVOLVIMENTO

Logo acima, um ícone da indústria aeronáutica, o projetista britânico Frank Whittle, considerado pela comunidade acadêmica mundial um dos dois inventores do motor turbojato, ao lado de sua criação, o motor W.1, patenteado em 1932. Por uma razão de respeito, vale citar citar aqui o outro inventor do motor a jato, o projetista alemão Hans von Ohain, que, embora tenha criado o seu motor turbojato algum tempo depois que o britânico, foi o primeiro motor a ser usado, de fato, em um avião, o Heinkel He-178, em 1939, o primeiro avião a jato a decolar. Logo abaixo, o icônico e antigo modelo de caça a jato alemão Messerschmitt Me-262, um dos primeiros aviões a jato fabricados em série no mundo, a partir de 1944.

O conceito de motor a reação não é novo, os primeiros inventos desse tipo surgiram há milênios e/ou séculos atrás, começando pelo curioso eolípila, inventado pelo matemático e mecânico grego Heron de Alexandria, um século após o nascimento de Jesus Cristo, um mecanismo a vapor utilizado em demonstrações científicas, mas que não teve utilidade prática. Em seguida, surgiram os rudimentares foguetes inventados na China, no século XI, utilizados principalmente para fins de pirotecnia, durante festejos e comemorações.

Muito tempo depois, em 1895, Pedro Paulet, um cientista e engenheiro peruano, desenvolveu o primeiro foguete de combustível líquido, com combustíveis e oxidante separados. Por essa contribuição, ele é considerado, atualmente, um dos pioneiros da era espacial. Anos mais tarde, já no século XX, persistia o problema de que os motores a foguete eram ineficientes para serem usados na aviação. Tanto foi assim que os primeiros modelos de aeronaves que se tem conhecimento, o Flyer, dos irmãos Wright, supostamente em 1903, e o 14 Bis, de Santos Dumont, em 1906, eram tracionados por motores a pistão.

Até a década de 1930, os aviões, já não uma invenção tão nova e já fabricados e vendidos aos milhares, eram tracionados exclusivamente por hélices acopladas em motores de combustão interna de cilindros, conhecidos também como motores a pistão, em suas diversas formas, incluindo os motores radiais, boxer, rotativos, em linha, tanto os refrigerados a ar quanto os refrigerados a água, até que no início dessa década surgiram os primeiros protótipos de modelos de motores aeronáuticos a jato.

Nessa época a indústria aeronáutica mundial já estava convencida de que havia necessidade de desenvolver um tipo de propulsão aeronáutica de performance superior ao tipo de propulsão presente até então, os motores a pistão, com suas limitações, principalmente por causa do peso do motor e da ineficiência da hélice acoplada ao motor, quando, em rotação máxima possível, suas pontas chegam à velocidade do som, perdendo assim sua vantagem técnica e econômica, tornando-se uma barreira técnica.

Não está claro se foram os ingleses ou os alemães os primeiros inventores dos motores a reação da era moderna. Também não está claro se, em algum momento, uma dessas nações foi alvo ou vítima de espionagem industrial e/ou militar da outra neste ponto específico. Como não há, até o momento, evidências concretas de espionagem então atribui-se a invenção do motor aeronáutico a jato a ambas as nações. Por convenção, a comunidade científica e acadêmica decidiu atribuir a ambas as nações a honra pela criação dos primeiros modelos de motores aeronáuticos a jato da história da humanidade, com ligeira ou sutil vantagem para os britânicos, cuja patente foi solicitada em 1930.

Na década de 1930, a chave para a criação e o desenvolvimento dos primeiros motores a reação viáveis da era moderna foi a chamada turbina a gás, na qual se queima combustível pulverizado em altíssima pressão, utilizando energia cinética oriunda de uma turbina para se autopropulsionar, em uma reação em cadeia.

Porém, é possível afirmar que o conceito básico de uma turbina a gás não foi criado no século XX, pois já existia uma patente para uma turbina estacionária registrada por John Barber, em 1791, na Inglaterra. Além disso, anos depois, a primeira turbina a gás autopropelida foi construída em 1903 pelo engenheiro norueguês Egidius Elling, seguida das primeiras patentes para a propulsão a jato, em 1917, embora ainda não direcionadas para o uso aeronáutico.

Na verdade, a coisa foi mais complicada, pois havia limitações dos desenhos criados até então e dos meios técnicos de engenharia e metalurgia aplicados na produção, que inviabilizaram, num primeiro momento, o motor a jato para uso aeronáutico. Os principais problemas eram a segurança, a confiabilidade, o peso, o consumo de combustível e, especialmente, a operação dos motores.

Até que, em 1929 um estudante de aeronáutica, o britânico Frank Whittle, encaminhou suas ideias sobre um motor turbojato para seus superiores, o primeiro passo concreto em direção à criação de um motor aeronáutico a reação. Em 1930, Whittle pediu sua primeira patente do motor turbojato para uso aeronáutico, concedida em 1932. Essa patente exibia um compressor axial de dois estágios seguido por um compressor centrífugo simples. Mais tarde, Whittle concentrou-se apenas em simplificar o compressor centrífugo, por uma variedade de razões práticas.

Em 1935, o alemão Hans von Ohain iniciou um trabalho em um projeto similar na Alemanha, aparentemente sem conhecimento do trabalho desenvolvido pelo britânico Frank Whittle. Por outro lado, o primeiro motor desenvolvido por Whittle funcionou em 1937, alimentado com combustível líquido e possuía uma bomba de combustível acoplada ao motor. Sabe-se que o motor do alemão von Ohain, desenvolvido cinco meses depois do motor de Whittle, era abastecido por gás, sem ter um dispositivo de abastecimento acoplado.

A equipe de desenvolvimento de Frank Whittle enfrentou dificuldades técnicas quando não conseguiu parar o motor durante um teste de desenvolvimento, mesmo depois que este teve o combustível cortado. Isto se deu porque vazou combustível para dentro do motor, fazendo-o funcionar até queimar completamente o combustível vazado. O britânico não conseguiu desenvolver um revestimento selante apropriado para o projeto e assim ficou para trás de von Ohain na corrida para colocar um motor a jato no ar.

Já durante a Alemanha Nazista, o projetista alemão Hans von Ohain aproximou-se do projetista também alemão Ernst Heinkel, um dos grandes empresários da indústria aeronáutica alemã da época, que imediatamente percebeu o potencial do projeto de motor a jato de seu conterrâneo. Heinkel tinha recentemente adquirido a companhia Hirth de fabricação de motores e von Ohain e seu mecânico chefe, Max Hahn, foram alocados em uma nova divisão da empresa Hirth.

Eles produziram seu primeiro motor aeronáutico a jato, o HeS 1, em 1937, que passou por melhorias até chegar à versão HeS 3, o primeiro motor a jato da história da aviação mundial a ser utilizado, de fato, para impulsionar um avião. Ao contrário do projeto do britânico Frank Whittle, o alemão von Ohain utilizou hidrogênio como combustível para o motor HeS 1, abastecido por pressão, seguido do desenvolvimento do motor HeS 3, movido a gasolina e gerando 1.100 libras de empuxo / potência, o equivalente a cerca de 500 kg de potência.

Essa versão melhorada HeS 3 foi montada na compacta e simples fuselagem do Heinkel He-178, considerado o primeiro modelo de aeronave a jato da história da aviação mundial, pilotado por Erich Warsitz em 27 de agosto de 1939, no aeródromo de Marienehe, em um curtíssimo período de desenvolvimento, embora não tenha sido fabricado em série.

Enquanto isso, o primeiro motor de Frank Whittle estava tornando-se viável e a companhia de Whittle, a Power Jets Ltd., começou a receber financiamento do Ministério do Ar. Em 1941, uma versão operacional do motor, chamada de W.1, gerando quase 1.000 libras de empuxo / potência foi montada em um avião Gloster E28/39, voando pela primeira vez ainda em 1941 na base aérea Cranwell da Royal Air Force ou Força Aérea do Reino Unido, em Lincolnshire.

A partir de então, os desenvolvimentos não pararam mais, década após década, com cada novo modelo de motor aeronáutico a jato desenvolvido, principalmente pelos europeus, americanos e soviéticos, apresentando melhorias e sanando problemas técnicos, sempre com aumento de empuxo / potência, melhoria da relação peso potência, redução no consumo e redução do custo de manutenção.

O MOTOR TURBOJATO

Antes de falar sobre o motor turbofan e o motor turboélice, que estão, atualmente, entre os três tipos de motores aeronáuticos mais comuns no mundo, utilizados em larga escala pela indústria aeronáutica mundial em seus aviões, é necessário falar sobre o motor turbojato, já em desuso, pois ele é o “vovô” de todos os motores turbofan e turboélice modernos utilizados atualmente. Todos os motores turbofan e turboélice atuais foram desenvolvidos a partir do antigo motor turbojato, criado na década de 1930 por britânicos e alemães.

Atualmente, existem três tipos de motores aeronáuticos de combustão interna utilizados em larga escala pela indústria aeronáutica mundial para impulsionar e tracionar seus inúmeros modelos de aviões e helicópteros, o motor turbofan, que movimenta grandes volumes de ar, utilizado principalmente para impulsionar grandes aviões comerciais e jatos executivos de pequeno e médio portes, geralmente de alta performance, com velocidades acima de 600 km/h; o motor turboélice, conhecido também como motor turboshaft, utilizado principalmente para tracionar aviões comerciais de médio porte e aviões executivos de pequeno e médio portes, com velocidades intermediárias, entre 400 km/h e 600 km/h, e para sustentar helicópteros; e o motor a pistão, utilizado principalmente para tracionar aviões de pequeno porte, com baixas velocidades, entre 200 km/h e 400 km/h, e para sustentar helicópteros.

EXEMPLOS MAIS COMUNS DE MOTORES AERONÁUTICOS
AERONAVE	MOTOR	TIPO	VELOCIDADE
Boeing 737-800	CFM CFM-56	turbofan	800 km/h
Airbus A320	CFM-56 ou IAE V2500	turbofan	800 km/h
ATR-72	Pratt & Whitney PW127	turboélice	500 km/h
Embraer Phenom 300	Pratt & Whitney PW535	turbofan	800 km/h
Beechcraft King Air	Pratt & Whitney PT6-A	turboélice	500 km/h
Helibras Esquilo	Turbomeca Arriel 2B	turboshaft	230 km/h
Bell 206 Jet Ranger	Allison 250	turboshaft	230 km/h
Pilatus PC-12	Pratt & Whitney PT6-A	turboélice	500 km/h
Piper Malibu	Lycoming TIO-540	pistão	380 km/h
Cirrus SR22	Continental IO-550	pistão	320 km/h

CONCEITO E CONTEXTO

Os termos motor a jato, motor turbojato e motor de jato puro são utilizados, geralmente, para descrever os motores aeronáuticos de combustão interna com turbinas a gás utilizados para impulsionar aviões de alta performance em geral, nos quais o empuxo / potência é gerado por um forte fluxo de ar contínuo de exaustão, que sai da parte de trás do motor. O motor turbojato, conhecido também como motor turborreator, é o tipo mais simples e mais antigo de motor a jato para ser utilizado na aviação. Foi a partir dele que os motores turbofan e turboélice foram criados e desenvolvidos.

É consenso na comunidade científica e acadêmica que dois engenheiros europeus, Frank Whittle, do Reino Unido, e Hans von Ohain, da Alemanha, criaram e desenvolveram independentemente o conceito de motor a jato durante a década de 1930, com o primeiro voo realizado pelos alemães, em 1939, com o Heinkel He-178, tornando-se o primeiro avião do mundo a voar sob a propulsão turbojato, embora não tenha sido fabricado em série. Alguns anos depois, o caça e bombardeiro alemão Messerschmitt Me-262 e o caça britânico Gloster Meteor entraram em serviço no final da Segunda Guerra Mundial, em 1944, ambos fabricados em série.

Um motor turbojato é usado essencialmente na propulsão de aeronaves de alta performance. O ar é sugado por um compressor giratório de baixa pressão, fixado na entrada de ar do motor a jato. A partir de então ele é comprimido a uma pressão superior antes de entrar na câmara de combustão e dentro da câmara ele é misturado com combustível e inflamado por uma faísca, até sair pela parte detrás da câmara de combustão, em direção à turbina.

Esse processo de combustão aumenta significativamente a temperatura do gás. Os produtos quentes da combustão que saem da câmara expandem-se para trás, passam pela turbina, dotada de palhetas giratórias, onde a sua energia cinética é transmitida por um eixo até o primeiro compressor de baixa pressão, lá na frente do motor, dando origem a uma reação em cadeia, contínua, que se reproduz indefinidamente até o combustível ser cortado.

Embora esse processo de expansão reduza a temperatura e a pressão do gás da saída da turbina, ambos os parâmetros estão geralmente ainda bem acima das condições ambiente. O fluxo de gás saído da turbina expande-se até à pressão ambiental através do bocal de exaustão, produzindo um jato de alta velocidade para trás, na saída do motor, o que dá origem ao empuxo ou impulso, por meio da 3ª Lei de Newton, conhecida também como Lei da Ação e Reação.

Os motores a jato de 1ª geração, das décadas de 1930, 1940 e 1950, eram turbojatos puros com um compressor axial ou um compressor centrífugo na parte da frente do motor, sempre acompanhados por uma turbina fixada na parte detrás do motor. Os motores a jato mais modernos são mais conhecidos pelo termo turbofan, pois seu compressor é, geralmente, grande, e movimenta grande volume de ar.

Além disso, no motor turbofan a proporção de ar que entra no motor e contorna a câmara de combustão é maior que o ar que entra na câmara, para ser queimado. Esta proporção é conhecida como relação de desvio do motor, relação de derivação do motor ou taxa de bypass, ou seja, quanto maior a taxa de bypass maior é o volume de ar que não passa pela câmara de combustão. Além disso, geralmente e teoricamente, quanto maior o bypass menor o consumo de combustível.

O MOTOR TURBOFAN

Logo acima, ilustração simplificada com o esquema, em inglês, de um motor turbofan com alta taxa de bypass. A expressão alta taxa de bypass está diretamente relacionada ao volume de ar que o fan do motor consegue movimentar e a proporção do ar que não passa pela câmara de combustão. Logo abaixo, ilustração simplificada com o esquema de um típico motor turbojato antigo. Observe atentamente que todo o volume de ar que entra no motor é queimado na câmara de combustão, ou seja, não tem bypass.

O motor turbofan, conhecido também como motor turboventilador, é um motor a reação utilizado para impulsionar aeronaves projetadas especialmente para altas velocidades de cruzeiro, que possui um ótimo desempenho em altitudes elevadas, entre 10.000 metros e 15.000 metros, ou até um pouco mais, apresentando velocidades na faixa de 600 km/h até 1.000 km/h, ou até um pouco mais, no caso específico dos motores turbofan de uso militar.

De modo geral, de forma resumida, o motor turbofan é constituído por um fan, que significa ventoinha ou ventilador, em inglês, que complementa o fluxo de ar gerado pelos compressores de baixa pressão e alta pressão do mesmo motor. É um tipo bem mais moderno de motorização, uma evolução natural do motor turbojato. Além disso, esse tipo de motor está em constante aperfeiçoamento, com os novos modelos incorporando novas tecnologias de construção, incluindo peças, partes e componentes em cerâmica e fibra de carbono.

Cada tipo de motor turbofan apresenta poucas diferenças no modo de operação, sendo que em todos os modelos modernos de motor turbofan o fan é uma extensão de um compressor de baixa pressão (LPC, ou Low Pressure Compressor), este montado logo atrás do fan.

Todos os motores que impulsionam os aviões comerciais e executivos a jato fabricados atualmente são turbofans. Eles são muito apreciados por sua eficiência e por serem relativamente pouco ruidosos em relação aos modelos de aeronaves mais antigos, impulsionados por turbojatos.

Já existem também exemplos de sucesso do emprego de motores turbofan em jatos militares, dentre eles o Saab JAS 39 Gripen e o Boeing F/A-18 E/F Super Hornet.

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

Logo acima, imagem real de um motor turbofan modelo CFM56, fabricado pela CFM International, uma fabricante de propriedade da empresa americana General Electric e da empresa francesa Safran, conhecida anteriormente como Snecma. Esse é o motor turbofan mais vendido do mundo, com mais de 20.000 unidades fabricadas, principalmente para impulsionar o Boeing 737 e o Airbus A320. Logo abaixo, o motor turbofan Williams FJ44, utilizado por vários modelos de jatos executivos, dentre eles o Cessna Citation CJ2.

Em um turbojato, o ar passa por uma via de admissão antes de ser comprimido a uma pressão maior por um conjunto de ventoinhas que formam o compressor. Esse mesmo ar comprimido passa por uma câmara de combustão na qual é misturado com o combustível, geralmente querosene, e então detonado. Os gases da combustão passam então por uma turbina em que sua energia cinética produzida é transmitida por um eixo central para girar o compressor lá na frente, e assim por diante, como em uma reação em cadeia.

Apesar do processo de expansão do ar na turbina reduzir a pressão e a temperatura dos gases, normalmente ainda há energia cinética suficiente para gerar um jato de gases de alta velocidade, já que os gases se expandem à pressão atmosférica através do bocal de saída. Esse processo normalmente produz um impulso na direção oposta à direção do jato de gases, o que no meio aeronáutico chamam de empuxo. Esse fenômeno que produz o empuxo está relacionado à Terceira Lei de Newton, também conhecida com Lei da Ação e Reação.

Ao contrário de um motor cíclico, um turbojato utiliza um processo contínuo, ou seja, após o início da queima do combustível não há necessidade de acionar novamente o dispositivo de detonação, a não ser, é claro, em situações muito específicas, como, por exemplo, no caso de ingestão de uma grande quantidade de água e/ou gelo, em pleno voo, em que é necessário religar o motor.

O processo descrito acima é, estritamente, para um turbojato de eixo simples. Após a Segunda Guerra Mundial, turbojatos de eixo duplo foram desenvolvidos para facilitar o manejo dos sistemas de compressão. A adoção de um sistema de dois eixos permite que o sistema de compressão seja divido em dois, com um compressor de baixa pressão (LPC ou Low Pressure Compressor) sobrecarregando um compressor de alta pressão (HPC ou High Pressure Compressor). Cada compressor é montado em um eixo distinto (coaxial), que é movido por sua própria turbina, a turbina de alta pressão e a turbina de baixa pressão, na sequência. Fora isso, um turbojato de dois eixos é muito similar a um turbojato de eixo simples.

Os turbofans modernos evoluíram do turbojato de eixo duplo, basicamente aumentando o tamanho relativo do compressor de baixa pressão até o ponto no qual uma parte (se não a maior parte) do ar em alta velocidade passa pelo motor contornando o fluxo principal, passando ao redor da câmara de combustão, o que ajuda, inclusive, a manter a temperatura da câmara e de outras peças e componentes sob controle. Esse ar pode tanto expandir-se através de um bocal independente quanto ser misturado aos gases quentes que saem da turbina de baixa pressão, antes de se expandir através de um bocal comum.

Apesar de gerarem um jato mais lento, os turbofans civis modernos são mais silenciosos que seus turbojatos equivalentes. Os turbofans têm ainda uma eficiência térmica maior, a temperatura de funcionamento das peças, partes e componentes do motor é mantida sob controle, pois o fluxo de ar de derivação, ou seja, o fluxo de ar que não passa pela câmara de combustão, ajuda a refrigerar a câmara de combustão e outras peças, partes e componentes.

Em um turbofan, o compressor de baixa pressão é frequentemente chamado de ventoinha ou fan. Os turbofans civis geralmente têm uma única ventoinha, enquanto que a maioria dos turbofans militares têm várias ventoinhas.

ORIGEM DO TURBOFAN

Logo acima, um clássico da aviação executiva, o pequeno motor turbofan de alta performance Pratt & Whitney JT15D, um dos primeiros e mais bem sucedidos motores a reação usados com sucesso na aviação civil mundial, com mais de 6.700 unidades fabricadas, utilizado para impulsionar alguns modelos de jatos executivos das linhas Citation e o Beechjet. Logo abaixo, ilustração simplificada com o esquema de funcionamento de um turbofan com baixa taxa de bypass.

Os primeiros turbofans eram muito ineficientes no consumo de combustível, já que sua taxa de pressurização e a temperatura na entrada da turbina eram muito limitadas pela tecnologia da época. O primeiro turbofan em operação foi o Daimler-Benz DB 670, conhecido também como Daimler 109-007, que foi testado em 1943. O projeto foi posteriormente abandonado por causa da guerra e, principalmente, por causa de problemas técnicos que não foram resolvidos na época.

Anos depois, materiais melhores e a introdução de compressores duplos, como no motor turbojato Pratt & Whitney JT3C / Pratt & Whitney J57, melhoraram a taxa de pressurização e consequentemente a eficiência termodinâmica dos motores na década de 1950, mas levaram a uma fraca eficiência propulsiva, já que turbojatos genuínos têm alta propulsão específica e alta velocidade de exaustão.

Os turbofans originais de baixa taxa de contorno ou baxa taxa de bypass foram projetados para melhorar a eficiência de propulsão reduzindo a velocidade de exaustão a um valor próximo da velocidade da aeronave. O Rolls-Royce Conway, por exemplo, o primeiro motor turbofan a entrar em produção em série, tinha uma taxa de contorno de 0.3, similar ao moderno motor de caça General Electric F404, por exemplo. Os turbofans civis dos anos 1960, como o Pratt & Whitney JT8D e o Rolls-Royce Spey tinham taxas de contorno próximas a 1, mas não eram similares aos seus equivalentes militares.

O distinto motor General Electric CF700, usado para impulsionar o jato executivo Dassault Falcon 20, por exemplo, foi desenvolvido como um motor com ventoinha frontal, com uma taxa de contorno de 2.0. Ele era derivado do turbojato General Electric J85 / General Electric CJ610 usado para impulsionar o T-38 Talon e o jato executivo Learjet 25, com 2.800 libras de empuxo / potência. No entanto, para impulsionar o grande Rockwell Sabreliner 75 / 80 , assim como o Dassault Falcon 20, foi necessário um aumento de cerca de 50% no empuxo, para cerca de 4.200 libras.

O General Electric CF700 foi o primeiro turbofan de tamanho reduzido do mundo a ser certificado pela FAA - Federal Aviation Administration. Atualmente, há mais de 400 aeronaves equipadas com o CF700 em operação ao redor do mundo, com uma base de experiência de mais de 10.000.000 de horas de serviço. O turbofan General Electric CF700 foi ainda usado para treinar astronautas durante o Projeto Apollo como o motor do Veículo de Pouso e Pesquisa Lunar.

Um dos primeiros modelos pequenos e bem sucedidos de motores turbofan para uso em aviões executivos foi o Prat & Whitney JT15D da Pratt & Whitney Canada, produzido em série a partir do final da década de 1960. Até hoje, esse modelo de motor turbofan impulsiona bem e com razoável economia de combustível e custo de manutenção uma variedade de jatos executivos, entre eles o Cessna Citation II e o Beechjet 400A.

OUTROS DETALHES

Logo acima, imagem impressionante do motor turbofan modelo General Electric CF6, fabricado pela empresa americana General Electric. Esse é um dos motores turbofan de grande porte mais bem sucedidos da história da aviação civil mundial. Ele é usado em larga escala para impulsionar dois grandes e respeitados produtos do mercado de aviação comercial, o Boeing 767 e o Airbus A330. Logo acima, o motor turbofan General Electric F414, utilizado para impulsionar o caça brasileiro Saab Gripen NG.

O motor turbofan foi originalmente chamado de turbojato de contorno de ar ou turbojato de derivação pelos seus inventores, embora ainda não haja consenso na comunidade aeronáutica sobre o uso exato de um ou outro desses termos. Outros nomes ocasionalmente usados são turboventiladores ou motor de ventoinha interna, sendo que este nome também é usado para hélices e ventoinhas utilizadas em aplicações verticais.

A chamada taxa de contorno, em inglês bypass ratio, está relacionada ao volume de ar que contorna a câmara de combustão. É um parâmetro frequentemente utilizado para classificar turbofans, apesar de a propulsão específica ser um parâmetro mais adequado. Quanto maior a taxa de baypass maior também é a proporção de ar que contorna a câmara de combustão, em relação ao volume de ar que passar pelos compressores, pela câmara e pela turbina.

O ruído de qualquer tipo de motor turbojato está fortemente relacionado com a velocidade dos gases expelidos. Os turbofans com alta taxa de contorno, com baixa propulsão específica, são relativamente menos ruidosos se comparados aos turbojatos e aos turbofans com baixa taxa de bypass, com alta propulsão específica. Um motor com baixa propulsão específica tem, por definição, um jato de menor velocidade.

Portanto, para uma determinada velocidade a propulsão específica é diretamente proporcional à velocidade do jato. Relativamente falando, motores com baixa propulsão específica têm um maior diâmetro para acomodar o grande volume de ar necessário para uma dada propulsão. Aviões a jato são considerados ruidosos, mas um motor convencional a pistão ou um motor turboélice desenvolvendo a mesma potência seria muito mais barulhento.

Um turbofan de alta propulsão específica e baixa taxa de contorno normalmente tem uma ventoinha de vários estágios, criando uma taxa de pressurização relativamente alta e, consequentemente, conseguindo uma alta velocidade de exaustão. A passagem central de ar precisa ser suficientemente grande para conseguir a força necessária para mover a ventoinha. Um menor fluxo de ar na passagem central e uma maior taxa de contorno podem ser conseguidas aumentando-se a temperatura de entrada do disco da turbina de alta pressão.

Alguns turbofans militares de baixa taxa de contorno, como o General Electric F404, por exemplo, possuem lâminas de entrada variáveis para direcionar o ar diretamente ao primeiro disco. Isso aumenta a margem de sucção da ventoinha. O caça supersônico General Dynamics F-111 tem um grande alcance e uma grande capacidade de carga por ser o pioneiro no uso desse tipo de motor, sendo que este é também o coração do caça de superioridade aérea Northrop Grumman F-14 Tomcat, o qual usa os mesmos motores em um uma estrutura menor e mais ágil para conseguir um cruzeiro eficiente e uma velocidade de Mach 2.

O MOTOR TURBOÉLICE

Logo acima, imagem de um motor turboélice modelo Pratt & Whitney PT6A, fabricado pela empresa canadense Pratt & Whitney. Esse é o motor turboélice mais vendido do mundo, com mais de 40.000 unidades fabricadas. Para facilitar a compreensão dos visitantes do estande, a Pratt & Whitney criou esse mock-up (maquete em tamanho real) do motor com as peças originais do PT6A, entretanto com uma caixa de acrílico transparente para tornar mais didática a visualização do seu interior. Logo abaixo, o motor turboélice Pratt & Whitney PW127, utilizado para tracionar o avião regional ATR-72, usado para transporte de passageiros no Brasil, inclusive.

O motor turboélice, conhecido também como turbopropulsor, é um eficiente motor aeronáutico à reação equipado com uma transmissão que faz girar as hélices de um avião. As aeronaves movidas com essa tecnologia de propulsão também são chamadas de turboélices. O motor turboshaft é diretamente derivado do motor turboélice, são quase idênticos, é quase a mesma coisa, e é utilizado para girar o rotor principal e o rotor de cauda dos helicópteros.

O motor turboélice é diferente do motor turbofan, pois nele há turbinas movidas a querosene que transmitem quase toda sua energia cinética para uma engrenagem que move uma hélice externa com algumas pás. Os motores turboélices ainda são populares em aviões de pequeno porte, como o Beechcraft King Air C-90, por exemplo, e aviões de médio porte, como o ATR-72, por exemplo, e são menos velozes que aviões a jato.

Trata-se de um motor de reação mista, pois é basicamente um motor a jato acionando uma hélice externa. Entre o eixo da turbina e a hélice há um redutor de velocidade, pois as pontas das hélices não devem ultrapassar a velocidade do som. Cerca de 90% da força propulsiva desse motor é produzida pela hélice, que gera tração, e cerca de 10% da mesma força propulsiva é gerada pelos gases de escapamento, que geram empuxo ou impulso.

O motor a pistão com hélice é recomendável para operações de pouso e decolagem em pistas curtas e viagens intermunicipais e interestaduais (rotas domésticas), com velocidade de cruzeiro de até 400 km/h; enquanto o motor turbofan é melhor para viagens interestaduais e internacionais, pois sua eficiência e velocidade são maiores, até 1.000 km/h. Entretanto, imaginou-se que a combinação da turbina com a hélice seria melhor para cumprir missões intermediárias, principalmente em viagens interestaduais, com velocidade de cruzeiro de até 600 km/h, com operações de pouso e decolagem em pistas curtas.

Normalmente, o motor turboélice é menor e mais leve que um motor a jato de tração equivalente, ele é mais simples e possui menos partes móveis, fornece maior tração que o turbojato ou jato puro em baixas velocidades, com menor consumo de combustível, porém sua velocidade de cruzeiro é menor, entre 400 km/h e 600 km/h, e sua eficiência energética (economia de combustível) só é vantajosa até 500 quilômetros de distância entre origem e destino. A partir de 750 quilômetros o motor a jato leva vantagem, é mais eficiente.

Nas decolagens o motor turboélice acentua sua eficiência em virtude da hélice movimentar uma grande massa de ar e nos pousos propicia maior força de frenagem, pelo maior arrasto oferecido pelo disco da hélice em passo mínimo ou reverso. Por outro lado, como desvantagem, os aviões turboélice voam mais baixo que os aviões a jato, o que pode tornar o voo turbulento se as condições meteorológicas não colaborarem.

Além disso, os motores turboélice tendem a ser mais barulhentos para os passageiros, devido aos ruídos provocados pelas pás das hélices.

CRIAÇÃO E DESENVOLVIMENTO

O motor turboélice não é uma invenção nova. O primeiro turboélice do mundo foi projetado pelo engenheiro mecânico húngaro Gyorgy Jendrassik. Ele publicou uma ideia de turboélice em 1928, patenteou sua invenção em 1929 e construiu uma turbina a gás experimental de pequena escala, com potência de 100 hp em 1938, embora ainda sem finalidade prática, pois não foi usado para decolar um avião.

Em seguida, o motor Jendrassik CS-1, mais potente, com 400 hp, também inventado por Gyorgy Jendrassik, foi produzido e testado na fábrica da Ganz Works, em Budapeste, na Hungria, entre 1937 e 1941, tornando-se o primeiro modelo de motor turboélice com finalidade prática. Era de projeto de fluxo axial com 15 compressores e 7 estágios de turbina, com combustão anular.

O primeiro avião com propulsão turboélice, o caça bombardeiro Varga RMI-1 X/H, foi fabricado nessa mesma época, com dois motores Jendrassik CS-1 fixados nas asas, mas, infelizmente, não chegou a voar, pois o único protótipo construído foi vítima de bombardeios durante a Segunda Guerra Mundial, sendo seu projeto abandonado por causa da guerra.

Em seguida, após a Segunda Guerra Mundial, surgiram outros projetos de motores turboélice, dentre eles o Rolls-Royce RB.50 Trent, o Rolls-Royce RB.39 Clyde e o icônico Rolls-Royce RB.53 Dart, utilizado para tracionar um dos modelos de aviões turboélice mais bem sucedidos da história da indústria aeronáutica mundial, o também icônico Vickers Viscount, o primeiro avião turboélice a ser produzido em série no mundo, com mais de 445 unidades fabricadas.

GALERIA DE IMAGENS

BOEING 737 (TURBOFAN)