Turboélice - Turboprop
Um motor turboélice é um motor de turbina que aciona uma hélice de aeronave .
Um turboélice consiste em uma admissão, caixa de engrenagens de redução, compressor , combustor , turbina e um bocal de propulsão . O ar é puxado para a entrada e comprimido pelo compressor. O combustível é então adicionado ao ar comprimido no combustor, onde a mistura ar-combustível entra em combustão . Os gases de combustão quentes se expandem pela turbina. Parte da energia gerada pela turbina é usada para acionar o compressor. Os gases são então exauridos pela parte traseira do motor. Em contraste com um turbojato , os gases de escape do motor não contêm energia suficiente para criar um empuxo significativo, uma vez que quase toda a potência do motor é usada para acionar a hélice.
Aspectos tecnológicos
O empuxo de exaustão em um turboélice é sacrificado em favor da potência do eixo, que é obtida pela extração de potência adicional (além da necessária para acionar o compressor) da expansão da turbina. Devido à expansão adicional no sistema de turbina, a energia residual no jato de exaustão é baixa. Conseqüentemente, o jato de exaustão produz cerca de 10% do empuxo total. Uma proporção maior do empuxo vem da hélice em velocidades baixas e menos em velocidades mais altas.
Os turboélices têm relações de desvio de 50-100, embora o fluxo de ar de propulsão seja menos claramente definido para hélices do que para ventiladores.
A hélice é acoplada à turbina por meio de uma engrenagem de redução que converte a saída de alta RPM / baixo torque em baixa RPM / alto torque. A própria hélice é normalmente um tipo de hélice de velocidade constante (passo variável) semelhante ao usado com motores alternativos de aeronaves maiores , exceto que os requisitos de controle da hélice são muito diferentes.
Ao contrário dos ventiladores de pequeno diâmetro usados em motores a jato turbofan , a hélice tem um grande diâmetro que permite acelerar um grande volume de ar. Isso permite uma menor velocidade da corrente de ar para uma determinada quantidade de empuxo. Como é mais eficiente em baixas velocidades acelerar uma grande quantidade de ar em um pequeno grau do que uma pequena quantidade de ar em um grande grau, um carregamento de disco baixo (empuxo por unidade de área do disco) aumenta a eficiência energética da aeronave, e isso reduz o uso de combustível.
As hélices funcionam bem até que a velocidade de vôo da aeronave seja alta o suficiente para que o fluxo de ar pelas pontas das pás atinja a velocidade do som. Além dessa velocidade, a proporção da potência que move a hélice que é convertida em impulso da hélice cai drasticamente. Por esta razão, os motores turboélice não são usados em aeronaves que voam mais rápido do que 0,6–0,7 Mach . No entanto, os motores propfan , que são muito semelhantes aos motores turboélice, podem navegar a velocidades de voo próximas a 0,75 Mach. Para manter a eficiência da hélice em uma ampla faixa de velocidades do ar, os turboélices usam hélices de velocidade constante (passo variável). As pás de uma hélice de velocidade constante aumentam o passo à medida que a velocidade da aeronave aumenta. Outro benefício desse tipo de hélice é que também pode ser usado para gerar empuxo reverso para reduzir a distância de parada na pista. Além disso, em caso de falha do motor, a hélice pode ser embandeirada , minimizando assim o arrasto da hélice que não funciona.
Embora a turbina de energia possa ser integral com a seção do gerador de gás, muitos turboélices hoje apresentam uma turbina de energia livre em um eixo coaxial separado. Isso permite que a hélice gire livremente, independentemente da velocidade do compressor.
História
Alan Arnold Griffith publicou um artigo sobre design de compressores em 1926. Trabalhos subsequentes no Royal Aircraft Establishment investigaram designs baseados em compressores axiais que acionariam uma hélice. A partir de 1929, Frank Whittle começou a trabalhar em projetos baseados em compressores centrífugos que usariam toda a energia do gás produzida pelo motor para propulsão a jato.
O primeiro turboélice do mundo foi projetado pelo engenheiro mecânico húngaro György Jendrassik . Jendrassik publicou uma ideia de turboélice em 1928 e, em 12 de março de 1929, patenteou sua invenção. Em 1938, ele construiu uma turbina a gás experimental em pequena escala (100 Hp; 74,6 kW). O maior Jendrassik Cs-1 , com uma produção prevista de 1.000 bhp, foi produzido e testado na fábrica Ganz em Budapeste entre 1937 e 1941. Era de projeto de fluxo axial com 15 compressores e 7 estágios de turbina, câmara de combustão anular. Executado pela primeira vez em 1940, os problemas de combustão limitaram sua produção a 400 bhp. Em 1941, o motor foi abandonado devido à guerra, e a fábrica passou para a produção de motores convencionais.
A primeira menção de motores turboélice na imprensa pública em geral foi na edição de fevereiro de 1944 da publicação de aviação britânica Flight , que incluiu um desenho detalhado em corte de como um possível futuro motor turboélice poderia ser. O desenho estava muito próximo de como seria o futuro Rolls-Royce Trent. O primeiro motor turboélice britânico foi o Rolls-Royce RB.50 Trent , um Derwent II convertido equipado com engrenagem de redução e uma hélice Rotol de 7 pés 11 pol. (2,41 m) de cinco pás. Dois Trents foram instalados no Gloster Meteor EE227 - o único "Trent-Meteor" - que se tornou a primeira aeronave com motor turboélice do mundo, embora seja um banco de ensaio não destinado à produção. Ele voou pela primeira vez em 20 de setembro de 1945. De sua experiência com o Trent, a Rolls-Royce desenvolveu o Rolls-Royce Clyde , o primeiro motor turboélice a ser totalmente certificado para uso civil e militar, e o Dart , que se tornou um dos mais motores turboélice confiáveis já construídos. A produção de dardos continuou por mais de cinquenta anos. O Vickers Viscount, com motor Dart, foi a primeira aeronave turboélice de qualquer tipo a entrar em produção e ser vendida em grandes quantidades. Foi também o primeiro turboélice com quatro motores. Seu primeiro vôo foi em 16 de julho de 1948. O primeiro turboélice monomotor do mundo foi o Boulton Paul Balliol , equipado com Armstrong Siddeley Mamba , que voou pela primeira vez em 24 de março de 1948.
A União Soviética baseou-se no trabalho de projeto preliminar do turboélice alemão da Segunda Guerra Mundial da Junkers Motorenwerke, enquanto BMW, Heinkel-Hirth e Daimler-Benz também trabalharam nos projetos projetados. Enquanto a União Soviética tinha a tecnologia para criar a estrutura de um bombardeiro estratégico a jato comparável ao B-52 Stratofortress da Boeing , eles produziram o Tupolev Tu-95 Bear, equipado com quatro turboélices Kuznetsov NK-12 , acoplados a oito contra- hélices giratórias (duas por nacela) com velocidades de ponta supersônicas para atingir velocidades máximas de cruzeiro acima de 575 mph, mais rápidas do que muitas das primeiras aeronaves a jato e comparáveis às velocidades de cruzeiro a jato para a maioria das missões. O Bear serviria como sua aeronave de combate e vigilância de longo alcance de maior sucesso e símbolo da projeção do poder soviético ao longo do final do século XX. Os EUA usaram motores turboélice com hélices contra-rotativas, como o Allison T40 , em algumas aeronaves experimentais durante os anos 1950. O barco voador Convair R3Y Tradewind com motor T40 foi operado pela Marinha dos Estados Unidos por um curto período de tempo.
O primeiro motor turboélice americano foi o General Electric XT31 , usado pela primeira vez no Consolidated Vultee XP-81 . O XP-81 voou pela primeira vez em dezembro de 1945, a primeira aeronave a usar uma combinação de potência turboélice e turbojato . A tecnologia do projeto T38 anterior da Allison evoluiu para o Allison T56 , usado para alimentar o avião de passageiros Lockheed Electra , seu derivado de patrulha marítima militar, o P-3 Orion , e a aeronave de transporte militar C-130 Hercules .
A primeira, orientada para o helicóptero eixo de turbina era o Kaman K-225 , um desenvolvimento de Charles Kaman K-125 's synchropter , que utilizado um Boeing T50 motor de turbina para ligá-lo 11 dezembro de 1951.
Uso
Comparados aos turbofans , os turboélices são mais eficientes em velocidades de vôo abaixo de 725 km / h (450 mph; 390 nós) porque a velocidade do jato da hélice (e do escapamento) é relativamente baixa. Os aviões turboélice modernos operam quase à mesma velocidade que os pequenos aviões a jato regional, mas queimam dois terços do combustível por passageiro. No entanto, em comparação com um turbojato (que pode voar em grandes altitudes para maior velocidade e eficiência de combustível ), uma aeronave a hélice tem um teto mais baixo.
Em comparação com os motores a pistão, sua maior relação potência / peso (que permite decolagens mais curtas) e confiabilidade podem compensar seu maior custo inicial, manutenção e consumo de combustível. Como o combustível de aviação pode ser mais fácil de obter do que avgás em áreas remotas, aeronaves com motor turboélice como o Cessna Caravan e o Quest Kodiak são usados como aviões selvagens .
Os motores turboélice são geralmente usados em pequenas aeronaves subsônicas, mas o Tupolev Tu-114 pode atingir 470 kn (870 km / h, 541 mph). Grandes aeronaves militares , como o Tupolev Tu-95 , e aeronaves civis , como o Lockheed L-188 Electra , também eram movidas a turboélice. O Airbus A400M é movido por quatro motores Europrop TP400 , que são os segundos motores turboélice mais potentes já produzidos, depois do Kuznetsov NK-12 de 11 MW (15.000 HP) .
Em 2017, a maioria dos turboélice generalizados aviões em serviço foram o ATR 42 / 72 (950 aeronaves), a Bombardier Q400 (506), de Havilland Canadá traço 8 -100/200/300 (374), bimotor 1900 (328), de Havilland Canadá DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). Menos aviões generalizados e mais velhos incluem a BAe Jetstream 31 , Embraer EMB 120 Brasilia , Fairchild Swearingen Metroliner , Dornier 328 , Saab 2000 , Xian MA60 , MA600 e MA700 , Fokker 27 e 50 .
As aeronaves comerciais turboélice incluem Piper Meridian , Socata TBM , Pilatus PC-12 , Piaggio P.180 Avanti , Beechcraft King Air e Super King Air . Em abril de 2017, havia 14.311 turboélices empresariais na frota mundial.
Confiabilidade
Entre 2012 e 2016, o ATSB observou 417 eventos com aeronaves turboélice, 83 por ano, mais de 1,4 milhão de horas de voo: 2,2 por 10.000 horas. Três eram de "alto risco" envolvendo mau funcionamento do motor e pouso não planejado em um monomotor Cessna 208 Caravans , quatro de "risco médio" e 96% de "risco baixo". Duas ocorrências resultaram em ferimentos leves devido ao mau funcionamento do motor e colisão do terreno em aeronaves agrícolas e cinco acidentes envolveram trabalho aéreo: quatro na agricultura e um em ambulância aérea .
Motores atuais
Jane's All the World Aircraft . 2005–2006.
Veja também
- Motor a jato
- Avião a jato
- Lancha
- Propfan
- Ramjet
- Hélice cimitarra
- Supercharger
- Tiltrotor
- Turbocompressor
- Turbofan
- Turbojato
- Turboshaft
Referências
Notas
Bibliografia
- Green, W. e Cross, R. The Jet Aircraft of the World (1955). Londres: MacDonald
- Gunston, Bill (2006). O Desenvolvimento de Motores Aeronáuticos a Jato e Turbina, 4ª Edição . Sparkford, Somerset, Inglaterra, Reino Unido: Patrick Stephens, Haynes Publishing. ISBN 0-7509-4477-3.
- Gunston, Bill (2006). World Encyclopedia of Aero Engines, 5ª edição . Phoenix Mill, Gloucestershire, Inglaterra, Reino Unido: Sutton Publishing Limited. ISBN 0-7509-4479-X.
- James, DN Gloster Aircraft desde 1917 (1971). Londres: Putnam & Co. ISBN 0-370-00084-6
Leitura adicional
- Van Sickle, Neil D .; et al. (1999). "Motores turboélice" . A habilidade aérea moderna de Van Sickle . McGraw-Hill Professional. p. 205. ISBN 978-0-07-069633-4.
links externos
- Aviões de turbina a jato por LtCol Silsbee USAAF, Popular Science, dezembro de 1945, primeiro artigo sobre turboélices impresso
- Wikilivros: propulsão a jato
- "Development of the Turboprop", um artigo de voo de 1950 sobre motores turboélice no Reino Unido e nos EUA