TURBINAS AERONÁUTICAS: HISTÓRIA, CONCEITOS E EMPREGOS – 1ª PARTE

Geralmente quem viaja de avião e tem a oportunidade de embarcar fora dos fingers (pontes) de passageiros, ao descer do ônibus tem a chance de olhar bem de perto as turbinas das aeronaves e aquele grande “ventilador”, com suas grandes e numerosas pás, além daquele cheiro “de aeroporto” (querosene aeronáutico, Jet A1), além daquele ruído agudo desses motores funcionando.

Olhando para tal cena, torna-se inevitável a pergunta: como um motor pode acelerar de maneira tão vigorosa, manter um avião em velocidade tão elevada no ar, funcionar em altas rotações e ainda nos transportar de maneira segura e com um porcentual de falhas baixíssimo? A resposta está nas limitações que os motores a pistão, recíprocos e as hélices possuíam, empurrando engenheiros e fabricantes para a busca de novas soluções.

As turbinas a jato representaram essa verdadeira revolução na aviação, seja ela civil ou militar. As limitações dos motores recíprocos em termos de complexidade e peso deixaram de ser um problema com o uso de motores a turbina, mais simples.

O conceito físico da propulsão a jato (“reação”)

Basicamente, a propulsão a reação funciona regido pela Terceira Lei de Newton: “Para toda ação (força) sobre um objeto, em resposta à interação com outro objeto, existirá uma reação (força) de mesmo valor e direção, mas com sentido oposto.”

Dessa maneira, a força (“empuxo”) produzida pelo deslocamento de matéria — normalmente água ou ar — provoca uma reação de mesma intensidade e direção mas de sentido oposto, gerando o movimento, daí o termo “reação”. A forma como essa matéria é deslocada, no entanto, pode se dar de diversas formas. No caso da propulsão a jato aeronáutica, o empuxo é feito através do deslocamento de massas de ar para trás resultado da queima de combustível em sua câmara.

A maneira como o ar é comprimido para a queima com o combustível e produzir a reação para o movimento pode se dar de múltiplas formas. Um dos exemplos mais notáveis foi o protótipo italiano Caproni Campini N.1 de 1940, uma aeronave de propulsão a jato equipada com um motor a pistão recíproco Isotta-Fraschini de 900 hp acoplado a um compressor de três estágios. Embora um fiasco técnico (atingia cerca de 400 km/h — o mesmo que qualquer caça de motor a pistão então) foi uma experiência válida de propulsão a jato e ilustra um exemplo de jato sem ser uma turbina a gás.

Após comprimido, a queima do combustível na câmara de combustão acarreta num aquecimento ainda maior desse ar comprimido e quente, havendo sua expansão de volume sem incremento de pressão (esse aumento de volume compensa o eventual aumento da pressão advindo da inserção externa de temperatura via queima do combustível) através da turbina (ou de um grupo de turbinas, havendo a transferência de parte dessa energia térmica contida no gás em energia mecânica. Depois desse processo, há a troca de calor do sistema com o ambiente e o reinício do ciclo, conforme mostra a ilustração abaixo, representando o ciclo Brayton fechado.

A grosso modo, o motor a jato trabalha com a admissão de ar e sua subsequente compressão através dos compressores, sejam eles axiais, centrífugos ou ambos. O ar comprimido então é direcionado a câmara de combustão onde uma parte dele é misturada com combustível injetado em alta pressão, ocorrendo a queima e o incremento de temperatura, gerando um aumento ainda maior da pressão dos gases, que são dirigidos para fora do motor, passando por um mecanismo rotativo que extrai parte da energia contida nesses gases transformando em energia mecânica. É esse mecanismo rotativo que chamamos de turbina.

É exatamente como no turbocompressor do qual tanto se fala no AE, a  turbina é movimentada pelos gases de escapamento e por meio de uma árvore chega ao compressor.

Considerando que os grandes fabricantes de motores a jato são ingleses e americanos, nada mais natural que eles se valham das unidades de medida imperiais para descrever o desempenho de seus engenhos. Dessa maneira, a medida de empuxo (a força de reação) de um motor a jato é descrita em lbf (libras-força) que consiste numa massa de 1 libra (ou 0,4535 kg) submetida a uma aceleração gravitacional de 32,174 ft/s² que equivale 9,8066 m/s².

Como a maioria das pessoas estão acostumadas a lidar e ter uma noção empírica de potência, especialmente se descrita em cavalo-vapor, é inevitável que se queira fazer uma relação direta entre o empuxo de um motor a jato, querendo saber, em linhas gerais, “quantos cavalos significa”. Porém, trata-se de conceitos físicos diferentes: a potência consiste no quociente entre a energia produzida pelo motor por uma unidade de tempo, sendo a energia o produto da força despendida em um deslocamento pelo quanto de deslocamento foi sofrido efetivamente pelo corpo. No caso do empuxo, medimos apenas a força.

Dessa maneira, apenas à guisa de comparação, a “potência” de um motor a jato em hp (horsepower) pode ser medida multiplicando-se o empuxo despendido para manutenção de uma certa velocidade pelo valor dessa mesma velocidade, mas medida em milhas por hora.

No caso dos turbo-hélices e turboárvores, no entanto, o desempenho volta a ser medido via conceito de potência e a explicação é simples: nesses casos, interessa saber o quanto de trabalho (energia) é produzida por unidade de tempo disponível no eixo, que será usado para movimentar algo, seja uma hélice ou um gerador.

No caso específico dos turbo-hélices, a hélice “gira” em um fluido (seja ele ar ou a água no caso de embarcações) de maneira análoga a um parafuso sendo rosqueado, gerando tração ao corpo onde a hélice está ligada. Tanto que em língua inglesa o termo “airscrew” (algo como parafuso de ar, em uma tradução literal) significa hélice. E para tal movimento há o torque envolvido para girar a hélice no fluido e a sua rotação. Assim, como potência é o produto do torque pela rotação (leia artigo), será ela que melhor descreverá se um determinado propulsor atende ou não as expectativas de desempenho.

A grande vantagem dos motores a reação sobre as hélices reside justamente na eficiência em altas velocidades. As hélices têm sua eficiência sensivelmente diminuída quando em voo de altas velocidades e/ou a velocidade das pontas da pás atinge valores superiores a velocidade do som. Nestes casos ocorre a perda de eficiência de tração além de um elevado nível de ruído. Dessa maneira, os engenheiros sabiam que, para conseguir ainda mais velocidade nas aeronaves, essa era uma questão a ser vencida. E ai a propulsão a jato desponta como sendo a melhor solução.

A história das turbinas a gás

O primeiro “rabisco” que se tem notícia de algo que funcione através dos mesmo princípio dos motores a jato é a eolipila feito por Heron de Alexandria, datada do primeiro século depois de Cristo. Considerada a primeira máquina a vapor, a eolipila consiste em um cilindro com um par de saídas de vapor quente. Conforme a água era esquentada a saída do vapor em alta pressão moveria e eolipila gerando energia mecânica. O projeto é considerado como o primeiro conceito de máquina a vapor da história.

Contudo foi apenas no século 20 que os estudos sobre motores a jato e turbinas a gás efetivamente tomaram corpo. Diversos foram os engenheiros que trabalharam em cima da criação de um motor a reação a partir de turbinas a gás, mas foi o conceito de Sir Frank Whittle de 1928 que efetivamente tomou corpo e deu forma as turbinas a jato tal qual as conhecemos hoje.

Whittle era um cadete da Força Aérea Real (RAF) britânica quando em 1928 submeteu seus conceitos de motor a reação a turbina aos seus superiores. Seu conceito acabou sendo patenteado em 1932  e baseava-se em dois compressores axiais alimentando um compressor centrífugo. Desse compressor centrífugo o ar comprimido seria direcionado para a câmara onde misturado com combustível junto com os queimadores e esse fluxo posterior seria dirigido as turbinas, solidárias à árvore dos compressores. Frank Whittle , em sua patente, via também a possibilidade de se explorar o fluxo de gases de escapamento para propósito de manobra (como se veria visto em 1967 no Harrier britânico, capaz de decolar e pousar verticalmente).

Frank Whittle, entretanto somente conseguiu funcionar um protótipo de seu conceito de turbina a gás em 1937, sem contudo, despertar a atenção dos fabricantes e mesmo do governo para sua criação.

Paralelamente, na Alemanha, já sob o regime nacional-s0calista, o engenheiro Hans von Ohain trabalhava em um conceito semelhante ao de Frank Whittle de propulsão por meio de turbina a gás. Lá, entretanto, apesar de Hans ter conseguido demonstrar seu engenho apenas de maneira experimental, foi o suficiente para que, ao ser apresentado ao industrial Ernst Heinkel, logo se firmasse uma parceria no sentido de desenvolver uma aeronave dotada de um motor a reação a turbina.

E essa associação permitiu que, já em 1939, o Heinkel He 178 equipado com um motor Heinkel HeS3 se tornasse o primeiro avião turbojato a voar em todo o mundo, pilotado por Erich Warsitz, o primeiro “piloto de jato”. O curioso dessa primeira geração de motores alemães turbojato era o combustível: podia ser gasolina ou diesel, numa clara racionalização da matriz energética alemã.

Frank Whittle, por outro lado, lutava para chamar a atenção para sua criação, contudo foi apenas com o início da Segunda Guerra Mundial em 3 de setembro de 1939 que o governo da Inglaterra se interessou pelo engenho de Frank Whittle e contratou a Powerjets (empresa de Whittle) para desenvolver um turbojato para uma aeronave projetada pelo fabricante Gloster, o modelo E28/39, que voou em 1941, dois anos após seu congênere alemão e dando a vantagem competitiva aos alemães no desenvolvimento de motores e aviões turbojato.

Apesar de toda rigidez e engessamento governamental nacional-socialista, seu Ministério da Aeronáutica via com bons olhos o desenvolvimento e a parceria de Hans von Ohain com Ernst Heinkel e incentivou os demais fabricantes de aviões e motores a fazerem seus próprios projetos. E foi nessa toada que em 1941 voou pela primeira vez o Messerschmitt Me 262, o primeiro caça alemão a jato.

Devido aos problemas com os turbojatos BMW 003 (a mesma empresa fabricante de carros), o voo inaugural do Me 262 foi utilizando um motor recíproco a pistão, convencional, a fim de estudar o comportamento e as características da célula e da aeronave. Um ano depois, em 18/7/1942, equipado com dois motores Junkers Jumo 004, o Me 262 pôde realizar seu voo inaugural com motores turbojato.

Fatores técnicos como a ausência e dificuldade na obtenção de materiais nobres para confecção das turbinas, bem como a questão estratégica dentro da cúpula governamental de como o jato Me 262 deveria ser empregado (Hitler queria uma aeronave para bombardear a Inglaterra, enquanto a cúpula da Luftwaffe, força aérea, desejava uma aeronave de caça voltada para o combate aos bombardeiros aliados), geraram alguns atrasos no aprimoramento e utilização do modelo e, felizmente, quando chegaram à linha de frente, a guerra já estava claramente a favor dos aliados. Há estudiosos que alegam se o Me 262 houvesse chegado à frente de batalha pelo menos um semestre antes, a balança teria pendido favoravelmente à Alemanha.
Além do Me 262, os alemães puseram em combate outras duas aeronaves dotadas de motores a jato: o bombardeiro Arado 234 e o Heinkel He 162.

No caso do Heinkel, sua história é bastante peculiar. Entre projeto e primeiro voo decorreram menos de dois meses e meio e o objetivo era uma aeronave de combate leve, apenas para a defesa de território, que seriam pilotadas por uma leva de inexperientes pilotos. Foi devido à rapidez do projeto e à construção em madeira — havia escassez de alumínio — que  houve problemas aerodinâmicos e construtivos nessas aeronaves no início dos voos.

Também é dessa época a ideia de se derivar um pouco do ar admitido pelos compressores, visando aumentar a massa de ar admitida pelo motor a jato e assim, produzindo maior empuxo. Embora o primeiro esboço de um turbofan tenha sido de um soviético, foi um motor Daimler-Benz o pioneiro em adicionar dois “fans” (ventiladores) em dutos na entrada do compressor, desviando parte do ar admitido para fora no núcleo do turbojato e assim, aumentando a massa de ar deslocada. Adiante veremos o que é um turbofan.

Apesar de terem saído atrasados na corrida para o ingresso na Era do Jato, em 1943 os ingleses fizeram voar pela primeira vez o Gloster Meteor, o primeiro caça a jato aliado, aeronave esta que entrou em operação em julho de 1944 como caça a jato. Contudo, o inexpressivo número de Meteors em operação entre 1944 e 1945, aliado à parcimônia britânica em colocar a aeronave na frente de batalha — talvez por receio de que  ela caísse em mãos alemãs — fez com que o primeiro combate aéreo na era do jato não ocorresse na Segunda Guerra Mundial — este só ocorreria em 1950 na guerra da Coreia, com o embate entre o americano North American F86 Sabre  e o soviético MiG 15.

Depois o resto da história é conhecido: os motores a jato inauguraram uma nova era tanto na aviação militar quanto na aviação civil, trazendo confiabilidade e rapidez aos aviões, os turbo-hélices substituíram com larguíssima vantagem os motores recíprocos a pistão permitindo um novo patamar de potência e acima de tudo, de confiabilidade e os turboárvores permitiram que os helicópteros se tornassem mais ágeis e leves, numa relação peso-potência mais favorável.

O funcionamento da turbina a gás

Uma turbina a gás consiste em um tipo motor de combustão interna, empregando o ar como fluido para transformar a energia térmica do combustível em energia mecânica, da mesma maneira que um motor de ciclo Otto ou Diesel funcionando em quatro tempos: 1) admissão; 2) compressão; 3) ignição e expansão; e 4) escapamento. Mas, diferentemente dos motores de ciclo Otto ou Diesel, a turbina a gás trabalha de maneira contínua e a ignição do combustível ocorre sempre a uma pressão de trabalho constante (nos motores recíprocos, o volume é constante).

Em sua forma mais simples, uma turbina a gás apresenta poucas partes móveis e componentes, consistindo, grosso modo, em uma árvore onde são fixados o compressor e a turbina e entre eles, uma câmara de combustão. Contudo, a despeito das poucas partes móveis, a manufatura dos componentes de uma turbina a gás requer materiais e ligas metálicas nobres (visando suportar as condições extremas de temperatura e pressão) além de elevada precisão na fabricação.

Naturalmente que há sistemas agregados como a lubrificação do conjunto, alimentação de combustível, geradores de energia elétrica, sistema de partida e nos motores mais antigos, o compressor de ar para pressurização, todos, sistemas acoplados a uma caixa de acessórios colocados junto a turbina e alimentados pela energia mecânica extraída da árvore do compressor/turbina.

No início, os motores a jato eram de apenas um único “bloco” de compressores (que podem combinar do tipo axial e centrífugo no mesmo motor) e turbinas, mas a necessidade de aumento do rendimento e do empuxo das turbinas requereu novos blocos com o objetivo de aumentar ainda mais a compressão do ar dirigido para as câmaras de combustão (e consequentemente maior massa para gerar empuxo).

Esses “blocos” giram grupos de compressores e turbinas em velocidades diferentes, em árvores concêntricas, visando extrair o máximo rendimento dos compressores, uma vez que os “blocos” são projetados para trabalhar na velocidade adequada com o objetivo de maximizar a compressão do ar admitido na turbina. Nos motores a jato de uso aeronáutico o mais comum são os motores de dois “blocos” de compressores, inicialmente um de baixa pressão e outro, trabalhando mais rapidamente, de alta pressão, mas já existem motores que empregam três grupos de compressores, com três árvores trabalhando concentricamente. Atualmente o melhor representante desse tipo de solução é o motor Rolls-Royce Trent, empregado nos Airbus A380 e alguns Boeing 777.

A câmara de combustão realiza a função de queimar a quantidade de combustível necessária para gerar calor ao ar comprimido pelos compressores, ar este que sai em alta velocidade gerando empuxo e com energia para movimentar as turbinas colocadas na(s) respectiva(s) árvore(s) solidárias aos compressores.

O ar entra na câmara de combustão em alta velocidade, contudo para que haja a perfeita queima do combustível injetada na câmara, a velocidade do ar advindo dos compressores tem que ser reduzida visando a adequação com a velocidade de queima do querosene e, visando a obtenção de uma estequiometria correta para a queima do combustível, apenas uma parte dele entrará na chamada “zona de combustão” local onde o combustível é injetado e queimado.

Após a queima, o restante do ar admitido e não participante do processo de queima do combustível é diluído na câmara, ganhando o calor da combustão e, ao mesmo tempo, arrefecendo os componentes da câmara, e aí, saindo em alta velocidade para o movimentar as turbinas (que acionam os compressores) e gerar empuxo. Vale a menção de que a ignição do combustível só é necessária para a partida do motor, sendo que depois a chama é autossustentável não sendo necessário manter um sistema de ignição permanente.

Quem estiver perto de um motor a jato na hora da partida notará a semelhança, até em ruído, com os acendedores embutidos dos fogões, o centelhamento contínuo.

As turbinas, por sua vez, têm a função de transformar parte da energia contida no ar pressurizado e quente e transformar em energia mecânica para a árvore onde está acoplada. Por receber os gases em altas temperaturas vindos câmara de combustão, as turbinas são feitas de materiais resistentes ao calor e para otimizar seu rendimento há um componente denominado estator. Situado antes de cada disco de turbina, o estator emprega uma forma de aerofólio em suas pás, possuindo a função de dirigir adequadamente o fluxo de ar para as pás das turbinas. É um componente livre, de cunho unicamente aerodinâmico.

É importante mencionar que a rotação de trabalho das  árvores das turbinas a gás pode facilmente superar 20.000 rpm no bloco de alta pressão. No bloco de baixa pressão a rotação chega a 5.000 rpm, daí a necessidade de se adicionar caixas de redução nos motores turbo-hélice e turboárvore, conforme veremos na 2ª parte desta matéria na sexta-feira que vem (13/1).

DA