Mecânica dos Fluidos dos Aviões

A maioria dos aviões modernos de passageiros e militares são movidos por motores de turbina a gás, que também são chamados motores a jacto. O primeiro e mais simples tipo de turbina a gás é o turbo-jacto. Como funciona um turbo-jacto?

Neste slide, mostramos um desenho esquemático de um motor turbo-jacto. As partes do motor são descritas noutros diapositivos. Aqui, estamos preocupados com o que acontece ao ar que passa através do motor. Grandes quantidades de ar circundante são continuamente trazidas para a entrada do motor. Em Inglaterra, chamam a esta parte a admissão, que é provavelmente uma descrição mais precisa, uma vez que o compressor puxa o ar para dentro do motor. Mostramos aqui uma entrada em forma de tubo, como se vê num avião de linha aérea. Mas as entradas vêm em muitas formas e tamanhos, dependendo da missão da aeronave. Na parte de trás da entrada, o ar entra no compressor. O compressor age como muitas filas de aerofólios, com cada fila a produzir um pequeno salto de pressão. Um compressor é como um ventilador eléctrico e temos de fornecer energia para rodar o compressor. Na saída do compressor, o ar está a uma pressão muito mais elevada do que o fluxo livre. No queimador, uma pequena quantidade de combustível é combinada com o ar e inflama-se. Num motor a jacto típico, 100 libras de ar/seg. são combinadas com apenas 2 libras de combustível/seg. A maior parte do escape quente é proveniente do ar circundante. Deixando o queimador, o escape quente é passado através da turbina. A turbina funciona como um moinho de vento. Em vez de precisar de energia para rodar as pás para fazer o fluxo de ar, a turbina extrai energia de um fluxo de gás fazendo girar as pás no fluxo. Num motor a jacto utilizamos a energia extraída pela turbina para girar o compressor ligando o compressor e a turbina pelo eixo central. A turbina retira alguma energia do escape quente, mas o fluxo que sai da turbina está a uma pressão e temperatura mais elevadas do que o fluxo de fluxo livre. O fluxo passa então através do bocal, que é moldado para acelerar o fluxo. Como a velocidade de saída é maior do que a velocidade do fluxo livre, o impulso é criado como descrito pela equação do impulso. Para um motor a jacto, o fluxo de massa de saída é quase igual ao fluxo de massa do fluxo livre, uma vez que muito pouco combustível é adicionado ao fluxo. A quantidade de fluxo de massa é normalmente definida por asfixia do fluxo na garganta do bico.

O bocal do turbo-jacto é normalmente concebido para levar a pressão de escape de volta à pressão de fluxo livre. A equação de impulso para um turbo-jacto é então dada pela equação geral de impulso com o termo área de pressão fixado em zero. Se as condições de fluxo livre forem indicadas por um subscrito "0" e as condições de saída por um subscrito "e", o impulso F é igual ao caudal de massa m ponto vezes a velocidade V na saída menos o caudal de massa de fluxo livre vezes a velocidade.

F = [m dot * V]e - [m dot * V]0

Esta equação contém dois termos. Os aerodinamicistas referem-se frequentemente ao primeiro termo (m ponto * V)e como o impulso bruto, uma vez que este termo está largamente associado às condições no bocal. O segundo termo (m ponto * V)0 é chamado de arrastamento de carneiro e está geralmente associado a condições na entrada. Para maior clareza, o impulso do motor é então chamado de impulso líquido. A nossa equação de impulso indica que o impulso líquido é igual ao impulso bruto menos o arrasto do carneiro. Se dividirmos ambos os lados da equação pelo caudal de massa, obtemos um parâmetro de eficiência chamado impulso específico que simplifica muito a análise de desempenho para motores de turbina.

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