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História da Turbina a Gás na Aviação: Desafios da Tecnologia

por Rosana Galindo | 30/03/2015
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Hoje falaremos um pouco sobre a história da turbina a gás e de como ela se desenvolveu na aviação. Como sabemos, as turbinas a gás possuem larga aplicação na geração de energia e propulsão a jato. Suas raízes remontam a 150 a.c., com a invenção de um brinquedo chamada “aelópolo” por um matemático egípcio, passando pelo “Macaco de Chaminé” de Leonardo Da Vinci, até que no século XIX o inglês John Dumbell e o francês Bresson iniciaram os estudos com a configuração definitiva das turbinas a gás que conhecemos hoje.

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“Macaco de Chaminé” de Da Vinci


Na década de 30, o inglês Frank Whittle patenteou o primeiro turbojato para aeronaves, porém o primeiro a passar o projeto do papel para o céu foi o alemão Hans Von Ohain em 1935, com o auxílio das indústrias Heinkel, que em 1939 voaram com o primeiro avião a jato do mundo, o HE 178.  Em paralelo, Whittle se associa ao austríaco Anselm Franz, da Junkers Motoren (famoso Jumo), conseguindo fazer ajustes técnicos em seu projeto e por fim colocar seu protótipo nos ares. Em 1944, em plena Segunda Guerra Mundial a empreitada deu origem a produção do caça Messerschimitt ME 262, o primeiro avião de combate a jato do mundo.
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Da esquerda para a direita: o avião Heinkel HE 178, o motor Jumo 004 e o caça Messerschimitt ME 262


 
Nesta época, a General Electric já estava produzindo turbojatos dos modelos de aviões tripulados Bell Aircomet, o primeiro avião americano a jato, e o Lokheed F-80, lançando por fim, em 1949, o primeiro avião comercial a jato, o Havilland Comet (“The Comet”). Após a Segunda Guerra a turbina a gás passou a ser aplicada também na geração de energia, além da aviação, a qual foi a grande responsável pelo seu avanço.
Ao mesmo tempo em que a turbina a gás é uma “heroína” da tecnologia, ela também tem papel de vilã, pois seu abastecimento é por meio de combustíveis de origem fóssil, sendo na aviação o querosene, um grande responsável pela emissão de poluentes no mundo. Atualmente, um dos maiores desafios da indústria da aviação é desenvolver combustíveis de origem renovável para aplicação nas turbinas já existentes. Os combustíveis readaptáveis chamam-se Drop in, em que o conceito para a sua aplicação não é necessário ser feita nenhuma alteração na estrutura dos motores já existentes. O bioquerosene e os combustíveis Drop in são os assuntos de pauta desta indústria.


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+ Conceito e Aplicação

Os principais componentes de uma turbina a gás são o compressor, a câmara de combustão, a turbina e o exaustor. O conjunto atua sob a Terceira Lei de Newton, que relaciona o deslocamento que a força propulsora efetua da massa através da aceleração das partículas. Na termodinâmica, basicamente a turbina a gás obedece ao Ciclo Brayton. Este ciclo atua com adição de calor a pressão constante, sendo composto por 4 processos reversíveis:

  • 1-2: Compressão isentrópica através de um compressor;
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    Diagramas T-S e P-V conforme Ciclo Brayton

  • 2-3: Adição de calor a pressão constante;
  • 3-4: Expansão isentrópica pela turbina;
  • 4-1: Expulsão de calor a pressão constante.

Exemplificando este ciclo na turbina a gás, a compressão do ar vindo previamente do ambiente ocorre no compressor. Após a compressão, a queima ocorre à pressão constante, resultando no aumento do volume e da temperatura. A expansão isentrópica do ar ocorre na turbina e exaustor, tendo a seguir a expulsão do ar a jato para o ambiente a temperatura constante.
Na aeronáutica, os principais tipos de motores a propulsão são:

  • Turbojato: atua em altas velocidades e grandes altitudes, por isso sua aplicação é em geral em aeronaves militares. Possui alto consumo de combustível e é muito barulhento em baixas altitudes e velocidades.
  • Turbofan: é o mais utilizado na aviação comercial atualmente. Possui menor consumo de combustível e é mais silencioso do que o turbojato devido a uma ventoinha de grande diâmetro na admissão ou exaustão dependendo do modelo.
  • Turboprop: Conceito misto entre o jato e o fan. É utilizado em aviões domésticos e de baixas velocidades. Possui uma turbina adicional conectada a uma caixa de engrenagens, sendo grande parte da energia dissipada no empuxo aplicado ao eixo de transmissão, tendo velocidades de exaustão reduzidas. Também possui um propulsor que pode ser acionado por motores comuns de combustão interna.

Turbojato

Turbojato, aplicado na aviação militar


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Turbofan, aplicado na aviação comercial


Fonte: Arquivos pessoais

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