Compreendendo os principais componentes do motor a jato e suas funções

Um motor a jato usa ar e combustível para produzir energia para fornecer impulso do escapamento ou acionar um eixo conectado a uma hélice ou pás do rotor. Um motor a jato é composto por uma seção fria e uma seção quente. A seção fria inclui a admissão, dutos de derivação, compressor, difusor e eixo de transmissão. A seção quente consiste em uma câmara de combustão, turbina, bocal, pós-combustor e exaustão. O motor a jato funciona aspirando ar frio, comprimindo-o, misturando-o com combustível, queimando-o e expelindo-o pelo escapamento. Este artigo discutirá mais detalhadamente os principais componentes do motor a jato.

Quais são as partes de uma seção quente de motor a jato?

A seção quente de um motor a jato começa na câmara de combustão, também conhecida como gerador de gás. É aqui que o gás quente é criado e se move para trás, expandindo-se através das pás da turbina, do bocal supersônico, do pós-combustor e, finalmente, através do escapamento. A seção quente é chamada assim porque contém o gás quente produzido na câmara de combustão. Os gases na faixa de exaustão variam entre 550–850 °C ou até 1.500 °C com pós-combustão.

1. Combustor

A câmara de combustão é onde o ar e o combustível são misturados e inflamados. A câmara de combustão deve desacelerar o fluxo de ar de cerca de 80-500 pés/s e criar uma zona morta no meio onde a chama é acesa. O combustível é girado ao redor da câmara para garantir a mistura adequada com o ar. A temperatura dos gases liberados da câmara de combustão está na faixa de 1.800–2.000 °C. Para evitar que a câmara derreta, são necessárias duas coisas. Primeiramente, algum ar do fluxo de pré-combustão é introduzido como camada limite entre o gás quente e a câmara. Em segundo lugar, a câmara de combustão é feita de uma liga de titânio revestida com um revestimento cerâmico. Esses revestimentos cerâmicos muito finos reduzem a temperatura do material até cerca de 300 °C. As câmaras de combustão de titânio são fundidas e soldadas antes de serem aplicadas um revestimento cerâmico.

2. Turbina

O gás quente então sai da câmara de combustão e se expande rapidamente. A expansão do gás é parcialmente absorvida pelas pás da turbina para girá-las. As pás da turbina são conectadas por meio de um eixo de transmissão às pás do compressor para aspirar ar novo. As pás da turbina são fabricadas a partir de um único cristal de liga à base de níquel para evitar deformação entre as camadas limite do metal. As pás da turbina também são revestidas com um revestimento cerâmico para evitar que derretam. Além do revestimento, as lâminas possuem canais de ar internos que permitem que o ar frio seja liberado pelos orifícios na superfície para criar uma camada limite de ar frio sobre as lâminas.

3. Bico Supersônico 

Na maioria dos motores a jato, o bocal de exaustão é um duto convergente. Ele acelera o fluxo de gás a uma velocidade supersônica para introdução na velocidade do fluxo livre fora do motor. 

4. Pós-combustão

Os pós-combustores são simplesmente sistemas de injeção de combustível que adicionam combustível extra ao gás quente pós-combustão para adicionar potência extra ao motor por um curto período. Para um motor a jato com pós-combustão, geralmente há uma parede dupla com um entreferro entre elas. O gás quente existente é misturado com um fluxo de ar frio vindo da frente do motor através do espaço denominado parede interna do motor. Isto também evita que o calor seja transferido para a estrutura da aeronave. 

5. Escape

Os gases de escape que saem do escapamento estão na faixa de 550–850 °C. Para suportar essas condições, o escapamento é feito de liga de níquel ou liga de titânio. Uma liga de níquel comumente usada é o Inconel®. 

Quais são as partes de uma seção fria de motor a jato?

Dentro da seção fria do motor a jato estão a entrada de ar, o compressor, os dutos de derivação, os eixos que conectam o compressor e as pás da turbina e uma seção difusora. A seção fria do motor pode estar bastante quente devido ao atrito e à compressão do ar que ela experimenta.  Porém, a seção fria é fria em comparação com a seção quente do motor, que é a câmara de combustão até o escapamento.

1. Entrada de ar

As entradas de ar parecem simples, mas na verdade são bastante complexas. A geometria de uma entrada de ar é convergente ou divergente. Uma entrada convergente é usada para acelerar o ar para aproximadamente 0,5 Mach para motores que têm velocidades abaixo de 0,5 Mach. Dutos divergentes são usados ​​para desacelerar o ar até 0,5 Mach para motores que operam acima de 0,5 Mach. As entradas de ar também incorporam sistemas de aquecimento para evitar o acúmulo de gelo, o que cria um fluxo turbulento no motor e pode parar o motor se ele cair em grandes pedaços. 

2. Eixo

Os eixos de uma turbina a gás transmitem energia dos discos da turbina na parte traseira do motor para as pás do compressor na frente para permitir que o compressor absorva o ar. O número de eixos depende do carretel do motor. Um motor de carretel único possui um disco compressor, um disco de turbina e um eixo. Um carretel duplo possui dois discos e eixos de compressor e turbina que se movem independentemente um do outro. Os eixos de um motor a jato são feitos de aço tratado termicamente, pois precisam suportar temperaturas e torques extremos. Os eixos são comumente usinados em grandes peças de aço com o uso de um torno. 

3. Compressor

Os compressores são usados para comprimir o fluxo de ar que entra, aumentando a energia cinética do ar. O difusor então desacelera o ar e converte a energia cinética em energia potencial (pressão), o que aumenta a eficiência do motor. O compressor pode ser um impulsor de fluxo radial que acelera o fluxo para fora de um difusor. Ou o compressor pode ser um compressor de fluxo axial que acelera o fluxo de ar para trás em direção a um difusor. Ambas as lâminas são tradicionalmente feitas de titânio, alumínio ou aço. O titânio é frequentemente preferido devido ao seu peso leve e à sua resistência à corrosão e à fluência. Lâminas de fibra de carbono também estão em uso, principalmente no motor GEnx. As lâminas metálicas do compressor são fundidas com metal fundido, resfriadas e depois usinadas até sua forma final. 

4. Dutos de desvio

Os dutos de desvio permitem que o ar comprimido pelo ventilador de desvio circule pela parte externa do núcleo do motor e seja usado como impulso ou para reintrodução no motor para funções de resfriamento. Os dutos de derivação são uma grande seção do motor, por isso geralmente são feitos de alumínio ou fibra de carbono para reduzir seu peso. O alumínio é usado para fazer painéis que são montados para criar o duto. Os dutos de fibra de carbono são feitos colocando-se a fibra de carbono em um molde e curando-a com uma resina. Depois de curados, os painéis de fibra de carbono podem ser instalados no motor para criar o duto. 

5. Seção do Desfusor

A seção do difusor é usada para transformar a energia cinética do ar criada pelas pás do compressor em energia potencial (pressão) para aumentar a eficiência da combustão. Os difusores geralmente são palhetas do estator, que são essencialmente lâminas de compressor estáticas usadas para desacelerar o fluxo de ar no motor. As palhetas do estator são produzidas em aço ou ligas à base de níquel, como Inconel®. 

O que é um motor a jato?

Um motor a jato é um motor construído com entrada de ar, compressor, difusor, câmara de combustão, turbinas e escapamento. Os motores a jato fornecerão impulso a partir do escapamento ou acionarão um disco de turbina que aciona uma hélice ou rotor principal de helicóptero. O motor a jato funciona em um ciclo contínuo durante o qual, a todo momento, uma corrente de ar é aspirada, comprimida, queimada e expelida. 

Os motores a jato são máquinas grandes e complexas montadas em peças. Uma vez aprovado o projeto de um motor, os componentes precisam ser fabricados. Alguns deles serão feitos internamente, mas muitos serão trazidos de outras empresas e depois montados. Por exemplo, o Rolls-Royce Trent é feito em oito módulos. Os principais componentes, como a câmara de combustão e o compressor, são construídos separadamente e depois unidos na produção final. Após a montagem das peças principais, são adicionados acessórios como cabeamento e hidráulica. A fase final da fabricação são os testes, durante os quais o motor é colocado em funcionamento em uma bancada de testes para garantir que atenda às especificações de desempenho operacional. Para obter mais informações, consulte nosso guia O que é fundição de alumínio?

Como funciona o motor a jato?

Um motor a jato funciona puxando o ar da entrada e comprimindo-o. A compressão é obtida acelerando e desacelerando o ar rapidamente para criar energia cinética e transformá-la em energia de pressão. O ar comprimido é então misturado ao combustível e inflamado. A mistura inflamada então se expande rapidamente. A expansão do gás consegue duas coisas:primeiro, aciona as turbinas que acionam o compressor para aspirar mais ar. Em segundo lugar, ele impulsiona a aeronave saindo rapidamente como impulso através do escapamento ou acionando um conjunto diferente de turbinas que acionam uma hélice ou cabeça do rotor principal de um helicóptero. 

Como são fabricados os motores a jato?

Os motores a jato são máquinas grandes e complexas montadas em peças. Uma vez aprovado o projeto de um motor, os componentes precisam ser fabricados. Alguns deles serão feitos internamente, mas muitos serão trazidos de outras empresas e depois montados. Por exemplo, o Rolls-Royce Trent é feito em oito módulos. Os principais componentes, como a câmara de combustão e o compressor, são construídos separadamente e depois unidos na produção final. Após a montagem das peças principais, são adicionados acessórios como cabeamento e hidráulica. A fase final da fabricação são os testes, durante os quais o motor é colocado em funcionamento em uma bancada de testes para garantir que atenda às especificações de desempenho operacional.

Quais são as composições materiais do motor a jato?

Os motores a jato são feitos de muitos materiais avançados, fortes e também leves devido às cargas e ambientes extremos que enfrentam. É necessária uma quantidade incrível de força para voar, portanto, manter o peso ao mínimo e, ao mesmo tempo, maximizar a potência é um objetivo fundamental dos fabricantes de motores a jato. A maioria dos materiais são ligas metálicas que incluem:

1. Ligas à base de níquel 
2. Ligas à base de cobalto 
3. Liga de titânio 

Os motores também usam materiais não metálicos, como:

1. Carbeto de Silício 
2. Fibra de carbono 

A fabricação de motores a jato é extremamente difícil devido às suas condições extremas de operação, bem como aos requisitos de segurança que um motor deve cumprir. Os motores a jato estão sujeitos a cargas térmicas, mecânicas e aerodinâmicas extremas. Eles também devem ter uma taxa de falha muito baixa por razões de segurança. Esses dois fatores combinados são o que torna a fabricação de motores a jato tão difícil. 

Além disso, algumas peças dos motores a jato são impressas em 3D. Embora seja um desafio imprimir peças de motor devido às propriedades mecânicas exigidas, a produção de algumas peças agora inclui este método. O GE9X da General Electric possui pás de turbina impressas em 3D que usam o material TiAl, que é muito frágil para ser usado em outras técnicas de fabricação. Para obter mais informações, consulte nosso guia sobre impressão 3D na indústria aeroespacial.

Como é o controle de qualidade na fabricação de componentes de motores a jato?

Muitos fabricantes aderem ao AS9100, que é a contrapartida aeronáutica do Sistema de Gestão da Qualidade (SGQ) ISO 9001. AS9100 é uma norma reconhecida internacionalmente que estabelece os requisitos para uma gestão de qualidade eficaz. Os requisitos incluem a implementação de sistemas de trabalho e o uso da documentação correta para garantir que todas as peças tenham a qualidade correta e sejam rastreáveis.