Como funcionam as turbinas a gás

Como funcionam as turbinas a gás
É difícil não notar os enormes motores dos jatos comerciais. Na maioria deles os motores são turbinas a gás, do tipo turbofan.

Turbinas a gás podem ter várias aplicações. Por exemplo, em muitos helicópteros, em usinas termoelétricas de pequeno porte e mesmo no tanque M-1 (em inglês). Este artigo explica como funcionam as turbinas a gás. ­­

Um pequeno retrospecto

Existem muitos tipos diferentes de turbinas:

• Turbina a vapor. Muitas usinas utilizam carvão, gás natural, óleo ou um reator nuclear para produzir vapor. O vapor passa por uma enorme turbina multi-estágio, cuidadosamente projetada para girar um eixo, que aciona o gerador da usina.
• Represas hidroelétricas usam turbinas de água da mesma maneira para gerar força. As turbinas usadas em uma usina hidroelétrica parecem completamente diferentes de uma turbina a vapor porque a água é muito mais densa (e se move mais lentamente) do que o vapor, mas o princípio é o mesmo.
• Turbinas de vento, também conhecidas como moinhos de vento, utilizam o vento como sua força motriz. Uma turbina de vento não se parece nada com uma turbina a vapor ou uma turbina de água porque o vento é mais lento e mais leve, porém, novamente, o princípio é o mesmo.

Uma turbina a gás é uma extensão do mesmo conceito. Nela, um gás pressurizado faz girar a turbina. Em todas as turbinas a gás modernas o motor produz seu próprio gás pressurizado, o que é feito queimando substâncias como propano, gás natural, querosene de aviação ou combustível de jato. O calor gerado pela queima do combustível expande o ar, e o deslocamento em alta velocidade desse ar quente aciona a turbina.

Vantagens e desvantagens das turbinas a gás

Então, por que um tanque M-1 usa uma turbina a gás de 1.500 cavalos em vez de um motor diesel? Existem duas grandes vantagens da turbina sobre o diesel:

• Turbinas a gás têm uma ótima relação potência/peso, se comparadas a motores a pistão. Isso quer dizer que a quantidade de potência que se consegue do motor comparada ao seu próprio peso é muito boa.
• Turbinas a gás são menores do que motores a pistão de mesma potência.

A principal desvantagem de turbinas a gás é que, comparadas a motores a pistão do mesmo tamanho, elas são caras. Por girar a velocidade muito alta e por causa das altas temperaturas de operação, o projeto e a construção são dificeis, tanto do ponto de vista da engenharia quanto dos materiais. Turbinas a gás também tendem a consumir mais combustível quando estão em marcha lenta e preferem uma carga constante à variável. Isso torna turbinas a gás excelentes para algo como aviões a jato e usinas, mas explica por que não há uma sob o capô do seu carro.

O funcionamento básico da turbina a gás

Teoricamente, turbinas a gás são extremamente simples. Elas têm três partes:

• Compressor: comprime o ar de admissão por alta pressão;
• Câmara de combustão: queima o combustível e produz gás com alta pressão e alta velocidade;
• Turbina: extrai energia do gás a alta pressão e alta velocidade vindo da câmara de combustão.

A figura seguinte mostra o esquema de uma turbina a gás de fluxo axial - o tipo de motor que aciona o rotor de um helicóptero, por exemplo:

Neste motor, o ar é sugado pela direita do compressor. Ele tem basicamente a forma de um cone com pequenas pás fixadas em fileiras (aqui estão representadas oito fileiras de pás). Na figura a área em azul claro é o ar à pressão normal, que é forçado através no estágio de compressão, com aumento considerável de pressão. Em alguns motores, a pressão do ar pode ser multiplicada por 30. O ar com alta pressão produzido pelo compressor é mostrado em azul escuro. 

Câmara de combustão

O ar sob alta pressão entra na câmara de combustão, na qual um anel de injetores de combustível injeta um jato constante de combustível. Geralmente o combustível é querosene, combustível de jato, propano ou gás natural. Se você pensar em como é fácil apagar uma vela, então você pode imaginar o problema de projeto na área de combustão - nessa área entra ar a alta pressão, a centenas de quilômetros por hora, e é preciso manter uma chama queimando continuamente nesse ambiente. A peça que resolve esse problema é o chamada de "queimador" ou, às vezes, de "caneca". A caneca é uma peça oca e perfurada de metal pesado. Metade da caneca em seção transversal é mostrada abaixo:
Os injetores estão à direita. O ar comprimido entra pelos furos. Os gases de escape saem à esquerda. Você pode ver na figura anterior que um segundo grupo de cilindros envolve o interior e o exterior dessa caneca perfurada, guiando pelos furos o ar comprimido da admissão.

A turbina

À esquerda do motor está a seção da turbina. Nesta figura existem dois conjuntos de turbinas. O primeiro conjunto aciona diretamente o compressor. As turbinas, o eixo e o compressor giram como uma coisa só:
Na extrema esquerda está um estágio final da turbina, mostrado aqui com uma única fileira de pás. Ela aciona o eixo de saída. Esse estágio final da turbina e o eixo de saída são uma unidade independente que gira livremente. Elas giram livremente sem nenhuma conexão com o resto do motor. E essa é a parte surpreendente de uma turbina a gás - há energia suficiente nos gases quentes passando pelas pás dessa turbina final de saída para gerar 1.500 cavalos de força e movimentar um tanque M-1 (em inglês) de 63 toneladas! Uma turbina a gás é realmente bem simples.
No caso da turbina usada num tanque ou numa usina não há realmente nada a fazer com os gases de escape a não ser direcioná-los pelo tubo de exaustão, como mostrado. Às vezes o exaustor passa por algum tipo de trocador de calor, para extrair calor para alguma outra finalidade ou para pré-aquecer o ar antes dele entrar na câmara de combustão.
Obviamente a discussão aqui está um pouco simplificada. Por exemplo, não discutimos as áreas de mancais, sistemas de lubrificação, estruturas de suporte interno do motor, pás dos estatores, etc. Todas essas áreas se tornam um  problemas serio de engenharia por causa das elevadas temperaturas, pressões e altas velocidades dentro do motor. Mas os princípios básicos descritos aqui determinam o funcionamento de todas as turbinas a gás e ajudam a compreender o desenho básico e a operação do motor.

Outras variações

Grandes jatos comerciais usam o que é conhecido como motores turbofan, que nada mais são do que turbinas a gás com enormes pás de ventilador na parte da frente do motor. Aqui está o desenho básico (altamente simplificado) de um motor turbofan:
Dá para ver que o coração de um turbofan é uma turbina a gás normal como a descrita na seção anterior. A diferença é que o estágio final da turbina aciona um eixo que vai até a frente do motor para girar as pás de ventilador (mostradas em vermelho nesta figura). Esse arranjo de múltiplos eixos concêntricos, a propósito, é extremamente comum em turbinas a gás. Na verdade, em muitos turbofans maiores, pode haver dois estágios de compressores completamente separados acionados por turbinas separadas, juntamente com a turbina do ventilador, como mostrado acima. Todos os três eixos giram um ao redor do outro.
A finalidade do ventilador é aumentar consideravelmente a quantidade de ar passando pelo motor e assim aumentar consideravelmente o empuxo. Quando você olha dentro de um motor de um jato comercial no aeroporto, o que você vê são as pás de ventilador na parte dianteira do motor. Elas são imensas - por volta de 3 metros de diâmetro nos grandes jatos, podendo assim mover muito ar. O ar puxado pelo ventilador é chamado de ar desviado (mostrado em roxo acima) porque ele passa por fora da turbina do motor e vai direto para a parte traseira da nacele em alta velocidade para fornecer empuxo.
Um motor turboélice é similar a um turbofan, mas em vez de um ventilador ele tem uma hélice convencional na parte da frente. O eixo de saída é conectado a uma caixa de redução para diminuir a velocidade, e o eixo de saída da caixa de redução gira uma hélice.

Princípios do empuxo

A finalidade de um motor turbofan é produzir empuxo para deslocar o avião para a frente. O empuxo é geralmente medido em libras nos Estados Unidos (o sistema métrico utiliza Newtons;  4,45 Newtons equivalem a 1 libra de empuxo). Uma "libra de empuxo" é igual a uma força capaz de acelerar 1 libra de material a 9,76 metros por segundo ao quadrado (o equivalente à aceleração da gravidade). Portanto, se você tiver um motor a jato capaz de produzir uma libra de empuxo, ele pode manter 1 libra de material suspenso no ar se o jato for apontado diretamente para baixo. Da mesma forma, um motor a jato produzindo 2.300 quilos de empuxo poderia manter 2.300 quilos de material suspensos no ar. E se um motor de foguete produzisse 2.300 quilos de empuxo aplicados a um objeto de 2.300 quilos flutuando no espaço, o objeto de 2.300 quilos iria acelerar à razão de 9,76 metros por segundo ao quadrado. O empuxo é gerado de acordo com o princípio de Newton que diz que "a toda ação corresponde uma reação igual e em sentido contrário". Por exemplo, imagine que você esteja flutuando no espaço e que você pese na Terra 45 quilos. Na sua mão, você tem uma bola de beisebol que pesa 450 gramas na Terra. Se você arremessá-la a uma velocidade de 10 metros por segundo (36 km/h), seu corpo vai se mover no sentido oposto (ele reagirá) a uma velocidade de 0,10 metro por segundo (0,36 km/h). Se continuasse a arremessar bolas de beisebol daquela maneira à razão de uma por segundo, suas bolas de beisebol estariam gerando 450 gramas de empuxo contínuo. Lembre-se que para gerar 450 gramas de empuxo por uma hora você precisa estar segurando 1.620 kg de bolas de beisebol no começo da hora. Se quisesse fazer melhor, teria que arremessar as bolas com mais força. "Arremessando-as" (vamos dizer, com uma arma) a 1.000 metros por segundo (3.600 km/h), você geraria 45 kg de empuxo.

Empuxo de motor a jato

Num motor turbofan, as bolas de beisebol que o motor está arremessando são moléculas de ar. As moléculas de ar já estão lá, de modo que o avião pelo menos não precisa carregá-las. Uma única molécula de ar não pesa muito, mas o motor está arremessando muitas delas - e a uma velocidade muito alta. O empuxo no turbofan vem de dois componentes:

• a própria turbina a gás: geralmente um estreitamento é formado no final do tubo de escape da turbina a gás (não mostrado nesta figura) para produzir um jato de alta velocidade do gás de exaustão. As moléculas de ar saem do motor a uma velocidade normalmente de 2.092 km/h.
• o ar desviado produzido pelas pás de ventilador: ele se desloca a uma velocidade menor do que a saída da turbina, mas as pás movimentam bastante ar.

Como você pode ver, turbinas a gás são bastante comuns. São também muito complicadas e estendem os limites das ciências de materiais e dinâmica dos fluidos. Se você quiser aprender mais, um ótimo lugar par ir seria a biblioteca de uma universidade com um bom departamento de engenharia.
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