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DESTAQUES 

O programa IHPTET pretende demonstrar as novas tecnologias a desenvolver e aplicar nas proximas gerações de motores aeronáuticos do tipo turbofan. Este artigo disponibiliza algumas linhas para reflexão sobre o assunto

 

     

 

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Considerações e tendências de evolução dos motores turbofan para o século XXI através de melhorias substanciais de custo e de respeito pelo ambiente através do programa IHPTET

PROGRAMA IHPTET

A Pratt & Whitney (P&W) completou os ensaios de um protótipo de núcleo central de um motor avançado, designado XTC67/1 que produz as maiores temperaturas de descarga do compressor de alta pressão e as maiores taxas de mistura ar-combustível alguma vez alcançadas por um gerador de gases de um motor destinado a uma aeronave de combate.

Estes ensaios foram e continuarão a ser realizados sob os auspícios do Departamento de Defesa norte-americano e integrados no programa IHPTET (Integrated High Performance Turbine Engine Technology).

Os ensaios do protótipo XTC67/1 agora concluidos destinam-se a demonstrar os objectivos traçados para a fase 3 daquele programa e que consistem em duplicar a relação empuxo-peso e aumentar em 400 °F a temperatura de entrada na turbina (TIT) comparativamente com um motor de referência que é o F119 que equipa a aeronave F-22 Raptor.

Os referidos ensaios tiveram início em  Março de 2002 e concluiram-se em Abril de 2003, tendo sido realizadas cerca de 96 horas de ensaios, mais 28 horas que as inicialmente previstas.

O compressor usado no protótipo XTC67/1 é do tipo sobrecarregado o que significa que produz uma maior taxa de compressão em apenas quatro andares que o compressor do motor F119 em seis andares. Este compressor também se caracteriza por apresentar um primeiro andar constituido por uma peça única (pás integradas na mesma peça que constitui o rotor central e designada na linguagem anglo-saxónica por blisk) e um estator do terceiro andar fabricado a partir duma liga ultra-leve e altamente resistente construido a partir duma liga de alumínio e titânio (gamma titanium aluminide - GTA).

Durante os ensaios do compressor foram utilizadas técnicas de avaliação denominadas não intrusivas, segundo as quais o compressor foi equipado com dispositivos capazes de medir as tensões desenvolvidas nos componentes rotativos sem recorrer à sua instrumentação. Esta técnica baseia-se no princípio de iluminar com raios laser a superfície de cada pá do compressor sempre que esta passa por um ponto de referência e avaliar as tensões aplicadas a partir das deformações observadas.

A câmara de combustão usada no protótipo XTC67/1 permite uma elevada variação de temperatura e baseia-se nas propriedades e avanços de novos materiais mas sobretudo nas novas formas da câmara que permitem reduzir as necessidades de arrefecinento relativamente às tradicionalmente utilizadas com um escoamento secundário de ar.

Durante os ensaios específicos da câmara de combustão, realizados no terceiro trimestre de 2000, o protótipo  utilizado demonstrou a maior taxa de mistura combustível-ar alguma vez atingida por uma câmara deste tipo o que demonstra bem a capacidade e resistência da câmara perante as temperaturas atingidas.

Apesar dos sucessos obtidos, subsistiram alguns problemas que ainda não foram superados. Foi previsto utilizar-se na construção da câmara materiais compósitos de matriz cerâmica (CMC) altamente resistentes à temperatura, mas durante os ensaios em que se experimentaram tais materiais verificou-se a fusão localizada da câmara o que obrigou a modificar os materiais nos ensaios subsequentes. Por este motivo ainda não foi possível demonstrar a capacidade de suster as elevadas temperaturas pretendidas.

Um outro problema surgido e ainda não resolvido prende-se com a utilização de radiadores combustível-ar que deveriam ser instalados fora do caminho do escoamento dos gases do núcleo do motor.

Apesar do fabricante dos radiadores se ter deparado com dificuldades técnicas no fabrico daqueles componentes, também não foi possível ao fabricante do motor obter as desejadas temperaturas de descarga do compressor. Os quatro radiadores previstos instalar no protótipo XTC67/1 deveriam utilizar o ar escoado a partir do difusor do motor para pré-aquecer o combustível antes de este ser enviado para os injectores instalados na câmara de combustão.

O escoamento primário de ar uma vez arrefecido seria redireccionado através do interior do motor a fim de arrefecer as pás do único andar da turbina de alta pressão ao escoar-se através destas. O ar assim arrefecido deveria ser suficiente para reduzir as necessidades de arrefecimento de diferentes sistemas, aumentando assim a sua eficiência.

Em consequência deste problema foi decidido suspender a utilização dos radiadores nos ensaios subsequentes, não tendo sido possível ainda demonstrar as temperaturas  de descarga do compressor pretendidas. Assim, a P&W decidiu prosseguir com os ensaios não excedendo os limites da temperatura de descarga do compressor estabelecidos para a fase 1 do programa IHPTET.

Entretanto, a pesquisa e desenvolvimento em torno dos radiadores prossegue enquanto a P&W espera poder utilizar novos radiadores mais leves no decurso dos ensaios do novo protótipo XTC68/1, que será um núcleo da dimensão do núcleo do motor F119 a iniciar em Setembro de 2006.

Apesar dos problemas surgidos com os radiadores, a P&W considera que o fabrico da turbina de alta pressão do protótipo XTC67/1 foi a mais complicada alguma vez fabricada pela P&W. Esta constataçäo baseia-se no facto de que o parâmetro AN2 (em que A representa a área de passagem do escoamento primário e N representa a velocidade de rotação do conjunto rotativo, neste caso de alta pressão) atingir o valor de 600 in2.rpm2. Comparativamente, o mesmo parâmetro AN2 da turbina de alta pressão do Motor F119 é de 505 in2.rpm2.

Um dos êxitos alcançados com o programa XTC67/1 foi o desenvolvimento de novas técnicas de manufactura usadas na fabricação das pás da turbina de alta pressão. A P&W conseguiu com as novas técnicas o aperfeiçoamento dos processos de fabrico até ao ponto de reduzir para zero a taxa de rejeição das pás.

A dificuldade do processo de fabrico das pás deriva da complexa rede de canais de passagem de ar para o arrefecimento das mesmas e da reduzida espessura das paredes das pás, na ordem dos 4.572 mm. Uma vez mais trata-se de pás de turbina de alta pressão com a espessura mais reduzida jamais fabricada pela P&W. Associado à complexidade referida há que considerar os cerca de 500 furos de arrefecimento existentes em cada pá e que têm que ser abertos através de tecnologia laser.

As lições aprendidas neste programa estão já a ser aplicadas noutros programas nomeadamente nos motores F119 e F135. Aliás o programa IHPTET tinha por objectivos não apenas o desenvolvimento de novos motores mas também o aperfeiçoamento de técnicas e processos directamente aplicáveis a motores em operação ou em desenvolvimento como o F119 e o F135.

Os ensaios de fans concluidos no final de 2002 são disso um exemplo. As 50 horas de avaliação dispendidas nos ensaios de fans permitiram desenvolver um modelo de fan que deverá ser adaptado, até final de 2003, a fim de que esta nova fan seja integrada, juntamente com uma nova tubeira de pós-combustão, um distribuidor de turbina e um conjunto de baixa pressão, numa nova família de protótipos designada XTE67.

Este novo protótipo, designado XTE67/1, iniciará os ensaios já em Dezembro de 2003 ou em Janeiro de 2004. Estes ensaios têm como objectivo imediato demonstrar parte dos objectivos estabelecidos para a fase 3 do programa IHPTET, designadamente aumentar o empuxo em 70%, validar o baixo custo e a manutibilidade das tecnologias avançadas disponíveis para a produção duma nova geração de motores. Um dos objectivos mais importantes de curto prazo é a transferência e aplicação de ensinamentos aprendidos nos motores em que a P&W mais aposta actualmente como sejam o F119 e o F135. Estes ensaios deverão ficar concluidos já em Março de 2004.

No que diz respeito ao desenvolvimento da fan, responsáveis da P&W afirmam que a fan que será ensaiada no protótipo XTE67/1 é, uma vez mais, a maior alguma vez projectada por aquele fabricante para motores de aeronaves de combate. Esta fan é maior não apenas fisicamente (pelas dimensões que possui) mas também pelo caudal de ar que é capaz de escoar.

Segundo o director de programa da P&W após os ensaios esta fan demonstrou na íntegra os objectivos propostos nomeadamente a razão de pressão de projecto e a eficiência, garantindo a sua instalação nos proximos ensaios. Esta fan, constituida por três andares, inclui ainda um conjunto de características inovadoras onde se destacam as seguintes:

Um dos componentes da fan que também foi ensaiado sob diferentes moldes foram os vedantes utilizados entre os estatores e o veio, tendo sido utilizados modelos de contornos suaves e aguçados.

O compressor de alta pressão projectado para o protótipo XTE67/1 é composto por dois andares sem pás estatoras onde apenas existe um único andar estático que se baseia em  métodos tecnológicos avançados de fabrico a fim de reduzir peso.

O rotor da  turbina de alta pressão é construido a partir de dois discos com uma estrutura interna do tipo ninho de abelha e constituido por duas metades coladas. Com o objectivo de reduzir peso as duas metades fabricadas a partir duma liga de níquel são ocas. Outra forma de reduzir peso foi estender a vários componentes, nomeadamente às "cover plates" (utilizadas para manterem as pás rotativas encaixadas nos discos pela sua raíz) da turbina de alta pressão a utilização de ligas de GTA que comparativamente com as ligas tradicionais à base de níquel pesam apenas dois terços do peso destas.

A turbina de baixa pressão incorpora o conceito de "um andar e meio" que consiste em dois andares rotativos e apenas um estático. As pás desta turbina incorporam um dispositivo de amortecimento através da instalação de "encostos" nas plataformas das pás de modo a permitir a justaposição de pás adjacentes com o objectivo de reduzir as vibrações. Esta técnica deverá ser aplicada no motor F135 e a sua inclusão nos ensaios tem por objectivo demonstrar a sua viabilidade.

Fonte: Traduzido e adaptado de Aviation Week & Space Technology, 1 de Setembro 2003, págs. 50 - 51

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