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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:
Pás estatoras direccionais de entrada
(Inlet Guide Vanes - IGV) fixas a fim de
reduzir peso, complexidade e custo;
Roda do primeiro andar integral (roda e pás fazendo parte da mesma peça) cujas
pás apresentam um perfil curvado para a frente (forward swept) com uma razão
de aspecto do tipo super moderado, fabricadas em titânio e soldadas ao
rotor através de fricção linear. Devido ao comprimento das pás a sua
soldadura constituiu um desafio já que foi a primeira vez que a P&W ligou
pás através daquela técnica de soldadura;
Roda do primeiro andar que incorpora alternadamente pás de diferentes
espessuras a fim de "desalinhar" o rotor reduzindo a trepidação (flutter) e a tensão nas pás;
Roda do segundo andar integral;
Incorporação de tecnologias associadas a fadiga induzida por altas frequências
(High Cycle Fatigue - HCF) incluindo uma roda integral de terceiro andar
"desalinhada" que incorpora estruturas de diferentes
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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