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DESTAQUES

Apesar do rápido desenvolvimento dos motores aeronáuticos e da sua aparente estabilização em torno do modelo turbofan, as tendências de evolução prometem melhorias substanciais de custo e de respeito pelo ambiente. 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

MOTORES PARA O SÉCULO XXI

Introdução

O motor aeronáutico de turbina de gás sofreu uma rápida evolução após a sua introdução no início dos anos quarenta. Desde essa data a sua configuração evoluiu segundo diferentes tipos (turboreactor e turbofan, com ou sem pós-combustão; turbopropulsor e turboveio) e diferentes arranjos dos componentes acessórios, sem no entanto modificar a sua configuração básica e que o caracteriza.

A evolução deste tipo de motor (no seu conceito geral) está esgotada devendo ocorrer pontualmente e apenas de forma a optimizar o seu funcionamento.

Os programas de desenvolvimento de novos motores aeronáuticos de turbina de gas estão a ser fortemente financiados pelas instâncias governamentais dos EUA e da UE.

Para esta nova geraçäo de motores foram definidos os seguintes objectivos:

Desta forma prevê-se que o motor do futuro se caracterize por

Acções em curso

Principais Programas

UEET - Tecnologia de Motor Ultra Eficiente (Prrograma Civil Americano)

Este programa (designado Ultra Efficient Engine Technology) foi inicado pela NASA em 2000 e tem um prazo de 5 anos. O seu objectivo é desenvolver tecnologias inovadoras em matéria de propulsão a turbina de gás que permita a sua aplicação às novas gerações de aeronaves e a uma vasta gama de velocidades de voo.

Embora a NASA seja o principal responsável por este prorama, a indústria norte-americana está fortemente envolvida uma vez que será a principal beneficiária dos novos desenvolvimentos. O principal alvo deste programa é a aviação civil e tem como objectivos primários os seguintes:

O programa UEET subdivide-se em sete sub-programas como se segue:

Integração de sistemas propulsivos

O objectivo principal é integrar as tecnologias desenvolvidas para os componentes nos restantes sub-programas para que os objectivos globais se cumpram;

Redução de emissões

Este sub-programa centra-se no desenvolvimento de novas câmaras de combustão que permitam uma significativa redução das emissões de óxido de azoto;

Altas cargas aerodinâmicas

Este sub-programa tem por objectivo o desenvolvimento de turbomáquinas capazes de resistir a elevadas cargas aerodinâmicas por forma a reduzir-se o número de andares de compressão e expansão o que permitirá reduzir o peso e o custo do ciclo de vida;

Novos materiais

Este sub-programa tem por objectivo o desenvolvimento de materiais e estruturas capazes de suportar elevadas temperaturas e pressões de trabalho. Neste sub-programa inclui-se a pesquisa e desenvolvimento de materiais compósitos de matriz cerâmica e materiais leves para estruturas estáticas;

Técnicas de integração

Este sub-programa tem por objectivo o desenvolvimento de novas tecnologias de integração do conjunto que permitam reduzir a resistência aerodinâmica da aeronave uma vez instalado o grupo moto-propulsor;

Controlo inteligente

Este sub-programa tem por objectivo o desenvolvimento de sistemas de controlo inteligente que permitam maximizar as reacções do motor em resposta às acções da aeronave para cada missão específica;

Veículos demonstradores (protótipos)

Este sub-programa tem por objectivo o desenvolvimento de veículos de ensaio destinados a demonstrar os objectivos propostos. Os resultados destes ensaios proporcionarão informação preciosa que permitirá reduzir significativamente o risco associado à introdução das novas tecnologias nos novos motores.

EEFAE - Motor Eficiente e Respeitador do Meio AAmbiente (Programa Civil Europeu)

O programa EEFAE (designado Efficient and Environmentally Friendly Aero-Engine) constitui uma plataforma tecnológica destinada a enfrentar o desafio de desenvolvimento de motores aeronáuticos de menor custo, maior fiabilIdade e reduzido impacte ambiental.

Este programa, iniciado em 1998, é financiado pela União Europeia inserido no programa V do programa MARCO, com um orçamento de 101.4 MEuros e é o maior projecto dentro daquele programa. Conta com a participação de 15 empresas motoristas, centros de investigação e universidades europeias num total de 19 parceiros. Os novos motores a integrar as novas tecnologias emergentes apenas deverão estar disponíveis a partir de 2008 e completamente operacionais em 2015.

Os objectivos deste programa são:

Para a consecução dos objectivos deste programa foram desenvolvidos dois veículos demonstradores (protótipos) : o ANTLE e o CLEAN.

O primeiro é um demonstrador de motor de baixas emissões alcançável a curto prazo. O segundo constitui um instrumento de validação de componentes para motores aeronáuticos de baixas emissões.

A principal diferença entre ambos é que o primeiro deriva de motores já existentes e pretende demonstrar que é possível alcançar os objectivos do programa com um motor actual melhorado enquanto que o segundo destina-se ao desenvolvimento de novas tecnologias de motores com permutador intermédio de calor.

ANTLE - Motor com Disponibilidde de Baixas Emisssões a Curto Prazo

O programa ANTLE (designado Affordable Near Term Low Emissions) é liderado pela Rolls-Royce (inglesa) e secundado pelas Rolls-Royce Germany (alemã, que é responsável pelo compressor de alta pressão), pela Avio (italiana, responsável pela turbina de pressão intermédia) e pela ITP (espanhola, responsável pela turbina de baixa pressão). Outros participantes são: Eldim (holandesa), Hispano-Suiza (francesa), Howmet, INTA (espanhola), Lucas (inglesa), Calidus (inglesa), Techspace Aero (belga), Volvo Aero (sueca), Universidades de Florença (italiana) e de Lulea (sueca) entre outros. Ttrata-se de um veículo demonstrador baseado no princípio de funcionamento com três veios que constituirá a base para a nova geração de motores Trent e que deriva directamente do actual motor Trent 500.

O seu principal objectivo é o desenvolvimento de tecnologias novas para a propulsão das futuras aeronaves de fuselagem estreita com um nível de empuxo entre as 50 e 110 mil libras (Klbs) e uma redução de pelo menos 10% das emissões de CO2 e de 60% das emissões de NOx até 2008. O principal desafio consiste em obter um salto quantitativo nas características de eficiência e protecção do meio ambiente em simultâneo com a redução de custos de produção e de ciclo de vida.

Graças a este programa será possível desenvolverem-se tecnologias inovadoras destinadas a reduzir o número de componentes dos motores mantendo, ainda assim, os elevados índices de eficiência. Estas tecnologias baseiam-se em aerodinâmica avançada, em projecto estrutural optimizado, em técnicas de fabricação de baixo custo e em sistemas de controlo radicalmente diferentes.

CLEAN - Motor para Validação do Respeito pelo Meio Ambiente

O programa CLEAN (designado Component vaLidator for Environmentally friendly Aero eNgine) é liderado pela SNECMA (francesa) e MTU (alemã e responsável pela turbina de baixa pressão e pelo recuperador de calor) e constituido por outras entidades, muitas delas também intervenientes no programa ANTLE, tais como a Eldim (holandesa), a Avio (italiana), a Techspace Aero (belga), a Volvo Aero (sueca e responsável pela secção de escape), a ESIL (irlandesa) e o instituto CEPR (francês), entre outros, e tem por objectivo principal validar as tecnologias para os componentes que ambas fabricam (uma vez que não produzem motores civis completos) em parceria com os motoristas norte-americanos General Electric e Pratt & Whitney, respectivamente, para os motores do tipo turbofan e com permutador intermédio de calor.

Em consequência do programa CLEAN dever-se-ão obter:

O programa CLEAN significa um passo em frente para serem alcançados os objectivos de redução de ruído e emissões gasosas nocivas a longo prazo. A quantificação dos objectivos situa-se ao nível de uma redução de 20% nas emissões de CO2 e 80% nas emissões de NOx. Os primeiros ensaios em voo só deverão realizar-se após 2015 e a sua aplicação comercial apenas ocorrerá a partir de 2020. No entanto, o primeiro protótipo em que as novas tecnologias começarão a ser ensaiadas deverá estar disponível já no final de 2003.

Este programa assenta num ciclo termodinâmico em que se aproveita a energia dos gases de escape para aquecimento do escoamento previamente à combustão, obtendo-se assim um potencial de redução de consumo de combustível de cerca de 20%, designado ciclo IRA (Intercooled Recuperated Aero-engine).

IHPTET - Tecnologia Integrada para Motores de Tuurbina de Gas de Elevado Desempenho (Programa Militar)

O programa IHPTET (Integrated High Performance Gas Turbine Engine Technology) é o programa mais importante, neste âmbito, conduzido pelos EUA nas últimas décadas para o desenvolvimento de novas tecnologias para motores aeronáuticos.

Trata-se de um programa estabelecido nos finais dos anos 80 e resultante dum esforço conjunto entre a NASA, o Departamento de Defesa e a indústria norte-americana.

O objectivo principal é demonstrar as tecnologias avançadas capazes de duplicar a relação empuxo/peso e de reduzir o consumo de combustível  em cerca de 40%, relativamente aos motores actuais.

Este programa foi dividido em três fases: I, II e III. A fase I tinha como prazo 1991; a fase II tinha como horizonte 1997 e a fase III tem como prazo 2003.

Os objectivos para a fase I foram os seguintes:

Os objectivos para a fase II foram os seguintes:

Os objectivos para a fase III são os seguintes:

Para o Departamento de Defesa dos EUA o programa IHPTET não constitui a última fronteira uma vez que estão já a ser definidos novos objectivos para um novo programa que orientará os esforços tecnológicos para aplicar nos motores para o novo horizonte colocado no ano 2015 e seguintes. Este novo programa será denominado VAATE (Versatile Affordable Advanced Turbine Engines).

Como princípio definiu-se que esse novo motor seria do tipo turbofan ou turborreactor e destinar-se-á a equipar as novas aeronaves de combate. Os veículos demonstradores para este novo programa inserem-se num sub-programa denominado ATEGG/JTDE (Advanced Turbine Engine Gas Generator/Joint Turbine Demonstrador Engine).

Para motores de helicóptero e do tipo turbopropulsor estabeleceu-se outro sub-programa designado JTAGG (Joint Turbine Advanced Gas Generator) e para aeronaves não tripuladas e mísseis foi estabelecido o sub-programa JETEC (Joint Expendable Turbine Engine Concept).

Ao abrigo do sub-programa ATEG/JTDE tanto a General Electric como a Pratt & Whitney têm realizado ensaios com veículos demonstradores. A Pratt & Whitney tem-se centrado na melhoria substancial da vida útil dos componentes da zona quente ao abrigo do seu programa CAESAR e os resultados obtidos estão a ser aplicados e incorporados nos motores F119 e F135 que equipam as aeronaves F-22 Raptor e F-35 JSF, respectivamente.

Por seu turno a General Electric está mais concentrada no conceito do motor baseado num ciclo termodinâmico variável. Neste âmbito já se realizaram ensaios com um veículo demonstrador e cujos resultados estão a ser incorporados  no motor F136 que é o motor alternativo para o F-35 JSF.

 

Fontes: Traduzido e adaptado de Avion, Janeiro 2003, pág. 68 - 72

               Pesquisa Eagles Gate News     

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