Turbinas a Gás

Turbinas a gás são amplamente empregadas na propulsão de aviões e outros tipos de aeronaves. Isto se deve principalmente à característica de alta densidade de potência, em relação a outras máquinas como motores de combustão interna. Ou seja, as turbinas a gás geram maiores potências comparadas a máquinas de mesmo peso, o que é vantajoso, uma vez que a redução do peso (melhor relação peso-potência) das aeronaves acarreta em maior eficiência e capacidade de carga.

As turbinas a gás possuem três regiões principais que são o compressor, a câmara de combustão e a turbina. Esta configuração é a forma para um ciclo termodinâmico a gás, no qual o modelo ideal é o Ciclo Brayton. O conjunto opera em um ciclo aberto, no qual o fluido de trabalho é admitido na pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são carregados de volta na atmosfera sem que retornem à admissão.

As principais turbinas a gás são Turbojato, Turbofan e Turboélice.

Turbojato

O turbojato produz uma potência que comanda o compressor. O gás que deixa o bocal de saída em alta pressão e temperatura é expandido para a atmosfera em uma tubeira propulsora, que produz um jato de gás.

Considerando a seguinte situação para o turbojato:

O empuxo no turbojato é dado pela expressão:

Onde F é o empuxo produzido, m0 é a massa de entrada, me é a massa de saída, V0 é a velocidade de entrada e Ve é a velocidade de saída. Como as velocidades são sempre em relação à velocidade da aeronave, considerando o ar parado, a velocidade V0 é a própria velocidade da aeronave.

A potência propulsiva desenvolvida pelo empuxo na turbina é dada por:

Turbofan

No turbofan, há o compressões(ou chamado de fan), que é comandado por uma turbina de baixa. O fan é o que caracteriza o turbofan. O turbofan possui dois fluxos de ar. O fluxo que passa por dentro da turbina e o fluxo fora da turbina. No final os dois fluxos se juntam na saída gerando a propulsão.

Considerando a seguinte situação para o turbofan:

O empuxo gerado pelo turbofan é dado por:

Onde m0 é a massa total de ar que entra, mc é a massa de ar que entra no compressor, mf é a massa de ar que não passa pelo compressor, me é a massa de saída, V0 é a velocidade de entrada, Ve é a velocidade de saída, Vf é a velocidade do fluxo de ar no fan.

A potência propulsiva desenvolvida pelo empuxo na turbina é dada por:

Outro fator importante para o turbofan é a eficiência propulsiva. Ela é calculada a partir dos valores de potência propulsiva e potência cinética entregue ao escoamento.

Para o turbofan ela é dada por:

Turboélice

A turboélice é usada para velocidades menores. Ela é uma combinação de hélice e jato de exaustão e fornece a melhor eficiência propulsiva.

Considerando a seguinte situação para a turboélice:

O empuxo gerado pelo turbofan é dado por:

Onde m0 é a massa total de ar que entra, mc é a massa de ar que entra no compressor, me é a massa de saída, V0 é a velocidade de entrada, Ve é a velocidade de saída, V1 é a velocidade do fluxo de ar que sai da hélice.

A potência propulsiva desenvolvida pelo empuxo na turbina é dada por:

Da mesma forma que o turbofan, o turboélice também possui uma eficiência propulsiva, que é dada por: