Por que o turbojato substituiu o motor a pistão?

Mais duas razões pelas quais a turbina a gás suplantou o motor a pistão para uso em aeronaves:

Potência de saída. Os motores de pistão de aeronaves têm um limite prático de quanto de energia podem produzir antes de se tornarem ineficientes. Isso funcionou em torno de 3000hp. Dois dos maiores e mais potentes motores de aeronaves a pistão que também eram confiáveis o suficiente para o uso de aeronaves são os Napier Saber e P & W R4360 , por volta de 3000hp, desenvolvido no final da Segunda Guerra Mundial. Sim, mais potência foi obtida de motores a pistão em veículos terrestres, mas eles são motores de corrida cuja confiabilidade é muito baixa para uso em aeronaves, ou são muito pesados para uso em aeronaves, como os motores diesel 20k + HP que navios de cruzeiro de energia.

Turbinas a gás não têm esses limites, um fator que contribui é a falta de uma ação recíproca. Com um motor a pistão, cada curso completo faz com que o pistão se acelere até a velocidade máxima, depois parando e acelerando na direção oposta ... duas vezes. As turbinas a gás que apenas giram podem se tornar substancialmente maiores, ao mesmo tempo em que mantêm a confiabilidade e a eficiência que o uso da aeronave exige.

Além disso, as turbinas a gás tendem a ter uma relação de potência / peso muito alta, tornando-as ideais para o uso de aeronaves de grande porte, onde o peso é muito importante.

Igualar a HP ao impulso não é simples, já que a HP é energia bruta, enquanto o empuxo inclui altitude, velocidade e eficiência da hélice / ventilador.

Um exemplo simplificado foi publicado em Aerospaceweb :

Luckily, we do have access to data from a NASA report that does provide all the data we need to illustrate a sample case. The data is provided for a Boeing 747-200 cruising at Mach 0.9 at 40,000 ft (12,190 m). In this example, the aircraft's engines produce 55,145 lb (245,295 N) of thrust, only a quarter of its rated static thrust, to cruise at a velocity of 871 ft/s (265 m/s). Using the equations provided above, we calculate the power generated by the 747 to be 87,325 hp (65,100 kW).

Usando esse exemplo muito simplificado, um GE90 produzindo 115.000 libras de empuxo estaria colocando o equivalente a cerca de 160.000 cavalos de potência.

Além disso, os requisitos de manutenção em turbinas a gás são substancialmente menores, especialmente para os motores de alta potência. Por exemplo, os turbofans muito grandes da série RR Trent têm um TBO ( Tempo entre revisões ) de cerca de 15.000 horas. Nos grandes motores de pistão, como o R4360, o TBO era mais de 1500 horas, e os motores de pistão muito grandes, especialmente os motores radiais, tinham um apetite prodigioso para o óleo do motor. Além disso, a manutenção intermediária nos motores de pistão que as turbinas a gás não precisam, como a troca de velas de ignição, teve que ser feita com frequência. O Convair B36, que tinha seis R4360, exigiu 336 velas de ignição. Não é algo que você poderia fazer em sua garagem em uma hora.

Parte da confiabilidade da turbina a gás vem da falta de vibração. Motores de pistão grandes, com sua ação recíproca, tendem a vibrar muito, o que reduz a vida útil do motor e dos componentes auxiliares, como bombas de combustível e cabos de vela.

Assim, não só o turbojato, o turbocompressor e o turbofan possibilitaram aeronaves que não seriam práticas com motores de pistão, como aviões de grande porte voando a 30k + pés, mas também reduziam o custo de manutenção e a freqüência de manutenção substancialmente.

Existe uma área onde o motor de pistão para uso de aeronaves ainda é a melhor solução, e é quando o motor fica pequeno, abaixo de cerca de 500hp. Turbinas a gás não diminuem muito bem. Os pequenos não são eficientes em termos de combustível, nem o custo fica substancialmente mais baixo.

Como exemplo disso, considere um dos meus devaneios de estimação - um helicóptero Mosquito de assento único. Além da versão ultraleve, duas versões com motores maiores (e exigindo uma licença de helicóptero da FAA) são feitas, o XE285, com um motor snowmobile de 85cv, e o XET com um motor de turbina a gás de 90cv derivado de um gerador de energia reserva. O motor a pistão é vendido por talvez 2k USD e queima em torno de 5gph, enquanto a turbina a gás é vendida por 10k e queima 8,5 gph.

    

Existem vários benefícios:

• os motores de pistão são os melhores para impulsionar hélices. Na mesma potência do cavalo do eixo $ P $, o impulso da hélice $ T $ varia com o inverso da velocidade do ar $ v $: ($ T_ {Prop} = \ frac {P} {v} $). Isso significa que o requisito de potência para manter uma aeronave acionada por pistão voando aumentará com a terceira potência da velocidade do ar em alta velocidade. Para voar 50 m / s mais rápido, uma aeronave com uma velocidade máxima de 200 m / s precisará de um motor de quase o dobro da potência (195%, para ser preciso). Um turbojato, por outro lado, tem um impulso quase constante sobre a velocidade na faixa subsônica, então $ T_ {jet} = const. $

• Os turbojatos podem fazer melhor uso de pré-compressão em alta velocidade. A energia cinética do fluxo de ar pode ser usada para comprimir o ar, mesmo antes da entrada. Com Mach 0,8, isso gera 50% mais pressão de ar em relação ao ar ambiente do que em condições estáticas.

Especialmente importante para a aviação militar: os jatos iniciais custam apenas um quarto de um motor a pistão de alto desempenho para construir em termos de horas-homem. Isso oferecia uma produtividade muito melhor em tempo de guerra, onde a mão-de-obra disponível era um sério gargalo. Um único Jumo-004B precisava de apenas 375 horas para ser construído:

De Wikipedia :

Costing RM10,000 for materials, the Jumo 004 also proved somewhat cheaper than the competing BMW 003, which was RM12,000, and cheaper than the Junkers 213 piston engine, which was RM35,000. Moreover, the jets used lower-skill labor and needed only 375 hours to complete (including manufacture, assembly, and shipping), compared to 1,400 for the BMW 801.

O primeiro ponto realmente é o mais importante, e se traduz em um desempenho de altitude muito melhor, porque o turbojato é, em essência, um grande turbo-compressor com um processo de combustão contínua em seu centro que produz impulso por ejetar ar em alta velocidade diretamente para trás, em vez de passar pela complicação de acelerar o ar girando as asas. Isso deu aos aviões a jato em alta altitude (onde os bombardeiros e, conseqüentemente, a ação era) uma vantagem de velocidade e subida - eles poderiam interromper o combate à vontade, e sua velocidade era tão alta que as torres de bombardeiros não poderiam segui-los. quando eles voaram através de uma formação de bombardeiros. Aeronave de reconhecimento a propulsão a jato poderia voar ileso sobre o território inimigo, pois nenhuma aeronave movida a pistão poderia interceptá-los.

O Gloster E28 / 39 era apenas um demonstrador - se você quiser uma comparação realista, faça-o entre o Grumman F7F e o Messerschmitt 262A , que pode chegar a 560 MPH, 100 a mais do que o F7F, e até chegou a 600 MPH em uma versão especial com um dossel de baixa resistência.

Com relação à altitude: se você adicionar turbo e supercharging suficientes ao mecanismo, um design de baixa velocidade pode alcançar uma maior altitudes que a maioria dos jatos subsônicos, mas seria pouco prático como um avião de combate. Em uso civil, um .

    

Mais um ponto que ainda não mencionei: o combustível que eles queimam.

A maioria dos motores de pistão queima gasolina, o que requer um grande refinamento. Os motores de aviação geralmente exigem gasolina com índices muito altos de octanagem (normalmente pelo menos 100), o que ainda é mais caro do que a gasolina de baixa octanagem usada na maioria dos automóveis. A exigência de petróleo bruto de alta qualidade foi (por exemplo) a razão pela qual a guerra no norte da África foi tão importante durante a Segunda Guerra Mundial.

O combustível para aviões, pelo contrário, é muito parecido com querosene ou combustível diesel. É necessário algum refinamento para obter do petróleo bruto para o combustível de aviação, mas o processo é mais simples, e a qualidade do petróleo bruto necessária também não é tão alta. Como resultado, o maior volume de combustível de aviação queimado é largamente compensado pelo menor custo para um determinado volume, e pela maior facilidade de obtenção de petróleo bruto com a qualidade requerida.

É possível alimentar uma aeronave com um motor a diesel. No período de tempo em questão (por volta do final da Segunda Guerra Mundial), os únicos motores Diesel práticos para as aeronaves eram os Jumos. De certa forma, um Diesel oferece o melhor dos dois mundos - um consumo de combustível relativamente baixo (ainda mais baixo que os motores a gasolina em geral) e a capacidade de usar combustível relativamente baixo. Existem, no entanto, algumas desvantagens importantes. O primeiro é peso simples. Um Diesel normalmente tem uma taxa de compressão muito maior do que um motor a gasolina, por isso tem que ser muito mais strong para suportar as pressões mais altas envolvidas. A segunda é que algumas partes dos motores Diesel (especialmente os injetores de combustível) requerem uma usinagem muito mais precisa do que praticamente qualquer parte de um motor a gasolina. Isso significa que um motor a diesel de uma determinada capacidade tende a ser substancialmente mais caro do que um motor a gasolina com a mesma capacidade.

Portanto, para o Diesels fazer sentido, você precisa usá-los para uma aeronave de longo alcance - especificamente, com alcance suficiente para que a economia de combustível supere (literalmente) o peso extra do motor. Em segundo lugar, dada a dificuldade de fabricação, você provavelmente deseja restringi-las a um número relativamente pequeno de aeronaves. Então, se você quisesse alguns bombardeiros de longo alcance (por exemplo), eles poderiam fazer sentido. Para os lutadores (de curto alcance, relativamente dispensáveis), eles provavelmente teriam muito menos sentido.