As diferentes maneiras de se medir a capacidade de um motor aeronáutico de gerar movimento
As máquinas começaram a substituir o trabalho pesado realizado por animais em lavouras, cidades e indústrias somente em meados do século 18. Havia grande ceticismo quanto à capacidade de o motor a vapor – proeminente tecnologia da época – substituir a força e a versatilidade de equinos e bovinos em tarefas rotineiras.
Contudo, apesar da descrença de alguns e da resistência de outros, o inventor escocês James Watt estava decidido a assegurar o sucesso comercial de seu principal invento: o motor a vapor de Watt-Boulton.
Concebido a partir da “máquina atmosférica” de Thomas Newcomen (1663-1729), que usava o vapor para impulsionar um êmbolo (pistão) através de um cilindro e mover uma alavanca capaz de bombear a água de minas de carvão inundadas, o motor de Watt-Boulton, com base em melhorias de design, desenvolvia as mesmas tarefas de seu predecessor, mas em menor tempo e com menos gasto de energia. Comprovado o bom desempenho produtivo do equipamento, restava a seus inventores vencer a desconfiança de potenciais compradores.
Para Watt, restou comparar a eficiência de seu motor com a de outro meio de produção que industriais e fazendeiros conheciam bem, os cavalos. Uma vez que cada cavalo era capaz de produzir certa força por determinada unidade de tempo, o escocês procurou demonstrar uma estimativa teórica da intensidade dessa força. Essa mensuração, feita a partir de experimentos, concluiu que um cavalo era capaz de levantar 75 quilos a um metro de altura, em um segundo. A essa relação, Watt deu o nome de horsepower (hp). Estava, então, cunhada a expressão “cavalo de potência” como forma de mensuração dessa grandeza física, que representa, justamente, a rapidez com que se realiza um trabalho.
Nos motores a vapor, o sistema usa partículas gasosas de água para deslocar um pistão, que se move dentro de um cilindro. A energia desse pistão migra para uma biela (haste articulada, formada por duas peças móveis, através da qual se transfere o movimento de uma para a outra), convertendo a energia oriunda do vapor d’água em força motriz.
Com patente registrada no final do século 18, o invento de Watt se tornou um dos principais responsáveis pelo advento da chamada Revolução Industrial. Ele proporcionou significativas melhorias nos processos de manufatura ocorridos na época e encontrou uso em diversas aplicações: bombas de água em fazendas, minas e indústrias, movimentação de equipamentos de tecelagem, melhoria do processo metalúrgico por bombeamento de ar e, finalmente, motores de locomotivas e embarcações.
James Watt viveu até 1819 e desenvolveu diversos outros trabalhos em favor da Ciência. Como justa homenagem às suas contribuições, o Sistema Internacional de Unidades e Medidas (hoje conhecido apenas pela sigla SI) chamou de “watt” a produção de um joule de trabalho por segundo, para medir energia mecânica e térmica, como se vê em lâmpadas e eletrodomésticos modernos, por exemplo.
Todavia, mesmo não compondo unidades de medida da época, o cavalo de potência foi mais um dos legados de Watt, pois passou a ser utilizado como termo técnico para representar a potência de um motor a pistão. Assim, no princípio do século 20, os primeiros motores aplicados em aviação foram desenvolvidos tendo como base a demanda por cavalos de potência, permanecendo dessa forma até a atualidade.
A potência nominal de um motor a pistão, raramente, corresponde à potência, de fato, entregue em voo. Essa diferença se deve a dois fatores. O primeiro deles tem relação com a altitude e a pressão. Quanto menor a densidade do ar, menor será a potência desenvolvida pelo motor, ainda que haja uma rotação constante (figura 1).
O segundo fator é a perda de potência ocorrida por atrito entre as partes do próprio motor, o que envolve os pistões, o virabrequim e a hélice. O virabrequim é o eixo interligado às bielas, que torna possível a transformação do movimento alternado dos pistões de um motor a explosão de avião em movimento de rotação das hélices. A perda de potência ocorre em dois segmentos: entre os pistões e o virabrequim e entre o virabrequim e a hélice.
Descontada a perda de energia entre o pistão e o virabrequim (dissipada em forma, principalmente, de calor), tem-se a medida de potência brake horsepower, ou BHP (figura 2). Contabilizando a perda entre virabrequim e hélice, os engenheiros adotaram como unidade de medição o thrust horsepower, ou THP (algo como potência de impulso).
Ou seja, a THP contabiliza as perdas advindas do recuo da hélice e corresponde à potência utilizável pela aeronave – a potência que fica disponível para a produção de empuxo (figura 3).
Os chamados motores turbo-hélice possuem um processo de admissão, queima e exaustão mais semelhante ao mecanismo de motores a jato do que ao sistema de motores a pistão. Porém, os turbo-hélice também sofrem com o extravio de potência por atrito, em dois segmentos.
Primeiro, há a perda entre o eixo da turbina e o eixo da hélice, que já está computada na medida shaft horsepower ou shp, correspondente à potência no eixo (figura 4). Há, ainda, perda do recuo da hélice, similar à que ocorre nas aeronaves a pistão.
A adoção de eixos independentes entre motor e hélice se faz necessária por uma questão mecânica. Em razão da elevadíssima velocidade de giro do eixo da turbina, seria impraticável conectá-la a uma hélice. Se isso fosse feito, em uma situação hipotética, a hélice não geraria eficiência propulsiva nem teria resistência para suportar as altas cargas estruturais às quais seria submetida. Portanto, nesse tipo de motor, um conjunto de engrenagens faz com que a velocidade de giro do eixo da hélice seja substancialmente inferior à velocidade de giro do eixo da turbina – em motores turbo-hélice de uso civil, o eixo da hélice gira a velocidades 10 a 20 vezes menores do que a velocidade de giro do eixo da turbina. Medida então no eixo da hélice, a shp já contabiliza as perdas de eficiência advindas das engrenagens de redução.
Na prática, a potência de um motor se mostra decisiva na medição de sua capacidade em girar uma hélice de forma eficiente.
Portanto, uma vez que a eficiência no giro da hélice é uma variável importante na produção de empuxo, uma forma introdutória para se compreender a diferença entre potência e empuxo é fazer um comparativo usando diferentes hélices de passo fixo (o passo se refere ao ângulo das pás em relação ao cubo motorizado de uma hélice).
Considere um motor com a mesma potência nominal (por exemplo, 200 hp) e instale três hélices com passo ou diâmetro diferentes: os empuxos produzidos por esses três conjuntos hélice-motor serão diferentes.
Essa diferença explica por que turbo-hélices e aviões a pistão mais avançadas fazem uso de hélices com passo variável. O objetivo é tornar a produção de empuxo mais eficiente, de acordo com os diferentes regimes de utilização do conjunto hélice-motor. Também em busca de maior eficiência, alguns grupos motopropulsores fazem uso de hélices em que se verificam passos e tamanhos de cordas diferentes.
Ainda assim, há uma explicação baseada em conceitos físicos para a diferença entre potência e empuxo, uma vez que são duas grandezas distintas. A potência é a capacidade de um motor de transferir energia em uma dada unidade de tempo.
Como exemplo, verifica-se que os manuais de aeronaves trazem a potência (em hp) em função de uma determinada rotação (RPM). Já o empuxo corresponde à força capaz de alterar a velocidade de um objeto com uma massa qualquer.
Na aviação, a medida mais comum de empuxo é a libra-força (pound-force ou LBf), mas o quilograma-força e o EPR (medida percentual entre a pressão dos gases de escape em relação à pressão dos gases de escapamento) também são largamente utilizados.
Mas o que altera a inércia de um corpo, fruto do fenômeno de ação e reação? O empuxo resulta da aceleração de uma massa de ar, que, por ser uma força, pode ser decomposta em vetores com direção e módulo. Tratando-se, portanto, de grandezas diferentes, deve-se evitar a comparação entre potência e empuxo. Nos jatos, o próprio motor produz o empuxo, aos expelir os gases de exaustão, empurrando o ar para trás e projetando a aeronave para frente. Enquanto isso, os motores a pistão e turbo-hélice geram empuxo não pelo motor, mas, sim, pela hélice – que giram e, dependendo de sua configuração, empurram ou puxam o ar, produzindo um efeito invertido no avião (de propulsão ou tração). Essa diferença pode ser expressa conceitualmente (figura 6).
No motor a jato, o próprio funcionamento do motor gera aceleração de fluxo de ar, valendo-se de propriedades formuladas pela lei de transformação isovolumétrica de Gay-Lussac: como o volume da câmara de combustão é constante, a queima da mistura ar-combustível eleva significativamente a temperatura e aumenta a pressão dos gases. Essa alta pressão tem força suficiente para girar a turbina e, finalmente, produzir propulsão.
Já nos motores a hélice, o funcionamento do motor promove apenas o giro do eixo de manivelas (no caso dos motores a pistão) ou o giro do eixo da turbina e, por meio das engrenagens, o eixo da hélice (conforme mostra a figura). Com isso, nos motores turbo-hélice é possível produzir empuxo tanto pela hélice (em torno de 90% da capacidade propulsiva) como pelos gases de escapamento (10% da capacidade propulsiva).
Independentemente de como é gerado (por hélice ou motor a reação), o empuxo será dado pelo produto entre a massa de ar movimentada pelo propulsor (a hélice ou o jato) e a diferença da velocidade entre o ar movimentado e o vento relativo.
Matematicamente, a notação do empuxo é dada por esta equação: T = v × (∂m÷∂t), em que T é o empuxo, v é a velocidade do ar propelido em relação ao ar da aeronave (vento relativo) e ∂m÷∂t é a taxa de fluxo de massa de ar em relação ao tempo.
A partir dessa fórmula é possível traçar duas estratégias para incrementar o empuxo: a primeira é aumentando a massa de ar acelerada em relação ao vento relativo, como ocorre em aeronaves a hélice e em aeronaves turbofan, e a segunda é acelerando bastante a massa de ar em relação ao vento relativo, como ocorre em aeronaves turbojato e em aplicações supersônicas, como mísseis e foguetes.
Mais um aspecto a se considerar em relação à diferença entre aeronaves a jato e a hélice é a capacidade de produzir empuxo.
Conforme demonstram os gráficos (figura 7), em que ∆V representa a diferença entre a velocidade do ar propelido e a velocidade do vento relativo e T representa o empuxo, nas aeronaves a jato, o empuxo é praticamente constante, demonstrando não haver perdas de eficiência a grandes velocidades. Já as aeronaves a hélice experimentam grandes perdas de eficiência a altas velocidades, sobretudo quando as pontas das pás giram a velocidades próximas à do som.
Assim como as aeronaves de asa fixa, os helicópteros também fazem uso de motores a pistão ou turbinas a gás, que experimentam o mesmo tipo de perdas de potência que os motores de avião (sendo aplicáveis, também, aos helicópteros os conceitos de bhp e shp).
Nos helicópteros, os motores a turbina recebem o nome de turboshaft, com princípio de funcionamento similar ao dos motores turbo-hélice.
A diferença é que há uma conexão mecânica entre a turbina de alta pressão e a turbina de baixa pressão (também chamada de turbina de potência). A turbina de baixa pressão está, portanto, em um eixo distinto daquele onde fica a turbina de alta pressão, o que possibilita a característica de “giro livre”.
Seja qual for o funcionamento do motor (turbina ou pistão), é sempre necessário reduzir o giro do eixo de potência para os rotores (principal e de cauda), que giram a velocidades substancialmente inferiores às do eixo de potência do motor.
Em função da necessidade de giro do motor para os rotores, as engrenagens de transmissão dos helicópteros vão exercer relevantes funções: uma delas é, justamente, a redução das rotações (rpm) dos motores (pistão ou turboshaft) para os rotores, transmitindo o empuxo por eles gerado para a aeronave.
No caso dos helicópteros com motores horizontais (que, hoje, são absoluta maioria), a transmissão possibilita ainda a mudança da direção de rotação da horizontal (no eixo do motor) para a vertical (no eixo do rotor).
Tanto o rotor de cauda como o rotor principal produzem empuxo, mas com direção das forças vetoriais diferentes.
O empuxo do rotor de cauda tem a função de evitar que o helicóptero rotacione no sentido oposto à do giro do rotor principal. O empuxo do rotor principal, que tem sua direção vetorial determinada pela torção do disco do rotor, é responsável pela aceleração da aeronave.
Em suma, empuxo e potência são grandezas físicas de naturezas diferentes e, por isso, apesar de estarem relacionadas, dificilmente, são comparáveis. Tanto motores a pistão como turbo-hélices incorrem em perdas de eficiência internas pela estrutura do motor e em função da hélice. Motores a reação também. Em alguma medida, há perdas de eficiência propulsiva para girar os conjuntos de turbina e compressor. O empuxo gerado pelo grupo motopropulsor dependerá do volume de ar movimentado e da aceleração desse ar.
Aeronaves a hélice e a reação têm características propulsivas distintas, a depender do regime de velocidade. Nos helicópteros, a transmissão exerce uma função primordial na transferência de potência do motor para os rotores que, por sua vez, produzem o empuxo nesse tipo de aeronave.
Por Francisco Augusto Costa*
Publicado em 18/08/2023, às 13h30
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