Modelagem termodinâmica e análise de exergia de turbinas a gás aplicadas à propulsão aeronáutica

Abstract

A importância que os motores a jato tiveram no desenvolvimento da nossa sociedade global a partir da segunda metade do século XX e mais recentemente é inegável, a medida em que impulsionou definitivamente uma revolução no setor de aviação. Por isso, o trabalho apresentado busca revisar e aprofundar os conceitos termodinâmicos usados no projeto destes motores, prin- cipalmente os utilizados na aviação moderna, destacando os principais parâmetros de operação que influenciam diretamente no desempenho destes sistemas. Para a modelagem matemática do ciclo termodinâmico, foram considerados quatro diferentes tipos de unidades de potência e arranjos mecânicos empregados: Turbojatos, Turbofans e turboélices. Em seguida, a análise termodinâmica de turbinas a gás aeronáuticas é examinada de forma detalhada, utilizando ferramentas familiares a uma audiência a nível de graduação. Tais quais balanços de energia e massa e relações isentrópicas entre pressão e temperatura. Já o conceito de eficiência politrópica é introduzido e utilizado como forma de simplificar as equações de governo utilizadas para descrever os processos de compressão e expansão. Assim como balanços de energia são utilizados para levar em consideração o escoamento dos gases e efeitos do aquecimento pela queima de combustíveis. A partir dessas técnicas, os componentes básicos são modelados do que é chamado o gerador de gás e, a partir dele, modelos computacionais são construídos para uma variedade de motores. A análise de exergia é introduzida como uma forma de possibilitar a contabilização de desperdícios, a medida que revela o potencial de trabalho máximo do sistema e de cada componente, possibilitando o projeto de turbinas mais eficientes. Finalmente, resultados de como os principais parâmetros de performance são afetados em cada ciclo por fatores como razão de compressão, Temperatura de entrada da Turbina e razão de bypass foram obtidos para ciclos genéricos, assim como resultados do desperdício em cada componente. Os resultados dos modelos numéricos foram então comparados com os resultados obtidos no software comercial GasTurb para um motor real, onde um erro relativo máximo de 8,84% foi obtido o consumo específico de combustível para motores turbojatos, enquanto que um erro máximo de 5,92% foi obtido para a eficiência de propulsão para motores turbofan