PROPULSÃO I. Prof. José Eduardo Mautone Barros JEMB Prancha 1

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1 PROPULSÃO I Prof. José Eduardo Mautone Barros mautone@demec.ufmg.br JEMB Prancha 1

2 Definição PROPULSÃO É o ato de colocar um corpo em movimento através de uma força propulsora criada a partir de uma carga propelente que pode ser sólida, fluida ou radiante. Categoria Aspirada (air-breathing) Autônoma (non-air-breathing) 2012 JEMB Prancha 2

3 Princípio Básico PROPULSÃO Lei de ação e reação de Newton (3ª Lei de Newton) 2012 JEMB Prancha 3

4 PROPULSÃO Conservação de Momento Linear F + P = SC Vρ V. n da + t VC ρvdv 2012 JEMB Prancha 4

5 PROPULSÃO Conservação de Momento Linear 2012 JEMB Prancha 5

6 PROPULSÃO Conservação de Momento Linear Força Propulsiva não instalada Tração ou Empuxo (Thrust) [N ou kgf ou lbf] T NInst = m 9 V 9 m 0 V 0 + P 9 P 0 A 9 Força Propulsiva instalada A força de arrasto se refere ao arrasto de atrito (D) da nacele do motor com a atmosfera T Inst = T NInst D nacele 2012 JEMB Prancha 6

7 PROPULSÃO Eficiência Propulsiva (η p ) É a razão entre a potência propulsiva (tração versus velocidade da aeronave) pela potência total do motor. TV 0 η p = W motor A potência total do motor é dada pelo aumento de energia cinética do propelente ao passar pelo motor. W motor = 1 2 m 0 + m f V 9 2 m 0 V 0 2 Para o motor foguete, ou seja, propulsão autônoma: m 0 é zero e m f é a vazão mássica de propelente. m f é a vazão mássica de combustível usada JEMB Prancha 7

8 PROPULSÃO Eficiência Propulsiva (η p ) Considerando que a vazão de combustível é muito menor que a vazão de ar aspirado e desprezando o arrasto de atrito e de pressão, temos, η p = Para o motor foguete, 2 V 9 V o + 1 η p = 2 V 9 V o JEMB Prancha 8

9 Eficiência Propulsiva PROPULSÃO Eficiência Propulsiva (η p ) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Motor a Hélice Turbohélice Turbojato Estatojato Estatojato Supersônico Foguete 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 No. Mach 2012 JEMB Prancha 10

10 PROPULSÃO Eficiência Térmica (η T ) É a razão entre a potência total do motor e a energia cedida pelo combustível usado Eficiência Global η T = W motor m f Δh f A potência propulsiva da aeronave pela energia cedida pelo combustível usado η O = η T η P 2012 JEMB Prancha 11

11 PROPULSÃO Consumo Específico de Combustível (S NInst ) É a razão entre a vazão mássica de combustível e a tração (instalada ou não instalada) S NInst = m f T NInst Também é referido como TSFC (thrust specific fuel consumption) 2012 JEMB Prancha 12

12 PROPULSÃO Impulso Específico (I sp ) É a razão entre a tração e o peso de combustível ejetado do motor por unidade de tempo. I sp = T m f g [s] 2012 JEMB Prancha 13

13 Impulso Específico (I sp ) 2012 JEMB Prancha 14

14 Impulso Específico (I sp ) 2012 JEMB Prancha 15

15 Limites pela Altitude PROPULSÃO 2012 JEMB Prancha 16

16 PROPULSÃO Métrica de Gabriellivon Kármán Potência de Tração Específica = (Potência/( Peso bruto*velocidade Máxima) 2012 JEMB Prancha 17

17 PROPULSÃO Métrica de Gabrielli-von Kármán Potência de Tração Específica = (Potência/(Peso bruto*velocidade Máxima) 2012 JEMB Prancha 18

18 PROPULSÃO Métrica de Gabrielli-von Kármán Potência de Tração Específica = (Potência/(Peso bruto*velocidade Máxima) 2012 JEMB Prancha 19

19 Tipos de Motores Motor a Hélice Turbo-hélice 2012 JEMB Prancha 20

20 Tipos de Motores Turbofan Propfan Embraer CBA JEMB Prancha 21

21 Pulsojato Tipos de Motores Turbojato Estatojato (RAMjet) 2012 JEMB Prancha 22

22 Motor Foguete Tipos de Motores Estatojato Supersônico (SCRAMjet) 2012 JEMB Prancha 23

23 Tipos de Motores Turboestatojato Estatojato Supersônico Foguete RISCRAM jet rocket ignited SCRAM jet Turbo Estatojato Ignitado a Foguete 2012 JEMB Prancha 24

24 Exercícios 1) Deduzir a expressão para eficiência propulsiva apresentada na prancha 8 para motores de propulsão aspirada. 2) Reproduzir o gráfico de eficiência propulsiva apresentado para diversos tipos de motores (prancha 9). Descrever as hipóteses necessárias para construir a curva de cada motor. Acrescentar um curva para motores turbofan. 3) Proponha uma definição normalizada, com valores entre 0 e 1, de eficiência propulsiva aplicável a motores foguetes JEMB Prancha 25

25 Exercícios 4) Explicar o gráfico Gabrielli-Kármán para avaliação de eficiência do transporte de passageiros e cargas. Usar como base o artigo What Price Speed Revisited (ver a revista Ingenia). Colocar ao menos um ponto no gráfico para os dirigíveis atuais e explicar o que implica a sua posição no diagrama, em termos de eficiência em transporte (ver artigo de Joseph Dick, de 27 de Maio de 2011, na Scientific America). Por que o tempo de imobilização da carga durante o transporte é um fator importante a ser considerado? 2012 JEMB Prancha 27

26 Exercícios 5) Usando a linha Gabrielli-Kármán qual seria o valor da potência de tração específica necessária para um avião com motor SCRAMJET voando a 12 Mach? Considere a velocidade do som a 50 km de altitude (330 m/s). Qual seria a vantagem deste tipo de veículo? 2012 JEMB Prancha 28

27 Bibliografia MATTINGLY, J. D. Elements of Gas Turbine Propulsion. New York: MCGraw-Hill, p. ROLLS-ROYCE. The Jet Engine. Derby: The Technical Publications Department, Rolls-Royce plc, p. HOUGHTON, E. L. et CARPENTER, P. W. Aerodynamics for Engineering Students. New York: John Wiley & Sons, ed. 515p. GABRIELLI, G. et VON KARMAN, T. What Price Speed?. Journal of the Americam Society for Naval Engineers. New York: Van Wiley. vol pp doi /j tb02891.x (Reimpressão do artigo original na Mechanical Engineering, 1950) YONG J., SMITH R., HATANO L. et HILIMANSEN S. What Price Speed Revisited. London: Ingenia. n. 22. mar JEMB Prancha 29

28 Bibliografia DICK J. Helium Hokum: Why Airships Will Never Be Part of Our Transportation Infrastructure. <htpp:/ publicado em 27 de Maio de 2011, Blog da Scientific American JEMB Prancha 30