Pratt & Whitney R4360: um gigantesco motor radial de 28 cilindros

Nos anos finais da Segunda Guerra Mundial, a indústria aeronáutica norte americana lançava, quase diariamente, novos modelos de aeronaves, motores e componentes, para atender as necessidades militares.

Motor Pratt & Whitney R4360, de 28 cilindros

Os militares sempre estavam pedindo aeronaves com maior velocidade, maior alcance, maior capacidade de armas, e um dos problemas em se conseguir isso estava nos motores. Os americanos sempre preferiram usar motores radiais, refrigerados a ar, em suas aeronaves mais potentes, tanto que, durante toda a Guerra, apenas dois motores em "V", resfriados a líquido, tiveram grande uso em combate.

Motor completo sendo embarcado em um Douglas C-124

De fato, os motores radiais tinham grandes vantagens, como sua excelente relação peso-potência e sua confiabilidade em serviço. Por outro lado, tinham como desvantagens óbvias sua grande área frontal e o grande consumo de óleo lubrificante.

Motores do Boeing KC-97

A grande maioria dos motores radiais em uso pelos americanos no final da Guerra eram configurados em uma estrela de 9 cilindros ou duas estrelas de 7 ou 9 cilindros cada, para compor motores de 14 e 18 cilindros. Embora a tecnologia oferecesse alguns novos avanços, a maneira mais óbvia de aumentar a potência do motor seria aumentar sua cilindrada.

O aumento da cilindrada dos motores de aeronaves não podia ser ilimitado, pois um dos efeitos disso era o aumento da área frontal dos motores radiais. Os fabricantes de motores eram criativos, e ofereceram várias opções, que geralmente tinham um dos desses "defeitos", na ótica dos americanos: ou eram resfriados a líquido, ou eram sujeitos ao superaquecimento. Como já foi dito, os americanos tinham preferência pelos motores resfriados a ar.

A Pratt & Whitney, um dos maiores fornecedores de motores radiais, concebeu um novo modelo de motor radial, com 4 estrelas de 7 cilindros cada uma, perfazendo um total de 28 cilindros. Isso resolvia o problema da área frontal, mas criava outro: como refrigerar adequadamente os cilindros das estrelas traseiras?

Os engenheiros adotaram uma solução engenhosa para o problema da refrigeração: os cilindros de trás eram ligeiramente defasados em relação aos da frente, criando espaços de circulação de ar entre os cilindros de formato semi-helicoidal, o que possibilitava a refrigeração dos cilindros traseiros sem maior dificuldade.

Motor em corte, para demonstração

Obviamente, outros problemas teriam que ser resolvidos, como o sistema de ignição para os 28 cilindros e o sistema de alimentação.

O motor resultante demonstrou ser extremamente compacto para uma cilindrada tão grande, 4.362 polegadas cúbicas, ou 71,5 litros. Outra vantagem do novo motor era a sua excelente relação peso-potência, potencialmente melhor que a do excelente motor P & W R2800, até então o melhor motor radial usado em aviões de caça, e que equipava os Republic Thunderbolt e os Vought Corsair, entre outros aviões de primeira linha.

Mecânico inspecionando um R4360, o que dá idéia do tamanho do motor

O motor foi designado R4360 Wasp Major, e seus modelos iniciais produziram cerca de 3.000 HP nas bancadas de teste, com potencial para desenvolver até 3.500 Hp nos modelos de produção.

O novo motor interessou de imediato tanto os militares quanto os fabricantes de aeronaves. Na época, a Boeing produzia o mais poderoso e sofisticado bombardeiro de seu tempo, o B-29. O B-29 era um excelente avião, mas seus motores Wright R3350 deixavam muito a desejar quanto à sua confiabilidade. De fato, incêndios nesses motores destruíram o segundo protótipo do B-29 e mataram toda a sua tripulação. Durante a Guerra, os motores Wright destruíram mais B-29 que os inimigos japoneses.

Outro problema se demonstrava urgente: os B-29 podiam levar bombas nucleares, mas tais bombas tornavam-se cada vez mais pesadas e precisavam ser levadas cada vez mais longe, e um novo bombardeiro, mais potente e de maior capacidade tornava-se altamente necessário.

Corte esquemático do R4360

De fato, tão logo terminou a Segunda Guerra Mundial, em setembro de 1945, a Boeing encerrou a fabricação do B-29 e começou a desenvolver um modelo parecido, mas equipado com os novos motores R4360, designado inicialmente B-29D, mas depois redesignado Boeing B-50.

Boeing B-50

A Consolidated-Vultee (Convair) também desenhou um bombardeiro estratégico de grande alcance, com capacidade nuclear, o B-36 Peacemaker, que seria equipado com seis motores R4360.

Convair B-36 Peacemaker

Tanto o Boeing B-50 quanto o Convair B-36 constituíram a espinha dorsal da força de bombardeiros nucleares americanos durante a primeira fase da Guerra Fria, até serem substituídos pelos bombardeiros a jato Boeing B-47 Stratojet e B-52 Stratofortress.

Hughes H-4 Hercules, com 8 motores R4360

Embora alguns modelos de aeronaves de caça, como os Vought 2FG Super Corsair, chegassem a ser equipados com o R4360, o desenvolvimento dos motores a jato e o fim da Guerra impediu um uso mais intenso desses motores em caças.

Tecnicamente, o motor R4360 não apresentava grandes evoluções sobre os motores anteriores, exceção feita à disposição inédita de 4 estrelas e à enorme cilindrada. A alimentação de combustível era por carburador de injeção por pressão Bendix-Stromberg, de corpo quádruplo, e um supercharger entre o carburador e os cilindros, que além de aumentar a pressão de admissão, tinha a função de permitir uma mistura de combustível mais homogênea para todos os cilindros.

O sistema de ignição apresentava mais novidades, pois empregava 4 magnetos do tipo de baixa tensão, duplos. e uma bobina individual de alta tensão para cada uma das 56 velas de ignição.

Para absorver tamanha potência, hélices enormes tiveram que ser desenvolvidas, criando um novo problema: a velocidade de rotação das mesmas deveria ser baixa, para que as pontas das pás não chegasse à velocidades supersônicas. Para solucionar isso, uma caixa de redução de engrenagens planetárias reduzia a velocidade de 2700 RPM máximas do motor para apenas 1000 RPM da hélice, uma relação de 0,375:1.

Motor R4360 parcialmente desmontado, em museu

Os cilindros do Wasp Major eram totalmente convencionais, de 2 válvulas por cilindro, 5,75 polegadas de diâmetro por 6 polegadas de curso. A válvula de escapamento era feita de uma liga niquel-cromo denomina Inconel-M, altamente resistente ao calor. A taxa de compressão era de 6,7:1. Todos os cilindros eram intercambiáveis entre si, e eram, praticamente iguais aos cilindros utilizados no motor R2800 Double-Wasp.

cilindro do R4360

O eixo de manivelas era, obviamente, longo para um motor radial. Construído em aço forjado de alta qualidade, tinha 4 moentes e era apoiado em 5 mancais por rolamentos sólidos de aço revestidos de chumbo-prata.

Motor R4360 em corte

O eixo da hélice era apoiado em um grande rolamento sólido de bronze-chumbo para suportar as cargas radiais e um rolamento de encosto de esferas para suportar a carga de tração da hélice.

Seções do cárter e eixo de manivelas

O cárter era constituído de 10 seções, sendo as 5 seções de potência construídas em alumínio forjado e as seções dianteiras (2) e traseiras (3) construídas em liga de magnésio. Os cilindros eram fixados por parafusos passantes. A seção dianteira alojava as engrenagens de redução e o governador da hélice.

Era comum o uso de sistemas de injeção de água na decolagem, assim como em outros motores contemporâneos.

O motor tinha 2,451 metros de comprimento, sem a hélice, 1,397 metro de diâmetro e 1,35 metro quadrado de área frontal. Pesava, conforme o modelo, de 1,579 a 1.755 Kg.

Esquema do motor R4360-51VDT

O modelo mais potente produzido do Wasp Major foi o R4360-51VDT (Variable Discharge Turbine), equipado com carburador Bendix-Stromberg PR-100E2 e dois enormes turbocompressores General Eletric CHM-2. Tal motor foi construído para o Convair B-36C, mas foi instalado no YB-50C. Foi, provavelmente, o mais potente motor aeronáutico a pistão a voar, com seus 4.300 HP. O escapamento dos turbocompressores fornecia empuxo adicional.

MOtor R4360-51VDT

A despeito de ter sido projetado para uso militar, o R4360 foi utilizado em uma aeronave comercial, o Boeing 377 Stratocruiser. Esse avião era a versão civil de um transporte militar, o C-97, que por sua vez era derivado do B-29 e do B-50, com uma fuselagem de seção dupla, em formato de "8".

Boeing KC-97 Stratotanker

No uso civil, embora fosse confiável em voo, o motor deixava a desejar na questão da manutenção. Uma partida mal executada podia sujar as velas, e como havia 56 velas, o trabalho de limpeza ou substituição das mesmas podia demorar horas. A revisão geral do motor também era muito dispendiosa, e como o TBO (Time Between Overhaul) era, como a maioria dos motores da época, de apenas 600 horas, o custo operacional do Stratocruiser era alto demais. O avião não foi bem sucedido, e foi prejudicado por várias panes no grupo motopropulsor, se bem que várias dessas panes foram da hélice, não do motor.

Boeing 377 Stratocruiser

No uso militar, nos Estados Unidos, o motor permaneceu em uso até a retirada de serviço dos Boeing KC-97 Stratotanker, aviões-tanques, em 1970. Outras aeronaves que usavam o R4360, como os Fairchild C-119 e C-97 Stratofreigthers permaneceram em uso militar em outros países, ou mesmo civil (conversão de aviões militares), por muito mais tempo. Uma aeronave Vought 2FG Super Corsair, o "Race 74", matriculado NX5577N e operado como avião de corrida, voou com um motor R4360 em 18 de julho de 2011, mas teve dificuldades e aguarda resoluçao dos problemas com o motor para voltar ao voo. Outros motores podem ainda estar em uso até hoje.

Vought 2FG Super Corsair NX7755N

A Pratt & Whitney produziu um motor de 14 cilindros derivado do R4360, que era, essencialmente, um motor Wasp Major "cortado ao meio". Tal motor, designado R2180 Twin Wasp E, tinha 1.500 HP na decolagem e só foi usado em um modelo de avião, o SAAB Scandia, dos quais apenas 18 exemplares foram produzidos. O último sobrevivente desse avião está no Brasil, em Bebedouro/SP, e foi operado pela Vasp, assim como todos os outros.

Motor R2180E, um R4360 "cortado ao meio"

O motor Pratt & Whitney R4360 Wasp Major permaneceu em produção por quase 12 anos, entre 1944 e 1955, e 18.607 exemplares foram produzidos, sendo um dos últimos tipos de motores a pistão de grande potência a ser produzido, e um dos mais bem sucedidos.

Desempenho e eficiência do motor aeronáutico a pistão

Os motores a pistão de quatro tempos, utilizados nas aeronaves leves atuais, foram inventados há 135 atrás, em 1876. Antes da introdução dos motores a reação, entre as décadas de 1940 e 1950, esses motores predominavam também na aviação militar e na aviação comercial.

Motor Continental IO-520

O motor ciclo Otto, de quatro tempos, em princípio, parece um verdadeiro trambolho tecnológico. Embora aperfeiçoado, é basicamente o mesmo motor de mais de um século atrás, mas continua a ser utilizado na grande maioria dos automóveis e aeronaves leves atuais. Por que?

Para utilização aeronáutica, o motor deve ter vários requisitos essenciais. Deve ser eficiente, de baixo custo, econômico em relação ao consumo de combustível e de despesas de manutenção, confiável, durável e capaz de produzir grande potência em relação ao seu peso.

No entanto, os motores a pistão não são, de forma alguma, máquinas eficientes, pois raramente conseguem converter mais de 25 por cento da energia contida no combustível em energia mecânica. Se comparado com um motor elétrico, por exemplo, que consegue converter quase 90 por cento da energia elétrica que consomem em energia mecânica, o motor a pistão é um grande desperdiçador de energia.

O motor a pistão funciona pela expansão dos gases produzidos na queima de um combustível, convertendo assim energia química em térmica, pela combustão, e energia térmica em energia mecânica, pela expansão dos gases.

Caso não houvesse perdas nesse processo, toda a energia química contida no combustível seria convertida em energia mecânica. Mas não é isso o que acontece. A potência que poderia ser obtida pelo motor, pela queima do combustível, sem nenhuma perda, é denominada potência teórica, e é impossível de se obter, na prática.

Para começar, nenhuma queima é realmente completa, algum combustível não queimado sempre vai restar nos gases de escapamento. Em segundo lugar, grande parte da energia térmica produzida pela queima simplesmente não vai ser convertida em energia mecânica. Por fim, grande parte da energia mecânica produzida vai ser novamente convertida em energia térmica pelo atrito interno no motor, ou consumida pelo próprio motor para acionar diversos acessórios, indispensáveis ao seu funcionamento.

A energia mecânica da expansão dos gases pode ser calculada, constituindo-se na chamada potência indicada. A fórmula simplificada para esse cálculo está abaixo:

Potência Indicada = (P x L x A x N x K)

                                           33.000

Onde:

P = Pressão efetiva média indicada, em PSI;

L = Comprimento do curso do pistão, em pés ou fração;

A = Área da cabeça do pistão ou da seção reta do cilindro, em polegada quadrada;

N = Número de tempos de potência por minuto, ou seja, a RPM dividida por 2 (há um tempo motor a cada 2 voltas do eixo de manivelas);

K = Número de cilindros.

Na fórmula acima, a área do pistão multiplicada pela pressão efetiva média indicada dá a força, em libras-força, que é aplicada sobre o pistão que, multiplicada pelo curso, em pés, dá o trabalho desenvolvido em um tempo de potência, em libras.pé, o qual, por sua vez, multiplicado pelo número de tempos de potência em um minuto, nos dá a potência produzida pela expansão dos gases.

Motor Bristol Hydra, raro motor radial de 16 cilindros

Uma vez que um HP é definido como sendo a potência produzida por 33.000 libras-pé por minuto, o total de libras.pé de trabalho produzido pelos cilindros do motor deve ser dividido por 33.000 para se obter a potência indicada, em HP.

Até aí, portanto, conseguimos obter a potência da conversão de energia térmica em mecânica dentro do motor. Sem contar que boa parte do combustível não foi queimada, temos que considerar que grande parte da energia térmica produzida não se converte em energia mecânica, e que mesmo a energia mecânica dos gases expandidos não é totalmente aproveitada. Daí, pode-se deduzir que grande parte da potência teórica, entre 40 e 45 por cento, será simplesmente jogada fora, através dos gases quentes do escapamento.

A potência indicada, por sua vez, também não é totalmente aproveitada, já que uma parte dela vai ser consumida para vencer os atritos internos e para acionar acessórios, como comandos de válvulas, bombas de óleo e de combustível, magnetos, geradores e outros dispositivos.

Motor Lycoming IO-540

A potência que se consegue obter no eixo da hélice, também conhecida como potência efetiva, é medidA experimentalmente por dispositivos denominados dinamômetros. Ao se usar um dinamômetro, se obtém o torque, uma grandez vetorial da física que significa uma força multiplicada pela braço de alavanca, para fazer girar um eixo. O cálculo da potência efetiva é então definido pela fórmula:

Potência Efetiva = 2 x π x Torque x RPM

                                 33.000

Portanto, depois de se conhecer tais cálculos, pode-se imaginar meios de aumentar a potência, a economia, ou os dois fatores juntos, o que resultaria em melhor eficiência, uma tarefa nada fácil.

Na maior parte das vezes, aumentar a potência do motor vai resultar em maior consumo de combustível, o qual é desproporcional, resultando quase sempre em piora da eficiência à medida em que se aumenta a potência.

O principal fator determinante da potência, em um motor aeronáutico, é a cilindrada, que pode afetar nada menos que três variáveis da fórmula do cálculo da potência indicada (L, A, K). É um fator tão importante que a maioria dos motores aeronáuticos é designada por sua cilindrada, em polegadas cúbicas.

Motor Ranger L440, de seis cilindros

Para aumentar a cilindrada, pode-se aumentar o diâmetro dos cilindros, aumentar o curso ou aumentar o número de cilindros. Qualquer um desses fatores, no entanto, tende a aumentar o peso e o tamanho do motor, ou a sua complexidade, caso se aumente o número de cilindros. Deve-se notar que cilindros pequenos são mais eficientes que os grandes.

Motor Pratt & Whitney R4360, de 28 cilindros

Para se aumentar a pressão efetiva média, pode-se aumentar a taxa de compressão do motor que, no entanto, é limitada pela qualidade do combustível utilizado. Outra solução é aumentar a pressão de entrada, utilizando-se compressores (blowers) ou turbocompressores. Outra opção disponível é aumentar o número de válvulas, ou o tempo de abertura delas, para admitir mais ar dentro do motor. Essas soluções, no entanto, têm a tendência de reduzir o torque em baixas rotações,  e pode tornar a marcha lenta do motor irregular, pela mistura entre gases de escapamento e ar/mistura de admissão.

A taxa de compressão, que resulta da razão entre o volume total do cilindro (cilindrada mais o volume da câmara de combustão, com o pistão no ponto morto alto), e o volume da câmara de combustão, no ponto morto alto, é um dos mais importantes fatores que influem tanto na potência produzida pelo motor quanto na eficiência da queima do combustível, e por consequência, na eficiência do motor em si.  Todavia, a taxa de compressão é limitada pela qualidade do combustível utilizado pelo motor. Taxas de compressão muito elevadas acabam por provocar a detonação da mistura ar-combustível antes que a vela de ignição dê a faísca, e isso é altamente danoso para o motor: resulta não somente em perda de potência, mas também em sobrecarga de esforço nos pistões e superaquecimento da câmara, o que vai, invariavelmente, provocar danos ao motor. Pode-se usar combustíveis com melhor poder antidetonante, como gasolina aditivada com chumbo tetraetlila, ou etanol, mas, de qualquer forma, sempre vai haver um limite prático para a taxa de compressão do motor. Motores de ciclo diesel, que podem usar taxas de compressão muito mais altas, pois admitem apenas ar, são, em consequência, muito mais eficientes.

Por fim, resta o recurso de aumentar a velocidade do motor, solução muito utilizada em motocicletas, por exemplo, mas que é inconveniente para os motores aeronáuticos, por necessitar de uma pesada caixa de redução para acionar a hélice, que tem limitações aerodinâmicas de velocidade.

Dentre as poucas soluções imaginadas para reduzir a perda de potência pelo escapamento, que drena mais de 40 por cento da potência que um motor poderia produzir, estão os "Turbo Compounds". Esses dispositivos consistem em turbinas, acionadas pelos gases do escapamento, que são acopladas ao eixo de manivelas por um conversor de torque hidráulico. Tal dispositivo pode realmente aumentar a potência do motor, sem aumentar o consumo de combustível, recuperando a potência perdida no escapamento.

Motor Wright R3350TC, com um dos Turbo Compound em primeiro plano

Os Turbo-Compound, quando foram introduzidos nos motores aeronáuticos Wright R3350 TC, causaram muitos problemas, no entanto. Esses motores foram utilizados nos últimos grandes aviões comerciais de motor a pistão, os Lockheed Super Constellation e Douglas DC-7, mas a tecnologia de materiais da época não era adequada ao uso de tais dispositivos, que muitas vezes falhavam catastroficamente, geralmente por superaquecimento. Foram praticamente abandonados, em favor do uso de motores a reação, e só recentemente os Turbo Compound voltaram a ser utilizados, não em motores aeronáuticos, mas sim em motores a diesel de caminhão.

Para demonstrar as perdas de potência em um motor a pistão turbocomprimido, vamos utilizar como exemplo um dos mais eficientes motores já construídos, o Rolls-Royce Merlin da década de 1940. A despeito de ser antigo, tal motor é considerado muito eficiente até mesmo pelos padrões de hoje:

Motor Rolls-Royce Merlin

Energia química do combustível (potência teórica): 5.410 HP;

Perdas:

1) Pelo escapamento: 2.790 HP (51,6%), sendo 2540 HP (47%) perdidos sob a forma de calor e energia mecânica, e 250 HP (4,6%) de energia química desperdiçada por produção de metano e monóxido de carbono pela combustão incompleta;

2) Perdas de calor da queima através do cilindro, absorvidas pelo sistema de refrigeração e pelo óleo, ou perdidas por irradiação direta: 660 HP (17,2%);

3) Potência absorvida pelo supercharger: 60 HP (1,1%);

4) Perdas mecânicas por atrito (reconversão de energia mecânica em térmica), ou para acionamento de acessórios: 300 HP (5,6%);

Potência efetiva, medida no eixo da hélice: 1.600 HP (29,6%)

A potência efetiva, ao se converter em tração, ainda sofre perdas, por atrito, viscosidade do ar e compressibilidade na hélice, equivalentes a cerca de 20 por cento da potência efetiva nas melhores hélices. No nosso exemplo, a potência útil ou tratora equivaleria a 1.280 HP.

Os cálculos acima foram feitos para a gasolina efetivamente queimada, não considerando, portanto, o combustível que entrou no motor e não foi consumido. Quando se usa mistura rica, há grande aumento de consumo, e mesmo com o uso de mistura pobre, uma certa quantidade de gasolina não será queimada.

Mesmo considerando a baixa eficiência dos motores a pistão, esses são bem mais eficientes que os motores a reação. Como os altamente eficientes, mas pesados, motores elétricos ainda não são praticáveis na aviação, exceto para algumas pesquisas experimentais, o motor a pistão ainda é a melhor opção para as aeronaves leves.

Vale dizer que os motores de ciclo Diesel são mais eficientes que os motores ciclo Otto,  e devem ser uma boa opção para se equipar a aviação leve, no futuro próximo.

Kuznetsov NK-12: o mais poderoso motor turboélice da história

Os motores turboélices foram desenvolvidos praticamente ao mesmo tempo que os motores turbojatos, e ainda hoje são muito utilizados em aeronaves comerciais regionais, aeronaves executivas e em alguns aviões de transporte militar.

No auge do seu desenvolvimento, na década de 1950, o que tornava esses motores mais atraentes era o fato de terem um menor consumo específico que os motores turbojatos. Em contrapartida, tinham como desvantagens a maior complexidade mecânica, maior peso e as limitações aerodinâmicas das hélices.

Um motor NK-12 em um museu na Finlândia

Na antiga União Soviética, no entanto, os motores turboélices tiveram um destaque que jamais chegaram a obter no Ocidente.

Em 1945, no final da Segunda Guerra Mundial, os soviéticos capturaram, como prisioneiros de guerra, vários engenheiros e cientistas alemães envolvidos em projetos de motores a reação. Os alemães estavam muito à frente dos aliados no desenvolvimento de aeronaves e motores a jato e, de fato, foram os únicos combatentes da Segunda Guerra a utilizar tais equipamentos em missões reais durante o conflito.

Em 1946, no início da Guerra Fria, os soviéticos montaram, às margens do Volga, a 30 de Kuibyshev (no atual Oblast de Volgogrado), dois Escritórios de Projetos (Os OKB, em russo Опытное конструкторское бюро, ou Escritório de Desenho Experimental), liderados por dois projetistas alemães capturados, Scheibe (líder do OKB-1) e Prestel (líder do OKB-2).

Esses OKB eram constituídos de projetistas alemães capturados, provenientes, na maior parte, da antiga Junkers, e por soviéticos. A finalidade era desenvolver motores turbojatos derivados dos motores alemães Jumo 004 e BMW 003, os mais avançados motores aeronáuticos do seu tempo. Em 1947, os dois OKB já empregavam 2500 pessoas, incluindo 662 especialistas alemães.

A política soviética, no entanto, ditava as regras. Em dezembro de 1946, foi apresentada aos OKB um grande desafio: desenvolver um motor turboélice de grande potência.

Os soviéticos estavam preocupados, então, com os seus aviões estratégicos. O melhor desses aviões era, então, o Tupolev Tu-4, uma cópia do bombardeiro americano Boeing B-29, projetado a partir de um processo de engenharia reversa de uma aeronave americana, internada em Vladivostok durante a guerra. Mas esse avião estava sendo rapidamente superado pelos aviões americanos Convair B-36, de alcance muito maior.

Um Tupolev Tu-4 modificado

Os soviéticos também sabiam que os americanos desenvolviam bombardeiros a jato, os projetos North American XB-45, Convair XB-46 e Boeing XB-47. Todavia, muitas objeções pairavam sobre as aeronaves equipadas com turbojatos. A principal era o alcance, fundamental para se obter poder sobre os "inimigos" americanos. Os turbojatos se caracterizavam pelo enorme consumo e pela baixa eficiência, e as técnicas de reabastecimento em voo ainda eram incipientes, na época.

O uso de motores turboélices oferecia uma alternativa interessante. Mais econômicos, poderiam dar maior alcance a um bombardeiro estratégico, pelo menos 10 por cento maior que um jato, o que podia significar um alcance de 2.000 Km a mais. Os soviéticos acreditavam, também, que motores desse tipo poderiam impulsionar aeronaves velozes, que voassem racionalmente entre 600 a 900 Km/h, velocidade muito superior que a das aeronaves a pistão e praticamente equivalente à dos jatos então em desenvolvimento.

Scheibe e Prestel desenvolveram, em 1947, alguns turboélices a partir dos turbojatos Jumo 004 e BMW 003, que ficaram conhecidos como Jumo 012 e BMW 018. O requisito oficial era de que os motores oferecessem potência entre 4.000 e 4.500 HP e que pudesse impulsionar um avião a 800 Km/h.

O progresso foi rápido, depois disso. Outros modelos, como os -22, -28 e -0032S, foram criados, com potência sempre crescente. Finalmente, em 1949, os dois OKB foram fundidos para desenvolver o modelo mais promissor, o -22, agora sob a direção de Nikolay Kuznetsov, já experiente na produção de turbojatos, derivados do motor Jumo 004.

Os maiores problemas relativos aos motores turboélices foram sendo resolvidos, rapidamente. O maior desses problemas era dispor de uma hélice capaz de absorver grande potência, sem ter diâmetro muito grande e nem ter pás muito largas. O diâmetro limita a hélice em velocidade, pois as pontas das pás, ao girar em velocidade supersônica, perdem grande parte da sua eficiencia. Uma corda (largura) muito grande da pá gera muito arrasto e desperdiça potência excessiva.

A solução foi encontrada na forma de duas massivas hélices contra-rotativas coaxiais, de 4 pás cada uma. Hélices contra-rotativas coaxiais eram comuns em uso náutico, especialmente em torpedos, mas não eram muito usuais na aviação. Foi uma boa solução, mesmo tendo desvantagens como a complexidade mecânica e o aumento de peso do conjunto motopropulsor.

Outro problema foi aproveitar o máximo possível da energia de expansão dos gases. Esse deveria ser o principal fator, pois aproveitar mais energia térmica significa maior economia, maior autonomia e maior alcance das aeronaves. A solução foi usar vários estágios de turbina, progressivamente maiores, para aproveitar toda a pressão disponível dos gases queimados em expansão.

O motor TV-2 (Turboélice-2), do OKB Kuznetsov, foi o primeiro a utilizar a hélice contra-rotativa. Mas os políticos vieram com um novo desafio: precisavam agora de um motor de nada menos que 12 mil HP, para um novo bombardeiro estratégico, o Tupolev Tu-95, então na fase de projeto.

Inicialmente, o OKB Kuznetsov propôs acoplar dois TV-2 numa caixa de redução e uma hélice em comum, mas o resultado foi pífio e pouco confiável. Uma pane na caixa de redução acabou provocando um acidente com um dos protótipos do Tu-95. Concluiu-se ser necessário projetar um novo motor.

O OKB Kuznetsov projetou então um novo motor. O número de estágios de turbina foi aumentado para cinco. Para suportar maior temperatura de entrada na turbina, o que significa melhor aproveitamento de potência, as turbinas foram construídas com uma nova liga metálica, não ferrosa, constituída principalmente por níquel e cromo, com adições de outros metais como cobalto, titânio e alumínio. Tal liga é conhecida, e registrada comercialmente, no Ocidente, como Nimonic.

Para minimizar as perdas de pressão, colares de vedação foram colocados nos estatores para minimizar a folga radial nas turbinas, e as palhetas eram ocas, para melhorar sua refrigeração. A caixa de redução coaxial para a hélice foi aperfeiçoada e simplificada, diminuindo a possibilidade de falhas.

O resultado desse trabalho foi designado como TV-12. Foi o último trabalho a contar com a colaboração dos especialistas alemães. Na bancada de testes, o motor apresentou um consumo específico muito melhor que o seu antecessor TV-2.

Um avião Tu-4 foi modificado para servir de bancada de testes em voo do TV-12. O turboélice substituiu o motor radial 3, o interno do lado direito da aeronave. O piloto de teste desse avião era Nyuthkov, assistido pelo engenheiro Kantor. Os voos foram executados em 1954.

O novo motor foi incorporado ao segundo protótipo do Tupolev Tu-95 em fevereiro de 1955, substituindo os motores duplos acoplados TV-2 (chamados de 2TV-2F). O resultado foi excelente. O avião entrou em produção em janeiro de 1956, e o motor, então com 12 mil SHP e redesignado como NK-12, finalmente entrou em produção seriada.

O NK-12 provou ser uma máquina realmente econômica, e extremamente confiável. Em termos de construção, o motor tem 14 estágios de compressor axiais, 12 câmaras de combustão canulares, e cinco estágios de turbina, em um único eixo que gira tanto os compressores quanto a hélice. O carretel turbina-compressores tem rotação máxima de 8.300 RPM, correspondente a 750 RPM da hélice, com redução de 11:1.

Os compressores possuem eficiência de 0,88, e as turbinas, de 0,94, os mais eficientes até hoje em qualquer motor a reação. Para manter um fluxo adequado de ar e evitar o estol dos compressores, foram instaladas IGV (inlet guide vanes - alhetas guias de entrada) de ângulo variável, além de 5 válvulas de bypass acionadas hidraulicamente, que permitem o escoamento do ar excedente e que começam a fechar quando a rotação do motor atinge 7.900 RPM.

A taxa de compressão varia entre 9:1 e 13:1, dependendo da altitude, e é controlada tanto pela variação do ângulo das IGV quanto pelas válvulas bypass.

 

As hélices AB-60K são duas, instaladas coaxialmente, e giram em direções opostas, a dianteira em sentido horário e a traseira em sentido anti-horário, vistas de trás, no sentido do voo. O conjunto da hélice pesa 1.155 Kg, e o diâmetro é de 5,6 metros, o que exigiu a instalação, no Tupolev Tu-95, de enormes pernas do trem de pouso para garantir o afastamento das pás do solo. O passo é automático, a velocidade do motor é controlada eletronicamente, e as pás são embandeiráveis. O sistema de degelo é operado por resistência elétrica.

Os motores NK-12M iniciais foram desenvolvidos ao decorrer do tempo, para gerar mais potência, passando de 12.000 iniciais para 14.795 SHP nos NK-12MV e 15.000 SHP nos NK-12MA. São, portanto, os mais potentes motores turboélices até hoje construídos, superando os mais modernos motores atuais, como o motor ucraniano Progress D-27, de 14.000 SHP (que aciona um conjunto incomum de três hélices coaxiais) e o Europrop TP-400 do Airbus A400, que produz 11.000 SHP. As hélices do NK-12 movimentam uma massa de ar de 65 Kg/s.

As hélices do An-22 Antei

O consumo específico do motor NK-12, de 0,360 lb/hp-hora, é bem inferior ao consumo de motores turboélices da mesma geração, como os americanos Allison 501A, de 4.100 HP e consumo específico de 0,490 lb/hp-hora, ou mesmo de motores bem mais modernos.

A grande potência fornecida pelos NK-12 deu um desempenho espetacular para o avião ao qual inicialmente foi destinado, o Tupolev Tu-95.

Com um peso vazio de 90 toneladas e MTOW (Maximum Take-off Weight - Peso Máximo de Decolagem) de 188 toneladas, essa poderosa aeronave alcança velocidade máxima de 920 Km/h, tem uma razão de subida inicial de 2.000 pés por minuto e tem teto de 45.000 pés.

Se comparado ao seu mais direto rival, o Boeing B-52H americano, o Tu-95 é 50 Knots mais lento, tem raio de ação equivalente e MTOW pouca coisa menor que o do B-52, que é de 220 toneladas. Devemos lembrar, no entanto, que o B-52H também é uma aeronave excepcional, e que possui nada menos que 8 motores turbofans de 17.000 lbf de empuxo cada um, contra os 4 turboélices do Tu-95.

Um dos poucos An-22 ainda em serviço em 2011

Outras aeronaves utilizaram os motores Kuznetsov NK-12, como o grande transporte Antonov An-22 "Antei", o maior avião turboélice já produzido, e o avião comercial Tupolev Tu-114, que durante a década de 1960 foi o maior avião comercial em operação no mundo. Essa aeronave já foi objeto de um artigo exclusivo nesse blog.

Tupolev Tu-114 comercial

O NK-12 também equipou o ekranoplano russo A-90 Orlyonok, uma aeronave de transporte de "efeito solo", que não é uma aeronave convencional, pois só pode voar rasante acima de uma superfície plana, geralmente água.

O ekranoplano Orlyonok

Os Kuznetsov NK-12 estão em serviço ativo até hoje, nas aeronaves Tu-95MS da Força Aérea Russa, o que comprova sua grande confiabilidade, durabilidade e economia.

A operação de um motor turboélice em altas velocidades, equivalentes às dos jatos comerciais atuais, envolve problemas inusitados. Mesmo girando na baixa velocidade de 750 RPM, as pontas das pás das hélices começam a atingir a velocidade do som a Mach 0,70, a velocidade mais econômica do Tu-95. Entretanto, como a maior parte da tração é fornecida pelas áreas das pás mais próximas ao cubo da hélice, essas permanecem eficientes até Mach 0,85.

As hélices supersônicas, no entanto, ainda que sejam eficientes, geram um ruído enorme. Os Tu-95 são talvez os aviões mais barulhentos da história, e diz a lenda que podem ser ouvidos até de dentro de submarinos mergulhados.

Motores radiais rotativos: como funcionavam?

O motor rotativo é um tipo de motor radial, de ciclo Otto, cujo eixo de manivelas é estacionário e fixado ao berço do motor, enquanto o conjunto de cárter e cilindros gira ao redor dele. A hélice era fixada diretamente no cárter e girava junto com o mesmo.

Os motores radiais rotativos foram desenvolvidos pouco antes e durante a Primeira Guerra Mundial. Nessa época, a maioria dos motores necessitava de um volante de inércia, para garantir suavidade no funcionamento, evitando trancos ao girar. Os volantes acrescentavam, entretanto, um peso morto considerável ao motor. Outro problema dos motores dessa época era a refrigeração insuficiente, pois os aviões tinham baixa velocidade, o que limitava muito o fluxo de ar de refrigeração.

Quando foram criados, os motores radiais rotativos se constituíram em uma eficiente solução técnica para equipar aviões, em razão  da boa relação peso-potência, da suavidade de funcionamento e da boa refrigeração, que era mantida mesmo com o motor funcionando em marcha lenta no solo. Eram considerados motores muito confiáveis, o que tornou-os ideais para equipar aviões militares durante a Primeira Guerra Mundial.

Diversos problemas tiveram que ser resolvidos, entretanto, para  que o motor fosse viável. A alimentação era um dos principais, pois o carburador não poderia ficar girando com os cilindros. A solução encontrada foi a utilização de eixos de manivelas ocos, que serviam de passagem para a mistura ar-combustível do carburador até janelas abertas no eixo e no cárter. Dessas janelas, a mistura chegava ao cilindro, atraves de válvulas de admissão ou por janelas abertas no cilindro pouco acima do ponto morto inferior.

A solução de usar janelas de admissão, ao invés de válvulas, foi usada nos motores Gnôme Monosoupape (monoválvula, em francês), e foi muito bem sucedida, pois possibilitou a eliminação de várias peças móveis, facilitando o balanceamento e aumentando a confiabilidade dos motores. Os motores de uma válvula por cilindro (fotos acima e abaixo) foram considerados como "um dos maiores avanços na aviação" pelo fabricante de aeronaves britânico Thomas Sopwith.

Os motores Monosoupape não tinham, na verdade, carburadores ou aceleradores. O controle do motor era feito através da regulagem da pressão de combustível. Bombas de ar pressurizavam o tanque, garantindo um fluxo uniforme de combustível ao motor. Todavia, o controle de velocidade do motor era bastante limitado.

A lubrificação do motor também se constituiu em um problema, pois o cárter servia frequentemente como caminho para a passagem da mistura para os cilindros, como ocorre nos motores atuais de dois tempos. A solução encontrada foi semelhante à utilizada nos motores dois tempos, ou seja, o lubrificante era adicionado à gasolina. Como os óleos minerais da época eram inadequados, utilizava-se o óleo de rícino, pois esse dissolvia-se mais lentamente no combustível, o que garantia uma apropriada lubrificação dos componentes móveis. Uma bomba de óleo fornecia o lubrificante à mistura ar-combustível pouco antes da mesma ser fornecida ao motor, para evitar sua diluição excessiva.

Um dos defeitos dos motores rotativos era o seu alto preço. A construção era de alta precisão, para garantir um bom balanceamento do conjunto de cárter e cilindros. Um motor Gnôme de 100 HP de 1916 custaria, em valores de hoje, o equivalente a 70 mil dólares americanos.

Os motores rotativos, em sua maioria, eram do tipo radial, mas outras configurações foram usadas, e existiu até mesmo um motor rotativo monocilíndrico. Nos radiais, um número ímpar de cilindros era geralmente usado, de forma que sempre havia um cilindro em tempo motor. Embora raros, alguns motores rotativos tinham duas carreiras (estrelas) de cilindros (foto abaixo, do motor alemão Oberursel U.III).

 

Embora a potência por cilindrada fosse relativamente baixa, a potência por Kg de massa era elevada, chegando a um HP por Kg de massa do motor. Os motores radiais rotativos forneciam geralmente 50 a 160 HP de potência, dependendo da cilindrada e do número de cilindros.

Os motores Clerget e Le Rhône utilizavam duas válvulas em cada cilindro, ao contrário dos Gnôme Monosoupape.

No início dos anos 1920, os motores rotativos caíram subitamente em desuso, principalmente devido às limitações na alimentação através dos eixos de manivela. Os motores radiais com eixos rotativos e os motores de cilindros em "V" rapidamente os susbstituíram no período entre as duas Guerras Mundiais.

Os motores rotativos não equiparam apenas aviões. Alguns fabricantes de motocicletas instalaram motores radiais rotativos no centro da roda de seus veículos. Na foto abaixo, pode-se ver uma motocicleta Felix Millet de 1897. Felix Millet foi, na verdade, o pioneiro no uso dos motores rotativos, em 1888.

As motocicletas alemãs Megola, produzidas entre 1921 e 1924, possuíam motores radiais Monosoupape de 5 cilindros e 14 HP instalados no meio da roda dianteira. Essa estranha e interessante motocicleta é um dos mais raros veículos, pois apenas 10 exemplares ainda existem.

Alguns carros também foram equipados com motores rotativos, como um De Dion-Bouton de 1899, que recebeu um motor rotativo de 4 cilindros, concebido para uso aeronáutico, mas que nunca equipou nenhum avião, pelo simples fato de que ainda não existiam aviões nessa época.