Dawson Izola

MOTORES A JATOHistria, Projeto e ConstruoPULSO-JATO, TURBINA A VAPOR, DUCTED FAN, TURBO COMPRESSOR 0.49

Coleo correio cincia Volume I

Copyright 2002

Motores a Jato

Projetos Joaquim Marcari Mrcio Bueno, Paulo Bertelli Sandro Andrade Gonalves Davi Souza Santos Desenhos Daniel Rogrio Nogueira Moreno Mrcio Bueno Evelyn Carla Golin Sander Bueno de Souza Sandro Andrade Gonalves Clodoaldo Custdio dos Santos Rogrio Cmara Fbio Nunes Ribeiro Izola, Dawson Tadeu / 1968 Copyright 2002 Correio Cincia Caixa Postal 2191 So Paulo SP CEP 01060-970 Tel (016) 9781 3184 E-mail jato@correiociencia.net Site Internet www.correiociencia.net Direitos Reservados a Lenda Pesquisa Educativa Permitido a reproduo desde que seja citada a fonte Outras publicaes do autor: 1) Tcnicas de Construo de mini-foguetes ITO - 1990 2) Mtodos de Clculos para mini-foguetes Fatec-SP 1993 3) Foto Area com Foguetes de Pequeno Porte Fatec-SP 1994 4) Micro sondas para a Baixa Atmosfera Fatec-SP 1994 5) Histria dos Foguetes no Brasil Instituto Militar de Engenharia FAT 1994 6) Pulso-Jato Projeto e Construo Fatec-SP 1995 7) Estato-Jato Projeto e Construo Fatec-SP 1995 8) Foguete para 2000 metros Fatec-SP 1995 9) Para quem vive com a cabea no mundo da lua Editora Abaet 1997 10) Anlise da Oscilao Lateral de Foguetes Balsticos TESE - USP - 1997 11) Ninho das guias Academia da Fora Area Editora Abaet 1999 12) De fogueteiro e de louco... Editora Abaet 2000 (Prelo)

COLEO CORREIO CINCIA 1. MOTORES A JATO HISTRIA, PROJETO E CONSTRUO. 2. MINI-FOGUETES. ASTRONUTICA NO BRASIL. TCNICAS DE CONSTRUO. ENSINANDO FSICA E MATEMTICA ATRAVS DOS FOGUETES. 3. OBTENO DE FOTO AREA. FOGUETES, BALES, AEROMODELOS E HELICPTEROS. 4. DIRIGVEIS. HISTRIA E PESPECTIVAS.

Para Laura

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NDICE COLEO CORREIO CINCIA .............................................................................................. 2 NDICE..................................................................................................................................... 3 INTRODUO ......................................................................................................................... 3 HISTRIA ................................................................................................................................ 4 HISTRICO (MOTORES A JATO) .......................................................................................... 4 TURBINA A VAPOR - HISTRICO ......................................................................................... 6 DUCTED FAN Histrico ........................................................................................................ 9 FUNCIONAMENTO DE MOTORES A REAO ..................................................................... 9 QUEIMA DO COMBUSTVEL ................................................................................................ 10 MOTORES A JATO ............................................................................................................... 10 A BOMBA SIBILANTE E SEUS PARENTES Histrico ....................................................... 11 PULSO-JATO - Projeto .......................................................................................................... 13 CONSTRUO TURBINA A VAPOR ................................................................................. 14 MEMORIAL DE FOTOS TURBINA A VAPOR .................................................................... 20 CONTRUO TURBO COMPRESSOR ............................................................................ 21 MEMORIAL DE FOTOS PS-COMBUSTOR 0.49............................................................. 27 CONSTRUO DUCTED FAN .......................................................................................... 28 MEMORIAL DE FOTOS DUCTED FAN ............................................................................. 32 PULSO-JATO PROJETO E CONSTRUO ......................................................................... 33 MEMORIAL DE FOTOS PULSO-JATO .............................................................................. 37

INTRODUO importante salientar que estes trabalhos, apesar da aparncia, no so brinquedos. Portanto o uso por menores de 16 anos deve impreterivelmente ser acompanhado por um adulto responsvel. Nunca altere os materiais sugeridos e no faa mudanas no projeto. Apresentamos neste livrete os relatrios de construo dos projetos. Lembre-se sempre que a sua integridade fsica e de seus companheiros depende diretamente das suas atitudes. Prof. Dawson Tadeu Izola, M. Sc.

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HISTRIA HISTRICO (MOTORES A JATO)Em apoio afirmativa, que no h nada de novo debaixo do sol, pode-se dizer que motores a reao, idia das mais antigas. Muitos trabalhos sobre motores a jato trazem o clebre projeto da turbina eolpila, concebida por Hero, considerada como o primeiro motor a jato a ser projetado com propriedade real de funcionamento. Hero foi um filsofo de Alexandria, nos primrdios da era crist. O motor de Hero consistia numa esfera ca montada de modo a poder girar entre duas colunas uma das quais, sendo um tubo, que servia para transmitir o vapor gerado em uma caldeira fechada, que era aquecida com fogo externo. Em cada lado da esfera havia um tubo que terminava com um bocal ejetor. A sada do vapor provocava reao e conseqentemente a rotao da esfera.

FIGURA 01 Eolpila de Hero O motor sugerido por Hero foi provavelmente o primeiro que conseguiu transformar a presso do vapor em energia mecnica. Isaac Newton, em 1687, verificou as possibilidades da propulso a reao, quando formulou as Leis bsicas do movimento.

FIGURA 02 Veculo ilustrativo da Terceira Lei de Newton Em 1629 o engenheiro italiano Giovanni Branca idealizou uma turbina a vapor. O projeto de Giovanni, consistia em dirigir um jato de vapor sobre as palhetas de uma roda montada sobre um eixo vertical. A fora motriz conseguida com o movimento da roda servia, por intermdio de uma transmisso, para movimentar um moinho para triturar minrios.

FIGURA 03 Turbina concebida por Giovanni Branca

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Embora a origem da primeira turbina a gs no pode ser muito bem definido, tem-se atribudo a Leonardo da Vinci tal artefato. O primeiro aparelho considerado como uma turbina, foi concebido em um livro de Bishop Wilkin, publicado em 1648. O dispositivo de Wilkin consistia em um disco de madeira com raios montados com tbuas inclinadas, assim como as ps de um ventilador. Esta roda foi instalada na sada de uma chamin, a queima de carvo fazia com que os gases da combusto girassem a roda. Em 1791 o ingls Jonh Barber conseguiu a primeira patente de uma turbina de combusto interna. O projeto de Barber aparece documentado de forma rudimentar, assim no se sabe se tal projeto seria capaz de funcionar. Entre 1853 e 1906, muitos outros projetistas como os franceses M. Tournaire e M. Karavodine, e o alemo Dr. Stolze apresentaram inmeros esquemas e mecanismos baseados na teoria de propulso a jato. O cadete da R.A.F Frank Hittle em 1928, apresentou um trabalho sobre a propulso a jato utilizando turbinas de queima interna para uso em avies. Esta idia foi abandonada devido s sanes que sofria a Alemanha devido a sua derrota na 1 Guerra Mundial. Mesmo com as leis da Fsica indicando para o caminho da propulso a jato, somente em 1930 uma aeronave voou propulsionada por reao, o autor deste feito foi o alemo Fritz Von Opel, que utilizando motores foguetes voou com um planador, que considerado como o primeiro vo reao. Em 1930 o ingls Frank Whittle patenteou uma srie de projetos de um mecanismo, equipado com turbina, com suficiente capacidade para propulsionar uma aeronave. Entre 1930 e 1936, nos Estados Unidos e na Alemanha, principalmente, iniciaram-se os estudos sobre propulso a jato utilizando turbinas de queima interna. O uso de turbinas a gs implicava no uso de compressores para comprimirem o ar e fornecer oxignio combusto. Na Alemanha o Prof. Prandtl iniciou as pesquisas com compressores para motores a jato, este estudo foi fundamental para o desenvolvimento dos motores a jato. Em 1936 na Inglaterra fundou-se a empresa Power Jets Ltd, que teve como objetivo bsico o desenvolvimento dos motores concebidos por Whittle. No prximo ano foram apresentados os trs primeiros prottipos baseados nos estudos de Frank Whittle. Em 1939 com ajuda governamental foi fabricado o primeiro motor W-1, para equipar o avio Gloster Meter. O engenheiro francs Ren Leduc props o projeto de um avio propulsionado a reao onde no se utilizava compressor para comprimir o ar. Leduc sugeriu que o ar fosse comprimido por intermdio do movimento do avio, nascia a o motor estato-jato.

FIGURA 04 Modelo concebido por Leduc O projeto de Leduc propunha uma fuselagem em forma de barril, formando um duto divergente para a compresso do ar e uma sada convergente, para a expanso. No interior do duto, uma srie de bicos injetores misturavam combustvel com o ar atmosfrico, fazendo com que acontecesse a expanso dos gases. O maior problema deste tipo de motor que para entrar em funcionamento necessita de uma velocidade inicial por volta de 300 km/h. Em 1938 o italiano Secondo Camprini, desenvolveu um motor a jato em que se utilizava um motor de combusto interna para movimentar um compressor de ar. O ar era injetado em uma cmara de combusto, onde bicos injetores espalhavam combustvel, proporcionado assim uma mistura inflamvel. A queima dos gases gerava o impulso da aeronave. O projeto de Camprini pode ser observado, de maneira parecida, nos modernos motores a jato, com o after burning - queima posterior.

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FIGURA 05 Avio italiano Caproni Legenda: A Cabina; B Cilindro; C Compressor; D Motor de combusto interna; E Radiador; F Cmara de combusto; G Carburao; H Descarga; J Cone de controle; K Sada regulvel; L Anel.

O primeiro vo da aeronave de Caprini, aconteceu em agosto de 1940. Este vo durou cerca de 10 minutos.

TURBINA A VAPOR - HISTRICOEm 1685, Sir Samuel Morland, mecnico-Mor do Rei Carlos II, submeteu leitura real um relato sobre uma reao intrigante e possivelmente valiosa da gua ao calor. Quando a gua evaporada pelo fogo, escreveu ele, os vapores exigem um espao maior, aproximadamente 2.000 vezes o espao ocupado pela gua. Ao serem submetidos a confinamento, eles faro explodir uma pea de artilharia. Mas sendo controlados... levam sua carga tranqilamente, como bons cavalos, e assim podem ser de grande utilidade para a humanidade.... Foram palavras profticas que antecederam a mquina a vapor. Muitos de ns ainda acreditamos que a idade do vapor comeou com o adolescente James Watt. Com a famosa histria de que quando Watt observava a panela no fogo, vendo a tampa se levantar com o vapor que se formava, grita descobri e naquela mesma noite constri a primeira mquina a vapor. Na maioria das vezes a histria real raramente parecida com a lenda, e na tecnologia do vapor ela concede honras a homens da antigidade. Heron de Alexandria, cujo aeolipile (eolipila), foi o primeiro invento acionado a vapor que se conhece. Thomas Savery em 1698 desenvolveu uma mquina chamada de o amigo do mineiro, tinha um tanque alongado e oval do tamanho de um barril, cheio do vapor de uma caldeira. A abertura de uma vlvula levava gua fria ao tanque, o que fazia condensar o vapor e formar um vcuo parcial no tanque. A gua do poo da mina penetrava ento no tanque atravs de um tubo de admisso para encher o vcuo. Fechando a vlvula de admisso, o operador abria a torneira de descarga e, depois, a vlvula no cano de vapor. Esse ciclo podia ser repetido cinco vezes em um minuto. Em 1712 o ingls Thomas Newcomen, idealizou uma nova mquina trmica, o aparelho de Newcomen, consistia de um sistema para bombeamento de gua nas minas. Um travesso de madeira, funcionava como o brao de uma balana. De uma extremidade pendia uma haste de bomba articulada a um mergulhador de mina, na outra ficava o mecanismo de mbolo e cilindro. O vapor aplicado alternadamente e depois condensado por um jato de gua fria, gerava um movimento do mbolo para cima e para baixo. Isto movimentava o travesso, fazendo com que a haste da bomba se movimentasse. Em 1763 James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de Glasgow, consertando uma mquina de Thomas Newcomen, observou que neste tipo mquina o vapor no era bem utilizado, pois o cilindro era aquecido e depois esfriado. O primeiro problema solucionado por Watt foi a condensao do vapor.

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FIGURA 11 Mquina de Thomas Newcomen Em 1765 James Watt realizou algumas experincias com uma seringa de injeo construda em bronze. Montou um condensador separadamente, isolou as paredes do cilindro com um envoltrio externo cheio de vapor para ajudar a reter o calor, prendeu um peso de mais de 8 kg ao mbolo, ascendeu fogo debaixo da pequena caldeira e manipulou as vlvulas, deixando o vapor dentro e depois o retirando para o condensador. O mbolo subiu e desceu, levantando e fazendo cair o peso. A mquina de Watt funcionou.

FIGURA 12 James Watt

FIGURA 13 Mquina a vapor de Watt

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A inveno de James Watt revolucionou as mquinas. Com o seu projeto as mquinas a vapor substituram a trao animal, surgia neste momento a locomotiva.

FIGURA 14 Maria-Fumaa. Na Figura 14 tem-se a tpica Maria-Fumaa. Parecendo um barril de cerveja sobre rodas, esta velha locomotiva inglesa, chamada de Puffing Billy, foi construda em 1813. O foguista alimentava sua fornalha por trs, junto chamin, enquanto o maquinista, montado no lado oposto, operava os controles. A histria deixou de registrar se o artefato de Giovanni Branca chegou a ser produzido, mas a gravura do sculo XVII , de autoria de Giovanni, a evidncia mais remota de que a turbina a vapor venervel. Na Figura 15 tem-se uma caldeira de bronze em formato de cabea humana (B) vomita vapor contra uma roda de palhetas (E), a qual faz rodar uma srie de engrenagens (G, L, I), que movem para cima e para baixo um par de mos-de-pilo nos dois almofarizes (M) que se vem embaixo, esquerda.

FIGURA 15 Turbina a vapor italiana O engenheiro sueco Laval em 1880 desenvolveu uma mquina que aproveitava o vapor para movimentar uma roda dotada com palhetas. Na turbina de Laval o vapor passava por duas lminas (corte A), dando-lhes impulso. Quatro boquilhas traziam o vapor, regulando a sua presso e expanso atravs de funis (corte B).

FIGURA 16 Turbina de Laval

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FIGURA 17 Detalhes da turbina de laval

DUCTED FAN HistricoA grande frustrao dos aeromodelistas a impossibilidade de fabricao de um motor a jato e pelo alto custo das turbinas a jato. Em 1940 a Curtis Automotive Device industrializou o mais famoso motor pulso-jato o Dynajet. Este motor era baseado nos motores das bombas voadoras alems V-1 da Segunda Guerra Mundial. No manual Para quem vive com a cabea no mundo da lua, o Grupo Lenda apresenta o projeto completo deste tipo de motor. O problema com os motores a jato foi resolvido em 1949 na Inglaterra por Norman. A proposta do motor de Morman era um duto contrado onde um motor de combusto interna com hlice multip forava o fluxo de ar atravs do duto. O primeiro motor ducted-fan vo em 1959, construdo pelo prprio Norman. Era um semi-escala do avio sovitico MIG-19.

FIGURA 20 Corte lateral de um ducted-fan

FUNCIONAMENTO DE MOTORES A REAOA propulso a jato estudada por um ramo da Fsica denominado Mecnica. As leis da Mecnica basicamente se resumem nas trs leis do movimento descritas por Isaac Newton.

PRIMEIRA LEI DO MOVIMENTO TODO CORPO PERMANECER NO SEU ESTADO DE REPOUSO, OU NUM MOVIMENTO RETILNEO UNIFORME, AT QUE UMA FORA EXTERNA ATUE SOBRE ELE. SEGUNDA LEI DO MOVIMENTO A ACELERAO DE QUALQUER CORPO PROPORCIONAL FORA RESULTANTE QUE SOBRE ELE ATUE E TER A MESMA DIREO DESTA FORA. TERCEIRA LEI DO MOVIMENTO PARA TODA FORA QUE ATUE SOBRE UM CORPO HAVER SEMPRE UMA FORA DE REAO IGUAL E DE SENTIDO OPOSTO A ESSA.

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Essas leis descritas por Isaac Newton definem todo movimento de um corpo. Das leis do movimento, a lei de ao e reao explica o movimento dos motores a jato ou simplesmente motor-foguete.

QUEIMA DO COMBUSTVELQuando um determinado combustvel entra em combusto, dentro de uma cmara de combusto, gera gases que rapidamente se expandem dentro dela. Esses gases so expulsos do motor em forma de jato contnuo. Como existe um orifcio na parte inferior do motor os gases saem comprimidos nessa direo. No sentido oposto os gases tambm empurram a parte superior do motor, formando um par de ao e reao descrito por Newton na sua lei de nmero trs. Do somatrio das foras decorrentes da expanso tem-se uma resultante no sentido oposto ao da ejeo dos gases que movimenta o conjunto motor e foguete. Quando observamos um foguete funcionando em pleno vo, imaginamos que ele sobe porque os gases da combusto se apoiam no ar atmosfrico. Como vimos na terceira lei de Newton, este conceito errado. Podemos observar experimentalmente que um foguete pode se movimentar, mesmo quando estiver fora da atmosfera.

FIGURA 18 Princpio da ao e reao A fora propulsora do foguete parte exclusivamente de dentro da cmara de combusto com a queima do combustvel. O combustvel em chama, passando do estado slido para gasoso aumenta vrias vezes o seu volume, por esta razo se observa uma presso muito elevada no interior do motor-foguete, resultando na ejeo dos gases. Quanto maior for a velocidade com que os gases so expulsos do motor, maior ser a velocidade do foguete. A velocidade limite estipulada pela configurao do combustvel.

MOTORES A JATOA terceira lei do movimento, conhecida como Lei de Ao e Reao, talvez seja difcil de se entender de incio, quando aplicada em motores a jato, pela impossibilidade de se fixar um ponto de referncia entre a fora atuante e a movimentao do prprio motor. por este motivo que muitas pessoas ainda acreditam que a fora propulsora de uma aeronave a jato acontece devido fora que o jato exerce no ar, como vimos anteriormente. A fora que provoca o movimento acontece estritamente no interior do motor e tem, portanto, uma atuao pura e simplesmente interna. O ponto de referncia referente terceira lei de Newton do movimento ser a prpria partcula do ar atmosfrico que circula pelo interior do motor. Essa fora de reao a soma de todas as pequenas reaes correspondentes acelerao de cada partcula da massa de ar que est sendo expulsa do interior do motor. Isto porque cada partcula de ar, pertencente quela massa que se est escoando pela tubeira do motor, ser acelerada por ao da fora de presso exercida pela queima do combustvel, que aumentando o volume da massa de ar aumentam tambm a presso interna no motor. A fora de ao que resulta em uma fora de reao, apesar de serem iguais e de sentidos opostos nunca se anulam, porque esto sempre atuando em corpos diferentes.

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A ao est atuando sobre a massa de ar e a reao sobre a estrutura do motor. A primeira produz a movimentao da massa de ar e, a segunda provoca o deslocamento do motor.

FIGURA 19 Ao/Reao

A BOMBA SIBILANTE E SEUS PARENTES HistricoDurante todo o tempo em que estiveram trabalhando na bomba V-2 e no motor Walter para foguetes, os alemes estavam tambm ocupados em outro engenho que no era bem um foguete, mas to parecido que seria difcil dizer onde est a diferena. Exteriormente tinha este aspecto:

FIGURA 20 Bomba V1 A parte inferior, com formato de um torpedo, leva a carga explosiva, o combustvel e os instrumentos de controle. A parte superior, que parece um tubo de escapamento, o motor. A V-1 foi chamada bomba simbilante ou, apenas, bomba voadora. De fato, ela era um pequeno avio sem piloto. Era menos veloz que a V-2 e no era teleguiada. Era, porm, muito mais simples e mais barata. E, tal como uma V-2, capaz de carregar 1 tonelada de explosivos.

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A cmara de combusto de uma V-1 vista por dentro, era assim:

FIGURA 21 Funcionamento do motor pulso-jato Na parte dianteira h uma srie de obturadores parecidos com as venezianas de uma janela. Quando eles esto fechados injetada, na cmara, gasolina que inflamada por meio de uma centelha de uma vela igual s que se usam nos motores de automvel. A combusto to rpida que se d quase uma exploso. O jato escapa pela outra extremidade e impele a V-1 para frente. Fortes molas mantm os obturadores cerrados. Depois que o combustvel explode e o jato escapa pela extremidade posterior, a presso do ar nos obturadores maior do que a fora das molas e elas se abrem de novo, dando entrada nova quantidade de ar. Ento os obturadores se fecham mais uma vez. Ao mesmo tempo injetada mais gasolina que se inflama por nova centelha e assim o processo vai se repetindo, regularmente, vrias vezes por segundo. As exploses se sucedem to rapidamente que a V-1 zumbe como se fosse uma grande abelha. E, como as exploses se sucedem como batimentos do corao que so percebidos no pulso, esses tipos de motores chamado pulsojato. Um dos maiores problemas do motor a pulso-jato consiste em coloc-lo em funcionamento, pois enquanto no atinge uma grande velocidade, a presso do ar insuficiente para abrir os obturadores. Para contornar essa dificuldade os alemes disparavam suas V-1 de rampas inclinadas especiais, por dentro das quais corria uma carreta impulsionada por um foguete de gua oxigenada. Assim, quando a V-1 alcanava o fim da rampa j tinha velocidade suficiente para comear a voar sozinha. A V-1 tinha os lemes na cauda orientados de tal modo que a bomba se dirigisse para o alvo. No possua, porm, servo-mecanismo e, uma vez disparada, no podia mudar de direo. Um pequeno rdio que ela transportava emitia sinais durante o vo e por meio deles os alemes podiam localiz-la. Duas ou trs estaes em terra recebiam esses sinais e tiravam uma linha deles at a bomba. O ponto em que as trs linhas se encontravam marcavam o local em que se achava a V-1.

FIGURA 22 - Triangulao

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Se a V-1 no ia na direo certa, a nica coisa a fazer era dispor, de maneira diferente, os lemes da cauda da que ia ser lanada depois. A V-1, porm, no foi uma arma to eficiente como se esperava, a despeito dos danos que causava. No alcanava mais do que 240 km e no tinha muita preciso no atingir dos alvos. Alm do mais como sua velocidade no excedia 450 km/h, um avio de caa rpido, era capaz de alcana-la e derrub-la. Muitas foram abatidas pela artilharia da costa da Inglaterra. Antes que elas atingissem aquele pas, o radar as denunciava e os canhes abriam fogo automaticamente. J para o fim da guerra, de cada dez bombas V-1 lanadas pelos alemes contra a Inglaterra, apenas trs logravam ultrapassar as defesas da costa, o que, evidentemente, no era muito compensador. Depois da guerra, os Estados Unidos e outros pases comearam a fabricar bombas do tipo V-1 muito melhor do que os alemes. A Marinha norte-americana tinha um tipo chamado LOON (mergulho). Em vez de partir de uma rampa, possua uma armao em forma de T cuja haste vertical apontava para a frente. Ao longo do travesso horizontal estavam quatro unidades de jato (foguetes auxiliares de decolagem) que lhes davam o impulso inicial. Quando o LOON j desenvolvia velocidade suficiente para voar por si, a armao se desprendia e caa.

PULSO-JATO - ProjetoO pulso-jato um modelo de motor a jato de fcil construo. Tem uma razo muito alta de empuxopeso, no necessita de nenhuma bomba de combustvel e tem apenas uma parte mvel: Uma vlvula de ao de mola de espiras planas. No necessita de nenhuma turbina ou compressor complicados para serem usinados ou balanceados, e o que melhor, este motor pode ser construdo e operado por um amador. Ele feito de 14 peas, 9 das quais so torneadas, 3 so chapas metlicas e as outras 2 so feitas de tubulao de ao resistente ao calor, soldadas juntas para formarem a cmara de combusto e o cano de escapamento do jato. Muitas das peas podem ser fabricadas de pequenos pedaos de sobras de material e, inclusive, de materiais refugados, por isso, o custo de fabricao deste motor incrivelmente baixo. O tempo de construo estimado para fabric-lo de aproximadamente 40 horas. Princpio de Funcionamento O motor a jato funciona baseado no princpio de ressonncia e consiste de um longo tubo munido na extremidade dianteira de uma vlvula de chapa metlica tipo "flap"(chapeleta). Um combustvel misturado com ar feito fluir atravs de um carburador, mediante uma combinao de presso de ar baixa e fluxo de ar rpido, criado por uma admisso de ar Venturi, passando em seguida pela chapeleta e dai para dentro da cmara de combusto. Uma vez na cmara de combusto, o combustvel misturado com ar inflamado, inicialmente por meio externo e depois disso, pela chama residual do ciclo prvio. Imediatamente aps a combusto, a chapeleta fechada pela alta presso na cmara e os gases aquecidos deslocam-se pelo cano (cauda do motor), a reao resultante prov o impulso (empurro), medida que esta coluna de gases queimados escapa, a presso na cmara de combusto cai, a chapeleta abre-se e um outro suprimento novo de combustvel e ar sugado para a seguinte ignio. A vlvula opera, desta forma, por uma srie de mudanas na presso e a nica parte mvel nesta unidade de fora. A freqncia de operao depende, sobretudo do comprimento do motor, isto , do comprimento que vai desde a vlvula de admisso at a extremidade do cano de escapamento do jato e, tambm da temperatura dos gases no interior do mesmo. A freqncia de combusto nesse tipo de motor determinada pela freqncia da ressonncia do tubo de escapamento, isto , o tempo em que um ciclo do motor executado ser igual a duas vezes o comprimento do tubo, dividido pela velocidade do som propagado no interior desse mesmo tubo. Tc = 2 x Ct Vs Tc = Tempo de um ciclo; Vs = Velocidade do som no interior do tubo. Ct = Comprimento do tubo;

Com esta frmula poderemos determinar a freqncia das combustes de um motor pulso-jato qualquer. Como exemplo apresentado o seguinte problema: Calcular a durao de um ciclo de funcionamento de um motor pulso-jato cujo tubo de escapamento tem um comprimento de 3,5 metros, sendo a velocidade do som no interior dele igual a 340 metros por segundo. Tc = 2 x 3,5 = 0,02 segundos 340 Dois centsimos de segundo ser o tempo gasto pela operao de um ciclo de funcionamento desse motor pulso-jato.

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CONSTRUO TURBINA A VAPOREquipe Participante Alunos Joaquim Marcari Mrcio Bueno Sandro Andrade Gonalves Orientao Dawson Tadeu Izola

FIGURA 20 Turbina a vapor Para o teste foi construdo um prottipo. O conjunto foi dividido da seguinte forma: 1. 2. 3. 4. Turbina Caldeira Queimador Reservatrio

TURBINA A carcaa da turbina foi construda de alumnio com um bocal de admisso e um de exausto. O rotor tambm foi construdo de alumnio com palhetas usinadas com uma pequena curvatura para o melhor desempenho do rotor, segundo o modelamento do vapor. O eixo, construdo em lato, assentado em um par de rolamentos, que esto embutidos nas prprias tampas da turbina. No prottipo foi usado um par de rolamentos rgido de esferas; para um equipamento de maior porte, deve-se calcular um tipo mais apropriado. CALDEIRA um sistema simples de dois tubos de cobre. Um tubo de dimetro maior e outro de dimetro menor. Os tubos so montados um dentro do outro, com as extremidades fechadas com duas tampas de ao e vedadas com anis de alumnio recozido. Uma serpentina passa por dentro do tubo menor fazendo com que a gua circule no seu interior e auxiliando a canalizao do calor da queima. O bico de admisso possui uma tampa com um sistema de segurana, caso haja interrupo no fluxo de vapor. Neste caso, ele abre a caldeira, liberando a presso do vapor confinada internamente. QUEIMADOR um bico injetor de gs, soldado em um pequeno tubo de cobre. Com a entrada do leo sob presso, consegue-se a vaporizao, facilitando a combusto. RESERVATRIO um sistema fechado que possui uma vlvula para a pressurizao do leo no reservatrio e para facilitar a sada do combustvel, que controlado por uma vlvula de fluxo, e injeo no queimador.

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FIGURA 21 Croqui do conjunto Processo de usinagem do corpo da turbina (carcaa): O primeiro passo a escolha do material que ser utilizado na fabricao da carcaa e do rotor. Devese estabelecer uma tolerncia entre as dimenses do material escolhido e o desenho das peas, para que a operao na mquina permita pequenos erros de usinagem.

FIGURA 22 Vista explodida Deve-se facear os lados da pea (bloco de alumnio) de modo que possa ser centralizado na fresadora de topo. Esta operao (facear) pode ser feita num torno automtico, com placa de 4 castanhas; ou numa plaina; ou ainda na prpria fresadora.

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FIGURA 23 Rotor da turbina Aps ter faceado a pea, certifique-se que esta tem as dimenses mnimas para poder trabalhar o perfil do corpo da turbina.

FIGURA 24 Tampa

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O prximo passo centralizar a pea na fresadora, a fim de que os raios internos e os rasgos da turbina possam ser usinados. Faa uma marca no centro da pea, mas no fure nesta marca, lembre-se que o eixo excntrico em relao ao corpo da turbina.

FIGURA 25 Corpo da turbina Trace todo o perfil da cavidade do rotor no corpo da turbina antes de fresar. Aps fresar toda a cavidade, marque o centro do rotor, a partir deste ponto, faa o alojamento do mancal rolamento.

FIGURA 26 Carcaa Faa o furo do eixo, tomando cuidado para que este no fique com uma folga muito grande em relao ao eixo.

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FIGURA 27 Niple, conexo T e vlvula. Encontre novamente o centro da carcaa e a partir deste ponto, frese o perfil externo do corpo da turbina. Marque os furos de fixao dos parafusos e pinos-guia.

FIGURA 28 Caldeira Sobreponha a tampa da turbina, marque os furos de fixao e os pinos-guia. Fure e faa rosca onde est indicado no desenho.

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FIGURA 29 Conjunto montado Monte o corpo e a tampa. Fixe com parafusos, coloque os pinos, e marque a entrada do vapor. Faa o furo e a rosca indicada para fixao do niple. Abra a turbina, limpe todo o conjunto, monte a turbina com os rolamentos, eixo, rotor e tampa. Gire o eixo para certificar-se que este no esteja agarrando e que todo o perfil est correto. Para o aquecimento da caldeira foi utilizado leo lubrificante pressurizado. O leo injetado no interior da caldeira por intermdio de um bico de gs de isqueiro. A pressurizao do leo foi feita em um reservatrio hermtico onde um bico de cmara de ar de bicicleta possibilita a pressurizao. Uma vlvula simples separa o tanque do bico injetor. Esta pequena turbina fez parte de um projeto para recuperao de leo lubrificante trocado em postos de gasolina. Tabela 1 Processo Mquinas, Ferramentas e Dispositivos recomendados Esquadro Plaina Fresa Plainar Esquadrejando Traar a cavidade do rotor Paqumetro escala Usinar cavidade do rotor Fresa de topo Paqumetro/Fresa Medir alojamento do rolamento Usinar o alojamento Fresa/ Torno 4 castanhas Usinar o perfil externo da carcaa Fresa/ Torno 4 castanhas Fazer furo do eixo Broca 9 mm Fazer furos de fixao Broca 4 mm - macho p/ roscas M5 Fazer furos guia (pinos) Broca 5 mm Sobrepor tampa --Traar o perfil da tampa Paqumetro Escala Usinar tampa Fresa/ Torno placa 4 castanhas Fazer furo do eixo Broca 9 mm Fazer furos de fixao Broca 5 mm Fazer furos dos pinos Broca 5 mm Montar o corpo e a tampa --Furar a entrada do vapor Broca 4 mm Fazer rosca no furo para o niple Macho M5 Desmontar e limpar ---Montar o conjunto e lubrificar ---Operao / Descrio RESULTADOS A presso de trabalho desta turbina em torno de 1,5 atm. A rotao prevista superior a 6000 RPM.

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Motores a Jato

MEMORIAL DE FOTOS TURBINA A VAPOR

Turbina a vapor

Desgaste aps os ensaios

Turbina e caldeira

Turbina e caldeira

Carcaa e rotor

Ensaio

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Dawson Izola

CONTRUO TURBO COMPRESSOR

FIGURA 30 Motor Turbo-compressor Equipe Participante Aluno: Mrcio Bueno Orientao: Dawson Tadeu Izola Relatrio de construo do turbo compressor Materiais Utilizados Para a construo do Turbo-compressor foram utilizados materiais que possuem resistncia s altas temperaturas e a possveis esforos mecnicos, como: Ao inoxidvel Cobre Ao 1020 Lato Foi encontrada uma certa dificuldade na usinagem do corpo traseiro do Turbo-compressor, que foi construdo em ao inoxidvel e por possuir uma forma complexa teve que ser usinado com ferramentas de carboneto metlico. Ferramentas Utilizadas Foram utilizadas as seguintes ferramentas para usinagem em torno: Ferramenta de usinar interno de carboneto metlico Ferramenta de usinar externo de carboneto metlico Ferramenta de roscar externo Bedame Brocas Broca de centro Para a usinagem em fresadora: Broca de centro Broca Fresa Para usinagem em eletro-eroso eletrodo Para a montagem Macho Desandador Cocinete Porta cocinete Lima Lima agulha Broca Chave Alen Alicate Morsa Mangueira de silicone Braadeiras de nylon Parafuso de sextavada interna cabea escareada Parafuso de sextavada interna cabea Cilndrica Contados de tubo de cobre Lixa

Entrada do Turbo-compressor Esta pea construda em Ao inoxidvel tipo ABNT 304. Para iniciar a sua construo utiliza-se como material um tubo mecnico por possuir paredes espessas e no possuir emendas, com isso tem-se uma pea

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Motores a Jato

mais reforada. O processo de usinagem deve ser feito com ferramenta de metal duro, por se tratar da usinagem de um material com dureza elevada, como o caso do ao inoxidvel.

FIGURA 31 Entrada do Turbo compressor Sada do Turbo-compressor A Sada do motor a parte onde se tem o maior tempo de usinagem, para se iniciar a usinagem desta pea necessrio um tarugo de ao inoxidvel. Para se conseguir o perfil raiado interno e externo necessrio uma certa habilidade no torno, pois os perfis so feitos pelo mtodo de movimentos bimanuais. Para se conseguir um melhor acabamento nas superfcies utiliza-se uma lima para finalizar a parte externa, e uma lixa para a parte interna.

FIGURA 32 Sada do Turbo compressor Acento do Motor Esta pea feita a partir de uma bolacha de ao inoxidvel, usinada somente no dimetro e com quatro rasgos bilongos, que podem ser obtidos em uma fresadora com aparelho divisor.

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FIGURA 33 Acento do motor Compressor O Compressor uma pea de construo simples. A angulao das ps deve estar bem prxima de 45 para que no haja um desbalanceamento do compressor. Esta angulao pode ser conseguida atravs de um gabarito. Os rasgos so feitos no eletro-eroso com ajuda de um aparelho divisor.

FIGURA 34 Compressor Pino da Sada O Pino da Sada tem a funo de comprimir a mistura e assim aumentar a presso na sada do motor, e tambm para fixar o motor e por isso pode ser construdo de ao ABNT 1020. Sistema de alimentao de gs O sistema construdo em forma de "T" que constituda por trs peas.

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FIGURA 35 T do sistema de alimentao de gs A Pea da pgina anterior, a pea que une as demais atravs de uma mangueira de silicone e foi construda em lato.

FIGURA 36 Fixador do sistema de alimentao de gs O que mantm unidas o sistema de alimentao de gs com o motor o tubo roscado que vemos acima, tambm construdos de lato.

FIGURA 37 Bico injetor Acima vemos o bico de injeo de gs, ele foi construdo de cobre.

FIGURA 38 Montagem do sistema de alimentao de gs

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A Figura 38 mostra a montagem de todo o sistema. Pino de Sada O Pino de Sada, por ter apenas a funo de aumentar a presso dos gases da combusto, foi construdo em ao ABNT 1020, com uma ponteira mvel fixa por um parafuso tipo Alen de 3/16 pol (M5) 5mm. Na sua base tem-se quatro furos roscados para fixao do motor.

FIGURA 39 Pino de sada

FIGURA 40 Corte lateral do motor Turbo-compressor O objetivo deste projeto foi demonstrar o conceito de motores a jato sem a presena de uma turbina. A falta da turbina foi contornada com o uso de um motor de combusto interna 0.49 de fabricao COX. Com o funcionamento do 0.49 o compressor comprime ar atmosfrico na cmara de combusto. Neste momento injeta-se gs Butano ou GLP Gs Liquefeito de Petrleo, na cmara de combusto, por intermdio dos bicos injetores. Com uma chama na sada do motor inflama-se a mistura. O motor 0.49 deve funcionar a plena carga, para isto regula-se a carburao at que seja alcanada a mxima rotao.

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Motores a Jato

A vlvula que controla o volume de gs deve ser manuseada com objetivo de afinar a mistura, pois uma grande quantidade de gs, significa uma presso maior e conseqentemente uma influncia no desempenho do motor 0.49 que movimenta o compressor.

FIGURA 41 Medidor de empuxo Utilizando o medidor da Figura 41, ensaiou-se o Turbo-compressor onde se observou um empuxo de 3,4kg. A construo deste prottipo no visava a utilizao deste motor em vo, desta forma as dimenses da carcaa esto todas superdimensionadas. Caso o leitor se interesse na construo de um prottipo para vo em um aeromodelo poder construir a carcaa com chapa de Ao Inox de 1,0mm de espessura. O pino de sada tambm poder ser construdo com chapa de Inox ABNT 304 para minimizar o peso do conjunto.

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MEMORIAL DE FOTOS PS-COMBUSTOR 0.49

Medidor de Empuxo

Vista frontal

Motor 0.49

Vista lateral

Mrcio Bueno

Ensaio

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Motores a Jato

CONSTRUO DUCTED FANEquipe Participante Aluno: Paulo Bertelli Orientador: Dawson Tadeu Izola

FIGURA 42 Fan Medidas externas do Ducted fan

166

127,5

175

700FIGURA 43 Dimenses

Equipamentos, componentes e materiais utilizados. Caixa de campo de aeromodelo; 1 conjunto motor de aeromodelo MAX-46FX (O.S. ENGINE); 1 pipa de aeromodelo para motor 46; 1 metro de mangueira plstica de aeromodelo; 9 parafusos de fixao; 28

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50 rebites; 1 chapa de zinco do duto de admisso com 600 * 200 * 0.5mm; 1 chapa de zinco do duto de descarga com 600 *500 * 0.5mm; 1 chapa de ao inox; 2 barras de ao inox com 200 * 30 * 3mm; 1 tarugo de alumnio com 45 * 70mm; 1 disco de alumnio com 175 * 130 * 25mm.

Processo de usinagem dos materiais Chapa de ao inox (Fabricao do Fan) Como a chapa de ao inox quadrada, deve-se primeiramente traar com um compasso o dimetro desejado, em seguida corta-se as bordas da chapa com uma tesoura apropriada, deixando o mais prximo possvel do dimetro traado. Na chapa feito um furo central com o mesmo dimetro do eixo do motor, onde o Fan ser fixado posteriormente. Esta chapa adaptada a um dispositivo e usinada em uma mquina-ferramenta (torno mecnico). Ao trmino desta operao, e com a chapa permanecendo presa ao torno mecnico, traa-se, com o auxilio de uma ferramenta centrada e bem afiada, cinco divises. Em seguida, utiliza-se uma mquina de eletro-eroso por penetrao (eletrodos). Faz-se o corte das cinco divises traadas anteriormente utilizando um dispositivo de preciso, o divisor. Aps o processo de corte por eroso com eletrodos, obtm-se um disco com cinco ps, com o auxilio de um gabarito inclina-se cada p a 45 em relao face do disco, formando assim o Fan da Figura 42. Mangueiras de plsticos As mangueiras plsticas sero utilizadas para abastecimento de combustvel, respiro e sada para a pipa. Deve-se cortar as mangueiras um pouco maior que a distncia para que estas no sofram nenhum problema de estiramento ou dobramento, ocasionando rupturas ou estrangulamentos, que possam resultar em vazamentos e impedindo a passagem do combustvel para o motor. Chapa de zinco do duto de descarga Esta chapa deve ser traada e cortada, obedecendo ao seguinte resultado do clculo: reduo de 25% da rea do duto de admisso. Ou seja, a rea de sada corresponde a 75% da rea de entrada. Em seguida, marca-se com um puno as posies onde sero feitas as furaces para rebitar a chapa quando esta estiver sendo encurvada formando o duto.

R 200 R 267,1

700

FIGURA 44 Duto de descarga Chapa de zinco do duto de admisso Traa-se esta chapa com as dimenses dadas no item Componentes e materiais utilizados, cortando-a em seguida. Deve-se marcar, com um puno, as posies onde sero feitas as furaces para se rebitar a chapa quando ela estiver sendo encurvada. Barras de ao inox Estas barras sero utilizadas para fixar o conjunto motor no duto de admisso por meio de parafusos. As barras devem ter uma altura em que o conjunto motor possa ficar centralizado em relao ao duto de admisso.

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Motores a Jato20 30 6 18

4 80 4 85

45

6 18

FIGURA 45 Suporte do motor OS 46 Disco de alumnio Este disco deve ser usinado em um torno mecnico seguindo as dimenses dadas anteriormente. O dimetro interno deve ter um perfil aerodinmico. Este componente colocado no duto de admisso por meio de interferncia. O objetivo desta pea direcionar o fluxo externo com menor turbulncia.

166

140

R5

R20

20

FIGURA 46 Carenagem de entrada Tarugo de alumnio Com este tarugo usina-se um spiner e uma bolacha de apoio. Entre o spiner e a bolacha coloca-se o Fan. Contudo, para a fixao desse conjunto deve-se seguir os seguintes passos: com o conjunto motor fixado no duto de admisso coloca-se no eixo do motor a bolacha e em seguida coloca-se o Fan. O Fan preso por duas porcas, aps isto se coloca o spiner preso por dois parafusos de fenda sextavada.8 35 R5 50 5 6,5

FIGURA 47 Spiner RESULTADOS O objetivo deste trabalho o desenvolvimento de uma aeronave de decolagem vertical. Ainda que este tipo de motor possa ser utilizado em aeromodelos substituindo os motores a jato. Com objetivo de aumentar o rendimento do motor, ou seja, aumentar a rotao e empuxo, utilizou-se combustvel com 25% de Nitro e uma pipa para motor 46.

FIGURA 48 Pipa

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Para o ensaio utilizou-se uma balana capaz de medir o empuxo e o contra-rotativo do motor. Empuxo: 5,2kg Contra-rotativo: 0,9kg

FIGURA 49 Balana para medida de empuxo e contra-rotativo

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Motores a Jato

MEMORIAL DE FOTOS DUCTED FAN

Medidor de Empuxo

Ducted Fan

Rotor

Paulo Bertelli

Frontal

Lateral

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Dawson Izola

PULSO-JATO PROJETO E CONSTRUOEquipe participante: Alunos: Fbio Nunes Ribeiro Mrcio Bueno Orientao: Dawson Tadeu Izola

Introduo. O projeto que apresentamos aqui ainda experimental, inclusive apresentamos algumas variaes de dimenses do projeto proposto. Este tipo de motor tem funcionamento bastante seguro, embora seja necessrio tomar algumas providncias para test-lo, como por exemplo: somente coloc-lo em funcionamento em locais arejados, longe de materiais inflamveis, e tomar o cuidado de nunca funcionar o motor com pessoas atrs do escapamento ou muito prximas do motor. O barulho provocado pelo funcionamento ensurdecedor, portanto bom que se proteja os ouvidos com protetores auriculares. Um extintor de incndios imprescindvel para os primeiros ensaios do motor pulso-jato. Os hobistas que desejarem colocar o pulso-jato em um avio devem faz-lo com muita cautela e principalmente, conhecimento, pois em modelos voadores, j observamos velocidades superiores a 300 km/h, para os quais todo cuidado pouco. Fabricao Do Motor

Caractersticas: Comprimento - 558,8 mm; Dimetro mximo - 63,5 mm; Massa - 283,6 gramas; Empuxo - 1,81 kg; Combustvel - Gasolina; Freqncia de operao Equipamento necessrio: Soldador e um torno mecnico.

- 200 - 300/s;

ORIENTE-SE PELOS DESENHOS QUE ESTO NO FINAL DO MANUAL Comece com a parte 1(lato), uma pea torneada que serve como um adaptador para o suprimento de ar comprimido durante a partida. soldado a prata parte 3(lato) o carburador o qual uma outra pea torneada, aberta na frente para receber o jato principal e rosqueada na extremidade traseira para se encaixar parte 5. O jato principal, parte 2(alumnio 2017 T4) pode ser feito em seguida; uma pea torneada com um orifcio de 1 mm para o combustvel fluir por ele. aconselhvel fazer-se vrios jatos principais, a fim de se determinar o melhor dimetro para um timo desempenho sob diferentes condies. Deve-se fazer furos de 0,9 a 1,3 milmetros. O combustvel flui do tanque para o jato principal e dai para dentro do carburador (parte 3), e sai pelos dois orifcios oblquos com dimetro de 0,8 mm furados a 70 - 80. A admisso de ar Venturi, parte 4, (alumnio 2017 T4) uma pea torneada, rosqueada na traseira para adaptar-se ao pescoo na cmara de combusto. Muito cuidado deve ser tomado para aderir curva aerodinmica, a fim de maximizar o desempenho do jato. A espessura da parede do Venturi deve ser afinada at 2 mm para se reduzir o peso. Note que um vo profundo de 3 mm necessrio na parte 4 para prender a parte 5 placa da vlvula. A parte 5 (ao inoxidvel 303) pode ser torneada a seguir, h dez furos de vlvulas, cada um com 9,0 mm de dimetro e afilando-se para o centro para mxima abertura. A prpria vlvula, parte 7, (ao de mola AISI 6150 ou 9254) o comprimento mais crtico; uma folha de ao de mola na espessura de 0,15 mm deve ser usada para se obter uma vlvula de vida til mxima. todavia, uma folha de ao estirado a frio mais fcil de ser trabalhada e resistir a at 20 partidas. Um acabamento da superfcie tem um efeito acentuado na vida da vlvula. A parte 7 deve ser muito bem polida, com um polimento final na direo radial a fim de alisar quaisquer estrias perifricas. A vlvula deve ser examinada aps cada corrida (perodo de funcionamento) para ver se necessita ser substituda. Para limitar a abertura da vlvula, a parte 8 uma placa de apoio (ao inoxidvel 303). aconselhvel fazer alternativas com diferentes curvaturas, a fim de se testar qual produz um rendimento timo. De uma certa forma, o empurro do jato pode ser alterado ao mudar-se a curvatura da parte 8. A parte 9 simplesmente um parafuso (cavilha) de rosca comum para manter firme a montagem da vlvula, esta dever ser de ao inoxidvel. A parte 5 montada dentro do vo de 3 mm na parte 4, deve ser batida com a pena do martelo para se encaixar no lugar. Para maiores detalhes veja a folha de desenho no final do manual. A cmara de combusto, o cone traseiro (parte 14) e o cano da cauda podem ser soldados em seguida. Deve-se usar uma folha e uma tubulao de 0,5 mm (ao inoxidvel 321), as dimenses so mostradas no ltimo desenho. A extremidade do cano do jato deve ser chamejada, para melhorar o desempenho. Solde um colarinho (luva, anel, braadeira, ao inoxidvel 321), na cmara de combusto aps rosquear conforme mostrado no desenho. Em seguida monte todo o motor. 33

Motores a Jato

Operando o Pulso-Jato Prenda o Jato por meio de braadeiras metlicas (collar) a uma bancada de testes adequada. Ponha o tanque de combustvel no mesmo nvel ou apenas um pouco mais alto que o carburador, e encha o tanque com gasolina. Ligue um tubo de ar comprimido ao adaptador (parte 1), mas no ligue o ar. Pegue um maarico ou uma tocha de propano e passe-a pela extremidade do cano do jato (no sobre o cano) e ligue o ar comprimido. Como um combustvel misturado com ar est passando atravs da cmara de combusto, o jato dever acender-se. No h uma tal coisa como falha de ignio num pulso-jato, ou ele d partida e continua a correr ou no d. Se o jato no partir, tente outras variaes no jato principal e com a placa de apoio da vlvula. Um tom baixo indica uma mistura rica e um tom alto, ou tom curto spero, uma mistura pobre. Um clima quente exige um jato principal maior, e um clima frio um jato menor. O combustvel nitropropano melhora o empurro (impulso), em mais ou menos 20%. Combustvel de isqueiro dar uma combusto mais limpa. gua pode ser injetada dentro do tubo do jato ao adaptar-se trs bocais de aproximadamente 76 mm a partir da extremidade do cano do jato. Isto aumentar ligeiramente o impulso e abafar consideravelmente o som do motor. O combustvel pode ser injetado na mesma maneira, isto aumenta o impulso e referido como o afterburning (queima posterior). Ateno. Em virtude do risco de incndio e da possibilidade de perigo para o operador, o pulso-jato deve ser manuseado com muito cuidado e ateno. Em caso de menores de idade um adulto dever impreterivelmente acompanh-los.

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Dawson Izola

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Motores a Jato

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MEMORIAL DE FOTOS PULSO-JATO

Tomada de ar

Venturi

Vlvula

Medidor de empuxo

Peas do pulso-jato

Ensaio

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