SIMULAÇÃO DE OPERAÇÃO E CONTROLE DE UM MOTOR A REAÇÃO

P.E.C.S. Magalhães (1), V.V.R. Silva (2)

(1) Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos 6627, Pampulha, Belo Horizonte-MG, CEP 31270-901
(2) Departamento de Eletricidade, Fundação de Ensino Superior de São João Del Rei, Praça Frei Orlando 170, Centro, São João Del Rei-MG, CEP 36300-000

Palavras-chave:aeronáutica, propulsão, controle, simulação, FADEC, EEC

RESUMO

Desde a sua introdução há quase seis décadas, os motores a jato têm aumentado significativamente sua capacidade e eficiência de maneira a suprir as crescentes necessidades da indústria aeronáutica, aliando alta eficiência de consumo com elevado empuxo específico. Várias gerações de motores desse tipo incorporaram evoluções a partir de soluções inovadoras, tornando possível o transporte aéreo tal qual o conhecemos hoje. Uma das principais e mais recentes evoluções incorporadas é o uso de sistemas de controle automático.

Estes sistemas são de dois tipos básicos: FADEC (Full Authority Digital Engine Control, ou controle digital total do motor) e EEC (Electronic Engine Control, ou controle eletrônico do motor). Sua operação é similar: um computador digital monitora e atua sobre certos parâmetros do motor, mantendo seu funcionamento regular e nas condições desejadas. A diferença entre eles está unicamente no número de parâmetros avaliados e atuados no motor: os sistemas EEC, mais simples, lêem menos parâmetros (cerca de 5, dependendo do fabricante) e atuam unicamente sobre a vazão de combustível na unidade controladora de combustível, através de um servo sistema eletro-hidráulico. Já nos sistemas tipo FADEC, são lidos cerca de 15 parâmetros e atua-se sobre o ângulo das aletas guia do compressor (IGV's), válvulas de sangria para ar condicionado, aquecimento do combustível/arrefecimento do óleo lubrificante, além da vazão de combustível.

Projetar um controlador para uma turbina é uma tarefa difícil, já que envolve medição e manipulação de um grande número de variáveis com largas faixas de variação. Um exemplo é o controle realimentado do empuxo. Deseja-se que esta variável seja constante para uma determinada condição de operação. Mas durante a operação do motor, em vôo, o empuxo produzido não pode ser medido diretamente. Desta forma o valor desta variável deve ser estimada através de uma outra variável de dinâmica semelhante ao empuxo. Pode ser utilizada a medida da rotação de um dos conjuntos móveis no interior do motor (spools). Isso implica na busca de correlações entre as variáveis que se deseja controlar e as que podem ser medidas.

Neste trabalho, foi proposta a simulação de um motor aeronáutico em ambiente computacional e a criação de um sistema de controle tipo EEC para este modelo, sua implementação, teste e otimização.

A primeira etapa foi a escolha de um ambiente computacional conveniente para utilização de ferramentas de análise e projeto de sistemas de controle. O software MATLABÔ apresentou as vantagens de disponibilizar um grande número de rotinas já prontas, e os recursos do módulo SIMULINK para simulação em tempo real do modelo matemático gerado para a turbina [8,9]. O modelo SIMULINK do motor foi então gerado utilizando das equações matemáticas que modelam a turbina, conforme Oates (1998), para pontos normais de operação. Tal modelo leva em conta uma análise parametrizada de turbinas em geral, com base na Aerospace Recommended Practice (ARP) 755A da SAE (Oates, 1998).

A escolha da turbina para a qual o sistema de controle será implementado foi feita adotando um motor para o qual os dados de construção e especificações necessárias são disponíveis. A partir de um mapa de compressor adimensional fornecido por Bathie (1996) e de parâmetros geométricos e termofluidodinâmicos, foi obtida uma uma configuração próxima à do motor CJ610 da General Electric. A vantagem da escolha deste motor é a sua simplicidadade (turbojato single spool), reduzindo significativamente o número de variáveis envolvidas nos cálculos.

Estabelecido e validado o modelo SIMULINK em regime permanente, tornou-se necessário descrever o comportamento transitório desta turbina. Conforme Oates (1998), Bathie (1996), Mattingly et al. (1987) e Müller (1997), tal modelagem é complexa, uma vez que envolve pelo menos duas inércias: a inércia do conjunto mecânico e a inércia térmica dos componentes. Utiliza-se, então, a solução adotada pelos fabricantes de motores a reação: através de variações discretas das diversas variáveis do motor, são elaborados modelos matemáticos que permitem uma previsão das condições deste. Por exemplo, para uma variação de 10% na fração de combustível, qual a direção de afastamento no mapa, a partir de um ponto de operação inicial qualquer? Torna-se necessário, então, obter valores discretos para as demais variáveis do motor como frações de seus valores no ponto de operação (geração de tabelas de interpolação - look-up tables). Com base no cálculo dessas razões em instantes sucessivos, obtém-se valores discretos para as variações dos parâmetros do sistema até que seja atingido um novo estado de equilíbrio, para o qual o valor do empuxo é o demandado.

Para completar a modelagem do regime transiente, faz-se um balanço de energia do conjunto em função de variações na aceleração deste. Isto é feito da seguinte forma: introduzindo uma perturbação (por exemplo, um degrau) na fração de combustível, a temperatura na entrada da turbina aumenta. A turbina tem sua razão de expansão aumentada com conseqüente aumento da rotação, aumentando também a razão de compressão e a vazão de ar. Para a mesma fração de combustível, um aumento na vazão de ar provoca uma ligeira redução na temperatura do ar na entrada da turbina. O sistema então será acelerado até atingir um novo estado de equilíbrio (até que as variações estejam dentro de um limite pré-definido).

A principal vantagem da utilização de um controle eletrônico para esta turbina é a redução no consumo de combustível, redução de gastos em manutenção e extensão da vida útil do motor. Conforme indicado na validação do modelo, feita com dados fornecidos por Oates (1998), o consumo de combustível de motores a reação é significativamente menor que o de seus similares automotivos. Entretanto, em função da grande quantidade necessária, qualquer redução no consumo é benéfica, pois implica no aumento da autonomia de operação do motor, para uma mesma quantidade de combustível.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

[1] OATES, G. Aerothermodynamics of Gas Turbines and Rocket Propulsion. AIAA Education Series, 3ªed., Washington, Estados Unidos, 1998.
[2] BATHIE, W.W. Fundamentals of Gas Turbines. John Wiley And Sons, 2ªed., Nova Iorque, Estados Unidos, 1996.
[3] MATTINGLY, J.D., HEISER, W.H. & DALEY, D.H. Aircraft Engine design. AIAA Education Series, Washington, Estados Unidos, 1987.
[4] MÜLLER, R. Lufstrahltriebwerke - Grundlagen, Charakteristiken, Arbeitsverhalten. Vieweg, Braunschweig, Alemanha, 1997.
[6] TREAGER, I. Aircraft Gas Turbine Engine Technology. Glencoe - McGraw-Hill, 3ª ed., Nova Iorque, Estados Unidos, 1998.
[7] KROES, M.J. et alli. Aircraft Powerplants. Glencoe - McGraw-Hill, 6ª ed., Nova Iorque, Estados Unidos, 1992.
[8] OGATA, K. Engenharia de controle moderno. Prentice-Hall do Brasil, 3ªed., São Paulo-SP, 1998.
[9] LINDFIELD, G. & PENNY, J. Numerical Methods using Matlab. Ellis Horwood, Hemel Hempsted, Inglaterra, 1995.