SOFTWARE PARA ANÁLISE DE PARÂMETROS DE MOTORES A REAÇÃO DE USO AERONÁUTICO

P.E.C.S. Magalhães (1), C.A.Cimini Jr. (1), J.E.M. Barros (2), J.C.M. Ramires (3)

(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 Acadêmico de Disciplinas Básicas, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Av. Amazonas 7675, Nova Gameleira, Belo Horizonte-MG, CEP 30510-000
(3) EMBRAER - Empresa Brasileira de Aeronáutica, Av. Brigadeiro Faria Lima 2170, São José dos Campos-SP, CEP 12227-901.

Palavras-chave: aeronáutica, propulsão, análise, software

Resumo

Desde a sua introdução há quase seis décadas, os motores a jato têm significativamente aumentado sua capacidade 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.

No entanto, o projetista de tais motores frequentemente se depara com o fato de lidar com um modelo matemático bastante complexo, que envolve interação termofluidodinâmica e mecânica dos componentes usuais (compressor, câmara de combustão e turbina). O procedimento de acoplamento de tão distintas características é complexo e requer a manipulação de muitas variáveis (razões de pressão e de temperatura, rendimentos, entalpias, velocidades lineares e angulares, dimensões lineares e angulares).

Adotando a metodologia proposta por Oates [1] e reforçada por Mattingly et alli [2], propôs-se a implementação computacional em ambiente amigável do modelo matemático. Com isso se consegue facilidade e agilidade na análise de parâmetros e pode-se avaliar rapidamente a influência que a mudança em um ou mais parâmetros causaria no resultado final. Dessa forma, os engenheiros envolvidos com o projeto, ou mesmo a operação e manutenção de motores a jato, passam a ter a seu dispor uma ferramenta útil e de simples emprego para análises qualitativas e quantitativas rápidas e eficientes.

Inicialmente delimitou-se o modelo matemático, listando-se as equações que, buscando-se a maior aplicabilidade do software, foram as mais abrangentes possíveis, de modo que o usuário, de acordo com os parâmetros fornecidos, pudesse selecionar o tipo de motor. Como exemplo, se usuário selecionasse razão de by-pass nula, passaria de um turbofan a um turbojato. As equações foram também parametrizadas, de modo a cobrir todas as faixas de tamanho dos motores a reação, dos maiores de uso comercial até os ditos em miniatura, usados em aeromodelos. Selecionou-se, então, os parâmetros-chave a serem programados como entradas na interface com o usuário. Num primeiro momento, optou-se pela programação de modo que o programa apresentasse os gráficos de empuxo específico e consumo de combustível em função da razão de compressão, que geralmente é a principal característica variada ao longo do projeto e mesmo durante a operação. No entanto, qualquer outra variável de entrada poderia ter sido escolhida (como a temperatura máxima na entrada da turbina, a velocidade do ar de entrada, o poder calorífico do combustível, rendimentos diversos) e o programa novamente compilado. Em seguida foram selecionados os parâmetros desejados como saída (empuxo e consumo de combustível) e adequou-se as equações de modo a se obter os resultados desejados.

De posse das equações, partiu-se para a escolha da linguagem a ser adotada e a programação propriamente dita. Uma vez que o principal objetivo era o uso amigável, optou-se por uma linguagem que permitisse a criação de arquivos executáveis que rodassem sob o ambiente Windows, disponível em máquinas mais simples. Dentre as várias linguagens disponíveis (Visual Basic, Visual C++, Delphi) escolheu-se Delphi (ou Object Pascal) para a implementação por ser uma linguagem simples e fácil e que ao mesmo tempo forneceria os recursos matemáticos necessários.

Realizada a programação e a compilação, o software foi testado com casos extremos: um motor tipo turbofan de alta razão de by-pass e um motor tipo minijato, como o atualmente em construção na UFMG e no CEFET-MG. Os resultados foram comparados com os apresentados por Oates [1] e Schreckling [6], concordando de maneira extremamente satisfatória.

As figuras a seguir mostram os gráficos típicos fornecidos pelo programa para a variação da razão de compressão:

As aplicações reais do programa criado também podem ser extrapoladas do projeto para fins acadêmicos em disciplinas de estudos e projeto de turbomáquinas, propulsão espacial ou simulações de sistemas de controle (FADEC's e EEC's), como os atualmente em desenvolvimento.

Agradecimentos: Colocar agradecimentos se houver

Referências:

[1] OATES, G. Aerothermodynamics of Gas Turbines and Rocket Propulsion. AIAA Education Series, 3ªed., Washington, Estados Unidos, 1998.
[2] MATTINGLY, J.D., HEISER, W.H. & DALEY, D.H. Aircraft Engine design. AIAA Education Series, Washington, Estados Unidos, 1987.
[3] MÜLLER, R. Lufstrahltriebwerke - Grundlagen, Charakteristiken, Arbeitsverhalten. Vieweg, Braunschweig, Alemanha, 1997.
[4] BATHIE, W.W. Fundamentals of Gas Turbines. John Wiley And Sons, 2ªed., Nova Iorque, Estados Unidos, 1996.
[5] DIXON, S.L. Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery. Butterworth Heinemann, 4ªed., Woburn, Estados Unidos, 1998.
[6] SCHRECKILNG, K., Gas Turbine Engines for Model Aircraft. Traplet Publications Ltd., Worcestershire, Inglaterra, 1994.