Projeto de Sistemas Hidráulicos

Projetos de Sistemas Hidráulicos Projeto 1 e Projeto 2

MP-706 Denival Ferreira Soares Junior Gustavo Pires de Almeida PEE – Turma 19

1. INTRODUÇÃO O sistema hidráulico de uma aeronave é responsável por ativar diversas funções como por exemplo: superfícies de controle (flaps, slats, multi-functional spoilers, ground spoilers, ailerons, leme), trem de pouso, freios, etc. A instalação de um sistema hidráulico em uma aeronave tem diversas vantagens em termos de fornecimento de potência, como a combinação de baixo peso, fácil instalação, simplificação para inspeção, possui eficiência de quase 100% com apenas algumas perdas negligenciáveis devido ao atrito do fluido, entre outras. Por ter uma participação em funções críticas da aeronave em praticamente todo o envelope de voo, é fundamental que seus componentes sejam devidamente analisados e especificados, preferencialmente com um forte trabalho de modelagem e simulação, para a compreensão dos fenômenos físicos que regem o comportamento do sistema. É importante portanto, no processo de simulação, identificar os parâmetros que são cruciais para a especificação de cada componente do sistema hidráulico, como atuadores, bombas, válvulas, etc.

2. OBJETIVO O presente trabalho visa, por meio de simulação, identificar os parâmetros do sistema hidráulico (pressão, temperatura, etc) de uma aeronave, a fim de especificar componentes e otimizar o projeto do sistema (tubulações, bombas, etc), com auxílio do software AMESim Rev 11.

3. DESENVOLVIMENTO PROJETO 1 Na primeira etapa do desenvolvimento do projeto, foi feita a simulação de apenas uma bomba a fim de se levantar a curva característica de Vazão x Pressão e responder alguns itens relacionados à variações dos parâmetros de simulação. O modelo utilizado para este levantamento é mostrado a seguir.

MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos

2

Figura 1 – Modelo – Modelo para simulação de bomba de deslocamento variável

O primeiro item a ser checado foi da curva característica da bomba. Os seguintes parâmetos de simulação foram utilizados:

Figura 2 – Parâmetros – Parâmetros de simulação para levantamento de curva característica – motor – motor


3

Figura 3 - Parâmetros de simulação para levantamento de curva característica – bomba – bomba

Figura 4 - Parâmetros de simulação para levantamento de curva característica – Sinal – Sinal de entrada


4

O primeiro item a ser verificado é com relação ao modelo da bomba e levantamento da curva de f(q), ou seja, vazão da bomba em função do diferencial de pressão. O resultado obtido com a simulação é mostrado na imagem abaixo.

Figura 5 – Curva – Curva característica f(q) da bomba obtida por simulação

Figura 6 – 6 – Curva característica f(q) da bomba retirada do catálogo de bombas Vickers.


5

Pode-se notar que a curva obtida por simulação do modelo da bomba apresenta semelhança com a curva fornecida em catálogo. Isto valida o modelo utilizado para levantamento dos dados. O segundo item a ser atendido na simulação é a verificação do comportamento comportamento da curva característica variando os parâmetros de rotação da bomba. Pede-se para analisar o resultado de uma rotação no motor maior e menor que a rotação nominal da bomba. O resultado da simulação é mostrado abaixo.

Figura 7 – 7 – Comparação Comparação entre as curvas variando a rotação do motor

Em vermelho temos a curva da bomba com rotação do motor igual à rotação nominal da bomba. Em verde nota-se que a vazão e o diferencial de pressão estão maiores que os dados nominais, e isto foi obtido utilizando rotação de motor maior que a rotação nominal da bomba. Em azul, a rotação adotada para o motor é menor que a rotação nominal da bomba, resultando em menores vazão e diferencial de pressão. Isso ocorre pois a vazão da bomba é função de seu deslocamento volumétrico (cm /rot) e rotação do eixo do motor (rpm) acoplado à bomba. Porém, utilizar um motor de rotação superior à rotação nominal da bomba pode prejudicar seus componentes e, consequentemente sua vida util. 3


6

O próximo item é verificar os valores obtidos de pressão e vazão com as configurações default do AMESim.

Gráfico de vazão com valores default do AMESim Figura 8 – 8 – Gráfico

Figura 9 – Gráfico – Gráfico de pressão com valores default do AMESim


7

Pelos diagramas apresentados, nota-se que o valor de vazão fica estabalizado em um valor de aproximadamente 50 L/min. Já o diagrama de pressão mostra uma rampa crescente, o que significa que o valor de pressão não se estabaliza em um valor fixo. Isso se deve pelo fato de que o sinal de entrada de pressão adotado ser uma rampa.

Figura 10 – 10 – Gráfico de vazão x pressão alterando o ‘ scale ’ da bomba scale factor ’

O gráfico acima está relacionado com a análise da variação do ‘scale factor’ da bomba na curva f(q). Em primeiro momento foi variado o scale factor para a razão de de fluxo na bomba (scale factor for flow rate). Em vermelho temos a curva referência com parâmetros de simulação anteriormente mostrados. Em verde, com a alteração do scale factor for flow rate da bomba, nota-se que ha uma redução na vazão fornecida com variação do diferencial de pressão. Em azul, a alteração no scale factor for pressure difference proporcionou uma variação da pressão sem afetar a vazão fornecida.


8

Dessa forma podemos estabelecer uma metodologia para seleção de uma bomba do catálogo através da relação da vazão e pressão máximas de simulação com as máximas fornecidas em catálogo, de maneira a utilizar essa relação como sendo o scale factor do modelo da bomba no AMESim.

Projeto 1 – Sistema 1

Figura 11 – Esquema – Esquema proposto do sistema 1 Sistema 1

L01 L02 L03 L04 L05 L06 L07 L08 L09 L10 L11


4170 4440 1450 2460 940 1000 3040 9060 3040 13440 2200

9

L12 L13 L14 L15 L16

4950 2340 1360 2040 9020

Tabela 1 - Comprimento das tubulações do sistema hidráulico 1 (em mm). Parâmetro

Valor

Unidade

dash4_wall_Al

0,889

mm

dash6_wall_Al

0,889

mm

dash8_wall_Al

0,889

mm

dash4_wall_Ti

0,4

mm

dash6_wall_Ti

0,48

mm

dash8_wall_Ti

0,66

mm

YoungMod_Aluminio

1,02E+11

psi

YoungMod_Titanio

1,80E+10

psi

dash4_roughness_Al

(1,5/(6,35-2*0,889))/10**9

null

dash6_roughness_Al

(1,5/(9,525-2*0,889))/10**9

null

dash8_roughness_Al

(1,5/(12,7-2*0,889))/10**9

null

dash4_roughness_Ti

(1,5/(6,35-2*0,4))/10**9

null

dash6_roughness_Ti

(1,5/(9,525-2*0,48))/10**9

null

dash8_roughness_Ti

(1,5/(12,7-2*0,66))/10**9

null

dash4_diameter

6,35

mm

dash6_diameter

9,525

mm

dash8_diameter

12,7

mm

Tabela 2 - Dados das Tubulações

Com os dados apresentados foi elaborado modelo AMESim conforme mostrado abaixo.

MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos Hidráulicos

10

Figura 12 - Modelo AMESim do sistema 1

O primeiro item a ser atendido no projeto é o dimensionamento das bombas EDP e ACMP de acordo com a tabela do arquivo Demanda_hidraulica.xls. Demanda_hidraulica.xls. Nesta tabela do arquivo, nota-se que a bomba EDP de cada sistema opera com rotações variáveis, e por isso, devem obedecer essa rotação e suprir o sistema, uma vez que a vazão fornecida depende da rotação do motor.

Time Profile EDP Profile ACMP

0,00 9,70 10,00 11,00 11,30 12,30 12,60 19,70 66% 66% 95% 95% 95% 95% 66% 66% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%

Tabela 3 - Tabela com perfil de operação das bombas EDP e ACMP

Abaixo, as tabelas 3 e 4 indicando os perfis de vazão ao longo do tempo e as máximas vazões para cada bomba (EDP e ACMP) para o sistema 1. Para a seleção das bombas, foi feito o balanço do sistema s istema a fim de se levantar a máxima vazão exigida pelo sistema, através da soma das vazões nos nós das tubulações. MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos Hidráulicos

11

De acordo com o esquema mostrado na figura 11, é facil demonstrar que:

Dessa forma, estima-se a máxima vazão requerida para cada momento da simulação, com tempo variando de 0 a 180 s, conforme indicado na tabela 3 abaixo.

Tabela 3 - Perfis de vazões ao longo do tempo


12

Valores máximos de vazão para seleção das bombas [gpm] Máxima Vazão EDP

10,05

Máxima Vazão ACMP

7,24

Tabela 4 - Tabela com valores de vazão máxima de cada bomba do sistema 1 De acordo com a Tabela 4, pode-se verificar uma vazão máxima para a bomba EDP do sistema 1 de 10,05 gpm (~38,05 lpm) e de 7,24 gpm (~27,41 lpm) para a bomba ACMP. Tendo essa vazão máxima requerida, o catálogo Vickers recomenda considerar um rendimento volumétrico para bombas de 3000 psi de 96%, sendo assim: QTeo

10,05 

QTeo

0,96



7,24 

0,96



10,47 gpm

7,55gpm

Tabela 5 - Tabela de bombas - catálogo Vickers


13

Com os valores obtidos no cálculo das vazões teóricas e, analisando a tabela encontrada no catálogo de bombas Vickers, as bombas selecionadas para o sistema 1 são: PV3-032 para EDP e PV3-022 para ACMP, cujos dados estão listados abaixo. Dados da bomba PV3-032:

Dados da bomba PV3-022: 3

3

•Máximo deslocamento volumétrico: 0,32 in /rev.

•Máximo deslocamento volumétrico: 0,22 in /rev.

•Velocidade: Normal – 9.000 rpm/Máxima sobre carga – 11.250 rpm

•Velocidade: Normal – 10.000 rpm/Máxima sobre carga – 12.500 rpm

•Vazão teórica (velocidade normal): 12,47 gpm (47,19

•Vazão teórica (velocidade normal): 9,52 gpm (36,05

lpm)

lpm)

•Peso: 2,7 kg

•Peso: 2,1 kg

Com os dados da bomba selecionada, foi elaborado o modelo mostrado na figura 11. Os resultados de simulação obtidos com auxílio do AMESim seguem abaixo.

Figura 13 - Perfil de rotação do motor da bomba EDP


14

Figura 14 - Comportamento da pressão na saída da bomba EDP ao longo do tempo

Figura 15 - Comportamento da p ressão na saída da bomba ACMP


15

Figura 16 - Comportamento da pressão no sistema (bombas + tubulação)

Figura 17 - Visão aumentada do comportamento da pressão no sistema no intervalo de 0 a 160s


16

Para uma primeira simulação foi utilizado diâmetro e material padrão para toda a tubulação. O diâmetro adotado foi Dash 8 e o material foi titânio (vide informações em Tabela 1). Analisando os resultados de simulação obtidos, verifica-se que a pressão do sistema mínima é de aproximadamente 189 bar (~2740 psi) e a máxima não ultrapassa o valor de 215 bar (~3120 psi), o que garante afirmar que o sistema está devidamente dimensionado, uma vez que os requisitos de pressão mínima e máxima para o sistema são de 2400 psi (~166 bar) e 3600 psi (~248 bar), respectivamente. Dessa maneira, pode-se realizar um trabalho de otimização visando diminuir o peso do sistema e consequentemente da aeronave. Utilizando dos valores disponíveis na tabela 2 foram estimados os pesos das tubulações variando material e diâmetro para otimização do sistema. Abaixo, tabelas com cálculos de pesos para cada valor de diâmetro, espessura de parede e material de tubo.

ESTIMATIVA DE PESOS DA TUBULAÇÃO - DASH 8 TITA NIO - DENS IDA DE 4507 k g/ m³ Identificação da Área [DextIdentificação Tubulação Dint] (mm²)

ALUMÍNIO - DENS IDA DE 2697 k g/ m³

Comprimento Peso Estimado Identif Identificação icação da Área [Dext(mm) (kg) Tubulação Dint] (mm²)

Comprimento Peso Estimado (mm) (kg)

L0 1

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

4170

0 ,5 2

L0 1

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

4170

0 ,4 3

L0 2

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

4440

0 ,5 5

L0 2

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

4440

0 ,4 5

L0 3

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

1450

0 ,1 8

L0 3

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

1450

0 ,1 5

L0 4

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

2460

0 ,3 1

L0 4

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

2460

0 ,2 5

L0 5

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

940

0 ,1 2

L0 5

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

940

0 ,1 0

L0 6

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

1000

0 ,1 2

L0 6

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

1000

0 ,1 0

L0 7

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

3040

0 ,3 8

L0 7

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

3040

0 ,3 1

L0 8

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

9060

1 ,1 3

L0 8

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

9060

0 ,9 3

L0 9

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

3040

0 ,3 8

L0 9

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

3040

0 ,3 1

L1 0

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

13440

1 ,6 8

L1 0

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

13440

1 ,3 8

L1 1

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

2200

0 ,2 7

L1 1

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

2200

0 ,2 3

L1 2

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

4950

0 ,6 2

L1 2

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

4950

0 ,5 1

L1 3

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

2340

0 ,2 9

L1 3

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

2340

0 ,2 4

L1 4

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

1360

0 ,1 7

L1 4

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

1360

0 ,1 4

L1 5

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

2040

0 ,2 5

L1 5

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

2040

0 ,2 1

L1 6

2 7 ,7 0 1 3 0 7 3 8

9020

1 ,1 3

L1 6

3 7 ,9 5 2 3 9 0 1 8

9020

P es o Tot al E s timado (k g)

8,11

P eso Tot al E s timado (k g)

0 ,9 2

6,65

Tabela 6 – Estimativa – Estimativa de pesos para tubulação dash 8


17

ESTIMATIVA DE PESOS DA TUBULAÇÃO - DASH 6 TITA NIO - DENS IDA DE 4507 k g/ m³ Identificação da Área [DextIdentificação Tubulação Dint] (mm²)




L0 1

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

4170

0 ,2 8

L0 1

2 9 ,0 8 50 0 9 3

4170

0 ,3 3

L0 2

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

4440

0 ,3 0

L0 2

2 9 ,0 8 50 0 9 3

4440

0 ,3 5

L0 3

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

1450

0 ,1 0

L0 3

2 9 ,0 8 50 0 9 3

1450

0 ,1 1

L0 4

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

2460

0 ,1 7

L0 4

2 9 ,0 8 50 0 9 3

2460

0 ,1 9

L0 5

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

940

0 ,0 6

L0 5

2 9 ,0 8 50 0 9 3

940

0 ,0 7

L0 6

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

1000

0 ,0 7

L0 6

2 9 ,0 8 50 0 9 3

1000

0 ,0 8

L0 7

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

3040

0 ,2 1

L0 7

2 9 ,0 8 50 0 9 3

3040

0 ,2 4

L0 8

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

9060

0 ,6 2

L0 8

2 9 ,0 8 50 0 9 3

9060

0 ,7 1

L0 9

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

3040

0 ,2 1

L0 9

2 9 ,0 8 50 0 9 3

3040

0 ,2 4

L1 0

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

13440

0 ,9 1

L1 0

2 9 ,0 8 50 0 9 3

13440

1 ,0 5

L1 1

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

2200

0 ,1 5

L1 1

2 9 ,0 8 50 0 9 3

2200

0 ,1 7

L1 2

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

4950

0 ,3 4

L1 2

2 9 ,0 8 50 0 9 3

4950

0 ,3 9

L1 3

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

2340

0 ,1 6

L1 3

2 9 ,0 8 50 0 9 3

2340

0 ,1 8

L1 4

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

1360

0 ,0 9

L1 4

2 9 ,0 8 50 0 9 3

1360

0 ,1 1

L1 5

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

2040

0 ,1 4

L1 5

2 9 ,0 8 50 0 9 3

2040

0 ,1 6

L1 6

1 5 ,0 8 7 1 8 4 5 6

9020

0 ,6 1

L1 6

2 9 ,0 8 50 0 9 3

9020

4,42


0 ,7 1

5,09


Tabela 7 – 7 – Estimativa Estimativa de pesos para tubulação dash 6 ESTIMATIVA DE PESOS DA TUBULAÇÃO - DASH 4 TITA NIO - DENS IDA DE 4507 k g/ m³ Identificação da Área [DextIdentificação Tubulação Dint] (mm²)




L0 1

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

4170

0 ,1 6

L0 1

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

4170

0 ,2 3

L0 2

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

4440

0 ,1 7

L0 2

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

4440

0 ,2 4

L0 3

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

1450

0 ,0 6

L0 3

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

1450

0 ,0 8

L0 4

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

2460

0 ,0 9

L0 4

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

2460

0 ,1 3

L0 5

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

940

0 ,0 4

L0 5

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

940

0 ,0 5

L0 6

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

1000

0 ,0 4

L0 6

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

1000

0 ,0 5

L0 7

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

3040

0 ,1 2

L0 7

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

3040

0 ,1 7

L0 8

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

9060

0 ,3 5

L0 8

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

9060

0 ,4 9

L0 9

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

3040

0 ,1 2

L0 9

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

3040

0 ,1 7

L1 0

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

13440

0 ,5 1

L1 0

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

13440

0 ,7 3

L1 1

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

2200

0 ,0 8

L1 1

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

2200

0 ,1 2

L1 2

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

4950

0 ,1 9

L1 2

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

4950

0 ,2 7

L1 3

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

2340

0 ,0 9

L1 3

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

2340

0 ,1 3

L1 4

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

1360

0 ,0 5

L1 4

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

1360

0 ,0 7

L1 5

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

2040

0 ,0 8

L1 5

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

2040

0 ,1 1

L1 6

8 ,4 8 2 3 0 0 1 6 5

9020

0 ,3 4

L1 6

2 0 ,2 1 7 6 2 8 4 2

9020


2,48


0 ,4 9

3,54

Tabela 8 – Estimativa – Estimativa de pesos para tubulação dash 4

Analisando as tabelas 6, 7 e 8 podemos notar que, para a tubulação dash 8 (diâmetro de 12,7 mm e espessura de parede 0,66 mm para tubos de titânio e 0,889 mm para tubos de alumínio) a melhor opção de material é o alumínio, tendo uma redução de peso de aproximadamente 18% em relação aos tubos de titânio. Essa estimativa foi tomada a partir dos valores de densidade de cada material, bem como os valores de volumes calculados a partir dos dados fornecidos. Já para as tubulações dash 6 e dash 4, a melhor opção é o titânio, tendo em vista que ao reduzir o diametro da tubulação, houve também redução da espessura de parede (ao contrário da tubulação de alumínio que manteve a mesma espessura de MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos Hidráulicos

18

parede para todas as opções de diâmetro), reduzindo o volume de material utilizado e, consequentemente consequentemente seu peso. Dessa forma, reduzindo o diâmetro de toda a tubulação para o padrão dash 4 e foi mantido o material como sendo titânio. Abaixo o resultado da nova simulação.

Figura 18 – Comportamento – Comportamento da pressão na saída da bomba EDP (Tubulação dash 4)


19

Figura 19 – Comportamento – Comportamento da vazão do sistema fornecido pela EDP (Tubulação dash 4)

Figura 20 – Comportamento – Comportamento da pressão na saída da bomba ACMP (Tubulação dash 4)


20

Figura 21 – Comportamento – Comportamento da vazão do sistema fornecido pela ACMP (Tubulação dash 4)

Figura 22 - Comportamento da pressão no sistema (Tubulação dash 4)

Observando os resultados da nova simulação para a nova tubulação, pode-se observar que a pressão do sistema ao se analisar todos os pontos, atinge um valor MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos Hidráulicos

21

abaixo do valor mínimo exigido nas premissas de projeto (~166 bar). Isso se deve à perda de carga do escoamento ao longo de toda a tubulação. Para se encontrar a melhor combinação de parâmetros para o sistema, foram selecionadas as tubulações de recalque das bombas e as tubulações de acionamento dos atuadores do leme superior e do profundor ext. direito (tubulações essas, sujeitas às maiores e menores pressões do sistema, respectivamente). Foi utilizado o comando de simulação em “batch” do software AMESim para

verificar o comportamento da pressão do sistema às diversas combinações de diâmetros de tubulação. De acordo com a simulação, algumas combinações nos valores de diâmetros ainda apresentaram pressão inferior à mínima estabelecida (~166 bar), o que inviabiliza a utilização dessas d essas combinações. Abaixo os resultados de simulação apresentados.

Figura 23 - Comportamento da pressão no sistema (Simulação em Batch)


22

Figura 24 - Comportamento da pressão no sistema ampliado no intervalo de 0 a 170 s (Simulação em Batch)

Figura 25 - Comportamento da pressão no sistema com parâmetros otimizados (Simulação em Batch)


23

Acima temos o resultado de simulação utilizando os melhores parâmetros. Pode-se verificar que para todas essas simulações, o resultado de pressão do sistema foi satisfatório, permitindo selecionar a melhor combinação de parâmetros com menor variação de pressão (em outras palavras, menor perda de carga) e menor peso para a tubulação, parâmetros esses obtidos pela simulação número 14. Esses parâmetros estabelecem uma tubulação de diâmetro dash4 para alimentação do leme superior e profundor ext. direito e dash6 para as demais. ESTIMATIVA DE PESOS DA TUBULAÇÃO - Seleção Final TITANIO - DENSIDADE 4507 kg/m³ Identificação da Área [Dext-Dint] Comprimento Tubulação (mm²) (mm)

ALUMÍNIO - DENSIDADE 2697 kg/m³ Peso Estimado Identificação da Área [Dext-Dint] Comprimento (kg) Tubulação (mm²) (mm)

Peso Estimado (kg)

L01

15,08718456

4170

0,28

L01

29,0850093

4170

0,33

L02

15,08718456

4440

0,30

L02

29,0850093

4440

0,35

L03

15,08718456

1450

0,10

L03

29,0850093

1450

0,11

L04

15,08718456

2460

0,17

L04

29,0850093

2460

0,19

L05

15,08718456

940

0,06

L05

29,0850093

940

0,07

L06

15,08718456

1000

0,07

L06

29,0850093

1000

0,08

L07

15,08718456

3040

0,21

L07

29,0850093

3040

0,24

L08

15,08718456

9060

0,62

L08

29,0850093

9060

0,71

L09

15,08718456

3040

0,21

L09

29,0850093

3040

0,24

L10

15,08718456

13440

0,91

L10

29,0850093

13440

1,05

L11

8,482300165

2200

0,08

L11

20,21762842

2200

0,12

L12

8,482300165

4950

0,19

L12

20,21762842

4950

0,27

L13

15,08718456

2340

0,16

L13

29,0850093

2340

0,18

L14

15,08718456

1360

0,09

L14

29,0850093

1360

0,11

L15

15,08718456

2040

0,14

L15

29,0850093

2040

0,16

L16

15,08718456

9020

0,61

L16

29,0850093

9020

Peso Total Estimado (kg)

4,20


0,71

4,92

Tabela 9 – Estimativa – Estimativa de pesos com parâmetros otimizados

Dessa forma, o material utilizado, baseado na tabela 9 é titânio e o sistema 1 fica assim definido, e apresenta menor peso e comportamento de pressão conforme gráfico a seguir.


24

Figura 26 – Comportamento – Comportamento da pressão do sistema com parâmetros otimizados

Após a simulação com os parâmetros otimizados, foi incluído no sistema o acumulador. A fim de se verificar o comportamento da pressão do sistema com a inclusão do acumulador, foi feita nova simulação e os resultados são apresentados abaixo. Pode-se notar que a pressão do sistema ficou pouco mais homogênea e com menos variações em certos trechos, dado que o acumulador tem a função de manter a pressão de operação do sistema.


25

Figura 27 – 27 – Modelo Modelo do sistema com acumulador

Figura 28 – Comportamento – Comportamento da pressão do sistema (linhas críticas) com acumulador


26


Figura 29 – Esquema – Esquema proposto do sistema 2

Sistema 2 L01

4050

L02

4230

L03

1650

L04

1460

L05

870

L06

980

L07

12900

L08

5050

L09

3040

L10

4940

L11

2100

L12

1950

L13

2340

L14

3360

L15

1040

L16

2020

Tabela 10 10 - Comprimento das tubulações do sistema hidráulico 2 (em mm).


27

Da mesma maneira que o sistema 1, com os dados fornecidos foi elaborado um modelo para simulação no AMESim, conforme ilustrado abaixo.

Figura 30 30 - Modelo AMESim do sistema 2

Com base na tabela do arquivo demanda hidráulica, assim como feito para o sistema 1, foram selecionadas as bombas para os sistema 2 de acordo com as máximas vazões, conforme mostrado abaixo. Valores máximos de vazão para seleção das bombas [gpm] Máxima Vazão EDP

15,24

Máxima Vazão ACMP

10,06

Tabela 11 - Tabela com valores de vazão máxima de cada bomba do sistema 2

Considerando o rendimento volumétrico das bombas de catálogo de 96%, o cálculo da vazão teórica foi feito e as bombas selecionadas conforme mostrado abaixo.


28

Com esses valores de vazão as bombas selecionadas foram PV3-032 para ACMP e PV3-049 para EDP. Abaixo, as especificações das bombas: ACMP – PV3-032: 

Máximo deslocamento volumétrico: 0,32 in3/rev.



Velocidade: Normal – 9.000 rpm/Máxima sobre carga - 11.250 rpm



Vazão teórica (velocidade normal): 12,47 gpm (47,19 lpm)



Peso: 2,7 kg

EDP – PV3-049: 3



Máximo deslocamento volumétrico: 0,488 in /rev.



Velocidade: Normal – 8.800 rpm/Máxima sobre carga – 11.000 rpm



Vazão teórica (velocidade normal): 18,60 gpm (70,40 lpm)



Peso: 2,9 kg

Abaixo, na figura 29, pode-se notar o comportamento do sistema para a simulação simples, apenas utilizando os parâmetros relativos às características das bombas e tubulação de alumínio com diâmetro uniforme de dash 8 (12,7 mm).


29

Figura 31 – Comportamento – Comportamento da pressão do sistema (Single run)

Figura 32 - Comportamento da pressão no sistema (Simulação em Batch)


30

Figura 33 – Ampliação – Ampliação no comportamento da pressão no sistema (Simulação em Batch)

Como mostrado nos gráficos das simulações em batch da tubulação, pode-se notar que algumas configurações de diâmetros atingem níveis de pressão abaixo do valor exigido em projeto (~166 bar). Analisando as combinações, buscando agora não mais a menor variação de pressão no sistema, mas sim a que, com menor diâmetro de tubulação, ficasse entre os limites de pressão especificados, a fim de otimizar em relação ao peso. Com esse critério, abaixo o gráfico com o comportamento de pressão do sistema da simulação em batch com combinações de menores diâmetros nos trechos mais críticos do sistema (saídas das bombas e linha de alimentação do profundor), onde existem maiores pressões devido ao bombeamento do fluido e menores pressões devido às perdas de carga. Pode-se verificar que em alguns casos, os resultados apresentaram valor de pressão inferiores aos requeridos de projeto. Isso significa que, apesar de otimizado em relação ao peso, o sistema não apresenta as características necessárias para a operação.


31

Figura 34 – Comportamento – Comportamento da pressão do sistema com parâmetros otimizados (Simulação em Batch)

Retirando da simulação os parâmetros referentes a essa pressão fora do especificado, obtémse os resultados conforme figura abaixo.

Figura 35 – Comportamento – Comportamento da pressão do sistema com parâmetros otimizados (Simulação em Batch)


32

Pode-se notar que as simulações que apresentaram melhores resultados foram as de número 14 e 18, sendo destas a que melhor apresenta valores para otimizar o sistema em relação ao seu peso a de número 14 que estabelece diâmetro de tubulação de 6,35 mm para linhas de alimentação dos profundor e 9,525 mm para o restante da tubulação do sistema. Abaixo uma tabela com estimativa de peso do sistema otimizado. ESTIMATIVA DE PESOS DA TUBULAÇÃO - Seleção Final TITANIO - DENSIDADE 4507 kg/m³ Identificação da Tubulação

rea [Dext-Dint] Comprimento (mm²) (mm)

ALUMÍNIO - DENSIDADE 2697 kg/m³ Peso Estimado Identificação da (kg) Tubulação

rea [Dext-Dint] Comprimento (mm²) (mm)

Peso Estimado (kg)

L01

15,08718456

4050

0,28

L01

29,0850093

4050

0,32

L02

15,08718456

4230

0,29

L02

29,0850093

4230

0,33

L03

15,08718456

1650

0,11

L03

29,0850093

1650

0,13

L04

15,08718456

1460

0,10

L04

29,0850093

1460

0,11

L05

15,08718456

870

0,06

L05

29,0850093

870

0,07

L06

15,08718456

980

0,07

L06

29,0850093

980

0,08

L07

15,08718456

12900

0,88

L07

29,0850093

12900

1,01

L08

15,08718456

5050

0,34

L08

29,0850093

5050

0,40

L09

15,08718456

3040

0,21

L09

29,0850093

3040

0,24

L10

15,08718456

4940

0,34

L10

29,0850093

4940

0,39

L11

15,08718456

2100

0,14

L11

29,0850093

2100

0,16

L12

15,08718456

1950

0,13

L12

29,0850093

1950

0,15

L13

15,08718456

2340

0,16

L13

29,0850093

2340

0,18

L14

8,482300165

3360

0,13

L14

20,21762842

3360

0,18

L15

8,482300165

1040

0,04

L15

20,21762842

1040

0,06

L16

15,08718456

2020

0,14

L16

29,0850093

2020


3,40


0,16

3,97

Tabela 11 - Tabela de estimativa de peso da tubulação do sistema De acordo com a tabela 11, pode-se especificar o material a ser utilizado na elaboração do sistema 2 que, de acordo com a tabela tem-se a seleção do material de titânio que apresenta menor peso. Abaixo a última simulação feita com os parâmetros selecionados.


33

Figura 36 – Comportamento – Comportamento da pressão do sistema com parâmetros escolhidos

Com o gráfico acima, pode-se notar que a pressão do sistema atendeu aos requisitos de projeto.

Figura 37 – Modelo do sistema com acumulador


34

Figura 38 – Modelo – Modelo do sistema com acumulador

Pode-se verificar, comparando o sistema com e sem acumulador, que os picos de pressão são alterados, isso é, no sistema sem acumulador nota-se que existem picos de baixa pressão devido a perda de carga durante acionamento dos atuadores. Já no sistema com o acumulador, como possui uma ‘reserva’ de pressão, os picos de

baixa pressão somem, dando origem aos picos de alta pressão devido a alimentação do sistema pelo acumulador. Mesmo com esses picos de pressão, o sistema se comporta como esperado e os valores de pressão estão dentro dos exigidos.


35


Figura 39 – Esquema – Esquema proposto do sistema 1

Sistema 3

L01 L02 L03 L04 L05 L06 L07 L08 L09 L10

4750 4180 1820 2920 1020 11600 6250 5450 5740 3220

Tabela 12 - Comprimento das tubulações do sistema hidráulico 3 (em mm)

Valores máximos de vazão para seleção das bombas [gpm] Máxima Vazão ACMP

4,13

Tabela 13 – Valores – Valores de máxima vazão para as bombas do sistema 3


36

Modelo AMESim do sistema 3 Figura 40 – 40 – Modelo

Figura 41 – Comportamento – Comportamento da pressão do sistema

Nota-se que há uma queda de pressão no sistema que leva à uma pressão inferior à pressão mínima exigida, o que pode ser explicado pela alta perda de carga MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos Hidráulicos

37

causada pela válvula restritora de vazão que possui orifício de pequeno diâmetro (2,5 mm).

Figura 42 – Modelo – Modelo AMESim do sistema 3

Figura 43 – Comportamento – Comportamento da pressão do sistema com acumulador


38

4. Desenvolvimento Projeto Projeto 2 Após apresentados os componentes dos sistemas, realizamos uma modelagem de bomba com reservatório para entender o funcionamento dos modelos da biblioteca Termo-Hidráulica do AMESim. Através dessa modelagem, compreendemos o mecanismo de troca de calor entre o fluido e o ambiente externo.

Figura 44 – Modelo – Modelo para simulação do Reservatório com a bomba Termo-Hidráulica

Os parâmetros modificados, são para conferência da evolução da temperatura do fluido nas tubulações e o tempo de estabilização do sistema. Os seguintes parâmetros de simulação foram utilizados:

Figura 45 – Parâmetros – Parâmetros de simulação do reservatório


39

Figura 46 – Parâmetros – Parâmetros de simulação do material de troca de calor do reservatório

Parâmetros de simulação do modelo de convecção Figura 47 – 47 – Parâmetros


40

Parâmetros de simulação da Bomba Hidráulica Figura 48 – 48 – Parâmetros

Figura 49 – Parâmetros – Parâmetros de simulação do motor da Bomba


41

Parâmetros de simulação da válvula unidirecional Figura 50 – 50 – Parâmetros

Como resultado da simulação, temos o seguinte gráfico:

Gráfico 1 – Curva – Curva de Temperatura do Sistema x Tempo


42

Constatamos então, que o Sistema parte da temperatura inicial do projeto, 65°C e aumenta de forma não linear e também não rapidamente conforme tempo de simulação, até estabilizar em uma temperatura próxima de 125°C. Conforme a proposta do projeto, a bomba utilizada nessa operação possui um sistema para coletar o fluido que vaza dos pistões e redireciona para o reservatório atuando como fonte de calor para a bomba denominado d enominado Case Drain. Podemos verificar esses efeitos com a seguinte configuração na simulação:

Figura 51 – Modelo – Modelo para simulação do Reservatório com a bomba Termo-Hidráulica e Case Drain

Ao aplicarmos essa configuração ao sistema, temos o seguinte gráfico:

Gráfico 2 – Curva – Curva de Temperatura do Sistema x Tempo


43

Com base no gráfico acima, constatamos que com a aplicação do case drain, a temperatura do sistema estabiliza a uma temperatura superior ao sistema sem o case drain, aproximadamente 190°C, e em um tempo menor.

Sistema 1 A figura abaixo demonstra o esquema proposto para o sistema 1.

Figura 52 – Esquema – Esquema do Sistema 1

Seguindo os parâmetros fornecidos para o projeto, construímos o modelo AMESim para o esquema anterior, conforme demonstrado na figura abaixo:

Figura 53 – Modelo – Modelo do Sistema 1


44

Para realizar a simulação do sistema, utilizamos os seguintes parâmetros:

Figura 54 – Parâmetros – Parâmetros de simulação da Bomba Hidráulica

Figura 55 – Parâmetros – Parâmetros de simulação do reservatório


45

Figura 56 – Parâmetros – Parâmetros de simulação do material de troca de calor do reservatório

Parâmetros de simulação do modelo de convecção Figura 57 – 57 – Parâmetros


46

Parâmetros de simulação do modelo de convecção do Case Drain Figura 58 – 58 – Parâmetros

Figura 59 – Parâmetros – Parâmetros de simulação do material de troca de calor do Case Drain


47

Parâmetros de simulação da fonte de calor Figura 60 – 60 – Parâmetros

Figura 61 – Parâmetros – Parâmetros de simulação da válvula de alivio

Realizada a simulação, temos as curvas de temperatura do fluido nas tubulações do sistema. Como no exemplo, podemos constatar a evolução da MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos Hidráulicos

48

temperatura no tempo, onde as curvas possuem uma característica crescente não linear até o ponto de estabilidade térmica. O gráfico abaixo demonstra a evolução térmica das tubulações.

Gráfico 3 – Curva – Curva de Temperatura do Sistema 1 x Tempo

Como conclusão do gráfico acima apresentado, em algumas tubulações a temperatura de operação chega a aproximadamente 130°C, excedendo o limite de operação do fluido hidráulico Skydrol. Para otimizar a operação, elaboramos 3 alternativas no sistema.

Adição de Trocador de Calor Primeiramente, adicionamos um trocador de calor após o filtro, na linha de pressão, conforme ilustrado na figura abaixo:


49

Figura 62 – Modelo – Modelo do Sistema 1 com trocador de calor após filtro na linha de pressão


Como segunda alternativa, adicionamos um trocador de calor entre o reservatório e bomba hidráulica, conforme ilustrado na figura abaixo: MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos Hidráulicos

50

Figura 63 – Modelo – Modelo do Sistema 1 com trocador de calor entre o reservatório e a bomba hidráulica


Na última alternativa, adicionamos um trocador de calor no retorno do reservatório de fluido hidráulico, conforme ilustrado na figura abaixo: MP-706 Projetos de Sistemas Hidráulicos Hidráulicos

51

Figura 64 – Modelo – Modelo do Sistema 1 com trocador de calor na entrada do reservatório



52

Conforme análise dos gráficos acima, podemos constatar uma redução da temperatura máxima de operação em todos os casos, porém ainda possuindo uma parte do sistema trabalhando acima da temperatura máxima de trabalho do Skydrol (115°C). Com isso, aplicamos uma alternativa que não implica em aumentar a quantidade de trocadores de calor, que é o caso da imersão da tubulação hidráulica no tanque de combustível da aeronave.

Imersão A imersão da tubulação hidráulica no tanque de combustível tem como objetivo aumentar a troca de calor do sistema através das paredes dos tubos em contato com o combustível que se encontra em temperaturas muito baixas em operação. A figura abaixo ilustra o sistema na condição submersa no tanque de combustível.

Figura 65 – Modelo – Modelo do Sistema 1 com imersão da tubulação hidráulica

A imersão é feita apenas na tubulação das superfícies de controle da asa principal da aeronave, onde se localiza o tanque de combustível. No gráfico abaixo podemos verificar o efeito que isso causa nos outros sistemas.


53

Curva de Temperatura do Sistema 1 x Tempo Gráfico 7 – 7 – Curva

Conforme o gráfico nos mostra, a imersão da tubulação hidráulica das superfícies de controle das asas principais resultou em uma diminuição da temperatura de operação das mesmas e se propagou para os outros sistemas conectados, tornando viável a operação sem exceder o limite do fluido Skydrol.

Sistema 2 Analogamente ao Sistema 1, modelamos o Sistema 2 no software AMESim conforme a figura abaixo.


54

Figura 66 – Modelo – Modelo do Sistema 2

Sistema 3 Também como o Sistema 2, modelamos o Sistema 3 no software AMESim conforme figura abaixo.

Modelo do Sistema 3 Figura 67 – 67 – Modelo

Os Sistemas 2 e 3 não foram simulados, apenas modelados.


55

Conclusão A utilização de ferramentas de simulação é cada vez mais importante no desenvolvimento de sistemas e principalmente no desenvolvimento de sistemas complexos como os sistemas das aeronaves. Nesse trabalho realizamos diversas simulações e verificamos diferentes resultados conforme alterávamos os parâmetros de operação e configuração do sistema. É muito interessante a forma como pequenas mudanças nos parâmetros causam grandes alterações nos resultados. Verificamos os efeitos da capacidade das bombas hidráulicas, do uso de acumuladores, e trocadores de calor. Quanto ao software utilizado, AMESim, sem dúvida seus resultados são bem detalhados e representa com perfeição, nos milésimos de segundo, os resultados do sistemas real. Porém no caso desse trabalho, também pelo tempo de contato com o software, afirmo que não é um software amigável, nada fácil de se operar, uma vez que não informa onde ocorreram os erros da simulação, as vezes gerando ou permitindo gerar erros na modelagem. Perde-se muito tempo apenas desenhando o sistema. Como engenheiro, não indicaria como ferramenta a ser adquirida pela empresa. Necessita de muitas modificações para se tornar uma ferramenta mais ágil. É uma ferramenta que causa muito estresse. Para finalizar, o trabalho foi válido para o entendimento do comportamento dos sistemas e possíveis construções para a solução de problemas específicos do sistema.


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Projeto de Sistemas Hidráulicos

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