Graduando em Engenharia Eletrnica pela Universidade Carlos
Drummond de Andrade Tatuap SP,
[email protected]
Graduando em Engenharia Eletrnica pela Universidade Carlos
Drummond de Andrade Tatuap SP,
[email protected] 3Graduando em Engenharia Eletrnica pela
Universidade Carlos Drummond de Andrade Tatuap SP,
[email protected] 4Graduando em Engenharia Eletrnica pela
Universidade Carlos Drummond de Andrade Tatuap SP,
[email protected] 5Coordenador e professor
Orientador do curso de Graduando em Engenharia Eletrnica pela
Universidade Car-
los Drummond de Andrade Tatuap SP,
[email protected] 6Coordenador e professor
Orientador do curso de Graduando em Engenharia Eletrnica pela
Universidade Car-
los Drummond de Andrade Tatuap SP,
[email protected] 7Coordenador e professor Orientador
do curso de Graduando em Engenharia Eletrnica pela Universidade
Car-
los Drummond de Andrade Tatuap SP, [email protected]
TURBINA A GS
Bruno Costa , Luan dos Santos , Sergio Botelho , Thadeu Piemonti
4,
Marcos Henrique5, Luis Quintino
6, Valter Menegatti 7 ,
RESUMO
Este artigo ira aborda o tema turbinas, mais especificamente
turbinas a gs, que so as
mesmas utilizadas em aeronaves, neste mesmo ser descrita um
pouco da histria de sua
criao, desenvolvimento e evoluo no decorrer do tempo e como
aplicado atualmente,
o foco principal deste artigo a elaborao de um projeto que
represente o funcionamento
do modelo de uma turbina a qual ser simulado em um tamanho
reduzido afim de demos-
tras uma ideia de como esta turbina seria em seu tamanho real a
metodologia de montagem
e elaborao. Todos os resultados que sero demonstrados na fase de
desenvolvimento e
testes sero apresentados.
Palavras-chave: Turbina, historia, projeto.
mailto:[email protected]:[email protected]
2
1. Introduo
Turbina pode ser definida de maneira simples como um equipamento
construdo
para captar energia mecnica e convert-la em trabalho de eixo. Um
fato conhecido so-
bre turbinas sua larga aplicao na gerao de energia e propulso a
jato. Para enten-
der mais profundamente como o referido equipamento se tornou uma
das mquinas
mais importantes da engenharia atual preciso citar a histria de
sua criao.
Podemos iniciar com Heron de Alexandria e seu invento o
Eolipila, que basi-
camente uma esfera que utiliza vapor direcionado atravs de dois
tubos para gerar mo-
vimento em seu prprio eixo. Porm, apesar do potencial para ser
usada como fonte de
energia mecnica, esta descoberta foi tratada apenas como um
experimento cientifico
curioso. (PEREIRA; 2010)
Figura 1. Ilustrao representativa de Eolipila. Fonte - PEREIRA;
2010.
Com a inveno do foguete no sculo XI, os chineses tambm tiveram
sua con-
tribuio para o que futuramente seria utilizado como meio de
propulso de avies. En-
tretanto na poca essa inveno era utilizada apenas como fogos de
artificio, para meio
de entretenimento e posteriormente essa tecnologia passou a ser
usada para propelir
armamentos de efeito moral.
Em 1290, aps estudar teorias de matemticos renomados como o
inventor gre-
go Arquimedes, um monge ingls chamado Roger Bacon escreveu que o
ar, assim como
a gua, tinha algumas caractersticas de slidos, e chegou concluso
de que se pudesse
ser desenvolvido uma mquina com as caractersticas adequadas, o
ar a suportaria assim
como a gua suporta um navio. (PEREIRA; 2010)
3
1.1 Hlices
Quanto ao surgimento da hlice sabe-se que na antiga China elas j
eram utiliza-
das para propulsionar embarcaes, e tambm h esboos do matemtico,
engenheiro e
inventor Leonardo da Vinci que retratava por meio de desenhos,
planos para um heli-
cptero primitivo que fazia uso de uma hlice slida sem ps.
Possivelmente, ele tenha
sido o primeiro homem a relacionar hlices com propulso area.
O pioneiro em projeo de hlices foi Alberto Santos Dumont, a
projetar hlices
com o intuito de us-las para propelir aeronaves. Ele aplicou o
seu conhecimento para
produzir uma hlice com ps de alumnio no seu biplanador 14 bis.
Alguns dos seus
projetos usavam uma folha de alumnio dobrado como ps, foi a
primeira vez que o
alumnio foi usado na construo de hlices.
Os estudos sobre as hlices avanaram com os irmos Wright. Nesta
poca o co-
nhecimento que se tinha sobre o assunto era obtido apenas de
maneira prtica, ou seja,
tentativa e erro. A principal descoberta dos irmos Wright foi
que o ngulo de ataque
variava de ponto para ponto nas ps em relao ao movimento, com
isso se fazia neces-
srio uma curvatura ou toro ao longo da envergadura de cada p,
isso fez com que
suas ps de hlices fossem apenas 5% menos eficientes em comparao
com as que so
usadas atualmente, aproximadamente um sculo depois. (ARAUJO;
2017)
Figura 2. Hlices em funcionamento. Fonte: ARAUJO; 2017
4
1.2 Motores turbojatos
J foram citadas algumas datas e eventos que tiveram importncia
para o desen-
volvimento das turbinas aeronuticas, todavia, foi apenas no
sculo 20 em que diversos
engenheiros progrediram com os estudos, at que em 1928 a turbina
a gs finalmente
tomou corpo com o conceito de sir Frank Whittle, dando origem ao
formato dos turboja-
tos que conhecemos atualmente. Whittle era apenas um cadete da
fora area real brit-
nica quando submeteu suas ideias sobre motor e reao a turbina
aos seus superiores,
seu conceito foi patenteado em 1932 e tinha como base dois
compressores axiais ali-
mentando um compressor centrifugo de tal modo que o ar era
comprimido e direcionado
para a cmera onde se misturava com combustvel e posteriormente
esse fluxo era diri-
gido as turbinas. Entretanto, seu conceito s saiu do papel em
1937 quando conseguiu
funcionar um prottipo da turbina a gs. (JORDO; 2012)
Paralelamente ao projeto de Whittle, que mesmo com seu potencial
reconheci-
do, no despertou ateno dos fabricantes e do governo britnico. Na
Alemanha o enge-
nheiro Hans Von ohain trabalhava em um conceito semelhante
referente a propulso por
meio de turbinas a gs, e mesmo Hans tendo conseguido esboar suas
ideias apenas de
maneira experimental, a indstria Ernst Heinkel em pouco tempo
firmou parceria para
que fossem desenvolvidas aeronaves dotadas de um motor a reao a
turbina. A partir
desse ponto o desenvolvimento dessa tecnologia acabou se dando
por uma corrida entre
ingleses e alemes, principalmente com o incio da segunda grande
guerra. Apesar de
nenhum combate areo ter ocorrido entre turbojatos, os ingleses
avanaram bastante
com a tecnologia, o provvel motivo de no a usarem nas batalhas
era o receio que a
Alemanha obtivesse essa tecnologia. Depois desses acontecimentos
os motores a jato
inauguraram uma nova era tanto na aviao militar quanto na
civil.
O objetivo deste trabalho desenvolver um prottipo de uma
turbina, para anali-
sar a propulso que ps, com tamanho reduzido e sendo movimentadas
por um motor
eltrico, podem gerar. Alm da experincia de vivenciar todas as
dificuldades que en-
volve uma montagem desse tipo, onde tantas outras pessoas que
estudaram turbinas
tiveram, e por fim relatar todos os resultados. (ARAUJO;
2017)
https://www.tecmundo.com.br/autor/46-fabio-jordao/
5
Figura 3.Motor Turbo jato J85/CJ-610 Fonte: ARAUJO; 2017
2. Metodologia
Para ser efetuada a montagem de uma turbina extremamente
necessrio enten-
der a terceira lei de newton, esta lei afirma que para cada ao h
uma reao igual ou
oposta. Entende-se por "ao" a fora que o corpo exerce em um
segundo, e reao a
fora que um segundo corpo exerce sobre o primeiro. Este o
princpio fsico por trs
do funcionamento de um turbojato.(MORAN; 2103).
A turbina capta o ar pela parte da frente onde ele pressurizado
at um nvel
elevado, aps isso ele misturado ao combustvel do avio e feita a
combusto, pro-
duzindo um jato de gases quentes que gera a acelerao do eixo da
turbina, fazendo com
que mais ar seja sugado pela parte da frente e maior seja a
presso do ar. Para que o
movimento do avio seja iniciado, a fora exercida pelos gases
para trs deve ser maior
que a fora de atrito nos rolamentos das rodas do avio, causando
assim propulso para
frente. Em resumo tudo pode ser definido pela terceira lei de
Newton. O gs da turbina
expelido pelo avio de modo que ele exerce uma fora para trs, e
como toda ao tem
uma reao, surge uma fora contraria exercida pelos gases da
turbina, fazendo com que
o avio se movimente para a frente.(PAUL; 2009).
O nosso prottipo baseia-se inteiramente nos turbojatos, porm
existem diversas
diferenas, a principal delas o meio pela qual ser gerada a rotao
do eixo da turbina.
No usaremos um motor a combusto, e sim um motor eltrico
localizado na parte ex-
terna da turbina.
A seguir, ser detalhada o processo de montagem do prottipo. Para
melhor
compreenso, na maioria das vezes comparamos as partes que
constituem uma turbina
6
profissional (que so fabricadas por processo industrial), com as
que fizemos ou utili-
zamos de outros equipamentos para operarem seu papel no nosso
projeto.
2.1 Cubo central ou eixo da turbina
O eixo responsvel pela sustentao das hlices nas suas devidas
posies, as-
sim como por manter a distncia necessria e sua ligao com o
encapsulamento da tur-
bina, de tal modo que ele precisa ter uma parte mvel para
permitir o giro das hlices e
outra fixa e estvel para dar sustento ao encapsulamento na
figura 4 e possvel ter uma
ideia do eixo central.
Figura 4. Cubo central de uma turbina Fonte: Pratt &
Whitney; 2107
Para desempenhar esse papel utilizamos um cubo de rolamento
para bicicletas, uma pea que atende as caractersticas necessrias
para o projeto, alm
de tamanho apropriado, possui um formato cilndrico e rolamento,
ou seja, ela consti-
tuda de parede dupla com cavidades internas onde se localizam
esferas que movem os
rolamentos, permitindo assim que o eixo gire de forma constante
e a parte externa do
cubo permanea parada e fixa ao encapsulamento. (LIMA; 2107)
http://www.pw.utc.com/company/about-pratt-and-whitneyhttp://www.pw.utc.com/company/about-pratt-and-whitney
7
Figura 5. Cubo de rolamento para bicicletas. Fonte: LIMA;
2017
2.2 Ventoinha e turbina
A parte do turbojato responsvel pela captao do ar para se
iniciar o
efeito de propulso a ventoinha. Ela se situa na entrada da
turbina e o seu funciona-
mento similar ao de um ventilador. O modo pelo qual ela
desenvolve esse papel se d
atravs de suas ps que formam uma hlice. Quanto ao seu
rendimento, uma hlice em
seu melhor regime atinge em torno de 50% a 87% de eficincia,
pois h vrios fatores
que influenciam no seu desempenho, como por exemplo, o ngulo de
ataque das ps ou
o ngulo entre a direo da velocidade resultante. (FILHO;
2014)
Figura 6. Representao de um turbina. Fonte: FILHO; 2014.
Diversos foram os desafios para criaes das hlices do projeto,
tanto para a da
ventoinha frontal, como para as hlices traseiras. Como a
terceira lei de Newton explica,
8
no processo de impulso realizado pela turbina atuam duas foras:
uma de ao e outra
de reao. Quando ns tratamos dos turbojatos elas so classificadas
como trao e for-
a de arrasto, nesta ordem e o que determina o equilbrio dessas
duas foras justamen-
te o ngulo das ps de cada hlice. (FILHO; 2014)
Figura 7. Foto da hlice (lado esquerdo) e da ventoinha acoplada
ao eixo (lado direto).
Fonte: AUTORES.
O processo contrrio da captao a impulso do ar para fora, e os
componentes
responsveis por essa tarefa em nosso projeto so as hlices
traseiras que foram desen-
volvidas da mesma forma que a da ventoinha, porm, com a
finalidade de empurrar o ar
ao invs de sug-lo alm da quantidade ser maior. Foram usadas duas
hlices para de-
semprenhar esse papel, como apresentado na figura 8.
Figura 8. Foto das hlices responsveis pela capitao e escape de
ar da turbina. Fonte: AUTORES.
9
2.3 Motor
Os motores utilizados nos turbojatos so do tipo combusto
interna. Depois que
o ar sugado pela ventoinha ele passa por um compressor rotativo
para ser comprimido
em sucessivos estgios, de modo que ele atinja maior presso antes
de passar pela cma-
ra de combusto. O ar comprimido se mistura ao combustvel, que
queimado na cma-
ra de combusto com auxlio de ignitores. Este processo faz com
que a temperatura do
gs seja elevada a nveis significativos, fazendo com que o
referido se expanda atravs
da turbina na qual a fora extrada para movimentar o compressor.
O gs expandido
sai da turbina atravs dos bocais de sada do motor, produzindo um
jato de alta veloci-
dade.(WALKER; 2012).
De maneira resumida, o processo inteiro similar ao motor de
quatro tempos,
porm, a admisso, compresso, exploso e exausto se do ao mesmo
tempo em dife-
rentes sees do motor. A eficincia mecnica deste motor depende da
razo de com-
presso (presso de combusto/presso de entrada) e da temperatura
da turbina no ciclo.
Figura 9. Representao de uma turbina e seus estgios. Fonte:
JORDO; 2012.
O motor usado em nosso projeto foi do tipo eltrico de baixa
potncia, sua esco-
lha ser justificada no decorrer do trabalho assim como suas
caractersticas de funcio-
namento e os resultados que obtivemos com ele. (JORDO; 2012)
Figura 10. Foto do Motor DC de baixa potncia. Fonte:
AUTORES.
https://www.tecmundo.com.br/autor/46-fabio-jordao/https://www.tecmundo.com.br/autor/46-fabio-jordao/
10
2.4 Custo do Projeto
A seguir ser apresentada uma tabela com os gastos de cada
material
necessrio para o projeto.
Tabela 1. Custo e quantidade dos matrias
Fonte: AUTORES.
No item da tabela 1, chapa de inox, consta o preo do material
que utilizamos
para desenvolver as hlices, assim como o cano de PVC foi o
material do encapsula-
mento.
3. Resultados e Discusso
No decorrer da montagem ficou claro que nosso maior desafio para
realizao
deste projeto seria equilibrar o peso dos materiais utilizados
com sua eficincia, tais
como resistncia, quando se trata de peas para estrutura e
desempenho das partes que
geram movimento ou so movimentadas. Para que a melhor escolha
fosse tomada, fi-
zemos diversos testes e os resultados sero demonstrados e
analisados, assim como a
justificativa de cada escolha.
3.1 Encapsulamento
Na primeira tentativa de montagem do encapsulamento adotamos
como critrio
principal dar uma maior ateno para a resistncia dessa pea. Essa
deciso foi tomada
11
por consequncia do seu principal papel para turbina, que
encapsular seu eixo e suas
hlices, resistindo a todas as vibraes consequente do trabalho
realizado pelo motor e
da passagem de ar. Tais motivos nos levaram a escolher o ao SAE
1020 que um tipo
de ao carbono, muito utilizado em componentes mecnicos como
engrenagens, eixos,
virabrequins, eixos-comando, pinos guia, entre outros.
Utilizando torno mecnico o ao
foi modulado no formato necessrio.
Figura 11. Foto da primeira tentativa de encapsulamento. Fonte:
AUTORES.
No fim do processo obtivemos um encapsulamento com
comprimento
de 18,5 cm e raio de 7,2 cm e o objetivo de ser uma pea
resistente foi alcanado, porm
seu peso ficou em 800g, o que foi muito acima do esperado.
Surgia ento um novo pro-
blema, o benefcio de resistividade da pea no compensava o seu
peso, pois de maneira
alguma seria possvel a utilizarmos, se quisssemos atingir um
efeito de propulso satis-
fatrio.
Para solucionarmos o problema o ao foi substitudo por um
material
mais leve, este material foi o cano PVC de 75mm de raio. Para
modelarmos no formato
da turbina utilizamos massa plstica, com isso obtivemos um
encapsulamento com a
resistncia necessria e significativamente mais leve como
apresentado na tabela 2
12
Tabela 2. Diferena de peso dos encapsulamentos
MATERIAL PESO EM (g)
Encapsulamento com ao 800g
Encapsulamento com cano PVC 350g
DIFERENA: 450g Fonte: AUTORES.
A figura 12 apresenta a foto do encapsulamento final escolhido
para operar no
projeto.
Figura 12. Foto do encapsulamento utilizado no projeto. Fonte:
AUTORES.
3.2 Motor
Quanto ao motor, a principal dificuldade da escolha se deu pelo
fato de ser ne-
cessrio haver um equilbrio de torque (fora) e velocidade, pois
ele deve ter torque
suficiente para movimentar o eixo e consequentemente as ps,
assim como a velocidade
das hlices de extrema importncia para que uma quantidade
suficiente de ar seja su-
13
gada e expelida, de modo que a turbina acoplada a base de
madeira vena o atrito e gere
um deslocamento. Nos testes usamos 4 tipos diferentes de motor.
Para melhor compre-
enso eles foram numerados de 1 a 4 como mostra a figura 13.
Figura 13. Foto dos quatro motores testados. Fonte: AUTORES.
As caractersticas de cada motor so apresentadas na tabela 3.
Tabela 3. Caractersticas dos motores
Fonte: AUTORES.
3.2.1 Teste com motor 1
O primeiro motor que testamos foi um micro motor eltrico DC com
tenso no-
minal de 4.7V a 7.5V, que a tenso recomendada pelo fabricante. O
motivo principal
desse motor ter sido escolhido para testes foi como meio
comparativo, pois j tnhamos
receio de que ele no teria fora suficiente para movimentar o
eixo da turbina. Todavia,
ele possui duas caractersticas muito favorveis: o seu peso, que
de apenas 32g e sua
alta velocidade, de incrveis 24000 RPM (rotao por minuto) quando
alimentado com
7.5V.
Figura 14. Foto do motor de teste 1. Fonte: AUTORES.
14
Se ele fosse capaz de causar rotao no eixo com seu desempenho
total a turbi-
na teria apresentado resultados acima do esperado e ele com toda
certeza seria o motor
escolhido. Porm, no foi o que ocorreu, ao ligarmos o motor ele
no teve torque sufici-
ente para causar movimento do eixo, comprovando assim que
deveramos equilibrar
torque e RPM na escolha do motor, para atingirmos um resultado
satisfatrio.
3.2.2 Teste com motor 2
Referente ao motor de nmero 2, ele tambm possui uma alta
velocidade de
17000 RPM quando energizado com apenas 3v e seu peso de 50g
tambm muito bai-
xo. Esse motor normalmente utilizado para tracionar carros de
brinquedo por esse fato
ele possui uma trao relativamente superior ao do motor nmero 1 e
se tratando de
velocidade e peso, s ficou atrs do motor de testes nmero 1. Na
prtica, quando aco-
plado ao eixo da turbina ele no conseguiu atingir 100% de sua
capacidade, longe disso,
a turbina se mexia apenas levemente e para que isso ocorresse
era necessrio dar um
impulso no eixo para a inercia ser vencida.
Figura 15. Foto do motor de teste 2. Fonte: AUTORES.
3.2.3 Teste com os motores 3 e 4
Como os motores 1 e 2 no tiveram torque suficiente para
movimentar o eixo da
turbina atuando em sua capacidade mxima, a deciso ficou entre os
motores de nme-
ros 3 e 4. Ambos tem torque necessrio para gerarem movimento no
eixo sem que in-
15
fluencie no seu desempenho. Neste caso avaliamos os seguintes
critrios: tenso em
volts (V), ou seja, qual motor desempenha um melhor papel com
menos tenso de ali-
mentao, peso em gramas (g), para que sua massa no influencie na
propulso da tur-
bina e por ltimo, velocidade angular em rotaes por minuto
(RPM).
Figura 16. Foto dos motores de testes 3 e 4. Fonte: AUTORES.
Os resultados obtidos para ambos os motores esto apresentados no
grfico da
figura 17.
Figura 17. Grfico da comparao entre os motores 3 e 4. Fonte:
AUTORES.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
PESO (g) TENSO (V) VELOCIDADE K ( RPM)
Comparao entre os motores 3 e 4
MOTOR 3 MOTOR 4
16
Analisando os dados, fica claro que o motor de nmero 4 obtm
vantagem em
todos os critrios em relao ao motor de nmero 3, sua massa menor
e ele atinge uma
velocidade maior com uma tenso de alimentao inferior. Outro
motivo que nos levou
a escolher o motor de nmero 4 foi o fato deste modelo ter sido
fabricado para uma fun-
o similar que exerce em nosso projeto, que a de gerar movimento
a uma hlice,
pois sua principal utilizao em secadores de cabelo, enquanto o
modelo nmero 3
normalmente usado em impressoras onde no exerce um papel de giro
constante e us-
lo desta forma faria com que no atingisse todo seu potencial,
alm de ter uma vida til
menor.
Figura 18.Foto do motor acoplado ao eixo da turbina. Fonte:
AUTORES.
Figura 19. Foto final do prottipo. Fonte: AUTORES.
17
4. Concluses
A realizao deste trabalho nos proporcionou uma experincia muito
satisfatria
referente aos meios necessrios para obteno de resultados em uma
montagem dessa
complexidade. Um fato que ficou claro no processo de
desenvolvimento foi que, quan-
do se trata da escolha de material ou modelo de pea, sempre se
faz necessrio equili-
brar as vantagens que ele traz para o projeto com suas
desvantagens. No poderamos
apenas visar o desempenho do referido equipamento em sua funo.
Dois exemplos
deixam isso claro: a escolha do encapsulamento e motor. O
encapsulamento inicial teve
de ser substitudo mesmo atendendo ao objetivo principal, que era
dar resistncia a tur-
bina, isso ocorreu porque sua desvantagem referente ao peso era
maior do que seu bene-
fcio de resistncia, j na escolha do motor a ideia inicial era de
um motor com maior
RPM ( rotao por minuto ) pois dessa forma, a turbina geraria
mais propulso, todavia,
notamos que os motores de maior velocidade eram os que tinham
menor tamanho e tor-
que, isso se d pelo fato deles no terem sido projetados para
movimentar uma carga
como o do cubo central de bicicleta. At mesmo os motores de
pequeno porte, que con-
seguiam movimentar o eixo da turbina, deixavam claro em sua
performance que no
estavam atuando em sua capacidade mxima, por isso se fez
necessrio a escolha de um
motor com o RPM um pouco menor, mas de torque suficiente para
que o mesmo atin-
gisse 100% de sua capacidade.
De modo geral, conclumos que o projeto atendeu as expectativas,
tanto na difi-
culdade do processo de montagem e das pesquisas, quanto nos
resultados obtidos. Foi
possvel notar que mesmo sem a utilizao de um motor potente a
combusto, e sem os
compressores rotativos, a terceira lei de Newton se fez
presente, conseguimos captar o
ar pela parte da frente e repeli-lo com velocidade na parte de
trs pelas turbinas, e o ren-
dimento aumentava regulando a curvatura das ps de cada hlice,
dessa forma gerando
movimento.
5. Agradecimentos
Agradecemos a Deus por nos conceder a vida, aos nossos pais pela
dedicao e
ensinamento, ao mestres e coordenador Valter Menegatti da
Universidade Drummond
pelo conhecimento transmitido e apoio, ao amigo graduando em
Engenharia Eletrnica
pela Universidade Carlos Drummond de Andrade, Jorge L. Landim
pelo apoio dado.
18
Referncias
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