PROJETO DE HÉLICE ÓTIMA PARA VANT ITA-CHESF
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- Ana Lívia César Valente
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1 Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil 20 de outubro de 2010 PROJETO DE HÉLICE ÓTIMA PARA VANT ITA-CHESF Igor Pires de Melo Braga ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Graduando em Engenharia Aeronáutica Pça. Mal. Eduardo Gomes 50 Vila das Acácias São José dos Campos - SP - Brasil Bolsista PIBIC-CNPQ igor.aer.ita@gmail.com Eng Fernando Romagnoli R & D Structures / Materials EMBRAER - São José dos Campos SP - Brasil fernando.romagnoli@embraer.com.br Cristiane Aparecida Martins ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Aeronáutica Pça. Mal. Eduardo Gomes 50 Vila das Acácias São José dos Campos - SP - Brasil cmartins@ita.br Resumo: O presente texto aborda as etapas que culminarão na construção da geometria CAD da hélice ótima para o veiculo VANT projetado pelo ITA para a CHESF. De um banco de perfis de aerofólios fornecidos e um conjunto de especificações para o VANT um algoritmo genético conseguia indicar o perfil mais adequado para a hélice e indicava uma distribuição de cordas e torção que otimizassem o desempenho. O algoritmo gerava as curvas adimensionais da hélice. Com a geometria indicada construiu-se um modelo CAD da hélice afim de que se possa construir a peça através de deposição de fibra de carbono e posterior teste em banco com modelo em escala. Palavras chave: VANT CHESF Genético VBA Hélice 1. Introdução O VANT projetado pelo ITA surge da necessidade da CHESF (Companhia Hidro Elétrica do São Francisco) em vistoriar linhas de alta tensão. A empresa precisava de um aparelho leve econômico veloz e manobrável. Ao encontro do Projeto o Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA toma a frente através de seus departamentos. Basicamente o Departamento de Eletrônica encarregou-se dos sistemas embarcados como piloto automático imageamento e banco de dados. À Divisão de Aeronáutica - IEE coube o projeto estrutural da aeronave precedida da análise aerodinâmica e propulsiva (escolha de Power Plant). Dentro da IEE a divisão de Propulsão sugeriu um conjunto moto-propulsor bastante eficiente para o VANT. Tal etapa foi encabeçada pela Professora Cristiane Aparecida Martins do IEE (Orientadora) juntamente com o Mestre Engenheiro Fernando Romagnoli (PEE - Embraer). A hélice a ser ensaiada no VANT era tema da tese de Mestrado de Fernando Romagnoli que criara um software baseado em Algoritmo Genético (Visual Basic) capaz de apontar dentre um conjunto de aerofólios aquele mais indicado para a hélice. O VBA_Prop software em questão busca otimizar o desempenho da hélice indicando distribuições radiais de corda e de ângulos de torção. Da geometria sugerida o programa traça os parâmetros adimensionais da hélice demonstrando o desempenho teórico. Com a geometria ótima fornecida pelo VBA_Prop faz-se o modelo CAD da hélice buscando a sua construção. Uma vez que se tenha o objeto em escala reproduzem-se testes em bancos estáticos para comparar valores teóricos e experimentais de desempenho. 2. Descrição do problema O início do trabalho deu-se com a familiarização da teoria de hélices no segundo semestre de O assunto até então desconhecido para o bolsista envolveu um conteúdo longo e complexo como adimensionalização Teorema de Pi s de Buckingham Teoria Simplificada de Hélices e coeficientes adimensionais. Em 3 semanas assimilou-se um conteúdo dado em 1 bimestre da graduação em Engenharia Aeronáutica disciplina de PRP-30. O estudo foi acompanhado da leitura da tese de Mestrado de Fernando Romagnoli (Co-orientador) quando teve-se contato com o algoritmo do software VBA-Prop de autoria de Romagnoli.
2 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 1: Tabela de Inputs do VBA_Prop O programa possui como inputs especificações do VANT a ser construído como raio máximo da hélice número de pás velocidade de cruzeiro rotação e potência do motor. O motor sugerido para o VANT foi o Zenoah (...) e a partir daí chegou-se a um valor de 60cm (24 pol) para diâmetro da hélice a ser produzida. O programa possuía ainda um banco com 16 perfis para compor a hélice. Através de algoritmo genético o VBA_Prop selecionava aquele mais indicado para a hélice através da combinação de teorias simplificadas de hélices como a do disco atuador e a do modelo de pás discretizadas. Uma vez que tal modelagem era feita aplicavam-se critérios iterativos como condições de contorno como o de mínimas perdas energéticas descritos separadamente por (Larrabee Adkins e Roskam). Dessa forma o VBA_Prop mostra-se como um otimizador de geometrias préestabelecidas. Os aerofólios em questão eram tratados pelo software que para cada um em questão sugeria distribuições radiais de corda e de ângulos de torção utlizando polinômios ineterpoladores maximizadores de desempenho. Para isso a hélice é discretizada em 20 seções.
3 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 2: Tabela de saída do VBA-Prop (Notar a distribuição radial de cordas ângulos de torção e valor de coeficientes adimensionais) Tabela 1: Banco de aerofólios listados no VBA-Prop 1 ARA D6 re 50K 2 ARA D6 re 100K 3 clark y re 100K 4 clark y re 500K 5 E193 re 100K 6 E193 re 300K 7 flat plate re 100K 8 flat plate re 500K 9 MH re 500K 10 MH re 500K 11 MH re 500K 12 MH re 500K 13 MH 126 re 500K 14 NACA 4415 re 05E6 15 RAF6 16 NACA 10 Na tabela acima a representação ao lado dos Aerofólios indicam o Reynolds em que os mesmo foram ensaiados no VBA-Prop. Os valores de desempenho para cada aerofólio podem ser conferidos na aba Output em formato de planilha de Excel. Na tabela em questão são fornecidos valores de coeficiente de avanço (J) coeficiente de tração (ct) coeficiente de Potência (Cp) coeficiente de torque (cq) eficiência da hélice (η) e empuxo (T) para vários regimes de velocidade de vôo (V) para uma determinada metodologia de otimização - Figura 3.
4 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 3: Aba output do VBA_Prop para a teoria de Adkins Figura 4: Distribuição de coeficientes adimensionais em relação ao coeficiente de avanço. As figuras 3 e 4 são particulamente importantes porque serão comparadas com os parâmetros experimentais a serem colhidos nos laboratórios do ITA. Com os valores de entrada setados conforme a figura 2 o resultado encontrado por Romagnoli via VBAProp foi de que o aerofólio 15 RAF6 seria a seção que maximizaria a performance (eficiência e tração) da hélice para os 4 grupos que discretizam-na. Esses grupos estariam dotados dos seguintes ângulos de ataque (em graus) mostrados na tabela 2. Tabela 2: Outputs do VBAProp Aerofólio Nome Ângulo de Ataque (deg)
5 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de ao 5 RAF ao 10 RAF ao 15 RAF ao 20 RAF 6 4 As figuras que representam as geometrias da tabela 2 são a 5 e a 6. Figura 5: Comprimento das cordas distribuído radialmente Figura 6: Valores de ângulo de torção distribuídos radialmente Em testes posteriores Romagnoli comparou a performance da hélice otimizada com hélices comerciais e consegui demonstrar que a primeira era realmente melhor em regime de cruzeiro do VANT por exemplo (ver figuras 7 e 8).
6 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 7: Curvas de eficiência em função do avanço da hélice Figura 8: Curvas de tração em função da velocidade de cruzeiro do VANT Enfim Romagnoli conseguiu comprovar a capacidade do VBAProp em sugerir geometrias ótimas para hélices. As figuras dessa seção são idênticas às figuras usadas por Romagnoli em sua tese e foram cedidas gentilmente para confecção desse trabalho. Após a leitura da tese o passo seguinte foi a organização de uma apresentação (tipo Powerpoint) por parte do Orientado para a Profa. Cristiane Martins (orientadora) e para Fernando Romagnoli (co-orientador). O objetivo da apresentação seria o de verificar o alinhamento das idéias de todos os envolvidos. Desta reunião ficou-se acertado que o projeto prosseguiria com a construção da hélice sugerida pelo VBAProp. 3. Desenho da Hélice via CATIA O software VBA_Prop fornece a geometria da pá a ser construída. Tal geometria foi exportada para o software CAD Catia v.5 através de uma macro do Excel compartilhada entre os alunos do 3º Ano de Engenharia Aeronáutica do ITA. A macro simplesmente plota no Catia todos os pontos do perfil de uma só vez evitando o esforço repetitivo de se desenhar ponto a ponto. Os pontos que representam o RAF 6 podem ser achados facilmente no site da Universidade de Illinois - EUA Department of Aerospace Engineering. Com os pontos no Catia unimos estes segundo o comando Spline que adequa uma curva suave (exceção do bordo de fuga) Erro! A origem da referência não foi encontrada.. O procedimento repete-se com a criação de 20 planos paralelos que servirão de suporte para as demais seções a serem criadas: lembrar das especificações de corda e de ângulo de torção. Os perfis foram rotacionados segundo 25% da corda de cada perfil (quarto de corda) Erro! A origem da referência não foi encontrada.. A construção de uma superfície formada por esses perfis é facilitada utilizando-se linhas guias através do bordo de ataque e bordo de fuga.
7 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 9: Plotagem dos pontos no Catia e adequação à curva suave Figura 10: Seções distribuídas radialmente para 1 pá Figura 11: Desenho de 1 pá da hélice
8 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Figura 12: Hélice + Cubo O arquivo que representa a Erro! A origem da referência não foi encontrada. contém a geometria final da hélice que se deseja usinar. Porém para isso é necessária a construção de um molde ( negativo da hélice ). Tal molde receberá a deposição de fibra de carbono que será curada e se transformará na hélice desejada. 1. Construção da hélice O presente trabalho não contempla ainda a hélice construída. A intenção é de que à época do Encita (Outubro- 2010) já se tenha toda a comparação teórico-experimental feita. Para tal já se buscou contato com o CCM-CTA que fornecerá o ferramental para a construção do molde da hélice. Para deposição de fibra busca-se uma empresa instalada em São José dos Campos-SP. DISCUSSÃO Como caráter parcial o trabalho se mostrou muito proveitoso devido ao contato com um assunto tão vasto e vertical quanto o exposto na tese de mestrado. Foi de grande ajuda no curso de PRP-30 um conhecimento prévio de Teoria de Hélices. Por outro lado as referências sugeridas por Romagnoli puderam embasar maior o conhecimento acerca do software VBA-Prop no que diz respeito aos critérios de minimização de perdas. Porém é necessário que se diga que o conhecimento em algoritmos genéticos não foi o foco do projeto. Embora descrito de forma resumido na Sub-seção Desenho da Hélice pode-se dizer que essa fora uma etapa também bastante instigante pois conheceu-se várias funções do software Catia v.5. A etapa de desenho esteve restrita a um período de pouco mais de um mês principalmente porque os comandos iniciais eram desconhecidos. Através da leitura de alguns tutoriais do software disponíveis na internet o desenho fora finalizado. Toda a ajuda externa foi muito válida e aqui se reforça mais uma vez a ajuda de Fernando Romagnoli bem como o contato com o CCM Centro de Competência em Manufatura localizado no CTA indicado pela Profa. Cristiane Martins. A continuidade do projeto após a construção da hélice dar-se-á no Laboratório de Engenharia Aeronáutica Prof. Kwei Lien Feng quando todas os coeficientes adimensionais associados poderão ser levantados e comparados com as curvas do VBA_Prop. 4. AGRADECIMENTOS Aos meus orientadores Professora Cristiane pelas aulas sobre Teoria de hélices na graduação do ITA e Fernando Romagnoli por toda a consultoria desde o início do projeto com minhas infindáveis dúvidas minha real gratidão. Agradeço ao CNPQ pela bolsa concedida e pelo apoio. Através do projeto aproximei-me do ramo de pesquisa e desenvolvimento de produto. 5. REFERÊNCIAS Barbosa Fernando. Projeto e Análise de Desempenho de Hélices Ótimas Empregando Algoritmo genético fls. Dissertação de Mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica Área de Aerodinâmica Propulsão e Energia Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos.
9 Anais do XVI ENCITA ITA20 de outubro de 2010 Adkins C. N. and Liebeck R. H. Design of Optimum Propellers Journal of Propulsion Larrabee E. E. Five Years Experience with Minimum Induced Loss Propellers Part I: Theory SAE Techinical Paper Serie International Congress & Exposition Detroit Michigan Roskam J. Airplane Aerodynamics and Performance Dar Corporation Kansas 1997 Airfoils Database -
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