CONSTRUÇÃO DE UM TUBO DE DETONAÇÃO

Transcrição

1 Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XVII ENCITA / 2011 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil 19 de outubro de 2011 CONSTRUÇÃO DE UM TUBO DE DETONAÇÃO Rafael Anthero ITA Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes 50. São José dos Campos - SP Bolsista PIBIC-CNPq rafael.anthero@gmail.com Amilcar Porto Pimenta ITA Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Aeronáutica Praça Marechal Eduardo Gomes 50 São José dos Campos - SP Bolsista PIBIC-CNPq amilcar@ita.br Resumo. O estudo de ondas de detonação vem a ser fundamental para compreender como funcionam diversas aplicações futuras tendo como exemplo motores hipersônicos. Para isso deu-se início ao projeto de um Tubo de Detonação comumente conhecido como vaso de pressão que possibilita a medição de velocidade e de pressão de ondas de detonação de diversos tipos de combustíveis. Etapas se mostraram necessárias para realizar a primeira etapa do projeto tais como: estudo do projeto inicial francês fazendo adaptações necessárias para tornar viável a construção no Brasil; produção da lista de materiais necessários para o projeto; projeto em software 3D (Catia); início da construção do tubo; resolução de problemas no decorrer dos processos. Palavras chave: Tubo de detonação vaso de pressão motores hipersônicos. 1. Introdução O projeto deu-se início no segundo semestre de Inicialmente foi estudado o projeto original (cedido pelo professor Pierre Vidal da Universidade Poitiers França) com o intuito de torná-lo viável para construção no Brasil. Nele fotos e pequenas informações descreviam o tubo de detonação Frances que é usado para análises de combustíveis conforme as figuras abaixo: Figura 1. Parte do material original Frances cedido. A Figura 1 mostra o esquema do tubo de detonação utilizado na França. Cada elemento (E1 M1 M2 e E2) consite de um tudo e cada seta do indice CP indica um sensor de pressão que é fixado ao tubo para captação dos dados desejados.

2 Figura 2 - Tubo de detonação Frances em operação (foto sedida por Pierre Vidal - Universidade Poitiers - França) Modificações foram necessárias pois peças de cunho industrial do projeto Frances não apresentavam as mesmas especificações que as similares brasileiras e devido à necessidade de adaptar o projeto para as necessidades do ITA. Um primeiro exemplo é os flanges do tipo macho/fêmea cuja revenda não é encontrada no Brasil. Figura 3 - Flanges usadas no Brasil (desenho sedido por Macrogel)

3 Figura 4 - Flanges necessários ao projeto (desenho sedido por Pierre Vidal - Universidade Poitiers - França) Posteriormente por meio da análise de fotos do projeto Frances utilizou-se a engenharia reversa para criar desenhos em software 3D (CATIA) facilitando a concepção do projeto como um todo. Com o projeto em 3D em mãos foi possível confeccionar a lista de todos os materiais necessários ao projeto que devido ao seu custo elevado necessitou de processos de licitação para a compra de materiais ocasionando em uma pesquisa de mercado mais rigorosa. No processo de usinagem foi possível ser feito as peças necessárias ao projeto estando estas feitas por completo. Com o projeto em andamento viu-se a necessidade de ensaios não destrutivos dos materiais críticos do ensaio sendo estes os tubos flanges e tampas. Foram realizados ensaios com líquido penetrante. Uma vez aprovado todos os materiais um segundo ensaio desta vez por raios-x. Na analise dos materiais utilizados percebeu-se que o material do mesmo não apresenta grandes imperfeições somente marcas de usinagem algo comum em matérias com elevada dureza como o utilizado no projeto como um todo. Por este fato todo o material adquirido foi aprovado para soldagem. A soldagem das bases dos sensores e flanges no tubo foi realizada pelo IEAv por este possuir o material necessário para usinagem de aço inoxidável e ter pessoal qualificado para tal uma vez que o processo requer conhecimento uma vez que a soldagem e um dos fatores determinantes para o sucesso do projeto. Um fator interessante vem a ser um erro na soldagem no projeto original francês em que um erro de alinhamento do flange ocasionou um vazamento durante um dos ensaios destruindo o equipamento. Um erro como este será mitigado no projeto brasileiro por meio de uma segunda analise com liquido penetrante e raio-x em todas as partes do equipamento após a soldagem. Com isso diminui-se a chance de vazamento e com isso destruição do projeto e aumentando sua segurança. 2. Descrição de procedimentos De inicio foi cogitada a utilização do aço AISI 316 um aço comum em turbinas para a utilização no projeto como um todo. Todavia após melhor análise este aço mostrou-se com características não condizentes para a utilização no projeto por ter características muito superiores as condições dos testes tais como resistência a altas temperaturas e a picos de pressão. Como substituto foi utilizado o aço AISI 304. Na Figura 5 pode ser visto que a dureza do AISI 316 é superior principalmente sob condições de alta temperatura. Como teremos somente uma queima de combustível e não uma série destas a temperatura média na parede interna do tubo pode ser considerada mais próxima de 300ºC do que de 500ºC. Nestas condições a curva de dureza do aço AISI 304 se mostra superior a do aço AISI 316.

4 Figura 5 - Dureza Vickers para o aço AISI 304 e AISI 316. Encontrou-se dificuldade na usinagem de peças pois aços da família AISI apresentam a característica de aumento da dureza conforme ele é usinado. Este fato pode ser observado na figura acima pois conforme a usinagem se processa a temperatura do material aumenta consideravelmente aumentando assim sua dureza. Ferramentais como serras e laminas de usinagem com elevada dureza Vickers mostraram-se necessários para solução do problema. Com a necessidade de licitação obtivemos dificuldades na disposição de fornecedores diversos dos materiais desejados principalmente devido suas dimensões. Após a pesquisa de mercado os sensores e amplificadores da marca Kistler utilizados no projeto Frances mostraram-se com um custo muito elevado para a verba destinada ao projeto. Com isso estudou-se a possibilidade de eles serem fabricados tendo assim um produto totalmente nacional. Erro na usinagem de uma dos flanges. O pouco conhecimento no âmbito de construção de tubos de detonação e o fato de não haver literatura especializada no assunto trouxe diversas dificuldades para o projeto por este ter a necessidade de ser seguro uma vez que se trabalha com pressões acima de 100bar. Com o decorrer do projeto percebeu-se a necessidade de realizar procedimentos que de inicio não foram cogitados. Entre eles o processo de analise dos materiais não havia sido cogitado todavia com o conhecimento na área de matérias viu-se a necessidade de tal procedimento para diminuir os riscos do projeto e aumentar a possibilidade de seu sucesso Projeto desenvolvido Em 2009 o projeto no software CATIA não apresentou dificuldades maiores pois o que fora planejado anteriormente estava condizente com a necessidade do projeto. Para a escolha de materiais de inicio foi cogitada a utilização do aço AISI 316 um aço comum para turbinas na concepção do projeto como um todo. Todavia após pesquisa de mercado seu preço mostrou-se elevado quando comparado a outros aços. Após analises conjuntas com o CCM concluímos que a utilização do aço AISI 304 seria mais condizente ao projeto por ser de custo menor e estar dentro das necessidades técnicas do projeto (resistência a picos de pressão). Não obstante por trabalharmos com aços da família AISI que apresentam a característica de aumento de sua dureza conforme este é usinado necessitamos da ajuda conjunta do FENG e do Centro de Competência em Manufatura (CCM) para usinar as peças necessárias ao projeto. Para a usinagem de flanges e tampas para o projeto conseguiu-se utilizar as máquinas do FENG. Durante o processo como um todo o tempo gasto foi muito maior do que o esperado pois conforme afirmado anteriormente a dureza do material fez com que cada corte nas bitolas levasse mais de um dia. Foram necessárias mais serras do que o esperado por terem vida útil mais baixa devido à dureza do aço AISI 304. Não obstante obtivemos problemas de superaquecimento da máquina de corte utilizada devido ao seu trabalho continuo e em seu limite de resistência tendo como consequência a necessidade de pausar o trabalho por longos períodos. Após ter as peças usinadas pode ser comprovado que o projeto inicial estava condizente com o esperado. Medições foram feitas com o produto final em mãos com o intuito de corrigir erros de projetos e de usinagem. Um erro

5 na leitura de uma das medidas levou a fabricação errônea de uma dos flanges sendo necessária uma modificação para torna-la viável para utilização no tubo de detonação. Após a pesquisa de mercado os sensores e amplificadores da marca Kistler utilizados no projeto Frances mostraram-se com um custo muito elevado para a verba destinada ao projeto. Fora cogitada a utilização de sensores e amplificadores da marca AVL comumente utilizados para análises de motores a diesel por já possuirmos algumas unidades destes. Todavia tornou-se inviável por não serem mais fabricados os modelos que já possuímos o que levaria a compra de todo o material novo elevando novamente os custos. A licitação de produtos tornou-se mais demorada do que imaginávamos pois havia a necessidade de um mínimo de três fornecedores daquilo que é necessário ao projeto e como estamos trabalhando com peças especiais principalmente devido suas dimensões a busca de fornecedores tornou-se difícil. Os tubos de admissão de gás também se mostraram de custo elevado todavia sua fabricação não reduz o custo final do produto como ocorreu com outras partes do projeto como os flanges. Por isso será necessária uma nova licitação para poder ser adquirido o restante de material necessário. Nos ensaios não destrutivos realizados todas as peças analisadas não apresentaram defeitos estruturais que comprometessem a segurança do projeto. Com isso foi possível obter o certificado que garante a segurança do projeto como um todo. Ainda têm-se etapas necessárias para o cumprimento geral do projeto sendo estas: Aquisição ou fabricação de sensores; Montagem final do projeto. Algumas das etapas que o projeto passou podem ser mostradas por meio das figuras a seguir: Figura 6 - Desenho em software CATIA de uma dos flanges utilizadas no projeto.

6 Figura 7 - Exemplo do flange do tipo macho/fêmea usinado. Figura 8 - Desenho em software CATIA do flange cega (tampa) utilizada no projeto.

7 Figura 9 - Exemplo do flange cega usinado. Figura 10 - Desenho em software CATIA do Tubo de Detonação montado.

8 Figura 11 - Detalhe da espessura da parede do tubo (1/2 ). Figura 12 - Drafting do flange central para admissão do combustível.

9 Figura 13 - Flange central para admissão do combustível usinada. Devido a elevados picos de pressão o projeto do vaso de pressão tornou-se dificultoso pela necessidade de ser viável às condições brasileiras e ao mesmo tempo seguro. Não obstante juntamente com o projeto está sendo adquirido um conhecimento novo pois não se tem registros de tubos de detonação no território nacional. 3. Agradecimentos Primeiramente não podemos deixar de agradecer o professor Amilcar Porto Pimenta por ser aquele em que nos deu a chance de trabalhar neste projeto mesmo não nos conhecendo anteriormente. Não menos responsável pela concepção do projeto está o Professor Pierre Vidal da Universidade Poitiers da França por nos honrar com as ideias necessárias para a construção no vaso de pressão brasileiro. Agradecemos também o professor Jefferson de Oliveira Gomes do CCM por nos ajudar com a usinagem de peças. Pelo mesmo motivo temos de agradecer o técnico mecânico Ronaldo da Silva Menezes do laboratório FENG. Ao engenheiro Ivan Anthero devemos agradecer por passar seus conhecimentos em materiais e pela ajuda na busca de fornecedores. Não poderíamos deixar de agradecer a CNPq por toda ajuda dada ao projeto. 4. Referências Vidal Pierre Relatório de Projeto do Tubo de Detonação Francês Universidade Poitiers França. Nascimento F. C. Foerster C. E. A comparative study of mechanical and tribological properties of AISI-304 and AISI-316 submitted to glow discharge nitriding UFPR UEPG UFRN Brasil.