Anais do 13O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIII ENCITA / 2007 Instituto Tecnológico de
Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 01 a 04, 2007.
Ensaios de bancada no motor Zenoah 80GT utilizado no VANT do ITA
Vitor Gonçalves da Silva Caldeira Loureiro
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA
Bolsista PIBIC-CNPq
[email protected]
Prof. Dra. Cristiane Martins
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA
[email protected]
Resumo. O objetivo central deste trabalho é a determinação de tração e torque do motor Zenoah 80 GT.
Tal motor será utilizado no VANT (Veículo Aéreo Não-Tripulado) do ITA. Os parâmetros do estudo são de
fundamental importância para o desenvolvimento dos futuros sistemas de controle automático da
aeronave. O trabalho envolveu medição do perfil de velocidade de várias hélices e o desenvolvimento de
software em LabVIEW® para aquisição de dados dos bancos de ensaio (tração/torque e perfil de
velocidades) bem como controle do experimento.
Palavras chave: VANT, motor, ensaio de motor.
1. Introdução
Este trabalho teve por finalidade, determinar algumas características do conjunto propulsivo a ser
utilizado no avião não-tripulado (UAV) que está sendo desenvolvido pelo ITA. Dentre estas características,
estão a tração e o torque proporcionados pelo motor-hélice para cada velocidade de vôo e o perfil de
velocidades na região após a hélice. Inicialmente somente o teste estático foi efetuado, ou seja, para
velocidade de vôo igual a zero.
O motor escolhido para equipar a aeronave foi o Zenoah, modelo GT-80, conforme a Figura 1.1.
Este motor é bi-cilindro, ignição por centelha elétrica e movido a gasolina.
Figura 1.1 – Motor Zenoah GT 80
Figura 1.2 – Modelo utilizando motor GT 80
Portanto, para realizar tal experimento, dois bancos de ensaio foram montados. Um para medir o
perfil de velocidades atrás da hélice, e outro para medir o torque e a tração.
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2. Medição do perfil de velocidades
Como o escoamento produzido pela hélice possui baixas velocidades ( M < 0,3) , o mesmo pode
ser considerado incompressível, e dessa forma, temos pela equação de Bernoulli, que:
p + q = p0
Equação 1
A pressão dinâmica, por definição é dada pela relação abaixo:
q=
1
ρ ⋅V 2
2
Equação 2
Com essas duas relações, podemos perceber que se soubermos a pressão dinâmica do escoamento,
podemos achar a velocidade do mesmo.
Com isso, o nosso problema é reduzido a achar a pressão dinâmica do escoamento após a
passagem pela hélice. Para tanto, foi escolhido o uso de um tubo de Pitot. Este dispositivo possui uma
tomada de pressão estática e outra de pressão total. Retornando a equação de Bernoulli, vemos que a
pressão dinâmica pode ser obtida da diferença entre essas duas últimas.
Dessa forma, é utilizado um transdutor de pressão, conforme a figura abaixo, cujo d.d.p. de saída é
proporcional à diferença entre as pressões total e estática.
Cabe ressaltar que o tubo de pitot não é indicado para medir campos de velocidades no qual o
vetor velocidade esteja desalinhado com o eixo do pitot. Pequenos ângulos de desalinhamento já são
suficientes para causar grandes erros de medição. Entretanto, como, em primeira análise, queremos ter uma
idéia qualitativa do experimento, o tubo de pitot foi utilizado. O campo de velocidade a jusante da hélice
também foi estudado com um anemômetro, e o resultado desta análise foi condizente com o obtido pelo
tubo de pitot.
Figura 2.1 – Transdutor de Pressão
Com o intuito de automatizar as medições, foi utilizado um sistema de aquisição de dados
juntamente com o software LabVIEW. Dessa forma, é possível realizar um grande número de medições
para cada posição pré-definida atrás da hélice.
Como o objetivo é saber a velocidade atrás da hélice para diversos pontos com diferentes
distâncias ao centro da hélice, torna-se necessário um dispositivo que desloque o tubo de Pitot no sentido
do raio da hélice, propiciando a medição nesses diversos pontos. Para isso, foi utilizado a carcaça de uma
impressora, que possui guias lineares e no lugar do carro que originalmente conduzia os cartuchos de tinta,
foi-se adaptado um suporte para o tubo de Pitot, conforme a figura abaixo.
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Figura 2.2 – Esquema do suporte
Ainda com o objetivo de automatizar a experiência, foi-se utilizado um motor de passo na carcaça
da impressora a fim de movimentar o carro que suporta o Pitot. O controle do motor de passo foi
implementado no programa em LabVIEW também.
1.1. Implementação da Programação
O controle do motor de passo é feito através da porta paralela do computador. O motor possui um
circuito elétrico de potência que alimenta o mesmo. Esse circuito possui entradas que quando acionadas
energizam as bobinas do motor de passo. Para que o motor entre em funcionamento, essas bobinas devem
ser energizadas seqüencialmente. Para tal, devemos enviar para a porta paralela uma seqüência de bits de 1
a 8. Dessa forma o motor irá se movimentar em uma determinada direção. Ao enviar a seqüência contrária,
de 8 a 1, o motor irá se movimentar na direção oposta. Pode-se enviar um dado valor para a porta paralela,
através da sub-vi abaixo.
Figura 2.3 – Sub-vi utilizada para controle da porta paralela
Para que o programa envie a seqüência correta (1-2-4-8 e 8-4-2-1), foram implementados dois
pequenos contadores que são responsáveis pelo avanço e recuo do carro com o Pitot. Estes contadores
simplesmente adquirem um elemento de um vetor previamente estabelecido com a seqüência desejada, e
envia esse valor para a sub-vi de escrita na porta paralela, conforme mostra a Figura 2.4.
Figura 2.4 – Contador para movimento do servo
Para a movimentação do motor de passo no sentido contrário, é usado o mesmo contador acima,
entretanto, com a inversão dos valores do vetor acima, ou seja, vetor é definido como (8 4 2 1). O tempo de
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espera de 10 milisegundos no contador acima serve para adequar a velocidade de processamento ao tempo
de resposta do motor de passo.
Os dados referentes à medição do transdutor de pressão, são obtidos com o uso das sub-vi de
aquisição de dados.
O programa de uma forma geral é feito com várias seqüências. A seqüência principal faz com que
as medições sejam efetuadas, juntamente com a incrementação da posição do Pitot, e após isso o Pitot seja
retornado a posição inicial, conforme o fluxograma abaixo.
Seqüência A
1 – Medições e
variação da posição do
Motor.
Seqüência A
2 – Retorno do Pitot a
posição inicial.
Fim do Programa.
No 1° estágio da seqüência A, existe uma seqüência B, que é responsável pela obtenção dos dados
referentes ao primeiro ponto de medição, ponto este que não é necessário o movimento prévio do Pitot.
Seqüência B
1 – Medição e gravação
dos dados do primeiro
ponto.
Seqüência B
2 – Avanço do Pitot, e
medição dos demais
pontos.
Estágio 2 da Seqüência
A.
No estágio 2 da seqüência B, existe uma nova seqüência C, responsável pela parte operacional das
medições dos demais pontos e do avanço do Pitot.
Seqüência C
1 – Avanço da
posição do Pitot.
Seqüência C
2 – Desligamento
do motor.
Aquisição
e gravação
de arquivo
com dados.
Estágio 2 da
seqüência A
O desligamento do motor no estágio 2 da seqüência C é feito com o intuito de cortar o
fornecimento de energia para o mesmo, fazendo com que o motor não se aqueça além do seu limite. Na
Figura 2.5, tem-se a visão do programa inteiro.
Figura 2.5 – Visão geral do programa
Na Fig. 2.6 a montagem utilizada na medição de velocidade das hélices.
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Figura 2.6 – V isão da montagem utilizada para as medidas de velocidade.
As medições foram efetuadas com quatro diferentes hélices acopladas ao motor Zenoah, modelo
GT-80, conforme comentado anteriormente.
Hélice – modelo
Hélice 24 x 10
Hélice 24 x 12
Hélice 22 x 12
Hélice 26 x 8
Tabela 2.1 – Hélices testadas
Características
madeira, marca Zigner
madeira, marca JC
madeira, marca JC
madeira, marca JC
Peso médio (g)
130
175
130
181
A seguir, na Figura 2.7, encontram-se os resultados obtidos para as quatro hélices.
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25,0
20,0
V (m/s)
15,0
10,0
24x12
24x10
22x12
26x8
5,0
0,0
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
0,24
0,26
0,28
-5,0
Posição (m)
Figura 2.7 – Perfil de Velocidades
3. Medição da tração e torque do motor
Para a medição da tração e torque, foi necessário a construção de um banco de ensaio, no qual o
motor fosse afixado e colocado em funcionamento afim de que tais grandezas fossem obtidas. Para tanto,
utilizou-se células de carga dotadas de strain-gages, ou seja, extensômetros elétricos que acusam uma
deformação física de um material. Com isso, podemos relacionar a força ou torque aplicado à célula de
carga com a tensão propiciada pela mesma.
A medição da rotação, neste experimento, também ocorreu de forma automatizada. Com base na
análise da freqüência de vibração do banco de ensaios durante o experimento, é possível obter a freqüência
de operação do motor, e com isso obter a rotação do mesmo. Para tal análise, ambas as células de carga
foram consideradas, e o resultado era obtido quando as duas apresentavam convergência.
0,30
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140
Tração (N)
120
100
80
24 x 12
24 x 10
60
40
1700
22 x 12
26 x 8
1900
2100
2300
2500
Rotação (rpm)
2700
2900
3100
3300
Figura 3.1 – Gráfico da tração para as quatro hélices ensaiadas
Cada ponto dos gráficos acima é obtido como uma média de 5000 medições realizadas ao longo de
5 segundos.
A tração máxima foi obtida com a hélice 24x10. Entretanto, a diferença para as outras hélices não foi
significativa. Conforme a Figura 0.1, a hélice 26x8, que possui um passo menor e um diâmetro maior
consegue alcançar rotações menores. E entre hélices de mesmo diâmetro (24x12 e 24x10) a de menor passo
consegue-se rotações maiores. A hélice que consegue atingir maior rotação é a de menor diâmetro.
A medição da tração ocorreu separadamente da medição de torque, pois quando as duas grandezas
eram medidas juntas, a medição da tração não apresentava confiabilidade devido às vibrações introduzidas
no banco de ensaio. Tais vibrações são devidas à remoção de um pino que destrava o eixo no qual é
efetuada a medição do torque.
O torque do motor foi obtido com os mesmos parâmetros de aquisição da tração, ou seja, taxa de
aquisição de 1000 amostras por segundo e 5000 amostras. Devido à intensa vibração do banco de ensaio, as
incertezas referentes ao torque ficaram maiores, o que prejudicou a avaliação desta grandeza.
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3,5
3,0
Torque (N.m)
2,5
2,0
1,5
1,0
24 x 12
24 x 10
22 x 12
0,5
26 x 8
0,0
1700
1900
2100
2300
2500
2700
2900
3100
3300
Rotação (rpm)
Figura 3.2 – Gráfico do torque para as quatro hélices ensaiadas
Conforme a Figura 3.2, para hélices de mesmo diâmetro, a que possui o maior passo produziu o
maior torque. Tal fato deve-se a hélice de maior passo possuir maior ângulo de ataque, o que faz com que
cada seção da hélice produza mais arrasto, aumentando assim o torque produzido. Para hélices de mesmo
passo, a de maior diâmetro produz maior torque. E novamente vemos uma sensibilidade maior do diâmetro
em relação ao passo.
4. Conclusões
A tração e o torque produzidos pelo conjunto motor-hélice é crescente com a velocidade.
Entretanto, nenhum desses dois parâmetros pode ser avaliado de forma isolada, pois ao aumentarmos a
tração, aumentamos o torque, o que faz com que seja necessária maior compensação da aeronave, o que por
sua vez aumenta o arrasto provocado pela mesma exigindo maior tração.
A intensa vibração do motor causa grandes erros, principalmente na medição do torque, pois o movimento
de rotação do motor ao redor do seu eixo é o mais susceptível a essas vibrações.
Entretanto, não é de se esperar que os erros possam ser reduzidos tanto quanto se queira, pois o próprio
regime de funcionamento do motor a combustão é não permanente, o que induz flutuações nas grandezas a
serem medidas.
A utilização de softwares de aquisição de dados, como o LabVIEW, tornou o experimento mais
rápido, e reduziu os erros experimentais. A utilização da aquisição da rotação do motor ilustra essa
situação.
5. Agradecimentos
Ao CNPq.
Ao engenheiro Carlos Guedes e estágiário Marcelo Guedes do Laboratório Prof Feng pela
inestimátivel ajuda.