BANCADA DE TESTES DE COMBUSTORES
SUPERSÔNICOS
Autores
Valéria S. Faillace O. Leite ( Instituto de Estudos Avançados / CTA - São José dos Campos – SP )
Paulo Afonso de Oliveira Soviero ( Instituto Tecnológico de Aeronáutica - São José dos Campos – SP )
Demétrio Bastos-Netto ( Laboratório de Combustão e Propulsão / INPE - Cachoeira Paulista – SP )
Resumo
Para o estudo de escoamentos hipersônicos e da combustão supersônica são necessários equipamentos de teste em solo, que simulem as condições reais de vôo,
tais como a BANCADA DE TESTES DE COMBUSTORES SUPERSÔNICOS, que está sendo montada no Laborátório de Combustão e Propulsão do Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais (LCP/INPE), em parceria com o Instituto de Estudos Avançados do Centro Técnico Aeroespacial (IEAv/CTA), o TÚNEL DE CHOQUE HIPERSÔNICO,
já existente no (IEAv/CTA) e o LANÇADOR HIPERSÔNICO DE MASSA também existente no (IEAv/CTA). Estes formam o conjunto dos três equipamentos para ensaios
em solo, de aerotermodinâmica e hipersônica, necessários para o desenvolvimento de sistemas de propulsão aspirados e para testes de aerodinâmica interna e externa de
modelos reduzidos de veículos hipersônicos.
CARACTERIZAÇÃO DO ESCOAMENTO NO INTERIOR
DA BANCADA DE TESTES
INTRODUÇÃO
A
BANCADA
DE
TESTES
DE
COMBUSTORES
SUPERSÔNICOS ou de “SCRAMJETS” é formada por uma câmara
de combustão chamada de GERADOR DE AR VICIADO, com uma
placa de injeção de combustível, acoplado a um BOCAL
SUPERSÔNICO. A função desta bancada é gerar, na saída do bocal,
as condições do escoamento atrás das ondas de choque cônicas ou
oblíquas que são formadas pelas geometrias frontais, cônicas ou em
em forma de cunha, dos veículos voando com velocidades
hipersônicas. Estas condições são as mesmas do escoamento do ar
na entrada de um combustor de “scramjet”, sendo suas
características principais: altas temperaturas e velocidades
supersônicas. Sendo assim a função do gerador de ar viciado é de
aquecer o ar, que no nosso caso é por combustão, e a do bocal
supersônico é acelerar o ar aquecido até as condições especificadas
para o ensaio. O nome AR VICIADO é devido ao ar gerado possuir
os resíduos da combustão do combustível utilizado para o
aquecimento do ar.
As fotos abaixo, mostram os detalhes da montagem preliminar
da bancada de testes (atualmente desativada) em funcionamento,
onde vemos a placa de injeção de combustível com a atuação dos
“swirlers”, em queima não confinada, o gerador de ar viciado, com a
tubeira montada, e a queima confinada após a passagem do ar, já
aquecido, através
bocal.
DATALHES
DOdoFUNCIONAMENTO
DA BANCADA
TEMPERATURA (K)
Comprimento do Bocal (mm)
NÚMERO DE MACH
Comprimento do Bocal (mm)
As
duas
figuras
acima mostram alguns
resultados do estudo do
escoamento no interior da
câmara de combustão do
gerador de ar viciado,
utilizando
o
programa
CHEMKIN-III,
para
a
análise da temperatura e
composição química do ar
viciado, principalmente da
fração molar do oxigênio.
As duas figuras acima
mostram alguns resultados
do estudo do escoamento no
interior
do
bocal
supersônico,
onde
as
equações de Euler foram
resolvidas pelo método de
Jameson
(discretização
espacial por volumes finitos,
com dissipação artificial),
para
a
avaliação
do
escoamento gerado pela
bancada de testes.
As duas figuras acima
mostram alguns resultados
do estudo do escoamento
atrás da onda choque (no
caso cônica), que se forma
na parte frontal de um
veículo com a forma cônica,
em vôo real, voando com
velocidades
hipersônicas.
Estas são as condições que
devem ser simuladas na
bancada de testes.
FABRICAÇÃO DA NOVA BANCADA DE TESTES
Placa de Injeção de
Combustível
Queima não Confinada
Peças do Gerador de Ar Viciado
Gerador de Ar Viciado e Bocal
Queima Confinada
1.
Entrada de ar enriquecido com O2.
3
2.
Entrada de combustível da chama piloto
(CH4).
9
4
2
10
5
3.
Entrada de combustível para aquecimento
do ar.
4.
6
Câmara de ar de atomização.
8
1
7
Câmara de Combustão
5.
Injetor de combustível com “swirlers”.
6.
Piloto.
7.
Entrada do ar + O2.
8.
Câmara de combustão.
9.
Câmara de água de refrigeração.
10. Bocal supersônico.
Desenho Esquemático do Gerador de Ar Viciado e Bocal Supersônico
Montagem da
Câmara de
Refrigeração sobre a
Câmara de
Combustão
CONCLUSÃO
Montagem Final do Novo Gerador de Ar
Viciado
Esta bancada de testes de combustores supersônico ajudará no
desenvolvimento das pesquisas em escoamentos hipersônicos e no
estudo da combustão supersônica. A caracterização do escoamento no
interior da bancada permite que se tenha o controle sobre as condições
desejadas para os ensaio.