V CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA
V NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING
25 a 28 de agosto de 2008 – Salvador – Bahia - Brasil
August 25 – 28, 2008 - Salvador – Bahia – Brazil
COMPRESSOR A PISTÃO LIVRE PARA TUBOS E TÚNEIS DE CHOQUE
Código do Resumo: CON08-1576
Resumo: Os avanços na tecnologia aeroespacial tornaram imprescindíveis ensaios em laboratórios de veículos hipersônicos. Em
conseqüência houve a necessidade de desenvolver instrumentos capazes de obter altos números de Mach e altas temperaturas de
estagnação. Um dos métodos utilizados para simular essas condições são os tubos de choque que podem ser modificados através do
acoplamento de tubeiras, dando origens aos túneis de choque. Uma maneira de se conseguir um gás a altas temperaturas e pressões
para tubos e túneis de choque é através de um compressor a pistão livre. Este trabalho descreve este dispositivo que é utilizado na
Divisão de Aerotermodinâmica e Hip ersônica do Instituto de Estudos Avançados. Serão relatados dados experimentais, analisando
os elementos básicos constituintes do compressor a pistão livre como: tanque de alta pressão, válvula de disparo, pistão, tubo de
compressão e diafragma.
.
Palavras-chave: compressor, pistão, tubo de choque, túnel de choque.
1. INTRODUÇÃO
O compressor a pistão livre vem merecendo considerável interesse, tanto no campo experimental quanto no teórico.
Este dispositivo foi inicialmente proposto por Stalker (1961,1966) e vários trabalhos (Maus, 1992; Eitelberg, 1994;
Mitsuda, 1994; Cable, 1994 e Blanks, 1994). Com o objetivo de aumentar a eficiência de um tubo de choque da Divisão
de Aerotermodinâmica e Hipersônica, um compressor a pistão livre está sendo desenvolvido e testado (Moreira, 1994).
Para um bom funcionamento de túneis e tubos de choque é necessário o uso de um gás a altas temperaturas e
pressões. Para produzir essas condições favoráveis pode -se utilizar um compressor a pistão livre (Lukasiewicz, 1973).
A figura (1) mostra a importância de se ter um gás a altas temperaturas e pressões no driver de um túnel de choque,
como é indicado pelo número de Mach da onda de choque produzida (Ms) em função das razões de temperaturas e de
pressões do gás nas regiões de alta (driver) e baixa (driven) pressões do túnel (Nagamatsu, 1961).
Figura 1. Dependência do número de Mach em função das razões de temperaturas e pressões entre o
driver/driven. Foram considerados gases ideais, gás do driver = Hélio; gás do driven = ar.
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2. COMPRESSOR A PISTÃO LIVRE
Neste dispositivo a compressão é analisada como sendo um processo adiabático, onde as velocidades envolvidas
estão abaixo da velocidade do som no meio. Os elementos constituintes do compres sor a pistão livre são: tanque de alta
pressão; válvula de disparo; pistão; tubo de compressão e diafragma, que podem ser vistos na fig. (2). O funcionamento
do compressor é simples: a válvula de disparo ao se abrir, provoca uma diferença de pressão entre os lados do pistão,
fazendo com que ele acelere no interior do tubo de compressão até o momento em que as pressões sejam equalizadas. A
partir deste momento o pistão é desacelerado, mas ainda possui energia cinética suficiente para comprimir o gás no
interior do tubo de compressão até temperaturas e pressões maiores que as do gás no tanque de alta pressão.
Figura 2. Vista geral do compressor a pistão livre da Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica do
Instituto de Estudos Avançados .
2.1. Tanque de Alta Pressão
É um tanque pressurizado com nitrogênio gasoso a alta pressão, como representado na fig. (2.1), fornecido por uma
bomba criogênica. Desempenha um papel importante, pois a energia necessária para a compressão e o aquecimento do
gás do tubo de compressão é extraída do gás pressurizado no tanque de alta pressão através de sua expansão. Durante os
experimentos adotamos uma pressão de trabalho em torno de 12 MPa.
Figura 2.1. Tanque de alta pressão.
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2.2. Válvula de disparo
A função da válvula de disparo é liberar o gás a alta pressão para impulsionar o pistão no interior do tubo de
compressão com energia suficiente para comprimir o gás de compressão alcançando temperaturas e pressões elevadas.
Convencionalmente a separação do tanque de alta pressão do tubo de compressão é feita através de diafragmas, e o
método de disparo consiste em algum dispositivo utilizado para romper este diafragma. No IEAv foi desenvolvido um
sistema de disparo através de uma válvula eletro -pneumática que vem apresentado resultados satisfatórios.
A válvula eletro-pneumática ou válvula de disparo, como apresentado na fig. (2.2) necessita de uma linha de ar
comprimido e um circuito eletrônico. Apresenta algumas vantagens em relação aos outros métodos convencionais de
disparo que são: pode ser acionada a distância; melhor controle do momento do disparo; permite abortar o disparo a
qualquer instante com um simples reset; depois do disparo, ela retorna para a posição de fechada.
Figura 2.2. Válvula de disparo.
2.3. Pistão
O pistão tem a função de comprimir o gás do tubo de compressão, impedindo a sua fuga no sentido do tanque de
alta pressão. No compressor a pistão livre do IEAv, o pistão é confeccionado em aço carbono e é mostrado na fig. (2.3),
contendo o-rings para vedação interna com a válvula de disparo e anéis de vedação em nylon para impedir o vazamento
do gás contido no interior do tubo de compressão.
Figura 2.3. Pistão.
2.4. Tubo de compressão
Para conseguir altas temperaturas e pressões é pre ciso que o tubo de compressão seja longo, por esse motivo, essa
seção normalmente é uma união de tubos menores e brunidos internamentes.
O tubo de compressão tem que estar totalmente alinhada em relação aos diâmetros internos dos tubos unidos, pois o
pistão possui anéis de vedação para impedir a fuga do gás contido no interior do tubo. Qualquer desalinhamento entre
os diâmetros internos dos tubos danificaria os anéis de vedação ou mesmo o próprio pistão. Os gases mais utilizados em
tubos de compressão são o gás Hélio e o gás Hidrogênio, que possuem baixo peso molecular, o que retarda a formação
de efeitos de compressibilidade (John D. Anderson, 1985 ) à frente do pistão.
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2.5. Diafragma
O diafragma é utilizado no compressor a pistão para fornecer com certa exatidão a pressão final, que corresponderá
à pressão necessária aos experimentos após o compressor. Possui concentradores de tensão que são os rasgos em forma
de X presentes em um dos lados com visto na fig. (2.5). A função do rasgo é favorecer a ruptura do diafragma. As
características mais importantes para a confecção do diafragma são: material, espessura, profundidade e ângulo do
rasgo. Os diafragmas são posicionados no final do tubo de compressão, onde se atinge as maiores temperaturas e
pressões e a repetibilidade de abertura é um fator limitante para um bom funcionamento de um compressor a pistão
livre.
Figura 2.5. Diafragma.
3. DESCRIÇÃO DOS TESTES REALIZADOS
No compressor a pistão livre em estudo no IEAV, foram feitos testes variando o gás de compressão e a
dimensões do diafragma. Foram utilizados dois transdutores de pressão posicionados próximos ao diafragma de aço
carbono como representado na fig. (3) e um sistema de aquisição de dados composto por um osciloscópio digital
tektronics TDS 2014 e dois amplificadores de carga da Kistler.
Figura 3. Vista da posição dos transdutores e do diafragma no compressor a pistão livre.
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4. RESULTADOS OBTIDOS NO COMPRESSOR A PISTÃO LIVRE
O primeiro teste foi colocar um tampão no local do diafragma, o obje tivo é conhecer qual a pressão que se
obtém no final do tubo de compressão, respeitando os limites de segurança do compressor. A fig. (4.1) apresenta o
maior valor obtido de pressão no final do tubo de compressão (140 MPa ) para uma pressão de 0,3 MPa de g ás Hélio no
tubo de compressão e 12 MPa de nitrogênio gasoso no tanque de alta pressão.
Figura 4.1. Pulso de pressão obtido no final no tubo de compressão utilizando um tampão .
O segundo teste foi colocar um diafragma de aço carbono de 3 mm de espes sura com uma profundidade de
rasgo de 0,3 mm, mantendo-se os mesmos dados experimentais. Neste teste o diafragma rompeu com uma pressão de
80 MPa. A fig. (4.2) apresenta o pulso de pressão obtido no final do tubo de compressão.
Figura 4.2. Pulso de pre ssão obtido no final do tubo de compressão utilizando um diafragma de 3 mm de
espessura, com uma profundidade de rasgo de 0, 3 mm.
O terceiro teste foi colocar um diafragma de aço carbono de 4,2 mm de espessura com uma profundidade de
rasgo de 0,7 mm, mantendo-se os mesmos dados experimentais. Neste teste o diafragma rompeu com uma pressão de
120 MPa. A fig. (4.3) apresenta o pulso de pressão obtido no final do tubo de compressão, observando que um sinal de
leitura foi selecionado no osciloscópio para que se registre uma leitura invertida.
Figura 4.3. Pulso de pressão obtido no final do tubo de compressão utilizando um diafragma de 4,2 mm
de espessura, com uma profundidade de rasgo de 0,7 mm.
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5. CONCLUSÃO
No desenvolvimento deste trabalho mostrou -se a importância da utilização de um compressor a pistão livre
como fornecedor de altas temperaturas e pressões para tubos e túneis de choques. Através dos resultados obtidos,
verificou-se que o compressor a pistão livre atingiu c ondições necessárias para melhora r a eficiência de um tubo de
choque da Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica do Instituto de Estudos Avançados.
6. REFERÊNCIAS
Blanks, J. R.and Dewitt, J. R. Calibration Tests of AEDC Free -Piston Shock Tunnel. AIAA 94 -2526, AIAA 18th
Aerospace Ground Testing Conference, June 20-23, Colorado, Springs, CO, 1994.
Eitelberg, G. First Results of Calibration and Use of the HEG. AIAA 94 -2525, AIAA 18th Aerospace Ground Testing
Conference. June 20-23, Colorado Springs, CO, 1994.
John D. Anderson, Jr., Modern Compressible Flow, McGraw -Hill Series in Aeronautical and
Aerospace
Engineering, p. 287.
Lukasiewicz, J. Experimental Methods of Hypersonics, p. 145 ( Edited by Peter P. Wegener ) Marcel Dekker, INC.
New York, 1973.
Maus, J. and Laster, M. The g-range impulse facility – A high performace free piston shock tunnel. AIAA 92 -3946,
AIAA 17th Aerospace Ground Testing Conference, July 6 -8, Nashiville, TN, 1992.
Moreira, A.M. and Minucci, M.A.S: Modelamento Numérico de um compressor a Pistão Livre para tub os e túneis de
choque. Trabalho de conclusão de curso, 1994.
Nagamatsu, H. T. Shock Tube Technology and Design. Fundamental data obtained from shock -tube experiments. p. 86.
( Edited by Ferri ) Pergamon Press, New York, 1961.
Stalker, R.J. An investigation of free piston compression of shock tube driver gas. Division of Mechanical Engineering.
National Research Council, Canada. Report MT -44,1961.
Stalker, R.J. The free piston shock tube. The Aeronautical Quaterly, November 1966 .
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FREE PISTON COMPRESSOR FOR SHOCK TUBES AND TUNNELS
Código do Resumo: CON08-1576
Abstract. Experimental tests of hypersonic vehicles are indispensable due to the advances in aerospatial technologies.
Consequently, the need to develop of instruments which ar e able to obtain high Mach numbers and high stagnation
temperatures is necessary. One of the methods employed to simulate these conditions are shock tubes, which can be
modified by coupling nozzles, resulting in shock tunnels. To produce high temperature a nd high pressure gas
conditions in shock tubes and shock tunnels a free -piston compression can be used. In this work, a home -built device
of this kind constructed in the Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica of the Instituto de Estudos Avançados is
described. Experimental data, with the analysis of the basic elements of the free -piston compressor, like the high
pressure tank, launching valve, compression tube, piston and diaphragm are reported.
Keywords: compressor, piston , shock tube, shock tunne l.