Luiz Severiano DUTRA¹, Leonardo BOA SORTE ALVES²Marco GABALDO³
O projeto da balança do túnel de vento tem como objetivo suprir a necessidade de um equipamento que possa efetuar medições aerodinâmicas, com precisão e que atue em três eixos. Sendo um equipamento multitarefa podendo ser utilizado para protótipos de aeronaves, automóveis, edificações, produtos esportivos, etc. utilizando controle digital que fará a leitura das grandezas aerodinâmicas como arrasto, sustentação e momento aerodinâmico. Os “Strain gauges” ou também chamadas de células de carga utilizados no equipamento, são micro extensômetros transdutores que enviam sinais amplificados e traduzidos pelo software com plataforma integrada Arduino™ projetado exclusivamente para a balança, sendo assim a manutenção deste equipamento poderá ser feita pela própria universidade, sendo este um dos principais requisitos de projeto.
Em virtude da necessidade de um laboratório específico para área da Engenharia Aeronáutica e Mecânica dentro da Universidade FUMEC, teve início o projeto da construção do túnel de vento e seu laboratório.
O Túnel de Vento poderá ser utilizado por todo corpo docente e alunos da Universidade em pesquisas e trabalhos acadêmicos, além de ser um laboratório que será capaz de prestar serviços para empresas envolvidas na área aeronáutica, mecânica ou de performance esportiva. O projeto do Túnel de Vento iniciou-se com o Coord. Prof. Luiz Severiano Dutra¹ que projetou, e iniciou a sua execução nas oficinas da universidade. O Projeto então necessitou de um aparelho que fizesse as medidas aerodinâmicas necessárias dos protótipos que fossem testados, então foi criada a balança do túnel de vento. Essa balança tem a denominação anglófona de “Sting Balance”.
Uma balança é comumente utilizada como um instrumento com que se determina a massa ou o peso dos corpos. Embora este seja um conceito correto quando se trata de balanças comuns, se torna errôneo quando se refere a balanças para túneis de vento. De modo geral, balanças são dispositivos que medem cargas estáticas.
Figura 1 – Ante Projeto do Túnel de Vento FEA/FUMEC.
Fonte: Elaborado pelo autor, 2016.
A balança do tipo "Sting" é utilizada em ensaios de aerodinâmica em túneis de vento. Este modelo apresenta vantagens perante à disposição tradicional da maioria das balanças que não são desta natureza existentes no Brasil. O nome "Sting" em português significa "ferrão", ou seja, uma barra de aço inserida no interior de modelos, para as medições de forças e momentos aerodinâmicos. No brasil um primeiro protótipo foi proposto em uma dissertação de mestrado na USP, do engenheiro mecânico Paulo L. Pastore, com especialização em Mecânica Fina pela Escola de Engenharia de São Carlos/SP e contou com a colaboração e apoio do ex-diretor administrativo da Embraer Dr. Carlos Eduardo Di Mori Luporini, na gestão 1978/1989. Com a conclusão do trabalho em 1995, o protótipo montado por Paulo PASTORE encontra-se no departamento de aeronaves da USP de São Carlos.
A balança tipo ferrão (“Sting – Compound”) presta-se a medir forças e momentos aerodinâmicos, a qual são fixados os modelos, O momento de “pitch” também é medido pela deformação elástica do transdutor em torno do eixo principal que será apresentado mais à frente neste trabalho.
Apesar das diferenças entre as balanças para túneis de vento serem muito grandes, decidiu-se classificar em dois tipos principais: balanças internas e externas. As balanças internas são aquelas localizadas no interior do modelo a ser ensaiado e as balanças externas são aquelas localizadas no túnel de vento. As Balanças Internas: São projetadas para caber dentro de um modelo testado no túnel. Geralmente a cavidade onde são colocadas, é aquela que comporta o motor e tubeira do modelo real.
Figura 2 - Movimento do ângulo de ataque.
(Clique para ampliar)
Fonte: Elaborado pelo autor, 2016.Figura 3 - Movimento de guinada.(Clique para ampliar)
Fonte: Elaborado pelo autor, 2016
A balança interna mais comum usada dessa forma é montada na configuração “Sting”, como foi comentado anteriormente, e se trata de uma viga em balanço cujas extremidades são presas uma no interior do modelo e a outra num montante fixo à parede do túnel e/ou através um sistema mecânico de medição dos esforços. Por causa desses detalhes, a balança montada na configuração “Sting” tem a vantagem de interferir muito pouco no escoamento sobre o modelo.
Há dois tipos de balanças internas: as dinamométricas e as fletoras. Nas primeiras, os esforços são medidos por dinamômetros e nas segundas, os esforços são determinados pela medida das deformações causadas nos elementos fletores (extensômetros) pelos esforços aerodinâmicos. As balanças internas do tipo fletora são de construção mais difícil que as dinamométricas. Em compensação, são de mais fácil manutenção e montagem no túnel.
Balanças Externas: são aquelas localizadas no túnel de vento e usadas para medir as cargas transmitidas desde através de elementos estruturais. Balanças deste tipo são frequentemente utilizadas em túneis subsônicos.
O equipamento da balança envolve diversas áreas, desde o estudo do comportamento de forças aerodinâmicas, estudo do movimento dos conjuntos mecânicos, eletrônica aplicada a automação do equipamento, projeto e desenhos com utilização de softwares CAD (Desenho Assistido por Computador), cálculo de momentos aplicado, e o estudo do sensoriamento por células de carga.
A execução do projeto constituído por diversas etapas, primeiramente foi construído um “mock-up”, que é um modelo feito utilizando a madeira reciclada e algumas peças metálicas, mas de baixo custo para que o projeto pudesse ser alterado e remodelado de acordo com os problemas que fossem surgindo a partir da montagem e da dinâmica de funcionamento, aprovando o projeto para a próxima etapa, na qual foi desenhar utilizando o software Solidworks™, que possibilita o teste de resistência de acordo com a liga de alumínio que poderia ser utilizada para usinagem de todas as peças que constituem a balança.
O Solidworks™ também permitiu a verificação de interferências, e posteriores mudanças também para que se retirasse forças passivas (atrito) em algumas partes móveis, aumentando assim a precisão do equipamento. Após cada peça ser otimizada, efetuou-se a remontagem do conjunto no software Solidworks™ simulando uma montagem real, analisando cada passo que deveria ser seguido para uma montagem correta.
As últimas etapas do processo envolvem automação e eletrônica com base em placas controladoras programáveis como o Arduino™. Utilizou-se também alguns softwares para auxiliar nestas etapas que serão citados neste registro. Finalizando o projeto, programou-se em linguagem computacional C++ na plataforma Arduino™, e iniciou-se a interação entre computador e o equipamento, de modo a concluir a montagem e configuração para ser instalado no túnel de vento.
[1] Professor/Coordenador da Engenharia Mecânica na Universidade FUMEC, luizd@fumec.br.
[2] Estudante de Graduação 6º Período Engenharia Aeronáutica na Universidade FUMEC, leoboasorte@fumec.edu.br.
[3] Estudante de Graduação 6º Período Engenharia Aeronáutica na Universidade FUMEC, marco.gabaldo.eng@gmail.com
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
1. ANDERSON, J.; D., Jr. Fundamentals of Aerodynamics . 5ª ed.McGraw-Hill, 2001.
2. DOEBELIN, E. O. Measurement Systems – Application and Design (Cap. 3) McGraw-Hill International Editions, 4th Edition, 1990.
3. BEER, F.P. e JOHNSTON, E. R. Jr, Resistência dos Materiais, Terceira Edição, MAKRON Books, São Paulo, 1996.
4. PASTORE, P. L. Desenvolvimento de uma balança tipo ferrão, para medições de forças e momentos aerodinâmicos. Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, 154 p. 1995 - BCUSP n. P239 (Dissertação de Mestrado)
5. PIETERSE, Frederik F., Design and Development of a three component strain gauge wind tunnel balance, Magister Philosophae in Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Rand Afrikaans University, November 2002.
