Análise da Estanqueidade do Motor Rotativo MIT - ufrgs.br · combustão do motor, graduado de zero...

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Análise da Estanqueidade do Motor Rotativo MIT RELATÓRIO DE TRABALHO DE CONLUSÃO Apresentado na disciplina de Medições Térmicas – ENG03108 Alessandro Longoni Moreira Aquiles Iturriaga Galarce Felipe Doria Ribeiro Porto Alegre, 27 de Novembro de 2008

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Análise da Estanqueidade do Motor Rotativo MIT

RELATÓRIO DE TRABALHO DE CONLUSÃO Apresentado na disciplina de Medições Térmicas – ENG03108

Alessandro Longoni Moreira

Aquiles Iturriaga Galarce

Felipe Doria Ribeiro

Porto Alegre, 27 de Novembro de 2008

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Índice

Índice 2

Resumo 3

Descrição do experimento 5

Ensaios 8

Conclusão 10

Referências Bibliograficas 12

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Resumo

O presente estudo tem como objetivo verificar a estanqueidade do motor rotativo

MIT (Miranda Inovações Tecnológicas), para tanto foi preparada uma bancada de teste

com um sistema moto-compressor onde o motor rotativo MIT foi convertido em

compressor movimentado por um motor elétrico Weg. A bancada recebeu um trilho guia

para alinhar as polias do mecanismo e um dispositivo mecânico tipo fuso para tencionar a

correia de transmissão do sistema, além de um manômetro de testes de vazamento em

motores de combustão interna. Os valores obtidos deste ensaio não foram conclusivos

para a obtenção da curva de variação de pressão em função da rotação da configuração do

MIT como compressor, validando assim seu sistema de vedação por labirinto.

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Introdução

As inovações tecnológicas e as respostas de desempenho prometidas em diversos

estudos teóricos para os motores de combustão interna rotativos, em especial o motor

MIT, foram a grande motivação para o presente estudo, bem como a experiência dos

participantes do grupo em trabalhos com sistemas de automação hidráulica, pneumática e

trabalhos com motores de combustão interna, por ocasião da participação do

GDEM/Museu do Motor DEMEC/UFRGS.

Dessa forma, pretende-se, através, da realização da análise de estanqueidade do

motor MIT, ao operar como compressor de ar rotativo; avaliar a sua viabilidade de

funcionamento como motor de combustão interna com grande chance de aplicabilidade

em diversos tipos de veículos automotores, podendo constituir, assim, em uma

alternativa, mais econômica do ponto de vista de consumo de combustível, de

manutenção, menores emissões de gases nocivos a atmosfera e maiores níveis de

potência por litro de combustível.

O objetivo deste estudo é avaliar a viabilidade de operação do motor MIT,

realização um ensaio de estanqueidade com base nos Procedimentos de Ensaio de

Estanqueidade de Compressores de Ar de Pressão Rotativo. Para tanto tomaram-se, como

base, algumas instruções contidas norma NR-13 – referente à caldeiras, vasos de pressão e

testes hidrostáticos em compressores – fazendo-se assim montagem do motor MIT para a

sua operação como compressor em uma bancada onde este é acionado por um motor

elétrico de 5,5kW. Seguindo as instruções da norma citada, procede-se ao acionamento do

compressor tendo a sua descarga obstruída e instrumentada por uma sonda adequada ao

transdutor de pressão adotado para a medição de pressão deste caso.

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Descrição do Experimento

A bancada de Teste de Estanqueidade montada para à análise do Motor Rotativo

MIT tem como objetivo obter uma curva de pressão manométrica das câmaras de

combustão versus a rotação do eixo do mesmo (o dobro da rotação do êmbolo rotativo do

motor). Os parâmetros de análise deste estudo são obtidos através da leitura de pressão

no manômetro analógico (citado na seção anterior) e da leitura da freqüência de excitação

do motor mostrada no display do inversor de freqüência utilizado no experimento.

Como orientado na norma que trata da segurança e ensaios de vasos de pressão e

compressores (NR-13) o objetivo do teste é avaliar as pressões atingidas em função da

rotação do eixo de acionamento e da manutenção desta pelo equipamento durante a sua

operação e momentaneamente, após breve pausa durante seu ciclo de trabalho; e assim

determinar a estanqueidade do compressor para um determinado patamar de pressão de

trabalho contínua. Determinando-se assim se um compressor é ou não considerado

conforme com relação aos seus parâmetros de projeto e operação.

Partindo-se do princípio de avaliação de máquinas de fluxo geradoras e motoras e

admitindo-se a reversibilidade de seu modo operativo, foi adotada para este estudo a

análise do motor a partir de sua operação como Compressor de Ar de Pressão Rotativo,

com o objetivo principal de avaliar a real capacidade operacional do Sistema de Vedação

Radial e Axial por Labirinto, adotado no motor MIT. Este sistema de vedação destina-se a

proporcionar a construção e operação do motor MIT com uma folga maior entre o rotor e

o estator do motor diminuindo-se assim as perdas energéticas por atrito e de

transferência de calor por condução entre as partes internas do motor, permitindo-se

assim que o mesmo possa operar em temperaturas mais baixas que os seus equivalentes

comerciais alternativos e rotativos. Outra característica operacional importante do motor

MIT é a da distribuição uniforme da temperatura nas três câmaras, que se mantido a um

limite mínimo maior e um limite máximo menor que o dos seus equivalentes comerciais

permite operar com menor consumo de combustível, melhor rendimento e emissões

menos nocivas ao ambiente.

A montagem do dispositivo para o procedimento de teste permitiu, conforme

descrito nas seções anteriores, uma variação da rotação do eixo de manivelas do motor

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MIT através da variação da freqüência de excitação do motor elétrico responsável por

acionar o compressor na bancada, figura 1. A variação de rotação do eixo de manivelas do

motor, conforme suas especificações de projeto resultam na variação dos gradientes de

pressão gerados nas câmaras de combustão do motor. Para fins de avaliação de

viabilidade de operação, como motor, o critério mínimo de 7 bar de pressão gerada no

interior das câmaras de combustão ao operar como motor e de 3,5 bar como compressor.

figura1: montagem da bancada de teste

A bancada constituiu basicamente em uma base regulável para o motor elétrico

que permitia o correto ajuste da tensão da correia de acionamento do compressor, uma

base fixa para o posicionamento do motor rotativo (devidamente preparado para

operação como compressor, conforme orientação do engº Natal, que atuou no

desenvolvimento do motor MIT). A preparação do motor para a sua operação como

compressor consistiu em fazer a remoção do coletor de admissão e fazer a obstrução das

respectivas janelas de admissão, como também as de descarga e realizar o mesmo

procedimento também com as janelas de descarga do motor. A vedação radial do motor

foi realizada por uma haste de madeira coincidente com cada um dos vértices do êmbolo

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rotativo. A instrumentação foi feita, a partir da introdução de uma sonda com ponteira

macho (cone emborrachado que permite o seu devido ajuste com as diferentes bitolas de

pórticos de velas de ignição existentes no mercado, e para este caso, com a do motor em

estudo; conectada a um manômetro do tipo tubo de Bourdon montado em uma

mangueira preenchida com um fluido manométrico confinado, com o objetivo de

transmitir ao manômetro a pressão captada pelo apalpador do sensor na câmara de

combustão do motor, graduado de zero à 14bar. Figura 2.

figura2: detalhe do mecanismo de tensionamento da correia motora

Conforme citado na introdução, foi adotado como critério mínimo de aceitação de

viabilidade como motor a aferição de 3,5 bar em cada câmara de combustão. A validação

do critério de viabilidade de funcionamento como propulsor, se daria, ao atingir a pressão

especificada com as vedações como na figura 3, na menor freqüência de excitação do

motor elétrico possível de ser atingida, uma vez que, segundo as especificações de

operação e projeto do motor MIT, as pressões atingidas nas câmaras devem variar de

forma diretamente proporcional a variação de rotação do eixo de manivelas do motor, e

neste caso de estudo, diretamente proporcional ao aumento da freqüência de excitação

do motor.

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figura3:detalhe do fechamento das janelas de admissão do motor

Conforme as especificações de projeto para o motor MIT, constantes na tese de

projeto e construção de motores de combustão interna de êmbolo rotativo [Antonini] o

sistema de vedação do motor é definido pela equação:

Onde:

G é vazão de massa de ar no labirinto (kg/s);

Ω é a área transversal do labirinto (m²);

φ é o atrito;

α é a vena contracta;

C é a velocidade do ar (m/s);

ρ é a massa específica do ar (kg/m³)

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Figura 4: Detalhe do sistema de vedação das câmaras de combustão

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Ensaios

⇒ Para o início das operações de teste do motor MIT, primeiramente foram verificadas as

seguintes condições de segurança de trabalho:

⇒ Realizar a correta instalação da alimentação do motor elétrico no inversor de freqüência

do LETA;

⇒ Realizar a correta inserção dos parâmetros de operação do motor elétrico no inversor de

freqüência do LETA;

⇒ Verificar o correto tencion

⇒ amento da correia de acionamento do motor/compressor MIT na bancada;

⇒ Verificar o correto aperto dos elementos de fixação dos dispositivos montados na

bancada;

⇒ Verificar a correta instalação dos elementos de vedação radial nos vértices do êmbolo

rotativo do motor MIT;

⇒ Dar a partida do motor elétrico a partir da menor freqüência de excitação possível e fazer

o aumento gradativo da mesma dentro dos limites operacionais do motor elétrico e dos

limites estruturais da bancada;

⇒ Certificar-se do correto ajuste do apalpador do sensor ao pórtico da vela de ignição para

evitarem-se perdas de pressão, por esta porta e conseqüentes leituras errôneas no

instrumento.

⇒ Certificar-se das condições de calibração do instrumento de medição utilizado no

experimento;

⇒ Monitorar constantemente as condições de segurança dos dispositivos durante a

operação da bancada tendo um operador dedicado ao inversor durante todo o

experimento.

Após, observados os requisitos de segurança, procedeu-se as medições tentando obter a

leitura do valor satisfatório a validação do teste na menor freqüência de excitação do motor

elétrico possível. Em um primeiro momento a partida foi dada a partir de uma freqüência de

20,34Hz, com as janelas de admissão do motor seladas e a pressão aferida na primeira medida foi

de 1,75 bar e as subseqüentes foram de 0 bar até a parada do motor. Contudo, mesmo com leitura

de pressão nula, percebeu-se uma carga de frenagem submetida ao motor a cada instante em que

a sonda era inserida no pórtico de medição. Percebeu-se também uma elevação acentuada da

amplitude de vibração do dispositivo à freqüências maiores que 26Hz, tornado-se assim

impraticável a operação do dispositivo à valores de freqüência maiores.

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O motor MIT foi acionado mais duas vezes na mesma configuração do primeiro

acionamento atingindo-se os valores de 3,5 bar e de 5,6 bar no início do acionamento a 20,45Hz e a

26,33Hz, respectivamente, sendo, como no caso anterior, as demais leituras de bar até o

desligamento do motor e o mesmo comportamento durante a inserção da sonda,

independentemente da pressão aferida, como também o do aumento da amplitude de vibração ao

aumentar a freqüência de acionamento acima de 33Hz.

O motor foi acionado novamente por três vezes a cada alteração na configuração de

ensaio, sendo estas:

1. Remoção dos selos nas janelas de admissão: percebeu-se, uma menor freqüência

necessária ao acionamento, 8,70Hz; porém o comportamento foi exatamente

semelhante ao verificado nos casos de ensaio anteriores, porém com o aumento

crítico das amplitudes de vibração do dispositivo a 10Hz;

2. Remoção adicional de uma vela de ignição por câmara de combustão: verificou-se uma

redução ainda maior na freqüência para 6,03Hz e comportamento da medida de

pressão análogo aos casos anteriores;

3. Abertura total dos pórticos no lado da admissão: a freqüência de acionamento

necessária caiu para 2Hz e o ensaio tornou-se impraticável devido ao aumento da

amplitude de vibração do dispositivo vindo a danificar parte da estrutura do mesmo.

Logo, os resultados obtidos durante os procedimentos de teste não foram conclusivos para

fins de obtenção da curva de variação de pressão versus a variação da freqüência de excitação do

motor, e conseqüentemente para avaliar ou validar a viabilidade de funcionamento do motor MIT

como propulsor.

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Conclusão

⇒ Diante dos resultados obtidos e após estudo das especificações de projeto do motor MIT,

podemos concluir que os valores obtidos durante os procedimentos de ensaio divergiram

do esperado devido às seguintes causas prováveis:

⇒ Haste de vedação radial utilizada para o ensaio produzida sem os detalhes referentes ao

desenho do labirinto conforme o especificado e fora da precisão dimensional exigida para

o correto funcionamento e acentamento das mesmas;

⇒ O Efeito proveniente do sistema de vedação axial por labirinto que produz um

deslocamento de ar no pórtico utilizado para inserção do sensor que mascara por provável

depressão e impede a correta aferição de pressão na câmara de combustão;

⇒ O calço hidráulico gerado durante a inserção do sensor em qualquer dos pórticos

destinados à medição gera o deslocamento das hastes de vedação radial o que resulta na

fuga de pressão para as câmaras vizinhas, mascarando a leitura de pressão;

⇒ A preparação do motor para a operação como compressor é incompatível com as

características de operação do motor MIT;

⇒ A estrutura do dispositivo de teste não realiza a neutralização das vibrações necessária à

operação do ensaio, impedindo a operação em rotações mais elevadas, uma vez que o

motor MIT está especificado para operar entre 5000 a 15000rpm;

⇒ Devido às características de projeto do motor MIT que exigem, para uma maior eficiência

do sistema de vedação por labirinto a operação sob altas rotações e as limitações na

obtenção das mesmas pelo dispositivo de teste adotado para o ensaio;

⇒ A falta de um dispositivo externo para a equalização das pressões em cada uma das

câmaras de combustão, tornando equivalente a perda de carga nas mesmas.

⇒ Entretanto, o efeito gerado pela inserção da sonda em qualquer das câmaras de

combustão gerou um efeito de frenagem no motor característico ao ocasionado por calço

hidráulico, comportamento que embora não tendo sido quantizada a pressão durante a

sua ocorrência, denota efeito de estanqueidade do motor porém é insuficiente para a

validação da viabilidade de aplicação do motor MIT como propulsor.

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Referências Bibliográficas

ANTONINI, Natal de Avila, Projeto e Construção de Motores de Combustão Interna de

Êmbolo Rotativo PROMEC EE DEMEC UFRGS 2000

HOLMAN, John Philip, Experimental methods for engineers. 2nd ed. New York:

McGraw-Hill, c1971. xvi, 423 p

DOEBLIN, Ernest O.. Measurement systems : application and design. 3rd ed. New

York: Mcgraw-Hill Book, [c1983]. 876p

SMITH SCHNEIDER, Paulo, Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da Disciplina de

Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, URGS, Porto Alegre, 2007

ABNT, Norma NR-13, Procedimentos de Operação Segura de Caldeiras, Vasos de

Pressão e Compressores, Testes Hidrostáticos; 2008.