Carro à Jato: A Competição

Aqui o projeto desenvolvido no 5° semestre de Engenharia Mecatrônica da UNIP (Campus Marquês) em 2010. Neste semestre, nosso Coordenador, o Professor Morilla criou a competição "Carro à Jato" que fez com que os grupos desenvolvessem veículos movidos à jato de ar comprimido  para uma disputa. O bjetivo era percorrer a maior distância da pista de provas montada no pátio da Universidade utilizando o ar comprimido armazenado em garrafas PETs comuns de refrigerante de 2 litros. 

Conseguimos a primeira colocação e nosso veículo devido ao design do bico propulsor desenvolvido por nosso amigo, e integrante do grupo, Wagner Rezador que também foi responsável pela montagem do veículo juntamente com o Victor Hugo Bolfarini.

Como podemos ver no vídeo abaixo, nosso carro foi tão eficiente que fez o percurso de ida (até o final do pátio, além do final da pista) e volta com a mesma carga de ar comprimido.

1. Objetivo do Trabalho

  “Aplicar os conhecimentos adquiridos à cerca dos princípios de propulsão à jato e desenvolver um veículo propelido somente à ar comprimido”

  

2. Pesquisa sobre Propulsão à Jato

Até hoje não se sabe ao certo quem descobriu primeiro os princípios da propulsão a jato. Os historiadores afirmam que Heron, sábio matemático egípcio inventou um aparelho chamado copilia, constituído por uma esfera rotativa, movida por vapor d’ água, saindo através de bocais presos a referida esfera. A água era colocada numa bacia e depois de vaporizada, passava para a esfera, escapando pelos bocais fazia a esfera girar.

Propulsão é o processo de alterar o estado de movimento ou de repouso de um corpo em relação a um dado sistema de referência. Este processo pode ser realizado por vários meios, usando-se fontes de energia diversas, por exemplo, a energia das ligações químicas moleculares, a energia elétrica armazenada em baterias ou proveniente de painéis solares, a energia nuclear de reações de fissão nuclear e a energia do decaimento de radioisótopos. Um corpo pode ser acelerado através de fontes de energia internas, isto é, transportadas junto com ele, como é o caso de combustíveis armazenados em tanques, ou por fontes externas, como é o caso da pressão de radiação solar. Os meios de propulsão são utilizados para mover aviões, veículos espaciais, automóveis, trens, navios, submarinos, etc.

O princípio da propulsão baseia-se na terceira lei de Newton, a lei da ação e reação, que diz que "a toda ação corresponde uma reação, com a mesma intensidade, mesma direção e sentidos contrários".

Estágios iniciais de desenvolvimento

 Devido a corrida armamentistana segunda guerra mundial, houve uma busca desenfreada pelo melhor sistema de propulsão a jato, já que os motores a foguete eram ineficientes para serem usados na aviação. Em seu lugar, por volta dos anos da década de 1930, o motor a combustão interna em suas diversas formas (rotativos, radiais, ar-refrigerados e refrigerados a água em linha) eram os únicos tipos de motores viáveis para o desenvolvimento de aviões. Esses motores eram aceitáveis em vista das baixas necessidades de performance então exigidas, dado o menor desenvolvimento dos meios técnicos.

Entretanto, os engenheiros estavam já a prever, conceitualmente, que o motor a pistão era auto-limitado em termos de performance; o limite era e é dado essencialmente pela eficiência da hélice. Isto se dá quando as lâminas da hélice aproximam-se da velocidade do som. Se a performance do motor, assim como a do avião, aumentasse sempre, mesmo com essa barreira, ainda assim haveria a necessidade de se melhorar radicalmente o desenho do motor a pistão ou um tipo completamente novo de motor teria que ser desenvolvido.

Termojato

Amarelo: motor, Verde: compressor,
Laranja: câmara de combustão,
Vermelho: duto de saída

Esta é a motivação que está por trás do desenvolvimento da turbina a gás, comumente chamada apenas por "motor a jato", a qual poderia ser quase tão
revolucionária para a aviação quanto o primeiro vôo de Santos Dumont.

Motor turbojato

Turbojato

Um motor turbojato é um tipo de motor de combustão interna normalmente usado para impulsionar aviões. O ar é sugado por um compressor rotativo e é comprimido, em sucessivos estágios para maiores pressões antes de passar pela câmara de combustão. O combustível é misturado ao ar comprimido e é queimado na câmara de combustão com o auxílio de ignitores. O processo de combustão eleva significativamente a temperatura do gás, fazendo com que os gases expelidos expandam-se através da turbina, na qual a força é extraída para movimentar o compressor. Embora este processo da expansão reduza a temperatura e a pressão do gás na saída da turbina, ambas estão ainda muito acima das condições naturais. O gás de em expansão sai da turbina através dos bocais de saída do motor, produzindo um jato de alta velocidade. Se a velocidade do jato exceder a velocidade de vôo do avião, existirá uma pressão de aceleração sobre a fuselagem.

Sob condições normais, a ação bombeadora do compressor impede a existência de qualquer contra-fluxo, facilitando o fluxo contínuo do motor. O processo inteiro é similar ao motor de quatro tempos, mas a admissão, compressão, explosão e exaustão se dão ao mesmo tempo em diferentes seções do motor. A eficiência mecânica do motor dependerá fortemente da razão de compressão (pressão de combustão/pressão de entrada) e da temperatura da turbina no ciclo.

A comparação entre motores a jato e motores a hélice é instrutiva. Um turbojato acelera intensivamente uma pequena quantidade de ar, enquanto um motor a hélice move uma relativamente grande quantidade de ar a uma velocidade significativamente menor. Os gases de exaustão rápidos de um motor a jato os fazem mais eficientes em altas velocidades, especialmente em velocidades supersônicas e em grandes altitudes. Em aviões mais lentos, requeridos para vôos curtos, um avião equipado com uma turbina a gás que move uma hélice, comumente conhecido como turbo-hélice, é mais comum e muito mais eficiente. Aviões muito pequenos normalmente usam motores convencionais, a pistão, para mover a hélice, mas motores turbo-hélice pequenos estão ainda menores com o surgimento de melhorias na engenharia.

O turbojato descrito acima é um turbo jato de eixo simples, no qual um único eixo conecta a turbina ao compressor. Projetos que atingem altas pressões possuem dois eixos concêntricos, que melhoram a estabilidade durante a aceleração do motor. O eixo de alta pressão externo liga-se ao eixo da turbina. Este, com o pós-combustor, formam o núcleo ou gerador de gás da turbina. O eixo interno conecta-se ao compressor de baixa pressão da turbina. Ambos ficam livres para operar em velocidades ótimas.

Motor turbofan

Turbofan

Grande parte dos aviões comerciais atuais são equipados com motores turbofans, nos quais um compressor de baixa pressão age como um ventilador, levando ar não apenas para o centro do motor, mas também para um duto secundário. O fluxo de ar secundário passar por um "bocal frio" ou é misturado com gases de exaustão à baixa pressão da turbina antes de se expandir com os gases do fluxo principal.

Quarenta anos atrás havia pouca diferença entre motores a jato civis e militares, aparte o uso de pós-combustores em algumas aplicações (supersônicas).

Turbofans de uso civil dos dias atuais possuem um baixo empuxo específico (empuxo líquido dividido pelo fluxo de ar) para manter o barulho do jato a um mínimo aumentar a eficiência do de combustível. Conseqüentemente a relação de permeabilidade (fluxo de ar secundário dividido pelo fluxo do núcleo) é relativamente alta (relações de 4:1 a 8:1 são comuns. Um único ventilador é necessário, dado que o baixo empuxo específico implica uma baixa pressão do ventilador.

Os turbofans atuais, no entanto, tem um empuxo específico relativamente alto, para maximizar o empuxo para uma dada àrea frontal, e o barulho sendo uma pequena conseqüência. Os fans multi-estágio são requeridos normalmente para alcançar um índice de pressão do fan relativamente alto necessário para um empuxo específico. Apesar de altas temperaturas na entrada da turbina são freqüentemente empregadas, o índice de passagem de ar secundário (bypass) tende a ser baixo (normalmente significativamente inferior a 2.0).

2.1 Motor a Jato

O motor a jato é um motor feito para empurrar, usando a terceira lei de Newton. A ação de forçar massa em forma de gases quentes para uma direção gera uma força em sentido contrário.

 Todas as peças que estão dentro do motor a jato têm a finalidade de captar o ar e expulsá-lo com a maior velocidade possível.

Todos os motores a jato e turbinas a gás são motores de calor que convertem energia térmica em trabalho útil. O trabalho pode ser útil na forma de energia mecânica, a partir de um eixo que pode ser usado para acionar uma hélice, um veículo, uma bomba, um gerado elétrico, ou qualquer outro dispositivo mecânico.

  

3. Descrição de desenvolvimento do Projeto

3.1 Cálculos

Massa total do protótipo: 3,129 kg

P inicial = 5,3430 x 10^5
P final = 1,75731 x 10^5

T final = 216, 9975 K

S2 – S1 = Cp ln T2 / T1 – R ln P2 / P1

9,31449 / 29,97 ln 1,75771 / 5,3432 = 1,005 ln T2 / 299

T2 = 216,92 OK

v = RT / MP = 9314,49 x 216,92 / 29,97 x 1,75731 x 10^5 = 3,5427 x 10^-1

M final = V / v = 24 x 10^-3 / 3,5427 x 10^-1 = 6,7744 x 10^-2 hj

F = M dv/dt = m V^n-1 – V^n / ∆t

F ∆t / M + V^n = V^n+1

P inicial = 4,5 hjf / cm² (   )  P atm = 700 mmHg

P inicial = 5,3430 x 10^5 Pa

T inicial = 299 K

T0 = 299K

∆g = π / 4 (2,0 x 10^-3)² = 3,1416 x 10^-6 m²

Condição de Blocagem

P gerg = 9,3296 x 10^4 Pa = P atm

Relações isoentrípicas        P / P0 = (1 + R-1/2 Me²)^-R/R-1

R er = 1,4

9,3296 x 10^4 / P0 = (1+0,2 + 1²)^-3,5

P0 = 1,7660 x 10^5

P inter >= 1,7660 x 10^5  o  escoamento está blocado

P eve  P >= 1,7660 x 10^5   P/ P0 = 0,52929

P0   ->     P = 0,52929 P0

T / T0 = (1 + R-1/2 Me²)^-1  Se  Me = 1

T / T0 = 0,9333

Velocidade do som     

C = (1,4 * 9314,49 / 29,97 * 0,9333 T0)^1/2 = (3,3492 X 10² T0)^1/2

Vezes em massa no bocal

M = ρ∆C = 29,97 x 0,52929 Pa / 9314,49 x 0,93333 T0 x 3,1416 x 10^-6 x (3,3492 x                                   10² T0)^1/2 =1,2699 x 10^-7 Pa / T0^1/2 =1,2699 x 10^-7 P inter / T0 ^1/2

Chut P inter

Calculo M

Calculo M∆t

Verificação da P inter

Queda da pressão de estagnação ou “perda de carga”.

(Escoamento incompressível nas tubulações)

= 0,5 x ½ x ρ V²1 + f x L/d x ρ V²/2 + ½ x ρ V²1 + ½ x ρ V²1

= (0,5 + 0,02 x 0,20/0,005 + 1+ 1) x ½ ρ V²1

= 3,3 x ½ x ρ V²1 = 1,65 x ρ V²1

P interna = P tanque – 1,65 x ρ V²1

tanque

M1 – M2 = msel

M1 – M2 = m∆t

m2 = M1 - m∆t

Calculo M2

Calculo v2 = V/Mz

RT2 / MP2 = V/Mz            Redução ente T2 e P2     --->        B

Processo isoentrópico no tanque

P1v1^R = P2v2^R

P2 = P1v1^R / v2^R     --->      A

Calculo P2 com A

Calculo T2 com B

Totalmente subsônico

P interna , 1,766 x 10^5 Pa

P garganta = Patm = 9,3296 x 10^4 Pa

adoto P interna

(chut )

P / P interna = (1 + R-1/2 x Me²)^-r/r-1

1+r-1/2 x Me² = (P/P interna)^-1/3,5

Me² = 2 / r-1 [(P / P interna)^-1/3,5 – 1]

Me² = 2 / 0,4 [(P / P interna)^-0,29571 – 1]

Me² = [5[(P / P interna)^-0,29571 – 1]]^1/2

T / T0 = [1 + 0,2 Me²]^-1

C = (rRt) = (1,4 * 9314,49 / 29?? x T)^1/2

Válvula garganta = M ec

ρg = MP / RT = 9314,49 x 9,3296 x 10^4 / 9314,49 x T

m = ρg∆gvalgarg

	Distância	T blocado	T s-S
Ǿ = 1 mm	Não se move
Ǿ = 2 mm	45,77 m	23,95	13,7
Ǿ = 3 mm	85,77 m	14,6	13,1
Ǿ = 4 mm	62,39 m	8,3	7,3
Ǿ = 5 mm	44,34 m	5,3	4,7

3.2  Reservatórios de ar 

Por regra deveremos utilizar garrafas pet de 2 litros.

Assim sendo, para obter melhor rendimento, levamos em consideração alguns parâmetros, tais como:

1 – Resiliência do vasilhame:

            Testamos várias marcas e a que apresentou melhor resultado foi a de refrigerante Dolly.

2 – Formato do vasilhame:

            Procuramos aquelas que possuíam formato mais regular, que mais se aproximassem do cilindro, ou seja, corpo paralelo ou que proporcionaria melhor aproveitamento de espaço interior do carrinho e, como as de refrigerante Dolly apresentaram melhor resiliência, a escolhemos, então.

            O formato paralelo, inclusive, em tese, proporcionaria melhor interação entre o conjunto, bem como, ao esvaziar um estaria “pressionando” o outro a esvaziar mais, pois, nossa intenção seria não fixar uma a uma e, sim, através de uma malha elástica, do tipo utilizado por motociclistas, haveria uma compressão de umas contra as outras, causando maior volume de expulsão de ar se comparado simplesmente ao retorno ao estado inicial.

            Para melhor rendimento, ainda, idealizamos a instalação pelo lado externo, de pedaços de câmara de pneu de motocicleta, uma espécie de luva, que quando liberada a saída de ar pelo propulsor, fará com que um volume extra de ar seja expelido, o que teoricamente vai significar mais metros à frente. Estamos comparando um vasilhame que ao esvaziar para em seu estado original com um que vai ser comprimido e expulsando maior volume de ar. Pensamos que há uma relação de proporção entre o volume de ar expelido e a distância percorrido, ou seja, maior volume = maior distância.

Ainda, visando ter tolerâncias dimensionais favorecidas, optamos por instalar 3 fileiras de 4 vasilhames na posição horizontal, paralela aos chassis. O fluxo de descarga também fica favorecido, pois não há cotovelos e conseqüentes perdas de carga.

       

  PET Dolly e bico engate rápido instalado na tampa

3.3  Chassi

Por regra as dimensões máximas do carrinho são C 800 mm X L 600 mm X h 400 mm.

Não há restrição de massa, mas procuramos obter a melhor relação de resistência mecânica, massa total, facilidade de moldar e juntar as partes e custo, sendo que a melhor opção foi construir os chassis em madeira.

Dentre os tipos de madeira, escolhemos um compensado especial que tem uma densidade menor e resistência mecânica maior do que os comuns.

Uma boa opção seria tubo quadrado ou retangular de alumínio, mas em nosso grupo não há profissional qualificado para executar as soldas, esse foi mais um motivo que nos levou a optar pela madeira.

As cargas foram calculadas e verificamos que distribuídas não causavam deformação nos chassis.

chassi em madeira compensado ultra leve, apenas 1.030 g

3.4  Rodas de rolamento

Verificamos o que existia no mercado e não encontramos algo que estivesse pronto e, daí recorremos à fabricação em oficina onde um dos componentes do grupo trabalha.

Foram torneadas 4 peças em nylon, diâmetro externo de 100 mm, com rolamento 6.000, marca NSK (1ª linha), eixo independente para cada roda, fixada individualmente diretamente nos chassis. A espessura escolhida foi de 20 mm, que julgamos ser o suficiente para manter o carro em trajetória reta.

Não nos preocupamos com a questão do escorregamento, visto que não há tração positiva nas rodas. O empuxo originado pelo jato de ar vai exercer uma força no eixo e o atrito será entre as capas e as esferas do rolamento, que foi desprovido de sua graxa original e de suas blindagens, oferecendo assim menor resistência. A lubrificação, por se tratar de pequena rotação, foi substituída por um óleo fino, em spray, a ser reaplicado no dia da competição.

O procedimento de eliminar as blindagens teve a finalidade de eliminar atrito na peça, e com isso obter maior deslocamento. Esse é nosso objetivo.  Tirar a blindagem vai permitir que entre sujeira, o que na prática não seria uma boa escolha, mas para nossa empreitada é uma ação que favorece.

O rolamento tem diâmetro externo de 25 mm, interno de 10 mm e espessura de 8 mm.

3.5  Pneumática e propulsor

Foi assunto de muita discussão, mas no final optamos por aplicar conexões largamente utilizadas na indústria de automação, mangueiras do tipo PU de 8 mm com conexões de engate rápido.

Foi aplicada uma conexão na tampa da garrafa, com uma porca no interior e um anel de vedação entre a conexão e a tampa.  Na outra ponta, para ganharmos espaço no receptor de ar do propulsor, utilizamos conexões de engate rápido do tipo “Y”, assim cada um receberá o fluxo de ar de duas garrafas.

Procuramos no mercado peças hidráulicas de PVC marrom, devido à classe de pressão de trabalho ser compatível com a de nosso projeto, que pudessem nos atender na recepção do ar enviado pelas garrafas, bem como, que possuísse válvula geral. Encontramos um caps. de DN 75, perfeito para essa aplicação. No lado da calota arredondada, furamos e fizemos rosca para instalação de uma válvula de PVC marrom, tipo esfera de fecho rápido e no outro lado usinamos uma tampa, de maneira que viesse a preencher o interior para cola e, ainda, se necessário, poderíamos inserir 3 ou 4 parafusos Allen M4 com cabeça, para garantir a vedação. Bem provável que não será necessário. Nessa mesma tampa serão fixados os conectores tipo Y, num total de 06, que conduzem o ar comprimido.

A ponta com rosca da válvula de esfera receberá um dispositivo que será responsável pela descarga de ar e conseqüente movimento do carro.

       

                 placa que recebe os conectores Y       conector tipo Y de engate rápido PU 8  

módulo de recepção montado

3.6  Segurança

Procuramos por um profissional da área de Segurança do Trabalho e verificamos as possíveis implicações de segurança nessa empreitada.

A primeira ação foi consultar a NR-13, norma que regulamenta os vasos de pressão, onde verificamos que um vaso de pressão está sujeito a certas normas se o produto de P * V for maior do que 8, sendo P a pressão expressa em Kpa e V o volume em expresso em m³.

No caso em questão:

Pressão = 4 kgf/cm² = 392,26 kPa

Volume da garrafa PET = 0,002 m³

P x V = 392,26 x 0,002 = 0,78 

Portanto nosso projeto não está sujeito às exigências da NR-13, como por exemplo, teste hidrostático a 1,5 vezes a pressão de trabalho, elaborado por engenheiro de segurança.

Fomos orientados a realizar a prova utilizando óculos de segurança e, é desejável, o uso do protetor intra-auricular.

4. Conclusões

4.1       Constamos que no projeto desenvolvido, não ocorreu perda de carga relevante em relação ás mangueira e conexões.

4.2       Para mover a quantidade de massa de nosso projeto mais o massor foi preciso realizar cálculos para o desenvolvimento do bico propulosor (diâmetro do furo em 2,5mm) para que conseguíssemos mover nosso protótipo a uma distancia média de 60 mtrs.

4.3       O fator de atrito das rodas fez muita diferença, pois nosso projeto não sofreu perda de carga em relação ao atrito entre rodas e eixo.

4.4       O alinhamento também foi um fator muito importante para manter sempre o carro em linha reta e para e conseguirmos vencer as imperfeições do circuito.

4.5         Entendemos que os conceitos da Mecânica dos Fluidos é primordial para realizar esse projeto.

  

5. Desenhos

5.1  Vistas 3D

Perspectiva traseira

Perspectiva frontal

Vista traseira

Vista frontal

Vista Superior

Vista inferior

Vista lateral

Vista lateral

Propulsor 

5.2  Vista 2D

Propulsor

6. Orçamento

6.1 Conexões Pneumáticas

         Fornecedor:                Poly Belt Com. De Acess

                                               Rua Julia Santos Paiva Rio, 120

                                                           Vila Santana – CEP 04679-000

                                                           Fone: 3862-0988

ITENS                                                                 Qtde.     Preço total
   01         Conexão em Y rosca ¼ tubo 8 mm       06           R$ 14,70
   02         Conexão Reta rosca ¼ tubo 8 mm        02          R$ 18,00
   03         Tubo de Poliuretano 8 mm azul              04          R$   8,00
   04         Conexão tampão para tubo 8mm          08           R$ 14,00

Valor total                                                                             R$ 54,70

         7.2 Coletor.

                  

                   Fornecedor:      Telhanorte Pró

                                               AV. Castelo Branco (Marginal tiete)

                                               Barra funda

                  

ITENS                                                                Qtde.     Preço total
   05         Cap. PVS 75 mm                                   01          R$   19,00
   06         Tinta                                                         01          R$  18,42
   07         Bico                                                          01          R$  19,87

Valor total                                                                           R$ 57,29

7.3 Diversos 

                  

ITENS                                                                Qtde.     Preço total
   08         Impressão                                               01          R$  30,00
   09         Encadernação                                        01          R$  18,00
   10         Rede Naylon                                           01          R$  15,00   

Valor total                                                                           R$ 63,00

Valor total do orçamento                                             R$ 174,99

7. Bibliografia

Cálculos

Euryalle de Jesus Zerbini – Prof. Dr. USP.

Foi solicitado o auxilio para o calculo do bico propulsor

Livro: Motor a Reação

Curso Especializado de Mecânico de Aviões e Helicópteros 

Professor Henrique - CEMAH

        

http://www.lcp.inpe.br/maispropulsao.htm

http://wapedia.mobi/pt/Motor_a_jato

http://selair.selkirk.bc.ca/aerodynamics1/Performance/Page8.html

http://www.dod.mil/ddre/downloads/ddre_briefings/Merging_Air_and_Space071603.pdf