1

ANEMOMETRIA “LASER TRANSIT” APLICADA A UM COMPRESSOR CENTRÍFUGO

Rolando Antonio Corradini Neto – IC

Amílcar Porto Pimenta -PQ

RESUMO Este artigo tem como objetivo o estudo da técnica de anemometria “Laser Transit”, uma técnica não intrusiva baseada na determinação da velocidade de partículas suspensas no escoamento por meio de

dois feixes de laser de igual potência.O artigo inicia-se com aspectos gerais da técnica e seu equipamento (unidade fonte e unidade de recepção). Em seguida, discute-se o princípio de operação,

além do processo de aquisição de dados.Posteriormente, o artigo descreve o banco de ensaios utilizado para a aplicação da técnica, o qual consiste principalmente de um compressor centrífugo, e

a implementação da técnica neste banco, ou seja, o acesso ótico, o posicionamento do volume de medição no espaço, as partículas suspensas no escoamento e o ponto a ser analisado o regime de

operação do compressor. Finalmente, os resultados referentes ao experimento são discutidos e uma conclusão a respeito da técnica é apresentada.

ABSTRACT

The objective of this aricle is the study of the anemometry Laser Transit, a non intrusive tecnique

based on the determination of the speed of the particles imersed in the flow, wich is done by two laser beams of equivalent power. The article begins with some general aspects of the tecnique and its

equipment (source unit and reception unit). After, the principle of operation and the data acquisition process are discussed. Following, the article describes the test bench used for the aplication of the

technique, consisted mainly by a centrifugal compressor, and the implementation of the technique in this bench, i.e., the optical access, the positioning of the volume of measurement in the space, the

suspensed particles in the flow, the point analised and the operation points of the compressor during the measurements . Finally, the results of the experiment are discussed and a conclusion about the

technique is presented. 1. INTRODUÇÃO O desejo de construir aviões cada vez mais confiáveis, rápidos e econômicos fez com que o homem procurasse compreender melhor os fenômenos aerodinâmicos envolvidos nas mais diversas situações. A necessidade de se medir valores de velocidade deu origem a várias técnicas que foram sendo desenvolvidas ao longo dos anos. O grande objetivo sempre foi a obtenção de métodos cada vez mais precisos, simples e que não perturbassem o escoamento, de modo a não interferir nos resultados e análises. Uma destas técnicas de medição de velocidade é a anemometria “Laser Transit”, cuja principal vantagem é se tratar de uma técnica não intrusiva. Este artigo tem como objetivo a descrição desta técnica e sua aplicação em banco de ensaio, mais precisamente em um compressor centrífugo (região que compreende do raio do bordo de ataque das pás do impelidor até a garganta do difusor).

2. ANEMOMETRIA “LASER TRANSIT” A anemometria “Laser Transit” é uma técnica não intrusiva que se baseia na determinação da velocidade de partículas suspensas inseridas no escoamento. Este sistema utiliza um laser, o qual é dividido em dois feixes de potência equivalente, focados posteriormente em uma zona de medição. No

2

momento em que uma partícula atravessa um dos feixes, parte da luz é refletida e o dispositivo de recepção, que consiste de dois fotomultiplicadores e dois módulos de tratamento de sinal, capta esta reflexão. Supondo que a mesma partícula atravesse os dois feixes sucessivamente, conhecendo-se o diâmetro dos feixes, a distância que os separa e a diferença de tempo é possível se determinar a velocidade desta partícula e do escoamento de um modo geral.

A relação entre a velocidade do escoamento e o sinal do laser é linear e, devido às dimensões do volume de medida e de sua duração, a velocidade obtida é local e instantânea.

2.1. O equipamento O equipamento necessário consiste de uma unidade fonte e uma unidade de recepção. A unidade fonte é responsável pela emissão do laser, separação do mesmo em dois feixes equivalentes, e geração do volume de medição com o auxílio de lentes. A unidade de recepção constitui-se basicamente de dois fotomultiplicadores e de um módulo eletrônico responsável pelo tratamento do sinal. Uma representação esquemática deste equipamento é dada pela Figura 1, abaixo:

Figura 1 – Representação esquemática do equipamento

2.2. Princípio de Operação O princípio de operação é ilustrado na Figura 2. Dois feixes formam o volume de medição. O diâmetro dos feixes, D, e as distâncias que os separa, S, são conhecidos. Um dos feixes do laser é fixado no espaço, enquanto ao outro é permitido girar em torno do primeiro, possibilitando a determinação da direção principal do escoamento.

Figura 2 – Posição relativa dos dois feixes de potência equivalente

A cada feixe é associado um fotomultiplicador. O feixe fixo corresponde ao início do

cronômetro e o feixe móvel a sua parada (Figura 3a). Portanto, quando uma partícula cruza sucessivamente os dois feixes, um intervalo de tempo δt é obtido (tempo de vôo). Por fim, conhecendo-se δt, D e S, é possível de se calcular a projeção da velocidade das partículas no plano focal perpendicular aos eixos óticos, sendo esta velocidade assumida como sendo a do fluído.

3

Como a direção principal do escoamento não é conhecida de início, é necessário rotacionar um dos feixes em torno do outro, com o intuito de determinar esta direção. Uma abordagem estatística é imprescindível devido ao caráter turbulento do escoamento e à existência de eventos incoerentes, ou seja, o cronômetro é iniciado e parado por duas partículas diferentes (Figura 3b).

O ângulo do escoamento α corresponde ângulo de alinhamento entre os feixes que garante o maior número de eventos coerentes (partículas suspensas observadas com velocidade dentro de um intervalo estipulado). O tempo associado (tempo de vôo) será o valor de δt obtido mais vezes para esta posição angular. A acurácia estimada é de ±1% para o módulo da velocidade e ±1% para a direção do escoamento.

Figura 3 – Eventos coerentes (a) e incoerentes (b)

Portanto, o procedimento requer a construção de uma histograma tridimensional (Hij,άij,δtij),

representado pela Figura 4, o qual corresponde a densidade de probabilidade do ângulo do escoamento e do tempo de vôo.

Figura 4 – Exemplo de um histograma

No entanto, o procedimento de aquisição utilizado é reduzido. Desta maneira o histograma

tridimensional é substituído por dois bidimensionais (Eventos versus δt e Eventos versus α). Exemplos destes gráficos são dados pela Figura 5.

Figura 5 – Distribuição Marginal do ângulo de alinhamento e do tempo de vôo

Este procedimento é mais rápido e o erro introduzido é estimado em menos de 1% para a velocidade média para intensidades de turbulência inferiores a 20%.

4

3. BANCO DE ENSAIOS

O experimento foi realizado no “Laboratoire Mixte d’Energétique et Propulsion (LAMEP)”, localizado na “Ecole Nationale Supérieure de l'Aéronautique et de l'Espace”, em Toulouse, França. O banco de ensaios utilizado para a aplicação da técnica “laser transit” é constituído principalmente de um compressor centrífugo correspondente à última fase de compressão do motor RTM322 da Turboméca.

O ponto nominal de operação do compressor corresponde a um fluxo mássico corrigido de 1,975 Kg/s, velocidade de rotação corrigida de 29215 rpm e razão de compressão de 3,8. O compressor é formado por um impelidor de shroud fixo e de pás backswept e é movido por um motor elétrico de 400kW.

4. IMPLEMENTAÇÃO DA TÉCNICA NO BANCO DE ENSAIOS

4.1. Janela de acesso ótico e condições do ensaio

Para permitir acesso ótico ao compressor, uma janela de vidro foi instalada na carcaça que envolve o mesmo, possibilitando a visualização de uma região retangular de 30 mm por 60 mm, compreendendo do raio do bordo de ataque das pás do impelidor até a garganta do difusor. Esta região é representada pela região em branco da Figura 6, abaixo:

Figura 6 – Janela de acesso ótico e ponto a ser estudado

A janela é fixada na carcaça por meio de 6 parafusos que permitem uma rápida montagem,

facilitando o processo de limpeza, realizado antes de cada medição. Com o objetivo de ilustrar a técnica “laser transit” realizou-se medida em um ponto localizado

no raio médio do espaço existente entre o impelidor e o difusor, representado na Figura 6. A altura do ponto é de 5400mm em relação à parede do canal do difusor. Os regimes de operação do compressor considerados foram as razão de compressão 1,0, 1,5 e 2,0 e a uma isovelocidade de 20.

4.2. O posicionamento do volume de medição

O laser é instalado sobre uma mesa, fabricada pela MICROCONTROLE, que pode ser deslocada e posicionada com um alto grau de acurácia, a partir da inserção de coordenadas em um programa de computador. O conjunto localiza-se próximo à janela de acesso ótico e paralelamente à

Ponto a ser

estudado

5

face frontal do compressor. Os feixes do laser são desviados para o ponto de interesse com o auxílio de um espelho.

Figura 7 – A fonte do laser, o espelho e a janela de acesso ótico

Os feixes possuem formato hiperbólico, representado pela Figura 8. As características

geométricas do volume de medida são dadas abaixo:

Diâmetro…………………. md µ10= Separação…….………….. ms µ282= Comprimento……………. ml µ300=

Figura 8 – Características geométricas do volume de medição

Para uma boa interpretação dos resultados, é imprescindível o conhecimento da exata localização deste volume de medição. Portanto, o suporte metálico da janela de acesso ótico contém três orifícios de diâmetro 0,5 mm. Para se obter a posição do volume de medição no plano da janela basta focá-lo nestes pontos.

Para se obter a terceira coordenada, é necessário realizar uma medida da profundidade do canal do difusor. O volume de medição é aproximado passo a passo da parede do canal do difusor e a cada aproximação varia-se manualmente a intensidade do laser (mudando-se o ganho do amplificador) de modo a manter a intensidade do sinal de reflexão detectado pela unidade de recepção constante. Em seguida um gráfico ganho versus profundidade é traçado. A coordenada que corresponde ao menor ganho, ou seja, maior intensidade do sinal de reflexão, corresponde à coordenada da parede. Desta maneira, é possível se localizar o volume de medição no espaço.

Este procedimento deve ser realizado para o compressor desligado e em seguida, repetido para o compressor em funcionamento em um determinado regime de operação, após sua estabilização térmica (aproximadamente 45 minutos). Três indicadores de posição são instalados no compressor em cada uma das direções do espaço de modo captar a dilatação devido ao aquecimento. Todos estes dados são inseridos em um programa que calcula o posicionamento da mesa MICROCONTROLE para cada ponto a ser medido durante os diferentes regimes de operação.

FONTE DO LASER

ESPELHO E JANELA DE ACESSO ÓTICO

CARCAÇA DO COMPRESSOR

ENTRADA DE AR

6

4.3. As partículas suspensas no escoamento As medidas de velocidade são possíveis a partir da existência de partículas suspensas no escoamento. Estas partículas precisam ser pequenas o suficiente para seguir corretamente o escoamento e em número suficiente para reduzir o tempo de aquisição sem modificar a natureza do escoamento. Além disso, devem resistir aos aumentos de temperatura e pressão ao qual são submetidas e não causar danos ao banco de ensaios. A mistura que dá origem às partículas suspensas é composta de uma parte de óleo lubrificante para motores para duas partes de White Spirit (solvente). A mistura, armazenada em um pequeno reservatório e submetida a uma pressão de aproximadamente 2 bars, é injetada em um ponto próximo à entrada do impelidor.

5. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

Cada ciclo de medição corresponde à passagem de duas pás principais e duas pás intercalares por uma pá do difusor, sendo este ciclo discretizado em 32 pontos no tempo (sendo que para cada um destes pontos um feixe rotaciona 360° em relação ao outro, de 10° em 10°). O resultado das medições é mostrado na Figura 9, que representa a evolução no tempo dos valores de velocidade no ponto estudado.

Figura 9 – Velocidade versus tempo no ponto em estudo

Este gráfico permite a visualização da passagem da esteira gerada pelas pás do impelidor pelo

ponto em estudo, a qual corresponde aos picos de velocidade. 6. CONCLUSÃO A anemometria “Laser Transit” se mostrou bastante interessante, principalmente por se tratar de uma técnica não intrusiva. No entanto, ela exige um certo investimento para a compra de todo o equipamento, investimento este que se mostra relativamente caro se comparado às técnicas convencionais de medição de velocidade. Uma das fases do procedimento que se mostrou bastante crítica foi a geração de partículas suspensas no escoamento, a começar pela mistura a ser inserida. Várias foram as possibilidades testadas no laboratório sendo que a mistura descrita no artigo mostrou ser aquela que proporcionou um maior número de eventos. Além disto, o ponto de inserção da mistura foi modificado várias vezes e o único que se mostrou eficiente foi o ponto próximo à entrada do impelidor. Como a técnica exige a inserção de óleo no sistema, existe a necessidade de limpeza constante da máquina para evitar que este mesmo óleo venha a alterar as características do escoamento e conseqüentemente os resultados. Caso o circuito de ensaio seja aberto, teve-se tomar cuidado para que não se injete mistura demais, o que acaba por poluir ambiente próximo ao laboratório.

7

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Domercq, O.; Analyse Expérimentale et Modélisation des Interaction Rotor – Stator dans les Compresseurs Centrifuge; Tese de Doutorado (SUPAERO), Toulouse, França, 1988 Elder, R. L., Forster, C.P.; Flow in Centrifugal Compressors; Cranfield Institute of Tecnology, UK, 1987 Humphreys, W. M. Jr., Gartrell L. R.; Comparison of Laser Transit Anemometry Data Analysis Techniques; NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia