Projetos de sistemas pneumáticos

Engineering with Simulation FEA/NASTRAN, AMESim, and FloMaster

O sistema pneumático, capítulo ATA 100-36, também é conhecido como sistema de sangria do motor, ou engine bleed air system. Ele basicamente fornece ar quente e de alta pressão para os sistemas de ar-condicionado, de proteção contra gelo e chuva, e de pressurização. Pode ser também usado por sistema de pressurização de selos, de ejetores, de drenos, de aquecimento, de sistema de pressurização de radares, de sistema de geração de oxigênio a bordo (OBOGS – on board oxygen generation system) e qualquer outro sistema que precise de ar quente ou pressurizado da aeronave.

Há aspectos importantes no sistema pneumático como a sua distribuição, vazão, temperatura e pressão. A distribuição depende da perda de carga dos seus subcomponentes e da presença de válvulas de controle. Uma característica é a divisão de vazão, que pode ser ativa ou passiva, e determina o quanto de vazão cada ramo do sistema atingirá.

Um sistema pneumático de uma aeronave comercial geralmente possui válvulas de corte e regulagem de pressão para estágios de alta e baixa do compressor do motor, pré-resfriador, e também válvulas de controle de vazão e pressão para os sistemas usuários, como ar-condicionado e proteção contra gelo.

Certificação de Sistemas Pneumáticos

De acordo com requisitos de certificação e análise de segurança como Functional Hazard Analysis, Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) e árvores de falha há redundância no sistema. Por isso as aeronaves possuem um sistema do lado esquerdo e direito da aeronave.

O sistema e seus componentes podem ser certificados por análise, teste ou similaridade. Isso é determinado em uma análise de meios de cumprimento de requisitos (Means of Compliance – MOC).

Para teste geralmente são feitos testes de pressão de prova (proof) e de estouro (burst). Se os dutos tiverem juntas com movimento, poderão ser necessários testes de fadiga e de vida acelerada.

As análises requeridas geralmente são de perda de carga, distribuição ou de divisão de vazão (flow sharing), de desempenho térmico e de temperatura. Outras análises envolvem o controle de pressão, vazão ou temperatura, ou seja, a dinâmica da planta e de seu controle. Também podem ser necessárias análise de CFD para rompimento de dutos, determinação de perda de carga, entradas de ar ou Ram Air e entradas de trocadores de calor (headers) por exemplo.

Um subsistema muito importante é o de indicação e medidas de vazão, pressão, temperatura e de detecção de falhas. Este subsistema tem sensores dedicados para cada tarefa. A indicação é mostrada ao piloto e tem níveis de severidade para a segurança de voo. As falhas podem ser sobre-temperatura, sobre-pressão ou de vazamentos indesejados, que podem afetar a estrutura ou equipamentos eletrônicos principalmente.

Os relatórios principais de certificação de sistemas pneumáticos são: descrição de sistema, de análise de segurança (Safety Assessment), de proposta de teste, de resultados de teste conforme requisitos FAR 25 ou 23, mas também de qualificação de componentes conforme a RTCA-DO-160.

Ferramentas de Projeto ATS

Para projetar um sistema de dutos pressurizados e com alta temperatura que percorre boa parte da aeronave são necessárias a instalação de juntas de expansão ou de juntas bola, também de suportes presos a estrutura primária da aeronave. Durante a operação ocorre a expansão térmica e o deslocamento devido as diferenças de pressão. Logo, para projetar, é necessário saber quais são as forças e os deslocamentos sofridos pelas linhas pneumáticas. As forças geram tensões nas curvas, dutos e suas junções que precisam ser comparadas com os permissíveis estáticos e de fadiga dos materiais. Um requisito de certificação é saber quais são as cargas passadas pelo sistema pneumático as estruturas primárias da aeronave. O projeto precisa de apoio de uma ferramenta CAD e uma do tipo FEA, de análise estrutural, como NASTRAN ou Adina.

As ferramentas numéricas que suportam o projeto e certificação de sistemas pneumáticos são CFD++, FEA (NASTRAN ou Adina), Matlab/SciLab ou Siemmens AMESim/Modelica (para controle ou regime transitório) e Siemens FloMaster (para regime permanente). A ATS também possui ferramentas desenvolvidas especificamente para aplicações em Python e Excel.