Estudo de mancais radiais aerostáticos considerando a influência do coeficiente de descarga dos orifícios de abastecimento.

Abstract

Neste trabalho apresenta-se a teoria da lubrificação de mancais radiais a gás, e o ar é o fluido lubrificante. Nos mancais radiais a gás, quando o munhão não está sujeito a rotação e há suprimento externo de gás, por exemplo, através de orifícios de abastecimento, tais mancais são denominados de mancais radiais aerostáticos. Para a formulação do escoamento nos orifícios de abastecimento foi considerado o escoamento como compressível, isentrópico, unidimensional e o ar como um gás perfeito. O coeficiente de descarga Cd de um orifício de abastecimento expressa a relação entre a vazão mássica real e a vazão mássica teórica numa dada condição de escoamento. Até a presente data, pesquisadores têm considerado um valor constante para este coeficiente, seja para a condição de escoamento sônico quanto para a condição de escoamento subsônico. Neste trabalho, em uma primeira etapa, obteve-se o coeficiente de descarga dos orifícios de abastecimento, relacionando-se a vazão mássica do escoamento compressível, isentrópico e unidimensional com a vazão mássica obtida através da simulação do escoamento compressível “real”, utilizando-se o programa comercial de análise computacional de mecânica dos fluidos ANSYS-CFX®. Foi observado que o coeficiente de descarga pode ser considerado constante na condição de escoamento sônico. Entretanto, foi constatado que, quando os orifícios de abastecimento operam na condição de escoamento subsônico, o coeficiente de descarga varia em função da razão entre as pressões de descarga e de alimentação dos orifícios. Numa segunda etapa do presente trabalho, a solução do problema de lubrificação do mancal foi obtida pelo método de elementos finitos com elementos triangulares lineares e a formulação de Galerkin dos resíduos ponderados, considerando-se o coeficiente de descarga obtido na simulação computacional. O escoamento na folga do mancal radial aerostático foi considerado bidimensional, em regime laminar viscoso e isotérmico. A hipótese simplificadora usual, de que as forças inerciais do fluido são desprezíveis foi empregada. As equações governantes e o modelo matemático do problema foram desenvolvidas e as demais hipóteses simplificadoras listadas. Foi desenvolvido neste trabalho um programa computacional em linguagem FORTRAN para a análise de mancais radiais aerostáticos, o qual foi denominado MARAGAS. A validação deste programa foi realizada para comprovar os resultados obtidos. Utilizando-se o programa MARAGAS, foi estudada a influência do coeficiente de descarga dos orifícios de abastecimento no desempenho do mancal radial aerostático. O coeficiente de descarga foi considerado constante nas condições de escoamento sônico e linearmente variável nas condições de escoamento subsônico, variação esta que não foi considerada por outros pesquisadores. Na condição de excentricidade nula, o parâmetro adimensional de projeto kgo, que é a razão entre a pressão manométrica de descarga e a pressão manométrica de suprimento dos orifícios de abastecimento, é também calculado pelo programa. Nesta condição de excentricidade adimensional, a pressão de descarga de cada orifício de abastecimento é única e idêntica para todos os orifícios, desde que tais orifícios sejam geometricamente idênticos. O parâmetro de projeto kgo é de fundamental importância para estabelecer o compromisso entre a rigidez e a capacidade de carga na excentricidade prevista de operação do mancal radial aerostático. Este parâmetro indica também a possibilidade de ocorrência do chamado escoamento “entupido” ou “bloqueado” (choked flow) nos orifícios de abastecimento, o qual poderá gerar instabilidade na operação do mancal. Convém destacar que o parâmetro adimensional de projeto k go de mancais radiais aerostáticos é raramente apresentado na literatura. Finalmente, os resultados de estudos de casos de mancais radiais aerostáticos são apresentados e analisados, onde as vazões mássicas requeridas de cada orifício e a vazão mássica total requerida, a pressão individual de descarga de cada orifício e a distribuição de pressão no filme lubrificante do mancal, a capacidade de carga e outros parâmetros são calculados através do programa MARAGAS.