Método exergético para concepção e avaliação de desempenho de sistemas aeronáuticos.

• Main Author: Gandolfi, Ricardo
• Other Authors: Oliveira Júnior, Silvio de
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2010
• Subjects: Aeronave; Aircraft; Aircraft systems; Análise exergética; Exergy analysis; Method; Método; More electric systems; Sistemas aeronáuticos; Sistemas mais elétricos
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-21102010-111314/

A tendência da indústria aeronáutica comercial é o desenvolvimento de aviões mais eficientes em termos de consumo de combustível e custos operacionais diretos. No que diz respeito ao consumo de combustível, algumas estratégias da indústria aeronáutica são o uso de uma aerodinâmica mais eficiente, materiais mais leves e motores e sistemas mais eficientes. O motor turbo jato convencional fornece potência elétrica para os sistemas de cabine (luzes, entretenimento, cozinha) e aviônicos, potência hidráulica para os sistemas de controle de vôo e potência pneumática para proteção contra formação de gelo e unidade de controle ambiental. Motores mais eficientes e diferentes tipos de arquiteturas de sistemas, como os sistemas mais elétricos, são promessas para reduzir o consumo de combustível. A fim de comparar os processos energéticos das arquiteturas de sistemas e motor numa mesma base, a exergia é o verdadeiro valor termodinâmico que deve ser utilizada como ferramenta de decisão para projeto de sistemas, motores e aeronaves, assim como parâmetro de otimização. Trabalhos de outros autores focaram apenas em redução da exergia destruída e nenhum trabalho apresentou um método harmonizador que consolide os parâmetros já existentes e crie outros parâmetros comparativos entre sistemas. Este trabalho propõe um método baseado em análise exergética para concepção e avaliação de sistemas aeronáuticos, que pode ser aplicado ao projeto de uma nova aeronave desde as fases de estudos conceituais e ante projeto até a fase de definição. O método pode suportar o projeto completo de uma aeronave como um único sistema, pois integra todos os subsistemas numa mesma estrutura. Os principais índices propostos neste trabalho são: exergia destruída, rendimento exergético, consumo específico de exergia, exergia destruída na missão e eficiência exergética da missão. Este trabalho também apresenta resultados comparativos ao aplicar o método exergético entre versões de uma mesma aeronave comercial regional, considerando sistemas de gerenciamento de ar (sistema de extração pneumática, unidade de controle ambiental e sistema de proteção contra formação de gelo) convencionais e mais elétricos. Para tanto, quantificam-se os requisitos de dimensionamento e faz-se a modelagem termodinâmica dos sistemas convencionais e mais elétricos, assim como a modelagem do motor para ambas as versões da aeronave. Os resultados da aplicação do método exergético evidenciam que os sistemas convencionais de gerenciamento de ar são os maiores consumidores de exergia de uma aeronave e que a substituição por sistemas mais elétricos é uma boa alternativa para melhorar a eficiência termodinâmica da mesma. Considerando os mesmos requisitos exergéticos de tração entre as duas versões de aeronaves, a abordagem mais elétrica apresenta maiores rendimentos exergéticos de missão em torno de 0,5%. Entretanto, a análise completa também leva em conta as diferenças de peso e arrasto entre as duas versões de aeronaves, a qual evidencia que a escolha por sistemas mais elétricos deve ser guiada pela variação dos requisitos de tração que esta aeronave possui com relação ao avião com sistemas convencionais. === A tendency of the commercial aeronautical industry is to develop more efficient aircraft in terms of fuel consumption and direct operational costs. Regarding fuel consumption, some strategies of the aeronautical industry are to use more efficient aerodynamics, lightweight materials and more efficient engines and systems. The conventional turbo fan engine mainly provides electric power for cabin systems (lights, entertainment, galleys) and avionics, hydraulic power for flight control systems and bleed air for ice protection and environmental control systems. More efficient engines and different types of systems architectures, such as more electric systems, are a promise to reduce fuel consumption. In order to compare the energy processes of systems and engine architectures at the same basis, exergy is the true thermodynamic value that shall be used as a decision tool to aircraft systems and engine design, and also as an optimization tool. Other works have focused only on reduction of exergy destruction and none have presented a method that harmonizes and consolidates the existing comparative parameters and creates new parameters among systems. This work proposes a method based on exergy analysis for conception and assessment of aircraft systems, that can be applied to an aircraft project from the conceptual and preliminary designs to the detail design. The method can support the design of the complete vehicle as a system and all of its subsystems in a common framework. The main proposed parameters in this work are: exergy destruction, exergy efficiency, specific exergy consumption, mission exergy destruction and mission exergy efficiency. This work also presents comparative results by applying the method to conventional and more electric version of the same regional commercial aircraft, considering conventional and electric air management systems (bleed system, environmental control system and ice protection system). In order to, sizing requirements are evaluated and thermodynamic models are performed for both conventional and more electric air management systems, and also engine models are performed for both aircraft. Results show that conventional air management systems are the higher exergy consumers among aircraft systems and the substitution for more electric systems is a good alternative to improve the aircraft thermodynamic efficiency. Considering the same thrust exergy requirements for both aircraft, the more electric version presents higher mission exergy efficiency around 0.5%. However, a complete trade-off also takes into account weight and drag differences of both versions, which makes evident that the selection for more electric systems must be driven by the variation of thrust requirements between more electric and conventional aircraft.