Limitações/Baixa Fiabilidade do Sistema de Instrumentação

A TAP M&E, à semelhança de outras MRO, está interessada no desenvolvimento de novos sensores, que possam fornecer informações pertinentes sobre o ciclo termodinâmico do motor. Nesse sentido, foram identificadas na figura 2.8, as estações aerodinâmicas cuja obtenção de dados experimentais é essencial no isolamento e caracterização dos respetivos componentes.

Figura 2.8: Estações aerodinâmicas do reator CFM56-3 sem instrumentação fiável para monitorização de desempenho. Adaptado de [34]

Descarga das OGV da Fan - Estação Aerodinâmica 17

O sistema de instrumentação do motor não tem prevista a instalação de qualquer sensor no ducto de bypass [28]. Contudo, a TAP desenvolveu internamente um sensor de pressão total PT17 e outro de temperatura estática TS17 (figura 2.9), que permitem quantificar o rendimento da Fan e estimar o impulso gerado pelo caudal secundário do motor [34]. O risco associado à instrumentação desta região é relativamente baixo, porque apesar do aumento do arrasto de pressão motivado pela exposição do sensor à elevada velocidade do escoamento, em caso de desintegração, o mesmo será projetado através do ducto de bypass, sem prejuízo para o motor [31].

Entrada do Booster – Estação Aerodinâmica 21

Apesar do caudal mássico total de ar ser calculado à entrada do motor, não existem sensores instalados a montante do Booster, que permitam quantificar a massa de ar à entrada do core.

Desta forma, o caudal primário, útil na determinação da temperatura à saída da câmara de combustão, e do caudal de sangria libertado através das VBV [28], apenas pode ser estimado recorrendo à razão de bypass, que segundo o fabricante tem um valor de referência igual a 5 [27]. Uma vez que as condições segundo as quais este valor se verifica, não são referidas pelo OEM [31], o caudal primário real será distinto do valor estimado, pelo que a instalação de sensores é condição necessária à atenuação do erro.

Entrada do HPC – Estação Aerodinâmica 25

Esta estação foi já mencionada na subsecção 2.2.1, uma vez que em condições normais, é possível efetuar a instalação de uma sonda de pressão e temperatura TP25, no suporte do Fan

Frame projetado para o efeito.

De acordo com a base de dados da TAP M&E, apenas em cerca de 9.1 % dos testes realizados existem valores de pressão e temperatura referentes à estação aerodinâmica 25. Considerando que os dados referidos foram obtidos por Ridaura [28] em 2014, e que os testes ao reator CFM56- 3 são uma constante no banco de ensaios da TAP, podemos facilmente deduzir que a percentagem atual de ensaios, sem sonda instalada, será substancialmente inferior.

A utilização esporádica da sonda TP25 pode ser explicada com base na baixa confiabilidade dos resultados obtidos, e nos problemas que continuamente foi apresentando. A principal problemática desta ferramenta, indicada na figura 2.10, relaciona-se com o tubo que conecta a tomada de pressão ao suporte do motor, e que dada a sua rigidez, se torna propenso ao dano durante as operações de montagem/desmontagem [34]. Outro dos aspetos a realçar prende-se com as limitações de espaço que dificultam a instalação do sensor, sendo por isso necessário proceder a modificações com o propósito de acelerar e simplificar o procedimento de instalação.

A TAP M&E pode recorrer à metodologia proposta no Engine Shop Manual, segundo a qual é possível calcular a temperatura total TT25, em função da velocidade N1 e da temperatura à entrada do motor TT2 [28].

Contudo, a falta de instrumentação nesta estação aerodinâmica continua a ser uma das principais limitações à análise de desempenho do reator CFM56-3, pelo que as soluções prováveis para o referido problema passam pela reparação da sonda original, ou pelo desenvolvimento interno de um novo sensor, mais robusto e funcional.

Saída da Câmara de Combustão – Estação Aerodinâmica 40

A temperatura à saída da câmara de combustão TT4, é o parâmetro termodinâmico mais difícil de medir experimentalmente, devido a dois fatores fundamentais que condicionam o projeto de um hipotético sensor. Primeiramente, o forte gradiente de temperatura verificado no plano de saída da CC, motivado pela turbulência induzida durante a queima do combustível, facilmente adultera os valores medidos. Em segundo lugar, as temperaturas e pressões extremamente elevadas, apenas limitadas pela resistência térmica dos materiais usados na construção das turbinas, vão acrescentar um elevado grau de complexidade ao projeto de um presumível sensor [28].

Assim, a medição da temperatura média total à saída da câmara de combustão TT4, fundamental no estudo das turbinas de gás do ponto de vista termodinâmico, de acordo com Philpot [38], impõe algumas condições por vezes incomportáveis para a maioria das MRO.

O banco de ensaios da TAP M&E não possui o nível de instrumentação apresentado pelas instalações do OEM, usadas no desenvolvimento de novos reatores [28]. Assim, a monitorização da região quente do motor pressupõe um grande investimento no desenvolvimento interno de sensores de alta confiabilidade, preparados para operar em condições austeras. Para além dos custos associados à criação de novas soluções, a possibilidade de danificação do motor deve ser considerada, na eventualidade de uma desintegração do sensor em funcionamento, causar estragos nos componentes a jusante, comprometendo a integridade estrutural do motor [31].

Descarga da HPT – Estação Aerodinâmica 42

A medição da temperatura do escoamento entre turbinas é essencial, não só no isolamento termodinâmico da HPT e da LPT, como também, no estudo da influência que a degradação de cada um dos ditos componentes exerce, sobre o desempenho global do motor.

No entanto, a obtenção de medições precisas de pressão e temperatura nesta estação, constitui um grande desafio, à semelhança do que sucede com qualquer outra medição realizada na zona quente do motor, onde o escoamento turbulento e os valores de pressão e temperatura elevados, exigem a utilização de materiais específicos - Inconel 625, 718, X-750, cuja elevada resistência ao calor, à corrosão e à oxidação são sinónimo de um avultado investimento.

Consciente de que a obtenção de valores reais de pressão e temperatura, à saída da HPT, constitui uma mais-valia na análise do desempenho do motor, a TAP M&E procedeu ao desenvolvimento de sensores, com os quais fosse possível medir a temperatura estática TS42 e a pressão estática PS42 nesta estação [34].

Figura 2.11: Sensores de temperatura estática TS42 (à esquerda), e pressão estática PS42 (à direita), desenvolvidos por Henriques [34].

Dado que o motor em estudo não prevê a introdução de instrumentos de medição nesta região, foi implementada uma solução de recurso, por vezes utilizada em turbinas de gás que não possuem suportes para suster instrumentos de medição, e que passou pelo aproveitamento dos dois orifícios utilizados na inspeção por boroscópio, para proceder à instalação das sondas representadas na figura 2.11.

Após construídas, as sondas de pressão e temperatura foram testadas em banco de ensaio, tendo-se verificado que a configuração adotada subestimava em larga medida os valores reais sentidos naquela região do motor. Assim, a baixa confiabilidade dos resultados e a falta de robustez para resistir às severas condições de funcionamento, foram fundamentais para que o departamento de engenharia da TAP inviabilizasse a utilização continuada destes sensores.

Ao longo da presente secção o autor abordou, de forma genérica, o sistema de instrumentação do reator em análise. Numa primeira fase foram enumeradas as estações aerodinâmicas instrumentadas, referindo a tecnologia aplicada em cada caso, bem como a importância dos dados obtidos na análise de desempenho do reator. Em seguida, e de forma a sensibilizar o leitor para a necessidade de introdução de novas soluções de instrumentação no banco de ensaios da TAP M&E, foram mencionadas as estações aerodinâmicas do motor, cujos principais parâmetros de desempenho são desconhecidos ou medidos esporadicamente.

Visto que a estação aerodinâmica 25 é referida na subsecção 2.2.2, e considerando que o autor centrou o seu trabalho na referida região, torna-se essencial que uma revisão literária sobre instrumentos e técnicas de medição aplicadas a turbinas de gás seja realizada, permitindo a idealização de uma solução de instrumentação mais precisa e confiável, ajustada às condições do escoamento e compatível com a interface do banco de ensaios.