Análise de sistema hidráulico digital para aviões com foco em eficiência energética

Abstract

A hidráulica é uma tecnologia amplamente utilizada em aplicações que exigem controle de grandes cargas e alta densidade de potência. En-tretanto, os sistemas hidráulicos também são conhecidos por apresenta-rem uma baixa eficiência energética, especialmente quando comparada aos sistemas elétricos. Como consequência, um conceito conhecido como More Electric Aircraft MEA defende que o projeto de novas aeronaves seja realizado com a utilização de mais equipamentos elétricos. Contudo, devido especialmente à fatores de segurança e confiabilidade, o controle das superfícies primarias ainda priorizam a utilização de atuadores hi-dráulicos. Segundo os resultados de pesquisas recentes, a hidráulica digi-tal é uma tecnologia que vem se mostrando uma alternativa para a redução da dissipação de energia nestes sistemas. O objetivo principal do presente trabalho é a modelagem e análise experimental de um sistema hidráulico digital, com enfoque especial à eficiência energética. A concepção hi-dráulica digital utilizada neste estudo foi proposta pelo pesquisador Henri C. Belan e baseia-se na substituição da servoválvula por um conjunto de válvulas on/off associadas a um atuador multicâmaras e três linhas de pressão. Um modelo do sistema digital foi desenvolvido e implementado no software Hopsan, e validado com experimentos realizados na Bancada do Atuador Hidráulico Digital, existente no Laboratório de Sistemas Hi-dráulicos e Pneumáticos da Universidade Federal de Santa Catarina. Tam-bém foram desenvolvidos dois modelos equivalentes para o sistema de atuação com servoválvula, com o objetivo de comparar a eficiência destes sistemas. Um modelo considerando os vazamentos internos e outro sem considerar estes vazamentos. Para o modelo com vazamentos internos, a servoválvula foi modelada utilizando uma ponte de Wheatstone completa com resistências hidráulicas, o qual foi validado com base em resultados experimentais. Os resultados obtidos mostram um incremento considerá-vel da eficiência energética do sistema digital, devido à ausência de con-trole resistivo por orifício, redução dos vazamentos internos e pelo piloto. O sistema com servoválvula considerando vazamentos internos tem uma eficiência de 1,2% e o sistema digital de 37,2%, com uma redução da energia de entrada de 16,6 a 1,7 kJ. Uma redução da dissipação de energia de 93%. Como resultado complementar, também foi analisada a influên-cia do tamanho dos acumuladores na variação da pressão nas linhas de suprimento do sistema digital, e a influência no desempenho do sistema para o avanço e o recuo na máxima velocidade do atuador.

Abstract : Hydraulics is a technology generally used in applications that require control of large loads and high power density. However, hydraulics sys-tems are known to have low energy efficiency, especially when compared to electrical systems. As a consequence, a concept known as More Elec-tric Aircraft-MEA propose that the design of new aircraft with the use of more electrical equipment. However, due to safety factors and reliability, control of the primary surfaces still prioritize the use of hydraulic actua-tors. According to the results of recent research, digital hydraulics is a technology that is proving to be an alternative for the reduction of energy dissipation in these systems. The main objective of the present work is the experimental analysis and modeling of a digital hydraulic system, with a special focus on energy efficiency. The digital hydraulic design used in this study was proposed by the researcher Henri C. Belan and is based on the replacement of the servo valve by a set of on/off valves as-sociated with a multi-chamber actuator and three pressure lines. A digital system model was developed and implemented in the software Hopsan, and validated with experiments of the Digital Hydraulic Actuator Bench, existing in the Laboratory of Hydraulic and Pneumatic Systems of the Federal University of Santa Catarina. Also, two equivalent models were developed for the servo-valve actuation system, in order to compare the efficiency of these systems. One model considering the internal leakage and the other without considering these leaks. For the internal leakage model, the servo-valve was modeled using a full Wheatstone bridge with hydraulic resistances, which was validated based on experimental results. The results obtained show a considerable increase in the energy efficiency of the digital system, due to the absence of resistive control by orifice, reduction of internal and pilot leakage. The system with servo-valve has an efficiency of 1,2% and the digital system of 37,2%, with a reduction of input energy from 16,6 to 1,7kJ. A reduction of loss energy of 93%. As a complementary result, we also analyzed the influence of the size of the accumulators on the pressure variation in the supply lines of the digital system, and the influence on the performance of the system in the advance and return at the maximum speed of the actuator.