Projeto de Selos do tipo Labirinto usando Otimização Topológica com multi-materiais baseada numa abordagem de Curvas de Nível

Resumo

Este trabalho tem como objetivo empregar otimização topológica para melhorar a eficiência de selos do tipo labirinto, que são elementos de vedação sem contato bastante utilizados em turbomáquinas, a partir do uso de múltiplos materiais. A otimização topológica é um método computacional para encontrar a melhor distribuição de material em uma estrutura, a fim de maximizar ou minimizar uma função objetivo. Propõe-se um problema de otimização topológica multi-objetivo que considera as áreas de fluidos e estrutural. Com relação à área de fluidos, o objetivo é minimizar o fluxo de vazamento (ou maximizar a queda de pressão) passando através do selo. Levando em conta aspectos estruturais, o foco deste plano de pesquisa é tratar o problema de otimização topológica multi-material com restrições sobre o campo de tensão de von Mises. Dentro deste contexto, materiais com diferentes propriedades são distribuídos ao longo do selo do tipo labirinto: materiais mais rígidos são empregados em regiões com alta pressão (região de entrada) para evitar deformações no caminho otimizado do escoamento e, consequentemente, alterar o vazamento, e materiais menos rígidos são usados em regiões com menor pressão (saída). A partir desta última propriedade no selo, os conceitos de projeto de mecanismos flexíveis são introduzidos para obter perfis flexíveis. Assim, menores distâncias entre o eixo e o selo podem ser consideradas, trazendo melhorias como menores vazamentos, aumento da vida útil do selo e flexibilidade do selo em caso de atrito com o eixo. Uma representação de curvas de nível é usada para controlar o domínio de projeto sólido-fluido (multimaterial). O método de curvas de nível permite um claro rastreamento das fronteiras ao longo do processo de otimização e não necessita técnicas de pós-processamento da topologia obtida. Espera-se que diferentes propriedades de material em certas regiões do selo possam resultar no aumento do seu desempenho. A fabricação das geometrias otimizadas resultantes pode ser viabilizada pelas tecnologias de manufatura aditiva, inclusive combinando mais materiais.