Turbo-machinery design is clearly about making many decisions often under uncertainty and with multiple conflicting objectives. In this work, a computational tool has been developed to assist in the preliminary design optimization of supersonic turbines with application on turbopump rocket engines. It was proposed an evolutive approach based on genetic algorithm to automatize the process of selecting values, based on hands-on experience, for decision variables and fulfill simultaneously decisive compromises faced by the designer. At design point, exploring multiple optima solutions, the tool allows to fast estimate in a robust and accurate manner, performance, main dimensions, mass of rotor-wheel and the lower possible flow rate of the turbine. Out of this point, performance maps can be calculated varying rotational speed and pressure ratio. Because, it is involved by many objectives, a Pareto-optimum set is found. The search ends when the relation power-to-weight converges. The power-to-weight ratio characterizes a good option to relate performance and weight among distinct turbopump turbines. The empirical loss models adopted as well as the recommended values in the selection of decision variables were obtained in the Russian literature. To demonstrate the functionalities of tool, the single-stage of the Soviet RD109 rocket turbine was redesigned. The results were validated from those found in the engine';s atlas of construction and also, by a statistical method of calculation defined from an experimental study that estimates the maximum turbine efficiency.

As Máquinas do tipo Turbobombas são elementos chaves no desempenho de um Motor Foguete a Propelente Líquido - MFPL, no entanto o uso destes dispositivos é evitada em um grande numero de propulsores encontrados pelo mundo principalmente quando o fator custo se torna bastante relevante. Deste modo foram realizadas uma série de ensaios com materiais especiais com objetivo de diminuir a dependência de metais estrangeiros, elevar a eficiência do componente, diminuir seu custo final e viabilizar sua manufatura no Brasil. Foram feitos levantamentos bibliográficos a respeito dos materiais e processos mais indicados para a turbobomba hipotética em estudo, com uma visão bastante abrangente da maquina juntamente com o foco em processos e materiais encontrados no mercado nacional. Posteriormente o estudo foi focado no problema proposto, e então após um levantamento bibliográfico detalhado foram feitos experimentos com fim de embasar as decisões de projeto relativas a turbina. Primeiramente, foram escolhidas as ligas metálicas mais comuns neste tipo de aplicação, notadamente ligas baseadas em Níquel, e ligas mais exóticas com alta probabilidade de uso, neste caso baseadas em Nióbio. Após as escolhas das ligas adequadas foram realizados uma série de ensaios para determinar parâmetros relativos a dificuldade de usinagem destas ligas, juntamente com parâmetros relacionados com a capacidade de suportar ambientes oxidantes em altas temperaturas. Baseando-se nos dados bibliográficos recolhidos e fazendo um paralelo com os dados experimentais recolhidos e com dados da indústria nacional foi possível traçar recomendações quanto às decisões de projeto relativas aos materiais e processos de manufatura da turbina da turbobomba em estudo.

As características de um motor foguete a propelente líquido podem levar a turbina a operar em ciclo aberto ou em ciclo fechado. No caso de um motor que opera em ciclo térmico aberto, a turbina é supersônica, de ação e de admissão parcial. Já para o caso de um motor que opera em ciclo fechado, a turbina é sônica, de reação e admissão total. O uso da admissão parcial leva a turbina a ter altura de pá maior do que no caso da admissão total. Esta característica faz com que o desempenho aumente consideravelmente, pois caso a turbina operasse em admissão total, as perdas por vazamento e secundárias seriam excessivamente altas.

Bombas de alta velocidade, i.e., bombas com velocidade angular entre 300 a 6000 rad/s, são largamente empregadas na aviação, mísseis, área naval, indústria petroquímica, plantas de geração de energia como turbinas a gás ou vapor. Por causa das altas velocidades angulares, elas podem ser aplicadas sem a aplicação de redutores em motores foguetes a propelente líquido. O uso de bombas de elevada rotação se deve ao fato das necessidades de obter elevadas pressões (50 a 60 MPa) com pequenas dimensões, reduzida massa e poucos estágios. O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia de dimensionamento dos principais parâmetros e características de uma bomba utilizada em Motores Foguetes a Propelente Líquido. A partir das dimensões e características energéticas da bomba de oxigênio líquido, é determinado os parâmetros de desempenho, através da dinâmica dos fluidos computacional. A partir dos resultados numéricos gerados pela simulação são propostos melhorias no projeto a fim de melhorar e otimizar a eficiência da bomba através da análise do comportamento do escoamento no interior da mesma. Para geração da malha do volume foi utilizado o programa Gambit. Para simular o escoamento na bomba centrífuga, as equações de Navier-Stokes com condições de contorno adequadas são resolvidas para a geometria tridimensional através do programa comercial de volumes finitos Fluent, assumindo o escoamento permanente, incompressível e sem a presença de gases dissolvidos no líquido. O modelo ?-? foi utilizado para simular a turbulência no escoamento. Baseado nos resultados obtidos como campo de velocidade, distribuição de pressão para diferentes fluxos mássicos foram analisados.

A utilização de motores foguete de combustível líquido em lançadores espaciais oferece muitas vantagens sobre seus homólogos sólidos: maior impulso específico, a possibilidade de re-ignição em vôo e o controle da magnitude do vetor empuxo. No entanto, os motores foguete líquidos são tecnicamente mais complexos do que os foguetes a propelente sólido. Nas atividades espaciais brasileiras, apenas motores foguetes sólidos tem sido utilizados em foguetes de sondagem e também no Veículo Lançador de Satélites (VLS). No Programa Espacial Brasileiro, o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), órgão responsável pelo desenvolvimento de foguetes, está desenvolvendo a tecnologia de motores foguete de propelente líquido para ser usada em lançadores de satélites no futuro. Tanques pressurizados ou turbobombas são utilizados para injetar o combustível e o oxidante na câmara de combustão, superando as perdas de pressão no resfriamento, válvulas, linhas de alimentação e injetores. Motores mais eficientes requerem maior pressão de câmara de combustão e só turbobombas podem fornecer pressões altas o suficiente para as linhas de alimentação. Estes sistemas operam em velocidades muito elevadas e sofrem intensas cargas dinâmicas. Portanto, o comportamento dinâmico do rotor deve ser avaliado ainda durante a fase de concepção. Esta dissertação encontra-se no âmbito dos esforços do IAE / ITA, a fim de desenvolver conhecimentos e recursos humanos na área de motores foguete de propelente líquido. Neste trabalho, uma unidade de turbobomba foi projetada para um motor de foguete de propelente líquido hipotético com 75kN de empuxo no vácuo. Também foi desenvolvido um programa de elementos finitos utilizando MATLAB considerando o eixo flexível com discos rígidos para analisar o comportamento dinâmico do rotor e dos mancais. Resultados clássicos de dinâmica de rotores, como diagrama de Campbell, modos de vibração e modos de giro foram calculados. Um valor de desbalanço típico para este tipo de sistema foi designado para o rotor e o efeito da distribuição de massas de desbalanceamento nos discos (bombas e turbinas) foi analisado. A análise indicou um rotor com vibrações laterais excessivas. Novas configurações do projeto foram criadas e analisadas com facilidade até uma configuração que atendesse aos requisitos de deslocamento foi encontrada.