This work focuses on a comparative analysis among three compressor inlet air cooling techniques using a thermodynamic approach to simulate the gas turbine cycle. Firstly, a Base Case is tested to determine the gas turbine performance without any cooling method. The effect of site altitude on the power output gas turbine even without any cooling technique is also simulated. After, the evaporative cooling, absorption and mechanical refrigeration chillers are studied under different ambient temperature and relative humidity. Results showed that the cooling potential of the evaporative system is dependent of its effectiveness, while the absorption chiller cooling load is determined by pre-established compressor inlet air temperature. For the mechanical chiller method, however, it is necessary also to consider the power demand required by the vapour refrigerant compression. It is important to observe that although the absorption chiller has been the more suitable cooling method, it is only a realizable solution if the exhaust gases heat are available and with adequate discharge temperature. Furthermore, the gas turbine analysis is carried out at two brazilian locations: Campos/RJ and Goiania/GO. The monthly power output gain offered by the evaporative cooling method is low due to its intrinsic limitation, the ambient wet-bulb temperature. Further, the mechanical chiller system provided a considerable improvement in power output monthly results. However, the best power output increment is reached when the absorption chiller system is employed. Besides, a preliminary economic analysis showed that evaporative cooling offered the lowest unit electric energy cost, but associated with the lesser incremental power generation potential. On the other hand, the chillers systems are more expensive, while provide larger values of incremental electric energy. Results also showed that the cooling techniques allow obtaining a considerable increase in power generation with a lower cost in comparison with the gas turbine plant without any cooling method.

O desenvolvimento de equipamentos na área de energia tem sido amplamente discutido por diversas nações e empresas, dentre os quais é possível destacar as turbinas a gás. O estudo desse tipo de motor é bastante complexo, pois envolve diversas áreas do conhecimento como aerotermodinâmica, combustão, controle e integridade mecânica. A integridade mecânica possui um papel importante, uma vez que falhas mecânicas podem ocasionar graves acidentes e elevados prejuízos financeiros. Dessa forma, é importante analisar corretamente todos os parâmetros que estão envolvidos nesse contexto, como análises estruturais, desenvolvimento de novos materiais e também estudos relacionados às vibrações mecânicas que são as principais causas de falhas mecânicas. O presente trabalho foi desenvolvido para justamente entender o comportamento dinâmico de rotores e assim evitar que qualquer dano estrutural seja causado por vibrações excessivas do conjunto rotativo. Para isso foi caracterizada toda uma metodologia de projeto para a construção de um modelo eficiente capaz de traduzir esse comportamento dinâmico. Além disso, para realização do estudo foi utilizado o método de elementos finitos juntamente com o software comercial ANSYS que é uma ferramenta adequada para resolução de diversos problemas de engenharia. Primeiramente foram desenvolvidas validações através de modelos simples obtidos da literatura para a verificação do método e do software. Posteriormente, estudos mais detalhados foram introduzidos para comparar diferentes tipos de modelagem, utilizando elementos de viga, elementos sólidos 2D e 3D. Finalmente, a metodologia proposta foi aplicada a um rotor com todas as características reais de um conjunto rotativo de turbina a gás.

Flexibilidade de combustível e segurança de fornecimento energético são dois parâmetros fundamentais no âmbito da indústria de energia. Nesse contexto, insere-se a turbina a gás flex, que opere com combustíveis gasosos ou líquidos. A diversidade de fontes energéticas do país é uma vantagem estratégica que pode ser utilizada com muito sucesso. O seguinte trabalho tem como objetivo central contribuir para essa abertura, onde almeja-se o consumo de combustíveis alternativos locais, como os provindos da biomassa assim como os mais amplamente produzidos e distribuídos como é o caso do gás natural. O projeto de injetores do tipo bicombustível permite que esses sistemas possam ser pensados. Para a realização desse trabalho foram usadas 4 metodologias de projeto preliminar, as para injetores centrífugo tangencial para líquido, injetor centrífugo tangencial para gás, injetor plano para líquido e injetor plano para gás. Os parâmetros de uma família de 8 turbinas a gás com potências variando entre 5,25 e 47 MW foi usada para dimensionamento preliminar. Também foram usadas como variantes de projeto, 6 opções de combustível: etanol, metanol e diesel além de metano e dimetil-eter e GLP.Para o projeto de injetores do tipo bicombustível, combinações e modificações dos projetos convencionais foram realizadas, dependendo da necessidade de cada caso em particular. Assim, foram também analisados os injetores dos tipos gás-assistido com mistura externa, centrífugo de orifício duplo e airblast de mistura interna.

As máquinas rotativas estão cada vez mais presentes no mundo moderno e suas aplicações são as mais diversas. Dentre as máquinas rotativas que requerem um funcionamento mais suave possível as turbinas a gás são um grande exemplo, pois estas operam em rotações elevadas e em condições severas. Em aplicações aeronáuticas, dada a proximidade com pessoas, as turbinas a gás requerem um nível de precisão de operação muito alto, evitando danos que possam ocorrer colocando em risco as pessoas à sua volta. Para atingir um alto patamar de segurança é necessário que haja previsão e controle de vibrações. Prevenir vibrações exige estudo anterior à produção da turbina a gás e é neste contexto que situa-se a dinâmica de rotores, que estuda o comportamento dos rotores, utilizando-se de dados provenientes do projeto da máquina, antes da fabricação de qualquer protótipo. Com isso, os projetos tendem a ter seu custo e tempo de conclusão reduzidos, além do produto que opera em condições seguras e com maior vida útil. Este trabalho tem como objetivo o estudo da dinâmica de rotores por meio da simulação de um rotor em operação, para que seja analisado seu comportamento dinâmico. Utilizando o método de elementos finitos e o método de integração de Newmark implementados em uma rotina em MatLab, um rotor é simulado e como resultados são obtidos o diagrama de Campbell, a resposta ao desbalanceamento e as órbitas descritas pelo rotor. Tornando possível prever o comportamento do rotor sem que hajam testes empíricos. Inicialmente, para validar o modelo foram utilizados dois exemplos retirados da literatura e comparados com os resultados obtidos pela rotina. O primeiro, analisa um mono-rotor com um disco e sem amortecimento nos mancais, operando em velocidade crítica. O segundo, analisa um mono-rotor com três discos e com o amortecimento dos mancais, operando fora das velocidades críticas. Por fim, foi realizado um estudo de caso de um rotor real, simulando-o e analisado-o conforme sua rotação de operação.

O rápido desenvolvimento mundial cria uma demanda crescente por energia em várias aplicações, como nas áreas de transportes e industrial. Para suprir essa demanda de energia e estar de acordo com requisitos da legislação, dispositivos de geração de energia estão se tornando mais eficientes. A evolução recentemente alcançada nesses dispositivos, tais como turbinas a gás, aumenta substancialmente as possibilidades de se utilizar esses motores para atender a essa demanda. O aumento na eficiência e a evolução das técnicas de fabricação, como novos materiais e ferramentas mais precisas, são alguns dos fatores que diretamente contribuem para essa situação. Uma turbina a gás de sucesso, entre outros fatores, é aquela que pode ser utilizada em diferentes aplicações sofrendo as menores mudanças possíveis. Esse fato representa uma redução de custos e afeta diretamente a viabilidade de um projeto e as suas chances de sucesso em um mercado mais e mais competitivo. Dentro desse cenário, este trabalho traz uma etapa do desenvolvimento de uma turbina a gás competitiva. Na primeira fase, foi realizado o projeto de uma pequena turbina a gás do tipo turbojato, na faixa de 5 kN de empuxo. Nesta segunda fase, esse turbojato será modificado de forma a incorporar uma turbina de potência com o objetivo primário de fornecer potência de eixo. Este trabalho descreve o desenvolvimento dessa turbina, cobrindo a concepção do ciclo termodinâmico, o projeto preliminar 1D e 2D, a geração dos perfis e a análise com técnicas de dinâmica dos fluidos computacional (DFC).

During a gas turbine development phase an important engineer task is to find the appropriate engine design point that meet all required specifications. This task can be very arduous because all possible operating points in the gas turbine operational envelope need to be analyzed, for the sake of verification of whether or not the established performance might be achieved. In order to support engineers to best define the engine design point that meet required performance a methodology was developed in this work. To accomplish that a computer program was written in Matlab@. In this program was incorporated the thermoeconomic and thermodynamic optimization using genetic algorithm with single and multi-objective. The thermodynamic calculation process was done based in enthalpy and entropy function and then validated using a commercial program. In this work the study was done for a recuperated micro-turbine. Cycle efficiency, total cost and specific work were chosen as objective functions, while pressure ratio, compressor and turbine polytropic efficiencies, turbine inlet temperature and heat exchange effectiveness were chosen as decision variables. Total cost considers the fixed cost (equipment, installation, etc.) and variable cost (fuel, environmental and O&M). For emissions calculations were taken into account the NOx, CO and UHC. An economic analysis was done showing the costs behavior for diffierent optimized design points. The optimization process was made for single-objective, two-objective and three-objective. After, the results were compared each other showing the possible design points.

Gas turbines are generally designed to operate with a specific fuel type. Power plants usually use gas turbine models which operate with natural gas, but there is the possibility of using other kinds of gaseous fuels. In some instances, a fuel of a different calorific value may be available near the power plant site, making the use of the fuel of interest to the plant owner. These fuels can be gases obtained from steel (from blast furnaces and coking plants), from gasification processes of coal or biomass, among others. In this work, a performance analysis on a gas turbine, which was originally designed to run on natural gas, was carried out after changing to lower calorific value fuels. For the purpose of this study, a well known gas turbine performance calculation program was used named GasTurb11. A gas turbine model was created and calculated at design point. This model was defined as the reference gas turbine. Off-design performance studies were done to adjust the reference gas turbine with data from the chosen gas turbine. A good agreement was obtained between the results of the model operating with natural gas at off-design point and the data available from literature for the reference gas turbine. After the validation process, further performance tests were conducted while changing the fuel calculation value. A reduction in the compressor';s surge margin was identified when using the fuels studied. Two strategies are adopted in order to study the effects of the surge margin: the first by extracting a portion of the air at the compressor exit in order to recover the surge margin, and the second strategy was to establish a fixed value for the surge margin. These control strategies proved to be technically feasible and ensured that the gas turbine operated safely at off-design point.

Modern combustion turbines have several applications: power stations, naval, aeronautical and oil industry. Aeronautical applications seek reduction of pollutant emissions using mixtures of conventional jet fuels with biofuels and synthetic fuels. Due to the restrictions of natural gas and other oil fuels supply for the generation of electricity, the use of alternative fuels in stationary gas turbines is being seriously considered. Generally, all liquid and gaseous fuels from biomass, syngas, biogas, refinery gas and other unconventional sources are considered as alternative fuels. In the last years, with the objective of making the industrial and aeronautical process in harmony with the current environmental laws around the world, much research on the use of these alternative fuels in gas turbines is in progress. Gas turbines are thermal machines with the great advantage of being capable of successfully burning a large variety of fuels in a continuous combustion process. Gas turbine combustion chambers with this ability are referred as fuel flexible gas turbine combustors. This thesis aims at describing a methodology for sizing fuel flexible gas turbine combustors and, additionally, analyzing the reacting flow in these designed combustion chambers. The design of the fuel flexible gas turbine combustors is based on the reaction mechanisms, reactor network and stability loops approach simultaneously with numerical methods as Newton-Raphson, LU factorization, splines and inverse Lagrange polynomials. A computational tool has been developed for the combustor sizing and reacting flow analysis. The zero and one-dimensional models are based on the methodology developed by Lefebvre, Melconian e Modak. The thermokinetic, flammability limits and reaction mechanisms models are based on the methodology developed by Gordon and McBride and other authors. The study of the combustion efficiency and stability loops for the studied fuels and their influence on the production of pollutant emissions under several operating conditions is presented. Useful information is generated at the design stage of a fuel flexible gas turbine combustion chamber, which may be used to alter the pollutant emissions at very early stage of the design.

O gás natural vem ganhando espaço na matriz energética mundial, com crescente participação no setor de transportes. Sua utilização em motores de combustão interna traz vantagens quanto à emissão de gases nocivos e à redução do nível de ruído, em comparação ao combustível diesel. Tradicionalmente, o gás é injetado no coletor de admissão, porém existem pesquisas e até mesmo aplicações comerciais de sistemas com injeção direta de combustível gasoso na câmara de combustão. Entre os ganhos potenciais da injeção direta destacam-se o desempenho (pela elevação da eficiência volumétrica do motor) e a possibilidade de estratificação da mistura, que permite reduzir as perdas por bombeamento em cargas parciais. Este trabalho explora as características de um sistema de injeção direta de gás natural para o regime de máxima potência de um motor monocilíndrico de pesquisa de ignição por centelha (ciclo Otto) em avanço ótimo, até o surgimento de detonação leve. São comparados os parâmetros de desempenho, combustão e emissões para diferentes níveis de diluição por ar, na velocidade de 1800 rotações por minuto e com razão volumétrica de compressão constante (13:1). Foram medidas pressões médias efetivas indicadas de 1,15, 1,30 e 1,55 MPa para fatores lambda de 1,00, 1,30 e 1,50 e eficiências indicadas de conversão de energia de 41, 44 e 45% respectivamente. As várias estratégias de injeção estudadas produziram diferentes efeitos no processo de combustão, porém com pouca influência sobre a eficiência de conversão. Observou-se uma pequena tendência de aumento da eficiência volumétrica (cerca de 1%) quando o início da injeção é atrasado em 40 do virabrequim com relação aos casos de referência. Deficiências no processo de homogeneização da mistura para operação em plena carga foram evidenciadas pelo aumento da emissão de CO em regiões próximas à estequiometria, indicando que este sistema de injeção pode estar subdimensionado para esta aplicação.

Este trabalho investiga os principais mecanismos de degradação de desempenho e propõe uma metodologia de prognóstico de falhas nos compressores e turbinas de turbinas a gás estacionárias. Esta metodologia analisa a história de desempenho do equipamento, com foco na previsão dos parâmetros de desempenho no futuro. Assim, é possível otimizar as intervenções de manutenção com base na condição real desses componentes. A metodologia utiliza grupos quase adimensionais para corrigir os parâmetros da turbina a gás medidos em campo para uma condição ambiente de referência. Após esta correção, um conjunto de equações é utilizado para calcular a eficiência térmica global da turbina a gás, vazão de ar de admissão e eficiências politrópicas de compressores e turbinas. Em seguida, são calculados os desvios entre o desempenho da turbina a gás em campo e o estimado para a turbina a gás nova e limpa operando na mesma potência e condição ambiente. A repetição desse cálculo ao longo da história operacional da turbina a gás permite a obtenção de curvas que descrevem o comportamento médio dos parâmetros de desempenho no passado e a extrapolação dessas curvas permite estimar os valores que serão observados no futuro. Um estudo de caso foi desenvolvido para validar a metodologia através de sua aplicação em uma turbina a gás real. O equipamento analisado é do tipo aeroderivado e está instalado em uma plataforma de petróleo localizada na Bacia de Campos no litoral brasileiro. Os resultados mostram que, baseado nas informações dos instrumentos de medição da turbina a gás, é possível identificar e quantificar a ação de mecanismos de degradação de desempenho nos compressores e turbinas. Na turbina a gás analisada é possível observar que os sais dissolvidos na umidade do ar em atmosfera marítima aceleram a formação de depósitos na turbina a gás, o que resulta na degradação de desempenho. Outro mecanismo de degradação observado é a corrosão a quente nas turbinas do gerador de gases, fenômeno que ocorre pela reação química desses sais com o enxofre dos combustíveis. Este estudo revelou que o ataque corrosivo na turbina foi mais severo no período em que o equipamento operou com óleo diesel. Por último, a metodologia estimou os valores futuros de degradação média dos parâmetros de desempenho da turbina a gás. A análise dessa informação pela equipe de operação e manutenção para a definição do momento mais apropriado para a realização das intervenções de manutenção também depende de outras informações que não fazem parte do escopo deste trabalho.