The purpose of this work is to develop a preliminary Rotor Burst analysis with focus on system's location. The work addresses design precautions to minimize the hazards to the airplane in the event of uncontained engine rotor failures. Advisory Circular (AC) 20-128A is used as guideline since it is considered an acceptable means of compliance with requirement FAR/JAR/RBHA 25.903(d)(1). The dissertation is applied to a 30-seat commercial regional jet aircraft developed in the context of the EMBRAER Engineering Specialization Program (PEE).

O processo de concepção de uma aeronave é um processo iterativo, e um de seus grandes desafios é o dimensionamento dos motores a serem utilizados, dimensionar seu tamanho, peso e parâmetros de desempenho com os poucos dados de entrada disponíveis. Atualmente os métodos tradicionais valem-se de correlações de dados históricos para estimar os parâmetros geométricos e de desempenho de um motor para uma aeronave em estudos conceituais. Estas estimativas trazem imprecisões, que ficam evidentes durante o processo de concepção, no qual a tração requerida para cumprir a missão da aeronave varia e, consequentemente, o motor deve ser redimensionado. Essa imprecisão causa um grande impacto quando tentamos programar métodos de otimização de projeto automatizados, como otimização de múltiplos objetivos. É necessária uma estimativa robusta para estes métodos gerarem respostas adequadas. O objetivo deste estudo é propor uma metodologia para a geração de dados básicos de motores genéricos a partir de sua tração de referência. O método escolhido foi construir um banco de dados de motores turbofan comerciais, utilizá-lo na geração de relações paramétricas entre informações básicas de entrada durante as fases iniciais de projeto de aeronave - estudos conceituais, quando o motor da aeronave em desenvolvimento ainda não foi escolhido. As relações para o cálculo dos parâmetros de motor são estabelecidas com base em uma análise teórica, evitando reduções de dados históricos com base em relações puramente estatísticas. O dado básico de entrada é a tração necessária para a aeronave na decolagem. Dados de entrada opcionais são: razão de passagem, razão de compressão, altitude de cruzeiro e velocidade de cruzeiro. Os dados de saída do programa são: dimensões geométricas do motor - diâmetro do fan, diâmetro da nacele, comprimento da nacele e peso do motor; dados de desempenho - consumo específico de combustível na decolagem e em cruzeiro, vazão mássica, e tração em cruzeiro; dados de emissões de poluentes, segundo modelos termodinâmicos e relacionados aos dados da ICAO para decolagem - HC e NOx, caso sejam inseridos os dados opcionais. O objetivo proposto foi atingido. A metodologia utilizada gerou um banco de dados de motores turbofan extenso e completo. As correlações propostas demonstraram excelente correlação com os dados do banco de dados, e a ferramenta de cálculo de parâmetros de motor, desenvolvida em Excel, possui uma interface simples e intuitiva, e está apta a auxiliar a engenheiros na execução do dimensionamento de motores e aeronaves durante a fase de estudos conceituais de aeronaves. Os desdobramentos possíveis deste trabalho seriam a geração de banco de dados e correlações para outras classes de motores, como Turboprops ou GTFs, e a utilização das correlações desenvolvidas em desenvolvimentos multi-objetivo.

O presente trabalho consiste na avaliação de um simulador genérico de motores aeronáuticos, utilizando para isso dados de motores conhecidos. Desta forma, visa-se a reprodução dos resultados de um simulador de desempenho de motores de um determinado motor comercial utilizando dados de domínio público. Este trabalho compara os resultados obtidos através do simulador de desempenho genérico com os dados conhecidos de dois motores: o motor CF34-8E e o motor AE3001-A1E. O desempenho dos 2 motores estimado pelo simulador genérico será comparado com o desempenho real dos motores para um determinado envelope de operação dos motores. Os parâmetros de desempenho comparados são tração e consumo de combustível. Baseado nos resultados, este estudo irá propor melhorias para a calibração e ajuste dos parâmetros de saída gerados pelo programa, visando minimizar o erro de desempenho estimado pelo simulador genérico.

The goal of this work is to verify the pylon design of a 174 passenger aircraft. This aircraft was studied by the fourth class of Embraer's Engineer Specialization Program (PEE 4). The engine of this aircraft is located below the wing and its model is GE CFM-56. The fan size was increased in order to reach a higher air passage ratio. This pylon concept presented here was studied and adopted by the group as the better option for this type of airplane. Due to the short time allowable to this study along the program, this dissertation aim to verify the design chosen, analyzing the pylon loads and, using a finite element model, estimate the preliminary dimensions of this structure. For this verification, the loads were studied and applied in the model. The materials considered were aluminum and steel. Titanium was dismissed due to its high cost nowadays. The dimensions of the engine related to the wing could not be changed because they are a design requirement. The analysis showed that the engine position, forward the wing, causes a high load in the front lugs, increasing these lugs dimensions. Besides, the entire pylon had to be reinforced to withstand the reactions of the front lugs. The solution for this issue would be change the engine dimension related to the wing, reducing the moments or change the pylon concept, with the same purpose. Therefore, the conclusion of this project shows that the pylon configuration shown here is not efficient for this type of aircraft.

An aeronautical engine is a complex machine composed of different components operating at different temperatures that in conjunction with the nacelle creates a crowded region with the coupled heat transfer mechanisms to be covered by the nacelle cooling/ventilation system. The final configuration of this system is defined through a demanding refinement of the preliminary design. For this reason the preliminary design is considered the key point and as a rule it can be based on the use of similar design scaling or by the use of numerical approaches. The numerical approaches available are the use of a one-dimensional heat transfer analysis or a complete heat transfer analysis via Computational Fluid Dynamics, or CFD. The short lead time usually available to get the nacelle ready leads the using of a more simplified analysis. Even though this simplified analysis is a lesser laborious activity than a more complete heat transfer analysis, it is still a relatively complicated task. Thus this work aims at presenting a simple methodology for supporting the preliminary design of nacelle cooling/ventilation which is basically relies on confirming if such system is really necessary taking into consideration the temperature distribution in the region between the engine/nacelle and the specified limits. In this case, the proposed methodology presented in this work is concerning to the natural convection analysis in a bidimensional engine/nacelle model by the use of CFD. In view of the fact that there is no specific literature reference available about such methodology or the natural convection analysis in an analogous model configuration or even experimental tests results, it was decided to utilize the studies about natural convection in concentric cylinders in the model validation process and to show the suitability of the proposed methodology, it was directly compared to the natural convection analysis in a simplified tridimensional engine/nacelle model by the use of CFD tool which would be performed by the manufacturer.

Este trabalho apresenta uma metodologia para a seleção do sistema propulsivo de uma aeronave regional de 30 lugares, objeto de estudo do Programa de Especialização em Engenharia - PEE turma 6. São apresentadas as alternativas atualmente disponíveis, junto a algumas expectativas sobre desenvolvimentos futuros. Uma análise de mercado visa contextualizar a introdução desta aeronave, avaliando fatores que tem influência direta na escolha do tipo de motorização. Também ée feito um estudo comparativo entre motores turbofan e turbohélice, onde são confrontados dados de simulações de desempenho e estimativas de custos. A definição do sistema de propulsão, que exerce influência direta no sucesso da nova aeronave, será baseada na potencial lucratividade ao operador. Desta forma, o estudo aponta o motor turbofan como a melhor alternativa para a aeronave em questão.

Modelos para a previsão de ruído gerado por motores a jato, como turbofan de alta razão de bypass, são utilizados neste trabalho. Estes modelos, em conjunto com programas computacionais desenvolvidos no ITA, simulam a geração de ruído em cada componente do motor e, então, determinam o ruído total irradiado. Métodos empíricos são utilizados na determinação do nível de pressão sonora para cada banda de 1/3 de oitava, em função da direcionalidade da fonte de ruído e da distância do observador até a fonte. A importância da previsão de ruído gerado por motores aeronáuticos é ressaltada, sobretudo nos critérios que tangem a certificação de aeronaves comerciais. Os componentes principais a serem estudados são: fan/compressor, câmara de combustão, turbina e bocal propulsor (jato simples). Resultados para jatos simples são comparados com dados da literatura e para um motor tipo turbojato novo são obtidos. A simulação de funcionamento do motor completo, para gerar dados do escoamento para o cálculo do ruído, é comentada. Os dados de propriedades do escoamento e de projeto do motor são feitos de modo a obterem as informações necessárias a cada modelo de previsão de ruído. Os modelos utilizados para previsão de ruído de compressor, de câmara de combustão, de turbina e de jato simples são respectivamente NASA TM-195480, SAE ARP-876D, NASA-ANOPP e ESDU Item 98019. Um módulo capaz de calcular o nível de ruído produzido por um motor é incorporado ao programa de simulação numérica de funcionamento de turbinas a gás, sendo capaz de predizer os níveis de ruído em condições de operação fora do ponto de projeto. Espera-se, com isto, obter informações importantes sobre ruído, na fase de projeto do motor e/ou para subsidiar proposições para a sua redução.

Quando o negócio da empresa gira em torno de um produto extremamente técnico, como no caso da aviação, inevitavelmente as diversas incertezas em cada fase também precisam ser avaliadas na profundidade exigida pelo produto. Inevitavelmente, ferramentas antes utilizadas no projeto detalhado passam por adequação para o uso antecipado nas fases de concepção do produto. Então, abordando parte do processo de concepção de uma aeronave, este trabalho traz um estudo de caso onde ferramentas de engenharia são aplicadas de forma extremamente prática, vislumbrando o entendimento das possíveis restrições técnicas para prever a viabilidade estrutural de um conceito proposto. O estudo apresenta um ciclo de projeto e análise estrutural de pilone em projeto conceitual de uma aeronave com conjunto propulsivo no cone de cauda. Ao início foi desenvolvida uma metodologia simplificada para obtenção dos carregamentos na região em estudo. Ao longo do trabalho foram realizadas análises pelo Método dos Elementos Finitos nos programas Catia V5 e Nastran for Windows. Por fim, diversas disposições estruturais de pilone em alumínio foram propostas e analisadas, concluindo em uma estrutura final eficiente que servirá para as próximas fases do projeto da aeronave.

O trabalho desenvolvido nesta dissertação busca um melhor entendimento da tecnologia de partida elétrica de motores aeronáuticos em corrente alternada como alternativa interessante e mais eficiente que os arranques-geradores com escovas e os sistemas pneumáticos, além de possuir aderência natural à filosofia "More Electric Airplane" (MEA). Como base para os cálculos para o dimensionamento do sistema de partida elétrica sem escovas identificou-se as curvas de torque do arranque-gerador e do motor de propulsão, e, a relação da rotação das máquinas com o tempo de partida. O equacionamento proposto visou obter uma estimativa da energia que seria demandada pela fonte de energia elétrica; no caso, baterias. A partir da demanda de energia calculada, analisaram-se as opções de bateria disponíveis para o atendimento do sistema e, com isso, identificaram-se limitações das opções disponíveis para o atendimento da demanda dos aviões analisados, quatro aeronaves com categorias distintas de motor. Analogamente, encontraram-se limitações para futuros desenvolvimentos de baterias no que diz respeito ao peso, volume e custo. O resultado principal do trabalho estabeleceu a criticalidade do uso de baterias para a partida elétrica em corrente alternada de motores aeronáuticos de acordo com a classe de tração.

O objetivo deste trabalho é realizar a determinação de emissões de HC (Hidrocarbonetos), CO (Monóxidos de Carbono) e NOX (Óxidos de Nitrogênio) em motores aeronáuticos do tipo turbofan e turbofan de mistura interna por meio de modelos termodinâmicos. Os modelos utilizados neste trabalho se baseiam em um método que depende somente da temperatura e pressão na entrada da câmara de combustão (T3 e P3). Este estudo relaciona os parâmetros dos motores aeronáuticos, como a razão de pressão, a razão de passagem e a tração de decolagem, ou tração nominal, aos índices de emissões de HC, CO e NOX na fase de decolagem. Adicionalmente, os resultados obtidos são analisados e interpretados por meio de comparações entre as curvas de tendência obtidas pelo método teórico e as curvas obtidas a partir de dados experimentais oriundos de ensaios realizados em motores aeronáuticos que são disponibilizados pela ICAO ("International Civil Aviation Organization", da língua inglesa). Por fim, o estudo demonstra que é possível utilizar os modelos termodinâmicos, vastamente utilizados durante a fase de projeto de motores aeronáuticos, para determinar os índices de emissões de HC, CO e NOX para a fase de decolagem como uma primeira aproximação e para se observar tendências qualitativas. Dessa forma, a correta utilização dos dados obtidos neste trabalho pode ajudar a determinar os índices de emissões durante a fase de projeto de aeronaves e, conseqüentemente, ajudar a minimizar as emissões em uma das fases de vôo que é considerada crítica.