A estabilidade aeroelastica de rotores de helicopteros e examinada atraves de um modelo de esteira dinamica generalizada acoplado a equacoes de movimento para uma pa rigida com restricoes elasticas. Uma analise simplificada, que produz caracteristicas fundamentais do movimento dinamico, e utilizada para simular o complexo comportamento de uma pa de rotor tipo hingeless. A flexibilidade do sistema de transmissao do passo coletivo e modelada atraves de uma mola em torcao na raiz da pa. Um conjunto de molas restritoras simulam a flexibilidade do cubo e da pa. A pa e rigida, com propriedades de massa e rigidez uniformes. O modelo de escoamento induzido dinamico generalizado, concebido para aplicacao em aeronaves de asas rotativas, esta baseado no potencial de aceleracao para o disco atuador. O fluxo induzido no disco do rotor e expresso em termos de um conjunto completo de harmonicos (atraves de series de Fourier azimutais, sendo capaz de lidar com problemas de controle envolvendo altos harmonicos) e funcoes radiais (polinomios que envolvem funcoes associadas de Legendre de primeira especie, adequados para capturar efeitos aerodinamicos tridimensionais). O escoamento e descrito por um sistema de equacoes diferenciais ordinarias de primeira ordem no dominio do tempo. A distribuicao de pressao no disco do rotor e expressa atraves de um somatorio de carregamentos discretos em cada pa, levando em consideracao o efeito do numero finito de pas e efeitos globais sobre o rotor, simultaneamente. O tratamento atraves do espaco de estados para o escoamento induzido permite uma analise padrao de autovalores para as equacoes dependentes do tempo estabelecidas apos perturbacoes que sao aplicadas em torno do equilibrio da pa e do estado estacionario do escoamento induzido.A analise permite variacao em precone, droop, controle de regidez em torcao e angulo de passo de pa. Resultados numericos para um rotor bipa sao comparados com previsoes teoricas e experimentais de um modelo de pa elastica. Resultados das analises estatica e dinamica mostram como a aerodinâmica nao-estacionaria de estados finitos se comporta na presenca de um modelo simples de pa rigida. Resultados onde a recirculacao esta presente sao melhorados para a soft pitch flexure. Resultados para a stiff pitch flexure mostram precisamente que uma aerodinâmica tridimensional, nao-estacionaria, tratada por meio de estados finitos na presenca de uma pa rigida, oferece melhores correlacoes que um modelo nao-linear de pa elastica combinado com uma aerodinâmica quase-estacionaria, bidimensional fornecida pela teoria da quantidade de movimento/elemento de pa. Resultados de estado estacionario capturam efeitos tridimensionais de perda de ponta e mostram uma boa concordancia com os resultados obtidos pelo modelo de uma pa elastica. Resultados de amortecimento para configuracoes incluindo precone e droop falham quando correlacionados com os demais presentes na literatura porque o modelo estrutural nao considera acoplamentos elasticos em flap, lead-lag e torcao.

With an increasing demand of energy and its associated costs, it is mandatory that different sources of energy are researched, providing the market with more efficient and economically feasible power options. An alternative to hydroelectric power, dominant in Brazil and receiving more investments every day, Wind Power is still more expensive than other sources. Then, the need to study the design, to model, and to optimize it, arises. The purpose of this work is to present the development of a computational tool intended to aid the preliminary structural design of a Wind Turbine Blade, given the aerodynamic geometry (as span, profile and chords). As an applied example, a 2 MW turbine glass-fiber blade model and operational loads are automatically (batch driven) generated and analyzed concerning stress and deformation. Some iterations are made and a structural resistant and light weighted geometry is defined.

The failure of an aircraft engine fan blade produces an unbalanced rotor condition. Even after the engine is shutdown, the aerodynamic forces may keep the rotors running during the remainder of the flight. This condition can induce significant vibratory loads throughout the airframe that may damage the airframe structure and critical equipments and also affect the crew's ability to sustain a safe flight. This work intends to present a numerical methodology to assess dynamic vibratory loads in a commercial aircraft under windmilling sustained engine imbalance condition, necessary to demonstrate compliance with the current aeronautical design rules. The problem is treated as linear and is formulated in frequency domain. Direct and modal formulations are described. Particular study is made to build up ways to incorporate damping in the system considering different formulations. Some physical effects present in this problem, such as gyroscopic and aerodynamic loads, are also investigated. In order to assess the dynamic loads, an integrated finite element model of aircraft and engine is necessary. Since the aircraft and engine models are usually developed by different groups, which need to exchange them, condensation techniques are extensively used, and some of these techniques are detailed herein. Methods used to improve the accuracy of results obtained in modal formulation are also discussed. Finally, the proposed methods are applied to a mid size commercial jet and the outcomes are analyzed.

Com a crescente preocupação de exaustão de gases dentro de túneis após o acidente com o túnel Mont Blanc na Itália e França com 41 mortos e mais de 100 ventiladores em operação, houve a necessidade de adaptação dos modelos existentes de ventiladores a condições de alta temperatura. No entanto, as soluções existentes possuem desvantagens aerodinâmicas ou não resistem a temperaturas elevadas. O presente trabalho fornece uma alternativa aos ventiladores existentes no mercado através de uma nova tecnologia de fabricação de pás para ventiladores a nível comercial. Tal tecnologia envolve o emprego do aço inoxidável AISI 409 em virtude de sua boa performance a temperaturas da ordem de 400C, ou seja, às temperaturas da extração de gases em um incêndio em túnel. Além disso, possui ótima resistência à corrosão e boa soldabilidade e estampabilidade devido a seus elementos de liga. A inovação é centrada no processo de estampagem de cascas metálicas e posterior soldagem mantendo as superfícies aerodinâmicas ideais tendo em vista a boa performance do ventilador. Dentro desse propósito, é apresentada uma inovação tecnológica a qual emprega matrizes e punções desenvolvidos a partir de materiais compostos, que apresentam elevada rigidez e alta resistência à compressão. É mostrado experimentalmente, através da impressão de círculos no plano da chapa, que durante o processo de estampagem, as regiões mais deformadas no plano do painel da pá (extradorso) não atingem as deformações limites do material da chapa utilizado. Por outro lado, o método de elementos finitos, através do software elasto-plástico COSMOS, permitiu a verificação da espessura e da estabilidade estrutural da pá em função dos esforços aerodinâmicos estabelecidos no projeto. Adicionalmente, é desaconselhada a fabricação de pás com variações de espessuras localizadas, ou seja, não uniformes, devido não somente em razão da concentração de tensões, mas também com relação à dificuldade de conformação. Desse modo, é recomendado a confecção de pás com variação de espessura uniformes.

Este trabalho descreve a análise e simulação do fenômeno de resonância solo em helicópteros com rotores de duas pás. Este problema pode ser resolvido por uma análise de autovalores, no sistema girante, considerando-se propriedades isotrópicas do suporte e, pela aplicação da teoria de Floquet, no sistema não-girante, considerando-se propriedades anisotrópicas do suporte. Os resultados obtidos, via simulação, incluem os diagramas para as variações da freqüência e do amortecimento modais, em função da freqüência angular de rotação do rotor, com ênfase na região de instabilidade, e sua comparação com os diagramas clássicos apresentados por Coleman e Feingold para assegurar a validade, do ponto de vista teórico, do modelamento adotado.

Uma das principais causas para o surgimento de tensões na região de encaixe da pá no disco de turbinas está associada à força centrífuga, cargas de torção devidas à pressão dos gases e cargas térmicas. Devido a este fenômeno, a avaliação de tensão nesta região deve ser executada a fim de evitar a algum tipo de falha. Neste trabalho, um modelo de elementos finitos 3D foi criado no software ANSYS 13.0, com o objetivo de avaliar as tensões e deformações na região da junção que conecta a raiz da pá ao rasgo do disco de uma turbina. Uma atenção particular foi dada ao tipo de fixação "fir-tree", em que atualmente é utilizada na maioria das turbinas dos motores de turbinas a gás. Um modelo preliminar do disco foi desenvolvido com seção retangular constante usando o software CATIA como forma comparativa dos resultados de tensões obtidos ao longo do disco pelo software de elementos finitos com resultados analíticos. Posteriormente, foram geradas as geometrias da pá e do disco para o tipo de junção dovetail com seção retangular constante no software CATIA como forma de validação da metodologia aplicada, tal como: condições de contorno, tipo de malha e elementos de contato. Em seguida, aplicou-se esta metodologia no encaixe tipo fir-tree, em que a geometria da pá e do disco foi construída no software ProE, sendo que esses componentes foram gerados separados como modelos paramétricos. Esta abordagem possibilita mudanças das variáveis de projeto com facilidade e antes de importar o modelo completo, os componentes foram montados no software CAD. Todos os modelos comentados foram importados e analisados pelo software ANSYS 13.0 utilizando o módulo estrutural do ambiente Workbench. A configuração do módulo de estrutura estática do Workbench do ANSYS 13.0 reconhece automaticamente as faces da pá que estão em contato com o disco do dovetail e fir-tree como uma conexão de contato. Por fim, um caso realístico de uma turbina foi avaliado neste trabalho e os resultados para esta situação revelam uma assimetria das tensões ao longo da espessura e ao longo dos dentes da pá e do disco. Efeitos na mudança do coeficiente de atrito e alteração do material também foram avaliados para este modelo realístico. Os resultados adquiridos foram comparados com as propriedades mecânicas do material adotado, particularmente a tensão de escoamento.

Este trabalho analisa a estabilidade em "flutter" de pás de rotores de helicóptero em vôo pairado. Inicialmente, descrevem-se as fontes de acoplamento dos vários modos de vibração da pá de um helicóptero e as possíveis instabilidades advindas destes acoplamentos. A teoria correspondente à instabilidade em "flutter", resultante do deslocamento do centro-de-massa do elemento-de-pá em relação ao eixo de mudança-de-passo, é apresentada em detalhes para os casos de uma pá rígida e flexível de um helicóptero em vôo pairado e com excentricidade de batimento. As equações de movimento acopladas de ambos os casos são implementadas computacionalmente e os resultados numéricos das fronteiras de estabilidade em divergência e "flutter", obtidos para o caso da pá rígida, e dos diagramas de freqüência e de razão-de-amortecimento, obtidos em função do centro-de-massa equivalente para os casos da pá rígida e flexível, são comparados com os dados apresentados nos relatórios de homologação de uma aeronave recentemente certificada pelo Instituto de Fomento e Coordenação Industrial do Centro Técnico Aeroespacial.

O desempenho de turbinas a gás pode ser melhorado através do aumento da temperatura do escoamento na entrada da turbina. Porém, há uma temperatura máxima na qual o material pode operar sem que ocorram danos e comprometimento da vida útil do mesmo. Acima desta temperatura limite, torna-se necessário fazer o resfriamento do material. O resfriamento das pás e discos da turbina é feito através do ar extraído do compressor. O fluido refrigerante é ejetado no escoamento principal (circuito aberto) após passar pelo interior da pá e trocar calor com a superfície da mesma. A ejeção é feita através de fendas no bordo de fuga, furos no topo da pá e/ou através de diversos furos ao longo da superfície da pá. Após o fluido refrigerante ser misturado com o escoamento principal, ocorre uma diminuição da temperatura do gás e, consequentemente, uma redução da potência/empuxo do motor. A quantidade de fluido refrigerante necessária para o resfriamento está diretamente relacionada ao limite de temperatura do material, à técnica de resfriamento utilizada e aos requisitos de operação do motor e tem efeito direto nos parâmetros de desempenho do motor. Um programa computacional, denominado CTurb, foi desenvolvido para auxiliar na escolha da técnica de resfriamento, na estimativa da quantidade de fluido refrigerante a ser extraída e na análise de desempenho de motores com turbinas resfriadas. Os métodos de Young e Wilcock e Horlock, Watson e Jones foram implementados para a estimativa da vazão do ar de resfriamento e para o cálculo das perdas associadas ao resfriamento. A análise do efeito do resfriamento no desempenho do motor foi feita através da implementação do CTurb no programa de cálculo de ciclo GTAnalysis. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com resultados disponíveis na literatura aberta e demonstraram a importância de considerar o resfriamento nas estimativas de desempenho de ciclos com resfriamento da turbina.

A demanda por energia elétrica nos últimos anos tem crescido a ritmos constantes. Países em desenvolvimento como a China e a Índia estão apresentando taxas de aumento de consumo de energia elétrica na faixa de 5% a 5,5% anuais, o que faz com que parte deste aumento de consumo seja fornecida através de uma geração com menor emissão de carbono. A energia eólica, por sua vez, é uma das formas de geração que apresenta um dos preços mais altos da energia. Por outro lado, diversos outros desafios se apresentam para que a energia eólica seja utilizada em larga escala e a sua implantação exige altos níveis de cooperação com entidades de proteção do meio-ambiente e governos locais de modo que sua operação seja rentável. O método da quantidade de movimento do elemento de pá (Blade Element Momentum Theory) se baseia no fato de que a variação da quantidade de movimento imposta a um anel do rotor é igual à força que o vento exerce sobre este elemento de pá. Esta aproximação simples, inicialmente concebida por Prandtl e Glauert, deve ser corrigida para diversos fenômenos, como as perdas originadas por arrasto induzido na ponta da pá, a rotação da esteira, o ângulo de inclinação entre o rotor e o vento incidente e demais fatores. Apesar dessas desvantagens, este trabalho mostra que o método do momentum do elemento de pá é uma boa forma de se obter mais rapidamente estimativas que levariam muito tempo de ser avaliadas caso fossem obtidas em um programa computacional comercial de mecânica dos fluidos. O objetivo deste trabalho é a análise e a seleção de uma pá eólica ótima, em estágio de projeto preliminar, utilizando o método do momentum do elemento de pá na sua forma em uma equação. Para tal, foram utilizadas rotinas computacionais menos onerosas que os tradicionais métodos de dinâmica dos fluidos computacional. O tipo de rotina numérica que mais se adequa à geração de parâmetros aerodinâmicos de um perfil é o método dos painéis. O método dos painéis e o método da quantidade de movimento do elemento de pá foram utilizados para se obter maiores coeficientes de potência (o coeficiente de potência CP é a relação entre a energia extraída do fluido e a energia disponível do fluido que passa por um rotor de turbina) de uma pá em um regime de operação pré-determinado.

Este trabalho tem o objetivo de avaliar o desempenho aerodinâmico de uma turbina eólica utilizando as técnicas de dinâmica dos fluidos computacional. Inicialmente, a pá ótima de um gerador eólico de 250kW foi desenvolvido com base na aplicação da Teoria do Elemento de Pá de Glauert, levando em consideração os efeitos de perdas de ponta de pá e rotação da esteira. As características da pá ótima foram definidas através da velocidade do vento e razão de velocidades na ponta da pá. O código utilizado também considera o efeito do ângulo de passo (pitch) e torção geométrica. A avaliação numérica de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) foi desenvolvida através do software comercial ANSYS Fluent v.14.5. Os métodos utilizados para a discretização do domínio computacional e as técnicas de processamento, tais como condições de contorno, modelos de turbulência e critérios de convergência, estão descritos nesta dissertação. A análise do desempenho do rotor para várias condições de ângulo de passo, rotação e velocidade do vento médio serão devidamente apresentadas. Vários resultados são apresentados e analisados, incluindo a potência líquida extraída pelo rotor, eficiência aerodinâmica da pá, desenvolvimento da esteira do rotor, camada limite, gradiente de pressão, entre outros.