O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento do modelo de uma microturbina a gás do tipo split-shaft com sistema de controle por retro-alimentação. Uma revisão bibliográfica dos trabalhos sobre controle de turbinas a gás indicou que praticamente inexistem trabalhos focando este tipo de turbina. O modelo foi desenvolvido a partir da geometria básica da turbina, aplicando-se os fundamentamentos de termodinâmica, mecânica newtoniana e mecânica dos fluidos mencionando os usos da primeira lei da termodinâmica, teoria de momento angular e atrito viscoso entre outros. O trabalho descreve os componentes, materiais e controles que podem ser usados em uma turbina split-shaft. O modelo foi simulado primeiramente sem controle e posteriormente com controle. Através dos resultados da simulação do modelo sem controle puderam ser vistos fenômenos que podem ocorrer em um sistema desse tipo como picos de temperatura, influência de uma turbina sobre a outra e a variação de injeção de combustível devido à variação de pressão na câmara de combustão entre outros. Para o modelo controlado, foram testados os controles PI, PID, PI-D, I-PD e PI-PD com feedback negativo. A escolha dos parâmetros de cada controle foi determinada pelo método ITAE dentro de um intervalo para cada parâmetro. O controle escolhido foi o PI-D por seu melhor desempenho e maior simplicidade. O controle fez com que as temperaturas de pico abaixassem em relação ao sistema sem controle e a rotação do gerador de energia elétrica foi mantida com uma variação máxima menor que 1% em relação à rotação de referência. Uma modelagem foi feita para um sistema lubrificante seguindo os mesmos princípios da modelagem da turbina split-shaft. Usou-se fundamentos de mecânica newtoniana e mecânica dos fluidos, com o equacionamento da conservação da quantidade de movimento, perdas de pressão localizada e distribuída entre outros. O modelo foi simulado primeiramente sem controle e posteriormente com controle. Através do modelo sem controle viu-se os efeitos do aumento da perda de carga em um dos ramos do sistema e os efeitos de uma entrada de referência em degrau. Esses efeitos são as variações das perdas no sistema e a variação do fluxo nos ramos do sistema. Para o modelo controlado foram testados os controles PI e PI-D com feedback negativo. Utilizou-se o método ITAE dentro de um intervalo para escolha dos parâmetros. O controle escolhido foi o PI porque a diferença de desempenho não foi significativa e a parte derivativa poderia tornar o erro maior devido à forma como o sistema foi modelado. A variável de processo foi controlada e os efeitos da variação de perda de carga em um dos ramos do sistema pôde ser observada. Os modelos são constituídos de várias partes simples, cada qual pode ser substituída por um modelo mais preciso. Assim, a modelagem funciona como um guia, mostrando as partes principais do sistema e podendo fornecer dados para a elaboração de novos modelos. / The objective of the present work is the development of the model of a split-shaft micro gas turbine with feed back control system. A bibliographical review of the works on control of gas turbines indicated that there are very few works dealing this type of gas turbines. The model was developed starting from the basic geometry of the turbine and applying the fundamentals of thermodynamics, newtonian mechanics and fluid mechanics. The components, materials and controls which can be used in a split-shaft turbine are described. The model is simulated firstly without control and later with control. The results showed that, for the uncontrolled model, typical phenomena which may happen in this type of system are seen such as temperature peaks, influence of one turbine on the other and fuel injection variation due to combustion chamber pressure variation amongst others. For the controlled model, the controls PI, PID, PI-D, I-PD and PI-PD with negative feedback are tested. The parameters choice of each control is determined by the ITAE method within an interval for each parameter. The PI-D control was chosen for its best performance and simplicity. The control made the peak temperatures lower than the uncontrolled system and the electricity generator rotation error was kept under 1% with respect to the reference value. A modeling is done for a lubrification system following the same principles of the split-shaft turbine modeling. Conservation laws of mechanics and fluid mechanics are used, such as momentum conservation and energy conservation equations (pressure loss). The model is simulated firstly without control and later with control. For the uncontrolled model, the effects on increasing the head loss in one branch of the system and the effects for a step reference was showed. These effects are the variations of system losses and the flow variation in the system branches. For the controlled model, the PI and PI-D controls with negative feedback were tested. The parameters choice of each control is determined by the ITAE method within an interval for each parameter. The PI control was chosen because the performance difference was not significant and the derivative part could turn the error bigger due to the way the system was modelled. The process variable was controlled and the effects on the variation head loss in one of the system branches was observed. The models have many simple parts; each one can be replaced by a more complex one if necessary. Thus, the present modeling may be used as guide for future improvements.

O proposito deste trabalho é apresentar uma metodologia para projeto de uma turbina axial para micro aproveitamentos hidráulicos com ênfase no projeto das geometrias do rotor e distribuidor, incluindo os resultados analíticos e numéricos através do método dos painéis. Comparações do projeto analítico com testes de campo são também apresentadas. A metodologia analítica utilizada foi a teoria do escoamento não-viscoso de Wenig que avalia os fatores de interferência para modelar o quanto as características de sustentação e arrasto de uma cascata de perfis são relacionadas com as de um perfil isolado. Foi verificado que a teoria de Wenig fornece uma boa previsão do fator de interferência se o ângulo de ataque for relativamente baixo e a espessura das pás for relativamente pequena quando comparada com a distância entre as pás. A metodologia numérica usando o método de vorticidade superficial proposto por Martensen para uma cascata de perfis e para um perfil isolado foi utilizada para se ter uma comparação com os coeficientes analíticos de sustentação e arrasto. Testes de campo foram realizados em um protótipo de 20 kW de acordo com a norma IEC-60041 e sua comparação com o método analítico e por consequência o método numérico validou o método empregado para confecção das pás do rotor e distribuidor. / The purpose of this work is to present a methodology to design a small axial hydraulic turbine with emphasis on the project of the profiles of the runner and wicket gate, including both analytical and numerical results from a cascade panel method. Comparisons with field test measurements of a prototype are also presented. The analytical methodology used is the Wenigs inviscid flow theory which requires the evaluation of interference factors to model how lift and drag characteristics of the turbine cascade of blades are related to those of a single isolated airfoil. It is found that the Wenigs theory provides a reasonable prediction of the lift interference factor if both the angle of attack is relatively low and the thickness of the blades is relatively small when compared to the distance between the blades. The numerical methodology that relies the Hess and Smiths 2-D panel method for a cascade of blades and for an isolated airfoil was used in order to have a comparison with the analytical lift and drag. Prototype field test measurements of the turbine power output, in agreement with IEC-60041 standards, were carried out to evaluate the results using the analytical and numerical methods.

Submitted by Rosangela Silva (rosangela.silva3@unioeste.br) on 2017-09-05T18:12:21Z No. of bitstreams: 2 Enerdan Fernando Dal Ponte.pdf: 2491584 bytes, checksum: 4a1ffe1d1cc7372a4831e1efd20f8b79 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-05T18:12:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Enerdan Fernando Dal Ponte.pdf: 2491584 bytes, checksum: 4a1ffe1d1cc7372a4831e1efd20f8b79 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-02-23 / Wind energy is one of the most affordable forms of renewable energy. An efficient way to convert kinetic energy from wind into electrical energy is by using wind turbines coupled to electric generators. The objective of this project was the construction of a vertical axis wind turbine, composed of a SAE 1020 carbon steel tubular structure, and blades formed by an aluminum alloy structure and polycarbonate coated in the design of a drop. An automotive alternator, a battery and a bank of electrical resistors were coupled to this turbine, forming a complete system of isolated wind generation. Using this set, it was possible to calculate the system efficiencies and obtain some performance curves of the wind turbine, thus determining the Average Wind Power of 782.41 (W), Average Mechanical Power of 33.63 (W), Average Generation Electric Power (W), Wind-Mechanical Efficiency Average of 4.30 (%), Mechanical-Electrical Efficiency Average of 26.06 (%) and Total Wind-Electric Efficiency Average of 1.12 (%). / A energia eólica é uma das formas mais acessíveis de energia renovável. Uma forma eficaz de converter a energia cinética do vento em energia elétrica é utilizando-se turbinas eólicas acopladas a geradores elétricos. O objetivo deste projeto foi a construção de uma turbina eólica de eixo vertical, composta por uma estrutura tubular de aço carbono SAE 1020 e pás formadas por uma estrutura em liga de alumínio e revestidas de policarbonato no desenho de uma gota. A esta turbina, foram acoplados um alternador automotivo, uma bateria e um banco de resistências elétricas, formando assim um sistema completo de geração eólica isolada. Utilizando-se deste conjunto foi possível calcular as eficiências do sistema e obter algumas curvas de desempenho do aerogerador. Foram determinadas a a Potência Eólica Média de 782,41 (W), Potência Mecânica Média de 33,63 (W), Potência Elétrica de Geração Média de 8,76 (W), Eficiência Eólica-Mecânica Média de 4,30 (%), Eficiência Mecânica-Elétrica Média de 26,06 (%) e Eficiência Total Eólica-Elétrica Média de 1,12 (%).

Ingeniero Civil Mecánico / La diversificación de la matriz energética en el plano nacional es un tema actual de discusión. Lo anterior se debe al escenario de crisis que ha provocado el incremento sostenido de la demanda energética durante los últimos 50 años, la contaminación ligada al consumo de energía producida con combustibles fósiles y el aumento de los costos de vida en general. En relación con ésto, el desarrollo e investigación ligado a nuevas fuentes de energía es necesario con el objeto de tener una red de generación limpia, viable económicamente y con una vida útil sustentable en cuanto a recursos. En este trabajo se estudia la fluidodinámica de una turbina helicoidal GHT para generación de energía mareo-motriz con datos obtenidos para el Canal de Chacao, X Región de Los Lagos. El trabajo realizado tuvo como objetivo principal obtener curvas de torque y eficiencia en relación con la velocidad angular de la turbina, lo que sirve para dimensionar la producción energética que puede ser generada. De manera adicional se estudiaron dos modelos de turbina derivadas del original y con ello se comparan también dos geometrías para la base de la turbina. Se realizaron simulaciones computacionales 3D por método de volúmenes finitos utilizando Ansys FLUENT, teniendo como antecedentes las características del recurso hidráulico y la geometría de la turbina GHT. Para ello se llevó a cabo previamente la etapa de validación de la malla. Se estudiaron también el efecto de algunas variables que inciden en los resultados mediantes análisis de sensibilidad 2D. Por otro lado se realizó una aproximación analítica mediante la implementación de un modelo de moméntum para turbinas de eje vertical, con modificaciones para aplicarlo a esta turbina helicoidal. Los principales resultados indican que este nuevo modelo tendría una eficiencia máxima estimada entre 12% y 19%, pudiendo generar del orden de 300 kW por módulo en marea viva. Los dos modelos derivados de esta turbina obtienen resultados menores, y el tipo de base que menos perturba la potencia generada es la base plana.

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The current global scenario, in which an ever increasing population with an ever growing transportation needs is coupled with a reduction in the fossil fuel production and increasing human-made pollution derived problems, leads automotive engine manufacturers to constant struggles for fuel consumption and emission reductions while keeping engine performance. One-dimensional simulation codes have become a key tool towards these objectives, but require continued accuracy refinements. Phenomena that were previously thought of a limited importance and could be extremely easily modelled now require the development of new methods to be accounted for. Among these phenomena are the turbocharger mechanical losses and the turbine behaviour under highly pulsating boundary conditions. This work is focused on the improvement of current one-dimensional models, for both mechanical losses prediction and high frequency pulsating flow turbine performance. After reviewing the state-of-the-art in experimental measurement and fast simulation of automotive turbochargers, this work presents first a experimental study of several turbochargers working under both steady-state and unsteady operating conditions, focusing on the general performance of the turbine and the losses in the power transmission between it and the compressor, even including internal pressure measurements in one of the tested units. All the measurements are corrected due to heat transfer, getting the purely adiabatic behaviour. Furthermore, a CFD simulation campaign of a radial turbine has been performed, thus obtaining a detailed description of its internal behaviour under highly pulsating flow. In the light of both the experimental and CFD-simulated results, a quasi-steady mechanical losses and a quasi-bidimensional turbine model have been developed. Both models have been validated using all the experimental and simulated data, proving a prediction accuracy improvements from the results of previous methods. The mechanical losses model offers a clear advantage over the usual practice of using a constant mechanical efficiency value for correcting the manufacturer’s turbocharger map, whereas the turbine model has demonstrated potential for turbine map extrapolation and has improved the instantaneous results over classic onedimensional turbine volute models for frequencies higher than 1000 Hz. Both models have been developed trying to keep a reduced computational cost, ensuring to exploit the specific characteristics of the processors where they are going to be run. / García-Cuevas González, LM. (2014). Experiments and Modelling of Automotive Turbochargers under Unsteady Conditions [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48458 / TESIS

La presente investigación trata sobre un análisis de rendimiento exergético de una turbina de gas de 181,3 MW. Donde se aplicó leyes termodinámicas de conservación de masa y energía a cada componente del sistema. El funcionamiento de las turbinas de gas en la relación aire combustible puede variar de 45/1 a 130/1, es por eso que, cuando ocurre un exceso del aire, la temperatura disminuye y conduce a una reducción de la potencia que es generada por la turbina. Se realizó un balance de energía y exergía de una turbina de gas a ciclo simple; y para cada componente del sistema un estudio analítico energético y exergético. Se ha elaborado cálculos para los diferentes excesos de aire considerado las turbinas de gas y también una comparación de la eficiencia energética y exergética utilizando un diferente tipo de fluido. Se obtuvieron diferentes eficiencias exergéticas para los casos de los distintos excesos de aire, y una comparación para demostrar la destrucción de exergía y el rendimiento exergético en cada componente del turbogenerador. Se concluye que los flujos de exergía ocurren de mayor a menor, así como una eficiencia exergética; la mayor destrucción de exergía se encuentra en la turbina y la cantidad más baja en el compresor.

The aim of this work was to develop a proposal regarding hydro-energy potential of small flows of water through the city „Hovězí near Vsetín“. The available water energy was used for running a Swirl Turbine featuring a siphon arrangement. This new concept makes use of a modified Kaplan Turbine, operating at small water heads. It operates also at higher revolutions and has higher discharge.

Diploma thesis deals with design and exploration of installation in the draft tube of the swirl turbine. Use of the draft tube is defined in the first part, with illustration of energetical gain and efficiency of draft tube. Further the suitable shape of draft tube is studied by CFD computing. Design, research and evaluation of installation in the draft tube are solved in the main part.

The content of this diploma thesis is proposal of repair, reconstruction of equipment and installation of electrohydraulic regulation of steam turbine. Thesis is given for specific case. At the beginning there is a basic description of repairing turbine. The next part of thesis deals with checking of main turbine parts and recalculation of gland steam. In the following part there is revisional report with repair or exchange suggestions of demaged turbine parts, followed by description of turbine regulation reconstruction. The last part deals with economical evaluation used innovation and recommendations for repairment procedure.