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).

Plans for developing turbines in Brazil were present on the conception of CTA six decades ago. In this manner highly specialized work teams is needed to carry out such activity. The Center for Reference on Gas Turbine group has been contributing to research activities at CTA taking account of the study of gas turbines both aeronautical and industrial. In order to complement the group capability and study more complex turbine applications, it is a topic of interest to study steam turbines. Taking advantage from the experience gathered at CRTG, design and performance analysis approaches for axial gas turbines were applied to steam turbines, adjusting the models for working with superheated steam using a loss model for axial turbomachinery to estimate the total pressure loss into the turbine cascade. Such models were implemented in a computer code written in FORTRAN, disposed for reading the design requirements or the conditions for the performance analysis, making the corresponding calculation and reporting the results. It was performed a verification on the results from the design routine, comparing them with data from a commercial program for axial turbine simulation and the used such results to assess its performance at off-design conditions. A case study was conducted regarding a multistage steam turbine working in a combined cycle with a gas turbine. From the energy of the gas turbine exhaust, a three stages steam turbine of 0.5 MW of power was designed. Later, with additional energy generated in the boiler in order to produce more steam, the power capacity of the steam turbine was increased. The results reported from both routines were qualitative consistent to what it was expected a turbine design and off-design performance analysis could be.

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.

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.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2012-02-16Bitstream added on 2014-06-13T20:16:15Z : No. of bitstreams: 1 beneduzzi_ah_me_ilha.pdf: 873775 bytes, checksum: 569e9acbb6c8f6e1ac86e5b1913d3b8f (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A cada ano que passa a necessidade de desenvolver novas técnicas de prevenção de falhas em equipamentos vem crescendo continuamente, devido à grande necessidade de obtenção de lucros com o menor custo de manutenção possível. Atualmente, turbinas à gás, são equipamentos de extrema importância para industrias de petróleo e gás, devido sua grande capacidade de geração de energia cinética para acionamento de compressores e geradores de energia. Os custos de manutenção, formação de verniz no sistema de óleo e disponibilidade são algumas das preocupações mais importantes que se deve ter com uma turbina a gás. Um bom planejamento de manutenção otimizará os custos e maximizará a disponibilidade destes equipamentos. Os programas de manutenção devem ser eficazes, todas as recomendações do fabricante do equipamento devem ser seguidas, como o número e tipos de inspeção realizadas, peças sobressalentes, e outros fatores importantes que afetam a vida útil dos componentes e o funcionamento do equipamento. Dentre as inspeções realizadas pode-se encontrar a análise de vibração, boroscopia, termografia e a análise de óleo lubrificante. Neste trabalho são apresentadas as técnicas utilizadas na análise preditiva de óleo lubrificantes e um histórico das análises de óleo de um caso real de turbina a gás em que são observados e discutidos o procedimento ideal da realização de coletas das amostras de óleo de turbinas a gás desde o planejamento até o envio aos laboratórios para análise, verificação e diagnóstico / Each passing year the necessity to develop new techniques to prevent equipment failures increases continuously due to the great need of financial gain at the lowest possible maintenance costs. Currently, gas turbines are extremely important equipment for oil and gas industries, because to its great capacity to generate kinetic energy to drive compressors and generators. Maintenance costs, formation of varnish in the oil system and availability are some of the most important concerns that must be taken with a gas turbine. Good planning will optimize maintenance costs and maximize the availability of this equipment. Maintenance programs must be effective, all the equipment manufacturer's recommendations should be followed, as the number and types of inspections performed, spare parts, and other important factors that affect the life of the components and operation of equipment. Among the inspections it can be performed to find the vibration analysis, endoscopy, thermography and analysis of lubricating oil. This work will present the techniques used in predictive analysis of oil lubricants and oil analysis history of a real case of a gas turbine that will be seen and discussed the ideal procedure of carrying out collections of samples of oil from gas turbines planning to send to laboratories for analysis, verification and diagnosis

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El propósito del presente trabajo es formular una herramienta computacional de bajo costo que determine la potencia y la expansión de flujo de turbinas eólicas de eje vertical (VAWTs) tipo Darrieus. Esta herramienta puede ser útil para predecir el desempeño aerodinámico de VAWTs en ambientes urbanos o en granjas eólicas. En este trabajo se realizan variaciones en el modelo doble-múltiple tubos de corriente (DMS) para turbinas Darrieus de álabes rectos (SB-VAWTs) con el fin de mejorar las predicciones de desempeño aerodinámico y expansión del flujo. Se presentan los antecedentes generales y el marco teórico del modelamiento de las Darrieus SB-VAWTs. El caso de referencia está compuesto por las mediciones de campo de una Darrieus SB-VAWT de 12 kW (6 m de diámetro) encontradas en la literatura y las simulaciones computacionales bidimensionales realizadas en el software ANSYS Fluent 13.0. Se plantea y verifica una representación matemática de las líneas de corriente para modelar el promedio temporal de la expansión de flujo alrededor de SB-VAWTs. Se presenta una nueva formulación del modelo DMS basado en momentum con expansión de flujo. El desempeño aerodinámico y la expansión de flujo son calculados en MATLAB utilizando coeficientes aerodinámicos empíricos y los resultados de las simulaciones computacionales. Se propone una nueva formulación del modelo DMS basado en la conservación de energía mecánica. Ambas formulaciones estudiadas presentan problemas de convergencia para altas razones de velocidades de punta de álabe. Las predicciones de expansión de flujo se encuentran alejadas de las obtenidas en las simulaciones computacionales. Se cuantifica e interpreta el error de los modelos DMS basados en momentum y en energía al imponer la expansión obtenida por las simulaciones computacionales. A partir de los datos de fuerza en el sentido del flujo y la expansión de los tubos de corriente, se propone una ecuación alternativa para el balance de momentum lineal considerando un modelo de múltiples tubos de corriente. Dicha relación permite la convergencia y una buena estimación de la expansión del flujo para todas las velocidades de rotación de turbina estudiadas. Se recomienda como trabajo futuro el mejoramiento del cálculo de las fuerzas aerodinámicas basadas en coeficientes aerodinámicos empíricos considerando los efectos dinámicos.

[pt] Após um período de baixa nas bacias hidrográficas, o Brasil investiu em novas fontes de geração de energia elétrica. O gás natural é um dos exemplos destas novas fontes de energia. Dentre as usinas usuárias deste combustível, existem aquelas que operam com turbinas a gás. Muitos estudos sobre modelagem de turbinas a gás, simulação de desempenho, diagnóstico e controle começaram devido a importância dessas usinas. Assim, torna-se necessário que estas usinas trabalhem com segurança e confiabilidade. Para garantir esta estabilidade, é necessário o desenvolvimento de um sistema de controle, capaz de realizar esta operação de geração de energia elétrica de forma satisfatória. O sistema de controle utilizado por estes equipamentos é o objeto de estudo deste trabalho. Neste trabalho, foi utilizado um modelo computacional de uma turbina a gás com duas características principais: um modelo computacional do sistema de controle, desenvolvido com base em uma nova metodologia de controle de turbina a gás, e um modelo termodinâmico existente de uma turbina a gás ligado à rede brasileira. O sistema de controle utiliza a temperatura de saída da turbina a gás (TET), como um fator de correção, para ajustar a temperatura da entrada da turbina (TIT). Esta temperatura (TIT) é utilizada como referência para o controle de fluxo de combustível injetado no interior da câmara de combustão. O modelo também controla o VIGV (pás diretoras móveis na entrada do compressor) através de uma curva utilizada no controle desta turbina a gás ligada à rede brasileira. O modelo computacional ainda apresenta um cálculo simplificado da composição molar dos gases de exaustão desta máquina térmica. Esta característica pode ser usada em combinação com um modelo de uma caldeira de recuperação de calor (HRSG), para simular uma condição de queima suplementar (duct burner), onde o principal objetivo é aumentar a potência produzida no ciclo. Os resultados da simulação foram comparados com os dados operacionais da usina brasileira. / [en] After a period of water shortage, Brazil invested in new sources of electricity generation. Natural gas is an example of these new energy sources. Among these plants, some operate with gas turbines. Many studies about gas turbine modeling, performance´s simulation, diagnosis and control have started due the importance of these power plants. Thus, it is necessary that these plants work safely and reliably. To ensure this stability, it is necessary to develop a control system capable of performing this operation for generating electricity in a satisfactory manner. Then, the control system used by this equipment becomes the objective of this study. In this work, a computational model of a gas turbine was used with two main features: a developed computational model of control system based on a new methodology of gas turbine control and an existing thermodynamic model of a gas turbine connected to the Brazilian grid. The control system uses the turbine exhaust temperature (TET) as a corrective factor to adjust the turbine inlet temperature (TIT). TIT was used as a setpoint to control the fuel flow injected inside the combustor. The model also controls the IGV (Inlet Guide Vanes) by a control curve used in control of a specific gas turbine. There is a simplified calculation of the molar composition of the exhaust gas. This feature could be used in combination with a model of a heat recovery steam generator (HRSG) to simulate a condition with duct burners where the main objective is increase the cycle power. The results of simulation were compared to the operational data from the Brazilian power plant.

Ingeniero Civil Mecánico / Este trabajo de título se enmarca en un proyecto de fin de estudios realizado para la empresa Société hydroélectrique du Midi (SHEM), ubicada en la ciudad de Toulouse, Francia. El trabajo de título consiste en realizar un análisis técnico-económico de diferentes soluciones teniendo en cuenta la evolución de nuevas tecnologías "Ictiófilas" (amigables con la fauna acuática) para preparar el reemplazo de 2 turbinas tipo bulbo que están actualmente en funcionamiento en la central hidroeléctrica de Castet. Cada solución propuesta debe asegurar las funciones principales de Castet, respetando las restricciones impuestas por la concesión y cumpliendo con la reglamentación ambiental exigida. Además por cada propuesta debe entregar una solución a nivel de ingeniería conceptual junto con un plano de implementación y un análisis económico. La metodología del presente trabajo consistió en realizar un estudio del funcionamiento de la central, seguido de un estudio hidrológico y levantamiento de datos, una formulación de todas las restricciones involucradas, la formulación de tres escenarios de reemplazo y la realización de los análisis económicos. Cada escenario contó con una visita técnica. El escenario No. 1 "Reemplazo de manera idéntica de los grupos Bulbos" con una inversión total de 4.237.720 Euros tiene la ventaja de la reutilización de las obras civiles y un alto retorno de experiencia, teniendo como principal desventaja la incertidumbre del costo y factibilidad de un mecanismo que permita la migración de peces. El escenario No. 2 "Reemplazo con tecnología VLH" con una inversión total de 5.454.000 Euros tiene la ventaja de solucionar la problemática de la migración al ser una tecnología ictiófila la cual posee como principal desventaja su complejidad de instalación. El escenario No. 3 "Reemplazo con tecnología Tornillo Hidrodinámico" con una inversión total de 4.803.520 Euros posee también el carácter ictiófilo y tiene como principal desventaja su mal funcionamiento para la regulación del caudal entrante, razón por la cual no se recomienda su implementación. Resulta indispensable clarificar el estado actual de las compuertas deslizantes a través de un estudio mecánico detallado, rehacer un estudio sobre el estado del muro contra-fuerte y la realización de un estudio del mecanismo de migración del escenario No. 1. Todo esto antes de tomar cualquier decisión de reemplazo. Ninguno de los 3 escenarios propuestos es rentable al poseer una TIR inferior al 5% y un VAN negativo. Sin embargo, se demostró la importancia de solucionar la problemática de la migración y analizar financieramente al conjunto de centrales del Valle d'Ossau dada la pronta renovación de concesiones.

Ingeniera Civil Mecánica / La energía eólica en medios urbanos es un tema de gran interés por su cercanía al consumo y su origen renovable. Sin embargo, es necesario estudiar los emplazamientos óptimos para las turbinas eólicas con el fin de obtener la máxima generación de energía. El objetivo de este trabajo de título es estudiar, a través de simulaciones numéricas, el flujo de aire en ambientes urbanos con distintas configuraciones de ciudad, enfocándose en el análisis del potencial eólico y la generación de entropía. Entre sus objetivos específicos están generar un modelo simplificado de ciudad para realizar simulaciones en software CFD, simular la capa límite atmosférica, y obtener la distribución de potencial eólico y la generación de entropía en una ciudad. Para el presente trabajo de título, se desarrolla una metodología de trabajo que consta de cuatro partes principales. En primer lugar, se define el problema y la manera en que se aborda. Luego, se define el entorno urbano con sus parámetros para un total de 18 casos a simular. Posteriormente, se realiza la simulación de fluidos computacional, donde se seleccionan los parámetros de malla, las condiciones de borde asociadas al problema, y las condiciones de las simulaciones. Además, se debe asegurar la homogeneidad horizontal de la capa límite atmosférica. Finalmente, se tiene la obtención y análisis de resultados a través de los softwares CFD Post y Matlab. De los resultados, se obtiene que la configuración de la ciudad influye en gran medida en la distribución del potencial eólico, y que el criterio que permite seleccionar un emplazamiento por potencial no coincide con el de menor generación de entropía. Existe una gran concentración de flujo en el borde superior del edificio de interés que enfrenta el flujo, así como en los bordes laterales correspondientes, que es una zona que no suele considerarse para la instalación de turbinas eólicas. Los edificios que se encuentran tras otros de similar altura no presentan concentración de flujo. No obstante, al sobresalir de su entorno, éstos presentan una alta concentración independiente de su altura. Se observa que la generación de entropía es alta cercana a los bordes superior y laterales que enfrenta el flujo, por lo que se recomienda la instalación de turbinas eólicas por sobre los cinco metros como distancia segura en que existe una generación de entropía mínima. En este trabajo de título se logra estudiar el emplazamiento de turbinas eólicas en medios urbanos, a través del análisis de generación de entropía y el potencial eólico. Como conclusión, las zonas de alta concentración de flujo no coinciden con las de menor generación de entropía, por lo que se necesita optimizar estas dos variables para determinar el mejor emplazamiento recomendable. A pesar de esto, se observa que sobre los cinco metros, como referencia, la generación de entropía es mínima en cualquier punto sobre el techo.

El análisis exergético de una turbina a gas permite la evaluación individual de sus componentes, hallando así la destrucción de exergía y la eficiencia exergética de cada uno de estos. Partiendo de esta premisa, esta tesis presenta una sólida base teórica que explora el funcionamiento de este equipo y se adentra en la Primera y la Segunda Ley de la Termodinámica, con la finalidad de proponer una metodología para realizar un análisis exergético a una turbina a gas. Para cumplir este objetivo, primero se revisa las características de una turbina a gas desde un punto de vista mecánico y termodinámico, para luego describir el marco teórico bajo el cual se desarrollan los análisis energético y exergético. Una vez planteados, esta tesis aplica la metodología a la turbina a gas marca Rover del Laboratorio de Energía de la PUCP. Finalmente, para validar la metodología, se analiza los resultados y posteriormente estos se contrastan con trabajos similares, a fin de revisar la consistencia de los mismos. Los resultados obtenidos en este trabajo determinan que se puede evaluar los flujos de exergía del equipo. La máxima destrucción de exergía se da en la cámara de combustión. En el caso de la turbina evaluada, esta representa el 56% de la exergía total destruida, componente en el cual también se obtiene la peor eficiencia exergética, que solo asciende al 51%, en comparación con los otros componentes de la turbina que bordean el 90%. Del mismo modo, se establece que, como producto del ciclo Brayton simple bajo el cual opera la turbina, la destrucción de la exergía de los gases de combustión al ser liberados al ambiente representa una importante pérdida que ocupa el segundo lugar, y que en el caso de la turbina evaluada llega a más del 30% de exergía destruida. / Tesis