Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2012. / Submitted by Alaíde Gonçalves dos Santos (alaide@unb.br) on 2013-05-22T15:17:01Z No. of bitstreams: 1 2012_AnnaPauladeSousaParenteRodrigues.PDF: 6383616 bytes, checksum: 9b60bc89be69d6f650b784ecb59ea9d3 (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2013-05-22T15:27:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_AnnaPauladeSousaParenteRodrigues.PDF: 6383616 bytes, checksum: 9b60bc89be69d6f650b784ecb59ea9d3 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-05-22T15:27:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_AnnaPauladeSousaParenteRodrigues.PDF: 6383616 bytes, checksum: 9b60bc89be69d6f650b784ecb59ea9d3 (MD5) / Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização para geometria de pás de turbinas hidráulicas axiais. O principal objetivo é determinar a geometria de pá que melhor se adaptará às condições de escoamento e funcionamento impostas, melhorando assim o desempenho dessa turbina. A motivação deste trabalho, decorre da necessidade cada vez maior do "melhor" projeto, em um curto período de tempo, fazendo com que esforços para a concepção de novas metodologias de otimização e ciclos de projeto, sejam desenvolvidos. A otimização se dará através da junção das técnicas de otimização heurísticas: Algoritmos Genéticos (AG) e Otimização por Enxame de Partículas (PSO- Particle Swarm Optimization). O principal objetivo dessa junção é a busca por um método de otimização mais robusto e eficiente na determinação da melhor geometria dessas pás. Dessa forma, o desempenho das pés é considerada como função objetivo. Métodos de dinâmica dos fluidos computacional (CFD- Computational Fluid Dynamics) são utilizados como ferramenta para o cálculo desse desempenho. Essa metodologia é aplicada para uma turbina hidrocinética e uma turbina do tipo bulbo. Os resultados provenientes da otimização da turbina hidrocinética são comparados, para diversos pontos de operação, com valores obtidos através de metodologias de otimizações anteriores. O que proporcionou a comprovação do melhor desempenho do algoritmo híbrido AG-PSO, sendo este posteriormente aplicado à otimização de forma das pás de uma turbina bulbo. Os resultados apresentam um ganho na potência (turbina hidrocinética) e rendimento (turbina bulbo) de saída do rotor otimizado via AG-PSO, além de uma melhora no tempo de processamento demonstrando assim a viabilidade do uso dessa metodologia para a geração de geometrias ótimas de pás de rotores axiais. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This thesis presents a methodology as optimization method for the blades of axial turbine runners. The aim is to determine the optimal shape for the blade, considering a specific flow condition and operation point, improving this turbine performance. The motivation behind this work is based on search of the "best"design, increasingly, in a short time, resulting in efforts to new optimization methods and design cycles. The optimization method combines two heuristic optimization techniques: Genetics algorithms (GA) and particle swarm optimization (PSO). The addition of these two techniques in one algorithm (GA-PSO) allows an optimization method more robust and efficient for the purpose of optimal runner's shape. The objective function to be optimized is the performance generated by the rotor. To computation of the performance by the turbine blades, a commercial CFD (Computational Fluid Dynamics) code is used. This methodology is applied to a hidrokinetic turbine and a bulb turbine. The performances of the hidrokinetic turbine, for different operating conditions, of the optimized rotor with GA-PSO were compared to results of previous optimization methods. Proving that the hybrid GA-PSO algorithm has the best performance, being applied to optimization of an bulb runner shape. The results showed a gain in power output (hidrokinetic turbine) and efficiency (bulb turbine), beyond a improvement in the the processing time, which demonstrated the viability of the use of GA-PSO algorithm as a good design procedure for shape optimization of axial hydraulic turbines.

Orientador: Jorge Isaias Llagostera Beltran / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-26T01:23:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DiazRojas_PedroAlberto_M.pdf: 5044725 bytes, checksum: 9cdb5d2fec85a2f0dd6085b8a688fa4d (MD5) Previous issue date: 2000 / Resumo: Neste trabalho é apresentada a análise termodinâmica de um ciclo de potência equipado com turbina a gás. Foi elaborado um programa computacional para a modelagem do sistema. A configuração do sistema térmico de potência está baseada em versões modernas de elevada eficiência e desempenho e utiliza injeção de água no ar de combustão para melhorar as características do ciclo (RWI - Recuperated Water Injected). O combustível utilizado é gás natural. O modelo computacional determina as propriedades termo dinâmicas nos distintos pontos e componentes do sistema por meio de subrotinas. A análise termo dinâmica desenvolvida emprega os critérios de eficiência da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica, com o objetivo de verificar a influência de diversos parâmetros, como a temperatura dos gases na entrada da turbina e das relações de compressão de baixa e de alta do sistema sobre o rendimento térmico e trabalho específico do ciclo. Tomando como base a análise exergética aplica-se a Termoeconomia para a determinação dos Custos Exergéticos / Abstract: This work presents a thermodynamic analysis of a gas turbine power cycle. A computational program was implemented for the systern modeling. The system configuration is based on modero cycle versions, with high efficiency and performance. The cycle uses water injection in the combustion air to improve the cycle characteristics (RWI - Recuperated Water Injected). The fuel used is natural gas. The computational rnodel determines the water and gases thermodynamic properties in the several points of the system using specific subroutines. The thermodynamic analysis is perfonned on the basis of the First and the Second Laws of Thermodynarnics to verify the influence of several pararneters, including the combustion gases temperature in the turbine inlet and the pressure relations in the air compressors, on the cycle thermal efficiencyand specific work. Thermoeconomics is applied to calculate the exergetic costs / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Jose Roberto Bonilha / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil / Made available in DSpace on 2018-07-27T10:11:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PuellNeto_Fernando_M.pdf: 6985780 bytes, checksum: c34f94cb004ba575d8286cd40aa41dda (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: A instalação, operação e análise de um banco de ensaio permitiu verificar suas características particulares, como a utilização de uma Turbina Michell-Banki como máquina motora e ensaios com rotação variável. Como resultado desta pesquisa, tem-se a demonstração da viabilidade de se apoiar a indústria nacional no aperfeiçoamento de pequenas máquinas hidráulicas, fornecendo um suporte experimental diferenciado do que hoje existe no país, principalmente no que diz respeito a custos. Foram ainda objetos deste trabalho a definição dos limites de aplicação destes bancos e o estudo da variação de rotação durante os ensaios, onde esta variação, dentro de limites recomendados, permite a execução de testes com rotação reduzida. Por outro lado, a turbina e bomba formam um conjunto de recalque, cujos ensaios permitiram determinar algumas de suas características hidráulicas e inferir sobre ele algumas conclusões. As principais características do conjunto são: a variação de rotação da bomba, em decorrência do estrangulamento do sistema, e a forte relação entre a variação do rendimento do conjunto e da bomba. A principal conclusão quanto ao conjunto é a constatação da necessidade de pesquisas para a sua otimização... Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: The installation, operation and analysis of a rig of test perrnitted to check their particular characteristics, as the use of a Turbina Michell-Banki as motor machine and tests with variable rotation. As a result of this research, we have a demonstration of the viability sustain on the national industry on the improvement of little hydraulic machines, supplying a differentiated experimental support than today it exists in the country, mainly in what says about costs. This work also focuses the definition of the limits of the application of these banks and the study on the variation of the speed during the tests, where this variation, within the recornrnended limits, perrnits the execution of the tests with reduced speed. On the other hand, the turbine and the pump make a group of pumping, whose tests allowed to determine some of their hydraulic characteristics and to infer about it some conclusions. The main characteristics of the group are: the variation of rotation of the pump due the strangulation of the system, and the strong relationship among the variation on the efficiency of the group and the pump. The main conclusion is the evidence ofthe need ofresearches to the optimization of these group... Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Mestrado / Recursos Hidricos / Mestre em Engenharia Civil

Ingeniero Civil Mecánico / Las microcentrales hidráulicas (centrales de menos de 100 [kW]) representan en Chile un campo de exploración obligatorio en el intento de avanzar hacia un modelo energético país eficiente y sustentable. Diversifican la matriz energética, aumentando la confiabilidad global del sistema, y son aptas para generación distribuida, es decir, inyección y venta de potencias excedentes en la red de distribución, lo que constituye un incentivo directo al consumo eficiente de energía por parte del usuario. En este contexto, el Centro de Energía de la Universidad de Chile desarrolla un proyecto de Micro Central Hidráulica Plug & Play. El objetivo general de este Trabajo de Título consistió en la caracterización de una turbina hidráulica tipo Turgo con dos inyectores, dilucidando entre otras cosas la validez de regular el caudal que pasa a través de los inyectores con válvulas mariposa en vez de válvulas de aguja, que son diseñadas para tal propósito. Se diseñó e instaló un laboratorio de pruebas para la turbina hidráulica tipo Turgo en el Taller Mecánico del DIMEC. Particularmente se midió un conjunto de valores de caudal, altura equivalente neta y potencia eléctrica generada, lo que permitió obtener el diagrama de explotación de la turbina hidráulica, del cual se desprende valiosa información en términos de selección de recursos hídricos, regulación de caudal y otros aspectos técnicos específicos y propios de esta turbina. Los resultados del diagrama de explotación muestran diferencias con los datos del fabricante. Particularmente, entre los puntos de operación nominal obtenidos y los que entrega el fabricante se observan diferencias de rendimiento cercanas a un 10%. El autor recomienda instalar la microcentral en recursos hídricos de las siguientes características, que entregan la potencia eléctrica nominal del generador, 10 [kW] (a 50 [Hz] y 220 [V]): Q=59,4 [l/s], Hn1=34,9 [m] y Q=38,1 [l/s], Hn1=49,1 [m]. Los rendimientos globales respectivos son eta_g=0,493 y eta_g=0,546. Se mostró que existe un conjunto de recursos hídricos fQ, Hng en los que la microcentral no puede operar de buena forma. Se ha destacado que la utilización de válvulas mariposa es el factor principal para esta limitación y que el uso de válvulas de aguja debería reducir tal rango. Además, se encontró que existen importantes imperfecciones en el diseño de los elementos del conjunto turbina-inyectores, como el diámetro de los inyectores, que disminuyen la capacidad del conjunto. A pesar de que el conjunto turbina-inyectores es mejorable, se ha aportado elementos de juicio que permiten validar la utilización de válvulas mariposa para regular caudal de la microcentral. En este contexto, se recomienda regular caudal sólo con la válvula mariposa principal.

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo de título entrega un análisis computacional de fluidos (CFD) sobre una turbina tipo Tesla, máquina que tiene como principal objetivo desarrollar potencia sobre el eje para diversos usos. Las razones principales que motivaron el desarrollo de este trabajo de título, fueron la necesidad de investigar sobre máquinas más económicas y eficientes (en determinadas aplicaciones) que las actuales. La Turbina Tesla, en vista que no posee álabes, sino que discos para transferir la energía al eje, la convierte en una de las máquinas más económicas en su campo, lo que llama la atención de los investigadores y genera la necesidad de conocer el comportamiento del equipo antes de su construcción, con respecto a su torque y rendimiento, siendo estos factores de suma importancia al momento de seleccionar un equipo para una determinada aplicación. Si bien es claro que el fluido de trabajo a utilizar es un factor muy importante para desarrollar el diseño y conocer el desempeño de la máquina, se ha decidido trabajar con un único fluido, el cual es aire. Lo anterior se debe a que es un fluido que puede ser considerado como un gas ideal con respecto a algunas propiedades; además, con el aire la máquina podría alcanzar mayores revoluciones por minuto (RPM) que con vapor o agua (otros dos fluidos interesantes de estudiar), lo que según investigaciones anteriores favorece el rendimiento de la turbina. El desarrollo del presente trabajo comenzó con la recopilación de información sobre la turbina tipo Tesla, abarcando también bombas y compresores tipo Tesla, lo que sirvió de base para el estudio a realizar. Posteriormente se investigó acerca del software utilizado para la modelación en CFD (la herramienta Fluent de ANSYS), de manera de escoger el modelo matemático iterativo más adecuado y las suposiciones oportunas para desarrollar el trabajo en el tiempo establecido para el mismo. En este trabajo, se modeló un único espacio inter-disco representativo de los demás que posee la máquina. Se efectuaron simulaciones para tasas de giro entre 1.000 y 18.000 RPM, logrando así simular distintas cargas en el eje, obteniendo de esta forma el torque, la potencia y el rendimiento, entre otros resultados. Dentro de las conclusiones importantes, se destaca la linealidad del decaimiento del torque, a medida que aumentan las RPM, notándose también un aumento de la potencia y el rendimiento hasta las 13.000 RPM, tasa de giro desde la que éstos comienzan a disminuir. Una vez finalizada la lectura de este trabajo, se espera que el lector no sólo adquiera información acerca de la simulación realizada, sino que también este informe le pueda servir como guía para simulaciones similares en CFD a realizar con el software ANSYS y su interfaz Fluent. Es así como en la sección en la que se explica el ajuste el software, se ha prestado gran atención en representar la mayor cantidad de detalles posibles.

El presente trabajo de tesis consiste en el análisis aerodinámico de perfiles de sustentación para un aerogenerador de tres álabes de eje horizontal con una potencia de 3kW. El principal objetivo reside en la determinación y comparación de la eficiencia aerodinámica de 4 perfiles de sustentación mediante método analítico para finalmente evaluar el perfil de mayor eficiencia a través de simulación numérica por medio de software CFD. A través de la combinación de las teorías de cantidad de movimiento y del elemento del álabe se logra desarrollar el método analítico que consiste en un proceso de cálculo iterativo con el cual se analiza 4 perfiles aerodinámicos, en cada condición de operación y en cada sección del álabe en las que se dividió. Esto lleva a obtener los parámetros que definen el rendimiento aerodinámico para luego comparar los perfiles mediante las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad especifica de la punta del álabe obteniéndose que el perfil de mayor eficiencia es el WORTMANN FX 60-126. Luego de seleccionar el perfil más eficiente se procede a evaluar sus características mediante simulación numérica a través del análisis de volúmenes finitos para flujo externo en software CFD. Se presenta la metodología de trabajo para elaborar el modelado, el mallado, las condiciones de contorno y el análisis de convergencia en el modelo de turbulencia SST. Al obtener los resultados de potencia por simulación numérica se comparan las curvas de rendimiento entre ambos métodos desarrollados, concluyendo principalmente que el método analítico es un proceso de cálculo confiable ya que la curva de eficiencia presenta la forma característica de campana para aerogeneradores de eje horizontal. Como resultado se tiene que mediante la comparación de las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad específica en el perfil seleccionado la variación del coeficiente de potencia es de aproximadamente 15% para la mayor parte de las condiciones de operación. Finalmente, se muestra la resolución de los fenómenos aerodinámicos donde se observa el cambio de presión y velocidad del viento al atravesar el rotor, la resolución del perfil de velocidad en la capa límite, las líneas de flujo y la turbulencia generada por el paso de viento sobre el rotor, la diferencia de velocidades y presiones alrededor del perfil aerodinámico que generan la fuerza de sustentación y finalmente la potencia. Concluyéndose que el procedimiento desarrollado para la simulación numérica es confiable ya que describe los fenómenos aerodinámicos esperados teóricamente. / Tesis

Ingeniero Civil Mecánico / El trabajo realizado tiene como objetivo desarrollar una metodología de diseño para la estructura de una turbina Darrieus tipo H de tres aspas. La metodología consiste en determinar los esfuerzos asociados a su funcionamiento en condiciones de viento definidas como de zonas urbanas. Se enfoca principalmente en dos elementos clave de la estructura de estas turbinas, los conectores entre álabe y eje, y el mismo eje de la turbina. Estos elementos están sometidos a momentos y torques pulsantes debido al cambio del ángulo de ataque en las aspas de la turbina a medida que esta gira. La modelación de las fuerzas ejercida por el viento sobre los álabes de la turbina se realiza utilizando el modelo Double-Multiple Streamtube. Este se usa comúnmente para la determinación de los coeficientes de potencia, normal y tangencial en turbinas de eje vertical. El objetivo es definir las dimensiones de los elementos clave de manera que soporten las condiciones de funcionamiento. Para esto se realizan primeramente cálculos teóricos para determinar las dimensiones según algunos criterios de diseño (p.ej. falla por fatiga de Goodman) para posteriormente simular lo obtenido en un software de elementos finitos y verificar los resultados. Por otro lado, es necesario verificar que el conjunto de estructuras sea funcional en términos de las vibraciones asociadas al movimiento. Se realizan por lo tanto análisis modales de frecuencia natural de manera teórica, los cuales también se comparan posteriormente con lo simulado. Al comparar la simulación con los resultados teóricos se puede ver son bastante parecidos. Se obtiene que los resultados teóricos de esfuerzo son mayores que los obtenidos mediante la simulación. Esto se puede explicar por la diferencia en las condiciones de borde, la diferencia en el método de cálculo y en menor medida a aproximaciones y simplificaciones. Sin embargo los resultados son favorables. Por otro lado, la frecuencia natural obtenida por ambos métodos es suficiente como para que la turbina no entre en resonancia. Esto quiere decir que la metodología de diseño utilizada para los elementos de la estructura de una turbina Darrieus-H es exitosa y funcionaría sin problemas en condiciones ideales.

O presente trabalho trata do projeto aerotermodinâmico de turbinas a vapor de múltiplos estágios baseado em uma abordagem de técnicas de modelamento unidimensional. Um programa computacional foi desenvolvido para projeto preliminar de turbinas a vapor de múltiplos estágios escritos em linguagem FORTRAN 90, visando à redução do tempo de projeto preliminar, a independência de programas comerciais e o acesso ao código fonte para modificar e implementar novos modelos para melhorar o potencial da ferramenta de projeto. Uma revisão dos principais tipos de turbinas a vapor, seus ciclos termodinâmicos, principais componentes, funcionamento básico e os mecanismos de perdas envolvidos são apresentados. A metodologia de cálculo empregado no projeto preliminar da turbina a vapor e a implementação do International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) são apresentadas, para o cálculo das propriedades termodinâmicas, assim como do critério de vórtice livre e o modelo de perdas desenvolvido por Dunham e Came. Os resultados do programa computacional desenvolvido foram comparados com os resultados do programa comercial desenvolvido pela CONCEPTS NRECTM, AXIAL. A comparação foi realizada para uma turbina a vapor de um estágio e uma turbina a vapor de dois estágios. A análise comparativa foi feita na linha media e mostrou que os resultados do programa computacional desenvolvido estão próximo dos valores calculados pelo programa comercial com desvios e diferenças aceitáveis devido à diferente metodologia, procedimento numérico e calibração do modelo de perdas entre os mesmos.

El presente trabajo de tesis consiste en el análisis aerodinámico de perfiles de sustentación para un aerogenerador de tres álabes de eje horizontal con una potencia de 3kW. El principal objetivo reside en la determinación y comparación de la eficiencia aerodinámica de 4 perfiles de sustentación mediante método analítico para finalmente evaluar el perfil de mayor eficiencia a través de simulación numérica por medio de software CFD. A través de la combinación de las teorías de cantidad de movimiento y del elemento del álabe se logra desarrollar el método analítico que consiste en un proceso de cálculo iterativo con el cual se analiza 4 perfiles aerodinámicos, en cada condición de operación y en cada sección del álabe en las que se dividió. Esto lleva a obtener los parámetros que definen el rendimiento aerodinámico para luego comparar los perfiles mediante las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad especifica de la punta del álabe obteniéndose que el perfil de mayor eficiencia es el WORTMANN FX 60-126. Luego de seleccionar el perfil más eficiente se procede a evaluar sus características mediante simulación numérica a través del análisis de volúmenes finitos para flujo externo en software CFD. Se presenta la metodología de trabajo para elaborar el modelado, el mallado, las condiciones de contorno y el análisis de convergencia en el modelo de turbulencia SST. Al obtener los resultados de potencia por simulación numérica se comparan las curvas de rendimiento entre ambos métodos desarrollados, concluyendo principalmente que el método analítico es un proceso de cálculo confiable ya que la curva de eficiencia presenta la forma característica de campana para aerogeneradores de eje horizontal. Como resultado se tiene que mediante la comparación de las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad específica en el perfil seleccionado la variación del coeficiente de potencia es de aproximadamente 15% para la mayor parte de las condiciones de operación. Finalmente, se muestra la resolución de los fenómenos aerodinámicos donde se observa el cambio de presión y velocidad del viento al atravesar el rotor, la resolución del perfil de velocidad en la capa límite, las líneas de flujo y la turbulencia generada por el paso de viento sobre el rotor, la diferencia de velocidades y presiones alrededor del perfil aerodinámico que generan la fuerza de sustentación y finalmente la potencia. Concluyéndose que el procedimiento desarrollado para la simulación numérica es confiable ya que describe los fenómenos aerodinámicos esperados teóricamente.

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