O trabalho consiste de um breve histórico dos sistemas de APU (Unidade Auxiliar de Potência, do inglês "Auxiliary Power Unit") utilizados até a atualidade em aeronaves comerciais, consiste ainda de: um estudo qualitativo das propostas atuais de turbinas para APU com projeto renovado visando redução na vazão de combustível destinado a esta, utilizando para isto novas gerações de materiais e simplicidade na sua construção; um estudo qualitativo das propostas para um futuro próximo (2010) de sistemas regenerativos de APU combinados com o sistema de controle ambiental (ECS - Environmental Control System); um estudo qualitativo das propostas para um futuro mais distante (2015) de utilização de célula de combustível em substituição da APU. O trabalho aborda ainda um estudo para implementação de um destes novos sistemas em uma aeronave que deve entrar no mercado até 2010, portanto a escolha do sistema deve levar em conta esta variável. O estudo deverá apontar, explicar qualitativamente a escolha dos diversos componentes do sistema para esta aeronave e quantificar a redução no consumo de combustível da aeronave com a implementação deste sistema.

Este trabalho trata aspectos referentes à modelagem, simulação e controle de turbinas a gás. O procedimento para modelagem é discutido em partes, logo, são considerados seis componentes a serem tratados individualmente: compressor, câmara de combustão, turbina, eixo, bocais de admissão e de exaustão. Utilizando os modelos destes componentes e agrupando-os de maneira adequada, demonstra-se que é possível descrever alguns tipos de turbinas a gás. Neste trabalho dá-se foco aos modelos dos motores dos tipos turboeixo e turbojato. Os modelos destes dois motores retratam os principais aspectos do comportamento transitório necessários ao projeto de um sistema de controle. Os códigos foram implementados no ambiente Simulink/MATLAB. Utilizando esta ferramenta foi possível simular diversas situações. Com base neste ambiente de simulação, são apresentadas análises do comportamento transitório dos motores ao serem submetidos a sinais de excitação e perturbação. O modelo obtido permite o projeto de um sistema de controle, sendo o controlador do tipo PID. A sintonia dos parâmetros do controlador é realizada através do método de otimização Nelder-Mead. Novas simulações foram realizadas no intuito de mostrar a capacidade regulatória e a estabilidade do controlador sintonizado. Os resultados obtidos e as análises realizadas permitiram validar as metodologias de modelagem e de sintonia.

A utilização de turbinas a gás, tanto para propulsão aeronáutica como para geração de energia, vem crescendo significativamente nas últimas décadas em todo o mundo. Devido à alta complexidade dos componentes do motor e à tecnologia avançada empregada, os gastos financeiros com a manutenção e operação de turbinas a gás são muito elevados. Uma grande preocupação para quem utiliza este tipo de motor é proporcionar uma alta potência gerada, melhorar os níveis de segurança, aumentar a confiabilidade, e manter uma alta disponibilidade e baixas emissões de poluentes, tudo isso no menor custo possível. Com o intuito de melhorar cada vez mais estes fatores, este campo de pesquisa tornou-se uma área muito atrativa e promissora. Com os olhos voltados para a operação do motor, vem crescendo a quantidade de adeptos que utilizam sistemas computacionais de monitoramento de desempenho de turbinas a gás. No entanto, esta não é uma tarefa trivial, pois envolve complexidade muito grande a ser aplicada em um ambiente extremamente não-linear. Degradações de desempenho de turbinas a gás podem ocorrer de diversas maneiras durante a operação do motor. A queda no desempenho acarreta maior consumo de combustível, desgaste dos componentes, alterações no fluxo do fluido pelos módulos do motor, emissão excessiva de poluentes, entre outros. Por isso há a necessidade de utilizar técnicas cada vez mais poderosas para realizar um diagnóstico eficaz que possa compreender o comportamento de uma turbina a gás em funcionamento. Redes Neurais Artificiais (RNA) é uma das técnicas em plena evolução e que estão sendo utilizadas atualmente pela comunidade científica. O interesse na utilização de RNA, no diagnóstico de falhas de turbinas a gás, vem crescendo acentuadamente, principalmente devido à redução nos gastos com a manutenção do motor e à confiabilidade obtida. Nesta tese, foi desenvolvido um sistema computacional que utiliza técnicas de RNA que detectam, isolam e avaliam falhas que podem ocorrer em uma turbina a gás. Este sistema é capaz de diagnosticar, com confiabilidade, falhas simples, bem como múltiplas falhas, que podem aparecer nos componentes do motor mesmo quando operado em condições adversas. Técnicas de pré-processamento dos padrões de falhas foram analisadas, testadas e comparadas com outros experimentos realizados, objetivando uma otimização de todo processo envolvido. Foi verificada também a robustez do sistema computacional quanto à presença de ruídos oriundos da aquisição das informações pelos sensores acoplados ao motor em operação. Algumas estratégias foram aplicadas com o intuito de quantificar o grau de confiabilidade do sistema, atestando a viabilidade da aplicação. Por fim, os resultados obtidos foram analisados e comentados qualitativamente, abordando também suas limitações e propostas para trabalhos futuros. Com o intuito de ajudar estudantes e pesquisadores a dar continuidade a este trabalho, os conceitos mais importantes de Redes Neurais Artificiais foram incluídos.

O objetivo deste trabalho é documentar o processo de desenvolvimento de um aplicativo cujo objetivo é determinar a condição operacional de um sistema propulsivo aeronáutico. O sistema propulsivo escolhido é baseado em turbinas a gás. Para demonstração do funcionamento do aplicativo foi eleito um motor turbofan de alta Razão de Passagem comercialmente utilizado. No final do trabalho ter-se-á um Sistema Especialista capaz de fornecer diagnósticos de maneira automática. Este sistema utiliza como informação de entrada o sinal de vibração captado no equipamento. O sinal de vibração é simulado através de um modelo simples do motor, gerado pela superposição de senóides com acréscimo de ruído aleatório. Após obtenção deste sinal, realiza-se a transformada de Fourier para visualizar o mesmo sinal no espectro de freqüência. Posteriormente o diagnóstico é realizado com base na teoria de análise de vibrações. O texto traz inicialmente uma leitura da necessidade de sistemas dessa natureza e da evolução de motores aeronáuticos no mercado. Após a introdução, tem-se uma revisão da conceituação básica acerca de motores e posteriormente de vibração. A teoria de análise de vibrações também é tratada e na seqüência é demonstrado o desenvolvimento do aplicativo. Finalmente conclui-se sobre as tendências do mercado com base nos resultados observados.

The combustors for gas turbines have been traditionally designed through trial and error, which is a time consuming and expensive process. With the development of computers and new simulation techniques the design process has been improved considerably. However, the design of combustors for gas turbines still remains an iterative process, which requires a broad knowledge of engine operating conditions and the interaction of their components with the engine components. This work presents the establishment of a methodology for preliminary design for gas turbine combustor, based on the methodology proposed by Melconian e Moldak and the application of a chemical reactors network (CRN), this last one in order to establish the temperature profile of the gases into combustor. Originally, the methodology proposed by Melconian e Moldak uses kerosene as fuel. For this reason, the proposed methodology in this work was adapted to consider different types of fuel. This methodology is capable to set the basic geometric parameters and providing a basic configuration of a combustor considering changes in operational loads. Some cases have been developed, which allowed verifying the implementation of the proposed methodology and the CRN. The first case was used as validation method and was employing a multi-can combustor type, which operates with kerosene as fuel based on example proposed by Melconian e Moldak. The second case corresponds to an annular combustor for an aircraft engine which operates with kerosene, natural gas and ethanol. For each of these fuels was carried out a preliminary design of combustor. The third case is a can annular combustor for application in an industrial gas turbine using natural gas, ethanol and kerosene as fuels. A step by step design methodology is presented in this work. It is important to mention that the proposed methodology is for conventional combustors.

Esta dissertação apresenta um estudo experimental da influência dos parâmetros de operação na estrutura da Zona Central de Recirculação (ZCR) formada na saída da câmara primária de um novo conceito de câmara de combustão com swirler para turbinas a gás, visto que esta influencia diretamente na mistura dos reagentes, na absorção de instabilidades e, significativamente, no processo de combustão. Para o estudo foi empregada a técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Esta nova configuração de combustor baseia-se nos conceitos de combustão pobre pré-misturada e RQL (Rich-Quench-Lean) para permitir a redução das emissões de NOx através do controle dos parâmetros de operação. Basicamente, três parâmetros adimensionais foram variados que regulam o processo de combustão: número de swirl do escoamento secundário (S), razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D) e número de Reynolds do escoamento primário (Rep). Os resultados mostraram que para uma configuração de combustor operando com alto número de swirl, alto número de Reynolds do escoamento de ar primário e alta razão comprimento/diâmetro permite obter uma zona central de recirculação forte, estável e bem definida quando comparadas com as obtidas para outras combinações entre os parâmetros de operação estudados. Também, verificou-se que o estudo de escoamentos com swirl através da técnica PIV não é uma tarefa trivial, no entanto, foi possível obter resultados em acordo com os apresentados na literatura.

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.

A simulação é uma atividade importante na fase de projeto, testes e operação de turbinas a gás. Uma ferramenta capaz de simular motores nas diversas configurações durante essas fases de desenvolvimento tem importância fundamental, tanto em análises de motores existentes quanto nos estudos para desenvolvimento da tecnologia necessária a novos motores de alto desempenho. A capacidade de prever os parâmetros de desempenho em ponto de projeto e fora do ponto de projeto em regime permanente é condição fundamental para estes programas. No entanto, a análise e projeto de motores de alto desempenho necessitam de conhecimento das características relacionadas à dinâmica do motor. Assim, a simulação em regime permanente é capacidade imprescindível para uma ferramenta de simulação. O Centro de Referência de Turbinas a Gás do ITA desenvolveu um programa computacional base com as capacidades de simulação em regime permanente no ponto de projeto, simulação em regime permanente fora do ponto de projeto, simulação em regime permanente com geometria variável e simulação de transitórios com geometria fixa. Neste trabalho foram adicionados os módulos computacionais necessários para estender a capacidade de simulação do programa computacional base, acrescentado a capacidade de simulação de transitórios com variação simultânea de geometria, de forma que a influência desta última possa ser avaliada na dinâmica do motor. Essa implementação estende de maneira considerável as capacidades do programa computacional em desenvolvimento, uma aplicação é no projeto de sistema de controle de estabilidade dos motores. Foi implementada ainda a capacidade de simulação utilizando um controlador PID com capacidade para controlar a variação da geometria do compressor e manter a margem de bombeamento positiva durante acelerações e desacelerações. Simulações foram realizadas para verificar qualitativamente os resultados fornecidos pelos novos módulos do programa computacional.

Este trabalho é uma continuação à pesquisa e desenvolvimento de materiais para aplicação em turbinas a gás e câmaras de combustão do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA). Diversas pesquisas já foram realizadas no DCTA permitindo desenvolver e caracterizar revestimentos, como forma de barreira térmica, para serem aplicados sobre componentes em superligas à base de níquel. Este trabalho tem como objetivo realizar a validação do banco de dados termodinâmicos do software ThermoCalc por meio da comparação de características microestruturais (como fases presentes, suas composições e quantidades) e ensaios experimentais, assim como inserir nessa plataforma dados complementares para que se possa empregar a termodinâmica computacional como ferramenta versátil, prática e de elevada confiança. Ressalta-se que as informações disponíveis nesses bancos darão subsídios para posterior seleção de revestimentos a serem utilizados na fabricação de turbinas de Motores-Foguete a Propelente Líquido (MFPL). Foram confeccionadas amostras contendo ZrO2-Nb2O5, Y2O3-Nb2O5, e ZrO2-Nb2O5-Y2O3. Realizou-se ensaios de massa específica e densidade, indentação, DTA e MEV, com os quais foi possível estabelecer a composição de 16% em mol de Y2O3 e 16% em mol de Nb2O5 como sendo as melhores concentrações de óxidos aditivos à zircônia, promovendo uma estabilização total da fase tetragonal à temperatura ambiente. A otimização dos binários ZrO2-Nb2O5 e Y2O3-Nb2O5 foi concluída, mostrando-se adequada e coerente com os resultados reportados na literatura. O trabalho é inovador e complexo, contudo, com o conhecimento adquirido até então, é possível realizar uma primeira seleção, com qualidade, dos materiais para revestimentos.

Este trabalho apresenta um modelo alternativo de câmara de combustão com baixa emissão de NOx para aplicação em turbinas a gás. Trata-se de um combustor de duplo estágio com "swirler", no qual a condição desfavorável à formação de poluentes é alcançada mediante o controle da dinâmica do escoamento dos reagentes e dos gases de combustão no combustor. A combustão desenvolve-se em dois estágios ou câmaras e em um regime global de combustão pobre. Para a combustão na câmara secundária, dependendo dos parâmetros de operação, algumas oscilações acústicas ocorrem. Os parâmetros operacionais que controlam o processo de combustão são: a razão de equivalência global, o número de Reynolds do jato de combustível (Rej), o número de "swirl" do escoamento de ar (S';) e razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D), sendo o objetivo do presente trabalho a análise da influência destes parâmetros sobre as emissões de poluentes (CO, Hidrocarbonetos Totais e NOx) e o surgimento de instabilidades de combustão. Os resultados mostraram que quando os parâmetros envolvidos contribuem para uma melhor uniformidade da mistura, isto é, maiores razões L/D, elevados número de "swirl" e menores números de Reynolds as emissões de CO e hidrocarbonetos totais são reduzidas. Para o NOx as mesmas tendências são observadas, sendo a única exceção para o número de "swirl", ou seja, os níveis de NOx aumentam com a elevação do referido parâmetro. A razão de equivalência, como esperado, influencia as emissões de maneira distinta. Enquanto que sua elevação reduz as emissões de CO e hidrocarbonetos totais, aumenta as de NOx. Os resultados também mostraram a supressão das instabilidades mediante a utilização de maior diâmetro para a câmara secundária.