As turbinas a gás são uma importante máquina geradora de potência, fornecendo propulsão mecânica para os transportes aéreos e marítimos, bem como utilizadas na geração de energia elétrica. Para realizar o desenvolvimento do sistema de controle destas complexas máquinas é necessária a criação de modelos matemáticos apurados que representem as condições de operação em regime permanente e regime transitório, prevendo situações que afetam a segurança e desempenho do motor. Este documento descreve o modelo dinâmico não-linear com sistema de controle para um turboeixo utilizado na geração de energia elétrica. A modelagem foi realizada em módulos para cada componente do motor, de forma que suas equações dinâmicas descrevam as situações transitórias. Foram desenvolvidos dois controladores um básico e outro supervisório com as malhas regulatórias em regime permanente, regime transitório e proteção dos limites. A estratégia de controle busca manter o turboeixo operando em regiões de melhor desempenho, mantendo a rotação de referência constante, além de proteger dos fenômenos de bombeamento, apagamento da chama, sobrevelocidade e superaquecimento. Para sintonia dos controladores foram utilizadas técnicas de otimização, com uma função objetivo, descrita a partir do erro em regime. Outro ponto desenvolvido foi à lógica de partida, com as séries de operações para a sequência dos estados. Por fim, foram apresentados os resultados obtidos para uma condição de operação com perturbações na carga do gerador elétrico, observando a ação das estratégias de controle, aumentando a segurança global do turboeixo.

Um dos componentes principais de uma turbina a gás é a turbina, pois produzem potência para o acionamento do compressor assim como de outras cargas externas. A turbina trabalha em um ambiente hostil, recebendo gases quentes de alta pressão da câmara de combustão, tornando-a um componente crítico em usinas de geração de energia. A turbina afeta o desempenho e o custo total do motor, sendo necessário realizar no início do programa de desenvolvimento do motor a predição de desempenho para garantir que o motor possa satisfazer todos os requisitos de operação de forma eficiente. Com a dinâmica do fluido computacional é possível obter informações do desempenho da turbina axial através da simulação do escoamento entre pás. Para avaliar o desempenho de um estágio de turbina em toda faixa de operação são utilizados mapas de desempenho que serão construídos através das simulações numéricas. A simulação do escoamento viscoso em regime permanente foi realizada no primeiro estágio de uma turbina axial. Adotou-se abordagens bidimensional e tridimensional para resolver as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds que utiliza o modelo de turbulência de Spalart-Allmaras. A simulação em vários pontos de operação possibilitou a construção do mapa de desempenho do primeiro estágio da turbina. O mapa foi comparado com uma metodologia de predição de desempenho que contabiliza as perdas por meio do modelo de perdas de Denton.

Este trabalho utiliza técnicas de otimização aplicadas em projetos de turbomáquinas para otimizar a eficiência dentro e fora do ponto de projeto. O projeto de compressores e turbinas axiais são projetos complexos com diversas relações a serem consideradas e balanceadas durante a fase de projeto. Desta forma, a utilização de uma ferramenta de otimização se faz necessária para encontrar a melhor configuração para os parâmetros geométricos que afetam diretamente a eficiência e desempenho do componente comprometendo o motor turbina a gás como um todo. Foi utilizado uma metodologia de otimização hibrida reunindo a utilização de um algoritmo evolutivo e um determinístico com o objetivo de alcançar o ótimo global do projeto e acelerar o processo de otimização. Para o algoritmo evolutivo foi utilizado o NSGA II e para o determinístico o Programação Quadrática Sequencial. Os algoritmos foram aplicados a dois projetos, primeiro a uma turbina axial com projeto de linha média considerando ponto de projeto, a qual foi implementada o modelo de predição de perdas de Denton. Neste projeto foram alterados parâmetros geométricos para maximizar a eficiência minimizando as perdas. No segundo projeto foi utilizado o programa AFCC que simula um compressor operando dentro e fora do ponto de projeto, foi analisada a influência do uso de VIGVs e VSVs para operações fora do ponto de projeto, bem como a quantidade necessária de estatores variáveis no compressor, com o objetivo de encontrar o melhor ângulo de abertura para maximizar a eficiência e aumentar a faixa de operação do compressor afastando problemas de estol e bombeamento. A utilização de técnica de otimização hibrida aplicada a projeto de turbomáquinas se mostrou muito eficiente reduzindo o custo computacional em três vezes quando comparado ao algoritmo genético puro ao mesmo tempo em que se pode trabalhar com problemas multi-objetivos e encontrar o ótimo global do projeto.

Em turbinas a gás, aumentos de potência específica e redução do consumo específico de combustível podem ser conseguidos aumentando a temperatura de entrada da turbina (TET). Altas TET podem implicar em economia significativa de combustível que se traduz em milhares de dólares por ano. Isso justifica os investimentos destinados ao desenvolvimento de novas ligas resistentes à alta temperatura e em melhores sistemas de resfriamento. Através dos anos, a TET saltou de cerca de 1200 K no início dos anos 60 para patamares mais altos como os atuais 1850 K. O resfriamento por filme é uma técnica complexa que depende da interação entre o escoamento principal mais quente e o jato de resfriamento. Um parâmetro, a eficiência de resfriamento, é utilizado como medida do quanto o jato de resfriamento é misturado ao escoamento principal variando de 1, perto do furo de resfriamento, e 0 a jusante dele. A eficiência depende de um grande número de parâmetros, sendo a maioria deles associados a topologia do jato em um escoamento cruzado. O jato ao sair de uma parede encontra o escoamento principal sendo dobrado na direção do fluxo dando origem a um par de vórtices contra-rotativos que bombeiam fluido de baixa temperatura para longe da parede arrastando fluido do escoamento principal de alta temperatura para junto dela. A maior parte das pesquisas em configurações de resfriamento concentram-se nos meios de reduzir o desenvolvimento destes vórtices contra-rotativos através do emprego de técnicas como trincheiras, furos de formato difusor, furos irmãos e esquemas antivórtice. A presente investigação é baseada em pesquisas anteriores e traz uma nova proposta de furo antivórtice. O sistema constituído por dois furos alinhados com o fluxo principal é investigado a fim de avaliar os efeitos de suas interações com a distribuição de temperatura a jusante. O desenvolvimento dos vórtices contra-rotativos no furo a montante irá alterar o campo do escoamento devido ao furo a jusante, que pode ter um efeito adverso sobre a eficiência do filme de resfriamento. Fileiras de furos são utilizadas para proporcionar um aumento do resfriamento em regiões específicas e a presente investigação aborda questões como qual será o campo do escoamento resultante, bem como a capacidade de resfriamento quando tal configuração é empregada. Ela consiste em posicionar um furo auxiliar de resfriamento a frente do furo principal com metade de sua área. A massa total de um caso de referência com um furo de resfriamento é redistribuída em diferentes combinações de proporção por ambos os furos (auxiliar e principal). Também são investigados o impacto dos ângulos de injeção dos furos de resfriamento na eficiência do filme. Simulações numéricas são efetuadas utilizando-se o programa livre baseado no método de volumes finitos OpenFOAM para resolver as equações de Navier-Stokes com médias de Favre tridimensionais juntamente com o modelo de turbulência k-? SST para fechar o sistema de equações. Os resultados mostram que o uso de um furo auxiliar de resfriamento apresentou um resultado significativo quando comparado ao caso de um único furo, indicando que a técnica pode ser muito útil quando necessita-se de uma melhor proteção em locais específicos da pá.

Nos últimos anos, a necessidade e a busca pela geração de energia de forma eficiente tem sido alvo de pesquisa de muitas universidades e empresas. Empresas vêem oportunidade de suprir a própria demanda e em alguns casos vender o excesso de energia. A empresa brasileira Vale Soluções em Energia (VSE) em parceria com o Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) visando entrar nesse mercado de geração de energia desenvolveu um programa de mestrado focando o estudo de turbinas a gás. Este tipo de motor é bastante complexo, tanto no projeto como na operação, e para garantir que o mesmo opere conforme especificado pelo fabricante, testes precisam ser realizados em bancos de ensaios especialmente projetados. Os bancos de ensaio possuem instrumentos que permitem a leitura de parâmetros do motor que possibilitam a verificação de sua eficiência e o seu comportamento, tanto na fase de desenvolvimento ou após passar por manutenção, visando garantir o desempenho e a eficiência dos motores especificados pelo fabricante, em condições seguras de operação. No trabalho foi desenvolvido um estudo pormenorizado da instrumentação necessária para ensaios de turbinas a gás em banco de teste, definindo os tipos de testes e identificando intervalos de regime permanente nos sinais obtidos durante a realização dos mesmos. Para realizar a identificação foi desenvolvido um programa computacional em LabVIEW. Para a validação do algoritmo foi desenvolvido um segundo programa computacional que gera séries temporais, também desenvolvido em ambiente LabVIEW. Neste segundo programa foram geradas séries com intervalos em regime permanente pré definidos e esses intervalos foram comparados com os encontrados pelo programa de identificação de regime permanente.

Os motores do tipo turbinas a gás são utilizados em aplicação onde altas potências são requeridas. Para ambas as aplicações, industrial ou aeronáutica, a busca por alta eficiência e desempenho é constante, procurando melhorar o processo de transferência de energia. Nesse ponto, torna-se importante a pesquisa e o estudo de componentes mais sofisticados. É nesse contexto, que o presente trabalho foi desenvolvido para avaliar um dos itens de grande influência no desempenho de turbomáquinas, conhecido como perdas de alto desempenho devido ao escoamento interno sobre o topo do rotor. O escoamento que passa do lado de pressão para o lado de sucção da pá através do topo do rotor é chamado de escoamento de vazamento, este não participa do processo de transferência de energia, sendo uma fonte de perda interna que causa queda na eficiência da turbomáquina. Neste estudo, diferentes tecnologias para a geometria do topo das pás do rotor são utilizadas para analisar a influência destas geometrias em uma turbina axial de alta pressão (HPT) de único estágio. O estudo dessas diferentes configurações no topo do rotor da turbina foi baseado nos cálculos do escoamento utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) com equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS), utilizando o programa comercial ANSYS CFX v. 13.0. A configuração de topo padrão (topo plano) foi modificada e as seguintes configurações foram utilizadas: sem folga, com topo plano, com squealer, com winglet e com squealer-winglet. Os resultados mostraram que os métodos de dessensibilização aplicados no topo do rotor possuem melhor desempenho que o caso com topo plano. A configuração winglet apresentou melhor resultados que as outras configurações para a turbina na rotação de projeto. E a configuração squealer-winglet apresentou melhor resultados que as outras configurações para 80% da rotação de projeto. As três configurações de dessensibilização estudadas comprovaram serem superiores ao rotor de topo plano, justificando seu uso para aplicações em turbina de alta pressão.

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.

O sistema de ar secundário em turbinas a gás é responsável pela distribuição de ar para o resfriamento das partes quentes do motor, balanceamento de eixo e vedação das folgas formadas entre componentes rotativos e estáticos. Este sistema, geralmente contém selos do tipo labirinto para realizar um controle de ar através de perdas de carga. Para realizar todas as funções supracitadas, o sistema secundário de ar pode consumir cerca de 20% do fluxo de massa total do motor, tendo um impacto significante sobre a eficiência do mesmo. Desta maneira, fica claro que o controle adequado de ar é essencial para um bom desempenho da turbina a gás. O presente trabalho visa comparar diferentes configurações de selos labirintos, a fim de encontrar uma configuração mais adequada para o controle de ar no escoamento secundário. Para tal, simulações numéricas foram realizadas utilizando o software livre de volumes finitos OpenFOAM para resolver as equações gerais de mecânica dos fluidos com média de Favre bi e tridimensionais. Resultados baseados na análise dos parâmetros coeficiente de descarga (Cd) e função fluxo de massa (?) mostram que uma determinação adequada dos parâmetros geométricos do labirinto, juntamente com a adição de ranhuras reduzem o fluxo de massa no labirinto em até 9%.

A indústria aeronáutica vem investindo no desenvolvimento de novas tecnologias capazes de atingir as exigências mais rigorosas de emissões de poluentes, ruídos e consumo. Neste contexto as ferramentas computacionais desempenham um papel de destaque, sendo indispensáveis na avaliação de projetos antes de serem fabricados e testados. A técnica da Dinâmica dos Fluídos Computacional é uma dessas ferramentas que auxiliam os projetistas e pesquisadores no desenvolvimento de turbomáquinas mais eficientes e no melhor entendimento dos fenômenos fluido dinâmicos envolvidos no escoamento. O presente estudo avaliou a influência dos diferentes métodos de discretização das equações de transporte convectivas da mecânica dos fluídos e dos modelos de turbulência. Desta forma, utilizou-se diversos modelos de turbulência, sendo selecionados os mais usuais na indústria e em centros acadêmicos. No âmbito numérico, a investigação utilizou dois métodos de discretização: upwind de primeira ordem e um de alta resolução do tipo MUSCL disponível no programa comercial ANSYS CFX v. 13. O caso teste escolhido para realizar a investigação foi um estágio de turbina axial aeronáutica de alta pressão alto desempenho. O campo do escoamento foi determinado para diferentes pontos de operação da turbomáquina e os resultados comparados com dados experimentais disponíveis. Os resultados obtidos no cálculo do escoamento foram avaliados com base em análises gráficas e de contornos, de forma qualitativa e quantitativa. Entre os parâmetros verificados foram a capacidade de cada método e modelo em capturar fenômenos específicos bem como em atingir a convergência numérica. Ao final, como verificação dos resultados obtidos nas simulações em DFC, foram feitas recomendações acerca dos métodos numéricos e modelos de turbulências para aplicação industrial. Os resultados apresentados são de importância para estudiosos na área de turbomáquinas, pois revelam aspectos importantes referentes ao âmbito numérico e de modelos de turbulência.

The necessity for high performance axial compressors for various applications is shown. The basic theory associated with the study of these machines is presented. A method for calculating the properties of the flow along the compressor is presented. Depending on the design requirements the number of stages is selected and an appropriate shape of the channel studied. Then the compressor blading is made, row-by-row, from the calculation of the flow using a non-viscous flow associated with a loss model that allows, from the known flow at the leading edge, calculate the flow at the trailing edge. The calculations are made on streamlines initially positioned by the criterion of the same area and then repositioned according to the flow calculation in each row until the streamlines do not change their position anymore. Then the boundary-layer on hub and casing walls is evaluated, calculating the blockage coefficients, initially arbitrated. An iterative procedure is done until the blockage coefficients no longer vary. At the end, there are all the dimensions of the compressor and the properties of the flow on the streamlines at the leading and trailing edges of each row. With the geometry fixed and varying the inlet mass flow the maximum mass flow that would result in choke and the minimum one that would result in stall, or even surge, of the compressor can be determined. The computer program was written aiming at being used in a design optimization research.