Turbinas a gás são máquinas de fluxo que utilizam a energia liberada em um processo de combustão para produzir potência de eixo ou tração, fornecendo energia cinética rotacional para geração de energia elétrica ou mecânica, como, por exemplo, para transporte aéreo e marítimo. Nas últimas décadas têm-se observado grande interesse mundial em pesquisas na área de turbinas a gás. Há várias causas pelas quais estes estudos estão em crescimento, quando comparados, por exemplo, com motores a diesel, tais como: maiores faixas de potência, peso por unidade de potência muito menor, baixa emissão de poluentes, capacidade de funcionar com multicombustíveis, menores níveis de vibração, menores custos de manutenção, geralmente mais baratos, dentre outras vantagens, como citado em Walsh (2004). Voltando-se para o Brasil, percebem-se também empenhos significativos para desenvolver estudos neste campo, levando-se em consideração o interesse em deter conhecimentos tanto para aplicação industrial quanto para uso aeronáutico. Dentro deste contexto encontram-se as pesquisas na área de sistemas de controle, inclusive modelagem e identificação de sistemas. No presente trabalho apresenta-se uma abordagem em identificação de sistemas utilizando dados gerados por um simulador de turbinas a gás de eixo simples, com a finalidade de se encontrar parâmetros e utilizá-los na criação de modelos representativos deste simulador. Este tipo de trabalho, a partir de dados amostrados, pode servir como ferramenta para desenvolver estratégias de controle. Neste caso, tem-se por objetivo avaliar os modelos obtidos, comparando suas respostas com as correspondentes respostas amostradas pelo simulador, o qual, a partir de agora, será chamado de turbina a gás de referência (TR). Para fazer isso, são realizadas simulações com o emprego de modelos lineares autorregressivos com entradas externas (ARX), onde os valores dos parâmetros são calculados utilizando dados de entrada e saída gerados pela TR. São realizados dois estudos de caso para este tipo de motor, utilizando modelos multivariáveis, a primeira análise é feita através de blocos separados, com múltiplas entradas e uma única saída (MISO) e a segunda, onde se analisa a turbina a gás como um único bloco com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). Estes estudos são realizados com a finalidade de obterem-se modelos matemáticos mais adequados para serem ferramentas em projetos de sistemas de controle.

Dentre os sistemas centrais de potência, o de geração com turbinas a gás torna-se relevante pelo fato de exigir pouco espaço para suas instalações, e, ao mesmo tempo produzir potência elevada ( de 5 a 250 MW ). As variações nas possibilidades de se produzir trabalho, mas também em reduzir perdas abrem espaço para as pesquisas no sentido de aperfeiçoar a eficiência das centrais de potência. Muitas pesquisas têm se realizado nesse sentido, visando a otimização, através do uso das combinações de ciclos, apresentando-se hoje plantas acima de 2000 MW, com faixas de eficiência até 55%. O objetivo deste trabalho é mostrar como se desenvolve e como pode ser aplicada uma teoria de Redes Neurais Artificiais no dimensionamento e na operação de ciclos com turbinas a gás. A Rede Neural é um sistema fundamentado na neurociência, na matemática, na física, na ciência da computação e na engenharia e tem a propriedade de "aprender", a partir de dados de entrada, a encontrar respostas diante de novas entradas através de um conceito denominado de Generalização. O método permite analisar o fluxo de calor e trabalho nos ciclos, através da apresentação ao sistema de novas entradas. As respostas são recolhidas e comparadas entre si permitindo analisar os desempenhos. Para atingir este objetivo utiliza-se a metodologia computacional contida no programa MATLAB, referente às Redes Neurais, que permite respostas rápidas diante dessas novas entradas. Neste trabalho, após um desenvolvimento teórico, baseado em modelos criados a partir da termodinâmica, aplica-se uma formulação numérica e comparam-se os resultados obtidos através de métodos convencionais com os resultados obtidos por aplicação de redes neurais, demonstrando com esses resultados uma motivação para trabalhos futuros.

Methods that might be considered for in-flight thrust determination (IFTD) and uncertainty analysis for turbofan engines are presented. From four IFTD methods presented here, three are standard in the aircraft industry and are documented in SAE AIR 1703, and the Residual Error Method; the fourth method is the author's alternative proposal. The document includes also full uncertainty analysis assessment as per SAE AIR 1678 . This document is intended also to provide appropriate background information to gain a perspective of the major aspects and processes that might be used for the determination of in-flight thrust and its uncertainty. An application to a specific program is presented, which is a case study that illustrates the practices and results for determination of in-flight thrust for a modern turbofan engine.

O principal objetivo deste trabalho é apresentar a especificação de um banco de ensaios de um modelo de turbina axial a gás do motor foguete a propelente líquido RD-0109 russo, com suas principais especificações e características, instrumentação do sistema de medição, sistema de aquisição de dados, bem como o planejamento de ensaios. Para determinar as características de operação da turbina é necessário obter nos ensaios as medidas de rotação, torque, pressão de entrada e saída, vazão mássica e temperatura de entrada e saída. Os dados de medição nos ensaios da turbina serão utilizados para uma análise comparativa com os dados teóricos extraídos do cálculo dos parâmetros de desempenho da turbina a gás. Os ensaios no modelo da turbina axial a gás devem ser realizados utilizando o ar como fluido de trabalho, similar ao fluido-real, e isto se deve ao alto custo e à complexidade dos ensaios se utilizasse como fluido de trabalho o gás gerado pela combustão dos propelentes do motor. Neste caso é evitada a limitação devida a grande dificuldade em proceder-se medições precisas em altas temperaturas e pressões elevadas de entrada e saída.

This work deals with the numerical simulation of axial flow compressors, from design to performance prediction. The stage performance prediction uses the meanline flow properties. Stage-stacking is used to analyse a multi-stage compressor. A computer program, written in FORTRAN, was developed and is able to design an axial flow compressor given air mass flow, total pressure ratio, overall efficiency and design speed. All geometrical data relevant to the compressor performance prediction is calculated after it has been bladed. From the geometrical data and for given compressor speed, the performance is calculated: pressure ratio and efficiency are determined from stall to choke. A complete compressor performance map can be produced. Validation was carried out with data obtained from the literature. Good agreement has been achieved.

As turbinas a gás modernas estão sujeitas a requisitos muito rigorosos de desempenho, operacionalidade e durabilidade. Para atender estes requisitos, que são conflitantes, e para assegurar um projeto adequadamente ponderado, simulações dos comportamentos dinâmico e transitório do motor são necessárias durante os projetos do motor e do sistema de controle, bem como durante os ensaios de desenvolvimento. Isto garante a prevenção de problemas e reduz custos de desenvolvimento. Modelos de simulação de desempenho representativos do motor, que levam em consideração os efeitos dinâmicos e transitórios, são utilizados desde o início do projeto, tanto do motor propriamente dito como do sistema de controle, para permitir a escolha da melhor configuração do motor e a lei de controle mais adequada. A compatibilidade entre as partes do motor pode ser verificada, mesmo antes da fabricação, evitando erros que podem custar caro. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo de simulação de desempenho de turbinas a gás com capacidade para tratar a dinâmica não adiabática e a transferência de calor transitória do motor. Foram incluídos no modelo alguns aspectos conhecidos que afetam o comportamento dinâmico e transitório dos motores, tais como: transferência de calor gás-metal e variação na eficiência dos componentes devido à variação de folgas de topo. A capacidade de simulação da dinâmica não adiabática do modelo foi validada usando um método de diferenças finitas disponível na literatura. O modelo foi utilizado ainda para simular o desempenho dinâmico de uma turbina a gás com regenerador e foi observado que o volume e a transferência de calor no regenerador têm uma influência maior na dinâmica do motor que o atrito interno do regenerador. A capacidade de simulação de transitório não adiabático de turbinas a gás do modelo foi validada usando um modelo de simulação já consagrado da literatura. Os modelos foram utilizados na simulação do desempenho em regime transitório de um motor turbofan, de dois eixos e saída misturada, e os resultados obtidos apresentaram pouca diferença.

Gas turbines are optimised at design point. When they operate at off-design, the performance is poor because the blade passages are not adequate for the new flow conditions. In order to improve part-load performance, it is necessary to re-shape the blade passages. This can be done with blade re-staggering. Engines with this capability are called variable geometry engines.This work aims at the development of appropriate methodologies to numerically investigate the influence of the main engine components (compressor, turbine and propelling nozzle) on engine performance, as a mean to support applications of high performance cycles that demand extreme operating conditions.An investigation of variable geometry compressor and turbine stators was carried out by means of synthesizing their performance maps at many stator blade settings and the use of such information in cycle analysis. To support the huge amount of calculations required for off-design analysis, a computer program has been developed.Validation of the methodology was performed using data available in the open literature. A powerful tool for the gas turbine simulation that had proved to produce quality results is made available to support research on new concepts for high performance cycles.

As rigorosas legislações ambientais direcionam os fabricantes de turbinas a gás a desenvolver novos projetos de câmara de combustão para reduzir as emissões de poluentes. Nas últimas duas décadas, a combustão de reagentes pré-misturados em razão de equivalência pobre tornou-se a principal tecnologia para controlar as emissões de NOx em turbinas a gás. No entanto, câmaras de combustão com pré-mistura pobre de reagentes são inerentemente sensíveis a oscilações de pressão que podem conduzir a instabilidades de combustão. Essas oscilações podem afetar a liberação de calor, as emissões de poluentes e o tempo de vida da câmara e de outros componentes do motor. Além disso, existem outros problemas associados com a estabilização da chama em sistemas de combustão que utilizam o conceito de câmaras com pré-mistura pobre de reagentes, tais como sopramento e retorno de chama. Em geral as turbinas a gás utilizam alta intensidade de rotação para estabilizar as chamas através da formação de uma forte zona de recirculação. Porém, os desenvolvimentos recentes nestes dispositivos demostram que é possível alcançar um regime específico diminuindo a intensidade de rotação de reagentes pré-misturados e pobres com uma geometria adequada. Essa geometria foi definida como sistema de baixa intensidade de rotação e é capaz de gerar chamas suspensas e estáveis sem uma forte zona de recirculação do escoamento. Neste trabalho foram estudadas experimentalmente chamas pré-misturadas e pobres, em condições de pressão atmosférica e confinadas em uma câmara de combustão, geradas por um sistema capaz de fornecer diferentes: níveis de baixa intensidade de rotação aos reagentes, razões de equivalência e potências térmicas. Foram analisados os escoamentos reativos, as emissões de NOx e CO e as oscilações de pressão no interior da câmara de combustão. Os resultados demostraram a influência da intensidade de rotação na formação e desenvolvimento dos vórtices e zona de recirculação interna, no formato e deslocamento das chamas suspensas e apresentaram níveis: baixos de oscilações de pressão no interior da câmara e baixos de emissões de NOx.

A proposta desta pesquisa é realizar um estudo numérico da utilização do etanol como combustível alternativo em turbinas a gás, seguindo a tendência mundial na busca por combustíveis menos poluentes. Esta pesquisa tem como principal objetivo, identificar o impacto da mudança do combustível na metodologia corrente de projeto de câmaras de combustão de turbinas a gás. Como ferramenta principal, é utilizado pacote computacional de CFD - "Computational Fluid Dynamics" - para simulação dos escoamentos reativos no interior dos combustores analisados. O presente trabalho é parte de um esforço para o desenvolvimento de metodologia para projeto de câmaras de combustão de turbinas a gás voltadas a utilização de etanol como combustível, de forma eficiente. Em grande parte, isto depende do posicionamento otimizado dos furos de admissão de ar para as zonas primária e secundária, no que tange o grau de homogeneização da temperatura dos gases à saída do combustor, ou "temperature traverse quality" (T.T.Q.), ou TQ simplesmente. Para tanto, utiliza-se critérios de projeto unidimensionais para projeto preliminar de combustores ';genéricos';, equivalentes a combustores existentes, tomados como referência. Posteriormente, procede-se à verificação da qualidade do escoamento no interior da câmara de combustão através de simulações computacionais (CFD) para cálculo do escoamento 3D, bifásico (spray), viscoso, compressível, turbulento, radiante e reativo. Os resultados demonstram a viabilidade técnica de utilização do etanol como combustível. As dimensões do combustor a etanol são compatíveis com aquelas obtidas no projeto de combustores a querosene de aviação. É possível a identificação do posicionamento ótimo das fileiras de furos das zonas primária e secundária ao longo do eixo longitudinal do combustor. Os valores de eficiência térmica, TQ e de emissões para alguns poluentes são compatíveis com aqueles encontrados na literatura. Resultados dos cálculos em CFD e parâmetros utilizados no dimensionamento preliminar para mínimo TQ são correlacionados ao final.

Um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas) reunidos com a finalidade de obter um resultado desejado com o desempenho desejado, tendo um determinado valor de entrada. Quando aplicado em turbinas a gás o sistema de controle deve ser robusto suficiente para considerar a dinâmica transitória da máquina e fazer com que a mesma opere dentro de seus limites e com máximo desempenho possível. A modelagem feita neste trabalho considera modelos de turbina a gás, caldeira de recuperação de calor e turbina a vapor e foram implementados primeiramente de forma isolada e, em seguida, conectados, fazendo sua operação a simulação exata do ciclo combinado. Toda a modelagem foi feita utilizando a ferramenta Simulink do Matlab e seus valores de ajustes, ganhos, limites, etc foram obtidos a partir de uma central térmica em operação. Durante o desenvolvimento deste modelo varias adaptações relativas a particularidades da central térmica foram feitas de forma tal que o modelo represente fidedignamente a condição real de operação. Os resultados gerados pelas modelagens e simulações foram submetidos a uma análise de desempenho comparando-se com dados reais de operação obtidos. Essa análise levou em conta robustez, tempo de resposta, análise transitória, análise estática e confiabilidade do modelo proposto. Com o resultado da análise de desempenho foi possível validar o modelo proposto e sugerir avanços futuros para continuação deste trabalho.