Neste trabalho são analisadas as metodologias de predição dos coeficientes de perdas de energia mecânica em turbinas axiais a gás, em estágio de turbina axial, no ponto de projeto e fora dele. Estas metodologias de predição foram implementadas em um programa de computador, na linguagem FORTRAN e utilizados para os cálculos de desempenho. Os resultados numéricos foram validados com dados da literatura. Os modelos foram utilizados para a análise de desempenho de uma mesma turbina e os resultados obtidos são apresentam boa concordância entre si, indicando que, para a turbina utilizada como base dos cálculos, não é possível indicar qual método é o melhor dos quatro, dadas as tolerâncias, da ordem de 3% em eficiência, inerentes a tais métodos, mas permite sugerir que o de Kacker & Okapuu seja adotado, por ter sido calibrado com dados de turbinas mais recentes. Para uma segunda fase do projeto e de análise, é sugerida metodologia mais geral, tais como o MCLC (Metodologia das Curvaturas de Linhas de Corrente). Em adição aos resultados obtidos, é conveniente que se utilizem outros métodos, como os de CFD, para melhor se caracterizar o desempenho calculado. Uma representação mais adequada teria como base a determinação do campo de escoamento na turbomáquina através do uso das técnicas de CFD.

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.

Procurar uma turbina axial eficiente é evitar desperdício de energia, já que o aumento da eficiência dos componentes de uma turbina a gás refletem em uma máquina mais eficiente, que fornece trabalho com um menor custo de combustível. Com a dinâmica dos fluidos computacional é possivel obter informações quantitativas do desempenho da turbina axial pela simulação do escoamento entre suas pás. Permite também visualizar detalhadamente os pontos onde há separação, ondas de choque, gradientes elevados; fenômenos diretamente relacionados à geração de perdas. Este é o estudo da análise do desempenho de turbinas axiais de alto desempenho utilizando uma ferramenta para simulação computacional do seu escoamento tridimensional e viscoso, em regime permanente. Um software comercial foi empregado para resolver as equações de Navier-Stokes com média de Reynolds com modelo de turbulência Spalart-Allmaras. A simulação em diversos pontos de operação permitiu a construção de um mapa de desempenho e sua comparação foi feita com o gerado usando uma metodologia de previsão de desempenho que contabiliza as perdas por meio das correlações de Ainley-Mathieson e Kacker-Okapuu.

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.

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.

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.

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.

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.