Estágio realizado na Zollern & Comandita / INEGI e orientado pelo Eng.º Rui Jorge Lemos Neto / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Estimativas de desempenho de compressores axiais através de métodos numéricos, entre eles o Método da Curvatura das Linhas de Corrente, são ferramentas utilizadas para reduzir o custo e o tempo de desenvolvimento de compressores axiais. A qualidade dos resultados está intimamente ligada às correlações que relacionam o escoamento à máquina, isto ée, correlações de incidência de mínima perda, de perda de pressão total e de desvio. O presente trabalho estuda as diferenças dos resultados obtidos com diferentes correlações de modo a definir a validade destas nos casos estudados e apontar as possibilidades de desenvolvimento do programa disponível no ITA. Pretende-se, desta forma, que as limitações do método, devido as simplificações necessárias, sejam totalmente exploradas. Foram simulados dois compressores: um estágio de "fan" de razão de pressão 1,35 (estágio NASA 53) e um estágio de compressor de alto desempenho construído com perfil MCA (estágio NASA 37).

A simulação numérica de compressores axiais é de fundamental importância tanto na fase de projeto quanto na de desenvolvimento do compressor. A simulação numérica é utilizada para detectar problemas de funcionamento, que podem ocorrer durante a operação. Na fase de desenvolvimento, prazos e custos podem ser reduzidos. O presente trabalho consiste na análise do desempenho de um compressor operando com ar úmido e ou com injeção de água. Para tanto foi desenvolvido e implementado um modelo de evaporação de gotículas de água no interior de compressores axiais, compatível com o método da curvatura das linhas de corrente, num programa computacional já existente. Este programa é capaz de simular o desempenho de compressores axiais fora e dentro do ponto de projeto, utilizando o método da curvaturas das linhas de corrente. Uma vez implementados os modelos,o desempenho do compressor é avaliado nas seguintes condições: injeção de água, tanto na entrada quanto entre os estágios do compressor; variação das propriedades iniciais das partículas injetadas como: diâmetro, temperatura, velocidade e posição; simulação da compressão com o ar úmido, sem a presença de gotículas de água.Também é feito um estudo das propriedades termofísicas e dinâmicas das partículas ao longo do compressor tais como trajetória,velocidade,diâmetro e temperatura. Os resultados mostram que a injeção de água tem grande potencial para o aumento de potência de uma turbina a gás e isoladamente é e?caz na diminuição do trabalho de compressão.

This work presents an approach to optimise the preliminary design of high-performance axial-flow compressors. The preliminary design within the Gas Turbine Group at ITA, is carried on with an in-house computational program based upon the streamline curvature method, using correlations from the literature to assess the losses. The choice of many parameters of the thermodynamic cycle and of geometries relies upon the expertise from the members of the Group. Nevertheless, it is still a laborious and time-consuming task, requiring successive trial and errors. Therefore, to support the compressor designer in the choice of some parameters, an optimisation program, named REMOGA, was written in FORTRAN language, allowing an easy integration with the programs developed by the Gas Turbine Group. The program is based upon a multi-objective genetic algorithm, with real codification and elitism. Then the REMOGA and the preliminary design program were integrated to design a 5-stage axial-flow compressor. Therefore, the stator air outlet angles, the temperature distribution and the hub-tip ratio were varied aiming at higher efficiencies and higher pressure ratios, but controlling the de Haller number and the camber angle. Thanks to the REMOGA, thousands of designs could be quickly evaluated. Finally, using a choice criterion, four solutions were selected for further analysis, revealing that the developed program was successful in finding more efficient and feasible compressor designs.

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.

Esta dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento de um trabalho que tem como objetivos avaliar a composição de turbocompressores veiculares para microgeração de energia e desenvolver um modelo de câmara de combustão tubular para equipar microturbinas a gás derivadas de turbocompressores. No desenvolvimento do trabalho, utilizando o software Cycle-Tempo, foi feita a avaliação de possíveis configurações de microturbinas a gás derivadas de turbocompressores, no que diz respeito ao número de eixos e dispositivos de aumento de eficiência térmica (intercooler, recuperador de calor e reaquecedor). No total foram simuladas, dez diferentes configurações, sendo que as análises foram feitas diretamente nos parâmetros de eficiência térmica dos conjuntos avaliando-se a relação entre a energia aportada pelo combustível e a energia entregue num gerador elétrico hipotético. Na sequência são definidos os turbocompressores para compor uma determinada configuração de microturbina a gás e, para tanto, utilizaram-se os mapas de desempenho dos turbocompressores de um fabricante. A partir dos parâmetros de operação dos equipamentos foi desenvolvido um modelo tridimensional de câmara de combustão em software de CAD. O modelo passou por cinco etapas de simulações em Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD). As primeiras três etapas serviram para desenvolver e aprimorar o modelo tridimensional de câmara de combustão e, por limitações do software, não envolveram combustão. Utilizando condições de contorno operacionais, foram avaliados: o perfil de velocidades ao longo da câmara de combustão, a perda de pressão, a intensidade da turbulência, a homogeneização entre os reagentes ar e combustível e a divisão do fluxo mássico em cada seção da câmara de combustão. A partir do modelo tridimensional foi desenvolvido um protótipo da câmara de combustão, construído a partir de tubos comerciais de PVC. O protótipo foi avaliado experimentalmente com escoamento do ar a temperatura ambiente, utilizando o acoplamento em série entre um ventilador centrífugo e um soprador. No experimento foi avaliada a divisão de fluxo mássico de ar em cada seção da câmara de combustão e a perda de pressão. As simulações CFD foram refeitas na quarta etapa, onde as condições de contorno foram os parâmetros de fluxo mássico, pressão e temperatura, obtidos experimentalmente. Com isto, pode ser feita a comparação direta entre os resultados obtidos experimentalmente e os resultados das simulações CFD. Concluindo o trabalho foi realizada a quinta etapa, onde foi inserida uma fonte de calor simulando o aporte de energia da combustão, permitindo a avaliação da temperatura na câmara de combustão. As simulações CFD indicaram resultados semelhantes ao que é previsto em bibliografia, no que diz respeito à divisão do fluxo mássico, perda de pressão e à distribuição de velocidades. Já as avaliações experimentais apresentaram incerteza de medição elevada para a divisão de fluxo mássico. Quanto à perda de pressão o método experimental mostrou-se adequado. / Submitted by Ana Guimarães Pereira (agpereir@ucs.br) on 2017-10-25T17:02:08Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Daniel Vieira Pinto.pdf: 7889874 bytes, checksum: a3dd417da94a3175c511cb73b3577fd2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-25T17:02:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Daniel Vieira Pinto.pdf: 7889874 bytes, checksum: a3dd417da94a3175c511cb73b3577fd2 (MD5) Previous issue date: 2017-10-25 / This master's work presents the development of a work that has the objective of evaluating the composition of vehicular turbochargers for microgeneration of energy and to develop a tubular combustion chamber model to equip gas microturbines derived from turbochargers. In the development of the work, using the software Cycle-Tempo, it is made the evaluation of possible configurations of gas micro turbines derived from turbochargers, with respect to the number of axes and devices of increasing thermal efficiency (intercoolers, heat recover e reheater). In total, ten different configurations were simulated, and the analyzes were done directly in the thermal efficiency parameters of the sets, evaluating the relation between the energy contributed by the fuel and the energy delivered in a hypothetical electric generator. Turbochargers are then defined to form a particular gas micro turbine configuration and, being used the turbocharger performance maps from a manufacturer. From the operating parameters of the equipment, a three-dimensional combustion chamber model was developed in CAD software. The model went through five stages of simulations in Computational Fluid Dynamics (CFD). The first three steps served to develop and improve the three-dimensional model of combustion chamber and, due to software limitations, did not involve combustion. Using operational contour conditions, the velocity profile along the combustion chamber, the pressure loss, the turbulence intensity, the homogenization between the air and fuel reactants and the division of the mass flow in each section of the combustion chamber were evaluated. From the three-dimensional model was developed a prototype of the combustion chamber, built from commercial PVC pipes. The prototype was evaluated experimentally with air flow at room temperature using the coupling in series between a centrifugal fan and a blower. In the experiment the air mass flow division in each section of the combustion chamber and the loss of pressure were evaluated. The CFD simulations were redone in the fourth stage, where the boundary conditions were the parameters of mass flow, pressure and temperature, obtained experimentally. Thus, a direct comparison between the results obtained experimentally and the results of CFD simulations can be made. At the end of the work the fifth step was performed, where a heat source was inserted simulating the energy input of the combustion, allowing the temperature evaluation in the combustion chamber. The CFD simulations indicated results similar to those predicted in the literature, regarding the division of mass flow, pressure loss and velocity distribution. However, the experimental evaluations presented high measurement uncertainty for the mass flow division. Regarding pressure loss, the experimental method proved to be adequate.

Esta dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento de um trabalho que tem como objetivos avaliar a composição de turbocompressores veiculares para microgeração de energia e desenvolver um modelo de câmara de combustão tubular para equipar microturbinas a gás derivadas de turbocompressores. No desenvolvimento do trabalho, utilizando o software Cycle-Tempo, foi feita a avaliação de possíveis configurações de microturbinas a gás derivadas de turbocompressores, no que diz respeito ao número de eixos e dispositivos de aumento de eficiência térmica (intercooler, recuperador de calor e reaquecedor). No total foram simuladas, dez diferentes configurações, sendo que as análises foram feitas diretamente nos parâmetros de eficiência térmica dos conjuntos avaliando-se a relação entre a energia aportada pelo combustível e a energia entregue num gerador elétrico hipotético. Na sequência são definidos os turbocompressores para compor uma determinada configuração de microturbina a gás e, para tanto, utilizaram-se os mapas de desempenho dos turbocompressores de um fabricante. A partir dos parâmetros de operação dos equipamentos foi desenvolvido um modelo tridimensional de câmara de combustão em software de CAD. O modelo passou por cinco etapas de simulações em Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD). As primeiras três etapas serviram para desenvolver e aprimorar o modelo tridimensional de câmara de combustão e, por limitações do software, não envolveram combustão. Utilizando condições de contorno operacionais, foram avaliados: o perfil de velocidades ao longo da câmara de combustão, a perda de pressão, a intensidade da turbulência, a homogeneização entre os reagentes ar e combustível e a divisão do fluxo mássico em cada seção da câmara de combustão. A partir do modelo tridimensional foi desenvolvido um protótipo da câmara de combustão, construído a partir de tubos comerciais de PVC. O protótipo foi avaliado experimentalmente com escoamento do ar a temperatura ambiente, utilizando o acoplamento em série entre um ventilador centrífugo e um soprador. No experimento foi avaliada a divisão de fluxo mássico de ar em cada seção da câmara de combustão e a perda de pressão. As simulações CFD foram refeitas na quarta etapa, onde as condições de contorno foram os parâmetros de fluxo mássico, pressão e temperatura, obtidos experimentalmente. Com isto, pode ser feita a comparação direta entre os resultados obtidos experimentalmente e os resultados das simulações CFD. Concluindo o trabalho foi realizada a quinta etapa, onde foi inserida uma fonte de calor simulando o aporte de energia da combustão, permitindo a avaliação da temperatura na câmara de combustão. As simulações CFD indicaram resultados semelhantes ao que é previsto em bibliografia, no que diz respeito à divisão do fluxo mássico, perda de pressão e à distribuição de velocidades. Já as avaliações experimentais apresentaram incerteza de medição elevada para a divisão de fluxo mássico. Quanto à perda de pressão o método experimental mostrou-se adequado. / This master's work presents the development of a work that has the objective of evaluating the composition of vehicular turbochargers for microgeneration of energy and to develop a tubular combustion chamber model to equip gas microturbines derived from turbochargers. In the development of the work, using the software Cycle-Tempo, it is made the evaluation of possible configurations of gas micro turbines derived from turbochargers, with respect to the number of axes and devices of increasing thermal efficiency (intercoolers, heat recover e reheater). In total, ten different configurations were simulated, and the analyzes were done directly in the thermal efficiency parameters of the sets, evaluating the relation between the energy contributed by the fuel and the energy delivered in a hypothetical electric generator. Turbochargers are then defined to form a particular gas micro turbine configuration and, being used the turbocharger performance maps from a manufacturer. From the operating parameters of the equipment, a three-dimensional combustion chamber model was developed in CAD software. The model went through five stages of simulations in Computational Fluid Dynamics (CFD). The first three steps served to develop and improve the three-dimensional model of combustion chamber and, due to software limitations, did not involve combustion. Using operational contour conditions, the velocity profile along the combustion chamber, the pressure loss, the turbulence intensity, the homogenization between the air and fuel reactants and the division of the mass flow in each section of the combustion chamber were evaluated. From the three-dimensional model was developed a prototype of the combustion chamber, built from commercial PVC pipes. The prototype was evaluated experimentally with air flow at room temperature using the coupling in series between a centrifugal fan and a blower. In the experiment the air mass flow division in each section of the combustion chamber and the loss of pressure were evaluated. The CFD simulations were redone in the fourth stage, where the boundary conditions were the parameters of mass flow, pressure and temperature, obtained experimentally. Thus, a direct comparison between the results obtained experimentally and the results of CFD simulations can be made. At the end of the work the fifth step was performed, where a heat source was inserted simulating the energy input of the combustion, allowing the temperature evaluation in the combustion chamber. The CFD simulations indicated results similar to those predicted in the literature, regarding the division of mass flow, pressure loss and velocity distribution. However, the experimental evaluations presented high measurement uncertainty for the mass flow division. Regarding pressure loss, the experimental method proved to be adequate.

Orientador: Milton Dias Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-25T09:48:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nomura_PaulaWatanabe_M.pdf: 4842075 bytes, checksum: fb2b3e20baadde947cb7b9aad16227d8 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: As novas legislações de emissões demandam das montadoras de veículos automotores, o desenvolvimento de tecnologias para melhorar o consumo de combustível e emissão de poluentes. Seguindo esta tendência, os sistemas de turbocompressores inovam junto e lançam ao mercado novas arquiteturas de turbos. Uma delas é o turbocompressor regulado de dois estágios, que otimiza a eficiência em um intervalo de rotação mais amplo. Neste sistema, há dois turbocompressores: o estágio de baixa pressão e de alta pressão. O primeiro tem maior influência nas baixas rotações, enquanto o segundo nas altas rotações do motor. Entre os dois estágios, existe uma válvula bypass que controla a passagem do gás de escape para o estágio de baixa pressão, evitando assim, sobrecarregar o estágio de alta pressão. Esta válvula bypass é composta por um eixo rotativo e uma bucha fixa, e exatamente entre estes dois componentes foi detectado desgaste, aumentando as folgas e causando vazamento de gás. Com o objetivo de diminuir este vazamento e resolver o problema, uma investigação sobre este desgaste prematuro foi iniciada dentro da empresa onde a autora da presente dissertação trabalha. Neste trabalho a análise de forças das condições estática e dinâmica que envolve a bucha e o eixo, as forças e momentos para abrir e fechar o prato da válvula, e as equações de movimento são apresentadas. A análise experimental inclui medições feitas em dois motores reais: um deles conectado a um dinamômetro e o outro instalado em um veículo usado na mesma aplicação onde o desgaste excessivo foi observado. Além disso, a análise de desgaste de dez pares bucha-eixo que retornaram de testes de durabilidade é apresentado. A comparação do desgaste entre dois sistemas de bucha e eixo foi realizada. Ambos os sistemas rodaram na mesma condição, exceto pela frequência de operação da válvula de controle, assim a influência desta frequência pôde ser analisada. Ao final, todo este dado foi coletado e usado para o cálculo de taxa de desgaste que avalia a influência de diferentes parâmetros de design sobre a taxa de desgaste / Abstract: The new emission legislations demand, from vehicle manufactures the development of technologies to improve fuel consumption and pollutants emission. Following this trend, the turbocharging systems innovate together and release new turbocharger architectures in the market. One of them is the regulated-two-stages turbocharger, which optimizes the efficiency in a broader engine speed range. In this system, there are two turbochargers, the high and low pressure stages. The former has a bigger influence on the low engine speeds, and the latter in the higher engine speeds. Between both stages there is a bypass valve that controls the gas flow to the low pressure stage, avoiding overpressure in the high pressure stage. This bypass valve is composed by a rotating shaft and a fixed bushing, and exactly between these two components it was detected wear, increasing the clearances and causing gas leakage. In order to reduce this leakage and solve the problem, an investigation about this premature wear has started inside the company where the author of the present dissertation works. In the present work the force analysis of the static and dynamic conditions that involve the shaft and bushing, the forces and momentum to open and close the valve plate, and the equations of motion are presented. The experimental analysis includes measurements made on two real engines: one of them connected to a dynamometer and the other installed on a vehicle used on the same application where the excessive wear was observed. Also, the wear analysis of ten shafts and bushings returned from durability tests is presented. The wear comparison between two shaft-bushing systems was performed. Both systems run in the same condition except for the control valve operational frequency, so the influence of this frequency could be evaluated. In the end, this entire data base collected could be used as input to a wear rate calculation that evaluates the influence of different design parameters on the wear rate / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestra em Engenharia Mecânica

Orientador: Luiz Carlos Sandoval Góes / Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-19T02:42:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_RobertoCarlosdeCastro_M.pdf: 3523448 bytes, checksum: 056edbb15555679526f8d88b82ca288c (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho construiu-se e verificou-se um modelo matemático capaz de realizar o cálculo da rotação do eixo do turbocompressor aplicado a um motor Diesel, para futura implementação de uma função de software no programa da unidade de comando do motor, de forma a permitir a criação de estratégias de proteção contra sobre rotação do eixo do turbocompressor. O modelo foi construído com utilização de modelagem de fenômenos físicos que ocorrem em algumas partes do motor, junto com tabelas obtidas através de testes empíricos do motor. O modelo foi criado de modo a aproveitar os sensores atualmente disponíveis no motor de série, utilizados pelo sistema de injeção eletrônica. O parâmetro de vazão de ar admitido, calculado pela unidade de controle do sistema de injeção também foi aproveitado. Após a criação do modelo, este foi verificado inicialmente simulando-se variações nas entradas (quantidade injetada de combustível e acionamento da válvula EGR) e analisando-se a reação ocorrida na saída do modelo (rotação do eixo do turbocompressor). Foram realizadas medições em um banco de testes para o levantamento do mapa de temperatura do coletor de escape em condição estacionária. Para a verificação do modelo em um caso real, foram coletados dados de diversos parâmetros de funcionamento de um motor diesel instalado em um veículo de testes da MWM International. Os parâmetros de entrada coletados foram inseridos no modelo e o valor de rotação medido confrontado com o valor calculado. Ajustes nos submodelos foram necessários para a estimação dos parâmetros do modelo através da minimização do erro encontrado. O erro encontrado diminuiu sensivelmente, porém ainda se manteve alto para ser considerado como uma informação confiável para a implementação no software da unidade de comando do motor / Abstract: In this work, it was intended to create a model capable to calculate the turbocharger shaft speed of a Diesel engine, for future implementation of an algorithm in the engine's Electronic Control Unit software, as a protection strategy against turbocharger shaft overspeed. The model was built using physical phenomenon modeling from some parts of the engine, among tables obtained by empiric tests of the engine. The model was created in order to use current sensors available in the series production engine, which is used by electronic fuel injection system. The intake air flow parameter, already calculated by ECU, was also used. After the model creation, it was verified simulating input variation (fuel injected quantity and EGR valve command) and analyzing the model output (turbocharger shaft speed). Measurements in bench test were performed in order to create an exhaust manifold temperature map in steady condition. In order to check the model in a real case, several operating parameter data were collected from a Diesel engine installed in a test vehicle from MWM International. The acquired data was inserted in the model and the turbocharger shaft speed was crosschecked against the calculated value. Adjustments in submodels were necessary to parameter estimation through minimizing of error found. The error decreased significantly, however it remained too high to be considered a reliable information for implementation in the controller's software / Mestrado / Eletrônica / Mestre em Engenharia Automobilistica

With the advent of powerful computer hardware, Computational Fluid Dynamics (CFD) has been vastly used by researches and scientists to investigate flow behavior and its properties. The cost of CFD simulation is very small compared to the experimental arsenal as test facilities and wind-tunnels. In the last years many CFD commercial packages were developed and some of them possess prominence in industry and academia. However, some specific CFD calculations are particular cases and sometimes need special attention due to the complexity of the flow. In these cases, meticulous research becomes necessary. This is the case of turbomachinery flow calculations. The development of CFD codes applied to turbomachinery flow simulations and its implementation issues are not available. A few institutions have this type of knowledge. Each CFD code has its particularities. Developing a CFD code is very interest subject in academia. In this work, a computational code, written in FORTRAN, was developed to calculate internal flows in turbomachines using CFD techniques. The solver is capable of calculating the three-dimensional flows not only for turbomachines. For instance, internal and external flows of nozzles and airfoils can be calculated. The approach used allows the use of unstructured meshes of hexahedral elements. Euler, Navier-Stokes and turbulent equations can be calculated depending on the user settings. Diferent numerical schemes were implemented for time and space integration. Numerical tools to improve the stability and to increase the time-step (local time-step and implicit residual smoothing) were also implemented and all details are described in this work. The origin of this solver is to simulate flows in compressors and turbines. Therefore, both rotating and nonrotating frames of reference are calculated simultaneously. Hence, the verification and validation processes were run for both inertial and non-inertial systems. A step-by-step design procedure is presented in this work. It is very important to mention that to have a complete understanding of the flow physics in compressors and turbines the designer must have a solid knowledge of the operation of gas turbine components.