Turbo-machinery design is clearly about making many decisions often under uncertainty and with multiple conflicting objectives. In this work, a computational tool has been developed to assist in the preliminary design optimization of supersonic turbines with application on turbopump rocket engines. It was proposed an evolutive approach based on genetic algorithm to automatize the process of selecting values, based on hands-on experience, for decision variables and fulfill simultaneously decisive compromises faced by the designer. At design point, exploring multiple optima solutions, the tool allows to fast estimate in a robust and accurate manner, performance, main dimensions, mass of rotor-wheel and the lower possible flow rate of the turbine. Out of this point, performance maps can be calculated varying rotational speed and pressure ratio. Because, it is involved by many objectives, a Pareto-optimum set is found. The search ends when the relation power-to-weight converges. The power-to-weight ratio characterizes a good option to relate performance and weight among distinct turbopump turbines. The empirical loss models adopted as well as the recommended values in the selection of decision variables were obtained in the Russian literature. To demonstrate the functionalities of tool, the single-stage of the Soviet RD109 rocket turbine was redesigned. The results were validated from those found in the engine';s atlas of construction and also, by a statistical method of calculation defined from an experimental study that estimates the maximum turbine efficiency.

Resumo: Este trabalho tem como objetivo a análise da influência de parâmetros adimensionais e grandezas dimensionais no projeto de turbomáquinas operando em diferentes situações de pressão, temperatura e vazão mássica de vapor. O trabalho é divido em duas partes principais, sendo que inicialmente são analisados os parâmetros adimensionais e as grandezas dimensionais que influenciam diretamente o valor do rendimento interno das turbomáquinas térmicas que utilizam o vapor como fluido de trabalho. Na segunda parte do trabalho são abordadas as classes de pressão e rotação específica, e sua influência no comportamento de parâmetros adimensionais. A aplicação dos resultados está diretamente ligada a especificação de turbomáquinas em sistemas de cogeração para aproveitamento de fluxos térmicos provenientes de processos, queima de combustíveis ou gases de escape de uma máquina térmica, para os quais os projetistas necessitam estimar o rendimento de tais componentes por ocasião da análise de viabilidade econômica. / Abstract: This work has as objective the analysis of the influence of dimensionless parameters and dimensional greatness in the project of turbomachinery operating in different pressure situations, temperature and flow steam. This work is shared in two main parts, which are initially analyzed the dimensionless parameters and the dimensional greatness that directly influence the internal efficiency of the thermal turbomachinery that using steam as the working fluid. In the second part of the work are accosted the classes of pressure and specific rotation, and its influence on the behavior of dimensionless parameters. The application of the results is directly linked to the specification of turbomachinery in cogeneration systems for use of heat flows from processes, burning of fuel or the exhaust gases of a thermal machine, for which the designers needs to estimate the efficiency of such components at analysis of economic feasibility. / Orientador: Paulo Magalhães Filho / Coorientador: José Nédilo Carrinho de Castro / Banca: Carlos Daniel Ebinuma / Banca: José Rui Camargo / Mestre

O desenvolvimento de tecnologia na área de turbomáquinas é essencial ao desenvolvimento da indústria nacional e o Laboratório de Engenharia Ambiental e Térmica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo tem compreendido ações para este propósito. Este trabalho tem por objetivo desenvolver um compressor para uma turbina a gás de pequeno porte de 500 kW, primeiro passo para o projeto e construção da turbina como um todo. A partir da análise do ciclo termodinâmico e da análise de adimensionais, o tipo de compressor a ser utilizado foi determinado. Optou-se pelo projeto de um compressor centrífugo. Iniciou-se o projeto através de análise e correlações unidimensionais com previsão de desempenho, definindo algumas geometrias iniciais a serem avaliadas nas fases seguintes. Realizou-se a análise bidimensional do impelidor com a ferramenta computacional Vista TF que utiliza o método de curvatura de linhas de corrente. Por fim, a geometria tridimensional foi definida com uso de simulações de dinâmica de fluidos computacional. De acordo com as simulações, o compressor projetado tem desempenho condizente com os requisitos impostos. / Technology development in turbomachinery is essential to the national industry development and the Laboratory of Environmental and Thermal Engineering of the Polytechnic School of the University of São Paulo is engaged on this purpose. This work intends to design a compressor for a small 500 kW gas turbine, the first step in the whole turbine design and construction. The compressor type was determined from thermodynamical cycle and adimensional analysis. The centrifugal type compressor was chosen. The design was initialized using one-dimensional analysis and correlations with performance prediction models, defining initial geometries to be evaluated in the upcoming design phases. The impeller was analyzed with a two dimensional computational tool named Vista TF, which uses the streamline curvature method. The tridimensional geometry was defined using computational fluid dynamics. According to the simulations, the design compressor performs satisfying the imposed requirements.

A maior parte do ruído de aeronaves é advinda dos motores. Como houve grande avanço no controle do ruído tonal, atualmente grande parte do esforço se dá para redução do ruído de banda larga, que é menos compreendido. O ruído de banda larga é gerado pela interação entre um escoamento turbulento e uma superfície, como por exemplo, a turbulência ingerida interagindo com o rotor, o escoamento na ponta das pás, entre outros. Apesar das diversas fontes citadas, sabe-se que a principal fonte de ruído de banda larga em tal tipo de motor é a interação da esteira turbulenta do rotor com as aletas da estatora. Assim, o presente estudo manterá seu enfoque apenas em tal causa. O objetivo deste então é o desenvolvimento de um modelo capaz de previsão do ruído de banda larga pela interação da esteira turbulenta causada pelo rotor, interagindo com as aletas da estatora, bem como o entendimento da propagação do ruído em duto. A primeira abordagem em relação a tal tipo de ruído é através da previsão do ruído gerado. Para previsão de ruído podem ser utilizados métodos analíticos, numéricos, ou empíricos, cada qual com suas vantagens e penalizações. Para tal, foi utilizado um método semi-analítico, em tais métodos utiliza-se simulação numérica para previsão da característica da turbulência e uma teoria analítica para a geração e propagação do ruído no duto. A principal motivação para o método semi-analítico é sua vantagem em relação aos métodos numéricos que demandam custo computacional extremamente alto e vantagem em relação a métodos analíticos que necessitariam uma demasiada simplificação geométrica. Dessa maneira, utilizou-se a geometria do ANCF, uma plataforma de ensaios desenvolvida pela NASA, onde havia geometria e resultados divulgados, tornando possível a verificação dos resultados obtidos. Os resultados mostram que as tendências capturadas são condizentes com o esperado, e então com um tempo relativamente baixo, de maneira prática, é possível a previsão do ruído de interação e sua propagação em dutos nos motores turbofans. / The major noise source in aircraft is the engine. Since tonal noise control is well developed, the current effort concentrates on broadband noise reduction, which is less understood. The broadband noise is generated when a turbulent flow interacts with a surface as, for example, rotor blade tip flow, boundary layer and the rotor interaction. Although there are different sources of broadband noise it is known that the major broadband source in turbofan engine is the rotor turbulent wake interacting with the stator vanes. This study is focused in that source of noise and the goal is to develop a model capable of predicting the rotor/stator interaction noise as well as in duct noise propagation. Noise prediction can be carried out by analytical, numerical or empirical methods, each one with advantages and disadvantages. In the present work the semi-analytical method was used. Turbulence characteristics were estimated by a numerical method and the noise generation and duct propagation was estimated by an analytical method. The biggest advantage comparing with the numerical methods is that this method is less time consuming. A purely analytical method would require excessive geometric simplification. The ANCF, a rig developed by NASA was used as basis for the simulations, since its geometry and noise data are available. The results show that the correct trends are consistently captured. So it is concluded that it is possible to predict the broadband noise and its propagation in turbofans engines with a practical and low cost method.

A maior parte do ruído de aeronaves é advinda dos motores. Como houve grande avanço no controle do ruído tonal, atualmente grande parte do esforço se dá para redução do ruído de banda larga, que é menos compreendido. O ruído de banda larga é gerado pela interação entre um escoamento turbulento e uma superfície, como por exemplo, a turbulência ingerida interagindo com o rotor, o escoamento na ponta das pás, entre outros. Apesar das diversas fontes citadas, sabe-se que a principal fonte de ruído de banda larga em tal tipo de motor é a interação da esteira turbulenta do rotor com as aletas da estatora. Assim, o presente estudo manterá seu enfoque apenas em tal causa. O objetivo deste então é o desenvolvimento de um modelo capaz de previsão do ruído de banda larga pela interação da esteira turbulenta causada pelo rotor, interagindo com as aletas da estatora, bem como o entendimento da propagação do ruído em duto. A primeira abordagem em relação a tal tipo de ruído é através da previsão do ruído gerado. Para previsão de ruído podem ser utilizados métodos analíticos, numéricos, ou empíricos, cada qual com suas vantagens e penalizações. Para tal, foi utilizado um método semi-analítico, em tais métodos utiliza-se simulação numérica para previsão da característica da turbulência e uma teoria analítica para a geração e propagação do ruído no duto. A principal motivação para o método semi-analítico é sua vantagem em relação aos métodos numéricos que demandam custo computacional extremamente alto e vantagem em relação a métodos analíticos que necessitariam uma demasiada simplificação geométrica. Dessa maneira, utilizou-se a geometria do ANCF, uma plataforma de ensaios desenvolvida pela NASA, onde havia geometria e resultados divulgados, tornando possível a verificação dos resultados obtidos. Os resultados mostram que as tendências capturadas são condizentes com o esperado, e então com um tempo relativamente baixo, de maneira prática, é possível a previsão do ruído de interação e sua propagação em dutos nos motores turbofans. / The major noise source in aircraft is the engine. Since tonal noise control is well developed, the current effort concentrates on broadband noise reduction, which is less understood. The broadband noise is generated when a turbulent flow interacts with a surface as, for example, rotor blade tip flow, boundary layer and the rotor interaction. Although there are different sources of broadband noise it is known that the major broadband source in turbofan engine is the rotor turbulent wake interacting with the stator vanes. This study is focused in that source of noise and the goal is to develop a model capable of predicting the rotor/stator interaction noise as well as in duct noise propagation. Noise prediction can be carried out by analytical, numerical or empirical methods, each one with advantages and disadvantages. In the present work the semi-analytical method was used. Turbulence characteristics were estimated by a numerical method and the noise generation and duct propagation was estimated by an analytical method. The biggest advantage comparing with the numerical methods is that this method is less time consuming. A purely analytical method would require excessive geometric simplification. The ANCF, a rig developed by NASA was used as basis for the simulations, since its geometry and noise data are available. The results show that the correct trends are consistently captured. So it is concluded that it is possible to predict the broadband noise and its propagation in turbofans engines with a practical and low cost method.

This thesis proposes a Rotary-Wing Aeroservoelasticity approach to the modeling, analysis and control of the blade-sailing phenomenon in the helicopter-ship dynamic interface (DI), based on the identification, response evaluation and control of flow and ship motion induced loads, during the engagement/disengagement flight regimes, in order to establish some principles for the design and safe operation of shipboard rotorcraft systems. The nonlinear aeroelastic analysis revealed that the nonlinearity due to large flapping deflections and to the centrifugal forces is not relevant for normal operating conditions, whereas the nonlinear effects due to the flapping stops in articulated rotors influence significantly the blade-sailing vibrations. These nonlinear effects related to the stops can be tackled with approximate stiffness functions. The nonlinear analysis confirmed that hingeless rotor blade-sailing vibrations are lower than that of the articulated rotor, however, the differences are small for rotors with similar structural/geometric characteristics. The blade-sailing phenomenon in the DI and the flapping response during engagement/disengagement shipboard operations can be analyzed trough an oscillator system with nonlinear stiffness related to the droop and flap stops and time-varying coefficients related to the undisturbed flow velocity and to the parameters of the proposed active proportional-derivative individual blade control (PD-IBC). The aeroelastic analysis also showed that blade sailing is a cooperative phenomenon. Though the mean flow vertical velocity gradient across the rotor be the single most important factor, the combination of horizontal wind velocities, fluctuating flow vertical velocities, gravity and ship motion effects may give rise to excessive flapping vibrations. The proposed active proportional-derivative state feedback individual blade control (PD-IBC) can obtain blade-sailing flapping vibration reduction of 30% for shipboard articulated rotors at moderate wind-over-deck (WOD) conditions/advance ratios, without monitoring the DI environment, and a reduction greater than 40% if combined with shipboard rotor plant modifications, involving an increase of the blade flapwise stiffness and an aerodynamic design of the ship flight deck, considering the current blade pitch input limits of the actuators. Therefore, the implementation of active feedback aeroelastic control methods may be one of the most important measures for blade-sailing mitigation in the DI.

Este trabalho descreve a metodologia a ser utilizada durante a concepção de um sistema de partida pneumático para equipar uma aeronave que utiliza motores turbofan, a teoria envolvida, quais os parâmetros a serem considerados no início e durante o desenvolvimento, especificação do sistema e seus equipamentos, considerações e exigências de sistema visando garantir a sua certificação e finalizando, apresentamos um projeto de um sistema de partida de uma aeronave regional, que aplica toda teoria apresentada anteriormente.

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.