Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Térmica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo de título entrega un análisis computacional de fluidos (CFD) sobre una turbina tipo Tesla, máquina que tiene como principal objetivo desarrollar potencia sobre el eje para diversos usos. Las razones principales que motivaron el desarrollo de este trabajo de título, fueron la necesidad de investigar sobre máquinas más económicas y eficientes (en determinadas aplicaciones) que las actuales. La Turbina Tesla, en vista que no posee álabes, sino que discos para transferir la energía al eje, la convierte en una de las máquinas más económicas en su campo, lo que llama la atención de los investigadores y genera la necesidad de conocer el comportamiento del equipo antes de su construcción, con respecto a su torque y rendimiento, siendo estos factores de suma importancia al momento de seleccionar un equipo para una determinada aplicación. Si bien es claro que el fluido de trabajo a utilizar es un factor muy importante para desarrollar el diseño y conocer el desempeño de la máquina, se ha decidido trabajar con un único fluido, el cual es aire. Lo anterior se debe a que es un fluido que puede ser considerado como un gas ideal con respecto a algunas propiedades; además, con el aire la máquina podría alcanzar mayores revoluciones por minuto (RPM) que con vapor o agua (otros dos fluidos interesantes de estudiar), lo que según investigaciones anteriores favorece el rendimiento de la turbina. El desarrollo del presente trabajo comenzó con la recopilación de información sobre la turbina tipo Tesla, abarcando también bombas y compresores tipo Tesla, lo que sirvió de base para el estudio a realizar. Posteriormente se investigó acerca del software utilizado para la modelación en CFD (la herramienta Fluent de ANSYS), de manera de escoger el modelo matemático iterativo más adecuado y las suposiciones oportunas para desarrollar el trabajo en el tiempo establecido para el mismo. En este trabajo, se modeló un único espacio inter-disco representativo de los demás que posee la máquina. Se efectuaron simulaciones para tasas de giro entre 1.000 y 18.000 RPM, logrando así simular distintas cargas en el eje, obteniendo de esta forma el torque, la potencia y el rendimiento, entre otros resultados. Dentro de las conclusiones importantes, se destaca la linealidad del decaimiento del torque, a medida que aumentan las RPM, notándose también un aumento de la potencia y el rendimiento hasta las 13.000 RPM, tasa de giro desde la que éstos comienzan a disminuir. Una vez finalizada la lectura de este trabajo, se espera que el lector no sólo adquiera información acerca de la simulación realizada, sino que también este informe le pueda servir como guía para simulaciones similares en CFD a realizar con el software ANSYS y su interfaz Fluent. Es así como en la sección en la que se explica el ajuste el software, se ha prestado gran atención en representar la mayor cantidad de detalles posibles.

É analisado um critério de dimensionamento de máquinas de fluxo axiais subsônicas, baseado no coeficiente de pressão mínimo referente ao lado de sucção do perfil junto ao cubo do rotor, cpsmin, onde se faz sentir a influência dos diversos parâmentros geométricos envolvidos, como tipo de perfil, ângulo de montagem e solidez, nas características aerodinâmicas pretendidas. Utiliza-se um modelo potencial, formulado pelo método das singularidades, com ajustes posteriores através de dados experimentais existentes na literatura. São encontrados bons resultados de distribuição de pressão e coeficiente de sustentação para perfis NACA série 65 arranjados em grade. Para verificação da aplicabilidade do critério em estudo são construidos e ensaiados cinco ventiladores axiais, com diferentes valores dos parâmetros geométricos. Conclui-se pela validade do critério, como indicador da geometria adequada para o dimensionamento de máquinas de fluxo axiais subsônicas.

Gas turbine engines are important thermal machines used in industrial and transportation fields. They convert fuel energy into mechanical power or thrust for aerial and maritime vehicles, as well as generate pneumatic and electrical energy that could be used for a large variety of applications. The constant search for fuel burn savings and low pollutant emissions in aviation demands, along with new hardware and material technologies, highly complex engine control systems to optimize fuel consumption throughout the engine operating envelope, and consequently generate more efficient aircraft, in addition to meet the regulatory requirements in terms of safety and performance. These conflicting objectives normally lead to trade-off solutions which are difficult to precisely estimate given the large number of variables involved, including altitude, Mach number, ambient temperature, power and bleed extraction, among others. Therefore, some decisions to characterize the engine controller still reside on experience from previous designs and, as a result, add subjectivity and increase the potential for wrong parameter selection. These control systems significantly contribute to gas turbine performance increase. In this sense, this work proposes the study, design and analysis of multivariable robust controllers for a particular gas turbine engine. Firstly, an algorithmic approach is applied to design an aircraft gas turbine engine controller in a two-degree-of-freedom configuration, obtaining H-infinity robust stabilization. It introduces an optimized loop shape design procedure, with the use of the Genetic Algorithm (GA), to further improve the control system performance, as well as bring the experience applied by controller designers and engineers to an automated process, when setting the parameters to shape the frequency response of the engine control loops. Secondly, a Linear Quadratic Gaussian (LQG) controller, with the Loop Transfer Recovery (LTR) is developed to allow a comparative analysis. The resulting controllers are evaluated by computer simulations under typical operating conditions and compared against each other. Noise immunity is also verified. The complete system is also evaluated against requirements from the aviation industry for commercial aircraft engines. Finally, robustness is evaluated in a similar engine model by generating uncertain state space models based on the boundaries of its nominal model at extreme operating conditions.

El presente proyecto, es un módulo de pruebas dotado por dos turbinas una pelton y una francis que simula el funcionamiento de una pequeña central hidroeléctrica y permite disponer como herramienta para capacitar e incentivar a estudiantes en energías limpias y renovables. La tesis desarrollada abarca la construcción de un sistema que muestra el funcionamiento de dos turbinas, aprovechando la operación de una electrobomba centrífuga para simular el salto hidráulico. El trabajo comprende; la construcción del módulo “Montaje de las turbinas, sistema eléctrico, electrobomba y simulación de la caída de agua”, la selección de los instrumentos y dispositivos así como los procedimientos de evaluación y diseño, se utilizara datos comerciales. Que se propone permitirá: visualizar los diferentes comportamientos hidráulicos y eléctricos que se presenten. / Tesis

Ingeniero Civil Mecánico / Actualmente se investiga el desempeño de turbinas Tesla en la generación de energía de mineroductos de transporte de sólidos bajo presión, debido a que, además de ser una tecno- logía con huella de carbono nula, al ser el flujo paralelo a la superficie de los discos, estos minimizarían los daños por erosión, reduciendo los costos en mantención de los equipos. Por medio de simulaciones de fluido-dinámica computacional (CFD, por su sigla en inglés) se caracterizaron y compararon dos geometrías (con y sin listones radiales) de rotores de tur- binas Tesla, a través de sus curvas características de potencia, caída de presión y rendimiento v/s caudal, para distintas velocidades de giro. La metodología de trabajo consistió en utilizar una geometría compuesta por dos discos paralelos de 8[pulg] de diámetro, un espaciado de 1[pulg] y un diámetro de salida en uno de los discos de 2[pulg] de diámetro; ambos discos unidos por 4 pasadores. Con esta geometría se realizó una prueba de independencia de malla y se determinó el número de elementos que optimiza el tamaño de malla respecto a la calidad de los resultados. Luego se verificaron los resultados a partir de una geometría base, comparando los resultados de una única simu- lación de esta geometría con un desarrollo teórico modificado para ser adaptado al caso en estudio. Finalmente se simularon 60 casos, correspondientes a las 2 geometrías distintas, con 5 velocidades de giro y 6 caudales, para obtener a partir de ellos las curvas características de ambos rotores. Las simulaciones fueron desarrolladas utilizando mallas hexaédricas de aproximadamente 1.000.000 de elementos, con métricas de calidad de malla conservadoras para evitar tanto problemas de convergencia como posibles errores sistemáticos en los resultados. A partir de las curvas características se obtiene que con la geometría con listones radiales, las potencias son mayores, las caídas de presión son menores, y los rendimientos mayores respecto de los mismos parámetros evaluados en la geometría sin listones. En particular, los rendimientos de la geometría con listones son aproximadamente el doble de los de la geometría sin listones, variando de 20% a un caudal de 60[m3 /h], a 60% a 10[m3 /h]. De acuerdo a esto, las curvas sugieren que, solo teniendo en cuenta el punto de vista fluido-dinámico, la geometría con listones es más eficiente en la generación de energía. Al observar el campo de velocidades en una superficie cercana a los discos, se ve que al pasar entre los ribs y alrededor de los pasadores (zonas en que disminuye el área de paso del fluido) el flujo se acelera, pudiendo provocar un mayor desgaste por abrasión en los discos. Además, al agregar ribs, estos se ven impactados de forma perpendicular por el flujo, lo cual los expone a un mayor riesgo de desgaste por erosión. Finalmente, se encontraron las curvas de operación de las geometrías, las cuales permiten conocer el rendimiento y potencia de trabajo para una determinada combinación de caudal y velocidad de giro.

As turbocharging requirements raise to face an increasingly stricter environmental regulation of internal combustion engines, concerns regarding their acoustic emission become more pressing. Since downsized engines require higher boost pressures and lower mass flow rates, the turbocharger compressor is forced to work at more unstable regimes, where flow patterns become more complex and noise levels rise. This thesis aims to thus to investigate these issues, proposing methodologies to characterize the acoustic emission of turbocharger compressors and implementing them in different experiments with a special focus on the link between acoustic emission and flow behaviour at unstable conditions. A literature review is carried out in order to assess the state of the art principally regarding experimental techniques related to this issue but also including the latest developments in terms of understanding the flow characteristics through numerical simulations. Different methodologies are consequently proposed and implemented into a custom test rig inside an anechoic chamber as to experimentally measure and analyze the acoustic output of the compressor. From this measurement campaign a characterization of the noise spectral content across the compressor map is obtained and described, identifying different acoustical phenomena such as blade passing tonal noise, low frequency content associated to deep surge, higher frequency broadband ascribed to tip clearance interaction, and broadband noise in the plane wave range known as whoosh in the literature, of special concern for automotive manufacturers. This particular phenomenon is detected even at more stable conditions at higher flow rate, and rising in level as flow rate is diminished to the point of being masked by lower frequency content. After a validation of the selected procedure in realistic engine conditions, experimental data is compared against a numerical model of the compressor developed in a parallel work to assess its validity and propose different post-processing techniques to extract additional insights about the behaviour of the flow at different conditions, hinting at the main generation mechanism for whoosh being located at the compressor diffuser. Since numerical simulations predict a reduced amount of reversed unstable flow at conditions where whoosh noise is still measured, an experimental campaign is performed where detailed measures of local temperature near the compressor wheel are used to determine the evolution of reversed flow, with supplemental readings through pressure probes in the inducer and diffuser being used to link this evolution with the fluctuation of spectral content. Temperature results are also correlated with measurements of the velocity field through particle imaging, demonstrating a clear link between the reversed flow field and temperature readings. Different experimental campaigns are then described where modifications of the inlet geometry immediately upstream the compressor are performed in order to assess how the air flow presentation can influence acoustic performance. Geometries featuring reservoirs, nozzles and guide vanes are shown to potentially reduce noise levels. A 90º elbow parametric study is performed, demonstrating how the inner radius of the elbow influences circumferential temperature differences and noise levels, leading to the hypothesis of geometry influence on whoosh noise being related to air presentation changes that promote lower or higher growth of reversed backflow, which in turns carries upstream the spectral content being generated in the compressor diffuser. / A medida que los requerimientos de turbocompresión aumentan para afrontar una regulación de los motores de combustión interna cada vez más estricta, la preocupación respecto a su emisión acústica se hace más acuciante. Debido a que motores de menor tamaño requieren mayores aumentos de presión y menores gastos másicos, el compresor del turbogrupo se ve forzado a trabajar en regímenes más inestables, los patrones de flujo se hacen más complejos y los niveles de ruido aumentan. Esta tesis tiene como objetivo investigar estas cuestiones, proponiendo metodologías para caracterizar la emisión acústica de compresores de turbogrupos, e implementándolas en diferentes experimentos enfocados especialmente en la relación entre emisión acústica y comportamiento del flujo en condiciones inestables. Por tanto, se lleva a cabo una revisión bibliográfica para evaluar el estado del arte, especialmente en lo concerniente a técnicas experimentales relacionadas con el problema, pero incluyendo también los últimos desarrollos en términos de comprensión de las características del flujo mediante simulaciones numéricas. Como resultado, diferentes metodologías se proponen e implementan en un banco de ensayo hecho a medida dentro de una cámara anecoica para medir y analizar la producción sonora del compresor. Mediante esta campaña de medida se obtiene y describe una caracterización acústica del contenido espectral del ruido a lo largo del mapa del compresor, identificando diferentes fenómenos sonoros tales como ruido tonal debido al paso de álabe, contenido de baja frecuencia asociado al bombeo profundo, contenido de banda ancha a alta frecuencia atribuido a la interacción del flujo en la holgura de punta de pala y ruido de banda ancha en el rango de onda plana, conocido como whoosh en la literatura y de especial interés para los fabricantes automovilísticos. Este fenómeno en concreto se detecta incluso a condiciones más estables de alto gasto másico, y aumenta de nivel a medida que el gasto disminuye hasta llegar a ser enmascarado por el aumento del contenido de baja frecuencia. Después de validar los procedimientos seleccionados en condiciones realistas de motor, se comparan los datos experimentales con un modelo numérico del compresor desarrollado en un trabajo paralelo a fin de evaluar su validez y proponer diferentes técnicas de postprocesado, con el objetivo de extraer información adicional acerca del comportamiento del flujo en diferentes condiciones, que sugieren que el mecanismo principal de generación de whoosh se encuentra localizado en el difusor del compresor. Se lleva a cabo una campaña experimental en la cual medidas detalladas de temperatura local cerca del rotor se usan para determinar la longitud del flujo inverso, con medidas suplementarias a través de sondas de presión usadas para relacionar esta evolución con la fluctuación de contenido espectral. Los resultados de temperatura se correlacionan también con medidas del campo de velocidad por imágenes de partículas, demostrando una clara relación entre el campo de flujo inverso y las medidas de temperatura. Se describen a continuación diferentes campañas experimentales en las cuales se llevaron a cabo modificaciones de la geometría de entrada inmediatamente aguas arriba del compresor con el fin de evaluar cómo la presentación del flujo puede influenciar el rendimiento acústico. Geometrías incluyendo remansos, toberas y álabes guía demuestran una reducción de los niveles de ruido. Se ha realizado un estudio paramétrico de un codo de 90º, mostrando que el radio del codo influye en la distribución circunferencial de temperatura y los niveles de ruido, llevando a la hipótesis de que la influencia de la geometría en el ruido de whoosh está relacionada con cambios en la presentación del aire que promueven menor o mayor reflujo, que a su vez convecta aguas arriba el contenido espectral generado en el difusor del / A mesura que els requeriments de turbocompressió augmenten a fi d'afrontar una regulació dels motors de combustió interna cada vegada més estricta, la preocupació respecte a la seva emissió acústica es fa més urgent. Com que motors de dimensions més reduïdes requereixen majors augments de pressió i menors cabals màssics, el compressor del turbogrup es veu forçat a treballar a règims més inestables, els patrons de flux es fan més complexos, i els nivells de soroll augmenten. Aquesta tesi té com a objectiu investigar aquestes qüestions, proposant metodologies per a caracteritzar l'emissió acústica de compressors de turbogrups, implementant-les en diferents experiments enfocats especialment a la relació entre emissió acústica i comportament del flux en condicions inestables. Per tant, es duu a terme una revisió bibliogràfica per avaluar l'estat de l'art, especialment pel que fa a tècniques experimentals relacionades amb el problema, però incloent també els últims desenvolupaments en termes de comprensió de les característiques del flux mitjançant simulacions numèriques. Com a resultat, diferents metodologies es proposen i implementen en un banc d'assaig fet a mida dins d'una cambra anecoica per mesurar i analitzar la producció sonora del compressor. Mitjançant aquesta campanya de mesura s'obté i descriu una caracterització acústica del contingut espectral del soroll al llarg del mapa del compressor, identificant diferents fenòmens sonors com ara soroll tonal a causa del pas d'àlep, contingut de baixa freqüència associat al bombeig profund, contingut de banda ampla a alta freqüència atribuït a la interacció del flux en la folgança de punta de pala i soroll de banda ampla en el rang d'ona plana, conegut com a whoosh en la literatura i d'especial interès per als fabricants automobilístics. Aquest fenomen en concret es detecta fins i tot a condicions més estables d'alt cabal màssic, i augmenta de nivell a mesura que el cabal disminueix fins arribar a ser emmascarat per l'augment del contingut de baixa freqüència. Després de validar els procediments seleccionats en condicions realistes de motor, es comparen les dades experimentals amb un model numèric del compressor desenvolupat en un treball paral·lel a fi d'avaluar la seva validesa i proposar diferents tècniques de post-processat, amb l'objectiu d'extraure informació addicional sobre el comportament del flux en diferents condicions, que suggereixen que el mecanisme principal de generació de whoosh es troba localitzat al difusor del compressor. Pel fet que nombroses simulacions prediuen una quantitat reduïda de'inestable flux invers en condicions on el whoosh apareix en les mesures, es duu a terme una campanya experimental en la qual mesures detallades de temperatura local prop del rotor s'utilitzen per a determinar la longitud del flux invers, amb mesures suplementàries mitjançant sondes de pressió emprades per a relacionar aquesta evolució amb la fluctuació de contingut espectral. Els resultats de temperatura es correlacionen també amb mesures del camp de velocitat per imatges de partícules, demostrant una clara relació entre el camp de flux invers i les mesures de temperatura. Es descriuen a continuació diferents campanyes experimentals en les quals es van realitzar modificacions de la geometria d'entrada immediatament aigües dalt del compressor a fi d'avaluar com la presentació del flux pot influenciar el rendiment acústic. Geometries incloent volums, toveres i àleps guia demostren una reducció dels nivells de soroll. S'ha realitzat un estudi paramètric d'un colze de 90º, mostrant que el ràdio del colze influïx en la distribució circumferencial de temperatura i els nivells de soroll, donant suport a la hipòtesi de que la influència de la geometria en el soroll de whoosh està relacionada amb canvis en la presentació de l'aire que promouen menor o major reflux, que aleshores convecta aigües da / García Tíscar, J. (2017). Experiments on turbocharger compressor acoustics [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/79552

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.

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.

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).