Orientador: Henry França Meier. / Coorientador: Jonathan Utzig. / Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau.

Visando a redução de poluentes emitidos pelos motores de combustão interna com ignição por compressão, que operam conforme o ciclo diesel, foram desenvolvidos nos últimos anos dispositivos para a operação destes motores com novos combustíveis, que além da redução de poluentes barateariam o custo de operação, devido à oportunidade de utilização de alguns combustíveis com boa disponibilidade. No presente estudo analisa-se a operação do motor diesel utilizando gás natural como combustível. Neste caso utiliza-se o óleo diesel apenas como combustível piloto, que será responsável pela ignição do segundo combustível, o gás natural. Em diversas publicações constata-se o ganho ambiental e econômico desta aplicação, porém nada é comentado em relação à alteração de índices de confiabilidade e surgimento de novos modos de falha. Neste trabalho verifica-se através de ferramentas de análise de confiabilidade, tais como a análise do tipo FMEA e Árvore de falhas, quais os principais modos de falha que serão inseridos no motor de combustão interna do tipo diesel quando este passa a operar como bi-combustível, com gás natural. Para tanto, necessita-se subdividir o motor diesel em subsistemas mostrando sua estruturação em árvores funcionais e integrando o kit diesel gás neste sistema. A partir da análise de confiabilidade verifica-se a probabilidade de ocorrência de novos modos de falha, que necessitarão da elaboração de novos planos de manutenção ou mesmo alterações no projeto do subsistema de injeção de gás natural. / In order to reduce pollutants emissions from internal combustion engines with compression bend ignition, designed to operate as the Diesel cycle, it has been developed in recent years devices for the addition of new fuels, which in addition to reducing pollutants could lower the cost of operation, due to the possibility of use of some fuels with good availability. In this case it is used only the diesel oil as the pilot flame, which is responsible for the ignition of the second fuel, the natural gas. Many publications discuss the environmental and the economic gain with the use of natural gas as fuel application, however nothing is said about the change of reliability indexes and the appearance of new failure modes in the engine. In this study through system reliability analysis tools such as Faillure Mode Effects and Analisys and Fault tree analysis it is analysed, which are the main failure modes that are inserted into the internal combustion engine when it comes to operate as dual fuel. For that analyses it is necessary to split the engine into subsystems showing its functional trees and integrating diesel gas kit in this system. New failure modes appear with greater severity than the existing in the traditional diesel engine system, leading to new design and maintenance practices. The end user, according to his need, will have one more parameter to choose whether to adopt a Diesel Gas system.

O presente trabalho apresenta uma investigação experimental sobre a influência da presença de uma zona de recirculação interna (ZRI) no processo de combustão de gás natural. Basicamente os experimentos foram conduzidos para verificar a influência da ZRI no limite de "blow out", balanço de energia e emissões de CO e NO. Um queimador com configuração especial foi projetado para permitir mudanças na intensidade da ZRI e os experimentos foram conduzidos em uma câmara de combustão horizontal refrigerada e de escala laboratorial. A intensidade da ZRI foi caracterizada pelo número de "swirl" e o número de Reynolds do jato de gás natural, ambos calculados pela geometria do queimador e condições dos escoamentos dos reagentes. Os resultados mostraram que aumentando o número de "swirl" é possível estender o limite de "blow out", principalmente para baixos números de Reynolds. Outra observação importante é a tendência da redução do NO quando a intensidade da ZRI aumenta e a emissão desse poluente não é muito influenciada pelo número de Reynolds do jato. Contudo, o número de Reynolds tem uma importante influência na emissão de CO, maior números de Reynolds aumentam o processo de mistura entre o ar e o jato de combustível por efeito de carreamento. Mas aumentando a intensidade de ZRI para minimizar a emissão de NO pode produzir altos níveis de CO. Desta forma, os resultados apontaram que a ZRI ideal para conciliar as emissões de CO e NO é uma solução de compromisso.

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.

A computional model is developed for prediction of noise emission from na existing or new turbofan engine. This model allows the simulation of noise generation from high bypass ratio turbofan engines, appropriate for use with computational programs for gas turbine performance developed at ITA. Analytical and empirical methods are used for spectrum shape, spectrum level, overall noise and free-field directivity noise. The most significant noise sources in turbofan engines are modeled: fan, compressor, combustion chamber, turbine, jet (separate streams or mixed jet), with corrections for forward speed, atmospheric attenuation, ground reflection, and nacelle acoustic treatment (perforate liners). The procedures for component noise prediction are combined to yield total turbofan engine noise emission, as a funtion of engine operation condition and of observer (distance and directivity angle).

O trabalho aqui apresentado propõe um método para a utilização da cadeia CAD/CAM no fresamento 5-eixos de componentes de turbinas a gás. O método procura integrar as etapas CAD, CAM do processo de fabricação de componentes de turbinas a gás. O método aborda desde a modelagem dos componentes, evitando algumas características impróprias ao fresamento 5-eixos, passando pela simulação das trajetórias e pós-processamento e por fim fabricação dos componentes. A partir desse trabalho algumas informações importantes referentes à cadeia CAD/CAM puderam ser levantadas. De maneira geral, a abordagem da cadeia CAD/CAM para o fresamento 5-eixos deve considerar etapas anteriores ao da programação CAM, como a etapa CAD da cadeia, onde as geometrias são definidas, e posteriores, neste caso, simulação das trajetórias de ferramenta programadas e pós-processamento de código NC. Foram feitas ainda análises relacionadas aos tipos de interpolação que estão disponíveis para o fresamento de geometrias complexas. Essa a análise é também apresentada no trabalho fazendo parte das contribuições que esse trabalho se propõe a dar. Os resultados por serem extremamente práticos se propõem a serem utilizados de imediato na indústria. Eles vão desde restrições a modelagem de geometrias para o fresamento 5-eixos até informações referentes a uso de interpolações complexas no âmbito de fresamento de superfícies complexas. Procurou-se dar informações pertinentes ao fresamento 5-eixos em todas as etapas da cadeia CAD/CAM para esse processo de fabricação.

A simulação numérica de turbinas a gás é importante tanto na fase de projeto quanto na de desenvolvimento do motor. Na fase de projeto podem-se prever, antecipadamente, problemas de funcionamento que poderão ocorrer em pontos específicos do envelope de operação prescrito. Na fase de desenvolvimento podem-se reduzir prazos e custos pelo melhor planejamento dos ensaios. O ITA tem investido bastante na área de simulação, com o objetivo de desenvolver uma plataforma computacional de simulação numérica de turbinas a gás de alto desempenho. Um módulo adicional de simulação do desempenho em regime transitório foi desenvolvido e incorporado à plataforma existente, dando-lhe a capacidade de simular numericamente os transitórios de eixo e volume em turbinas a gás de alto desempenho. Em especial, contemplam-se as turbinas a gás que equipam as aeronaves mais modernas, bem como as industriais utilizadas, por exemplo, nas usinas termoelétricas modernas. O modelo desenvolvido, que é capaz de captar os transitórios de eixo e volume, foi testado para diversos tipos de motores (turbojato, turboeixo e turbofan) com várias configurações e número de eixos, e foi validado a partir de resultados da literatura. Os resultados são apresentados e analisados.

A importância do estudo da dinâmica em máquinas térmicas é conhecer o modo como irá reagir às diferentes circunstâncias de operação, como partida, aceleração e desaceleração, e em transitórios. A observação de suas características dinâmicas permite avaliar situações indesejadas e a necessidade de ajustes. Para modelar uma turbina a gás é necessária a análise de vários domínios físicos, uma vez que os sistemas que compõem uma turbina a gás envolvem várias áreas da engenharia. A turbina a gás é composta basicamente de sistemas termofluido-mecânicos acoplados a sistemas elétricos. Nesse tipo de modelagem, que envolve sistemas elétricos e mecânicos, uma linguagem unificada como a de grafos de ligação pode ser aplicada, pois possui vantagens inerentes. Este trabalho contém três objetivos principais: o primeiro é apresentar o princípio de funcionamento de uma turbina a gás e suas características construtivas. É apresentada também a metodologia envolvida em grafos de ligação para o estudo de sistemas dinâmicos, muito consistente e necessária ao entendimento deste trabalho; segundo, uma vez escolhidas as variáveis de interesse, é apresentada uma metodologia para modelagem de turbinas a gás através de grafos de ligação através de um modelo. São abordados também os procedimentos para se modelar cada parte do motor, e posterior simulação do sistema em ambiente computacional apropriado; terceiro, apresentar uma técnica de identificação para turbinas e um modelo matemático que mostre as características dinâmicas de um sistema físico real ou simulado. Os resultados demonstram similaridades entre as dinâmicas, permitindo a análise da dinâmica da turbina a gás, validando a modelagem utilizando grafos de ligação e de identificação.

O objetivo do seguinte trabalho é um novo modelo de câmara de combustão do tipo RQL ("Rich-Quench-Lean" na língua inglesa) para turbinas a gás. A combustão acontece em duas fases; a primeira com deficiência de oxidante ou rica em combustível, e a segunda é pobre em combustível. Esta estrutura de combustão permite a conciliação de baixas emissões de NOx e produtos de combustão de oxidação parcial, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e fuligem. A idéia dos combustores RQL tradicionais é a injeção estagiada de combustíveis através da câmara, criando algumas regiões de combustão desfavoráveis à formação do NOx. Mas no novo conceito aqui proposto, essas condições não favoráveis à formação do NOx são alcançadas através do controle da dinâmica da mistura entre os reagentes no interior da câmara, favorecendo algumas vantagens em relação ao processo RQL tradicional. Entretanto, para a combustão pobre na câmara secundária, dependendo dos parâmetros de operação, algumas oscilações acústicas ocorrem. Portanto, o presente trabalho trata da influência desses parâmetros operacionais: razão de equivalência, número de Reynolds do jato de combustível, número de "swirl", e razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D), sobre as instabilidades acústicas. Os resultados mostram que aumentando o número de "swirl", e reduzindo o número de Reynolds do jato combustível, as oscilações de combustão podem ser atenuadas. Além disso, a mais alta razão L/D investigada foi 3, e para esta situação bons resultados foram observados para atenuação de instabilidades. Apesar das dificuldades para entender o complexo fenômeno de instabilidade de combustão, este trabalho apresenta algumas recomendações para controlar as oscilações em câmaras de combustão do tipo RQL para turbinas a gás.

Neste trabalho foram realizados estudos experimentais com objetivo de caracterizar um jato de plasma gerado pelo processo de ablação a laser de vapor de cobre em amostras metálicas (alumínio, cobre e tungstênio). Apesar de poucas referências citarem o laser de vapor de cobre no processo de evaporação de metais, verificou-se que sua utilização no processo de ablação é interessante, por apresentar alta taxa de repetição (kHz). Nos experimentos para esta caracterização utilizou-se uma sonda de Langmuir na configuração cilíndrica, e os parâmetros medidos do jato de plasma foram: temperatura e densidade de elétrons, densidade de íons e velocidade de expansão das partículas do plasma. Os resultados destes parâmetros foram obtidos em função do tempo, da intensidade do laser de vapor de cobre e da distância entre o alvo e a sonda. O limiar de intensidade do laser no processo de ablação dos metais também foi inferido, de forma teórica e experimental. A análise dos resultados deste estudo foi embasada pela Teoria de Sonda de Langmuir juntamente com aproximações da Teoria de Expansão Hidrodinâmica, adequada para tratamento de plasmas em expansão. Os valores típicos de temperatura de elétrons foram da ordem de 15 eV, de densidade de elétrons e íons foram da ordem de 108-109/cm3 e de 109-1010/cm3, respectivamente. O valor de velocidade de expansão do plasma, foi da ordem de 10 km/s para todas as amostras evaporadas.