This work deals with the numerical simulation of axial flow compressors, from design to performance prediction. The stage performance prediction uses the meanline flow properties. Stage-stacking is used to analyse a multi-stage compressor. A computer program, written in FORTRAN, was developed and is able to design an axial flow compressor given air mass flow, total pressure ratio, overall efficiency and design speed. All geometrical data relevant to the compressor performance prediction is calculated after it has been bladed. From the geometrical data and for given compressor speed, the performance is calculated: pressure ratio and efficiency are determined from stall to choke. A complete compressor performance map can be produced. Validation was carried out with data obtained from the literature. Good agreement has been achieved.

As turbinas a gás modernas estão sujeitas a requisitos muito rigorosos de desempenho, operacionalidade e durabilidade. Para atender estes requisitos, que são conflitantes, e para assegurar um projeto adequadamente ponderado, simulações dos comportamentos dinâmico e transitório do motor são necessárias durante os projetos do motor e do sistema de controle, bem como durante os ensaios de desenvolvimento. Isto garante a prevenção de problemas e reduz custos de desenvolvimento. Modelos de simulação de desempenho representativos do motor, que levam em consideração os efeitos dinâmicos e transitórios, são utilizados desde o início do projeto, tanto do motor propriamente dito como do sistema de controle, para permitir a escolha da melhor configuração do motor e a lei de controle mais adequada. A compatibilidade entre as partes do motor pode ser verificada, mesmo antes da fabricação, evitando erros que podem custar caro. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo de simulação de desempenho de turbinas a gás com capacidade para tratar a dinâmica não adiabática e a transferência de calor transitória do motor. Foram incluídos no modelo alguns aspectos conhecidos que afetam o comportamento dinâmico e transitório dos motores, tais como: transferência de calor gás-metal e variação na eficiência dos componentes devido à variação de folgas de topo. A capacidade de simulação da dinâmica não adiabática do modelo foi validada usando um método de diferenças finitas disponível na literatura. O modelo foi utilizado ainda para simular o desempenho dinâmico de uma turbina a gás com regenerador e foi observado que o volume e a transferência de calor no regenerador têm uma influência maior na dinâmica do motor que o atrito interno do regenerador. A capacidade de simulação de transitório não adiabático de turbinas a gás do modelo foi validada usando um modelo de simulação já consagrado da literatura. Os modelos foram utilizados na simulação do desempenho em regime transitório de um motor turbofan, de dois eixos e saída misturada, e os resultados obtidos apresentaram pouca diferença.

Gas turbines are optimised at design point. When they operate at off-design, the performance is poor because the blade passages are not adequate for the new flow conditions. In order to improve part-load performance, it is necessary to re-shape the blade passages. This can be done with blade re-staggering. Engines with this capability are called variable geometry engines.This work aims at the development of appropriate methodologies to numerically investigate the influence of the main engine components (compressor, turbine and propelling nozzle) on engine performance, as a mean to support applications of high performance cycles that demand extreme operating conditions.An investigation of variable geometry compressor and turbine stators was carried out by means of synthesizing their performance maps at many stator blade settings and the use of such information in cycle analysis. To support the huge amount of calculations required for off-design analysis, a computer program has been developed.Validation of the methodology was performed using data available in the open literature. A powerful tool for the gas turbine simulation that had proved to produce quality results is made available to support research on new concepts for high performance cycles.

As rigorosas legislações ambientais direcionam os fabricantes de turbinas a gás a desenvolver novos projetos de câmara de combustão para reduzir as emissões de poluentes. Nas últimas duas décadas, a combustão de reagentes pré-misturados em razão de equivalência pobre tornou-se a principal tecnologia para controlar as emissões de NOx em turbinas a gás. No entanto, câmaras de combustão com pré-mistura pobre de reagentes são inerentemente sensíveis a oscilações de pressão que podem conduzir a instabilidades de combustão. Essas oscilações podem afetar a liberação de calor, as emissões de poluentes e o tempo de vida da câmara e de outros componentes do motor. Além disso, existem outros problemas associados com a estabilização da chama em sistemas de combustão que utilizam o conceito de câmaras com pré-mistura pobre de reagentes, tais como sopramento e retorno de chama. Em geral as turbinas a gás utilizam alta intensidade de rotação para estabilizar as chamas através da formação de uma forte zona de recirculação. Porém, os desenvolvimentos recentes nestes dispositivos demostram que é possível alcançar um regime específico diminuindo a intensidade de rotação de reagentes pré-misturados e pobres com uma geometria adequada. Essa geometria foi definida como sistema de baixa intensidade de rotação e é capaz de gerar chamas suspensas e estáveis sem uma forte zona de recirculação do escoamento. Neste trabalho foram estudadas experimentalmente chamas pré-misturadas e pobres, em condições de pressão atmosférica e confinadas em uma câmara de combustão, geradas por um sistema capaz de fornecer diferentes: níveis de baixa intensidade de rotação aos reagentes, razões de equivalência e potências térmicas. Foram analisados os escoamentos reativos, as emissões de NOx e CO e as oscilações de pressão no interior da câmara de combustão. Os resultados demostraram a influência da intensidade de rotação na formação e desenvolvimento dos vórtices e zona de recirculação interna, no formato e deslocamento das chamas suspensas e apresentaram níveis: baixos de oscilações de pressão no interior da câmara e baixos de emissões de NOx.

A proposta desta pesquisa é realizar um estudo numérico da utilização do etanol como combustível alternativo em turbinas a gás, seguindo a tendência mundial na busca por combustíveis menos poluentes. Esta pesquisa tem como principal objetivo, identificar o impacto da mudança do combustível na metodologia corrente de projeto de câmaras de combustão de turbinas a gás. Como ferramenta principal, é utilizado pacote computacional de CFD - "Computational Fluid Dynamics" - para simulação dos escoamentos reativos no interior dos combustores analisados. O presente trabalho é parte de um esforço para o desenvolvimento de metodologia para projeto de câmaras de combustão de turbinas a gás voltadas a utilização de etanol como combustível, de forma eficiente. Em grande parte, isto depende do posicionamento otimizado dos furos de admissão de ar para as zonas primária e secundária, no que tange o grau de homogeneização da temperatura dos gases à saída do combustor, ou "temperature traverse quality" (T.T.Q.), ou TQ simplesmente. Para tanto, utiliza-se critérios de projeto unidimensionais para projeto preliminar de combustores ';genéricos';, equivalentes a combustores existentes, tomados como referência. Posteriormente, procede-se à verificação da qualidade do escoamento no interior da câmara de combustão através de simulações computacionais (CFD) para cálculo do escoamento 3D, bifásico (spray), viscoso, compressível, turbulento, radiante e reativo. Os resultados demonstram a viabilidade técnica de utilização do etanol como combustível. As dimensões do combustor a etanol são compatíveis com aquelas obtidas no projeto de combustores a querosene de aviação. É possível a identificação do posicionamento ótimo das fileiras de furos das zonas primária e secundária ao longo do eixo longitudinal do combustor. Os valores de eficiência térmica, TQ e de emissões para alguns poluentes são compatíveis com aqueles encontrados na literatura. Resultados dos cálculos em CFD e parâmetros utilizados no dimensionamento preliminar para mínimo TQ são correlacionados ao final.

Calculando quinze motores (variando a pressão de câmara e a razão de expansão dos gases) e mais cinco geradores de gás (variando apenas a pressão de funcionamento), propulsionados a LOX e álcool, foi selecionado um motor compatível com o atual motor russo RD109 (LOX e querosene) com os dados numéricos gerados por um algoritmo de cálculo. Uma vez escolhida à pressão de câmara, foi possível dimensionar um motor de 75kN com um gerador de gás que alimenta uma turbo bomba com funcionamento de ciclo aberto. Neste trabalho, foi estudado um novo tipo de gerador de gás alimentado por injetores de célula única, com duas regiões de queima, com o objetivo de reduzir a formação de fuligem. Com o modelo proposto de gerador de gás foi realizado um estudo estrutural estático, para verificar a espessura mínima da parede da câmara geradora de gás.

O pó de carbeto de silício-beta (SiC-?) de alta pureza e reatividade é um material de grande interesse para aplicações em engenharia, na compactação de peças a serem destinadas a operação em meios agressivos tais como: altas temperaturas, meios corrosivos e de elevado desgaste, principalmente nas áreas aeroespacial, nuclear e eletro/eletrônica. A qualidade destas peças está diretamente associada às características do pó utilizado. O SiC produzido no Brasil tem características que atendem a indústria de abrasivos, mas para as aplicações em engenharia é necessário a aquisição no comércio exterior de pó adequado à sinterização ou a aquisição de peças prontas. Neste trabalho foi desenvolvido um método para a síntese de pó de SiC via reações gás/sólido, que ocorrem em cadeia, em uma mistura reativa de pós de silício, sílica e carbono, em temperaturas entre 1400 e 1600 oC. Foram testadas nove composições de misturas reativas e avaliados os produtos obtidos quanto à composição de fases, granulometria das partículas e rendimento do processo. Por intermédio da utilização de um novo sistema de reações proposto foi possível otimizar o rendimento para cerca de 92% com grau de pureza acima de 99,94 % em peso. A granulometria ficou na faixa de 0,50 a 9,23 m com indícios de que pode ser controlada pela granulometria dos reagentes da mistura, e constatou-se finalmente, conforme experimentos realizados, que o SiC-? obtido é adequado a sinterização.

Um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas) reunidos com a finalidade de obter um resultado desejado com o desempenho desejado, tendo um determinado valor de entrada. Quando aplicado em turbinas a gás o sistema de controle deve ser robusto suficiente para considerar a dinâmica transitória da máquina e fazer com que a mesma opere dentro de seus limites e com máximo desempenho possível. A modelagem feita neste trabalho considera modelos de turbina a gás, caldeira de recuperação de calor e turbina a vapor e foram implementados primeiramente de forma isolada e, em seguida, conectados, fazendo sua operação a simulação exata do ciclo combinado. Toda a modelagem foi feita utilizando a ferramenta Simulink do Matlab e seus valores de ajustes, ganhos, limites, etc foram obtidos a partir de uma central térmica em operação. Durante o desenvolvimento deste modelo varias adaptações relativas a particularidades da central térmica foram feitas de forma tal que o modelo represente fidedignamente a condição real de operação. Os resultados gerados pelas modelagens e simulações foram submetidos a uma análise de desempenho comparando-se com dados reais de operação obtidos. Essa análise levou em conta robustez, tempo de resposta, análise transitória, análise estática e confiabilidade do modelo proposto. Com o resultado da análise de desempenho foi possível validar o modelo proposto e sugerir avanços futuros para continuação deste trabalho.

Na tomada de decisão, para construção e ampliação das redes de infra-estrutura, diferentes fatores devem ser considerados para a priorização do atendimento a áreas que constituirão um mercado consumidor potencial para o serviço em questão. Neste trabalho, propõe-se a análise conjunta de aspectos sociais, técnicos e econômicos associados ao processo de ocupação dos grandes centros urbanos, como base para verificação de estimativas de mercado, custos e técnicas mais apropriadas para a ampliação da infra-estrutura de distribuição canalizada de gás natural. Como base ao estudo proposto, sugere-se a criação de um modelo, que integre a compreensão da dinâmica urbana às estratégias de expansão da rede de distribuição de gás, caracterizando as possibilidades de consumo em faixas de atratividade. A metodologia desenvolve-se através da organização de 4 sistemas de informações: aspectos de qualidade de vida, planejamento urbano, projeções de demanda por estratificação em tipos de uso do solo e características da obra civil. Relacionando dados sociais ao consumo estimado por tipo de ocupação do solo às características de ramificação da rede, a metodologia permite classificar cada área que compõe uma cidade segundo a viabilidade (atratividade) de implantação da rede de distribuição de gás e os locais com potencial de adensamento da rede já existente. Para verificação da coerência metodológica, seleciona-se como estudos de caso os Municípios de São Paulo, São Caetano do Sul e oito municípios da Região Administrativa de Araçatuba. Como conclusão, apresenta-se o ranking de atratividade a implantação do gás canalizado nessas cidades através da modelagem baseada na dinâmica urbana, a fim de apontar as possibilidades do gás natural, substituir outras formas de energia final nos usos urbanos, além de apresentar diretrizes tecnológicas para os Planos Diretores das cidades, visando à incorporação sustentável dessa infra-estrutura. Os resultados obtidos são coerentes à real expansão do serviço, demonstrando ser o modelo, uma ferramenta de bom grau de precisão, fácil compreensão e utilização como auxiliar no processo de tomada de decisão sobre a expansão e adensamento da rede canalizada de gás natural nas cidades brasileiras. / In the decision-making process for the construction and expansion of natural gas infrastructure, different factors must be considered to prioritize areas with high market potential for the given service. The aim of this work is to propose a systemic analysis of social, technical and economics profile relating to the development process of the great urban areas for assessing the market esteems, the costs and the most appropriate techniques for expanding the natural gas distribution infrastructure.In this work, an analytical methodology that integrates the understanding of the urban dynamics to the strategies of expansion in the natural gas distribution network is considered, characterizing gas consumption possibilities on attractiveness groups. The methodology is developed by gathering four information systems: life quality, urban plan, gas consumption projections by land use stratification and network system (civil engineering work). By relating the gas consumption estimated by each type of land occupation and the cost for expanding the gas distribution network, the model will indicate, for each neighborhood, the viability of implementing a gas network as well as the places with potential for growing density in the existing gas distribution system. For the methodological coherence analysis, the cities of São Paulo, São Caetano do Sul and eight cities of Araçatuba Administrative Area, are selected. As conclusion, the attractiveness ranking for the natural gas expansion are presented though the urban dynamics concept, showing the possibilities of the natural gas as an energy end use option in the urban services, beyond presenting technologies guidelines for the Urban Plans and the sustainable gas infrastructure incorporation in the cities. The results from the model use are satisfactory to the real natural gas service expansion. It has been demonstrated that the model proved to be a good tool with a reasonable precision degree, being easily understood and functioning as an auxiliary in the decision-making process for the natural gas expansion infrastructure in the Brazilian cities.

Brazil\'s discoveries of large gas reservoirs in the offshore ultra-deep waters of the presalt fields show a promising scenario, along with strategic investment and adequate policy, for the development of natural gas infrastructure and a sustainable transition in the Brazilian electricity mix. Such transition should occur through the use of transnational natural gas pipelines connected to large industrial facilities and power stations, as part of strategic planning to expand industrial usage, and avoid the shortage of electricity supply, with economic and environmental advantages. Since the most important debates of the new millennium are focused on globalization and sustainable development for nations, transnational energy integration in Latin America has been receiving increasingly attention from researchers and policy makers. In this overall context, the purpose of the present research was to develop a model to study, in a comparative manner, the thermoelectric generation, as well as to analyze the effect of legal frameworks and governmental policies on the development of infrastructure and natural gas market in Brazil, with a detailed study of the most relevant market and regulatory mechanisms. A comparison was performed in terms of the most relevant regulatory legislation in Brazil and other relevant Member States of the South American economic block. The study also evaluates the sanctions imposed by ANEEL Resolution n. 583 of 2013 on suppliers, due to the lack of NG supply for thermoelectric utilities, proposing an alternative formula, thought to mitigate the influence of averages and other electricity market parameters, therefore decreasing the sanction value for the NG supplier, without compromising the contract neutrality. Different factors were analyzed in order to determine which technology would be the most efficient in terms of levelized costs. Results indicated that natural gas-fired generators are very competitive and efficient, when compared to other thermoelectric sources in both economic and environmental aspects, even when externalities were included. Also, that further strategic investment and adequate regulatory policy changes are required from the market agents, in order to foster the development of pipeline infrastructure and the expansion of natural gas use in Brazil. The study also demonstrates that the environmental impact of the CH4 leakage equals that of CO2 release from combustion at about 4.2% leakage on a mass basis, when methane leakage rises to a level in which natural gas becomes as greenhouse gas intensive as biomass. / As descobertas de substanciais reservatórios de gás natural no Brasil, localizados em águas ultra profundas após a camada Pré-Sal, demonstram um cenário promissor, aliado a investimentos estratégicos e a políticas públicas adequadas, para o desenvolvimento da infraestrutura de gás natural e uma transição sustentável na matriz elétrica brasileira. Tal transição deveria ocorrer por intermédio do uso de tubulação transnacional de gás natural, conectada a grandes instalações industriais e a usinas termelétricas, como parte de um planejamento estratégico voltado à expansão do uso de gás natural na indústria e a evitar a escassez no suprimento de energia elétrica, com vantagens econômicas e ambientais. Considerando que os debates mais relevantes do novo milênio estão focados na globalização e no desenvolvimento sustentável das nações, a integração transnacional na América Latina tem recebido crescente atenção por parte de pesquisadores e de elaboradores das políticas públicas. Nesse contexto geral, a proposta da presente pesquisa foi a de desenvolver um modelo para estudar, de uma forma comparativa, a geração termelétrica, bem como analisar o impacto do arcabouço jurídico-regulatório e das políticas governamentais no desenvolvimento da infraestrutura e do mercado do gás natural no Brasil, com um estudo detalhado dos mais relevantes mecanismos regulatórios e de mercado. Foi realizado, ainda, um comparativo da legislação regulatória do gás natural no Brasil com outros Estados-Membros relevantes do Mercosul. O estudo também avalia as sanções impostas pela Resolução ANEEL n. 583 de 2013 nos fornecedores, devido a corte no suprimento de gás natural para empreendimentos de geração termelétrica, propondo um cálculo alternativo visando a mitigar a influência das médias e outros parâmetros intrínsecos ao mercado de energia, dessa maneira reduzindo as sanções contratuais para o fornecedor de gás natural, sem prejudicar a neutralidade contratual. Diferentes fatores foram analisados de forma a determinar qual tecnologia seria a mais eficiente em termos de custos nivelados de eletricidade. Os resultados indicaram que as termelétricas a gás natural são muito competitivas e eficientes, quando comparadas com outros tipos de combustível, tanto pelo aspecto ambiental quanto pelo econômico, mesmo quando externalidades são incluídas. Ainda, que são necessárias mudanças nas políticas regulatórias e no investimento estratégico por parte dos agentes do mercado, de forma a incentivar o desenvolvimento de infraestrutura e a expansão do uso do gás natural no Brasil. O estudo também evidencia que o impacto ambiental do vazamento de CH4 se iguala àquele do CO2 liberado pela combustão em cerca de 4.2% em base mássica, quando o vazamento de metano atinge um nível em que seu impacto como gás do efeito estufa fica equivalente à biomassa.