Ingeniero Civil Eléctrico / El presente trabajo de título consiste en el diseño e implementación de una herramienta computacional para la determinación de la carta de operación de generadores síncronos de rotor cilíndrico, orientado específicamente a centrales térmicas que forman parte del sistema eléctrico chileno, el cual se divide en dos grandes bloques llamados; Sistema Interconectado Central y Sistema Interconectado del Norte Grande, o en sus siglas SIC y SING respectivamente. Es necesario disponer de un software que dibuje los diagramas de operación de las unidades generadoras, pues muchas centrales en el país no disponen de estas, y son una exigencia por parte del Centro de Despacho Económico de Carga del Sistema Interconectado Central y Sistema Interconectado del Norte Grande; CDEC-SIC y CDEC-SING hacia las centrales. Por otro lado permite un mejor monitoreo de las unidades generadoras por parte de los operadores en las centrales. El prototipo se diseña a través del software computacional Matlab, la cual posee un lenguaje de programación muy cómoda para el usuario. Matlab además posee aplicaciones, como la Interfaz Gráfica de Usuario, con su sigla en inglés GUI, que permite el diseño de interfaces, las que interactúan con el usuario en una amplia gama de aplicaciones. En esta memoria representa al sistema de Supervisión, Control y Adquisición de datos, SCADA. El modelo se valida mediante la comparación con los diagramas de operación de las unidades generadoras, Huasco TG (Turbina Gas): unidades 1-2-3, Huasco TV (Turbina Vapor): unidades 1-2, Bocamina: unidad 1, Diego de Almagro: unidad 1, todas propiedad de Endesa. Con esta herramienta computacional el operador de la central puede disponer del diagrama y punto de operación (Qop,Pop) de la unidad generadora en tiempo real, y de los datos de placa de este. Con ello se dispone de la zona factible de trabajo, y se evita exceder los límites del generador para así mejorar la coordinación y estabilidad en la operación del sistema. La confiabilidad que otorga el prototipo permite una operación técnico-económica más eficiente, óptima y en la toma de decisiones apropiadas por parte del operador ante contingencias en el sistema eléctrico de potencia.

Orientador : Ilmar Ferreira Santos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-03T14:53:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nicoletti_Rodrigo_D.pdf: 11249780 bytes, checksum: 1c84527092446697b7796f63ac41553d (MD5) Previous issue date: 2003 / Doutorado

Orientador: Celso Eduardo Tuna / Coorientador: Alex Mendonça Bimbato / Banca: José Alexandre Matelli / Banca: Wendell de Queiróz Lamas / Resumo: A busca por estudos visando às melhorias em projetos de engenharia relacionados às turbinas hidráulicas se tornam cada vez mais essenciais considerando a crescente demanda por fontes de energias renováveis como as usinas hidrelétricas. Por este motivo, cresce a necessidade de estudos sobre turbinas hidráulicas, por meio de inovações tecnológicas, que proporcionem a melhoria do rendimento das mesmas. Esse trabalho tem como objetivo aplicar modificações nas turbinas por meio de técnicas de projeto, como o biomimetismo, nas pás dos rotores de turbinas do tipo Bulbo e comparar o comportamento do escoamento sobre as pás e o rendimento dessas turbinas com aquelas projetadas sem a aplicação do biomimetismo. Para atingir esse objetivo a modelagem da turbulência se dá através da metodologia URANS (unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes) e o modelo de turbulência escolhido foi o k-ε, por ser ideal em escoamentos turbulentos, demandar um menor tempo de simulação computacional e apresentar maior semelhança com dados experimentais. Como resultado, observa-se que as mudanças realizadas na geometria das pás das turbinas, baseadas nos conceitos e técnicas de biomimetismo, proporcionaram aumento de desempenho nas turbinas bulbo, evidenciando-se assim a capacidade do biomimetismo de proporcionar melhorias em projetos de turbinas hidráulicas, que ainda é pouco difundida e estudada. Para a realização desse trabalho, usa-se o software comercial SolidWorks® para a criação da geometria e o ANSYS ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The search for studies aimed at improving engineering projects related to hydraulic turbines becomes increasingly essential considering the increasing demand for renewable energy sources such as hydroelectric plants. For this reason, the need is growing for studies about hydraulic turbines, by means of technological innovations, that provide the improvement in these turbines. The objective of this work is to apply modifications in turbines by means of design techniques, such as biomimicry, on the rotor blades of the Bulb type turbine, and to compare the flow behavior on the blades and the performance of these turbines with those projected without the application of the biomimetism. To accomplish this objective, turbulence modeling was performed using the URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) methodology and the turbulence model chosen was k-ε, because it is ideal in turbulent flows, requires a shorter computational simulation time and presents greater similarity with experimental data. As a result, changes in turbine blade geometry, based on biomimetic concepts and techniques, have resulted in significant performance gains in bulb turbines, thus demonstrating the ability of biomimetric to provide improvements in hydraulic turbine designs, which is still less widespread and studied. The commercial SolidWorks® software was used for the creation of geometry and the ANSYS Student® (version 19.1) for flow analysis using computational fluid dynamics (CFD) / Mestre

El presente trabajo de tesis forma parte de una iniciativa de investigación multidisciplinaria enfocada en estudiar los cojinetes magnéticos y sus aplicaciones, en este contexto, los objetivos planteados para este proyecto son diseñar un prototipo del sistema formado por un rotor rígido suspendido sobre cojinetes magnéticos radiales; fabricar el prototipo diseñado y caracterizar su comportamiento dinámico mediante un análisis modal teórico. El alcance contempla el desarrollo de la ingeniería conceptual, ingeniería básica, ingeniería de detalle del prototipo así como su posterior manufactura. Asimismo, se incluye la caracterización dinámica del sistema usando la teoría de sistemas de varios grados de libertad. Dentro de este alcance no se contempla la ingeniería básica y de detalle de los actuadores electromagnéticos; la ingeniería, programación, electrónica y automatización del sistema de control de los actuadores así como su respectiva instalación, ya que son tópicos que corresponden a temas de tesis paralelos. Como resultado de este trabajo de tesis se obtuvo un prototipo de fabricación local, cuyas dimensiones son 1400 mm x 505 mm x 960 mm con un rotor rígido de 6 kg de masa accionado por un motor eléctrico que puede girar entre 1800 rpm y 2340 rpm gracias a un variador de frecuencia incorporado. La carga se regula a través de masas calibradas de 1kg, 2kg y 3kg según el operador lo requiera. Para la verificación de rigidez del rotor se utilizó la teoría de vibraciones en sistemas contínuos y se validó con ayuda del método de elementos finitos arrojando una frecuencia natural de 1158,2 Hz, lo cual garantiza que a la frecuencia de giro, el rotor tendrá un comportamiento rígido. Asimismo, se realizó una verificación dinámica de la estructura de soporte y la base del motor arrojando frecuencias de 19.37 Hz y 689.22 Hz, lo cual, en base a la verificación dinámica indica que funcionará adecuadamente y no habrá frecuencias externas que dificulten el control. La última etapa del trabajo consistió en el análisis dinámico del comportamiento del rotor en el plano bidimensional, a través de un análisis modal contínuo de donde se obtuvieron frecuencias de 46.38 Hz y 62.74 Hz para cada uno de sus modos de vibración.

This thesis work begins with the revision of state of the art about active magnetic bearings (AMB), the mathematical methods used to obtain geometric and physical parameters that will influence in the mechanical, electrical design and control system proposed by this prototype. The control system will activate the magnetic bearing to center its shaft, for which it is joined a variable load in order to study the best control performance under different load over the rotor proposed by requirements. When the rotor is not controlled in its own axis even though variable load, a position error will occur that will be corrected by the program of a control system that will center the shaft (rotor). For this design was evaluated generalized AMB models [2], [3], [4] to validate the best identification for this design, furthermore as a consequence to get the best performance for the control system as it was achieved by generalized models and it was evaluated the advantage of this AMB machine through “Two hybrid electromagnet actuators” and variable load fixed to its shaft. For this reason, it was necessary to test a simple AMB with only one electromagnet actuator [4], due to compare enhancement of hybrid characteristics for the electromagnet actuators, for which, also it was evaluated how many actuators could be necessary to join to an AMB system with the target to get the control. It means, in this work there are comparisons between a simple AMB, generalized AMB models and this design, owing to show the achievements of this design. In order to show experimental results in state of the art, it is known that Siemens presented Simotics Active Magnetic Bearings technology for wear free operation in large – machine applications, regulated magnetic fields hold the rotor in suspension precisely without oil or contact, to make this task, sensors capture the position of the shaft 16000 times per second and a regulator adjusts the magnetic field to keep the rotor hovering precisely in the bearing center [1]. By other side the author [4] describes the experimental results in which is proposed that at low speed the bearing parameters are mainly determined by the controller characteristics. While at high speed, the bearing parameters are not only related to the control rule but also related to the speed. This may be due to the influence of eddying effect. [4] Furthermore, by author [3], the algorithm to get fast responses in front of disturbances, the disadvantages of these algorithms are given by not enough memory space to execute them, due to computing time is short compared with rotor displacement response time, and it is defined that it could be possible to execute the control algorithm through a real-time operating system to obtain the desired response [3]. Finally, in reference [6] it is described about filtering every noise as additive white Gaussian noise, by a predictive filter, which is obtained by analyzing Least Mean Square (LMS) and feedback/feedforward algorithm.

In this thesis the algorithms and strategies for active magnetic bearing should be analysed, implemented and simulated in Matlab as well as experimentally tested in the real-time computation system for a prototype of active magnetic bearing. Develop a general method and algorithm identi cation for active magnetic bearings prototype and get real system parameters that allow generate the equation of state of the system to control its further development. The specific objectives in this Thesis are: Develop a data acquisition system for the AMBs. Analyse the mathematical model of the system from the real system. Conduct experiments of a physical model for data collection. Develop an identification algorithm for the parameters of the real AMBs. Validate system developed by testing the prototype. / Tesis

Neste trabalho é analisado o movimento rotacional ou de atitude de um satélite artificial em órbita circular terrestre, o qual está sujeito a influência do torque devido ao gradiente gravitacional e possui quantidades de movimento angular devido à presença de três rotores internos. As velocidades angulares internas têm seus vetores coincidentes com os eixos principais de inércia do referido satélite. São determinadas as regiões de estabilidade para um satélite genérico, ou seja, com configurações variadas dos parâmetros inerciais, para casos contendo um, dois ou três rotores internos. Para o estudo da estabilidade destes casos, as quantidades de movimento angular são constantes. A determinação das regiões de estabilidade para um satélite contendo três rotores internos, é realizada com quantidades de movimento angular variáveis e posicionamento angular fixo. Os casos nos quais o satélite possui um rotor interno, alternado em seus três eixos principais, têm suas regiões de estabilidade determinadas de forma analítica e numérica, sendo que a forma numérica compõe um programa geral aplicável a todos os casos. O segundo tópico focalizado é a otimização da atitude, para a mudança de posicionamento angular do satélite, em relação ao sistema de coordenadas da órbita. Para determinação das trajetórias ótimas, são elaborados programas numéricos, os quais utilizam como sinais de controle os torques aplicados nos eixos dos rotores internos. São apresentados programas para problemas distintos: "energia" mínima, tempo mínimo e um problema de otimização com índice de desempenho misto entre "energia" e tempo mínimos. A solução de um problema com a minimização do tempo, incluindo limitações nos valores absolutos dos controles (bang-bang), é extremamente difícil. Logo, é apresentada uma alternativa para sua solução problema, utilizando um índice de desempenho para "energia" mínima de controle. Os programas são implementados com o auxílio do "software" MatLab 6.0, no qual é utilizado o comando bvp4c de seu bloco de otimização, para a solução de problemas de valor de contorno em dois pontos.

Este trabalho apresenta uma investigação numérica sobre o comportamento rotodinâmico do conjunto rotativo de uma turbina aeronáutica de 5 kN de empuxo. Além da caracterização de dinâmica de rotores, várias análises de integridade estrutural foram realizadas nos principais componentes mecânicos da turbina aeronáutica a fim de assegurar um funcionamento livre de falhas. O eixo do conjunto rotativo é sustentado por um mancal dianteiro composto por um rolamento de esferas do tipo deep groove e, também, por um mancal traseiro do tipo squeeze film damper. Ambos os mancais foram projetados de modo a conferir apropriadas características de rigidez e amortecimento ao conjunto rotativo. Três folgas radiais para o squeeze film damper foram analisadas a fim de se definir a melhor configuração do mancal traseiro, levando-se em consideração todo o restante da máquina rotativa. Foi observado que a folga radial do squeeze film damper e a viscosidade do óleo de lubrificação afetam fortemente o desempenho do mancal traseiro. O comportamento rotodinâmico do conjunto rotativo foi caracterizado em função dos coeficientes dinâmicos de rigidez e amortecimento dos mancais. Problemas de vibração no conjunto rotativo foram evitados e os desenhos dos principais componentes mecânicos da turbina aeronáutica foram liberados para a fabricação.

As características de um motor foguete a propelente líquido podem levar a turbina a operar em ciclo aberto ou em ciclo fechado. No caso de um motor que opera em ciclo térmico aberto, a turbina é supersônica, de ação e de admissão parcial. Já para o caso de um motor que opera em ciclo fechado, a turbina é sônica, de reação e admissão total. O uso da admissão parcial leva a turbina a ter altura de pá maior do que no caso da admissão total. Esta característica faz com que o desempenho aumente consideravelmente, pois caso a turbina operasse em admissão total, as perdas por vazamento e secundárias seriam excessivamente altas.

No presente trabalho, são discutidos alguns aspectos do escoamento em turbomáquinas radiais, com ênfase nas análises teórica e experimental de rotores centrífugos. Na análise teórica, utilizando o método das singularidades, são apresentadas duas formulações para o escoamento potencial e incompressível no interior de rotores centrífugos com pás de largura variável. Na primeira formulação, apropriada para pás de espessura finita, o escoamento no plano físico, para qualquer geometria de rotor de turbomáquina, é mapeado para o plano da grade linear. A solução numérica da equação de Fredholm de segunda espécie, resultante dessa formulação no plano da grade linear, é obtida pelo método dos painéis, através de uma distribuição de vórtices de densidade uniforme em cada painel. Por meio de uma equação de transformação de velocidades, as características do escoamento são reconduzidas para o plano físico. Na segunda formulação, apropriada para pás infinitamente finas, as características do escoamento são obtidas no próprio plano da grade radial. A solução numérica da equação de Fredholm de primeira espécie resultante dessa formulação é obtida também pelo método dos painéis, porém com uma distribuição de vórtices de densidade linear em cada painel. Diversas características locais e globais do escoamento são determinadas para vários formatos de pás. Baseando-se no carregamento da pá, propõe-se um parâmetro adimensional que determina o número ótimo de pás. Na análise experimental, foram construídos cinco rotores centrífugos com diferentes formatos e números de pás. Também, foi construída uma seção especial de testes para ensaios de rotores centrífugos sem interferência externa irregular no seu escoamento. Para a determinação das características do escoamento, foram utilizados dois sistemas de medidas: um, com uma sonda aerodinâmica localizada na saída do rotor centrífugo e, o outro, com uma célula de carga para a medição da potência de eixo desse rotor. A comparação entre os resultados obtidos por esses dois sistemas de medidas mostra algumas características importantes como o fenômeno da recirculação do escoamento no rotor centrífugo. Os resultados numéricos e experimentais são comparados para uma ampla faixa de vazões. Diversas análises dos resultados são apresentadas e alguns comentários são feitos sobre a validade da aplicação de teorias invíscidas em rotores centrífugos. Conclui-se que o critério baseado no número de Richardson máximo é apropriado para indicar o número ótimo de pás de rotores centrífugos com pás curvadas para trás, por meio do cálculo do escoamento potencial.