La presente investigación trata sobre un análisis de rendimiento exergético de una turbina de gas de 181,3 MW. Donde se aplicó leyes termodinámicas de conservación de masa y energía a cada componente del sistema. El funcionamiento de las turbinas de gas en la relación aire combustible puede variar de 45/1 a 130/1, es por eso que, cuando ocurre un exceso del aire, la temperatura disminuye y conduce a una reducción de la potencia que es generada por la turbina. Se realizó un balance de energía y exergía de una turbina de gas a ciclo simple; y para cada componente del sistema un estudio analítico energético y exergético. Se ha elaborado cálculos para los diferentes excesos de aire considerado las turbinas de gas y también una comparación de la eficiencia energética y exergética utilizando un diferente tipo de fluido. Se obtuvieron diferentes eficiencias exergéticas para los casos de los distintos excesos de aire, y una comparación para demostrar la destrucción de exergía y el rendimiento exergético en cada componente del turbogenerador. Se concluye que los flujos de exergía ocurren de mayor a menor, así como una eficiencia exergética; la mayor destrucción de exergía se encuentra en la turbina y la cantidad más baja en el compresor.

[pt] Turbinas a gás industriais modernas instaladas em usinas termelétricas têm seus parâmetros de desempenho monitorados em tempo real. Contudo, existem inúmeras falhas de operação que são impossíveis de serem detectadas pela simples visualização destes parâmetros, uma vez que a condição de operação do equipamento é influenciada por diversos fatores. Sistemas de diagnóstico são usualmente oferecidos pelos fabricantes destes equipamentos, mas não são divulgados na literatura aberta, que conta em geral com trabalhos aplicados a casos específicos e a turbinas aeronáuticas. Esta dissertação propõe um sistema de diagnóstico de falhas em turbinas a gás, o qual opera através da contínua comparação entre sinais medidos em campo, os quais são simulados por um programa computacional, e resultados gerados por um modelo de referência, simulador da turbina saudável. O sinal comparado serve de entrada para um sistema fuzzy, que identifica e quantifica a severidade das falhas. Foram testadas falhas fictícias no compressor e foi avaliada a influência da mudança de geometria na calibração do sistema. Os resultados mostraram a robustez do sistema e sua capacidade de aplicação em uma situação real. / [en] Modern industrial gas turbines installed in thermal power plants have its performance parameters monitored in real time, however, there are innumerable operation faults that cannot be detected by a simple visual analysis of these parameters, once the equipment operating condition is influenced by several factors. Diagnosis systems are usually offered by the manufacturers of these equipments, but the methodologies are not published in the open literature, which is mostly dedicated to aircraft engines. This dissertation proposes a gas turbine diagnosis system that operates through the continuous comparison between the field measured signals, simulated by a software, and results generated by a reference numerical model, which represents the healthy gas turbine. The compared signal is used as input to a fuzzy system that identifies and quantifies the faults severity. Dummy compressor faults have been tested and the influence of the variable geometry has been analyzed during the system calibration. The results have shown the robustness of the system and its capability to be applied in a real world situation.

[pt] A deterioração do desempenho da turbina a gás é resultado de vários tipos de falhas, como acúmulo de sujeira, erosão e corrosão, que afetam os componentes no caminho do gás, sendo os principais o compressor, o combustor e a turbina. No presente trabalho é avaliado o desempenho de Redes Neurais Artificiais (RNA) no emprego de diagnóstico de falha de turbinas a gás. Todas as redes projetadas são do tipo MLP (multi-layer perceptron) com algoritmo de retropropagação (backpropagation). Para cada função de diagnóstico, várias arquiteturas foram testadas, modificando parâmetros de rede como o número de camadas escondidas e o número de neurônios em cada uma destas camadas. As RNAs para diagnóstico de falhas foram aplicadas ao modelo termodinâmico de uma turbina a gás industrial. Este modelo foi responsável pela criação de dados da usina saudável e também degradada, utilizados para o treinamento e validação das redes. Com os resultados obtidos do treinamento das redes é possível mostrar que as mesmas são capazes de detectar, isolar e quantificar falhas de componentes de turbinas a gás de forma satisfatória. / [en] The gas turbine performance deterioration is a result of several types of faults such as fouling, erosion and corrosion, which affects the components throughout the gas path. As the most significant of these components we can enumerate the compressor, the combustion chamber and the turbine itself. In this work the performance of different types of Artificial Neural Networks (ANN) are evaluated in the diagnosis of this kind of fault. Every neural network designed in this work is MLP (multi-layer perceptron) with back propagation algorithm. For each diagnosis function several architectures were tested, varying network parameters as the numbers of hidden layers and the number of neurons in each layer. The ANNs for fault diagnosis were applied in an industrial gas turbine thermodynamic model. This model was also used for healthy and degraded turbine data generation, which were used for ANNs training and validation. With the ANNs training results we can conclude that these networks are capable of detecting, isolating and quantifying gas turbine components faults in a satisfactory way.

[pt] As turbinas a gás são equipamentos de vital importância para o setor industrial, fornecendo trabalho e calor para diversos setores, do transporte aos sistemas de cogeração. A crescente necessidade de geração de energia elétrica confiável tem incentivado o projeto de turbinas a gás industriais, inclusive no Brasil, que operam com vários combustíveis como o diesel, gás natural, álcool e de combustíveis de baixo poder calorífico. Para melhor monitorar e controlar estes motores, uma análise completa da previsão de funcionamento em regime transitório é necessária. Durante o regime transitório das turbinas a gás industriais (heavy-duty), o sistema de controle deve manter os limites de certos parâmetros, tais como a temperatura na entrada da turbina e a velocidade de rotação do eixo, no seu valor nominal. Além disso, o tempo de resposta necessário para o sistema de controle atuar deve ser o mais breve possível para garantir uma operação de qualidade, segura e confiável. A temperatura de entrada da turbina, que é um parâmetro muito importante no desempenho de uma turbina a gás, é limitada pela resistência mecânica do material das pás da turbina. A velocidade de rotação do eixo deve permanecer constante, devido à ligação ao sistema elétrico, que não pode suportar altas flutuações de freqüência. Este trabalho tem como motivação o incremento da capacidade de simulação de um modelo computacional existente, incorporando, para este fim, rotinas de sistemas de controle. Como resultado, o novo modelo é capaz de simular qualquer condição de funcionamento de turbinas a gás industriais, em regime permanente e transitório controlado. Os resultados obtidos pelo programa computacional se mostraram fiéis ao comportamento real da máquina. Além disso, mostraram a flexibilidade do modelo ao lidar com diferentes condições de operação.Um programa computacional capaz de simular o desempenho transitório controlado de turbinas a gás é de extrema relevância para o desenvolvimento de softwares que auxiliam os operadores destes equipamentos. Dentre estes, estão os sistemas de monitoramento e diagnóstico dos equipamentos em questão. / [en] Gas turbine engines are a vital part of today’s industry, providing both work and heat for several industry sectors, from transportation to cogeneration systems. The growing need for reliable electricity has encouraged the design of stationary gas turbines, including in Brazil, which operates on multiple fuels such as diesel, natural gas and low calorific fuels. To better monitor and control these engines, a complete analysis for prediction of transient operation is required. During transient operation of heavy duty gas turbines, the control system must keep the limits of certain parameters, such as turbine inlet temperature (TIT) and the rotational shaft speed within their design range. Moreover, the time required for the control system to react should be as short as possible to guarantee a safe and reliable operation. The turbine inlet temperature, which is a very important parameter in the performance of a gas turbine, is limited by the turbine blades material mechanical resistance. Furthermore, the rotational speed should remain constant due to the electric grid connection, which cannot withstand high frequency fluctuations. This work is motivated by the need to increase the ability of a computer model to simulate the performance of industrial gas turbines, incorporating, for this purpose, control system routines. As a result, the new model will be able to simulate any operating condition of industrial gas turbines, in both steady state and transient. The results obtained by the computer program proved to be faithful to the actual behavior of the engine. Furthermore, they showed the flexibility of the model to deal with different operating conditions. A computer program capable of simulating the transient performance of gas turbines is very important for the development softwares to help operators of such equipment. In addition, it could be used in on-line intelligent diagnostic program.

[pt] Uma Rede Organizacional Virtual é uma organização de cooperação interorganizacional, com uso intenso de Tecnologia de Informação e Comunicação, típica do ambiente globalizado. Nesta dissertação, busca-se caracterizar esse padrão de rede e propor instrumentos para seu gerenciamento. O termo Redes Organizacionais Virtuais é introduzido, a partir da caracterização e da classificação das Redes de Cooperação e das Organizações Virtuais. Propõe- se a Metodologia de Reticulação para o planejamento e formação dessas redes e explicita-se a necessidade de instrumentos de coordenação, controle e avaliação para assegurar o seu melhor desempenho. Com essa fundamentação, analisa-se a Rede de Projeto e Desenvolvimento de Turbinas a Gás - RTG, determinando-se suas características e propondo-se metodologias de planejamento, coordenação e controle para sua administração. Recomenda-se, ainda, a implementação de um sistema de informações como instrumento reticulador. / [en] A Virtual Organizational Network is an inter-organizational cooperation organization, based in Communication and Information Technology, typical of the global environment. The objective of this dissertation is to characterize this network and propose appropriate management tools for its adequate functioning. The term Virtual Organizational Network is introduced based on the characteristics and taxonomy of Cooperation Networks and Virtual Organizations. To form, consolidate and plan this network, the Reticulation Methodology is proposed. The necessity of coordination, governance and performance evaluation tools for these networks is made explicit. This constitutes the basis for the analysis of the Gas Turbine Development and Project Network- RTG. Its characteristics are identified and methodologies for its planning, coordination and governance are proposed, as well as an Information System, as instrument for reticulation.

[pt] Turbinas a gás são equipamentos muito complexos e caros. No caso de falha em uma turbina, há obviamente perdas diretas, mas as indiretas são normalmente muito maiores, uma vez que tal equipamento é crítico para a operação de instalações industriais, aviões e veículos pesados. Portanto, é fundamental que turbinas a gás sejam providas com um sistema eficiente de monitoramento e diagnóstico. Isto é especialmente relevante no Brasil, cuja frota de turbinas tem crescido muito nos últimos anos, devido, principalmente, ao aumento do número de usinas termelétricas e ao crescimento da aviação civil. Este trabalho propõe um Sistema de Inferência Fuzzy (SIF) com extração automática de regras para diagnóstico de desempenho de turbinas a gás aeronáuticas. O sistema proposto faz uso de uma abordagem residual – medições da turbina real são comparadas frente a uma referência de turbina saudável – para tratamento dos dados brutos de entrada para os módulos de detecção e isolamento, que, de forma hierárquica, são responsáveis por detectar e isolar falhas em nível de componentes, sensores e atuadores. Como dados reais de falhas em turbinas a gás são de difícil acesso e de obtenção cara, a metodologia é validada frente a uma base de dados de falhas simuladas por um software especialista. Os resultados mostram que o SIF é capaz de detectar e isolar corretamente falhas, além de fornecer interpretabilidade linguística, característica importante no processo de tomada de decisão no contexto de manutenção. / [en] A Gas turbine is a complex and expensive equipment. In case of a failure indirect losses are typically much larger than direct ones, since such equipment plays a critical role in the operation of industrial installations, aircrafts, and heavy vehicles. Therefore, it is vital that gas turbines be provided with an efficient monitoring and diagnostic system. This is especially relevant in Brazil, where the turbines fleet has risen substantially in recent years, mainly due to the increasing number of thermal power plants and to the growth of civil aviation. This work proposes a Fuzzy Inference System (FIS) with automatic rule extraction for gas path diagnosis. The proposed system makes use of a residual approach – gas path measurements are compared to a healthy engine reference – for preprocessing raw input data that are forwarded to the detection and isolation modules. These operate in a hierarchical manner and are responsible for fault detection and isolation in components, sensors and actuators. Since gas turbines failure data are difficult to access and expensive to obtain, the methodology is validated by using a database fault simulated by a specialist software. The results show that the SIF is able to correctly detect and isolate failures and to provide linguistic interpretability, which is an important feature in the decision-making process regarding maintenance.

[ES] El principal desafío en los motores turbina de gas empleados en aviación reside en aumentar la eficiencia del ciclo termodinámico manteniendo las emisiones contaminantes por debajo de las rigurosas restricciones. Ésto ha conllevado la necesidad de diseñar nuevas estrategias de inyección/combustión que operan en puntos de operación peligrosos por su cercanía al límite inferior de apagado de llama. En este contexto, el concepto Lean Direct Injection (LDI) ha emergido como una tecnología prometedora a la hora de reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) emitidos por las plantas propulsoras de los aviones de nueva generación. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivos contribuir al conocimiento de los mecanismos físicos que rigen el comportamiento de un quemador LDI y proporcionar herramientas de análisis para una profunda caracterización de las complejas estructuras de flujo de turbulento generadas en el interior de la cámara de combustión. Para ello, se ha desarrollado una metodología numérica basada en CFD capaz de modelar el flujo bifásico no reactivo en el interior de un quemador LDI académico mediante enfoques de turbulencia U-RANS y LES en un marco Euleriano-Lagrangiano. La resolución numérica de este problema multi-escala se aborda mediante la descripción completa del flujo a lo largo de todos los elementos que constituyen la maqueta experimental, incluyendo su paso por el swirler y entrada a la cámara de combustión. Ésto se lleva a cabo través de dos códigos CFD que involucran dos estrategias de mallado diferentes: una basada en algoritmos de generación y refinamiento automático de la malla (AMR) a través de CONVERGE y otra técnica de mallado estático más tradicional mediante OpenFOAM. Por un lado, se ha definido una metodología para obtener una estrategia de mallado óptima mediante el uso del AMR y se han explotado sus beneficios frente a los enfoques tradicionales de malla estática. De esta forma, se ha demostrado que la aplicabilidad de las herramientas de control de malla disponibles en CONVERGE como el refinamiento fijo (fixed embedding) y el AMR son una opción muy interesante para afrontar este tipo de problemas multi-escala. Los resultados destacan una optimización del uso de los recursos computacionales y una mayor precisión en las simulaciones realizadas con la metodología presentada. Por otro lado, el uso de herramientas CFD se ha combinado con la aplicación de técnicas de descomposición modal avanzadas (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificación numérica de los principales modos acústicos en la cámara de combustión ha demostrado el potencial de estas herramientas al permitir caracterizar las estructuras de flujo coherentes generadas como consecuencia de la rotura de los vórtices (VBB) y de los chorros fuertemente torbellinados presentes en el quemador LDI. Además, la implementación de estos procedimientos matemáticos ha permitido tanto recuperar información sobre las características de la dinámica de flujo como proporcionar un enfoque sistemático para identificar los principales mecanismos que sustentan las inestabilidades en la cámara de combustión. Finalmente, la metodología validada ha sido explotada a través de un Diseño de Experimentos (DoE) para cuantificar la influencia de los factores críticos de diseño en el flujo no reactivo. De esta manera, se ha evaluado la contribución individual de algunos parámetros funcionales (el número de palas del swirler, el ángulo de dichas palas, el ancho de la cámara de combustión y la posición axial del orificio del inyector) en los patrones del campo fluido, la distribución del tamaño de gotas del combustible líquido y la aparición de inestabilidades en la cámara de combustión a través de una matriz ortogonal L9 de Taguchi. Este estudio estadístico supone un punto de partida para posteriores estudios de inyección, atomización y combus / [CA] El principal desafiament als motors turbina de gas utilitzats a la aviació resideix en augmentar l'eficiència del cicle termodinàmic mantenint les emissions contaminants per davall de les rigoroses restriccions. Aquest fet comporta la necessitat de dissenyar noves estratègies d'injecció/combustió que radiquen en punts d'operació perillosos per la seva aproximació al límit inferior d'apagat de flama. En aquest context, el concepte Lean Direct Injection (LDI) sorgeix com a eina innovadora a l'hora de reduir els òxids de nitrogen (NOx) emesos per les plantes propulsores dels avions de nova generació. Sota aquest context, aquesta tesis té com a objectius contribuir al coneixement dels mecanismes físics que regeixen el comportament d'un cremador LDI i proporcionar ferramentes d'anàlisi per a una profunda caracterització de les complexes estructures de flux turbulent generades a l'interior de la càmera de combustió. Per tal de dur-ho a terme s'ha desenvolupat una metodología numèrica basada en CFD capaç de modelar el flux bifàsic no reactiu a l'interior d'un cremador LDI acadèmic mitjançant els enfocaments de turbulència U-RANS i LES en un marc Eulerià-Lagrangià. La resolució numèrica d'aquest problema multiescala s'aborda mitjançant la resolució completa del flux al llarg de tots els elements que constitueixen la maqueta experimental, incloent el seu pas pel swirler i l'entrada a la càmera de combustió. Açò es duu a terme a través de dos codis CFD que involucren estratègies de mallat diferents: una basada en la generación automàtica de la malla i en l'algoritme de refinament adaptatiu (AMR) amb CONVERGE i l'altra que es basa en una tècnica de mallat estàtic més tradicional amb OpenFOAM. D'una banda, s'ha definit una metodologia per tal d'obtindre una estrategia de mallat òptima mitjançant l'ús de l'AMR i s'han explotat els seus beneficis front als enfocaments tradicionals de malla estàtica. D'aquesta forma, s'ha demostrat que l'aplicabilitat de les ferramente de control de malla disponibles en CONVERGE com el refinament fixe (fixed embedding) i l'AMR són una opció molt interessant per tal d'afrontar aquest tipus de problemes multiescala. Els resultats destaquen una optimització de l'ús dels recursos computacionals i una major precisió en les simulacions realitzades amb la metodologia presentada. D'altra banda, l'ús d'eines CFD s'ha combinat amb l'aplicació de tècniques de descomposició modal avançades (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificació numèrica dels principals modes acústics a la càmera de combustió ha demostrat el potencial d'aquestes ferramentes al permetre caracteritzar les estructures de flux coherents generades com a conseqüència del trencament dels vòrtex (VBB) i dels raigs fortament arremolinats presents al cremador LDI. A més, la implantació d'estos procediments matemàtics ha permès recuperar informació sobre les característiques de la dinàmica del flux i proporcionar un enfocament sistemàtic per tal d'identificar els principals mecanismes que sustenten les inestabilitats a la càmera de combustió. Finalment, la metodologia validada ha sigut explotada a traves d'un Diseny d'Experiments (DoE) per tal de quantificar la influència dels factors crítics de disseny en el flux no reactiu. D'aquesta manera, s'ha avaluat la contribución individual d'alguns paràmetres funcionals (el nombre de pales del swirler, l'angle de les pales, l'amplada de la càmera de combustió i la posició axial de l'orifici de l'injector) en els patrons del camp fluid, la distribució de la mida de gotes del combustible líquid i l'aparició d'inestabilitats en la càmera de combustió mitjançant una matriu ortogonal L9 de Taguchi. Aquest estudi estadístic és un bon punt de partida per a futurs estudis de injecció, atomització i combustió en cremadors LDI. / [EN] Aeronautical gas turbine engines present the main challenge of increasing the efficiency of the cycle while keeping the pollutant emissions below stringent restrictions. This has led to the design of new injection-combustion strategies working on more risky and problematic operating points such as those close to the lean extinction limit. In this context, the Lean Direct Injection (LDI) concept has emerged as a promising technology to reduce oxides of nitrogen (NOx) for next-generation aircraft power plants In this context, this thesis aims at contributing to the knowledge of the governing physical mechanisms within an LDI burner and to provide analysis tools for a deep characterisation of such complex flows. In order to do so, a numerical CFD methodology capable of reliably modelling the 2-phase nonreacting flow in an academic LDI burner has been developed in an Eulerian-Lagrangian framework, using the U-RANS and LES turbulence approaches. The LDI combustor taken as a reference to carry out the investigation is the laboratory-scale swirled-stabilised CORIA Spray Burner. The multi-scale problem is addressed by solving the complete inlet flow path through the swirl vanes and the combustor through two different CFD codes involving two different meshing strategies: an automatic mesh generation with adaptive mesh refinement (AMR) algorithm through CONVERGE and a more traditional static meshing technique in OpenFOAM. On the one hand, a methodology to obtain an optimal mesh strategy using AMR has been defined, and its benefits against traditional fixed mesh approaches have been exploited. In this way, the applicability of grid control tools available in CONVERGE such as fixed embedding and AMR has been demonstrated to be an interesting option to face this type of multi-scale problem. The results highlight an optimisation of the use of the computational resources and better accuracy in the simulations carried out with the presented methodology. On the other hand, the use of CFD tools has been combined with the application of systematic advanced modal decomposition techniques (i.e., Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). The numerical identification of the main acoustic modes in the chamber have proved their potential when studying the characteristics of the most powerful coherent flow structures of strongly swirled jets in a LDI burner undergoing vortex breakdown (VBB). Besides, the implementation of these mathematical procedures has allowed both retrieving information about the flow dynamics features and providing a systematic approach to identify the main mechanisms that sustain instabilities in the combustor. Last, this analysis has also allowed identifying some key features of swirl spray systems such as the complex pulsating, intermittent and cyclical spatial patterns related to the Precessing Vortex Core (PVC). Finally, the validated methodology is exploited through a Design of Experiments (DoE) to quantify the influence of critical design factors on the non-reacting flow. In this way, the individual contribution of some functional parameters (namely the number of swirler vanes, the swirler vane angle, the combustion chamber width and the axial position of the nozzle tip) into both the flow field pattern, the spray size distribution and the occurrence of instabilities in the combustion chamber are evaluated throughout a Taguchi's orthogonal array L9. Such a statistical study has supposed a good starting point for subsequent studies of injection, atomisation and combustion on LDI burners. / Belmar Gil, M. (2020). Computational study on the non-reacting flow in Lean Direct Injection gas turbine combustors through Eulerian-Lagrangian Large-Eddy Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159882 / TESIS