Este trabalho utiliza técnicas de otimização aplicadas em projetos de turbomáquinas para otimizar a eficiência dentro e fora do ponto de projeto. O projeto de compressores e turbinas axiais são projetos complexos com diversas relações a serem consideradas e balanceadas durante a fase de projeto. Desta forma, a utilização de uma ferramenta de otimização se faz necessária para encontrar a melhor configuração para os parâmetros geométricos que afetam diretamente a eficiência e desempenho do componente comprometendo o motor turbina a gás como um todo. Foi utilizado uma metodologia de otimização hibrida reunindo a utilização de um algoritmo evolutivo e um determinístico com o objetivo de alcançar o ótimo global do projeto e acelerar o processo de otimização. Para o algoritmo evolutivo foi utilizado o NSGA II e para o determinístico o Programação Quadrática Sequencial. Os algoritmos foram aplicados a dois projetos, primeiro a uma turbina axial com projeto de linha média considerando ponto de projeto, a qual foi implementada o modelo de predição de perdas de Denton. Neste projeto foram alterados parâmetros geométricos para maximizar a eficiência minimizando as perdas. No segundo projeto foi utilizado o programa AFCC que simula um compressor operando dentro e fora do ponto de projeto, foi analisada a influência do uso de VIGVs e VSVs para operações fora do ponto de projeto, bem como a quantidade necessária de estatores variáveis no compressor, com o objetivo de encontrar o melhor ângulo de abertura para maximizar a eficiência e aumentar a faixa de operação do compressor afastando problemas de estol e bombeamento. A utilização de técnica de otimização hibrida aplicada a projeto de turbomáquinas se mostrou muito eficiente reduzindo o custo computacional em três vezes quando comparado ao algoritmo genético puro ao mesmo tempo em que se pode trabalhar com problemas multi-objetivos e encontrar o ótimo global do projeto.

Nos últimos anos, a necessidade e a busca pela geração de energia de forma eficiente tem sido alvo de pesquisa de muitas universidades e empresas. Empresas vêem oportunidade de suprir a própria demanda e em alguns casos vender o excesso de energia. A empresa brasileira Vale Soluções em Energia (VSE) em parceria com o Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) visando entrar nesse mercado de geração de energia desenvolveu um programa de mestrado focando o estudo de turbinas a gás. Este tipo de motor é bastante complexo, tanto no projeto como na operação, e para garantir que o mesmo opere conforme especificado pelo fabricante, testes precisam ser realizados em bancos de ensaios especialmente projetados. Os bancos de ensaio possuem instrumentos que permitem a leitura de parâmetros do motor que possibilitam a verificação de sua eficiência e o seu comportamento, tanto na fase de desenvolvimento ou após passar por manutenção, visando garantir o desempenho e a eficiência dos motores especificados pelo fabricante, em condições seguras de operação. No trabalho foi desenvolvido um estudo pormenorizado da instrumentação necessária para ensaios de turbinas a gás em banco de teste, definindo os tipos de testes e identificando intervalos de regime permanente nos sinais obtidos durante a realização dos mesmos. Para realizar a identificação foi desenvolvido um programa computacional em LabVIEW. Para a validação do algoritmo foi desenvolvido um segundo programa computacional que gera séries temporais, também desenvolvido em ambiente LabVIEW. Neste segundo programa foram geradas séries com intervalos em regime permanente pré definidos e esses intervalos foram comparados com os encontrados pelo programa de identificação de regime permanente.

Os motores do tipo turbinas a gás são utilizados em aplicação onde altas potências são requeridas. Para ambas as aplicações, industrial ou aeronáutica, a busca por alta eficiência e desempenho é constante, procurando melhorar o processo de transferência de energia. Nesse ponto, torna-se importante a pesquisa e o estudo de componentes mais sofisticados. É nesse contexto, que o presente trabalho foi desenvolvido para avaliar um dos itens de grande influência no desempenho de turbomáquinas, conhecido como perdas de alto desempenho devido ao escoamento interno sobre o topo do rotor. O escoamento que passa do lado de pressão para o lado de sucção da pá através do topo do rotor é chamado de escoamento de vazamento, este não participa do processo de transferência de energia, sendo uma fonte de perda interna que causa queda na eficiência da turbomáquina. Neste estudo, diferentes tecnologias para a geometria do topo das pás do rotor são utilizadas para analisar a influência destas geometrias em uma turbina axial de alta pressão (HPT) de único estágio. O estudo dessas diferentes configurações no topo do rotor da turbina foi baseado nos cálculos do escoamento utilizando a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) com equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS), utilizando o programa comercial ANSYS CFX v. 13.0. A configuração de topo padrão (topo plano) foi modificada e as seguintes configurações foram utilizadas: sem folga, com topo plano, com squealer, com winglet e com squealer-winglet. Os resultados mostraram que os métodos de dessensibilização aplicados no topo do rotor possuem melhor desempenho que o caso com topo plano. A configuração winglet apresentou melhor resultados que as outras configurações para a turbina na rotação de projeto. E a configuração squealer-winglet apresentou melhor resultados que as outras configurações para 80% da rotação de projeto. As três configurações de dessensibilização estudadas comprovaram serem superiores ao rotor de topo plano, justificando seu uso para aplicações em turbina de alta pressão.

A indústria aeronáutica vem investindo no desenvolvimento de novas tecnologias capazes de atingir as exigências mais rigorosas de emissões de poluentes, ruídos e consumo. Neste contexto as ferramentas computacionais desempenham um papel de destaque, sendo indispensáveis na avaliação de projetos antes de serem fabricados e testados. A técnica da Dinâmica dos Fluídos Computacional é uma dessas ferramentas que auxiliam os projetistas e pesquisadores no desenvolvimento de turbomáquinas mais eficientes e no melhor entendimento dos fenômenos fluido dinâmicos envolvidos no escoamento. O presente estudo avaliou a influência dos diferentes métodos de discretização das equações de transporte convectivas da mecânica dos fluídos e dos modelos de turbulência. Desta forma, utilizou-se diversos modelos de turbulência, sendo selecionados os mais usuais na indústria e em centros acadêmicos. No âmbito numérico, a investigação utilizou dois métodos de discretização: upwind de primeira ordem e um de alta resolução do tipo MUSCL disponível no programa comercial ANSYS CFX v. 13. O caso teste escolhido para realizar a investigação foi um estágio de turbina axial aeronáutica de alta pressão alto desempenho. O campo do escoamento foi determinado para diferentes pontos de operação da turbomáquina e os resultados comparados com dados experimentais disponíveis. Os resultados obtidos no cálculo do escoamento foram avaliados com base em análises gráficas e de contornos, de forma qualitativa e quantitativa. Entre os parâmetros verificados foram a capacidade de cada método e modelo em capturar fenômenos específicos bem como em atingir a convergência numérica. Ao final, como verificação dos resultados obtidos nas simulações em DFC, foram feitas recomendações acerca dos métodos numéricos e modelos de turbulências para aplicação industrial. Os resultados apresentados são de importância para estudiosos na área de turbomáquinas, pois revelam aspectos importantes referentes ao âmbito numérico e de modelos de turbulência.

O principal objetivo deste trabalho é apresentar a especificação de um banco de ensaios de um modelo de turbina axial a gás do motor foguete a propelente líquido RD-0109 russo, com suas principais especificações e características, instrumentação do sistema de medição, sistema de aquisição de dados, bem como o planejamento de ensaios. Para determinar as características de operação da turbina é necessário obter nos ensaios as medidas de rotação, torque, pressão de entrada e saída, vazão mássica e temperatura de entrada e saída. Os dados de medição nos ensaios da turbina serão utilizados para uma análise comparativa com os dados teóricos extraídos do cálculo dos parâmetros de desempenho da turbina a gás. Os ensaios no modelo da turbina axial a gás devem ser realizados utilizando o ar como fluido de trabalho, similar ao fluido-real, e isto se deve ao alto custo e à complexidade dos ensaios se utilizasse como fluido de trabalho o gás gerado pela combustão dos propelentes do motor. Neste caso é evitada a limitação devida a grande dificuldade em proceder-se medições precisas em altas temperaturas e pressões elevadas de entrada e saída.

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.

O desempenho de turbinas a gás pode ser melhorado através do aumento da temperatura do escoamento na entrada da turbina. Porém, há uma temperatura máxima na qual o material pode operar sem que ocorram danos e comprometimento da vida útil do mesmo. Acima desta temperatura limite, torna-se necessário fazer o resfriamento do material. O resfriamento das pás e discos da turbina é feito através do ar extraído do compressor. O fluido refrigerante é ejetado no escoamento principal (circuito aberto) após passar pelo interior da pá e trocar calor com a superfície da mesma. A ejeção é feita através de fendas no bordo de fuga, furos no topo da pá e/ou através de diversos furos ao longo da superfície da pá. Após o fluido refrigerante ser misturado com o escoamento principal, ocorre uma diminuição da temperatura do gás e, consequentemente, uma redução da potência/empuxo do motor. A quantidade de fluido refrigerante necessária para o resfriamento está diretamente relacionada ao limite de temperatura do material, à técnica de resfriamento utilizada e aos requisitos de operação do motor e tem efeito direto nos parâmetros de desempenho do motor. Um programa computacional, denominado CTurb, foi desenvolvido para auxiliar na escolha da técnica de resfriamento, na estimativa da quantidade de fluido refrigerante a ser extraída e na análise de desempenho de motores com turbinas resfriadas. Os métodos de Young e Wilcock e Horlock, Watson e Jones foram implementados para a estimativa da vazão do ar de resfriamento e para o cálculo das perdas associadas ao resfriamento. A análise do efeito do resfriamento no desempenho do motor foi feita através da implementação do CTurb no programa de cálculo de ciclo GTAnalysis. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com resultados disponíveis na literatura aberta e demonstraram a importância de considerar o resfriamento nas estimativas de desempenho de ciclos com resfriamento da turbina.

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.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:39:12Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo6455_1.pdf: 3207032 bytes, checksum: 297d786de0f57e8107f170bb4300ad71 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia simplificada baseada nos dados atualmente disponíveis, para demonstrar a estimativa preliminar de produção de energia eólica offshore no Brasil através de um estudo de caso com aplicação de aerogeradores. O Brasil possui cerca de 3,6 milhões de km² na sua Zona Econômica Exclusiva, área que pode ser aproveitada para a produção de energia eólica offshore. O estudo de caso foi realizado para a Ilha de Itamaracá no estado de Pernambuco com o intuito de suprir a demanda energética da Ilha, cujo consumo no ano de 2010 foi de 28.667 MWh. Realizou-se uma análise dos ventos no local através de um mapa eólico do oceano medido a 10 m de altura e com isso foi feita uma extrapolação da velocidade do vento para 90 m através da Lei Logarítmica. Calculou-se a distribuição de frequência de Weibull e a produção anual de energia. Analisou-se também a profundidade da água através da carta náutica para a definição de um local para aplicação dos aerogeradores. O resultado apresentado mostrou que três aerogeradores de 3 MW de potência à velocidade calculada de 7,15 m/s gerariam em torno de 30.000 MWh/ano, o que são suficientes para garantir energia durante todo o ano para a Ilha de Itamaracá

Orientador : Waldyr Luiz Ribeiro Gallo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-01T19:50:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EspiritoSanto_DenilsonBoschierodo_D.pdf: 8554274 bytes, checksum: 3cf304628022beb4af95d2fb8ca66638 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Dentro de - um mercado livre de eletricidade-; preocupações ambientais, escassez de- recursos naturais, etc, a avaliação de sistemas- térmicos se toma- uma rerramentabastante importante na tomada de decisões de investimento e de liberação de recursos por parte dos bancos de desenvolvimento em pequenos, médios e grandes projetos de energia. No caso específico da geração de eletricidade o grande número de variáveis e incertezas envolvidas em um projeto termelétrico toma o desenvolvimento de métodos computacionais importante- para mensurar a utilização/conversão de energia com as- variações _ demanda, variações- climáticas, estratégias de operação, condições econômicas (compra e/ou venda de eletricidade, custos de combustível, manutenção, etc), desempenho dos equipamentos, etc. Este trabalho apresenta alguns métodos (clássicos) de representação matemática de processos físicos envolvidos em plantas térmicas de geração de eletricidade. Desenvolve-a compilação- computacional dos métodos para permitir o tratamento de novas situações com bastante agilidade (simulação), revelando- o- desempenhado sistema fora da condição de projeto. Algoritmos computacionais de simulação de sistemas termelétricos permitem revelar-se cenários únicos da operação da planta e análise de parâmetros de influência. O método é aplicado para a análise de possíveis sistemas de cogeração para o Hospital de Clínicas da Unicamp e para uma termelétrica em ciclo combinado com dois níveis de pressão. Os resultados revelam possibilidades de otimização da planta térmica e possibilitam mensurar os benefícios da implementação de novos sistemas ou de melhora de desempenho dos existentes / Abstract: Within a free market of electricity, environmental concerns, scarce natural resources, etc. the evaluation of thermal systems becomes a very important tool for investors' decision making as well as for development banks to avow loans to small, medium-sized and big energy projects. In the specific case of electricity generation, the great number of variables and uncertainties involved in a thermoelectric project make the development of computational methods to measure the utilization/conversion of energy very important; particularly due to variations of demand, c1imatic changes, operational strategies, economic conditions (exchange of electricity with the grid, fuel cost, maintenance, first cost, etc.) and to equipment performance. This work proposes some well-known methods (classic) with mathematical representations of physical processes applied in thermal plants for generation of electricity. It also discuss a compilation of computational methods that can be used with great speed (simulation) in the management of new situations, disc1osing the system operation in conditions other than the one used in the design Computational algorithms here offered for simulation of thermoelectric systems display unique scenarios of a plant operation and analysis of its influential parameters. The method here described was tested in the analysis of possible systems of cogeneration for "Hospital de CHnicas da Unicamp" (university hospital) and for a thermoelectric dual pressure combined cycle. Results show optimization possibilities for thermal plants and demonstrate how to measure the gains of new systems as well as the performance improvement of existing ones / Doutorado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica