Em turbinas a gás, aumentos de potência específica e redução do consumo específico de combustível podem ser conseguidos aumentando a temperatura de entrada da turbina (TET). Altas TET podem implicar em economia significativa de combustível que se traduz em milhares de dólares por ano. Isso justifica os investimentos destinados ao desenvolvimento de novas ligas resistentes à alta temperatura e em melhores sistemas de resfriamento. Através dos anos, a TET saltou de cerca de 1200 K no início dos anos 60 para patamares mais altos como os atuais 1850 K. O resfriamento por filme é uma técnica complexa que depende da interação entre o escoamento principal mais quente e o jato de resfriamento. Um parâmetro, a eficiência de resfriamento, é utilizado como medida do quanto o jato de resfriamento é misturado ao escoamento principal variando de 1, perto do furo de resfriamento, e 0 a jusante dele. A eficiência depende de um grande número de parâmetros, sendo a maioria deles associados a topologia do jato em um escoamento cruzado. O jato ao sair de uma parede encontra o escoamento principal sendo dobrado na direção do fluxo dando origem a um par de vórtices contra-rotativos que bombeiam fluido de baixa temperatura para longe da parede arrastando fluido do escoamento principal de alta temperatura para junto dela. A maior parte das pesquisas em configurações de resfriamento concentram-se nos meios de reduzir o desenvolvimento destes vórtices contra-rotativos através do emprego de técnicas como trincheiras, furos de formato difusor, furos irmãos e esquemas antivórtice. A presente investigação é baseada em pesquisas anteriores e traz uma nova proposta de furo antivórtice. O sistema constituído por dois furos alinhados com o fluxo principal é investigado a fim de avaliar os efeitos de suas interações com a distribuição de temperatura a jusante. O desenvolvimento dos vórtices contra-rotativos no furo a montante irá alterar o campo do escoamento devido ao furo a jusante, que pode ter um efeito adverso sobre a eficiência do filme de resfriamento. Fileiras de furos são utilizadas para proporcionar um aumento do resfriamento em regiões específicas e a presente investigação aborda questões como qual será o campo do escoamento resultante, bem como a capacidade de resfriamento quando tal configuração é empregada. Ela consiste em posicionar um furo auxiliar de resfriamento a frente do furo principal com metade de sua área. A massa total de um caso de referência com um furo de resfriamento é redistribuída em diferentes combinações de proporção por ambos os furos (auxiliar e principal). Também são investigados o impacto dos ângulos de injeção dos furos de resfriamento na eficiência do filme. Simulações numéricas são efetuadas utilizando-se o programa livre baseado no método de volumes finitos OpenFOAM para resolver as equações de Navier-Stokes com médias de Favre tridimensionais juntamente com o modelo de turbulência k-? SST para fechar o sistema de equações. Os resultados mostram que o uso de um furo auxiliar de resfriamento apresentou um resultado significativo quando comparado ao caso de um único furo, indicando que a técnica pode ser muito útil quando necessita-se de uma melhor proteção em locais específicos da pá.

Uma das principais causas para o surgimento de tensões na região de encaixe da pá no disco de turbinas está associada à força centrífuga, cargas de torção devidas à pressão dos gases e cargas térmicas. Devido a este fenômeno, a avaliação de tensão nesta região deve ser executada a fim de evitar a algum tipo de falha. Neste trabalho, um modelo de elementos finitos 3D foi criado no software ANSYS 13.0, com o objetivo de avaliar as tensões e deformações na região da junção que conecta a raiz da pá ao rasgo do disco de uma turbina. Uma atenção particular foi dada ao tipo de fixação "fir-tree", em que atualmente é utilizada na maioria das turbinas dos motores de turbinas a gás. Um modelo preliminar do disco foi desenvolvido com seção retangular constante usando o software CATIA como forma comparativa dos resultados de tensões obtidos ao longo do disco pelo software de elementos finitos com resultados analíticos. Posteriormente, foram geradas as geometrias da pá e do disco para o tipo de junção dovetail com seção retangular constante no software CATIA como forma de validação da metodologia aplicada, tal como: condições de contorno, tipo de malha e elementos de contato. Em seguida, aplicou-se esta metodologia no encaixe tipo fir-tree, em que a geometria da pá e do disco foi construída no software ProE, sendo que esses componentes foram gerados separados como modelos paramétricos. Esta abordagem possibilita mudanças das variáveis de projeto com facilidade e antes de importar o modelo completo, os componentes foram montados no software CAD. Todos os modelos comentados foram importados e analisados pelo software ANSYS 13.0 utilizando o módulo estrutural do ambiente Workbench. A configuração do módulo de estrutura estática do Workbench do ANSYS 13.0 reconhece automaticamente as faces da pá que estão em contato com o disco do dovetail e fir-tree como uma conexão de contato. Por fim, um caso realístico de uma turbina foi avaliado neste trabalho e os resultados para esta situação revelam uma assimetria das tensões ao longo da espessura e ao longo dos dentes da pá e do disco. Efeitos na mudança do coeficiente de atrito e alteração do material também foram avaliados para este modelo realístico. Os resultados adquiridos foram comparados com as propriedades mecânicas do material adotado, particularmente a tensão de escoamento.

O sistema de ar secundário em turbinas a gás é responsável pela distribuição de ar para o resfriamento das partes quentes do motor, balanceamento de eixo e vedação das folgas formadas entre componentes rotativos e estáticos. Este sistema, geralmente contém selos do tipo labirinto para realizar um controle de ar através de perdas de carga. Para realizar todas as funções supracitadas, o sistema secundário de ar pode consumir cerca de 20% do fluxo de massa total do motor, tendo um impacto significante sobre a eficiência do mesmo. Desta maneira, fica claro que o controle adequado de ar é essencial para um bom desempenho da turbina a gás. O presente trabalho visa comparar diferentes configurações de selos labirintos, a fim de encontrar uma configuração mais adequada para o controle de ar no escoamento secundário. Para tal, simulações numéricas foram realizadas utilizando o software livre de volumes finitos OpenFOAM para resolver as equações gerais de mecânica dos fluidos com média de Favre bi e tridimensionais. Resultados baseados na análise dos parâmetros coeficiente de descarga (Cd) e função fluxo de massa (?) mostram que uma determinação adequada dos parâmetros geométricos do labirinto, juntamente com a adição de ranhuras reduzem o fluxo de massa no labirinto em até 9%.

The necessity for high performance axial compressors for various applications is shown. The basic theory associated with the study of these machines is presented. A method for calculating the properties of the flow along the compressor is presented. Depending on the design requirements the number of stages is selected and an appropriate shape of the channel studied. Then the compressor blading is made, row-by-row, from the calculation of the flow using a non-viscous flow associated with a loss model that allows, from the known flow at the leading edge, calculate the flow at the trailing edge. The calculations are made on streamlines initially positioned by the criterion of the same area and then repositioned according to the flow calculation in each row until the streamlines do not change their position anymore. Then the boundary-layer on hub and casing walls is evaluated, calculating the blockage coefficients, initially arbitrated. An iterative procedure is done until the blockage coefficients no longer vary. At the end, there are all the dimensions of the compressor and the properties of the flow on the streamlines at the leading and trailing edges of each row. With the geometry fixed and varying the inlet mass flow the maximum mass flow that would result in choke and the minimum one that would result in stall, or even surge, of the compressor can be determined. The computer program was written aiming at being used in a design optimization research.

Turbinas a gás são máquinas de fluxo que utilizam a energia liberada em um processo de combustão para produzir potência de eixo ou tração, fornecendo energia cinética rotacional para geração de energia elétrica ou mecânica, como, por exemplo, para transporte aéreo e marítimo. Nas últimas décadas têm-se observado grande interesse mundial em pesquisas na área de turbinas a gás. Há várias causas pelas quais estes estudos estão em crescimento, quando comparados, por exemplo, com motores a diesel, tais como: maiores faixas de potência, peso por unidade de potência muito menor, baixa emissão de poluentes, capacidade de funcionar com multicombustíveis, menores níveis de vibração, menores custos de manutenção, geralmente mais baratos, dentre outras vantagens, como citado em Walsh (2004). Voltando-se para o Brasil, percebem-se também empenhos significativos para desenvolver estudos neste campo, levando-se em consideração o interesse em deter conhecimentos tanto para aplicação industrial quanto para uso aeronáutico. Dentro deste contexto encontram-se as pesquisas na área de sistemas de controle, inclusive modelagem e identificação de sistemas. No presente trabalho apresenta-se uma abordagem em identificação de sistemas utilizando dados gerados por um simulador de turbinas a gás de eixo simples, com a finalidade de se encontrar parâmetros e utilizá-los na criação de modelos representativos deste simulador. Este tipo de trabalho, a partir de dados amostrados, pode servir como ferramenta para desenvolver estratégias de controle. Neste caso, tem-se por objetivo avaliar os modelos obtidos, comparando suas respostas com as correspondentes respostas amostradas pelo simulador, o qual, a partir de agora, será chamado de turbina a gás de referência (TR). Para fazer isso, são realizadas simulações com o emprego de modelos lineares autorregressivos com entradas externas (ARX), onde os valores dos parâmetros são calculados utilizando dados de entrada e saída gerados pela TR. São realizados dois estudos de caso para este tipo de motor, utilizando modelos multivariáveis, a primeira análise é feita através de blocos separados, com múltiplas entradas e uma única saída (MISO) e a segunda, onde se analisa a turbina a gás como um único bloco com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). Estes estudos são realizados com a finalidade de obterem-se modelos matemáticos mais adequados para serem ferramentas em projetos de sistemas de controle.

O presente trabalho busca contribuir com a expansão do desenvolvimento tecnológico e científico na geração de energia elétrica da modalidade eólica. O trabalho apresenta em detalhes as principais considerações e carregamentos em como proceder as análises para o dimensionamento de uma torre cônica tubular metálica para um gerador eólico de 100 kW. São considerados os aspectos de vibrações mecânicas e de análise estrutural estática, tanto da estrutura global como a análise detalhada das juntas parafusadas pré-tensionadas. O trabalho se justifica pela necessidade de redução de custo e pelo desenvolvimento de estruturas mais eficientes para as diversas regiões do país que possuem diferentes potenciais energéticos para geração de energia eólica.

A utilização de softwares computacionais para análises de engenharia é comum. A redução de custos de projeto e a hodierna facilidade de se conseguir computadores com razoável capacidade de cálculo são fatores que incentivam a pesquisa na área de simuladores. Os estudos na área de geração de energia necessitam de uma análise termodinâmica e cinética acurada, o que envolve também aspectos relacionados às limitações da representação numérica computacional. Nesta dissertação, faz-se uma apresentação do desenvolvimento de um software computacional com a finalidade de simular um reator de ordem zero, ou seja, desconsiderando as dimensões espaciais. Utilizando-se de dados de entrada termodinâmicos e cinéticos, o programa é capaz de apresentar resultados como variações de pressão, temperatura e a potência máxima associada ao processo de geração energética. Este seria um primeiro passo para um projeto de desenvolvimento de simuladores de motores-foguete, turbinas e geradores de energia de um, dois e três dimensões no espaço.

Dentre os sistemas centrais de potência, o de geração com turbinas a gás torna-se relevante pelo fato de exigir pouco espaço para suas instalações, e, ao mesmo tempo produzir potência elevada ( de 5 a 250 MW ). As variações nas possibilidades de se produzir trabalho, mas também em reduzir perdas abrem espaço para as pesquisas no sentido de aperfeiçoar a eficiência das centrais de potência. Muitas pesquisas têm se realizado nesse sentido, visando a otimização, através do uso das combinações de ciclos, apresentando-se hoje plantas acima de 2000 MW, com faixas de eficiência até 55%. O objetivo deste trabalho é mostrar como se desenvolve e como pode ser aplicada uma teoria de Redes Neurais Artificiais no dimensionamento e na operação de ciclos com turbinas a gás. A Rede Neural é um sistema fundamentado na neurociência, na matemática, na física, na ciência da computação e na engenharia e tem a propriedade de "aprender", a partir de dados de entrada, a encontrar respostas diante de novas entradas através de um conceito denominado de Generalização. O método permite analisar o fluxo de calor e trabalho nos ciclos, através da apresentação ao sistema de novas entradas. As respostas são recolhidas e comparadas entre si permitindo analisar os desempenhos. Para atingir este objetivo utiliza-se a metodologia computacional contida no programa MATLAB, referente às Redes Neurais, que permite respostas rápidas diante dessas novas entradas. Neste trabalho, após um desenvolvimento teórico, baseado em modelos criados a partir da termodinâmica, aplica-se uma formulação numérica e comparam-se os resultados obtidos através de métodos convencionais com os resultados obtidos por aplicação de redes neurais, demonstrando com esses resultados uma motivação para trabalhos futuros.

Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho aerodinâmico de geradores eólicos em escala reduzida. Inicialmente é desenvolvido o projeto do rotor eólico com base na aplicação da Teoria de Elemento de Pá, onde são definidas as dimensões características com base na velocidade nominal e a razão de velocidade na ponta da pá. Para o calculo do escoamento é gerado um domínio periódico representando apenas uma pá. A discretização do domínio computacional foi realizada com uma malha hibrida com camadas prismáticas na parede da pá. Para a obtenção da solução numérica 3D é utilizado o software CFX. Resultados como: potencia de eixo, torque, e coeficiente de potencia tanto do modelo como do protótipo foram reportados. Finalmente foi avaliado o desempenho do protótipo e do modelo, com a presença de pequenas diferenças que deram origem à determinação de uma função de transposição mediante a utilização do ajuste de curvas no software Matlab, com a qual é possível obter correlações entre protótipo e modelo em situações de Reynolds diferentes. Esta contribuição permitira auxiliar no projeto de rotores eólicos na determinação do coeficiente de potencia. Entre tanto, esta lei de transposição devera ser validada experimentalmente.

Methods that might be considered for in-flight thrust determination (IFTD) and uncertainty analysis for turbofan engines are presented. From four IFTD methods presented here, three are standard in the aircraft industry and are documented in SAE AIR 1703, and the Residual Error Method; the fourth method is the author's alternative proposal. The document includes also full uncertainty analysis assessment as per SAE AIR 1678 . This document is intended also to provide appropriate background information to gain a perspective of the major aspects and processes that might be used for the determination of in-flight thrust and its uncertainty. An application to a specific program is presented, which is a case study that illustrates the practices and results for determination of in-flight thrust for a modern turbofan engine.