The turbine is one of the key components in gas turbine engines. To prevent the turbine blades from being badly damaged by their harsh working environment, it is necessary to keep them cool. This can be achieved by enhancement of the heat transfer performance through internal cooling passages. However, the large quantity of flow within this internal cycle inevitably results in mass flow loss, which is a major source of loss in turbomachinery. Therefore labyrinth seals are also investigated in this study, attempting to reduce the flow leakage and further increase the turbine efficiency. Large Eddy Simulation ( LES ) is used for its capability to capture the complex unsteady flow features in this study. Different rib shapes in a fully developed ribbed channel are investigated, aiming to improve the heat transfer performance. An immersed boundary method ( IBM ) is used with LES to generate complex geometries. With the use of IBM , the range of geometries can be represented on a background Cartesian grid. To obtain the best sealing performance, an investigation is undertaken into the possibility of optimising labyrinth seal planforms using a genetic algorithm ( GA ). By making use of the large number of populations, a much faster calculation can be achieved toward the objective function. Three hundred LES calculations are carried out, and an optimised design is generated that maximises the sealing effectiveness. The optimised design shows a leakage reduction of about 27.6% compared to the baseline geometry. The optimisation process employing a GA will be continued. It is expected that automated optimisation as presented will become increasingly important in the design process of future turbomachines, particularly for flows with strong parameter interactions, with an aim to further improve the overall efficiency of gas turbines.

A maior parte do ruído de aeronaves é advinda dos motores. Como houve grande avanço no controle do ruído tonal, atualmente grande parte do esforço se dá para redução do ruído de banda larga, que é menos compreendido. O ruído de banda larga é gerado pela interação entre um escoamento turbulento e uma superfície, como por exemplo, a turbulência ingerida interagindo com o rotor, o escoamento na ponta das pás, entre outros. Apesar das diversas fontes citadas, sabe-se que a principal fonte de ruído de banda larga em tal tipo de motor é a interação da esteira turbulenta do rotor com as aletas da estatora. Assim, o presente estudo manterá seu enfoque apenas em tal causa. O objetivo deste então é o desenvolvimento de um modelo capaz de previsão do ruído de banda larga pela interação da esteira turbulenta causada pelo rotor, interagindo com as aletas da estatora, bem como o entendimento da propagação do ruído em duto. A primeira abordagem em relação a tal tipo de ruído é através da previsão do ruído gerado. Para previsão de ruído podem ser utilizados métodos analíticos, numéricos, ou empíricos, cada qual com suas vantagens e penalizações. Para tal, foi utilizado um método semi-analítico, em tais métodos utiliza-se simulação numérica para previsão da característica da turbulência e uma teoria analítica para a geração e propagação do ruído no duto. A principal motivação para o método semi-analítico é sua vantagem em relação aos métodos numéricos que demandam custo computacional extremamente alto e vantagem em relação a métodos analíticos que necessitariam uma demasiada simplificação geométrica. Dessa maneira, utilizou-se a geometria do ANCF, uma plataforma de ensaios desenvolvida pela NASA, onde havia geometria e resultados divulgados, tornando possível a verificação dos resultados obtidos. Os resultados mostram que as tendências capturadas são condizentes com o esperado, e então com um tempo relativamente baixo, de maneira prática, é possível a previsão do ruído de interação e sua propagação em dutos nos motores turbofans. / The major noise source in aircraft is the engine. Since tonal noise control is well developed, the current effort concentrates on broadband noise reduction, which is less understood. The broadband noise is generated when a turbulent flow interacts with a surface as, for example, rotor blade tip flow, boundary layer and the rotor interaction. Although there are different sources of broadband noise it is known that the major broadband source in turbofan engine is the rotor turbulent wake interacting with the stator vanes. This study is focused in that source of noise and the goal is to develop a model capable of predicting the rotor/stator interaction noise as well as in duct noise propagation. Noise prediction can be carried out by analytical, numerical or empirical methods, each one with advantages and disadvantages. In the present work the semi-analytical method was used. Turbulence characteristics were estimated by a numerical method and the noise generation and duct propagation was estimated by an analytical method. The biggest advantage comparing with the numerical methods is that this method is less time consuming. A purely analytical method would require excessive geometric simplification. The ANCF, a rig developed by NASA was used as basis for the simulations, since its geometry and noise data are available. The results show that the correct trends are consistently captured. So it is concluded that it is possible to predict the broadband noise and its propagation in turbofans engines with a practical and low cost method.

A maior parte do ruído de aeronaves é advinda dos motores. Como houve grande avanço no controle do ruído tonal, atualmente grande parte do esforço se dá para redução do ruído de banda larga, que é menos compreendido. O ruído de banda larga é gerado pela interação entre um escoamento turbulento e uma superfície, como por exemplo, a turbulência ingerida interagindo com o rotor, o escoamento na ponta das pás, entre outros. Apesar das diversas fontes citadas, sabe-se que a principal fonte de ruído de banda larga em tal tipo de motor é a interação da esteira turbulenta do rotor com as aletas da estatora. Assim, o presente estudo manterá seu enfoque apenas em tal causa. O objetivo deste então é o desenvolvimento de um modelo capaz de previsão do ruído de banda larga pela interação da esteira turbulenta causada pelo rotor, interagindo com as aletas da estatora, bem como o entendimento da propagação do ruído em duto. A primeira abordagem em relação a tal tipo de ruído é através da previsão do ruído gerado. Para previsão de ruído podem ser utilizados métodos analíticos, numéricos, ou empíricos, cada qual com suas vantagens e penalizações. Para tal, foi utilizado um método semi-analítico, em tais métodos utiliza-se simulação numérica para previsão da característica da turbulência e uma teoria analítica para a geração e propagação do ruído no duto. A principal motivação para o método semi-analítico é sua vantagem em relação aos métodos numéricos que demandam custo computacional extremamente alto e vantagem em relação a métodos analíticos que necessitariam uma demasiada simplificação geométrica. Dessa maneira, utilizou-se a geometria do ANCF, uma plataforma de ensaios desenvolvida pela NASA, onde havia geometria e resultados divulgados, tornando possível a verificação dos resultados obtidos. Os resultados mostram que as tendências capturadas são condizentes com o esperado, e então com um tempo relativamente baixo, de maneira prática, é possível a previsão do ruído de interação e sua propagação em dutos nos motores turbofans. / The major noise source in aircraft is the engine. Since tonal noise control is well developed, the current effort concentrates on broadband noise reduction, which is less understood. The broadband noise is generated when a turbulent flow interacts with a surface as, for example, rotor blade tip flow, boundary layer and the rotor interaction. Although there are different sources of broadband noise it is known that the major broadband source in turbofan engine is the rotor turbulent wake interacting with the stator vanes. This study is focused in that source of noise and the goal is to develop a model capable of predicting the rotor/stator interaction noise as well as in duct noise propagation. Noise prediction can be carried out by analytical, numerical or empirical methods, each one with advantages and disadvantages. In the present work the semi-analytical method was used. Turbulence characteristics were estimated by a numerical method and the noise generation and duct propagation was estimated by an analytical method. The biggest advantage comparing with the numerical methods is that this method is less time consuming. A purely analytical method would require excessive geometric simplification. The ANCF, a rig developed by NASA was used as basis for the simulations, since its geometry and noise data are available. The results show that the correct trends are consistently captured. So it is concluded that it is possible to predict the broadband noise and its propagation in turbofans engines with a practical and low cost method.