TURBINAS A GÁS


PROGRAMA DE PESQUISA EM PROPULSÃO

 

Equipe


A equipe é formada por professores, pesquisadores, alunos de pós-graduação e alunos de graduação.
O número de participantes varia, de acordo com os alunos efetivamente engajados nos diversos projetos de pesquisa.


Introdução


O estudo da propulsão e dos fenômenos a ela ligados torna-se cada dia mais importante devido às exigências de conservação de energia (redução e otimização do consumo de energia), atendimento de desempenho pré-estabelecido, controle de poluição (ambiental, sonora, visual, etc.), citando apenas algumas das mais importantes.

As turbinas a gás usualmente não operam nas condições para as quais foram projetadas, sofrendo redução de desempenho, que pode não ser aceitável (consumo mais elevado, menor potência ou tração, etc.). Para evitar problemas como estes, é preciso estimar o desempenho da turbina em todos os pontos de sua operação e serem tomadas ações para corrigi-los, antes de a turbina ser fabricada.

O desempenho da turbina a gás e de seus componentes principais (compressor, câmara de combustão, turbina, bocal de admissão e bocal propulsor) pode ser simulado numericamente. A simulação numérica é uma ferramenta muito importante, que é usada em todas as fases do projeto, desde a hora da concepção do motor, até a fase de acompanhamento de sua operação. Através da simulação numérica muitos problemas indesejáveis de operação podem ser antecipados, tomando-se medidas adequadas para que a máquina possa funcionar a contento.

Como as temperaturas de operação da turbina a gás são muito elevadas, seus materiais operam em ambiente muito inóspito, podendo sofrer corrosão. A corrosão em peças de turbinas também é analizada, visando a preparar o caminho para o desenvolvimento de ligas refratárias para altíssimas temperaturas. Além de resolver o problema da corrosão, permitirá o aumento significativo do desempenho.


Programa de Pesquisa


O programa de pesquisa compreende as máquinas de fluxo (compressores e turbinas), o motor completo para propulsão aeronáutica e aplicações industriais (sistemas propulsores em geral – aeronaves, automóveis, navios, grupos geradores, etc.

A pesquisa é direcionada a:

  • Concepção: estudo de sistemas propulsores adequados a aplicações específicas. São típicos desta área: estabelecimento de novos ciclos termodinâmicos que embasam sistemas propulsores para atender novas demandas; estudo de novos sistemas; otimização e adequação de layout dos componentes.
  • Projeto e Análise de Desempenho de Subsistemas: definição de métodos de projeto, de simulação numérica e de otimização de subsistemas (compressores axiais, compressores centrífugos, turbinas axiais, turbinas centrípetas, bocais de admissão, bocais propulsores simples e com reversores de empuxo, câmaras de combustão, dutos em geral, junções e misturadores, etc.).
  • Projeto e Análise de Desempenho de Sistemas: definição de métodos de projeto, de simulação numérica e de otimização de motores completos (turbinas a gás para aplicação aeronáutica, para aplicação industrial e para aplicação marítima; motores alternativos convencionais (pistão), etc.).
  • Integração de Sistemas Propulsores: de motor em aeronaves, de motor em grupos geradores em geral (usinas termelétricas, grupos de emergência, etc.), problemas relacionados ao desempenho dos sistemas propulsores instalados (tração líquida, determinação de tração em vôo, incerteza no cálculo da tração instalada, potência elétrica gerada, etc.).
  • Diagnóstico e prognóstico: a deterioração de desempenho de componentes principais da turbina causam o aparecimento de problemas operacionais, que são analisados através da simulação numérica utilizando diversas técnicas como GPA, NLGPA, redes neurais e lógica nebulosa (difusa), permitindo o diagnóstico de desempenho do motor e previsão de aparecimento de possíveis problemas operacionais. Tais informações podem ser utilizadas para a programação de manutenção, com grande reflexo nos gastos.
  • Estudos de corrosão em turbinas a gás: as peças de turbinas trabalham em ambientes hostis, em que a corrosão pode manifestar-se intensamente. Estudos teóricos são apoiados por resultados práticos obtidos em um laboratório moderno. O estudo de ligas refratárias para altíssimas temperaturas, como as ligas de nióbio, permitirá um grande avanço na área de materiais com o conseqüente aumento de desempenho das turbinas a gás e outros equipamentos em que forem utilizados.

 

A finalidade da pesquisa é a formação de recursos humanos capazes de obter e deter a tecnologia de projeto de turbinas a gás. Essa formação é adquirida através de cursos e de projetos de pesquisa em diversos níveis (iniciação científica, trabalho de graduação, mestrado, doutorado e pós-doutorado). Os projetos de pesquisa estão sempre relacionados a concepção e projeto de uma turbina a gás.

O aluno, ao ingressar no Grupo de Turbinas ficará sediado no Centro de Referência em Turbinas a Gás, terá um plano de pesquisa com todas as informações para orientá-lo (iniciação científica, trabalho de graduação, mestrado, doutorado e pós-doutorado) e levá-lo a uma especialização. Os planos de trabalho são sempre ligados à tecnologia de projeto e, sempre que possível, ligados a Projetos em curso no Centro.

 

Exemplos de especializações possíveis são:

  • Máquinas de Fluxo (Compressores Axiais ou Compressores Centrífugos, Turbinas Axiais)
  • Turbinas a gás: Turbojatos em geral (turbojatos, turbofans), Turboeixos em geral (turboeixos, turboélices)
  • Simulação de Motores Completos (Desempenho de Turbinas a Gás e de Motores a Pistão)
  • Diagnóstico de desempenho de turbinas a gás
  • Integração Motor-Aeronave
  • Turbobombas para motor foguete a propelente líquido
  • Geração de energia elétrica com turbinas a gás
  • Barreiras térmicas e Corrosão em turbinas a gás

 

O aluno de mestrado ou de doutorado deve obter créditos em cursos e/ou em publicações, conforme as regaras da Divisão de Pós-graduação.

A tabela abaixo lista alguns cursos relacionados à área e os semestres em que, geralmente, são oferecidos. Além das 3 horas de aulas semanais, o aluno precisará de cerca de mais 6 horas de estudo individual, por semana, para que possa sedimentar os assuntos tratados em aula (3-0-6). Aulas de laboratórios podem ser requeridas, dependendo da disciplina. As disciplinas para cada semestre são listadas e divulgadas nas páginas da Divisão de Pós-graduação do ITA http://www.posgrad.ita.br


O Centro de Referência em Turbinas a Gás


A atividade de pesquisa em turbinas a gás é desenvolvida por um Grupo de Turbinas, composto de professores, pesquisadores e alunos, (ITA, IAE) e de professores e pesquisadores visitantes (de outras Universidades, do Brasil e do exterior).

Um Centro de Referência em Turbinas a Gás foi implantado para desenvolver e divulgar os conhecimentos sobre turbinas a gás no país.


Participação no Grupo de Turbinas


Alunos de graduação (do ITA e de outras Escolas): são aceitos para o desenvolvimento de trabalhos de Iniciação Científica, de Graduação e para estágios, desde que tenham um programa de trabalho detalhado, aprovado por um professor ou pesquisador do Centro de Referência em Turbinas a Gás.

Alunos de mestrado e de doutorado trabalham em regime de tempo integral para desenvolver um programa de trabalho aprovado por um professor do ITA. O prazo para conclusão do mestrado é de 2 anos e, para doutorado de 4 anos. Aluno com excelente currículo escolar pode se candidatar a programa de doutorado direto.

Alunos em tempo parcial poderão ser aceitos. Os casos são analisados individualmente.


Pós-doutoramento


O Centro de Referência em Turbinas a Gás tem recebido profissionais, que já obtiveram o grau de doutor, que desejam aprofundar seus conhecimentos em turbinas a gás. Programas de pesquisa de pós-doutoramento são definidos para finalidades específicas.


Custos


Os custos decorrentes do desenvolvimento de qualquer trabalho no Centro de Referência de Turbinas a Gás deverão estar assegurados previamente, através de projetos específicos. Os candidatos devem procurar um professor ou pesquisador do Centro para a preparação e submissão de Projeto de Pesquisa às agências de financiamento.


Temas e Orientação


A título de informação, alguns temas estão propostos (Temas – Mestrado; Temas – Doutorado). O aluno interessado em trabalhar nas diversas áreas deverá procurar-me para a organização de seu plano de pesquisa, ou para, caso deseje, informações adicionais.

Acertado o tema, é preparado um plano de pesquisa, contendo as tarefas a serem desenvolvidas e um cronograma de trabalho. O aluno deve dar contribuição efetiva para o desenvolvimento do trabalho e se comprometer a seguir o cronograma previamente estabelecido.


Projetos em Curso


Além dos projetos de pesquisa ligados diretamente aos assuntos de teses, o Grupo de Turbinas presta consultorias em assuntos ligados a turbinas a gás e desenvolve diversos projetos em parceria com indústrias.

Alguns deles são:

  • Projeto e análise de desempenho de compressor axial inteligente – para definir uma metodologia de projeto e de simulação de seu desempenho (isolado, no motor e no motor integrado à aeronave). São utilizadas técnicas de CFD 2-D e 3-D para o estudo do escoamento interno e externo.
  • Projeto e análise de desempenho de compressor radial para gás natural – para definir uma metodologia de projeto e de análise de desempenho (gás natural e outros fluidos diferentes do ar atmosférico). São utilizadas técnicas de CFD 2-D e 3-D para o estudo do escoamento interno.
  • Turbina a gás na faixa de 1 MW de potência de eixo ou de 5 kN de tração – projeto em parceria com industria nacional com a finalidade de desenvolver metodologias de projeto de uma turbina a gás completa.
  • Deterioração de desempenho de turbinas a gás – para simular a degradação de desempenho dos componentes de uma turbina a gás e identificar possíveis problemas operacionais. São utilizadas as técnicas GPA (linear e não-linear), redes neurais e lógica nebulosa (difusa).
  • Corrosão de pás de turbinas a gás por metais – para identificar e avaliar os efeitos da corrosão por partículas metálicas transportadas pelo combustível (gasoso ou líquido).
  • Métodos Numéricos em Turbinas a Gás – para desenvolver programas computacionais específicos para solução de problemas em turbinas a gás: CFD (3D), SLC (streamline curvature), ML (mean line).