Desenvolvimento de turbinas de múltiplos discos : estudo de modelos analíticos e análise experimental

Abstract

Neste trabalho é realizada a concepção, projeto, construção e ensaio de turbinas de múltiplos discos para a verificação dos principais parâmetros e metodologias utilizadas para o projeto e análise do equipamento, além de estudar formas de otimização do equipamento. Assim, uma turbina de múltiplos discos é construída e testada com diferentes configurações de rotores, em uma bancada experimental construída e dimensionada especialmente para esse fim, além da implementação dos métodos analíticos pesquisados no software Engineering Equation Solver (EES). Assim, uma comparação entre os resultados experimentais obtidos por Rice e os modelos de analíticos disponíveis, mostra que o modelo do fator de atrito (FA) é o que melhor representa a operação do equipamento, além de ser o mais versátil dos métodos testados, permitindo que a turbina seja dimensionada e otimizada para várias configurações de construção. Já os resultados experimentais obtidos com um dos protótipos de turbina construído e operado com ar comprimido, mostram que, com modificações simples da geometria, configuração e acabamento superficial dos discos que compõem o rotor, é possível aumentar a eficiência isentrópica em até 35% em relação a turbina padrão montada com a configuração padrão de rotor (discos lisos), sem acarretar prejuízo em alguns dos principais benefícios da utilização deste tipo de equipamento. Os resultados experimentais obtidos mostram também que a eficiência diminui significativamente com o aumento da folga entre o raio externo do rotor e a parte interna da carcaça.

This work is performed conception, design, construction and testing of multiple-disks turbines (MDTs) for the verification of key parameters and methodologies used for the design and analysis of machine as well as consider ways to equipment optimization. Thus, a multiple-disk turbine is constructed and tested with different impeller configurations, in a test rig especially constructed and dimensioned for this purpose, besides the implementation of the analytical methods in software Engineering Equation Solver (ESS). Thus, a comparison between the experimental results obtained by Rice and analytical models available, shows that the friction factor model (FF) is what best represents the operation of the equipment, and is the most versatile of the tested methods, allowing the turbine is sized and optimized for various building configurations. Since the experimental results obtained with one of the turbine prototypes built and operated with compressed air, show that with simple modifications of geometry, configuration and surface finish of the disks that make up the rotor, it is possible to increase the isentropic efficiency by up to 35% compared the standard turbine rotor mounted with the default configuration (flat disks), without causing damage in some of the major benefits of using this type of equipment. The experimental results also show that efficiency decreases significantly with increasing clearance between the outer radius of the rotor and the internal part of the housing.