Análise numérica de operação transitória da turbina axial hidráulica utilizada no motor do space shuttle
Author
Daniel Ferreira Corrêa Barbosa
Advisor
- Advisor Jesuino Takachi Tomita
Concentration Area
Propulsão Aeroespacial e Energia
Defense Date
06/06/2024
Thesis Number
79809
Abstract
O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento transitório do escoamento em turbomáquinas em condições de operação com baixo valor de Blade-jet-speed ratio distante do Ponto de Projeto (do inglês, Design Point, DP), aplicando-se a problemas modelados através da técnica de Dinâmica dos Fluidos Computacional (do inglês, Computational Fluid Dynamics, CFD), neste caso, em um estágio de turbina axial hidráulica usada como booster de uma Turbobomba do Spece Shuttle. No estudo de turbomáquinas, apesar do escoamento sempre ser transitório, geralmente o escoamento pode ser aproximado como em regime estacionário, principalmente quando se trabalha com o DP. No entanto, esta aproximação torna-se imprecisa quando se estudam condições operacionais distantes do DP e apresentam muitas oscilações numéricas de amplitudes não desprezíveis devido à relevância dos fenômenos transitórios. Os principais fenômenos associados à transitoriedade do escoamento neste tipo de turbomáquinas são a formação de vórtices e cavitação que são produzidos na interface entre a saída do estator e a entrada do rotor. A turbomáquina considerada no presente trabalho é o primeiro estágio da turbina axial hidráulica usada como booster da Turbobomba Oxidante de Baixa Pressão (LPOTP) do Motor Principal do Ônibus Espacial (SSME), considerando a configuração de folga de ponta de 3,0% em relação à altura da pá do rotor. Todas as simulações foram realizadas utilizando o software comercial da ANSYS CFX v.19.2. Todas as configurações numéricas e como as condições de contorno foram impostas em diferentes superfícies são explicadas no trabalho. Os resultados das simulações numéricas foram sintetizados e comparados com os dados experimentais publicados pela National Aeronautics and Space Administration (NASA), nos quais a eficiência da turbina e seu parâmetro de blade-jet-speed ratio são analisados para resultados. O fluido de trabalho definido nas simulações numéricas foi a água, pois este foi o fluido utilizado nos testes experimentais. Em contraste com a interface Mixing Plane utilizada em simulações estacionárias anteriores, neste trabalho empregou-se a interface Sliding mesh, a qual captura de forma mais eficaz as características do escoamento na saída do estator e entrada no rotor. A comparação entre os resultados da simulação transitória com os resultados experimentais revelou uma maior aproximação. A análise de componentes de frequência do padrão oscilatório dos resultados de eficiência e Blade-jet-speed ratio evidenciou uma relação com parâmetros geométricos do escoamento, frequência do rotor e do estator.
