Determinação da influência da folga de topo na eficiência de uma turbina axial multiestágio utilizada em booster de motor foguete para operação com LOX
Autor
Luiz Henrique Lindquist Whitacker
Orientador
- Orientador Jesuino Takachi Tomita
Área de Concentração
Aerodinâmica, Propulsão e Energia
Data de Defesa
15/02/2017
Número da Tese
72892
Resumo
Há muitas décadas se reconhece a importância do motor foguete a propelente líquido para as missões espaciais, estando este tipo de propulsor presente em praticamente todos os veículos lançadores de todas as Nações que dominam o ciclo de acesso ao espaço. Historicamente, um dos componentes críticos responsável pelo alto desempenho e pela evolução destes sistemas propulsivos é a turbobomba. Sendo assim, é imprescindível a uma Nação que almeja a soberania aeroespacial ter técnicas e procedimentos sólidos de análise de desempenho e de projeto destas máquinas. Dessa forma, realizou-se este trabalho de pesquisa no qual uma turbina axial utilizada em turbobomba do tipo booster foi preliminarmente projetada, desde os requisitos iniciais, passando pelas técnicas 1-D e 3-D de projeto, até a obtenção da geometria final. A turbina dimensionada possuiu parâmetros geométricos e de desempenho muito próximos com os parâmetros de referência, que no caso são os da turbina do booster de LOX do motor principal do Space Shuttle (do inglês Space Shuttle Main Engine - SSME), conforme memorando técnico da NASA, sendo que estes serviram de requisitos iniciais para o projeto. Utilizando o software AXIALTM, da empresa CONCEPTS NREC, realizaram-se os cálculos de linha média e, a partir deles, usou-se o programa AxCent, da mesma empresa, para o empilhamento dos perfis na base, meio e topo, obtendo-se a geometria 3-D. Neste mesmo software, geraram-se as diversas malhas para o estudo de dependência. A malha escolhida foi utilizada no programa CFX, desenvolvido pela empresa ANSYS, no qual foram executadas as simulações utilizando a técnica de Dinâmica dos Fluidos Computacional (do inglês: Computational Fluid Dynamics - CFD). Além disso, determinou-se a variação de eficiência dos dois primeiros estágios em função da variação do ponto de operação para configurações distintas da folga de topo, com resultados muito próximos aos experimentais. O tamanho da folga de topo foi variado ainda na ferramenta 1-D de projeto (3,0%; 5,5% e 8,0% da altura da pá), sendo possível obter geometrias finais para cada configuração. Assim, comprovou-se a eficácia dos procedimentos e técnicas de projeto e análise de desempenho utilizados.
