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Abstract(s)
The development and production of small engines with a jet propulsion system is, relatively recent, taking into account that this type of gas turbine started to be studied and developed many years before the first construction of these small turbojets. However, with the time evolving, the gas turbines turned out to be a greater challenge, becoming more and more difficult to develop and improve. The gas turbine requires an intense study of the several areas related to its functioning, demanding additional knowledge and skill to improve a small detail. Although the detail could be small, the effect on overall performance would be considerable. Until recent times, these small engines were developed without a significant role in the aviation industry, being only used for model jet engines. Even though, in the account of the science evolution, these engines are being studied and prepared to integrate Unmanned Aerial Vehicles, UAV’s, as their propulsion system [1]. This dissertation consists on the development of a turbojet, in a small-scale, respecting the dimensions of the two, previously obtained, components, the compressor, and turbine, from the model turbo IHI RHB31 VZ21. To understand how to execute a design with suitable dimensions, the study of every present component in a turbojet was carried out, in parallel with the fundamental areas, regarding the functioning of a turbojet, such as thermodynamic cycles. At the end of a general study of the turbojet, the author proceeded to the design phase, in which the dimensioning process starts based on the information contained in the various sources of information, found at the bibliography. The dimensioning was carried through by the use of a scale factor. This scale factor was obtained by the compressor’s diameters ratio. In brief, in the Mr.Thomas Kamps’ book, the author advises the novice to divide his compressor diameter by the compressor used for Mr.Kamps’s engine. The diameters ratio, or the scale factor, was applied to the remaining components, produced by Mr.Thomas Kamps,in order to attain the measures for this gas turbine, respecting the recommended. The dimensions of the compressor shroud, inlet flange, diffuser, shaft, shaft housing, combustion chamber, fuel distribution ring, nozzle guide vanes, exhaust nozzle and, the last, outer casing were obtained. The next step was the design process of the referred components, in regard to the observed designs, found in the studied literature, using the three-dimensional design software CATIA V5R18. The design is an empiric process, which reveals itself as extremely difficult to consider one design as absolute. The manufacturing process of the turbojet was executed, at the time, the design process had been concluded. The following action was to acquire the necessary material for the production of the pieces, essentially, aluminum and stainless steel. The aluminum used was cast aluminum, being, then, worked to acquire the requested shape concerning the established design. The majority of the components were manufactured with stainless steel sheets, in which, the pieces were cut, according to their dimensions and shape, in-plane geometry. The chapter describing the manufacture process, as well as, the design process, is explained to allow a future reproduction of the work completed or adaptation for a different compressor/turbine set. Unfortunately, the fabrication of the diffuser and compressor shroud was not possible, since it had extremely small dimensions to be produced in the 5-axis vertical machining center. Moreover, the welding applied to the manufactured pieces was not executed with the required quality, even having increased the material thickness to facilitate the process, as it is explained in chapter 4.3. Therefore, one of the main objectives was not accomplished due to the insufficient means that disabled the manufacture of the jet engine’s parts.
O desenvolvimento e produção de pequenos motores a propulsão jato é relativamente recente, tendo em conta que, este tipo de turbina a gás começou a ser estudado e desenvolvido muito antes. No entanto, com a evolução dos tempos, as turbinas a gás foram-se tornando um desafio cada vez mais dificil de as desenvolver e melhorar. Este tipo de motor requere um estudo intenso das várias áreas relacionadas com o seu funcionamento, exigindo cada vez mais conhecimentos e perícia, para que um pequeno detalhe seja melhorado. Apesar de o detalhe poder ser pequeno, o efeito no desempenho geral é considerável. Até tempos recentes, estes pequenos motores foram desenvolvidos sem um papel significativo na indústria aeronáutica, apenas sendo utilizados para aeromodelos. Contudo, à conta da evolução na ciência, estes motores começam a ser estudados e preparados para integrarem Veículos Aéreos Não Tripulados, UAV, como o seu sistema de propulsão [1]. Este projeto consiste no desenvolvimento de um turbojato, respeitando as dimensões de dois componentes previamente obtidos, o compressor e a turbina, do turbo modelo IHI RHB31 VZ21. Para perceber como se executa o design com o dimensionamento adequado, o estudo de todo componente presente num turbojato foi prosseguido, em paralelo com as áreas fundamentais relativas ao funcionamento do turbojato, por exemplo, ciclos termodinâmicos. No final de um estudo geral do turbojato, o autor prosseguiu para a fase de design, na qual o processo de dimensionamento começa com base na informação contida nas várias fontes de informação, encontradas na bibliografia. O dimensionamento foi realizado pelo o uso de um fator de escala. Este fator de escala foi obtido por uma razão de diâmetros de compressores. Sucintamente, no livro do Sr.Thomas Kamps, o autor aconselha o novato a dividir o tamanho do seu compressor pelo do compressor utilizado para o motor do Sr.Thomas Kamps. A razão de diâmetros, ou fator de escala, foi aplicada nos restantes componentes, produzidos pelo Sr.Thomas Kamps, permitindo chegar às medidas para esta turbina a gás, respeitando o recomendado. As dimensões da cobertura do compressor, flange de entrada, difusor, veio, túnel de acoplamento do veio, câmara de combustão, anel de distribuição do combustível, bocal anterior à turbina com pás guias para o escoamento, bocal dos gases de escape e, por último, o invólucro externo, foram obtidas. O próximo passo foi o processo de design dos componentes referidos, em relação aos designs observados na literatura estudada, utilizando o software de três dimensões CATIA V5R18. O design é um processo empírico, que se torna extremamente difícil de considerar um design como absoluto. O processo de fabrico do turbojato foi realizado, aquando, o processo de design ter sido concluído. A próxima ação foi obter os materias necessários para a produção das peças, essencialmente, alumínio e aço inox. O alumínio usado foi alumínio fundido, sendo, depois, maquinado para adquirir as formas exigidas relativas ao desgin estabelecido. A maioria dos componentes foram produzidos com folhas de chapa de aço inox, na qual as peças foram cortadas, de acordo com as suas dimensões e forma, em geometria plana. O capítulo que descreve o processo de manufatura, assim como, o processo de design, é explicado para permitir uma futura reprodução do trabalho completado ou adaptação para um conjunto compressor/turbina diferente. Infelizmente, a fabricação do difusor e cobertura do compressor não foi possível, sendo que tinham dimensões extremamente pequenas para serem produzidas numa fresadora vertical de comando numérico de cinco eixos. Para além disso, a soldadura aplicada nas peças produzidas não foi executada com a qualidade exigida, mesmo tendo-se aumentado a espessura das peças para facilitar o processo, como foi explicado no capítulo 4.3. Portanto, um dos objetivos não foi atingido devido aos meios insuficientes que impediram a fabricação das partes do motor a jato.
O desenvolvimento e produção de pequenos motores a propulsão jato é relativamente recente, tendo em conta que, este tipo de turbina a gás começou a ser estudado e desenvolvido muito antes. No entanto, com a evolução dos tempos, as turbinas a gás foram-se tornando um desafio cada vez mais dificil de as desenvolver e melhorar. Este tipo de motor requere um estudo intenso das várias áreas relacionadas com o seu funcionamento, exigindo cada vez mais conhecimentos e perícia, para que um pequeno detalhe seja melhorado. Apesar de o detalhe poder ser pequeno, o efeito no desempenho geral é considerável. Até tempos recentes, estes pequenos motores foram desenvolvidos sem um papel significativo na indústria aeronáutica, apenas sendo utilizados para aeromodelos. Contudo, à conta da evolução na ciência, estes motores começam a ser estudados e preparados para integrarem Veículos Aéreos Não Tripulados, UAV, como o seu sistema de propulsão [1]. Este projeto consiste no desenvolvimento de um turbojato, respeitando as dimensões de dois componentes previamente obtidos, o compressor e a turbina, do turbo modelo IHI RHB31 VZ21. Para perceber como se executa o design com o dimensionamento adequado, o estudo de todo componente presente num turbojato foi prosseguido, em paralelo com as áreas fundamentais relativas ao funcionamento do turbojato, por exemplo, ciclos termodinâmicos. No final de um estudo geral do turbojato, o autor prosseguiu para a fase de design, na qual o processo de dimensionamento começa com base na informação contida nas várias fontes de informação, encontradas na bibliografia. O dimensionamento foi realizado pelo o uso de um fator de escala. Este fator de escala foi obtido por uma razão de diâmetros de compressores. Sucintamente, no livro do Sr.Thomas Kamps, o autor aconselha o novato a dividir o tamanho do seu compressor pelo do compressor utilizado para o motor do Sr.Thomas Kamps. A razão de diâmetros, ou fator de escala, foi aplicada nos restantes componentes, produzidos pelo Sr.Thomas Kamps, permitindo chegar às medidas para esta turbina a gás, respeitando o recomendado. As dimensões da cobertura do compressor, flange de entrada, difusor, veio, túnel de acoplamento do veio, câmara de combustão, anel de distribuição do combustível, bocal anterior à turbina com pás guias para o escoamento, bocal dos gases de escape e, por último, o invólucro externo, foram obtidas. O próximo passo foi o processo de design dos componentes referidos, em relação aos designs observados na literatura estudada, utilizando o software de três dimensões CATIA V5R18. O design é um processo empírico, que se torna extremamente difícil de considerar um design como absoluto. O processo de fabrico do turbojato foi realizado, aquando, o processo de design ter sido concluído. A próxima ação foi obter os materias necessários para a produção das peças, essencialmente, alumínio e aço inox. O alumínio usado foi alumínio fundido, sendo, depois, maquinado para adquirir as formas exigidas relativas ao desgin estabelecido. A maioria dos componentes foram produzidos com folhas de chapa de aço inox, na qual as peças foram cortadas, de acordo com as suas dimensões e forma, em geometria plana. O capítulo que descreve o processo de manufatura, assim como, o processo de design, é explicado para permitir uma futura reprodução do trabalho completado ou adaptação para um conjunto compressor/turbina diferente. Infelizmente, a fabricação do difusor e cobertura do compressor não foi possível, sendo que tinham dimensões extremamente pequenas para serem produzidas numa fresadora vertical de comando numérico de cinco eixos. Para além disso, a soldadura aplicada nas peças produzidas não foi executada com a qualidade exigida, mesmo tendo-se aumentado a espessura das peças para facilitar o processo, como foi explicado no capítulo 4.3. Portanto, um dos objetivos não foi atingido devido aos meios insuficientes que impediram a fabricação das partes do motor a jato.
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V5r18 Ciclos Termodinâmicos Design Dimensionamento Manufatura Mini-Turbojet Modelo de Turbojato