Experimental study of labyrinth seal designed by topology optimization (2024)
- Authors:
- Autor USP: RIBEIRO, LUCAS NEVES BRAGA SOARES - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PMR
- Subjects: SIMULAÇÃO; SISTEMAS MECÂNICOS; MECATRÔNICA
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: As mudanças climáticas são um dos problemas mais urgentes que requerem atenção no mundo de hoje. Os gases do efeito estufa estão diretamente relacionados com o aumento de temperatura do plante. A redução das emissões de CO2, é uma abordagem para mitigar esse problema. Para isso, otimizar o desempenho dos selos labirintos (SL) usados para vedação e minimização de vazamentos em turbo máquinas parece uma solução plausível. Há na literatura selos labirintos projetados por otimização topológica. Este estudo concentra-se na validação numérico-experimental de SL projetados utilizando o método de Otimização Topológica (OT), que incorpora o escoamento laminar e as propriedades de gases ideais. O projeto desse SL é obtido por meio da OT, considerando a dissipação de energia e a vorticidade numa função multi-objetivo. A metodologia de otimização leva em consideração as dimensões da bancada de teste (BT), em um domínio 2D axisimétrico, otimizado para o escoamento governado pelas equações de Navier-Stokes. Este estudo analisa a influência da razão de aspecto na solução da OT. O melhor resultado da OT então é pós-processado, a topologia otimizada é convertida em um modelo sólido utilizando linhas splines e um arquivo sólido é gerado para fabricação através da manufatura aditiva. Foram fabricados protótipos com geometria convencionais da indústria para comparação do desempenho com o resultado da OT. Os protótipos são então testados experimentalmente numa bancada de testes (BT). A metodologia experimental consiste em uma BT de medição que suporta uma diferença de pressão de até 5 bar. A taxa de vazamento é medida em g/s usando instrumentação que corrige a taxa de vazão mássica com base em medições de pressão e temperatura. Um modelo computacional foi usado para avaliar numericamenteo desempenho dos selos e comparar o projeto da TO com as geometrias de referência. As simulações e dados experimentais estão bem próximos, apontando que tanto o procedimento experimental quanto os modelos numéricos foram devidamente aplicados. Para baixas vazões, o selo tradicional apresentou uma melhor desempenho, porém para alta pressões, o selo projeto por OT teve um melhor desempenho. Essa metodologia se provou ser eficiente para desenvolver SL.
- Imprenta:
- Data da defesa: 19.08.2024
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ABNT
RIBEIRO, Lucas Neves Braga Soares. Experimental study of labyrinth seal designed by topology optimization. 2024. Dissertação (Mestrado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2024. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-22102024-121145/pt-br.php. Acesso em: 27 dez. 2025. -
APA
Ribeiro, L. N. B. S. (2024). Experimental study of labyrinth seal designed by topology optimization (Dissertação (Mestrado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-22102024-121145/pt-br.php -
NLM
Ribeiro LNBS. Experimental study of labyrinth seal designed by topology optimization [Internet]. 2024 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-22102024-121145/pt-br.php -
Vancouver
Ribeiro LNBS. Experimental study of labyrinth seal designed by topology optimization [Internet]. 2024 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-22102024-121145/pt-br.php - Topology optimization design of labyrinth seal-type devices considering subsonic compressible turbulent flow conditions
- A multi-objective function for discrete topology optimization in labyrinth seal design problems
- Experimental setup for labyrinth seals: pressure, temperature, mass flow rate, rotation velocity, and pressure drop simultaneous measurement
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