Estudo numérico da termo-aerodinâmica de câmaras de combustão para turbinas a gás: aplicação ao caso de micro turbinas.

Abstract

Este trabalho estuda o comportamento de uma câmara de combustão para uma micro turbina a gás na condição nominal e em regime permanente. Para isso, é desenvolvida uma metodologia que aplica a Dinâmica de Fluido Computacional com a função de determinar a distribuição de pressão, velocidade e temperatura, os quais são úteis para entender o comportamento termo aerodinâmico da chama e sua influência para o projeto da câmara de combustão. A câmara de combustão adotada é do tipo Anular. Foi projetada para operar com diesel e/ou querosene. Este equipamento aciona uma microturbina a gás da Solar Turbines com potência igual a 50 [kW], a qual está instalada no Laboratório de Sistemas Térmicos do NEST-UNIFEI. Devido ao fato deste equipamento poder apresentar escoamento turbulento e chamas híbridas (pré-misturadas ou não pré-misturadas), diferentes aproximações matemáticas são testadas para simular seu escoamento e seu processo de combustão. O fluido adotado é o gás natural, o qual é padrão para muitas pesquisas sobre combustão, uma vez que seu mecanismo de reação é bem conhecido e apresenta baixas emissões de poluentes. Os modelos de escoamentos turbulentos testados são k- ɛ, RNG k- ɛ e SST. Os modelos de combustão testados são Eddy Dissipation Model (EDM) e Laminar Flamelet Model (LFM). Os modelos de transferência de calor por radiação testados são Discrete Transfer Model e P1 Model. São realizados também estudos de validação destes modelos a fim de identificar os modelos mais precisos. O Software comercial adotado é ANSYS CFX v5.7®. A reação química do gás natural adota reação com duas etapas para o metano e o etano, porque representam sua principal composição química. A reação química da combustão é simulada pelo software GASEQ®, o qual é útil para determinar a concentração das emissões. As características termodinâmicas nas entradas e saídas dos componentes do ciclo térmico da micro turbina a gás são simuladas pelo software GateCycle® da GE. Desta forma, este trabalho permite também apresentar uma análise inicial para avaliar as potenciais modificações no projeto original para a câmaras de combustão, quando operam com diferentes combustíveis e seus efeitos no comportamento termo aerodinâmico da chama.