ENSAIOS EM CÂMARAS DE COMBUSTÃO DE TURBINAS A GÁS
João Vitor Fontenele Romero- IC
Aluno de graduação do curso de Engenharia Aeronáutica do Instituto Tecnológico de
Aeronáutica
Bolsista PIBIC-CNPQ; Brasil; e-mail: [email protected]
Pedro Teixeira Lacava - PQ
Professor do Departamento de Propulsão, Divisão de Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Brasil; e-mail: [email protected]
RESUMO
O presente trabalho consiste na construção de um banco de ensaio em câmara de
combustão do motor aeronáutico Rolls-Royce Derwent. Os experimentos foram realizados no
Laboratório de Propulsão e Engenharia Aeronáutica Prof. Kwei Lien Feng, no Instituto
Tecnológico de Aeronáutica. Métodos de preparo, calibração e condução do experimento são
descritos e é possível obter parâmetros de desempenho de combustão a partir do perfil de
temperatura na saída de gases do compressor.
ABSTRACT
The present work consists on the construction of an experiment using the combustion
chamber of the Rolls Royce Derwent engine. The experiments took place on Prof. Feng
Propulsion and Aerodynamics Laboratory by ITA. Experimental and construction methods are
described and it is possible to obtain combustion performance parameters from the temperature
profile on the combustion chamber gas exit.
Palavras-chave
Combustão, Câmara de Combustão; Propulsão aeronáutica.
1. Introdução
O objetivo desta montagem experimental foi o de criar um ambiente de combustão
semelhante aos das câmaras de combustão de turbinas a gás, quer sejam para uso aeronáutico ou
para aplicação em termelétricas, onde seja possível testar sistemas de injeção de combustível.
Assim será possível testar, por exemplo, o projeto de um injetor de querosene de aviação em um
ambiente próximo ao do seu destino de operação, ou seja, antes de ser testado na própria
turbina, o que facilita os ajustes pós-projeto. O Departamento de Propulsão do ITA tem um
passado recente de projetos de injetores de combustíveis; desta forma, essa montagem é bastante
oportuna para seqüência dessas pesquisas, pois elas estão no momento limitadas a testes de
spray sem combustão.
Para se criar uma ambiente de combustão de turbina a gás o mais sensato foi adotar uma
câmara tubular convencional, ou seja, que apresenta arranjo de distribuição de ar em três zonas,
primária, intermediária e de diluição, difusor de entrada e chama ancorada por swirler. As
câmaras tubulares não são mais empregadas nas modernas turbinas; contudo, são bem úteis para
ensaio de injetores de combustíveis, pois permitem o ensaio de um único injetor e necessitam de
uma modesta vazão de ar. Se uma câmara anular fosse escolhida, além de uma grande vazão de
ar, vários injetores teriam que ser ensaiados ao mesmo tempo.
2. Montagem experimental
A montagem do experimento consistiu em usinar desde suportes para a câmara de
combustão até bicos injetores de gás. A ignição é dada por uma chama-piloto, composta de uma
centelha elétrica e um injetor de GLP. A alimentação de combustível natural é feita através do
injetor adaptado para gás, já que o sistema original do motor Derwent operava com combustível
líquido (querosene de aviação).
Na saída da câmara de combustão foi acrescido um duto de saída, cuja função é permitir
tomadas de temperatura, pressão, captação dos gases de combustão e permitir a intervenção de
um cone de controle de área de saída. Através desse cone simula-se a presença de uma carga na
saída da câmara, que no caso do motor é a turbina, e controla-se a pressão no interior do
combustor bloqueando o escoamento. Montou-se sobre a câmara uma estrutura que permite
controlar a posição do cone.
Nesse duto de saída encontra-se um termopar tipo K cuja posição radial pode ser
variada para se obter o perfil de temperatura na câmara e avaliar como o injetor de combustível
pode interferir nesse perfil. Esse dado é extremamente importante para a segurança de uma
turbina a gás, pois se houver temperatura elevada em uma determina linha de corrente do
escoamento poderá haver concentração de aquecimento em uma região das palhetas da turbina,
o que pode levar a uma situação de falha. A figura 1 mostra um esquema da montagem
experimental.
A montagem experimental permite que se opere com diferentes combustíveis, líquidos e
gasosos. Nesse projeto é utilizado como combustível gás natural (GN) por facilidades
laboratoriais, já existe uma linha de alimentação disponível no Laboratório Prof. Feng. O gás
conduzido à câmara pela diferença de pressão entre os cilindros de estocagem e a linha de
alimentação deste. A pressão máxima nos cilindros de gás natural é de aproximadamente 200
atmosferas, como a pressão na linha de alimentação antes da válvula de controle de vazão é
cerca de quatro atmosferas, é necessário o escalonamento da queda de pressão através de três
válvulas reguladoras de pressão. O gás natural fica estocado em duas baterias de três cilindros,
com capacidade de 14 Nm3 de gás em cada cilindro.
O ar de combustão será fornecido por meio de dois compressores radiais instalados no
laboratório, modelo CR8 marca Ibram, adquirido pelo laboratório recentemente. Serão
consideradas as perdas de carga da linha e dos equipamentos de medida de vazão.
A vazão do gás natural é obtida por um sistema de placa de orifício do tipo ˝tubulação
com pequenos diâmetros˝ (13 a 40 mm) e as diferenças de pressão devida à presença da placa
foi obtida com o uso de tomadas de pressão nos próprios flanges, feitas em ranhuras anelares.
Nesse caso, os diâmetros da placa e da tubulação foram de 7 mm e 22 mm respectivamente,
suficientes para se medir a vazão de trabalho de gás natural de 1 g/s.
Já a vazão mássica do ar de combustão será obtida por uma placa do tipo ˝Radius Tap˝
segundo denominação inglesa, sendo a tomada de alta pressão feita a 1D antes da placa e a de
baixa pressão ½ D depois da placa, onde D é o diâmetro da tabulação. Nessa aplicação os
diâmetros utilizados para a placa e para a tubulação foram de 26,06 mm e 47,4mm,
respectivamente.
Figura 1 – Esquema da montagem experimental
legenda
1 – câmara de combustão
2 – duto de descarga de dos gases
3 – cone regulador que pressão
4 – sistema de posicionamento do cone
5 – injetor de combustível
6 – manômetros em U
7 – entrada de ar da câmara
8 – sonda de amostragem dos gases de combustão
9 – analisadores de gases
10 – válvula solenóide
11 – placa de orifício
12 – manômetros
13 – termopar
14 – válvula reguladora de vazão
15 – válvula reguladora de pressão
16 – cilindros de gás natural
17 – compressor de ar
18 – termopar de saída da câmara
A figura 2 a seguir mostra alguns detalhes da montagem experimental.
(a) montagem do combustor.
(b) Detalhe do cone na saída.
(c) Sistema de ignição.
(d) Injetor de combustível.
Figura 2 – Detalhes da montagem experimental.
3. Análise da combustão
Foi utilizado um programa para balanço de massa e energia na câmara de combustão.
Este programa foi desenvolvido por RIVAS [1]. Fornecendo como entrada a composição do
combustível, o programa calcula a equação de combustão global:
C X H Y N Z OW + YEsteq. (O2 + 3, 76 N 2 ) ⇒ aCO2 + bH 2O + cN 2
(1)
Para o caso do ensaio realizado tem-se: (É essa equação mesmo?)
C1,119 H 4,189 N 0,024O0,013 + 2,16(O2 + 3, 76 N 2 ) ⇒ 1,119CO2 + 2, 095 H 2O + 8,1336 N 2
(2)
Em seguida o programa calcula a combustão com excesso de ar, conforme a reação
global (3). É necessário fornecer como entrada do programa a vazão de combustível e a
porcentagem volumétrica de O2 em base seca.
C X H Y N Z OW + Yexc (O2 + 3, 76 N 2 ) ⇒ aCO2 + bH 2O + cN 2 + dO2
(3)
Para que o balanço dos elementos químicos tenha o mesmo número de equações e
incógnitas, a equação (4) é incluída neste balanço.
d


[%O2 ] = 

a
+
c
+
d


(4)
Comparando os resultados das relações (2) e (4), determina-se a razão de equivalência
Φ=(YEsteq/Yexc). Além disso, o programa calcula a porcentagem volumétrica de água nos
produtos de combustão e a vazão de ar que pode ser comparada com a medida pela placa de
orifício, servindo como referência para validar os cálculos.
Com a equação de combustão global e a composição dos gases de combustão, o
programa faz um balanço de energia na câmara utilizando a primeira lei da termodinâmica:
k
NC X HY N Z OW .PCI CX HY N Z OW = ∑ N P ∆hS , P
p =1
T2
+ QL
(5)
298
Onde:
QL = calor total perdido pela parede da câmara de combustão.
NCxHy = número de moles do gás natural.
PCICxHy = poder calorífico inferior do G.N.
k
∑ N P ∆hS , P
p =1
T2
= somatória de entalpias dos produtos de combustão.
298
Np = número de moles dos produtos de combustão.
T2 = temperatura atingida pelos produtos da combustão.
Todos os termos apresentados na equação (5), com exceção do calor perdido por troca
térmica através da parede da câmara, podem ser obtidos através dos resultados anteriores
calculados pelo programa e informações do experimento. Desta forma, o calor perdido é a única
incógnita do balanço de energia.
Dessa forma, o programa fornece como resultado final a razão de equivalência de uma
determinada condição de operação e o balanço de energia da câmara, ou seja, a entalpia dos
produtos de combustão, a quantidade de energia absorvida pela água e a quantidade de calor
perdido por troca térmica através das paredes da câmara.
4. Conclusões
Por hora o que montagem experimental permite medir são as vazões de combustível e
ar, perfil de temperatura na saída da câmara, pressão estática na entrada da câmara, queda de
pressão ao longo da câmara e a porcentagem volumétrica dos gases de combustão citados
anteriormente. É previsto que até o mês de agosto seja possível colher resultados a partir do
procedimento experimental descrito pois no momento de confecção deste artigo a montagem
ainda não está totalmente operacional. Cabe ainda frisar que a simulação experimental das
condições da câmara é apenas qualitativa, tendo em vista que o ar que adentra um câmara de
combustão entraria realmente em torno de 500 a 600oC na saída do compressor, o que
modificaria sensivelmente o processo termodinâmico e químico na câmara de combustão. No
entanto, a complexidade necessária para aquecer esse ar seria muito onerosa e escaparia ao
escopo deste projeto de iniciação científica.
5. Agradecimentos
CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico).
Técnicos e estagiários do Laboratório de Eng. Aeronáutica Prof. Kwei Lien Feng.
6. Referências Bibliográficas
[1] Rivas, G. R. Estudo experimental da influência da zona de recirculação na
combustão de gás natural, São José dos Campos, Brasil, Publicações do ITA, 2005.
[2] Lefebvre, A. H. Gas Turbine Propulsion,USA, Taylor & Francis, 1983.
[3] Conrado, A. C. Metodologia para projeto de câmara de combustão de tubina a
gás, São José dos Campos, Brasil, Publicações do ITA, 2002.