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: joaoromero@gmail.com Pedro Teixeira Lacava - PQ Professor do Departamento de Propulsão, Divisão de Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica Brasil; e-mail: placava@ita.br 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 Nm 3 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. legenda Figura 1 Esquema da montagem experimental 1 câmara de combustão 10 válvula solenóide 2 duto de descarga de dos gases 11 placa de orifício 3 cone regulador que pressão 12 manômetros 4 sistema de posicionamento do cone 13 termopar 5 injetor de combustível 14 válvula reguladora de vazão 6 manômetros em U 15 válvula reguladora de pressão 7 entrada de ar da câmara 16 cilindros de gás natural 8 sonda de amostragem dos gases de combustão 17 compressor de ar 9 analisadores de gases 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: CXHYNZOW + YEsteq. ( O2 + 3,76 N2) aco2 + bh2o+ cn2 (1) Para o caso do ensaio realizado tem-se: (É essa equação mesmo?) C1,119H4,189N0,024O0,013 + 2,16( O2 + 3,76 N2) 1,119CO2 + 2,095H2O+ 8,1336N2 (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 O 2 em base seca. CXHYNZOW + Y ( 3,76 ) exc O2 + N2 aco2 + bh 2O + cn2 + 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 ] = (4) a+ c+ d Comparando os resultados das relações (2) e (4), determina-se a razão de equivalência Φ=(Y Esteq /Y exc ). 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: CXHYNZOW CXHYNZOW P S, P L p= 1 298 k T2 N. PCI = N h + Q (5) Onde: Q L = calor total perdido pela parede da câmara de combustão. N CxHy = número de moles do gás natural. PCI CxHy = poder calorífico inferior do G.N. k N h T2 P S, P p= 1 298 = somatória de entalpias dos produtos de combustão. N p = número de moles dos produtos de combustão. T 2 = 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 600 o C 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.