Estudo computacional de configurações de resfriamento por filme em turbinas a gás

• Ano de defesa: 2012
• Autor(a) principal: Leandro Marochio Fernandes
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Tecnológico de Aeronáutica
• Palavras-chave em Português: Turbinas a gás; Refrigeração por filme; Análise numérica; Simulação computadorizada; Engenharia mecânica
• Link de acesso: http://www.bd.bibl.ita.br/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=2040

Em turbinas a gás, aumentos de potência específica e redução do consumo específico de combustível podem ser conseguidos aumentando a temperatura de entrada da turbina (TET). Altas TET podem implicar em economia significativa de combustível que se traduz em milhares de dólares por ano. Isso justifica os investimentos destinados ao desenvolvimento de novas ligas resistentes à alta temperatura e em melhores sistemas de resfriamento. Através dos anos, a TET saltou de cerca de 1200 K no início dos anos 60 para patamares mais altos como os atuais 1850 K. O resfriamento por filme é uma técnica complexa que depende da interação entre o escoamento principal mais quente e o jato de resfriamento. Um parâmetro, a eficiência de resfriamento, é utilizado como medida do quanto o jato de resfriamento é misturado ao escoamento principal variando de 1, perto do furo de resfriamento, e 0 a jusante dele. A eficiência depende de um grande número de parâmetros, sendo a maioria deles associados a topologia do jato em um escoamento cruzado. O jato ao sair de uma parede encontra o escoamento principal sendo dobrado na direção do fluxo dando origem a um par de vórtices contra-rotativos que bombeiam fluido de baixa temperatura para longe da parede arrastando fluido do escoamento principal de alta temperatura para junto dela. A maior parte das pesquisas em configurações de resfriamento concentram-se nos meios de reduzir o desenvolvimento destes vórtices contra-rotativos através do emprego de técnicas como trincheiras, furos de formato difusor, furos irmãos e esquemas antivórtice. A presente investigação é baseada em pesquisas anteriores e traz uma nova proposta de furo antivórtice. O sistema constituído por dois furos alinhados com o fluxo principal é investigado a fim de avaliar os efeitos de suas interações com a distribuição de temperatura a jusante. O desenvolvimento dos vórtices contra-rotativos no furo a montante irá alterar o campo do escoamento devido ao furo a jusante, que pode ter um efeito adverso sobre a eficiência do filme de resfriamento. Fileiras de furos são utilizadas para proporcionar um aumento do resfriamento em regiões específicas e a presente investigação aborda questões como qual será o campo do escoamento resultante, bem como a capacidade de resfriamento quando tal configuração é empregada. Ela consiste em posicionar um furo auxiliar de resfriamento a frente do furo principal com metade de sua área. A massa total de um caso de referência com um furo de resfriamento é redistribuída em diferentes combinações de proporção por ambos os furos (auxiliar e principal). Também são investigados o impacto dos ângulos de injeção dos furos de resfriamento na eficiência do filme. Simulações numéricas são efetuadas utilizando-se o programa livre baseado no método de volumes finitos OpenFOAM para resolver as equações de Navier-Stokes com médias de Favre tridimensionais juntamente com o modelo de turbulência k-? SST para fechar o sistema de equações. Os resultados mostram que o uso de um furo auxiliar de resfriamento apresentou um resultado significativo quando comparado ao caso de um único furo, indicando que a técnica pode ser muito útil quando necessita-se de uma melhor proteção em locais específicos da pá.