universidade federal de juiz de fora faculdade de engenharia departamento de engenharia de

108 Pages·2016·3.18 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA
FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO E MECÂNICA

GABRIELA DE CASTRO ALMEIDA

METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE CÂMARAS DE
COMBUSTÃO TUBO-ANULARES DE TURBINAS A GÁS FLEX COM BASE NO
PARÂMETRO DE CARREGAMENTO DO COMBUSTOR

Juiz de Fora
2016
GABRIELA DE CASTRO ALMEIDA

METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE CÂMARAS DE
COMBUSTÃO TUBO-ANULARES DE TURBINAS A GÁS FLEX COM BASE NO
PARÂMETRO DE CARREGAMENTO DO COMBUSTOR

Monografia apresentada ao curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de Juiz de
Fora, como requisito parcial para obtenção do
título de Bacharela em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez

Juiz de Fora
2016

GABRIELA DE CASTRO ALMEIDA

METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE CÂMARAS DE
COMBUSTÃO TUBO-ANULARES DE TURBINAS A GÁS FLEX COM BASE
NO PARÂMETRO DE CARREGAMENTO DO COMBUSTOR

Monografia apresentada ao curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de Juiz de
Fora, como requisito parcial para obtenção do
título de Bacharela em Engenharia Mecânica.

Aprovada em 02 de agosto de 2016

BANCA EXAMINADORA

_______________________________________
Prof. Dr. Washington Orlando Irrazabal Bohorquez - Orientador
Universidade Federal de Juiz de Fora

________________________________________
Prof. Dr. Raphael Fortes Marcomini
Universidade Federal de Juiz de Fora

________________________________________
Prof. Dr. Luiz Gustavo Monteiro Guimarães
Universidade Federal de Juiz de Fora
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço aos meus pais, Marcelo e Márcia, que com muita dedicação
e paciência, sempre batalharam para que eu pudesse realizar meus sonhos - não há palavras que
descreva tamanha gratidão. Ao Paulo, meu companheiro, que sonha junto e proporciona sempre
uma ótima companhia. Ao meu irmão, Rafael, por saber que posso contar com sua ajuda.
Ao meu orientador Professor Washington, pela oportunidade de participar em um
projeto científico e dar suporte ao meu trabalho.
Aos colegas feitos na faculdade de Engenharia Mecânica, pela amizade e apoio por
todos esses anos passados juntos, especialmente aos colegas Kenedy Fernandes, Cláudio Moisés
e Evandro Gaio, que deram uma ajuda extra para que eu pudesse concretizar o meu trabalho de
conclusão de curso.
A toda faculdade de Engenharia da Universidade Federal de Juiz de Fora, incluindo
professores, técnicos e terceirizados. O trabalho de cada um de vocês contribuiu para que meu
sonho se tornasse realidade, meu muito obrigado.
“E o que ninguém escutar
Te invade sem parar
Te transforma sem ninguém notar
Frases, vozes, cores
Ondas, frequências, sinais
O mundo é grande demais

Coisas transformam-se em mim
Por todo o mundo é assim

Isso nunca vai ter fim”
Trecho de “Chuva no Mar”, Marisa Monte
RESUMO
Este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto de câmaras de combustão
tubo-anulares, desenvolvida por meio de equações empíricas utilizando-se o software Matlab®.
Visou-se obter a geometria preliminar e a quantificação do desempenho de uma câmara de
combustão que possa operar com variados tipos de combustíveis, incluindo os biocombustíveis,
onde foi explanado sobre sua importância no cenário econômico atual.
Para os dados de entrada do programa em Matlab®, foi considerado o estudo de uma
turbina que está sendo desenvolvida em um laboratório. Durante o desenvolvimento do programa,
foram analisados todos os principais parâmetros que poderiam influenciar o pré-projeto da câmara
de combustão, para que no fim, pudesse ser possível coletar os dados de eficiência, temperatura
dos gases nas zonas de combustão, temperatura das paredes, perda de pressão e os valores
estruturais da câmara e de suas partes, como o comprimento, diâmetro e largura.
Como a câmara foi projetada para operar com diversificados combustíveis, escolheu-
se o etanol, o metanol e o querosene para serem verificados seus desempenhos ao serem utilizados
nas câmaras de combustão. Foi possível perceber que os biocombustíveis apesar de apresentarem
menores temperaturas de combustão, mostraram valores satisfatórios de eficiência, equiparando-
se ao querosene, além de emitirem menos gases poluentes, como o NO . Entretanto, verificou-se
x
que como o trabalho todo foi desenvolvido a partir de equações empíricas, e, que os principais
parâmetros que podem influenciar todo o comportamento da turbina encontram-se em segredo de
indústria, o que temos é um resultado de simulação numérica e que muito pode ser melhorado para
garantir que a câmara projetada possa ser efetivamente construída.
De forma a validar os resultados obtidos, foram utilizados os dados disponibilizados
pelo Engenheiro João Machado, Gerente da Usina Termelétrica de Juiz de Fora, relacionados com
a operação da turbina a gás GE modelo LM6000. O sistema de combustão dessa turbina a gás foi
modificado para poder operar com etanol e os resultados obtidos indicam índices satisfatórios ao
utilizar o biocombustível, tanto de eficiência quanto de emissão de gases, mas que por dificuldades
logísticas, a utilização de etanol não é a primeira opção para produzir eletricidade nessa usina
termelétrica.

Palavras Chave: Câmaras de combustão. Turbinas a gás. Combustíveis alternativos. Combustão.
ABSTRACT
This work presents a methodology for the design of can-annular combustion chambers,
developed through empirical equations using the Matlab® software. The aim of the current study
was to obtain the preliminary geometry and measurement the performance of a combustion
chamber that can operate with different types of fuels, including biofuels, which was explained its
importance in the current economic scenario.
For program input data in Matlab®, the study of a turbine that is being developed in a
laboratory was considered. During the development of the program, it was analyzed all the major
parameters that could influence the pre-design of the combustion chamber, so that in the end it
could be possible to collect data efficiency, the gas temperature in the combustion zones,
temperature of the walls, pressure loss and structural values of the combustor geometric and its
parts, such as length, diameter and width.
Since the combustor was designed to operate with several types of fuels, it was chosen
the ethanol, methanol and kerosene fuels to verify their performance when used in combustion
chambers. It was observed that the biofuel, despite having lower combustion temperatures, showed
satisfactory values of efficiency, in comparison with kerosene, and emits less greenhouse gases,
such as NOx. However, it was found that as the whole job has been developed from empirical
equations, and that the main parameters that can influence the entire turbine behavior are in
industry secret, what we have is a result of numerical simulation and that much can be improved
to ensure that the designed combustor can be actually built.
In order to validate the results, the data provided by Engineer João Machado were
used, manager at Thermoelectric Power Plant of Juiz de Fora, related to the operation of the gas
turbine model GE LM6000. The combustion system of the gas turbine was modified to operate
with ethanol, and the results indicate satisfactory rates using the biofuel in the efficiency of the
turbine and less rates of greenhouse gases, nevertheless, owing to logistical difficulties, the use of
ethanol is not the first option to produce electricity on the before mentioned facility.

Keywords: Combustors. Gas turbines. Alternative fuels. Combustion.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Usina Termelétrica de Juiz de Fora (MG) .................................................................... 23
Figura 2 - Limites de inflamabilidade de um combustível em ar a uma pressão constante .......... 25
Figura 3 - Componentes básicos de um motor de turbina a gás .................................................... 27
Figura 4 - Estágios da evolução de um combustor de turbina a gás convencional ....................... 29
Figura 5 - Principais Componentes de uma câmara de combustão tubular .................................. 30
Figura 6 - Combustor Multitubular ............................................................................................... 31
Figura 7 - Combustor Tubo-anular ................................................................................................ 32
Figura 8 - Combustor anular de fluxo reverso .............................................................................. 33
Figura 9 - Padrão de fluxo do combustor agitado na direção circunferencial ............................... 34
Figura 10 - Combustor de dois estágios ........................................................................................ 35
Figura 11- Principais componentes de uma câmara de combustão de uma turbina a gás ............. 37
Figura 12 - Número de Mach relacionado com os parâmetros de escoamento ............................. 40
Figura 13- Relação entre o parâmetro θ e a eficiência de combustão ........................................... 43
Figura 14 - Dimensões básicas de um difusor ............................................................................... 49
Figura 15 - Influência do ângulo do difusor na perda de pressão ................................................. 50
Figura 16 - Ângulos característicos de um difusor ....................................................................... 51
Figura 17 - Representação da cúpula e da zona de recirculação ................................................... 54
Figura 18 - Geometria básica de uma fenda de resfriamento ........................................................ 57
Figura 19 - Processos de transferência de calor ............................................................................ 60
Figura 20 - Arranjo Geométrico do Furo ...................................................................................... 63
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características e propriedades do etanol e metanol ..................................................... 22
Tabela 2 - Valores típicos aplicados em uma câmara de combustão ............................................ 42
Tabela 3 - Influência das várias razões de mistura na zona primária ............................................ 45
Tabela 4 - Dados para os cálculos de comprimento da zona de diluição ...................................... 48
Tabela 5 - Valores médios de 𝜀𝑤 para alguns materiais ............................................................... 61
Tabela 6 - Valores de saída do compressor ................................................................................... 67
Tabela 7 - Parâmetros fundamentais do compressor ..................................................................... 67
Tabela 8 - Parâmetros fundamentais da turbina ............................................................................ 67
Tabela 9 - Comprimentos das zonas da câmara de combustão ..................................................... 68
Tabela 10 - Parâmetros fundamentais do difusor .......................................................................... 68
Tabela 11 - Dados fundamentais do swirler .................................................................................. 69
Tabela 12 - Orifícios da distribuição do ar .................................................................................... 69
Tabela 13 - Eficiência de saída de cada zona de combustão ......................................................... 70
Tabela 14 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Metanol ........................... 70
Tabela 15 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Etanol .............................. 70
Tabela 16 - Temperatura de saída de cada zona de combustão para o Querosene ....................... 70
Tabela 17 - Temperatura dos gases na saída de cada zona de combustão .................................... 71
Tabela 18 - Temperatura da parede 1 na saída de cada zona de combustão ................................. 71
Tabela 19 - Temperatura da parede 2 na saída de cada zona de combustão ................................. 71
Tabela 20 - Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar com
Metanol ....................................................................................................................... 79
Tabela 21 - Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar com
Etanol .......................................................................................................................... 80
Tabela 22 - Parâmetros de massa de ar/combustível variando razão de equivalência ao operar com
Querosene ................................................................................................................... 81
Tabela 23 - Consumo de Água e Emissões de óxido de Nitrogênio da turbina da UTE Juiz de Fora
.................................................................................................................................... 93
Tabela 24 - Teste de Desempenho da turbina da UTE Juiz de Fora ............................................. 94