SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO ESCOAMENTO EM PÁS DE UM COMPRESSOR AXIAL DE TURBINAS A GÁS

Resumo

Introdução:

A utilização de turbo-máquinas está presente em diversas áreas industriais e o desenvolvimento de turbinas a gás envolve o projeto de equipamentos que apresentem grande empuxo com baixo peso, portanto, mais eficientes, com alta confiabilidade [1]. O compressor é o componente mais importante na sua constituição, pois é o responsável por alimentar os combustores com o fluido a pressão e temperatura desejadas. A função das pás do compressor é fornecer uma deflexão ao escoamento segundo um ângulo pré-determinado [2]. Seu desempenho aerodinâmico é determinado por seu perfil, que afeta diretamente o escoamento do ar em seu entorno e a perda por atrito viscoso é parâmetro fundamental de projeto [3]. Se o ângulo de incidência da pá for elevado, surgirá uma camada limite mais espessa que apresentará valores de tensão de cisalhamento elevados, aumentando, consequentemente, as perdas viscosas [4].

Objetivos:

Estudar via simulação numérica computacional o escoamento do ar em pás de compressores axiais, com base na análise dos valores de velocidade, pressão e temperatura do fluido.

Material e métodos:

Modelos geométricos tridimensionais de perfis aerodinâmicos, NACA 65(12)10 para o rotor e NACA 64(A)06 para as guide vanes, foram desenhados no programa SolidWorks e, posteriormente, importados para o programa de simulação numérica utilizado neste trabalho. A decisão para a escolha desses perfis foi baseada na quantidade de referências que utilizaram os mesmos. Os valores das geometrias seguiram um padrão determinado pelo autor, menos o caso das curvas do extra e intradorso, que seguiram os pontos das referências. Realizaram-se duas simulações computacionais: a primeira, considerando a pá estática e, a segunda, rotativa. Utilizaram-se as ferramentas Fluent e CFX, que fazem análises de fluido no programa. Não foi realizado o refinamento da malha gerada, pois o custo computacional seria proibitivo, em conformidade com o estudo de [5]. Considerou-se o ar na entrada no perfil com pressão estática de 101,3kPa e temperatura de 25°C.

Resultados e Discussão:

A Figura 1 mostra para a condição estática, as linhas de corrente do extradorso, do estator, as quais apresentaram maior velocidade durante o escoamento, logo, menor pressão, bem como as linhas do rotor, as quais permitem a visualização da condição turbulenta de escoamento do ar. Para a condição dinâmica da pá, o mesmo foi observado, porém com maior ganho de velocidade, chegando a um valor 3 vezes maior ao longo do eixo axial. A menor taxa de compressão foi de aproximadademente 3:1, de acordo com a Fig. 2.

Figura 1: Linhas de corrente utilizando CFX

Conclusão:

A simulação numérica mostrou-se uma ferramenta adequada para prever o comportamento do fluido nas condições de escoamento, incluindo a condição real de trabalho do compressor. As linhas de corrente com a pá em rotação mostrou que é difícil prever seu comportamento em máquinas de fluxo, já que o escoamento é turbulento.

Figura 2: Pressão no entorno do rotor.

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Palavras-chave: volumes finitos, visualização, velocidades, pressão, turbo-máquina

Referências bibliográficas:

[1] LOPES, Fernando de Oliveira et al. Modelo computacional para projeto de compressores axiais. 2007.

[2] SIMÕES, Marcelo Rodrigues. Simulação computacional de escoamento turbulento em Compressor axial utilizando ferramenta de CFD. 2009. Tese de Doutorado. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.

[3] CASTEGNARO, S. Effects of NACA 65-blade's trailing edge modifications on the performance of a low-speed tube-axial fan. Energy Procedia, v. 82, p. 965-970, 2015.

[4] SILVA, L. M. Cálculo do escoamento em uma turbina axial de alta pressão com diferentes configurações na geometria do topo do rotor utilizando técnicas de CFD. Master Engineering Thesis, Technological Institute of Aeronautics-Brazil, 2012.

[5] BELAMRI, T. et al. CFD analysis of a 15 stage axial compressor: Part I—Methods. In: ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea, and Air. American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2005. p. 1001-1008.