Caracterização do escoamento isotérmico com elevada rotação gerado em um combustor do tipo LPP

Abstract

No presente trabalho experimental foi estudado o escoamento com elevada rotação considerado regular aos processos de queima em um combustor do tipo LPP, também conhecido como combustor de baixo NOx, para analisar a funcionalidade do seu sistema responsável pela geração do escoamento reativo. As medições experimentais foram realizadas com o uso das técnicas de anemometria a temperatura constante (ATC) e velocimetria por imagem de partículas (PIV). O sistema gerador do escoamento reativo (ou sistema gerador de fluxo) é composto por um swiler axial e pela câmara de pré-mistura do combustor em questão. O swirler foi projetado para fornecer uma mistura reativa em diferentes níveis de rotação e a câmara de pré-mistura foi idealizada para garantir um tempo satisfatório de residência para o processo de mistura, levando-se em conta as possíveis configurações de rotação do escoamento oferecidas pelo swirler. Para a realização do trabalho o sistema gerador de fluxo foi desacoplado do combustor LPP (montado no laboratório de combustão do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Brasília), para a instalação dos equipamentos de medição à saída da câmara de pré-mistura. Foram utilizados dois ATC's do tipo Dantec, modelo Mini CTA 54T30, trabalhando em paralelo por meio de um sensor de dois fios, e um laser do tipo Nd:YAG com comprimento de onda igual a 532nm de coloração verde. O corante utilizado para a fluorescência foi a Rodamina B e para a velocimetria foram utilizadas partículas formadas com glicerina. Nas seções de ATC e de PIV os dados foram capturados no plano longitudinal do escoamento para três intensidades de rotação, caracterizadas pelo adimensional número geométrico de swirl (S’=0,88; 1,05 e 1,26). As experimentações permitiram observar o característico campo de velocidades e as estruturas existentes à região nuclear do escoamento. Permitiram também confirmar a condição de regularidade do vórtice com base na evolução contínua das freqüências dos harmônicos dominantes (400Hz; 500Hz e 560Hz), observadas em seu núcleo. Estas constatações, segundo a literatura, indicam a existência de um vórtice pleno, conhecido como o vórtice colapsado, que é responsável pela diminuição das emissões poluentes e pelo processo de sustentação da chama no combustor LPP. Demonstrou-se, portanto, que o sistema de fluxo é capaz atender às exigências de funcionamento do combustor de baixo NOx instalado no laboratório de combustão, por disponibilizar o escoamento adequado ao funcionamento desta tecnologia. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

In this present experimental work, the flow with high rotation, applied on the processes of combustion in a combustor-type LPP, also known as low NOx combustor, was studied aiming to validate the functionality of the system, responsible for the generation of reactive flow. Measurements were made using the techniques of constant temperature anemometry (CTA) and particle image velocimetry (PIV). The system of reactive flow generator (or flux generator system) is composed by a axial swirler and pre-mixing chamber of the mentioned combustor. The swirler is designed to provide a reactive mixture at different levels of rotation and the pre-mix chamber was designed to ensure a satisfactory residence time for the mixing process, taking into account the possible spin configurations offered by the swirl flow. To perform this work, the flux generator system was decoupled of the LPP combustor, which is mounted at the laboratory of combustion of the Mechanical Engineering Department of Brasilia University, and the measure equipments were installed at the pre-mix chamber out. Two CTA's like Dantec, Mini CTA 54T30 model, were used working in parallel via a double wire sensor, and a laser type Nd: YAG with a wavelength equal to 532nm green color to. The dye used for fluorescence process was the Rhodamine B and for the processes with the velocimetry technique were used particles made by glycerin. In the CTA and PIV sections the relative data were captured in the longitudinal plane of the flow for three rotation levels, characterized by the dimensionless geometric swirl number (S’=0,88; 1,05 e 1,26). The working fluid corresponds to the air flow under the isothermal condition. The experiments allowed observing the characteristic velocity field and the structures at nuclear region of the flow. The condition of regularity of the vortex was confirmed by continuous evolution of the frequencies of the dominants harmonic in function of S’ (400 Hz; 500 Hz e 560 Hz), observed at the flow’s core. As noted in the literature, these facts showed that the flux system is able to provide the correct flow to the operation of the LPP turbine technology, and therefore this system has the requirements to work for the low NOx combustor, installed in the laboratory of combustion.