Revista de Engenharia Mecânica Aplicada

Abstrato

Melhorando a eficiência das turbinas a gás durante o funcionamento fora do projeto, ajustando os ângulos de escalonamento da turbina e da pá do compressor

Schobeiri MT

As turbinas a gás em geral e os motores de avião em particular passam por operações frequentemente dinâmicas. Estas operações incluem o arranque de rotina, troca de carga e paragens para cobrir o seu envelope de operação. A frequência da operação dinâmica depende do tamanho dos motores e do campo de aplicação. Os motores para aeronaves suburbanas e, particularmente, os motores de helicópteros operam mais frequentemente em modo off-design, em comparação com os grandes motores de aeronaves comerciais e as turbinas a gás para a geração de energia. Durante estas operações de rotina, o caudal mássico do compressor, a relação de pressão, o caudal mássico de combustível e ar da câmara de combustão, bem como o caudal mássico da turbina, alteram-se. Estas alterações afetam o desempenho aerodinâmico do motor e a sua eficiência. Para evitar o início de estol rotativo e oscilação, as turbinas a gás de alto desempenho estão equipadas com mecanismos que ajustam os ângulos de escalonamento do estator, alinhando assim o ângulo de fluxo de saída do estator com o ângulo de entrada do rotor, o que reduz uma incidência excessiva. A redução do ângulo de incidência não só preserva o funcionamento estável do compressor, como também evita a deterioração da eficiência do compressor. A existência de um gradiente de pressão positivo inerente pode provocar a separação da camada limite nas pás do compressor, levando à paragem rotativa e ao surto. Tal condição, no entanto, não existe numa turbina e, portanto, não houve nenhuma razão convincente para aplicar o método de ajuste da pá ao componente da turbina. Pela primeira vez, o impacto do ajuste do ângulo de escalonamento das pás da turbina na eficiência da turbina a gás durante o funcionamento é mostrado neste artigo. Dada uma condição de carga estatisticamente distribuída, a extensa simulação dinâmica reportada neste artigo mostra como a eficiência pode ser afetada positivamente através do ajuste adequado da lâmina. Para o funcionamento dependente do tempo, o código GETRAN desenvolvido pelo autor foi melhorado para incluir o ajuste das pás da turbina em função do tempo. Para conduzir a simulação dinâmica com ajuste do ângulo de escalonamento do estator da turbina durante uma operação dinâmica, foi utilizada a geometria completa da turbina a gás Brown Boveri GT-9. A partir do ângulo de referência, varia dentro de um intervalo de incidência de ± 3 graus. Os resultados detalhados da simulação mostram a melhoria substancial da eficiência através do ajuste da lâmina escalonada do estator.