Diseño de generadores de vórtice de una cámara de combustión de turbina de gas

Abstract

RESUMEN: Debido al crecimiento de la industria y los protocolos para reducir la producci´on de agentes contaminantes, surge la necesidad de mejorar el rendimiento de los motores a turbina de gas mediante la quema correcta de combustible. Dada esta situaci´on, el an´alisis de la aerodin´amica de la zona primaria de la c´amara de combusti´on se vio a la alza, ya que esta afecta directamente el control de la qu´ımica de las reacciones ocurridas en la flama, as´ı como en la tasa y condiciones bajo las cuales se efectuar´a el proceso de combusti´on. Actualmente, una de las tecnolog´ıas m´as utilizadas para dictar, controlar y estabilizar la flama durante la combusti´on, es la implementaci´on de flujos toroidales reversibles en la zona primaria de la CC, creados mediante el empleo de generadores de v´ortices (en ingl´es, swirlers). Motivo por el cual, en el presente trabajo se desarroll´o un algoritmo que permite el c´alculo de las diferentes dimensiones geom´etricas de un abanico de configuraciones de GVs axiales de pala curva con base en los valores t´ıpicos de dise˜no expuestos por Dodds et al. [18], como lo son: el ´angulo de la pala, espesor de la pala, n´umero de palas y la ca´ıda de presi´on inducida por el generador de v´ortices. Adem´as de par´ametros caracter´ısticos que garantizan el ´optimo funcionamiento de los generadores (relaci´on AF, relaci´on de aspecto, relaci´on de longitud, longitud ´optima para el difusor de la zona primaria, etc.), estos planteados por Lefebvre [11], Saravanamuttoo [23], Pillei et al. [8], Sovran et al. [25], entre otros, para despu´es realizar las geometr´ıas con ayuda del software CAD CATIA V5 y, posteriormente, someterlos a an´alisis. La generaci´on del dominio computacional y malla fue a trav´es del software HEXPRESS7.2 de NUMECA, el cual emplea el tipo de malla conocida como no estructurada h´ıbrida de celdas hexa´edricas, debido a la complejidad de la geometr´ıa. Es importante se˜nalar que el par´ametro m´as influyente en la obtenci´on adecuada de resultados es la adaptaci´on de geometr´ıa, ya que en este se permite realizar refinamientos donde los gradientes de esfuerzos son mayores. Las simulaciones num´ericas se realizaron en el solver FINE/Open with OpenLabs7.2, el cual emplea el m´etodo de vol´umenes finitos para su resoluci´on. El modelo de turbulencia utilizado fue κ- debido a la afinidad con la que cuenta para describir los flujos toroidales reversibles y la distribuci´on de temperaturas. Por otro lado, las simulaciones se efectuaron tanto para flujo no reactivo como reactivo, considerando que para el caso reactivo la inyecci´on de combustible se realiz´o de manera axial desde el centro del generador de v´ortices. Adem´as, se encontr´o que el n´umero de recirculaci´on (SN ) tiene una alta influencia dentro de la eficiencia de quemado del combustible y que esta se ve mejorada cuando este n´umero se encuentra en un intervalo de 0.8 a 1. Adem´as de observar que el incremento del n´umero de palas (nv) es beneficioso tanto para el anclaje de flama como para la eficiencia de combusti´on, ya que mediante el aumento de estas se crea un bloque mec´anico de mayor intensidad que evita el alargamiento de la misma. ABSTRACT: Due to the growth of the industry and the protocols to reduce the production of polluting agents, the necessity of improving the performance of gas turbine engines rises through correctly burned fuel. Because this situation, the aerodynamic analysis of the primary zone from combustion chamber was increasing, because this affects the chemistry control of the reactions that occurred in the flame, as well as the rate and operating conditions of the combustion process. Nowadays, one of the most used technologies to dictate, control and stabilize the flame during combustion, is the implementation of swirling flows in the CC primary zone, created through the use of swirlers. For that reason, in the present investigation an algorithm was developed that allows the calculation of the geometrical dimensions for different configurations of axial swirlers of curved vane based on the typical design values exposed by Dodds et al. [18], such as: vane angle, vane thickness, number of vanes and the pressure drop induced by the swirler. In addition to characteristic parameters that guarantee the optimum swirler performance (AF ratio, aspect ratio, length ratio, optimum diffuser length of the primary zone, etcetera.), these proposed by Lefebvre [11], Saravanamuttoo [23], Pillei et al. [8], Sovran et al. [25], among others, to later generate the geometries with the help of CATIA V5 software for finally analyzed them. The computational domain and mesh generation was through HEXPRESS7.2 software by NUMECA, which uses the type of meshing known as hybrid unstructured hexahedral cells, due to the geometry complexity. It is important to mention that the most influential parameter in the adequate results obtaining is the adaptation of geometry, because with this it is possible done local refinements where exist big stress gradients. The numerical simulations were done in FINE/Open with OpenLabs7.2 solver, which uses the finite volume method for its resolution. The used turbulence model was κ- due to its affinity to describe swirling flows and the temperature distribution. On the other hand, the simulations were done for non-reactive and reactive flow, considering that for the reactive case the fuel injection was done axially from the swirler center. Besides, it was found that the swirl number (SN ) has a high influence on the combustion efficiency and that it is improved when this number is in an interval of 0.8 to 1. In addition to note that the increase in the number of vanes (nv) is beneficial for the flame anchorage and for combustion efficiency, because increasing them creates a higher intensity mechanical block that prevents elongation of the flame.