Efectos del ángulo de entrada de aire en los productos de la combustión de una turbina de gas

RESUMEN Forzado por el aumento simultáneo de la presión de las estrictas regulaciones de emisiones y el objetivo de limitar el calentamiento global, los fabricantes de turbinas de gas desarrollaron nuevas técnicas de combustión para la producción de energía limpia. El cambio global al uso de energías limpias renovables todavía tiene algunas restricciones en términos de la disponibilidad de las tecnologías avanzadas confiables y el costo de la aplicación en comparación con los combustibles fósiles convencionales. En muchos países las turbinas de gas (Ciclo Brayton) son la principal fuente de generación de energía eléctrica, es bien sabido que los NOx emitidos a la atmósfera pueden causar daños al ecosistema y son especialmente agresivos por su carácter ácido. La mayoría de las turbinas de gas queman gas natural, de allí que tienen un alto impacto en la contaminación ambiental por NOx, de tal manera los investigadores y productores de turbinas de gas han centrado parte de sus estudios en desarrollar técnicas que permitan reducir las emisiones de NOx en las turbinas de gas. La mayor parte de los fallos en turbinas de gas están relacionadas con las altas temperaturas que se emplean en la cámara de combustión. Otro gran grupo se refiere al ajuste del proceso de combustión, y así el rendimiento y la estabilidad de llama se ven relacionados con estos ajustes. Es por ello, que, si puede manipularse la velocidad tangencial en las entradas de una turbina, se puede estudiar su efecto en el campo de temperaturas y su impacto en el arrastre de la flama, generando un uso eficiente del combustible, minimizando las emisiones de NOx y el potencial de falla, y, por ende, un ahorro tanto en lo ecológico como económico. El punto principal es estudiar el cambio de velocidades en los ángulos de un tobera en relación con las propiedades termodinámicas del flujo de trabajo y así, controlar y disminuir las emisiones de NOx a la salida. Se analiza el fenómeno, desde la perspectiva de la termodinámica y turbo maquinaria. Así mismo se establecen parámetros de dimensionamiento a partir de las condiciones operacionales. Posteriormente se elaboran 3 modelos geométricos a través 5 de un software de diseño especializado (ICEM, ANSYS), obteniendo así el campo de fluido. El cual es discretizado en volúmenes de control para optimizar la solución. Finalmente, un método de solución de dinámica de fluidos (Fluent, CFD Post; ANSYS) es aplicado sobre la geometría, de tal manera que permita el mejor entendimiento del fenómeno de combustión. Por medio de un modelo de turbulencia k-Epsilon, se estudian las emisiones del contaminante NOx, al observar que al controlar la velocidad y la temperatura (interactúa con el comportamiento del NOx dentro de la cámara de combustión), al calcular el contaminante NOx a la salida, se pudo determinar que las condiciones tanto de diseño como de operación de la cámara de combustión en sus 3 diseños con ángulos diferentes en el tobera son idóneas para el funcionamiento de una turbina de gas.

ABSTRACT Because the simultaneous increase of the pressure of strict emission regulations and the objective of limiting global warming, the manufacturers of gas turbines developed new techniques for combustion turbines clean energy production from gas. Global change to the use of clean renewable energy still has some restrictions in terms of the availability of reliable advanced technologies and the cost of the application in comparison with conventional fossil fuels. In many countries (Brayton cycle) gas turbines are the main source of power generation, it is well known that the NOx emitted into the atmosphere can cause damage to the ecosystem and are especially aggressive acid character. Most of the gas turbines burn natural gas, from there that have a high impact on air pollution by NOx, so researchers and producers of gas turbines have focused part of their studies in developing techniques that will reduce emissions of NOx in gas turbines. Most of the failures in gas turbines are related to the high temperatures used in the combustion chamber... Another large group refers to the adjustment of the combustion process, and so the performance and stability of flame are related to these settings. Is therefore that, if the tangential speed at the entrances of a turbine, can manipulate its effect on temperature field and its impact on the drag of the flame generating efficient use of fuel, minimizing emissions of NOx can be studied and the potential failure, and, therefore, both in ecological as economical savings. The main point is to study the change of speeds in the corners of a tobera in relation to the thermodynamic properties of the workflow and thus, control and reduce NOx emissions output. The phenomenon is analyzed from the perspective of thermodynamics and turbo machinery. Parameters of sizing from the operational conditions are likewise established. Subsequently made 3 geometric models through a specialized design (ICEM, ANSYS) software, thus obtaining the field of fluid. The one which is discretizado in volumes of control to optimize the solution (Fluent, ANSYS). Finally, a method of solution of the 7 dynamics of fluids is applied to geometry, in such a way to allow better understanding of the phenomenon of combustion (Fluent, CFD Post; ANSYS). Through a k-Epsilon turbulence model, studied pollutant NOx emissions, noting that by controlling the speed and temperature (interacts with the behavior of NOx within the combustion chamber), to calculate pollutant NOx to the output, it was determined that the conditions of both design and operation of the combustion chamber in the 3 designs with different angles in the tobera are suitable for the operation of a gas turbine.