Desenvolvimento de equipamento e metodologia para análise da estabilidade térmica de combustíveis de aviação em escoamento em alto número de Reynolds
Resumo
Os atuais projetos de aeronaves a jato têm que lidar com demandas mais altas de empuxo e geração de potência, como parte dos esforços para aumentar a eficiência energética do setor de aviação. Nesse sentido, motores modernos operam em elevadas temperaturas e seus componentes mecânicos e elétricos estão sujeitos a uma maior carga térmica. O sistema de gerenciamento térmico do motor atualmente utiliza o combustível como fluido refrigerante para remover calor de rolamentos, caixas de engrenagens, bombas, geradores e conversores de direção e energia (LANGTON et al., 2010, BULLOCK et al., 1998, MORRIS et al., 2006 and HUANG et al., 2004).
Baseado nos estudos apresentados por Hazlett (1991), Spadaccini et al. (2001) e Edwards (2006), a necessidade do controle da estabilidade à oxidação dos combustíveis de aeronaves tem sido tema de estudo por muitos anos. Recentemente turbinas cada vez mais complexas e eficientes necessitam de mais resfriamento, e o uso de combustível como fluido refrigerante tem se tornado uma problemática, pois reações químicas ocorrem, em um meio contendo hidrocarbonetos, oxigênio dissolvido e impurezas, à medida que a temperatura do combustível aumenta.
Conforme a temperatura do combustível aumenta, as reações geram depósitos de carbono que aderem à superfície de troca, formando um filme (KENDALL et al., 1987, JANKOWSKI, 2010). Os resultados dessas reações podem danificar todo o sistema, ocasionando desligamento abrupto do motor pela constrição e obstrução do escoamento de combustível nos bicos injetores além de dificultar a troca de calor devido a presença de fouling na superfície. Outros possíveis problemas que podem ocorrer são danos causados nas pás das turbinas pelo impacto desses depósitos sólidos e uma mudança no perfil de temperatura de saída do queimador, ocasionando perda de eficiência e redução do intervalo de manutenção (SARNECKI and GAWRON, 2017).
Este trabalho enfoca o uso do método HiReTS e a proposta de modificações para a análise da estabilidade termo-oxidativa de combustíveis de aviação com teores de biocombustíveis. Esse projeto tem como principais objetivos,
- Desenvolver equipamento para realizar ambos os testes, tanto em escoamento laminar como em escoamento turbulento,
- Implantar a coleta de resíduos sólidos no equipamento,
- Implantar a medição on-line da viscosidade do combustível,
- Estabelecer um método de avaliação da estabilidade térmica baseado na medição de um campo de temperatura por uma câmera IR,
- Analisar a estabilidade térmica em termos dos produtos de degradação e perda de carga de combustíveis de aviação nacionais,
- Correlacionar os resultados obtidos em ambas as condições com outros métodos já existentes, e
- Estabelecer recomendações sobre a estabilidade térmica de querosenes de aviação com frações de biocombustíveis.
Como objetivo final, busca-se o entendimento da estabilidade térmica e do comportamento de biocombustíveis de aviação com relação à degradação e a correlação entre resultados nas condições que aproximam o teste JFTOT ( Jet Fuel Thermo OXidation Test ) e daquelas em condições turbulentas. As amostras de combustíveis a serem analisadas serão fornecidas pela Petrobras e serão submetidas ao teste JFTOT no CENPES-Petrobras.
Referências
LANGTON, R., CLARK, C., HEWITT, M., RICHARDS, L., 2010. “Aircraft Fuel Systems”; Encyclopedia of Aerospace Engineering. Wiley.
BULLOCK, S.P., HOBDAY, A., LEWIS, C., 1998. “European Evaluation of JP8+100 Fuel and Its Impact on Engine/Fuel System Design”. Presented at the RTO AVT Symposium on Gas Turbine Engine Combustion, Emissions and Alternative Fuels, Lisbon, Portugal.
MORRIS, R.W., Jr., MILLER, J., LIMAYE, S.Y., 2006. “Fuel Deoxygenation and Aircraft Thermal Management.” In 4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC); American Institute of Aeronautics and Astronauts (AIAA): Reston, VA, pp 285−297.
HUANG, H., SPADACCINI, L.J., SOBEL, D.R., 2004. “Fuel-Cooled Thermal Management for Advanced Aeroengines”. J. Eng. Gas Turbines Power, Vol. 126, pp. 284−293.
HAZLETT, R. N. Thermal Oxidation Stability of Aviation Turbine Fuels; American Society for Testing and Materials (ASTM): West Conshohocken, PA, 1991.
SPADACCINI, L. J.; SOBEL, D.R.; HUANG, H. “Deposit Formation and Mitigation in Aircraft Fuels. J. Eng. Gas Turbines Power 2001, 123, 741-746
EDWARDS, T. Cracking and deposition behavior of supercritical hydrocarbon aviation fuels. Combust. Sci. Technol. 2006, 178, 307-334.
KENDALL, D.R., CLARK, R.H., WOLVERIDGE, P.E., 1987, Fuels for Jet Engines: The Importance of Thermal Stability”, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol. 59 No. 12, pp. 2-7.
JANKOWSKI, A., 2010. “Heat Transfer in Combustion Chamber of Piston Engines”. Journal of KONES, Vol. 17, No. 1, pp. 187-197.
SARNECKI, J., GAWRON, B., 2017. “A Method of Assessing the Tendency of Aviation Fuels to Generate Thermal Degradation Products under the Influence of High Temperatures”. Journal of KONES, Vol. 24, No. 4.
Aluno: Guilherme Dias Martins
Orientação: Amir Antonio Martins Olvieira Jr., Ph.D.
Nível: Mestrado
Área de Concentração: Engenharia e Ciências Térmicas
Linha de Pesquisa: Aeroespacial
Situação: em andamento