O presente trabalho apresenta uma investigação experimental sobre o comportamento da espécie poluente NOx em chamas turbulentas sem pré mistura. Com intuito de se identificar as espécies químicas relevantes, ou de combinações entre estas, efetuou-se análise de sensibilidade utilizando pacote de cinética química CHEMKIN. Do trabalho experimental consta a implementação de um modelo laboratorial de uma câmara de combustão para chamas sem pré mistura, a otimização de algoritmo dedicado de reconstrução tomográfica em ambientes axi-simétricos e calibração do sistema ótico. Gás natural foi utilizado como combustível. O queimador utilizado é do tipo com chamas piloto, possuindo jato principal rodeado por 12 orifícios de chama piloto. Medidas intrusivas foram realizadas com sonda de amostragem de gases no interior da chama, termopar de fio fino de Pt/PtRh13% e anemômetro de fio quente. As medidas de velocidade foram comparadas com as obtidas com modelo de turbulência comprimento de mistura. Medidas de intensidade luminosa dos radicais CH, CN e C2 foram obtidas com câmaras CCD e os resultados foram avaliados após aplicação da técnica de reconstrução de imagens a partir de suas projeções.

Para o desenvolvimento dos estudos da combustão supersônica está sendo montada no INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), em parceria com o IEAv (Instituto de Estudos Avançados), uma bancada de testes do tipo diretamente-conectada, para ensaios de combustores supersônicos. Esta bancada, junto com o túnel de choque hipersônico e o lançador hipersônico de massa, existentes no IEAv, formam o conjunto dos três equipamentos para ensaios em solo de aerotermodinâmica, necessários para a pesquisa e o desenvolvimento de motores aspirados do tipo "scramjets" ("supersonic combustion ramjets") e para testes de aerodinâmica interna e externa de modelos reduzidos de veículos hipersônicos. A bancada é formada basicamente por uma câmara de combustão, conhecida como gerador de ar viciado, acoplada a um bocal supersônico, cuja função é simular as condições do escoamento de ar atmosférico atrás de ondas de choque cônicas ou oblíquas que se formam em frente a veículos voando com velocidades hipersônicas. As características principais deste escoamento são de temperaturas elevadas, obtidas no gerador de ar viciado por combustão, e de velocidades supersônicas, obtidas no bocal supersônico. Para que a bancada funcione realmente como um equipamento de ensaios é necessário se ter o controle sobre as condições do escoamento de teste na saída da mesma. Assim surgiu a necessidade de se fazer uma avaliação completa do escoamento no interior desta bancada para se conhecer todos os fenômenos envolvidos no processo e obter a relação entre as condições do escoamento na entrada da câmara de combustão do gerador de ar viciado, as quais podem ser manipuladas, e as condições do escoamento de teste na saída do bocal supersônico que devem ser simuladas. A caracterização completa do escoamento no interior da bancada foi feita, neste trabalho, em três partes: a primeira é o estudo do escoamento cônico considerando o ar atmosférico, para a obtenção das condições do vôo real que devem ser simuladas, a segunda é a avaliação do processo de combustão no interior do gerador de ar viciado para a obtenção das condições de temperatura desejadas na saída da câmara de combustão e a terceira é o estudo do escoamento através do bocal supersônico convergente-divergente para a obtenção das condições de velocidade do ar viciado já aquecido a serem geradas na saída da bancada. Com o conhecimento obtido neste trabalho é possível controlar e sintonizar as condições de ensaio desejadas na saída da bancada de testes de combustão supersônica através somente da variação das vazões dos reagentes na entrada da câmara de combustão do gerador de ar viciado.

O objetivo do seguinte trabalho é um novo modelo de câmara de combustão do tipo RQL ("Rich-Quench-Lean" na língua inglesa) para turbinas a gás. A combustão acontece em duas fases; a primeira com deficiência de oxidante ou rica em combustível, e a segunda é pobre em combustível. Esta estrutura de combustão permite a conciliação de baixas emissões de NOx e produtos de combustão de oxidação parcial, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e fuligem. A idéia dos combustores RQL tradicionais é a injeção estagiada de combustíveis através da câmara, criando algumas regiões de combustão desfavoráveis à formação do NOx. Mas no novo conceito aqui proposto, essas condições não favoráveis à formação do NOx são alcançadas através do controle da dinâmica da mistura entre os reagentes no interior da câmara, favorecendo algumas vantagens em relação ao processo RQL tradicional. Entretanto, para a combustão pobre na câmara secundária, dependendo dos parâmetros de operação, algumas oscilações acústicas ocorrem. Portanto, o presente trabalho trata da influência desses parâmetros operacionais: razão de equivalência, número de Reynolds do jato de combustível, número de "swirl", e razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D), sobre as instabilidades acústicas. Os resultados mostram que aumentando o número de "swirl", e reduzindo o número de Reynolds do jato combustível, as oscilações de combustão podem ser atenuadas. Além disso, a mais alta razão L/D investigada foi 3, e para esta situação bons resultados foram observados para atenuação de instabilidades. Apesar das dificuldades para entender o complexo fenômeno de instabilidade de combustão, este trabalho apresenta algumas recomendações para controlar as oscilações em câmaras de combustão do tipo RQL para turbinas a gás.

Esta dissertação apresenta um estudo experimental da influência dos parâmetros de operação na estrutura da Zona Central de Recirculação (ZCR) formada na saída da câmara primária de um novo conceito de câmara de combustão com swirler para turbinas a gás, visto que esta influencia diretamente na mistura dos reagentes, na absorção de instabilidades e, significativamente, no processo de combustão. Para o estudo foi empregada a técnica de Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). Esta nova configuração de combustor baseia-se nos conceitos de combustão pobre pré-misturada e RQL (Rich-Quench-Lean) para permitir a redução das emissões de NOx através do controle dos parâmetros de operação. Basicamente, três parâmetros adimensionais foram variados que regulam o processo de combustão: número de swirl do escoamento secundário (S), razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D) e número de Reynolds do escoamento primário (Rep). Os resultados mostraram que para uma configuração de combustor operando com alto número de swirl, alto número de Reynolds do escoamento de ar primário e alta razão comprimento/diâmetro permite obter uma zona central de recirculação forte, estável e bem definida quando comparadas com as obtidas para outras combinações entre os parâmetros de operação estudados. Também, verificou-se que o estudo de escoamentos com swirl através da técnica PIV não é uma tarefa trivial, no entanto, foi possível obter resultados em acordo com os apresentados na literatura.

Já é conhecido que nos últimos 50 anos muitos sistemas de propulsão, principalmente os motores foguete, tanto a propelente sólido como líquido, tem apresentado muitos problemas de instabilidade de combustão, sendo esta a maior preocupação durante a fase de projeto. Essas instabilidades se manifestam principalmente através de oscilações de pressão na câmara e muitas vezes na forma de modos acústicos fundamentais, ou seja, instabilidades acústicas e as mesmas podem aumentar a taxa de transferência de calor para as paredes da câmara, podendo levá-la a explosão. O presente trabalho tem como principal finalidade a avaliação de uma metodologia para o projeto de dispositivos passivos (ressonadores de Helmholtz) para o controle de instabilidades acústicas em câmaras de combustão. Como primeiros passos foram feitos ensaios acústicos para se conhecer as características acústicas da câmara. A partir destes dados foi feito um cálculo utilizando o modelo do Ressonador de Helmholtz para se definir as dimensões do ressonador a ser construído para amortecer uma determinada freqüência de ressonância selecionada. Os resultados obtidos com ensaios a frio se mostram satisfatórios no percentual de absorção para a freqüência de projeto e também em uma faixa próximo desta. Bom resultado também é obtido na predição das freqüências ressonantes da câmara. Ensaios a quente também foram realizados para verificar o comportamento do ressonador nestas condições. Os dados experimentais permitem afirmar que a metodologia empregada pode ser útil para o dimensionamento de ressonadores que permitem atenuar os efeitos de instabilidade de combustão.

Este trabalho apresenta um modelo alternativo de câmara de combustão com baixa emissão de NOx para aplicação em turbinas a gás. Trata-se de um combustor de duplo estágio com "swirler", no qual a condição desfavorável à formação de poluentes é alcançada mediante o controle da dinâmica do escoamento dos reagentes e dos gases de combustão no combustor. A combustão desenvolve-se em dois estágios ou câmaras e em um regime global de combustão pobre. Para a combustão na câmara secundária, dependendo dos parâmetros de operação, algumas oscilações acústicas ocorrem. Os parâmetros operacionais que controlam o processo de combustão são: a razão de equivalência global, o número de Reynolds do jato de combustível (Rej), o número de "swirl" do escoamento de ar (S';) e razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D), sendo o objetivo do presente trabalho a análise da influência destes parâmetros sobre as emissões de poluentes (CO, Hidrocarbonetos Totais e NOx) e o surgimento de instabilidades de combustão. Os resultados mostraram que quando os parâmetros envolvidos contribuem para uma melhor uniformidade da mistura, isto é, maiores razões L/D, elevados número de "swirl" e menores números de Reynolds as emissões de CO e hidrocarbonetos totais são reduzidas. Para o NOx as mesmas tendências são observadas, sendo a única exceção para o número de "swirl", ou seja, os níveis de NOx aumentam com a elevação do referido parâmetro. A razão de equivalência, como esperado, influencia as emissões de maneira distinta. Enquanto que sua elevação reduz as emissões de CO e hidrocarbonetos totais, aumenta as de NOx. Os resultados também mostraram a supressão das instabilidades mediante a utilização de maior diâmetro para a câmara secundária.

O presente estudo apresenta uma metodologia de análise do sistema de resfriamento de um motor foguete a propelente líquido e os resultados de uma investigação de um método de resfriamento largamente utilizado em câmaras de combustão, denominado filme de resfriamento ou film cooling, aplicado a um motor de 75 kN de empuxo que utiliza como propelentes oxigênio líquido e querosene. Partindo de um motor cujo filme de resfriamento é formado através da aspersão de combustível dos injetores posicionados na periferia do sistema de injeção, foram analisados experimentalmente dois casos: o primeiro assume que 50% do líquido aspergido pelos injetores periféricos participa da formação do filme de resfriamento; o segundo considera o filme formado apenas pelo líquido que escoa pela parede interna da câmara de combustão. Com a análise dos resultados obtidos de ensaios a frio utilizando o sistema de injeção de um motor modelo em desenvolvimento no IAE (motor L15) realizou-se a validação dos dados teóricos provenientes de cálculos e recomendações fornecidas por especialistas do Moscow Aviation Institute - MAI e também o refinamento dos valores para a aplicação nos motores em desenvolvimento do IAE. O parâmetro utilizado para validação e refinamento dos dados teóricos foi a penetração do filme de resfriamento, pois esse parâmetro é de suma importância para que se obtenha uma proteção térmica eficiente internamente à câmara de combustão. Os ensaios a frio confirmaram uma penetração suficiente do filme de resfriamento para o comprimento da câmara de combustão do motor estudado.

O presente trabalho apresenta uma investigação experimental sobre o enriquecimento do ar em uma câmara de combustão projetada para incineração de resíduos aquosos. Diesel e gás liquefeito de petróleo (GLP) foram utilizados independentemente como combustível auxiliar. Um aumento de 85% na taxa de incineração foi obtida para 50% de O2 no gás oxidante, em comparação com a incineração com ar. A taxa de incineração continuou aumentando para níveis de enriquecimento acima de 50%, contudo em um passo menor. Para combustão com oxi-chama (100% O2), o aumento da taxa de incineração foi em torno de 110% em comparação com a condição inicial e cerca de 13,5% em relação à condição de 50% de O2. A concentração de CO medida próxima a frente de chama diminui drasticamente com o aumento da quantidade de O2 no oxidante. Na saída da câmara, a concentração de CO foi sempre próxima à zero, indicando que o tempo de residência foi suficiente para completa oxidação do combustível em qualquer condição de ensaio. Para o diesel, o NOx foi inteiramente formado na região primária da câmara de combustão. Para esse combustível, há um tênue aumento na concentração de NOx até 35% de O2, acima deste valor a concentração aumenta acentuadamente. Partindo de 60p.p.m, em operação com ar, a concentração de NOx atinge 200 p.p.m em 35% de O2, e então 2900 p.p.m em 74% de O2. O último corresponde a 6 vezes mais NOx, em termos da razão da massa de NO2/massa de resíduo, comparada com a combustão com ar. Para o GLP, a concentração de NOx atinge 4200 p.p.m em 80% de O2, correspondendo a 9 vezes mais do que a operação com ar, também em termos da razão massa de NO2/massa de resíduo. Resultados de diferentes técnicas usadas para controlar o NOx durante o enriquecimento do ar também foram discutidas.

O injetor tem uma função importante introduzindo os propelentes no interior da câmara de combustão, fazendo com que os líquidos sejam divididos em pequenas gotículas (atomização), distribuindo e misturando o oxidante e o combustível na proporção correta e nas condições adequadas, para produzir um eficiente e estável processo de combustão. O presente trabalho teve três objetivos: ensaiar um injetor centrífugo a bipropelente líquido criogênico utilizando etanol como combustível e oxigênio líquido como oxidante, em uma pequena câmara de combustão, visando atingir 10 bar de pressão de combustão, determinando sua velocidade característica; Testar um ignitor ressonante externo a câmara de combustão, abaixo da tubeira; e apresentar um novo projeto de cabeçote injetor para a continuação do estudo da combustão. O ignitor ressonante foi posicionado do lado externo da câmara de combustão. Seu bocal de saída de chama foi direcionado para a garganta da tubeira 36 em relação a horizontal, nesta configuração o ignitor ressonante iniciou a combustão no interior da câmara mostrando-se adequado para os experimentos. Três ensaios de combustão foram efetuados apresentando alguma instabilidade de combustão, porém não prejudicou a condução dos experimentos. O ensaio 01 alcançou a pressão de combustão de 10 bar, porém não foi mantida. A pressão de combustão média na faixa de tempo escolhida foi de 7,6 bar, alcançando a velocidade característica máxima de 945,2 m/s. A baixa velocidade característica observada nos ensaios indica que a combustão do etanol não foi completa. Após os ensaios com combustão, o elemento injetor 01 foi retirado do cabeçote, apresentando-se em perfeitas condições sem queima erosiva. O novo cabeçote projetado teve sua concepção baseada em todas as considerações e requisitos elencados. Todos os componentes do cabeçote Quatrele foram modelados em CAD CATIA V5 apresentando menor massa estrutural e maior volume para o oxigênio líquido, em comparação ao cabeçote 03 e elemento injetor 01.

A proposta desta pesquisa é realizar um estudo numérico da utilização do etanol como combustível alternativo em turbinas a gás, seguindo a tendência mundial na busca por combustíveis menos poluentes. Esta pesquisa tem como principal objetivo, identificar o impacto da mudança do combustível na metodologia corrente de projeto de câmaras de combustão de turbinas a gás. Como ferramenta principal, é utilizado pacote computacional de CFD - "Computational Fluid Dynamics" - para simulação dos escoamentos reativos no interior dos combustores analisados. O presente trabalho é parte de um esforço para o desenvolvimento de metodologia para projeto de câmaras de combustão de turbinas a gás voltadas a utilização de etanol como combustível, de forma eficiente. Em grande parte, isto depende do posicionamento otimizado dos furos de admissão de ar para as zonas primária e secundária, no que tange o grau de homogeneização da temperatura dos gases à saída do combustor, ou "temperature traverse quality" (T.T.Q.), ou TQ simplesmente. Para tanto, utiliza-se critérios de projeto unidimensionais para projeto preliminar de combustores ';genéricos';, equivalentes a combustores existentes, tomados como referência. Posteriormente, procede-se à verificação da qualidade do escoamento no interior da câmara de combustão através de simulações computacionais (CFD) para cálculo do escoamento 3D, bifásico (spray), viscoso, compressível, turbulento, radiante e reativo. Os resultados demonstram a viabilidade técnica de utilização do etanol como combustível. As dimensões do combustor a etanol são compatíveis com aquelas obtidas no projeto de combustores a querosene de aviação. É possível a identificação do posicionamento ótimo das fileiras de furos das zonas primária e secundária ao longo do eixo longitudinal do combustor. Os valores de eficiência térmica, TQ e de emissões para alguns poluentes são compatíveis com aqueles encontrados na literatura. Resultados dos cálculos em CFD e parâmetros utilizados no dimensionamento preliminar para mínimo TQ são correlacionados ao final.