Flow path design of a centrifugal impeller operating with supercritical CO2

Autor: Carvalho, Allan Moreira
Přispěvatelé: Dezan, Daniel Jonas, Ferreira, Wallace Gusmão, Garrido Gallego, Antonio, Ribatski, Gherhardt
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFABC
Universidade Federal do ABC (UFABC)
instacron:UFABC
Popis: Orientador: Prof. Dr. Daniel Jonas Dezan Coorientador: Prof. Dr. Wallace Gusmão Ferreira Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Santo André, 2021. Compressores centrifúgos são o principal tipo de turbomáquina utilizada na indústria de óleo e gás. Modernas tecnologias de mitigação de gases do efeito estufa, GHG (Greenhouse Gases), tais quais captura e armazenamento de carbono, CCS (Carbon Capture and Storage), geralmente requerem que esses compressores operem com CO2 em condição supercrítica. O presente trabalho apresenta uma metodologia para projeto do canal de um compressor centrífugo destinado à captura e armazenamento de carbono, CCS, em reservatórios do pré-sal brasileiro. O processo do projeto basea-se na análise de uma solução bidimensional ao longo do canal usando o método da curvatura de linha de corrente. Um código computacional, SLCDT (Streamline Curvature Design Tool), com interface gráfica para o usuário, foi desenvolvido para facilitar o projeto do canal, onde processos automatizados agilizam a preparação dos dados e exportação do modelog CAD (Computer-Aided Design). O método foi usado para simular o desempenho do compressor centrífugo NASA CC3 operando com ar em seu ponto de projeto. Os resultados numéricos foram verificados contra resultados do software commercial ANSYS VistaTF, e validados contra dados experimentais coletados por McKain (1982), com ótima concordância, apresentando erros relativos de 2.64 % para a razão de pressão total e 2.15 % para a eficiência isentrópica. Por fim, o SLCDT fora usado como uma ferramenta de análise e projeto para um rotor de um compressor centrífugo operando com CO2 em condição supercrítica. A viabilidade do dimensionamento preliminar 1D fora avaliado e o canal redesenhado, obtendo-se ângulos de incidência quase zero em ponto de projeto. O impellidor redesenhado foi capaz de superar a razão de pressão alvo de 3.08: 1, mantendo um alto nível de eficiência politrópica (92.6 %). No geral, o software provou-se capaz de fornecer o projeto detalhado de impelidor necessário para futuras análises 3D de elementos finitos, FEM (Finite Element Method), e fluidodinâmica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), de alta fidelidade. Centrifugal compressors are the main type of compressor used in the oil and gas industry. Modern GHG (Greenhouse Gases) mitigation technologies such as the CCS (Carbon Capture and Storage) usually require the compressor to operate with CO2 at the supercritical condition. This work presents a methodology to design the flow path of a centrifugal compressor impeller for future CCS operation on deep Brazilian pre-salt reservoirs. The design process is based on the analysis of the 2D throughflow solution by using a streamline curvature method. A computational code, SLCDT (Streamline Curvature Design Tool), with a graphical user interface, was developed to facilitate the design process. Automated features expedite the process of data preparation and CAD (Computer-Aided Design) model exportation. The method was used to simulate the performance of NASA CC3 centrifugal compressor operating with air at its design point. The numerical results was verified against ANSYS VistaTF results, and validated against experimental data collected by McKain (1982), with very good agreement, presenting relative errors of 2.64 % for the total pressure ratio and 2.15 % for the isentropic efficiency. Finaly the SLCDT was used as an analysis and design tool for the impeller of a centrifugal compressor operating with CO2 at supercritical condition. The feasability of the 1D preliminary sizing was evaluated and the flow path was redesigned with near zero incidence angles at design point. The redesigned impeller was able to overcome the target pressure ratio of 3.08:1, while maintaining the high level of 92.6 % polytropic efficiency. Overall, the software proved its design capability to design a detailed impeller model required for further 3D FEM (Finite Element Method) and high fidelity CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis.
Databáze: OpenAIRE
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