Diagnósticos y herramientas de simulación avanzados para impulsar la innovación aeroespacial en Europa
El aire atraviesa los motores a reacción de la mayoría de las aeronaves grandes de forma linear (flujo axial) desde la entrada hasta el escape, pero este mecanismo resulta menos eficiente a menor velocidad. Las aeronaves regionales con turbopropulsores más pequeñas suelen emplear un nuevo diseño, en apariencia contradictorio, mejor adaptado a estas condiciones. El aire cambia de dirección más de una vez, lo cual posibilita la concepción de motores más compactos y más pequeños que permiten consumir menos combustible por pasajero y, en consecuencia, generar menos emisiones. Estos motores turbopropulsores dependen de cámaras de combustión de flujo inverso o anular con una configuración anular estándar alrededor del eje del motor. Al disminuir el tamaño, el peso y el coste de las cámaras de combustión, se reducirán las dimensiones globales del motor y el consumo de combustible de la aeronave. Ello les permitirá desempeñar un papel fundamental reforzando la competitividad europea en el mercado de los turbopropulsores para el transporte aéreo ligero (SAT, por sus siglas en inglés) que está a disposición de la aviación comercial, el cuerpo de bomberos, los servicios de evacuación médica y las zonas alejadas. El proyecto START, financiado con fondos europeos, validó una de las nuevas y prometedoras cámaras de combustión de flujo anular con innovaciones en materia de fabricación, pruebas y modelización.
Un valor añadido gracias a la fabricación aditiva
Los revestimientos metálicos internos y externos, que delimitan la zona de combustión anular, suelen enfriarse mediante una arquitectura de gestión del calor de dos capas. Aprovechar la fabricación aditiva (o impresión 3D) abrió un abanico de posibilidades para reducir los costes, el peso y la complejidad. Claudio Abbondanza de la empresa Avio Aero y responsable del tema del proyecto START explica: «A pesar de que lograr la forma de orificio adecuada y el flujo eficaz resultó complejo, la fabricación aditiva nos permitió crear perforaciones únicas de múltiples orificios que son muy eficaces para el enfriamiento. Esto favoreció la creación de un diseño sólido de una sola capa con un coste y un peso inferiores, los cuales pudieron reducirse todavía más al emplear menos soldadura».
Innovaciones en materia de pruebas y simulaciones
Las mediciones experimentales de una cámara de combustión totalmente fabricada por adición en condiciones reales de motor aprovecharon varios métodos pioneros. «Se aplicó al revestimiento el innovador recubrimiento de historia térmica de Sensor Coating Systems (SCS), que proporcionó 3 000 puntos de temperatura con una precisión de 1 °C aproximadamente en comparación con los 30-40 °C de las pinturas estándar, lo que dio lugar a mapas bidimensionales (2D) sin precedentes de la temperatura máxima del metal», explica Antonio Andreini, de la Universidad de Florencia y coordinador del proyecto START. Abbondanza añade: «La primera vez que utilizamos el recubrimiento de historia térmica de SCS fue todo un éxito, demostrando así su utilidad en futuras pruebas de validación de la cámara de combustión». Los ingenieros desarrollaron una sonda rotatoria para medir las emisiones de escape y la temperatura en el plano 2D de la salida de la cámara de combustión, lo cual proporciona una distribución 2D integral. Giulio Grass, director del Sesta Lab, donde se validó la cámara de combustión, concluye: «Hemos creado un nuevo mercado para nuestras instalaciones de pruebas industriales en Sesta Lab gracias al éxito de las pruebas anulares de pequeñas cámaras de combustión para aeromotores alimentados por combustibles líquidos». Los experimentos respaldan los modelos, y viceversa. Al modelizar la compleja transferencia de calor entre sólidos y la transferencia de calor conjugada de líquidos de reacción en una cámara de combustión, los métodos tradicionales de dinámica de fluidos computacional (DFC) pueden resultar pesados desde un punto de vista computacional, además de presentar una falta de precisión. El Heat Transfer and Combustion Group de la Universidad de Florencia, institución de acogida y coordinadora del proyecto START, desarrolló el método U THERM3D para modelizar de forma precisa la transferencia de calor conjugada en cámaras de combustión de aeromotores con características específicas a fin de gestionar configuraciones de enfriamiento con múltiples orificios. La metodología multifísica de DFC basada en la simulación de grandes remolinos y en el «software» Ansys Fluent se validó frente a la bibliografía y los datos de las pruebas.
Tras la primera, se esperan las siguientes
El equipo del proyecto START logró validar la innovadora cámara de combustión anular de una sola capa producida por fabricación aditiva para el mercado del SAT. Cabe destacar que START ha proporcionado un conjunto de herramientas y una configuración validada para acelerar la comercialización de futuras cámaras de combustión anular extremadamente compactas.
Palabras clave
START, cámara de combustión, anular, fabricación aditiva, turbopropulsor, SAT, recubrimiento de historia térmica, DFC, transporte aéreo ligero, dinámica de fluidos computacional
