Strumenti avanzati di simulazione e diagnostica alimentano l’innovazione aerospaziale europea
L’aria attraversa i motori a reazione della gran parte dei velivoli di grandi dimensioni in maniera lineare (flusso assiale), dall’ingresso allo scarico; tuttavia, ciò si rivela meno efficiente a velocità inferiori. Spesso, i velivoli a turboelica regionali di più piccole dimensioni impiegano un modello innovativo, sebbene alquanto irrazionale, più adatto a queste condizioni. L’aria cambia direzione più di una volta, permettendo l’utilizzo di un modello di motore più corto e compatto che contribuisce a consumare meno carburante a passeggero, il che si traduce in emissioni minori. Questi motori a turboelica si basano su camere di combustione a flusso anulare o inverso, presentando la disposizione anulare standard attorno all’asse del motore. La riduzione di dimensione, peso, costo dei combustori diminuirà a sua volta le dimensioni complessive del motore nonché il consumo di carburante del velivolo. Ciò permetterà loro di svolgere un ruolo cardine nel rafforzamento del livello di competitività dell’Europa nel mercato del trasporto aereo con piccoli velivoli a turboelica, mettendosi al servizio dell’aviazione commerciale, delle missioni antincendio e di soccorso, dell’evacuazione medica e delle zone remote. Il progetto START, finanziato dall’UE, ha convalidato uno dei nuovi promettenti combustori anulari europei caratterizzato da soluzioni innovative nella produzione, nel collaudo e nella modellizzazione.
Un valore aggiunto grazie alla produzione additiva
I rivestimenti in metallo interni ed esterni che isolano l’area di combustione anulare vengono normalmente raffreddati mediante un’architettura di gestione del calore a due strati. Lo sfruttamento della produzione additiva, o stampa tridimensionale, ha aperto la strada a un ventaglio di opportunità per mitigare costi, peso e complessità. Claudio Abbondanza dell’azienda Avio Aero e responsabile delle tematiche del progetto START spiega: «Sebbene si è dimostrato impegnativo ottenere la forma corretta del foro e un flusso efficace, la produzione additiva ci ha consentito di creare perforazioni multi-foro uniche ed estremamente efficaci per l’operazione di raffreddamento. Ciò ha permesso di realizzare un modello solido a singolo strato con un costo e un peso inferiori, che si sono ulteriormente ridotti grazie alla minore saldatura richiesta.»
Innovazioni nel collaudo e nella simulazione
Le misurazioni sperimentali di un combustore interamente additivo in condizioni reali di utilizzo del motore si sono avvalse di diversi approcci rivoluzionari. «L’innovativo rivestimento con storia termica dell’azienda Sensor Coating Systems (SCS) applicato al rivestimento ha fornito 3 000 punti di temperatura con una precisione di circa 1 ºC rispetto ai 30-40 ºC delle vernici normali. Ciò ha condotto a mappe bidimensionali inedite della temperatura massima del metallo», spiega Antonio Andreini dell’Università di Firenze, coordinatore di START. Abbondanza aggiunge: «Il primo impiego della tecnologia di rivestimento con storia termica di SCS ha riscosso un enorme successo, comprovandone l’utilità per le future prove di validazione dei combustori.» Gli ingegneri hanno sviluppato una sonda rotante per la misurazione delle emissioni di scarico e della temperatura nel piano bidimensionale dello scarico del combustore, offrendo una distribuzione bidimensionale completa. Giulio Grassi, direttore di Sesta Lab, dove si è svolta la convalida del combustore, conclude: «Abbiamo dato origine a un nuovo mercato per i nostri impianti di prova industriali presso Sesta Lab con le prove anulari complete di successo dei piccoli combustori di motori aeronautici alimentati con carburanti liquidi.» Gli esperimenti sostengono i modelli e vice versa. Quando si modella il complesso trasferimento di calore tra solidi e fluidi reagenti, ossia il trasferimento termico coniugato in un combustore, gli approcci basati sulla dinamica dei fluidi computazionale tradizionale possono rivelarsi pesanti dal punto di vista computazionale, e al tempo stesso, poco precisi. L’istituto Heat Transfer and Combustion Group dell’Università di Firenze (UniFI), che ha coordinato e ospitato il progetto START, ha sviluppato il sistema «U THERM3D» per modellare in modo preciso il trasferimento termico coniugato nei combustori di motori aeronautici con caratteristiche apposite per gestire le configurazioni di raffreddamento multi-foro. La metodologia di dinamica dei fluidi computazionale basata sulla simulazione multifisica di grandi vortici basata su Ansys Fluent è stata convalidata alla luce della letteratura in materia e dei dati di prova.
Via uno, sotto con gli altri
Il progetto START è riuscito a convalidare la camera di combustione anulare a singolo rivestimento innovativa creata tramite la produzione additiva per il mercato del trasporto aereo con piccoli velivoli. Un ulteriore aspetto altrettanto importante consiste nel fatto che START ha realizzato una serie di strumenti e una configurazione di prova convalidata per accelerare la commercializzazione di futuri concetti di progettazione di combustori anulari estremamente compatti.
Parole chiave
START, combustore, anulare, produzione additiva, turboelica, rivestimento con storia termica, trasporto aereo con piccoli velivoli, dinamica dei fluidi computazionale
