Hacia unas arquitecturas de motor más eficientes y sostenibles
El objetivo del motor con rendimiento propulsivo ultraelevado (UHPE, por sus siglas en inglés), uno de los demostradores insignia del programa del demostrador tecnológico integrado (DTI) de motor de Clean Sky 2, es aumentar aún más la eficiencia energética y en el consumo de combustible, y reducir las emisiones nocivas en comparación con los actuales motores turbofán más eficientes. Estos objetivos se pretenden alcanzar aumentando el rendimiento propulsivo y térmico del motor por encima del estado actual de la técnica. Un método para mejorar el rendimiento propulsivo y térmico del motor consiste en aumentar la relación de derivación y reducir la relación de presión del ventilador. En concreto, se requiere una relación de derivación superior a 15:1 para satisfacer los exigentes objetivos medioambientales. Sin embargo, esta exigencia plantea desafíos técnicos relacionados principalmente con los materiales utilizados en el módulo del sistema de accionamiento del motor UHPE.
El desafío de los motores con una relación de derivación muy elevada
La relación de derivación de un motor turbofán se refiere a la relación entre el flujo primario (el caudal másico que entra en el núcleo del motor) y el flujo secundario (el caudal másico que pasa por la cámara de combustión). Cuanto mayor sea el volumen de aire derivado, más silencioso y eficiente será el motor. El diseño del turbofán con engranajes resulta ventajoso para los motores con relaciones de derivación muy elevadas. «La tecnología con una relación de derivación ultraalta que se consigue con el concepto de turbofán con engranajes, la cual desacopla las velocidades del ventilador y la turbina mediante un sistema de accionamiento integral, es una arquitectura innovadora que permite reducir significativamente el consumo de combustible, el ruido y las emisiones», señala Ida Bartilotta, ingeniera de investigación de la empresa italiana AM Testing y coordinadora del proyecto financiado con fondos europeos HILOGEAR. «Los materiales aeroespaciales clásicos para rodamientos y engranajes no cumplen todos los requisitos técnicos en cuanto a resistencia necesarios para su uso en la caja de engranajes de potencia del motor UHPE. Para hacerlo, hay que investigar nuevos materiales y tratamientos térmicos», añade Bartilotta.
Evaluación del rendimiento de los materiales en condiciones reales
Con el apoyo de HILOGEAR, el equipo de AM Testing llevó a cabo pruebas para determinar la resistencia estática y a la fatiga de los engranajes y rodamientos con respecto a mecanismos de daño clásicos, como la flexión y el roce. Las actividades experimentales tenían por objeto evaluar las prestaciones de los materiales de los rodamientos y engranajes en condiciones de funcionamiento similares a las de los motores nuevos (cargas y temperaturas elevadas). El banco de pruebas para ensayos de flexión y roce permite alcanzar 1 MW de potencia circulante con una velocidad máxima en la línea de paso de 140 m/s. La temperatura máxima del lubricante es de 180 °C y también se pueden realizar pruebas en condiciones extremas. Los científicos investigaron y probaron prometedores tratamientos de superficies de materiales con base de acero adecuados para engranajes y rodamientos. Respecto a estos últimos, los investigadores realizaron 46 pruebas (las horas de prueba superaron las 34 000) utilizando dos combinaciones de materiales y métodos de tratamiento térmico. Además, llevaron a cabo 228 pruebas (se superaron las superaron las 3 700 horas de prueba) de resistencia de los materiales de los engranajes, empleando combinaciones de materiales y métodos de tratamiento térmico.
Se augura una nueva era de motores aeronáuticos de alto rendimiento
Los resultados de HILOGEAR contribuyen a los esfuerzos de maduración de la tecnología base del motor del demostrador UHPE. Por otro lado, los resultados del proyecto se aprovecharán en futuros estudios y proyectos de investigación. «A través de HILOGEAR, la pyme AM Testing tuvo la oportunidad de colaborar con una gran compañía, Schaeffler Aerospace Germany, en el desarrollo de sistemas de rodamientos y engranajes de alta precisión para motores de aviación. Además, hemos estrechado lazos con la empresa italiana de aviación de negocios Avio Aero y hemos allanado el camino para una futura colaboración», concluye Bartilotta.
Palabras clave
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