Nuevos ensayos para lograr motores aeronáuticos más ecológicos
Cada vez son más las turbinas de gas modernas que se diseñan para funcionar en condiciones extremas de temperatura y presión, que aumentan la eficiencia térmica y reducen las emisiones. Los científicos mencionados pusieron en marcha el proyecto FACTOR (Full aero-thermal combustor-turbine interaction research), financiado con fondos europeos, para estudiar a fondo las interacciones del campo de flujo entre la cámara de combustión y la turbina de gas. Conocer en detalle esas interacciones resulta esencial para poder diseñar turbinas para motores de mayor rendimiento que ofrezcan ciclos de vida útil más largos. Más rendimiento y menos emisiones En el último decenio se han dedicado numerosos estudios a los complejos mecanismos físicos que condicionan los flujos en los sistemas de combustor y turbina, que suelen constar de numerosos componentes también de gran complejidad. Los fabricantes de motores están realizando una intensa labor para dominar esa zona de contacto, extremadamente compleja por entrar en juego gases extremadamente calientes, capas límite variables, turbulencias y una inestabilidad intrínseca. Si se logra comprender con más precisión la interacción entre el sistema del refrigerante y el transporte y la mezcla del aire en el interior de las turbinas aeronáuticas, será posible reducir el consumo de combustible. «La capacidad de prever con exactitud la interacción entre el combustor y la turbina haría posible perfeccionar el diseño, de modo que los motores posean mayor eficiencia —aseguró Matthieu Chevrier, coordinador del proyecto—. El objetivo de FACTOR fue proporcionar datos exactos y fidedignos que sirvan para mejorar los modelos de cálculo». En FACTOR pretendíamos reducir no solo el consumo de combustible, sino también el peso de la turbina de alta presión en un 1,5 %, lo cual reduciría a su vez el coste del motor en un 3 %. Nuevas instalaciones experimentales El proyecto, que aprovechó los resultados y la orientación de anteriores iniciativas de interés financiadas también por la UE, logró establecer vínculos nuevos entre especialistas europeos en cámaras de combustión y turbomaquinaria. Sus trabajos se beneficiaron de una nueva instalación de ensayo de turbinas, situada en el DLR de Gotinga, que cuenta con un combustor y un simulador de turbina de alta presión y que permite realizar mediciones aerodinámicas y aerotérmicas. La infraestructura de ensayos de FACTOR se empleó para reunir datos experimentales y, así, entender mejor los mecanismos de transporte y mezcla de flujos secundarios por toda la turbina. Esta nueva instalación, en la que se introduce aire tanto frío como caliente, permitió además examinar las interacciones térmicas entre el combustor y la turbina. También se utilizó una instalación complementaria con turbina de purga, que se encuentra en la Universidad de Oxford (Reino Unido), para complementar el análisis de la instalación de pruebas con flujo continuo del DLR. Aunque las temperaturas del banco de pruebas se mantuvieron por debajo de las temperaturas reales, el comportamiento aerodinámico de la turbina sí fue representativo del de los motores más modernos. «El álabe guía de la tobera, que se halla justo después de la cámara de combustión, se tiene que enfriar por la temperatura tan elevada que hay a la salida de dicha cámara —explicó Chevrier—. Ese flujo de temperatura no es homogéneo, sino muy heterogéneo; si se consigue prever con más precisión la migración del punto caliente a lo largo de la turbina, se podrá aumentar la eficiencia del motor». Los datos de todas las mediciones se han empleado en crear una nueva base de datos de ensayos que pueden consultar todos los socios de FACTOR. Esa base de datos contiene distintas posiciones temporales que ayudan a entender mejor la interacción del punto caliente con la turbina. Contiene además mediciones detalladas en todas las zonas de contacto que estarán a disposición y podrán utilizarse durante al menos diez años con el fin de comprender la estructura de los fluidos en el interior de la turbina. Se espera que los resultados de FACTOR contribuyan notablemente al diseño de nuevos motores de combustión interna que tengan razones elevadas de aire frente a combustible. Estos motores, llamados de mezcla empobrecida, queman más combustible y generan menos emisiones.
Palabras clave
FACTOR, cámara de combustión, turbina de gas, interacción combustor-turbina, motor aeronáutico, campo de flujo
