Nuovi test per motori aeronautici più ecologici
Le turbine a gas moderne sono sempre più spesso progettate per operare in condizioni di temperatura e pressione estreme. Tali condizioni aumentano l’efficienza termica e riducono le emissioni. Gli scienziati hanno avviato il progetto FACTOR (Full aero-thermal combustor-turbine interaction research), finanziato dall’UE, per approfondire lo studio nel campo delle interazioni tra la camera di combustione e la turbina a gas. Una conoscenza approfondita di questa interazione è fondamentale per la progettazione di motori di turbine ad alte prestazioni con una maggiore durata di funzionamento. Migliori prestazioni, minori emissioni La complessità della fisica dei flussi nei sistemi di combustione e delle turbine, che di solito consistono di molti componenti altamente sofisticati, è stata al centro di numerosi studi nell’ultimo decennio. I produttori di motori stanno compiendo grandi sforzi per controllare quest’interfaccia, poiché i gas ad altissime temperature, gli strati limite variabili, gli effetti di turbolenza e l’instabilità inerente sono alcuni dei fenomeni che rendono questo campo molto complesso. Comprendere meglio l’interazione complessa tra il sistema di raffreddamento e il trasporto/miscelazione dell’aria nelle turbine aeree consentirà di ridurre il consumo di combustibile specifico. “Una previsione esatta dell’interazione combustore-turbina porterà a una progettazione più ottimizzata e quindi a motori di maggiore efficienza,” dice Matthieu Chevrier, coordinatore del progetto. “Lo scopo di FACTOR era di fornire dati precisi e affidabili che possono essere usati per migliorare i modelli di calcolo,” continua. L’obiettivo di FACTOR non era soltanto di ridurre il consumo di combustibile, ma anche di ridurre il peso della turbina ad alta pressione del 1,5 % e, quindi, il costo del 3 %. Nuovi centri di collaudo Basandosi sui risultati e sulle linee guida di precedenti iniziative finanziate dall’UE, il progetto è riuscito a creare nuovi collegamenti tra gli esperti europei di combustori e macchinari turbo. Un nuovo centro di collaudo presso DLR a Göttingen, che unisce un combustore con un simulatore di turbina ad alta pressione per misurazioni aerodinamiche e aerotermiche ha intensificato questi sforzi. Il centro di collaudo di FACTOR è stato utilizzato per raccogliere dati sperimentali al fine di aumentare la conoscenza del trasporto di flusso secondario e dei meccanismi di miscelazione tramite la turbina. Alimentato da aria calda e fredda, questo nuovo impianto ha anche consentito ai ricercatori di esplorare ulteriormente le interazioni termiche tra il combustore e la turbina. Un impianto complementare per la turbina di spurgo presso la l’Università di Oxford, nel Regno Unito, è stata usata per complementare l’analisi del dispositivo di prova del flusso continuo di DLR. Anche se le temperature del banco di prova rimanevano al di sotto delle temperature reali, il comportamento aerodinamico delle turbine era tipico dei motori più attuali. “Le alette guida, che si trovano appena dopo la camera di combustione, devono essere raffreddate a causa dell’elevata temperatura proveniente dalla camera,” spiega Chevrier. “Questo flusso della temperatura non è omogeneo, ma piuttosto altamente eterogeneo, e prevedendo meglio la migrazione del punto caldo attraverso la turbina possiamo ottimizzare l’efficienza del motore.” Sono stati usati tutti i dati di misurazione per creare un nuovo database di prova che è disponibile per tutti i partner di FACTOR. Il database contiene diverse posizioni orarie che agevoleranno una migliore comprensione di come il punto caldo interagisce con la turbina. Inoltre, include misurazioni dettagliate in tutte le interfacce che saranno disponibili e utilizzate per almeno 10 anni per capire meglio la struttura del fluido all’interno della turbina. I risultati di FACTOR dovrebbero contribuire significativamente alla progettazione di nuovi motori a combustione interna con un elevato rapporto aria-combustibile. Nota come combustione magra, consente a questi motori di bruciare una maggiore quantità di combustibile e creare minori emissioni.
Parole chiave
FACTOR, combustore, turbina a gas, interazione combustore-turbina, motore aeronautico, campo di flusso
