Nowe testy do badania bardziej ekologicznych silników lotniczych
Współczesne turbiny gazowe są coraz częściej projektowane pod kątem pracy w warunkach skrajnych temperatur i ciśnień. Takie warunki zwiększają sprawność cieplną i zmniejszają emisje. Aby lepiej poznać oddziaływania w polu przepływu, zachodzące w komorach spalania i turbinach gazowych, naukowcy zainicjowali finansowany ze środków UE projekt FACTOR (Full aero-thermal combustor-turbine interaction research). Uzyskana szczegółowa wiedza na ten temat umożliwi tworzenie bardziej wydajnych turbin o zwiększonej trwałości. Większa wydajność, niższa emisja W ciągu ostatniego dziesięciolecia przeprowadzono wiele badań nad złożonym charakterem przepływu w systemach turbinowych składających się zwykle z wielu wyjątkowo skomplikowanych podzespołów. Producenci silników wkładają wiele starań, aby jak najlepiej dopracować istniejące interfejsy, co jest mocno utrudnione z powodu m.in. ekstremalnej temperatury gazów, zmienności warstw granicznych, turbulencji i naturalnej niestabilności procesu. Lepsze poznanie złożonych oddziaływań pomiędzy układem chłodzenia a układem transportu i mieszania powietrza wewnątrz turbiny silnika lotniczego pozwoli zmniejszyć ilość zużywanego przez silnik paliwa. „Dzięki możliwości dokładnego przewidywania interakcji komora spalania-turbina będziemy w stanie projektować bardziej optymalne konstrukcje, tym samym uzyskując silniki o dużo większej sprawności” – mówi Matthieu Chevrier, koordynator projektu. „Celem projektu FACTOR było zgromadzenie precyzyjnych i wiarygodnych danych do ulepszenia modeli obliczeniowych” – kontynuuje. Zespół postawił przed sobą kilka zadań, w tym zmniejszenia zużycia paliwa, redukcji masy turbiny wysokociśnieniowej o 1,5% i, co za tym idzie, kosztów budowy silnika o 3%. Nowe ośrodki doświadczalne Bazując na wynikach i wytycznych innych finansowanych ze środków UE inicjatyw, badacze nawiązali nowe kontakty wśród europejskich specjalistów w dziedzinie komór spalania i turbin. Duży wkład w prowadzone prace miał utworzony w Göttingen przez DLR nowy ośrodek testów turbin, w którym połączono komorę spalania z symulatorem turbiny wysokociśnieniowej w celu dokonywania pomiarów aerodynamicznych i aerotermicznych. Infrastruktura testowa projektu FACTOR posłużyła do zebrania danych doświadczalnych pozwalających lepiej zrozumieć zjawiska przenoszenia i mieszania przepływu wtórnego zachodzące w turbinach. Zasilana gorącym i zimnym powietrzem nowa konstrukcja testowa umożliwiła zespołowi dokładne zbadanie oddziaływań termicznych pomiędzy komorą spalania a turbiną. Do wspomożenia analizy stałoprzepływowego modułu testowego DLR wykorzystano testową turbinę wydmuchową znajdującą się w ośrodku badawczym Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii. Mimo że temperatury podczas testów były niższe od rzeczywistych temperatur pracy, zachowanie aerodynamiczne turbiny odzwierciedlało zachowanie większości używanych obecnie silników. „Łopatka kierująca dyszy, znajdująca się tuż za komorą spalania, musi być chłodzona ze względu na wysoką temperaturę komory” – wyjaśnia Chevrier. „Przepływ temperatury nie jest jednorodny, a raczej silnie heterogeniczny, z tego powodu bardziej precyzyjne przewidywanie zmian lokalizacji gorących punktów w turbinie pozwoli lepiej zoptymalizować wydajność silnika”. Wszystkie dane pomiarowe zostały umieszczone w nowej bazie danych dostępnej dla wszystkich partnerów projektu FACTOR. Baza ta zawiera różne kombinacje wzajemnego położenia kierownic ułatwiające zrozumienie interakcji pomiędzy lokalizacją gorącego punktu a pracą turbiny. Zamieszczono w niej również szczegółowe dane pomiarowe dla wszystkich interfejsów, które będą używane przez przynajmniej 10 kolejnych lat, wyjaśniające strukturę przepływu wewnątrz turbiny. Wyniki projektu FACTOR powinny znacząco wspomóc tworzenie nowych konstrukcji silników spalania wewnętrznego pracujących na mieszankach o dużej ilości powietrza. Silniki korzystające z takich zubożonych mieszanek wydajniej spalają paliwo i generują mniej emisji.
Słowa kluczowe
FACTOR, komora spalania, turbina gazowa, oddziaływanie komora spalania-turbina, silnik lotniczy, pole przepływu
