Las investigaciones de cámaras de combustión anulares de turbinas de gas mejoran los diseños
Las cámaras de combustión constituyen el núcleo de las turbinas de gas, que son la piedra angular de la aviación y la forma más eficaz de generar una potencia significativa. La investigación exhaustiva de partes de cámaras de combustión reales ha revelado nuevos procesos físicos de la dinámica de la combustión. Predecir cómo se desarrollan estos procesos físicos en sistemas más complejos reales es crucial. Con el apoyo de las Acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana), el proyecto ANNULIGhT(se abrirá en una nueva ventana) caracterizó la dinámica de la combustión en cámaras de combustión anulares de turbinas de gas. Las nuevas metodologías, herramientas y conocimientos fundamentales que se presentaron en más de cuarenta publicaciones de revistas son ahora la vanguardia en este campo y apoyarán el desarrollo de turbinas de gas de próxima generación con emisiones de carbono bajas o nulas para sistemas de propulsión y alimentación.
Inestabilidades termoacústicas, apagado por mezcla pobre y reencendido
La mayoría de los motores a reacción se basan en cámaras de combustión anulares (con forma de anillo) con múltiples inyectores alrededor de la circunferencia para estabilizar las llamas. «Las inestabilidades termoacústicas se producen cuando las ondas (de presión) acústicas interactúan con las llamas y se amplifican, lo cual hace que el sistema de combustión resuene. Esto pasó en el cohete Saturno V. En las cámaras de combustión anulares, estas ondas de presión se desplazan por el anillo y pueden ser tan fuertes como para dañar gravemente el motor y provocar fallos», explica James Dawson de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología(se abrirá en una nueva ventana) y coordinador de ANNULIGhT. El apagado por mezcla pobre y el reencendido son problemas que están interrelacionados. La combustión con más aire que combustible minimiza las emisiones de óxido de nitrógeno, pero demasiado aire puede apagar las llamas. Los ingenieros se aseguran de que los motores puedan volver a encenderse, pero su comprensión de los procesos que tienen lugar es limitada, ya que no pueden ver dentro del motor al llevar a cabo los ensayos; tan solo saben si el motor está en marcha o parado.
Las investigaciones de cámaras de combustión anulares enteras aporta información crítica
«ANNULIGhT dispone de varias cámaras de combustión a escala de laboratorio singulares que nos permiten ver lo que sucede en un motor real, como cuando se enciende una de las llamas que se propaga por la cámara de combustión y enciende todos los inyectores (encendido alrededor). Los experimentos realizados empleando cámaras de alta velocidad y láseres nos permiten captar la complejidad esencial de los motores de verdad. Estos se combinan con simulaciones numéricas de alta fidelidad, que aportan incluso más detalles», explica Dawson. El equipo descubrió que romper la simetría es fundamental para controlar las inestabilidades termoacústicas en las geometrías anulares, lo cual dio lugar a nuevos métodos y herramientas computacionales para identificar los parámetros clave que permitan evitar estas inestabilidades y mejorar los diseños. Visualizar el apagado por mezcla pobre además del encendido y el encendido alrededor ha aportado información esencial sobre cómo hacer que los motores sean más seguros. ANNULIGhT ha demostrado que la rica variedad de respuestas del sistema que tienen lugar en las geometrías anulares solo puede revelarse con geometrías de cámara de combustión anular completas. Una mejor comprensión de la física del reencendido del motor y las nuevas herramientas basadas en la física para predecir mejor y evitar la dinámica de la combustión respaldarán el diseño de las cámaras de combustión de próxima generación.
Universidades e industria unidas para el desarrollo de cámaras de combustión de combustible
La estrecha colaboración en ANNULIGhT ya da lugar a avances prácticos. Los experimentos y las simulaciones numéricas mostraron que unos flujos rotacionales elevados eliminan las inestabilidades termoacústicas, y dicho fenómeno se explicó de forma teórica. Esto ha dado lugar a cambios en la tecnología de combustión en rotación de la empresa socia Safran Helicopter Engines. Dawson concluye: «La ciencia espacial consigue todo el bombo, pero las turbinas de gas son unas máquinas extremadamente complejas y bonitas. Espero que la próxima vez que se sienten en un avión y miren por la ventana para ver esta maravilla técnica, se pregunten “¿cómo funciona?”». ANNULIGhT tiene la respuesta.
