Approfondire i combustori con turbina a gas completamente anulari per migliorarne le progettazioni
Le camere di combustione sono il fulcro delle turbine a gas, che a loro volta sono l’elemento fondamentale dell’aviazione e rappresentano il modo più efficiente di generare una quantità di energia significativa. Numerose ricerche su componenti di combustori reali hanno rivelato nuovi processi relativi alla fisica delle dinamiche di combustione. La previsione delle modalità attraverso cui questa fisica agisce in sistemi reali più complessi risulta essenziale. Con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), il progetto ANNULIGhT(si apre in una nuova finestra) ha caratterizzato le dinamiche di combustione che si verificano nei combustori con turbina a gas completamente anulari. I nuovi strumenti, le metodologie e gli elementi di comprensione fondamentale presentati in oltre 40 pubblicazioni costituiscono ora lo stato dell’arte in questo settore e andranno a sostegno dello sviluppo delle turbine a gas di prossima generazione per la propulsione e la generazione di energia che garantiscano un tenore di carbonio nullo e basse emissioni.
Instabilità termoacustiche, scarico ridotto e reinnesco
La maggior parte dei motori a reazione si affida a combustori anulari (ovvero a forma di ciambella) dotati di molteplici iniettori intorno alla propria circonferenza, che fungono da stabilizzatori delle fiamme. «Quando le onde relative alla pressione acustica interagiscono con le fiamme e vengono amplificate, si verificano instabilità a livello termoacustico che determinano a loro volta la risonanza del sistema di combustione, ed è proprio questo che è accaduto con il razzo Saturn V. Nei combustori anulari, queste onde di pressione viaggiano attorno all’anello e possono risultare sufficientemente potenti da danneggiare in modo grave il motore, provocandone un guasto», spiega James Dawson, coordinatore di ANNULIGhT e docente presso l’Università norvegese della scienza e della tecnologia(si apre in una nuova finestra). Lo scarico ridotto e il reinnesco sono sfide interconnesse. Sebbene la combustione che avviene con maggiore presenza di aria rispetto al carburante riduca al minimo le emissioni di ossido di azoto, in caso di eccessiva quantità di aria le fiamme si possono spegnere. Gli ingegneri garantiscono la possibilità di reinnesco dei motori, ma la loro comprensione in merito ai relativi processi è limitata poiché quando effettuano i test non sono in grado di vedere l’interno del motore, ma sanno solo se esso è acceso o meno.
Approfondimenti sui combustori completamente anulari che forniscono indizi cruciali
«ANNULIGhT dispone di diversi combustori anulari unici su scala di laboratorio che ci consentono di vedere cosa accade in un motore reale, come ad esempio quando una delle fiamme viene accesa e viaggia nel combustore innescando tutti gli iniettori (processo di «light around»). Lo svolgimento di esperimenti mediante l’impiego di telecamere e laser ad alta velocità ci permette di acquisire l’essenziale complessità dei motori reali, il tutto in combinazione con simulazioni numeriche ad alta fedeltà che ci forniscono un livello di dettaglio persino superiore», spiega Dawson. Il team ha scoperto che la rottura della simmetria è cruciale per il controllo delle instabilità termoacustiche nelle geometrie anulari, una rivelazione che ha portato a nuovi strumenti e metodi computazionali per l’individuazione di parametri chiave intesi a prevenire queste instabilità e a migliorare le progettazioni. La visualizzazione dello scarico ridotto, dell’innesco e del processo di light around ha fornito indizi di cruciale importanza su come rendere i motori più sicuri. ANNULIGhT ha dimostrato che la ricca varietà di risposte del sistema che si presenta nelle geometrie anulari può essere svelata esclusivamente nelle geometrie di combustori completamente anulari. Il miglioramento della comprensione della fisica sottostante alla riaccensione del motore e i nuovi strumenti basati sulla fisica per prevedere e prevenire in modo migliore le dinamiche di combustione supporteranno la progettazione della prossima generazione di combustori.
Il mondo accademico e quello industriale si uniscono per alimentare lo sviluppo dei combustori
La stretta collaborazione instaurata nell’ambito di ANNULIGhT sta già producendo progressi pratici. Gli esperimenti e le simulazioni numeriche hanno messo in evidenza il fatto che flussi rotazionali molto elevati reprimono le instabilità termoacustiche; inoltre, il fenomeno è stato spiegato da un punto di vista teorico, il che ha portato a sviluppi nella tecnologia di combustione rotante, realizzati dall’impresa partner del progetto Safran Helicopter Engines. Dawson conclude: «Nonostante l’astrofisica richiami tutte le attenzioni, anche la turbina a gas è un macchinario incredibilmente complesso e affascinante. Spero che la prossima volta in cui sarete seduti sul sedile di un aereo e guarderete fuori dal finestrino per osservare questa meraviglia della tecnica, vi chiediate: “come funziona?”.» ANNULIGhT è a conoscenza della risposta.
