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La luz láser revela cómo se arremolinan los gases dentro de los motores a reacción

Una falange de láseres emitidos contra el combustible vaporizado ha permitido a unos investigadores medir, por primera vez, simultáneamente en tres dimensiones las condiciones dentro de las cámaras de combustión de las turbinas de gas.

Tecnologías industriales

Las turbinas de gas son el método principal empleado para convertir combustible en energía mecánica y su uso está muy generalizado, desde en centrales eléctricas hasta en motores a reacción. Un motor a reacción convencional consta de dieciséis cámaras de combustión, cada una de las cuales genera varios megavatios de potencia, más de mil veces la proporcionada por una caldera de gas doméstica. Por lo tanto, su funcionamiento depende de un diseño esmerado, comenta Yannis Hardalupas, coordinador del proyecto 3DFlameGT. A lo que añade: «Se trata de una cantidad enorme de calor generado en el pequeño volumen de una cámara de combustión, por lo que, si cometes un error, se puede derretir fácilmente la cámara». Que se genere una llama en la cámara de combustión depende, en parte, de la mezcla efectiva de combustible y aire, una propiedad que se mide por la tasa de disipación escalar de flujo. «Si el valor de esta tasa es muy alto, obtenemos una mezcla rápida y una reacción rápida, pero si es demasiado alto, la reacción no puede mantenerse y la llama se apaga», explica Hardalupas. «Lo que queremos comprender es cómo se puede optimizar este valor dentro de una cámara de combustión a fin de estabilizar la llama». Para medir la tasa de disipación escalar, Hardalupas y su equipo en el Imperial College de Londres combinaron una matriz de cuatro láseres, que emitían láminas de luz paralelas a la mezcla de aire y combustible en una cámara de combustión, lo que confería fluorescencia al combustible. Una cámara registró estos patrones de luz fluorescente que fueron analizados digitalmente para reconstruir la estructura tridimensional de la distribución del combustible y determinar la tasa de disipación escalar. Se trata de la primera vez que se cuantifica simultáneamente y al instante en tres dimensiones la tasa de disipación escalar. La nueva información física permitirá mejorar las suposiciones de los modelos computacionales empleados para diseñar cámaras de combustión. Es más, esta se empleará no solo para el diseño de turbinas de gas futuras, sino también para optimizar el funcionamiento de las ya existentes. «El diseño de cámaras de combustión es, en gran medida, un proceso semiempírico. Deben realizarse muchas pruebas antes de tener el diseño correcto», comenta Hardalupas. Dado que una hora de prueba de un motor a reacción cuesta más de 10 000 EUR y se necesitan miles de horas de ensayos para completar un diseño de motor nuevo, la disminución del número de pruebas conlleva ahorros significativos. El proyecto se ha llevado a cabo con el apoyo del programa de Acciones Marie Skłodowska-Curie. «La beca de investigación concedida a Irfan Mulla fue de gran ayuda ya que se necesita a alguien con mucha experiencia para realizar este tipo de investigación», señala Hardalupas. Hoy día, Mulla trabaja en el prestigioso Instituto Indio de Tecnología de Madrás. La investigación futura examinará cómo se puede controlar la tasa de disipación escalar dentro de las cámaras de combustión para diferentes combustibles, una cuestión urgente a medida que la cartera de energía del mundo se desplaza hacia los combustibles sintéticos, los biocombustibles y el hidrógeno. Hardalupas concluye: «Determinar cuál es la tasa de disipación escalar en cámaras de combustión que emplean estos combustibles constituye un reto que debe abordarse para diseñar turbinas de gas con cero emisiones. El hidrógeno gaseoso se quema rápido y, si se comete un error, se puede dañar muy fácilmente las paredes de la cámara de combustión».

Palabras clave

3DFlameGT, gas, turbina, láser, combustible, cámara de combustión, escalar, disipación, fluorescencia

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