Zaawansowane narzędzia symulacyjne i diagnostyczne napędzają europejskie innowacje w przemyśle lotniczym i kosmicznym
W większości dużych statków powietrznych powietrze przepływa przez silniki odrzutowe od wlotu do dyszy w sposób liniowy. Jednak taki przepływ osiowy w przypadku mniejszych prędkości jest mniej wydajny. Dlatego w mniejszych turbośmigłowcach odbywających loty na mniejszych odległościach często stosuje się nowe rozwiązanie, które, choć może wydawać się sprzeczne z intuicją, znacznie lepiej sprawdza się w takich warunkach. Przepływ powietrza kilkukrotnie zmienia swój kierunek, dzięki czemu silnik może być krótszy i bardziej kompaktowy, co z kolei przekłada się na mniejsze spalanie paliwa w przeliczeniu na jednego pasażera i redukcję emisji. Silniki takich turbośmigłowców są wyposażone w pierścieniową komorę spalania z odwróconym przepływem oraz standardową pierścieniową konstrukcję otaczającą oś silnika. Zaletą zastosowania mniejszej i lżejszej, a także tańszej komory spalania jest możliwość zmniejszenia wymiarów silnika i ograniczenie zużycia paliwa. Takie rozwiązanie odegra kluczową rolę we wzmacnianiu konkurencyjności europejskiego rynku SAT świadczącego usługi w sektorze lotnictwa korporacyjnego, a także na potrzeby akcji pożarniczych i ratunkowych, ewakuacji osób poszkodowanych oraz działań prowadzonych w odległych rejonach. Zespół finansowanego ze środków UE projektu START poddał walidacji nową i niezwykle obiecującą pierścieniową komorę spalania, której skonstruowanie wymagało zastosowania szeregu innowacji z zakresu wytwarzania, testowania i modelowania.
Wartość dodana dzięki obróbce przyrostowej
Za chłodzenie wykonanej z metalu okładziny wyściełającej od wewnątrz i z zewnątrz strefę spalania odpowiada zwykle dwuwarstwowy układ odprowadzania ciepła. Tymczasem wykorzystanie obróbki przyrostowej, zwanej również drukowaniem 3D, stworzyło doskonałą możliwość dla ograniczenia kosztów, masy i stopnia złożoności takiej konstrukcji. Claudio Abbondanza z firmy Avio Aero i kierownik tematyczny projektu START wyjaśnia: „Choć uzyskanie właściwych kształtów otworów i efektywnego przepływu nie było zadaniem łatwym, obróbka przyrostowa dała nam możliwość stworzenia unikalnych perforacji wielootworowych, które doskonale sprawdzają się w układzie chłodzenia. Dzięki temu rozwiązaniu mogliśmy ograniczyć układ do jednej warstwy oraz zmniejszyć jego koszty i masę, przy czym oba te czynniki dodatkowo zoptymalizowaliśmy ograniczając do minimum prace spawalnicze".
Innowacyjne testy i symulacje
Do wykonania pomiarów doświadczalnych komory spalania wykonanej w pełni w technologii druku 3D badacze wykorzystali rzeczywisty silnik oraz kilka pionierskich metod. Jak wyjaśnia koordynator projektu START Antonio Andreini z Uniwersytetu we Florencji: „Dzięki zastosowaniu innowacyjnej powłoki rejestrującej historię termiczną (ang. thermal history coating) firmy Sensor Coating Systems (SCS) dokonaliśmy pomiaru temperatury w 3000 punktów okładziny z dokładnością do około 1 °C w porównaniu do 30–40 °C w przypadku standardowych farb. Umożliwiło nam to stworzenie niespotykanej dotąd mapy 2D punktów o maksymalnej temperaturze metalu”. Abbondanza dodaje: „Pierwsze zastosowanie przez nas technologii powłoki z historią termiczną firmy SCS zakończyło się olbrzymim sukcesem i dowiodło skuteczności tego rozwiązania w przyszłych testach walidacyjnych komór spalania”. Inżynierowie opracowali także sondę obrotową do pomiaru emisji gazów wylotowych i temperatury w płaszczyźnie 2D dyszy wylotowej komory spalania, uzyskując całościowy obraz dystrybucji dwuwymiarowej. Giulio Grassi, dyrektor laboratorium Sesta Lab, w którym prowadzono badania walidacyjne, podsumowuje: „Zakończone powodzeniem pełne testy pierścieniowych komór spalania wykorzystywanych w małych silnikach samolotowych zasilanych paliwem ciekłym otworzyły dla Sesta Lab nowy rynek testów przemysłowych”. Doświadczenia dowodzą poprawności opracowanych modeli i odwrotnie. Wykorzystanie konwencjonalnych metod obliczeniowej dynamiki płynów (ang. computational fluid dynamics, CFD) do modelowania złożonej wymiany ciepła pomiędzy ciałami stałymi oraz skoniugowanej wymiany ciepła reagujących cieczy w komorze spalania może wymagać użycia dużych mocy obliczeniowych, przy czym wyniki mogą okazać się niedokładne. Dlatego badacze z Zespołu ds. Wymiany Ciepła i Spalania (strona w języku włoskim) z Uniwersytetu we Florencji (UniFl), instytucji koordynującej projekt START, opracowali rozwiązanie o nazwie „U-THERM3D” do dokładnego modelowania skoniugowanej wymiany ciepła w komorach spalania w silnikach lotniczych, uwzględniając przy tym konfiguracje chłodzenia perforacji wielootworowych. Zastosowana przez badaczy metodologia CFD oparta na wielofizycznej symulacji metodą dużych wirów bazująca na oprogramowaniu Ansys Fluent została poddana walidacji w odniesieniu do danych literaturowych i danych testowych.
W oczekiwaniu na realizację kolejnego celu
Walidacja innowacyjnej pierścieniowej, jednowarstwowej komory spalania wytworzonej w technologii obróbki przyrostowej na potrzeby rynku SAT zakończyła się sukcesem. Co równie ważne, zespół projektu START dostarczył także zestaw narzędzi i sprawdzoną konfigurację testową, które usprawnią komercjalizację przyszłych niezwykle kompaktowych pierścieniowych komór spalania.
Słowa kluczowe
START, komora spalania, pierścieniowa, obróbka przyrostowa, turbośmigłowiec, SAT, powłoka z historią termiczną, CFD, mały transport powietrzny, obliczeniowa dynamika płynów
