Raffreddare i motori dei turboreattori con rapporto di diluizione ultra-elevato
Il settore aeronautico rappresenta dal 2 al 3 % sul totale globale annuo delle emissioni di CO2 prodotte da attività umane e influisce sul clima a causa delle sue emissioni di gas diversi dalla CO2. «Al fine di ridurre l’impatto ambientale dell’aviazione commerciale, devono essere ridotti biossido di carbonio, ossidi di azoto e rumorosità. Serve una nuova generazione di motori per raggiungere questo obiettivo e uno dei concetti più promettenti è il turboreattore con rapporto di diluizione ultra-elevato (UHBR, Ultra-High Bypass Ratio)», sottolinea Alberto Broatch, coordinatore del progetto SACOC, finanziato dall’UE. Questo tipo di motore, pur essendo noto per una ridotta produzione di emissioni e per una maggiore silenziosità, affronta molte sfide e una di queste è il sistema di raffreddamento. Poiché le pale anteriori di questo motore sono molto grandi, la loro velocità di rotazione ottimale differisce notevolmente da quella della turbina che aziona la ventola. «Di conseguenza, i motori UHBR richiedono un sistema di trasmissione tra la ventola e la turbina, in modo che quest’ultima ruoti più lentamente della prima e che le estremità delle pale non raggiungano livelli elevati di rumorosità», spiega Broatch. Con questo approccio, la trasmissione è soggetta a un carico termico estremamente elevato e questo calore generato deve essere rilasciato con un idoneo sistema di raffreddamento.
Trovare soluzioni
Il progetto si prefigge di studiare come sia possibile mantenere il raffreddamento del motore. «Uno dei nostri obiettivi principali è stato realizzare una metodologia numerica in grado di prevedere le prestazioni dei refrigeratori d’olio a superficie raffreddati ad aria, che utilizzano l’aria proveniente dal condotto di derivazione del motore per refrigerare l’olio che arriva dal circuito di lubrificazione», spiega Jorge García-Tíscar, uno dei responsabili operativi del progetto. La sua funzione, sotto forma di modello digitale, è quella di rappresentare uno strumento di ottimizzazione per creare nuove geometrie di scambiatori di calore capaci di incrementare il raffreddamento e ridurre l’impatto delle geometrie sul lato aria. Tuttavia, i modelli numerici devono essere convalidati prima del loro utilizzo per creare progettazioni innovative. «È qui che si presenta il secondo obiettivo fondamentale del progetto. Poiché i test completi sul motore sono decisamente costosi e richiedono molto tempo, si è reso necessario un dispositivo di prova sperimentale su scala ridotta per simulare le condizioni effettive di flusso del motore intorno al refrigeratore», sottolinea Andrés Felgueroso, un membro del consorzio del progetto. Il dispositivo di prova è stato progettato, commissionato e convalidato nell’ambito del progetto.
Un passo avanti verso il freddo
Il progetto ha dimostrato come sia possibile avvalersi di modelli numerici non solo per simulare questo tipo di scambiatore di calore dei turboreattori, ma anche per la sua ottimizzazione. «L’ottimizzazione numerica condotta nel progetto attraverso questi modelli ha dato origine a una geometria di refrigeratori d’olio a superficie raffreddati ad aria che, rispetto alle soluzioni in uso, migliora lo scambio di calore di quasi il 20 % e la permeabilità al flusso d’aria del 13 %», conferma García-Tíscar. Inoltre, il progetto ha dimostrato che la valutazione delle progettazioni dei refrigeratori d’olio a superficie raffreddati ad aria può essere svolta in una galleria del vento su piccola scala semplificata, purché siano adottate le misure appropriate per simulare le reali condizioni di flusso d’aria dei motori. «Ciò semplificherà notevolmente i futuri sviluppi dei refrigeratori d’olio a superficie raffreddati ad aria, riducendo i costi di sperimentazione, il consumo energetico e i tempi di commercializzazione», aggiunge García-Tíscar. Parlando del futuro, Felgueroso conclude: «Intendiamo approfondire le prestazioni degli attuali refrigeratori d’olio a superficie raffreddati ad aria e provarne di nuovi.» Il consorzio del progetto continuerà a lavorare per migliorare la comprensione del comportamento aerotermico degli scambiatori di calore.
Parole chiave
SACOC, refrigeratore d’olio a superficie raffreddato ad aria, scambiatori di calore, turboreattore, rapporto di diluizione ultra-elevato, UHBR, settore aeronautico