Skuteczne chłodzenie silników turboodrzutowych o dużym stosunku dwuprzepływowości
Przemysł lotniczy jest źródłem 2 do 3 % ogółu rocznych emisji CO2 wynikających z działalności człowieka, a emitowane przez sektor zanieczyszczenia niebędące dwutlenkiem węgla wpływają negatywnie na ziemski klimat. „W celu zmniejszenia wpływu lotnictwa komercyjnego na środowisko, konieczne jest ograniczenie emisji dwutlenku węgla, tlenków azotu i hałasu. Osiągnięcie tego celu wymaga wprowadzenia silników lotniczych nowej generacji. Obecnie jedną z najbardziej obiecujących koncepcji są silniki turboodrzutowe o wysokim stopniu dwuprzepływowości”, zauważa Alberto Broatch, koordynator finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu SACOC. Choć silniki tej konstrukcji charakteryzują się mniejszą emisją zanieczyszczeń i cichszą pracą, nie są pozbawione problemów. Jednym z nich jest układ chłodzenia. Ze względu na duży rozmiar łopatek wlotu powietrza ich optymalna prędkość obrotowa różni się znacząco od prędkości obrotowej turbiny napędzającej wentylator. „W rezultacie tego rodzaju silniki wymagają przekładni między wentylatorem i turbiną, dzięki której ta ostatnia obraca się wolniej, a końcówki łopatek nie generują hałasu”, wyjaśnia Broatch. Przy zastosowaniu takiego rozwiązania, przekładnia osiąga bardzo wysokie temperatury, a powstające w wyniku pracy ciepło musi być odprowadzane za pomocą odpowiedniego układu chłodniczego.
Poszukiwanie rozwiązań
Celem projektu było zbadanie sposobów na utrzymanie niskich temperatur pracy tych silników. „Jednym z naszych głównych celów było opracowanie metodologii obliczeniowej pozwalającej na przewidywanie wydajności chłodnic oleju chłodzonych powietrzem, które wykorzystują powietrze z kanału przepływowego silnika w celu chłodzenia oleju z układu smarowania”, wyjaśnia Jorge García-Tíscar, jeden z kierowników projektu. Tak przygotowany model cyfrowy może posłużyć jako narzędzie optymalizacyjne do generowania nowych geometrii wymienników ciepła, które pozwolą na zwiększenie wydajności chłodzenia oraz zmniejszenia wpływu geometrii na stronę chłodzoną powietrzem. Modele numeryczne wymagają jednak weryfikacji, zanim będzie można je wykorzystać do opracowywania innowacyjnych konstrukcji. „Właśnie tego aspektu dotyczył drugi kluczowy cel projektu. Ze względu na fakt, że testy silników są niezwykle kosztowne i czasochłonne, konieczne było stworzenie eksperymentalnego stanowiska testowego w mniejszej skali, które pozwoliłoby na symulowanie rzeczywistych warunków przepływu powietrza w silniku wokół chłodnic”, wyjaśnia Andrés Felgueroso, jeden z członków konsorcjum realizującego projekt. W ramach prac badacze zaprojektowali, uruchomili i sprawdzili w działaniu odpowiednie stanowisko.
Wydajne chłodzenie tuż za rogiem
Badaczom udało się wykazać, że modele numeryczne można wykorzystać nie tylko do symulacji wymienników ciepła wykorzystywanych w silnikach turboodrzutowych, ale także w celu ich optymalizacji. „Optymalizacja obliczeniowa przeprowadzona w ramach projektu dzięki tym modelom pozwoliła na opracowanie geometrii chłodnicy oleju chłodzonej powietrzem, która poprawia wymianę ciepła o prawie 20 % w porównaniu z dotychczasowymi rozwiązaniami, a jednocześnie charakteryzuje się przepuszczalnością powietrza wyższą o 13 % względem istniejących konstrukcji”, mówi García-Tíscar. W ramach projektu badaczom udało się także wykazać, że ocena konstrukcji chłodnic oleju chłodzonych powietrzem jest możliwa w uproszczonych tunelach aerodynamicznych w mniejszej skali, jeśli zapewni się dokładne odwzorowanie przepływu powietrza w silniku. „To znacznie uprości w przyszłości proces projektowania chłodnic oleju chłodzonych powietrzem, przyczyniając się do zmniejszenia kosztów przeprowadzanych doświadczeń, zapotrzebowania na energię oraz skrócenia czasu wprowadzania nowych rozwiązań na rynek”, dodaje García-Tíscar. Omawiając plany na przyszłość, Felgueroso podsumowuje: „Chcemy nadal badać sprawność i wydajność konstrukcji chłodnic oleju chłodzonych powietrzem i testować nowe rozwiązania”. Konsorcjum projektu zamierza kontynuować prace nad poszerzaniem wiedzy na temat zachowań aerotermicznych wymienników ciepła.
Słowa kluczowe
SACOC, chłodnice oleju chłodzone powietrzem, wymienniki ciepła, turbowentylator, bardzo wysoki stopień dwuprzepływowości, UHBR, przemysł lotniczy
