Sondas de presión innovadoras reducen el riesgo de fallos de los motores de mezcla pobre
En la incesante búsqueda de un transporte limpio que no acabe envenenando nuestro mundo con gases nocivos, los motores de mezcla pobre ofrecen un mayor ahorro de combustible y una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. A diferencia de las cámaras de combustión convencionales, las cámaras de combustión de mezcla pobre y con baja emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) mezclan más aire con combustible en el tubo de llamas de la cámara de combustión del que se requiere de manera estequiométrica, lo cual reduce la temperatura de la llama y, por tanto, la generación de NOx (y otros contaminantes).
Dos grandes preocupaciones: las inestabilidades de la combustión y el ruido
Los esfuerzos por reducir los niveles de emisiones de NOx en los motores de mezcla pobre están más cerca que nunca de dar sus frutos. «A pesar de sus avanzadísimos diseños, las cámaras de combustión con baja emisión de NOx presentan problemas de fiabilidad debido a las fuertes inestabilidades de la combustión y a las emisiones de ruido», afirma Julien Clinckemaillie, ingeniero de investigación del Instituto von Karman de Dinámica de Fluidos y coordinador del proyecto FAST TAPS, financiado con fondos europeos. En los últimos tiempos, muchos estudios se han centrado en mejorar la comprensión de los mecanismos de formación y la dinámica de las inestabilidades de la combustión, así como la contribución del ruido de la cámara de combustión a la señal acústica general de la turbina de gas. «Los métodos avanzados para realizar mediciones de presión de respuesta rápida en las difíciles condiciones que caracterizan a las cámaras de combustión de las turbinas de gas son fundamentales para investigar de forma experimental las inestabilidades y el ruido de la combustión», añade Clinckemaillie.
Tecnología avanzada para predecir las inestabilidades de la combustión y el ruido
En el marco del proyecto FAST TAPS, los investigadores presentaron prototipos de sistemas avanzados para el control de la combustión con el fin de ampliar los conocimientos en torno al ruido y las inestabilidades de la combustión en condiciones realistas de funcionamiento del motor. «Hemos fabricado y homologado con éxito ocho tomas de presión de respuesta rápida instaladas en la pared para utilizarlas en la zona primaria de la cámara de combustión de un motor turboeje en tierra», destaca Clinckemaillie. El delicado sensor de presión de respuesta rápida instalado en la extremidad de la sonda refrigerada se mantuvo en torno a una temperatura de 80 °C, a pesar de estar inmerso en un entorno de cámara de combustión caliente que puede alcanzar hasta 1 600 °C. «Diseñar una disposición de refrigeración eficaz y protectora para mantener frío el delicado sensor y, al mismo tiempo, mantener la respuesta de frecuencia del sistema lo más amplia posible y la intrusión de la sonda en el mínimo fue todo un reto», explica Clinckemaillie. El prototipo de sonda sobrevivió a cuatro arranques de motor y treinta y dos minutos de tiempo de prueba efectivo en la zona primaria de una turbina turboeje de gas que funcionaba en condiciones de ralentí. Las pruebas revelaron un defecto en el embalaje del sensor, que posteriormente se solucionó mejorando la protección del sensor ante el depósito de hollín.
Gran impacto de la tecnología
Las inestabilidades de la combustión son el principal obstáculo para el desarrollo de cámaras de combustión de mezcla pobre y bajas emisiones para la próxima generación de motores a reacción. Al mejorar la comprensión de las inestabilidades de la combustión en condiciones reales de los motores de turbina de gas, el proyecto FAST TAPS permitirá, en última instancia, diseñar tecnologías avanzadas para cámaras de combustión que reduzcan las emisiones de CO2 y NOx, así como la huella sonora. Las actividades del proyecto allanarán el camino para conseguir motores de turbina más ecológicos y silenciosos de entre 1 800 y 2 000 caballos de potencia en el eje destinados a la aviación de negocios y a aplicaciones regionales de corto alcance. «La colaboración entre los investigadores del Instituto von Karman y Safran Helicopter Engines ha sido muy fructífera a lo largo de todo el proyecto, especialmente durante las pruebas en el innovador banco de pruebas Bearcat de Safran en Bordes (Francia), que nos permitió poner a prueba y madurar el diseño final de la sonda», añade Sébastien Detry, director de proyecto de Ardiden 3 y Clean Sky 2. «Ahora disponemos de un sistema de medición FAST TAPS totalmente funcional. Las pruebas futuras en condiciones de motor representativas permitirán a Safran mejorar aún más los modelos del diseño y el rendimiento de la combustión gracias a las prestaciones del sistema de medición FAST TAPS».
Palabras clave
FAST TAPS, inestabilidades de la combustión, ruido, motor de mezcla pobre, cámara de combustión, NOx, toma de presión, turboeje
