Sonde di pressione innovative per ridurre il rischio di avarie dei motori a combustione magra Un progetto finanziato dall’UE ha presentato una tecnologia a sensori migliorata per contribuire a superare una sfida comunemente associata ai motori a combustione magra, ovvero il controllo delle instabilità della combustione. Trasporti e Mobilità © yang yu/stock/adobe.com Nella ricerca senza fine di modalità di trasporto pulite che non contribuiscano a inquinare il nostro mondo con gas nocivi, i motori a combustione magra promettono un risparmio di carburante e una minore quantità di emissioni di gas a effetto serra. A differenza dei combustori convenzionali, in quelli a combustione magra e bassa emissione di ossidi di azoto (NOx) nel tubo di fiamma viene miscelata con il carburante una quantità di aria superiore a quella richiesta in base ai calcoli stechiometrici, riducendo la temperatura della fiamma e abbassando di conseguenza la generazione di NOx (nonché di altri inquinanti). Due grandi preoccupazioni: le instabilità e i rumori della combustione Gli sforzi compiuti al fine di ridurre i livelli di emissioni di NOx generati dai motori a combustione magra sono ormai prossimi a dare i propri frutti. «Sebbene la loro progettazione sia estremamente avanzata, i combustori a bassa generazione di NOx sono afflitti da problemi di affidabilità a causa di gravi instabilità della combustione e di elevate emissioni sonore», afferma Julien Clinckemaillie, ingegnere di ricerca presso l’Istituto von Karman per la dinamica dei fluidi e coordinatore del progetto FAST TAPS, finanziato dall’UE. Ultimamente, numerosi studi hanno concentrato l’attenzione sul miglioramento della comprensione relativa ai meccanismi e alle dinamiche di formazione delle instabilità della combustione, nonché al contributo apportato dai rumori generati dal combustore alla firma acustica complessiva della turbina a gas. «Affinché sia possibile approfondire a livello sperimentale le instabilità e i rumori della combustione risultano essenziali metodi avanzati per lo svolgimento di misurazioni della pressione a risposta rapida nelle difficili condizioni che caratterizzano i combustori delle turbine a gas», aggiunge Clinckemaillie. Una tecnologia avanzata per prevedere le instabilità e i rumori della combustione Nel quadro di FAST TAPS, i ricercatori del progetto hanno introdotto avanzati sistemi prototipo di controllo della combustione al fine di ampliare le conoscenze in merito alle instabilità e ai rumori generati da tale processo in condizioni realistiche del motore. «Abbiamo prodotto e qualificato con successo otto prese di pressione a parete a risposta rapida da impiegare nella zona primaria della camera di combustione di un motore turboalbero per uso terrestre», sottolinea Clinckemaillie. Sebbene immerso nel caldissimo ambiente della camera di combustione, che può raggiungere i 1 600 °C, il fragile sensore di pressione a risposta rapida installato nella punta della sonda raffreddata ha mantenuto una temperatura pari a circa 80 °C. «La progettazione di un meccanismo di raffreddamento protettivo che sia efficace nel far restare il fragile sensore a una bassa temperatura mantenendo al contempo la più ampia risposta di frequenza del sistema possibile e la minor invasività della sonda fattibile si è rivelata un compito molto impegnativo», spiega Clinckemaillie. La sonda prototipo ha superato con successo quattro avviamenti del motore e 32 minuti di tempo effettivo di test effettuati nella zona primaria di una turbina turboalbero a gas in condizioni di motore al minimo. I test hanno messo in evidenza una debolezza nel pacchetto sensori, che è stata conseguentemente affrontata migliorando la protezione del sensore dai depositi di fuliggine. Una tecnologia destinata a un grande impatto Le instabilità di combustione costituiscono il principale ostacolo a uno sviluppo efficace di combustori a basse emissioni e a combustione magra per i motori a reazione di prossima generazione. Incrementando la comprensione delle instabilità di combustione in condizioni di funzionamento realistiche di un motore a turbina a gas, FAST TAPS consentirà in ultima analisi la progettazione di tecnologie per camera di combustione avanzate, caratterizzate da emissioni di CO2 e NOx ridotte e da un minor livello di rumore. Le attività svolte nell’ambito del progetto spianeranno la strada a motori a turbina con una potenza sull’asse compresa tra 1 800 e 2 000, più ecologici e meno rumorosi per il settore dell’aviazione d’affari e per applicazioni regionali a corto raggio. «La collaborazione stretta tra i ricercatori dell’Istituto von Karman e l’azienda Safran Helicopter Engines è stata molto fruttuosa durante l’intera durata del progetto e in particolare nel corso dei test svolti nell’innovativo banco di prova Bearcat di Safran, situato nel comune francese di Bordes, che ci hanno consentito di mettere alla prova e far maturare la progettazione finale della sonda», aggiunge Sébastien Detry, responsabile dei progetti Ardiden 3 e Clean Sky 2 per l’impresa. «Abbiamo ora a disposizione un sistema di misurazione FAST TAPS completamente funzionale. Grazie alle sue capacità, i futuri test in condizioni di motore tipiche permetteranno a Safran di migliorare i modelli di progettazione e le prestazioni di combustione.» Parole chiave FAST TAPS, instabilità di combustione, rumore, motore a combustione magra, camera di combustione, NOx, presa di pressione, turboalbero
