Innowacyjne sondy ciśnieniowe zmniejszają ryzyko wystąpienia awarii silników przystosowanych do spalania ubogiej mieszanki
Silniki te, opracowywane w ramach nieustających działań na rzecz zapewnienia czystego transportu niepowodującego zatrucia środowiska szkodliwymi gazami, umożliwią zwiększenie oszczędności paliwa i zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych. W przeciwieństwie do konwencjonalnych komór spalania, w przypadku silników spalających ubogie mieszanki, wytwarzających mniejsze ilości tlenków azotu (NOx) stosunek powietrza do paliwa jest znacznie wyższy niż w przypadku mieszanki stechiometrycznej. Takie rozwiązanie sprawia, że temperatura płomienia jest mniejsza, co przekłada się na wytwarzanie mniejszej ilości NOx i innych zanieczyszczeń.
Niestabilność spalania i hałas jako dwa główne wyzwania
Prowadzone są intensywne działania zmierzające do obniżenia poziomu emisji NOx w silnikach przystosowanych do pracy na mieszankach ubogich. „Pomimo niezwykle zaawansowanych konstrukcji komory spalania o niskiej emisji NOx są obciążone problemami z niezawodnością z powodu znacznej niestabilności spalania i emisji hałasu”, mówi Julien Clinckemaillie, badacz z Instytutu Dynamiki Płynów im. von Karmana i koordynator finansowanego ze środków UE projektu FAST TAPS. Wiele badań skupiało się ostatnio na lepszym zrozumieniu mechanizmów powstawania i dynamiki niestabilności spalania, jak również udziale hałasu pochodzącego z komory spalania w kontekście charakterystyki akustycznej turbiny gazowej. „Zaawansowane metody przeprowadzania szybkich pomiarów ciśnienia w trudnych warunkach charakteryzujących palniki turbin gazowych mają fundamentalne znaczenie w eksperymentalnych badaniach niestabilności spalania i hałasu”, dodaje Clinckemaillie.
Zaawansowana technologia przewidywania niestabilności spalania i hałasu
W ramach projektu FAST TAPS naukowcy zaprezentowali prototypy zaawansowanych systemów kontroli spalania, pozwalające na lepsze zbadanie niestabilności spalania i hałasu w realistycznych warunkach silnika. „Udało nam się zaprojektować i pomyślnie przetestować osiem montowanych na ścianie, szybko reagujących zaworów ciśnieniowych do stosowania w obszarze wewnętrznego spalania komory naziemnego silnika turbowałowego”, dodaje Clinckemaillie. Delikatny, szybko reagujący czujnik ciśnienia zainstalowany w chłodzonej końcówce sondy utrzymywał temperaturę około 80 °C pomimo zanurzenia w środowisku komory spalania, w którym temperatura może osiągnąć nawet 1 600 °C. „Zaprojektowanie skutecznego, ochronnego układu chłodzenia zapewniającego utrzymanie delikatnego czujnika w chłodzie przy jednoczesnym zachowaniu możliwie największej reakcji częstotliwościowej układu i najmniejszej inwazyjności sondy, było ogromnym wyzwaniem”, wyjaśnia Clinckemaillie. Prototyp sondy przetrwał cztery rozruchy silnika i 32 minuty testów w obszarze wewnętrznego spalania turbiny gazowej pracującej na biegu jałowym. Testy wykazały niewystarczającą wytrzymałość obudowy czujnika, którą później wzmocniono poprzez poprawę zabezpieczenia czujnika przed osadzaniem się sadzy.
Technologia o dużym znaczeniu
Niestabilność spalania jest główną przeszkodą w opracowaniu niskoemisyjnych komór spalania na potrzeby silników odrzutowych nowej generacji. Docelowo w ramach projektu FAST TAPS stworzone zostaną zaawansowane technologie związane z komorami spalania charakteryzujących się zmniejszoną emisją CO2, NOx i hałasu dzięki lepszemu zrozumieniu niestabilności spalania w realistycznych warunkach pracy silników z turbinami gazowymi. Działania w ramach projektu utorują drogę do stworzenia bardziej ekologicznych i cichych silników turbośmigłowych o mocy 1 800 – 2 000 KM na potrzeby lotów biznesowych oraz krótkich lotów regionalnych. „Współpraca między naukowcami z Instytutu von Karmana i firmy Safran Helicopter Engines była bardzo owocna przez cały czas trwania projektu, a zwłaszcza podczas testów na innowacyjnym stanowisku badawczym Bearcat firmy Safran we francuskiej gminie Bordes, które pozwoliły na dopracowanie ostatecznego projektu sondy”, dodaje Sébastien Detry, kierownik projektu Ardiden 3 i wspólnego przedsięwzięcia Czyste niebo 2. „Stworzyliśmy w pełni funkcjonalny system pomiarowy FAST TAPS. Przyszłe testy w warunkach reprezentatywnych dla silnika pozwolą firmie Safran na dalsze doskonalenie modeli konstrukcyjnych i poprawę wydajności spalania dzięki możliwościom systemu pomiarowego FAST TAPS”.
Słowa kluczowe
FAST TAPS, niestabilność spalania, hałas, silnik przystosowany do pracy na mieszance ubogiej, komora spalania, NOx, zawór ciśnieniowy, silnik turbowałowy
