Pasywny system otwierania systemu chłodzenia silników lotniczych
Sektor lotniczy stoi przed wyzwaniem obniżenia emisji dwutlenku węgla, w związku z czym eksperci przyglądają się możliwościom optymalizacji silników. Choć najnowsze konstrukcje stanowią duży krok naprzód z punktu widzenia efektywności, mają też wady – jedną z nich jest konieczność zapewnienia odpowiedniego odprowadzania ciepła. „Wraz ze wzrostem sprawności oraz efektywności układów napędowych nowej generacji, coraz ważniejszym wyzwaniem jest poszukiwanie skutecznych sposobów optymalizacji chłodzenia rdzenia silnika”, wyjaśnia Nicolas Baillot d'Etivaux, kierownik ds. modelowania systemów i danych w spółce EPSYL-ALCEN. Dzięki wsparciu ze środków finansowanego przez Unię Europejską projektu PALOMA, spółka EPSYL-ALCEN połączyła siły z przedsiębiorstwami Nimesis, Akkodis i Atherm, by opracować takie rozwiązanie. „Naszym celem jest optymalizacja systemu chłodzenia silnika w celu usprawnienia odprowadzania ciepła z rdzenia w zależności od jego temperatury”, dodaje Baillot d'Etivaux, który pełnił funkcję koordynatora projektu.
Zastąpienie urządzeń elektronicznych stopem z pamięcią kształtu
Konstruktorzy większości samolotów dobierają system chłodzenia rdzenia w taki sposób, by zapobiegać nagromadzeniu łatwopalnych oparów. Zwykle projekty takich rozwiązań zakładają także zapewnienie wystarczającego chłodzenia poszczególnych elementów konstrukcyjnych podczas najbardziej krytycznych faz lotu. „Typowe układy wentylacji nie są zoptymalizowane pod kątem mniej krytycznych faz lotu, takich jak poruszanie się na wysokości przelotowej. W związku z faktem, że to właśnie te fazy stanowią proporcjonalnie największą część lotu, samoloty spalają niepotrzebnie duże ilości paliwa”, wyjaśnia Baillot d'Etivaux. Aby rozwiązać ten problem, badacze zaprojektowali adaptacyjny system wentylacji, który może dostosować chłodzenie rdzenia na podstawie jego rzeczywistej temperatury. Zamiast polegać na urządzeniach elektronicznych, rozwiązanie wykorzystuje ciepło uwalniane przez silnik w celu zasygnalizowania konieczności otwarcia klapy. Rurka cieplna transportuje następnie przechwycone ciepło do elementu wykonanego ze stopu charakteryzującego się pamięcią kształtu, który znajduje się w przedniej części komory. Podgrzewanie stopu powoduje jego odkształcenie, co aktywuje mechanizm otwierający i pozwala chłodniejszemu powietrzu dostać się do komory.
Badania, zmiany i weryfikacje
Na pierwszy rzut oka rozwiązanie sprawia wrażenie genialnego przełomu. Pozostaje tylko jedno pytanie – czy zadziała w praktyce? Aby się o tym przekonać, zespół projektu PALOMA, który otrzymał wsparcie w ramach wspólnego przedsięwzięcia „Czyste Niebo 2” przeprowadził badania swojego urządzenia. Korzystając ze stanowiska testowego, naukowcy przeprowadzili szczegółowe analizy prototypowego adaptacyjnego systemu wentylacji, dzięki czemu byli w stanie wykryć i rozwiązać problemy. Poza typowymi problemami natury mechanicznej, jednym z największych wyzwań okazało się wykorzystanie danych wytwarzanych przez urządzenie. Rozwiązanie tego problemu wymagało wprowadzenia zmian w konstrukcji stanowiska testowego, dostosowania modelu numerycznego i odpowiedniej kalibracji metod algorytmicznych. „Naszemu zespołowi udało się bardzo szybko poradzić sobie z tym problemem, co pozwoliło nam przeprowadzić konieczne analizy sprawności urządzenia w warunkach operacyjnych”, zauważa Baillot d'Etivaux.
Adaptacyjny system chłodzenia (prawie) gotowy do startu
Pomimo konieczności stawienia czoła szeregowi wyzwań, wszystko wskazuje na to, że realizacja wizji całkowicie pasywnego systemu chłodzenia rdzenia jest na wyciągnięcie ręki. Dzięki najnowocześniejszemu stanowisku testowemu, które powstało w ramach projektu, naukowcy dysponują teraz lepszą wiedzą na temat szeregu zagadnień związanych z łączeniem stopu charakteryzującego się pamięcią kształtu i rurek cieplnych. Jak zauważa Baillot d'Etivaux, znając ograniczenia takiego systemu, naukowcy mogą wykorzystać model numeryczny do ulepszenia projektu poprzez zmniejszenie tarć i wprowadzenie stosownych zmian do prototypu w celu przeprowadzenia dalszych testów. „Choć z pewnością to nie koniec prac, dzięki projektowi PALOMA nasz adaptacyjny system chłodzenia jest prawie gotowy do startu”, podsumowuje badacz.
Słowa kluczowe
PALOMA, silniki lotnicze, systemy chłodzenia, lotnictwo, stop z pamięcią kształtu, Czyste Niebo 2
