Reducción de las emisiones contaminantes de las turbinas de gas
Para los ingenieros especialistas en turbinas de gas ha supuesto un reto formidable desarrollar sistemas de combustión con combustible líquido que se ajusten a la rigurosa normativa en materia de emisiones sin perder operatividad. Los recientes adelantos han conducido a sistemas de combustión que, efectivamente, producen niveles bajos de emisiones químicas indeseables, como las de óxidos de nitrógeno (NOx), pero todos estos sistemas también son propensos a una combustión inestable y dañina. El proyecto MUSCLES abordó justamente esta cuestión proporcionando una base sólida para la modelización teórica de las oscilaciones autoexcitadas que se producen en el interior de la cámara de combustión. El incremento de la transferencia térmica, además de provocar intensas fluctuaciones de la presión que pueden ocasionar daños estructurales, supone una fuente de ondas acústicas. Las condiciones de admisión de la mezcla de combustible y aire se ven perturbadas por estas ondas acústicas, lo cual acentúa la inestabilidad de la combustión. El objetivo principal de los socios de este proyecto de la Universidad de Ruán consistía en investigar el efecto directo de las fluctuaciones de presión sobre la vaporización del combustible pulverizado entrante. A tal efecto, se adoptó un enfoque teórico no lineal, en el cual la no linealidad tomaba la forma de saturación en la respuesta de la llama. A grandes rasgos, ésta se produce cuando las fluctuaciones de presión se vuelven tan intensas que el flujo de combustible/aire se invierte mientras la liberación de calor es mayor. En primer lugar se efectuaron simulaciones numéricas directas (SND) de ondas de presión inyectadas hacia un conjunto de gotículas para conseguir un flujo por capas. A continuación se incluyó la turbulencia homogénea en el modelo numérico. Los resultados, junto con nuevos modelos basados bien en cálculos RANS (Navier-Stokes con el promedio de Reynolds) o simulaciones de grandes torbellinos (LES), fueron validados mediante comparación con datos experimentales del laboratorio EM2C. Los experimentos se llevaron a cabo con una configuración altamente controlable en la que las ondas acústicas generadas por una unidad excitadora situada al fondo del quemador de combustible interactuaban con una llama turbulenta alimentada por combustible pulverizado. Los modelos definitivos serán objeto de síntesis para elaborar un modelo global capaz de predecir la frecuencia y, lo que es más importante, la amplitud de las fluctuaciones de la presión. Próximamente podrá probarse este diseño de sistemas de combustión y ajustarse adecuadamente para que, aparte de generar bajas emisiones, la combustión sea estable.