În contextul creșterii consumului energetic, respectiv a gradului de poluare înregistrat în ultimul secol la nivel mondial, instalațiile de transformare a energiei primare într-o formă de energie utilizabilă, joacă un rol esențial în păstrarea și dezvoltarea societății industriale moderne, așa cum o cunoaștem noi.

Prin proiectul TURIST, consorțiul ce implică o instituție de cercetare (INCDT COMOTI), două universități (UPB și AFA) și două instituții economice SME (INAS și SIVECO), își propune aplicarea unui concept inovativ: turbina cu gaze utilizând combustia in-situ. Această aplicație are numeroase avantaje, unul dintre cele mai importante constând în potențialul acesteia de a reduce indexul de emisie NOx cu până la 50%, comparativ cu soluțiile clasice pentru turbomotoare.

Contextul actual

Sistemele de propulsie sunt parte a categoriei generale a sistemelor generatoare de energie folosind combustibilii fosili, iar prognozele arată dezvoltarea acestora prin folosirea în zilele noastre a cogenerării și a sistemelor de propulsie turbo-reactoare utilizate în transportul aerian. În cazul turbomotoarelor ce utilizează combustibili fosili, principalii vectori de poluare chimică sunt CO2, H2O, CO, NOx, hidrocarburi nearse (UHC) și fumul (particule solide în suspensie, funingine).

În mod evident, această dezvoltare va avea efectul nedorit al creșterii cantității de noxe emise (CO, NOx, hidrocarburi nearse) și a emisiilor cu efect de seră (H2O, CO2), nu numai în apropierea zonelor de utilizare a stațiilor de putere și a aeroporturilor, dar și în troposferă, respectiv stratosferă, cu efectele nedorite asupra stratului de ozon. Reducerea emisiilor poluante cât și eficientizarea soluțiilor existente este așadar una din principalele direcții de cercetare în lume. Poluarea produsă de turbomașini (din instalațiile terestre sau de pe vehiculele aeriene) trebuie redusă drastic datorită noilor norme de protecție a mediului.

Turbina cu gaze reprezintă organul turbomotorului ce este responsabil cu transformarea energiei termice a gazelor de ardere în energie cinetică, pe care apoi o convertește în lucru mecanic la ax. Prin urmare, creșterea eficienței turbinei axiale cu gaze a unui turbomotor se va putea traduce în termeni de scăderea emisiilor poluante ale unui turbomotor.

Conceptul de turbină combustoare

Tehnologia actuală în sistemele de propulsie este arderea combustibilului în camera de ardere și, ocazional, în camera de postcombustie dispusă după turbină. Evoluțiile actuale convenționale ale aero-termodinamicii turbinelor de gaz asigură o creștere de eficiență mică și o creștere redusă de putere, deoarece cu tehnologia actuală s-a ajuns la o convergență asimptotică până la limita superioară a performanțelor turbinei cu gaz. Această convergență asimptotică implică faptul că eforturile mari pentru a ameliora aero-termodinamica conduc la îmbunătățiri destul de mici.

În eforturile de a crește raportul tracțiune/masă și de a scădea consumul specific, proiectanții de turbomașini se confruntă cu faptul că timpul de rezidență în combustor este mai mic decât timpul necesar pentru ardere completă. Ca urmare, combustia ar putea continua în turbină. Analiza ciclului termodinamic a demonstrat avantajele adăugării de căldură în turbină, care duce la creșterea puterii specifice și a eficienței termice.

Creșteri sporite ale puterii specifice și ale eficienței termice sunt estimate când turbina este cuplată cu un regenerator de căldură. Analiza termodinamică a fost continuată și pentru turbomotoarele de aviație atât sub varianta arderii continue în turbină cât și a opțiunii combustiei între treptele de turbină în cazul motoarelor turboreactoare cu dublu flux.

turbina-ardere-in-situ-comoti-stiinta-tehnica-2
Câmpul de viteze la rază medie într-o treaptă clasică de turbină axială.

Procesul de ardere în turbină este cunoscut sub denumirile de „combustie in-situ”, „combustie inter-turbina” ori „combustie intra-turbină”. Turbina în care se produce arderea este denumită “turbină combustoare”. Pentru a putea transforma o turbină clasică într-o „turbină combustoare”, pot fi aplicate diverse soluții constructive, cum ar fi injectarea combustibilului în statorul turbinei: fie prin bordul de fugă al paletelor statorului, ori prin carcasa statorului.

În prima abordare, flacăra va fi aprinsă în apropierea bordului de fugă al paletelor, și va fi stabilizată în aval. Cum combustibilul poate fi injectat în locații multiple de-a lungul direcției radiale pe bordul de fugă al paletelor statorului, soluția are avantajul de a oferi o distribuție mai uniformă a temperaturii în turbină. În cazul celei de-a doua soluții, combustibilul va fi injectat într-o serie de cavități mici dispuse circumferențial pe carcasa statorului.

Soluția este mai robustă din punct de vedere al rezistenței la temperatură, deoarece flacăra este atașată pe carcasă, care poate fi ușor răcită la exterior de către curenții de aer secundari din compresor.

Proiectul TURIST

Consorțiul implicat în proiectul TURIST este format din Institutul Național de Cercetare și Dezvoltare Turbomotoare COMOTI, București; Universitatea „Politehnică” din București; INAS SA, Craiova; Academia Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov și SIVECO Romania SA, București. Acestea sunt instituții de vârf în domeniul de producere a energiei, cercetării, combustiei și simulării numerice CFD, cu expertiză puternică și complementară în domeniile cerute.

Componența consorțiului își propune să acopere competențele necesare și infrastructura de cercetare pentru proiect (stadiul de implementare și dezvoltare al proiectului poate fi urmărit aici). Proiectul TURIST se concentrează asupra estimărilor cantitative, numerice și experimentale, privind fenomenele de transport în sistemul de tip turbină-combustoare, inclusiv a emisiilor de poluanți chimici. Contribuția originală este reprezentată nu numai de dezvoltarea teoretică a proceselor de combustie, dar și de evaluările cantitative experimentale ce ar putea confirma valabilitatea abordării conceptuale.

Din punct de vedere al modelării teoretice și a proiectării asistate de calculator, mai multe provocări trebuie soluționate, printre care mecanisme complexe cu mai multe reacții chimice elementare, în special în cazul în care vitezele de reacție sunt puternic dependente de presiune. Aerodinamica turbinelor ar putea fi drastic afectată de procesul de ardere exotermă. Expansiunea termică ar putea schimba în mod semnificativ distribuția de presiuni și intensitatea și poziționarea undelor de șoc, dacă apar pe profilul aerodinamic.

O bună poziționare pentru injecția de carburant este la bordul de fugă al treptei de stator. Condițiile de curgere la bordul de fugă favorizează combustia deoarece viteza gazului în dâra paletei este mică și vârtejurile, emise la bordul de fugă amplifică amestecarea combustibilului cu oxigenul. În consecință, bordul de fugă acționează ca un suport bun pentru flacără.

turbina-ardere-in-situ-comoti-stiinta-tehnica-3
Soluții constructive pentru o turbină combustoare (stânga – conceptul de injecţie de combustibil prin bordul de atac al statorului; dreapta – conceptul de injecţie de combustibil prin carcasă).

Mai multe cazuri au fost testate numeric pentru a evalua distribuția temperaturii și a vitezei de reacție a metanului pe conturul profilului rotorului. Odată finalizată partea de modelare teoretică si de proiectare asistată de calculator, se va trece la realizarea unui demonstrator în vederea experimentării acestuia. Experimentele vor fi desfășurate astfel încât să se modeleze, în cel mai mare grad posibil, procesele reale ce se petrec într-o turbină combustoare.

Astfel, în primul rând vor fi identificați parametri operaționali responsabili pentru emisiile poluante, urmând ca rezultatele experimentelor să constituie baza validării modelelor teoretice anterior menționate. Validarea finală a sistemului integrat se va realiza pe un model la scară reală a unei turbine-combustoare. Aceste teste se vor desfășura în cadrul complexului de experimentare turbomotoare al Institutului Național de Cercetare și Dezvoltare Turbomotoare COMOTI.

În concluzie, se poate afirma că prezența arderii într-o curgere în sistemul rotorstator reprezintă o noutate atât în domeniul turbomașinilor, cât și al curgerilor reactive, rezultând creșterea gradului de ardere a combustibilului. Rezultatul practic așteptat va fi creșterea tracțiunii și reducerea poluanților. Din punct de vedere științific, proiectul va furniza o investigație utilă și necesară pentru dezvoltarea tehnologiilor ecologice moderne.

Noutatea exclusivă a acestui proiect provine din combinația metodei de calcul complex, analiză și proiectare bazate pe simularea numerică și măsurătorile experimentale a configurației speciale a camerei de ardere, în special la încercarea combustiei in-situ. De fapt, aceasta reprezintă o provocare pentru un nou domeniu de cercetare teoretică și experimentală de mare complexitate.

Proiectul TURIST poate, de asemenea, reprezenta o oportunitate pentru energia națională și industria aerospațială de a penetra un nou segment de piață, la nivel mondial.