Aerodinamica instazionaria dei combustori aeronautici a basse emissioni inquinanti

Dato il continuo inasprimento dei limiti imposti dalle normative, per contenere le emissioni di inquinanti, ed in particolare di NOx, è necessario sviluppare nuove tecnologie volte a ridurre la temperatura nella zona primaria della camera di combustione, dalla quale dipende esponenzialmente la produzione di tale inquinante. Tra le diverse misure attuabili, l’impiego di combustori a fiamma premiscelata povera sembra rappresentare una delle soluzioni più promettenti. A tali tipologie di combustore sono tuttavia associate diverse problematiche (autoignizione, flashback, instabilità termoacustica) che rischiano di minare la stabilità della fiamma e la sicurezza della camera di combustione.
Lo sviluppo di questo tipo di combustori ed in particolare dei sistemi di iniezione richiede la profonda conoscenza dei fenomeni instazionari che caratterizzano il flusso che li attraversa e dei meccanismi di miscelamento tra aria e combustibile.
A tale scopo presso il Laboratorio di Aerodinamica e Turbomacchine ed il Laboratorio di Flussi Interni dei Motori Aeronautici sono state condotte estese attività di ricerca sperimentali, nell’ambito di diversi progetti di ricerca europei (ICLEAC, MUSCLES, TLC; TECC-AE), focalizzate principalmente sui seguenti obiettivi:
- studio di dettaglio, attraverso l’impiego di avanzate tecniche ottiche quali LDV e PIV, del vortex breakdown che viene generato tramite l’utilizzo di vorticatori, adottati all’interno del sistema di iniezione per imprimere al fluido una componente di velocità tangenziale che generi una regione di ricircolazione del flusso atta a stabilizzare la fiamma;
- analisi, tramite misure in fase e l’impiego di tecniche di elaborazione avanzate quale la POD, dei fenomeni instazionari associati al vortex breakdown ed al moto di precessione da esso generato, essendo tali instazionarietà alla base della generazione di instabilità acustiche (humming) che possono avere conseguenze catastrofiche sulla vita del combustore;
- studio sperimentale dei processi di miscelamento tra aria e combustibile generati da diverse tipologie di sistema di iniezione tramite l’impiego di tecniche ottiche quali la Mie-Scattering, essendo un uniforme miscelamento all’interno della camera di combustione il requisito fondamentale per l’uniformità della temperatura ed il contenimento degli inquinanti.
Tali indagini sono state condotte su diverse tipologie di bruciatore, sia di tipo LP (lean-premixed) per impianti a gas industriali, sia di tipo LPP (lean premixed-prevaporized) utilizzati nel caso di combustori aeronautici per i quali il combustibile liquido impiegato richiede una preventiva vaporizzazione prima del miscelamento con il comburente. Sono stati studiati anche sistemi ad iniezione multipla in grado di consentire la realizzazione di due (o più) regioni di fiamma, in cui si realizza da una parte una fiamma pilota diffusiva volta a garantire la stabilità della fiamma specialmente durante le fasi di esercizio più critiche e dall’altra una fiamma premiscelata povera, atta a ridurre le emissioni inquinanti, grazie alla riduzione della temperatura.
I risultati di queste indagini hanno permesso di spiegare le dinamiche associate a diverse tipologie di combustore, evidenziandone i limiti ed i vantaggi, e di fornire linee guida per la progettazione avanzata di combustori a basso impatto ambientale.

Pubblicazioni

E. Canepa, A. Cattanei, D. Lengani, M. Ubaldi, P. Zunino: “Experimental investigation of the vortex breakdown in a lean premixing prevaporizing burner”, J. Fluid Mech., vol. 768, R4, pp. 1-14,  2015.
Berrino M., Lengani D., Satta F., Ubaldi M., Zunino P., Colantuoni, S., Di Martino, P.: “Investigation of the Dynamics of an Innovative Ultra Low NOx Injection System by POD Data Post-Processing”, ASME Turbo Expo 2015, ASME paper GT2015-42638, pp. 1-10, 2015.
Berrino M., Satta F., Ubaldi M., Zunino P., Colantuoni, S., Di Martino, P.: “Experimental Characterization of the Flow-Field Downstream of an Innovative Ultra Low NOx Injection System”, ASME Turbo Expo 2014, ASME paper GT2014-25459, pp. 1-12, 2014.
E. Canepa, P. Di Martino, P. Formosa, M. Ubaldi, P. Zunino: “Unsteady aerodynamics of an aero-engine double swirler LPP burner”, ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 128, pp. 29-39, 2006.
G. Mori, S. Razore, M. Ubaldi, P. Zunino: “Integrated experimental and numerical approach for fuel-air mixing prediction in a heavy-duty gas turbine LP burner”, ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 123, 2001.