Un equipo de investigadores académicos y del Ejército de EE.UU. ha desarrollado un novedoso diseño para ajustar automáticamente las posiciones de las palas del rotor de los motores de las aeronaves mientras están en vuelo, una táctica que podría mejorar el rendimiento de los motores de turbina.
Investigadores del DEVCOM, Army Research Laboratory, de la Iowa State University y de la Brown University usaron supercomputadoras para llevar a cabo dinámicas de fluidos computacionales acopladas y análisis de modelos sustitutivos para desarrollar nuevos conceptos de velocidad variable, particularmente durante los movimientos dinámicos. Este descubrimiento podría mejorar el rendimiento de los helicópteros del Ejército y de otra maquinaria que utilice motores de turbina como el turboeje, el turbofán o los vehículos de aviación propulsados por turborreactores en todo el Departamento de Defensa y los sectores civiles, así como los diseños de plantas de energía.
«Los motores de turbina de gas están, en la actualidad, optimizados para producir su rendimiento máximo a una sola velocidad de diseño con geometrías de palas fijas para una condición operativa específica», dijo el investigador de ingeniería aeroespacial del Ejército, Dr. Luis Bravo. «Esta limitación crea drásticas pérdidas de rendimiento cuando se opera lejos del punto de diseño óptimo, como durante el despegue o el aterrizaje, o cuando se realizan maniobras repentinas. El concepto de velocidad variable mejora el rendimiento manteniendo la eficiencia aerodinámica de la pala dentro del rango óptimo en todas las condiciones de operación».
El equipo de investigación demostró su marco de simulación a través del modelado, análisis y optimización de un motor de turbina de gas de un helicóptero, como el motor T-700 que propulsa a los helicópteros Apache y Black Hawk.
«El modelado de alta fidelidad proporciona una precisión superior en el diseño del motor de turbina», dijo Bravo. «Sin embargo, este nivel de modelación precisa viene con un costo computacional relativamente alto para lograr un diseño óptimo. Para reducir la cantidad de iteraciones de diseño necesarias para este alto grado de precisión, utilizamos un marco sustitutivo, basado en un método de muestreo estadístico y un optimizador preciso para seleccionar el mejor rendimiento. Esto logró un diseño óptimo de la turbina de gas a un costo mucho menor».
El equipo estudió la aerodinámica en un aparejo anular de turbina de alta presión usando métodos de control de flujo activo en las palas del rotor que permitieron ajustes precisos del área de la entrada de aire. El equipo también examinó las condiciones de crucero típicas de los helicópteros, específicamente determinando las posiciones óptimas del estator y de las palas del rotor durante el diseño y las operaciones de motor fuera de diseño, al 50%, 75% y 100% de la velocidad del rotor.
Usando el marco propuesto, los investigadores obtuvieron mejoras significativas del 6,1% para la eficiencia de la turbina y hasta el 49% para la potencia de salida del eje. Estos resultados son fundamentales para ampliar el concepto de motores de velocidad variable, que proporcionan más potencia al tiempo que reducen los costes de funcionamiento de los vehículos de elevación vertical impulsados por turbinas.
«La eficiente tecnología de motores de velocidad variable puede permitir que los vehículos de rotor avanzados que utilizan configuraciones de rotor lentas u optimizadas logren una mayor velocidad o capacidad de alcance», dijo Kevin Kerner del DEVCOM Aviation and Missile Center.
El equipo publicó su investigación, Optimizing gas turbine performance using the surrogate management framework and high-fidelity flow modeling, en un número especial dirigido por el Ejército de la revista Energies, Advancements in Multiphase Fluid Dynamics in Energy & Propulsion Systems.
«La idea de un motor autoajustable vino de los sistemas de transformación», dijo la Dra. Anindya Ghoshal de ARL. «El ARL está tomando estos conceptos de motor autoajustable para desarrollar un concepto de motor convertible futurista, que permitirá a los futuros sistemas de aviación del Ejército ir en supersónico o transónico en crucero, mientras que permite un vuelo altamente eficiente».
El equipo de investigación planea continuar este trabajo desarrollando un prototipo experimental y extendiendo esta metodología a los motores multietapa, e investigando los beneficios del control activo del flujo en los diseños de combustores pulsados acoplados. El equipo de investigación seguirá difundiendo sus resultados a las comunidades de aviación del Ejército para informar sobre las plataformas actuales y los futuros esfuerzos de desarrollo y modernización.
Fte. army.mil
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