Revista >> Martie 2022 [Nr. 242] >> Cercetare & Invatamant superior

Contribuția COMOTI la dezvoltarea infrastructurii de cercetare europene în domeniul aeronautic

Dr. ing. Lica Flore, INCD Turbomotoare COMOTI

18 Martie 2022

În cei 14 ani de existenţă ai Programului Clean Sky, principalul program de cercetare și inovare al Uniunii Europene pe parte de aviație, INCD Turbomotoare COMOTI a participat la numeroase proiecte de cercetare, fie în parteneriat cu diverse organizaţii europene din domeniul aviaţiei, fie ca unic participant. Cele mai recente proiecte, la care cercetătorii INCD Turbomotoare COMOTI lucrează în prezent, au ca obiectiv extinderea capabilităților pentru investigații avansate experimentale și numerice, în vederea caracterizării fluxului de gaze în etanşările cu labirinţi rotativi şi în camerele de ardere de înaltă presiune pentru motoarele cu performanţe ridicate. Aceste capabilităţi extinse sunt menite să ofere fundamentul creşterii gradului de utilizare şi eficienţă a motorului demonstrator validat de Clean Sky pentru piața aeronavelor cu rază scurtă şi medie de operare, AIRSEAL și INFRASEAL fiind proiecte reprezentative prin care COMOTI contribuie la materializarea acestei perspective.

Decarbonizarea transportului aerian, o prioritate a UE
Printre obiectivele ambițioase ale Uniunii Europene privind decarbonizarea se numără și reducerea accentuată a utilizării combustibililor fosili în transportul aerian pentru a îndeplini standardele globale de reducere a emisiilor fixate la orizontul anilor 2050. Astfel, o eficiență energetică mai ridicată devine o prioritate pentru îndeplinirea obiectivelor de îmbunătățire a calității aerului și a temperaturii globale. În lumina acestor deziderate, liderii europeni ai industriei de motoare de aeronavă s-au angajat să construiască motoare noi cu grade de comprimare ridicate și să testeze demonstratoare la sol care acoperă toată piața de aeronave civile. Primele obiective constau în reducerea cu 15% a nivelului de CO2, cu 60% a Nox’, cu 6dB a nivelului de zgomot în comparație cu valoarea de referință din anul 2000. Acestea reprezintă aproximativ 75% din obiectivele ACARE (Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe). Transpunerea în practică a acestor obiective se realizează de către Uniunea Europeană prin intermediul Programului Clean Sky (Clean Aviation începând cu anul 2022), principalul program de cercetare și inovare al Uniunii Europene pentru saltul aviației către un viitor durabil și neutru din punct de vedere climatic.

Proiectul AIRSEAL (Airflow characterization through rotating labyrinth seal), finanţat direct şi integral de către Comisia Europeană, se află în faza finală de implementare prin începerea campaniilor de testare pentru diferite configurații de etanșare cu labirinţi rotativi, stabilite de Safran Aircraft Engines (SAE). Primele etape de implementare au fost concentrate pe concepţia şi realizarea standului de experimentare (Fig. 1) care a ridicat adevărate provocări tehnologice în ceea ce priveşte precizia prelucrărilor mecanice şi acurateţea măsurătorilor necesare caracterizării fluxului de aer care traversează labirintul.

Instalația de testare, dezvoltată special în cadrul acest proiect, va putea testa diferite configurații de etanșare cu labirinţi rotativi într-un mediu simplificat. Proiectul se bazează pe tehnici inovatoare și folosește, de asemenea, cele mai recente evoluții în domeniu. Una dintre inovațiile pe care le propune proiectul este reprezentată de faptul că măsurătorile jocului radial se fac în timpul testelor cu rotorul (disc + garnitură labirint) în rotaţie (15.000 rpm). În acest fel, valoarea reală a jocului ar putea fi utilizată în optimizarea modelului matematic al etanșării. O altă inovație a proiectului o reprezintă controlul automat al vehiculului de testare, timpul de testare fiind astfel mult redus. Determinarea pierderilor de presiune în labirint se face pentru viteze diferite ale rotorului și jocuri radiale diferite, pentru diverse temperaturi și rapoarte de presiune. În final, rezultatele testelor vor fi comparate cu predicția modelului numeric prin calcule de similitudine, în baza cărora pot fi trase concluzii asupra modelului la scara 1:1. Cu toate acestea, până în prezent, scalabilitatea tehnologiei de realizare a etanşărilor cu labirinţi rotativi nu a fost încă dovedită.
Ca urmare, pentru ca proiectul AIRSEAL să-și atingă potențialul maxim, INCD Turbomotoare COMOTI a propus Comisiei Europene un proiect complementar de extindere a capabilităţilor de testare. Propunerea de proiect cu titlul „Dezvoltarea infrastructurii de cercetare pentru caracterizarea etanşărilor cu labirint rotativ - INFRASEAL”, transmisă Comisiei Europene pentru evaluare, a primit recomandarea pentru finanţare prin intermediul Programului Operaţional Competitivitate 2014-2020, în conformitate cu Memorandumul de Înțelegere cu Întreprinderea comună (JTI) Clean Sky 2 semnat la 17 iulie 2015 de România. Recomandarea pentru finanţare transmisă de Clean Sky 2, prin emiterea Certificatului Synergy Label în data de 27.08.2019, s-a bazat pe necesitatea existenţei în cadrul comunitar a unei astfel de infrastructuri (Fig. 2).

O infrastructură de cercetare mai performantă
Obiectivele specifice ale proiectului INFRASEAL https://infraseal-project.eu/ vizează crearea și dezvoltarea infrastructurii de cercetare experimentale și numerice, capabile să testeze etanşări cu labirinţi rotativi şi camere de ardere de înaltă presiune pentru debite de aer mari (10 kg/s), temperaturi ridicate (până la 800oC) și presiuni mari (50 bari). Rezultatul principal al proiectului este o nouă infrastructură de cercetare, constând dintr-o platformă de testare experimentală care include o stație de alimentare cu aer, un turn de răcire, reţea de conducte de aer de înaltă presiune, sisteme de comandă și control, echipamente de măsurare dedicate, sisteme de procesare și achiziție de date. Puterea instalată a întregului ansamblu va fi de 7 MW (Fig. 3). Prin comparaţie, standul de testare realizat prin proiectul de bază AIRSEAL acoperă numai o parte din aceste obiective, fiind capabil să testeze o configurație de etanșare într-un mediu simplificat, (temperatura aerului max. 150˚C, debitul de aer max. 0,35 kg/s, presiunea max. 9 bari).

Activităţile din cadrul proiectului sunt activităţi de cercetare-dezvoltare şi management, care vizează construirea și punerea în funcțiune a următoarelor facilități: platforma de testare pentru măsurare experimentală şi facilităţile auxiliare (reţea conducte de aer de înaltă presiune, echipamente de comandă şi control), stație de alimentare cu aer compusă din două linii, fiecare având un compresor centrifugal (presiune 25 bar, debit 5kg/s) și o suflantă centrifugală (presiune 50 bar, debit 5kg/s), turn de răcire pentru a controla temperatura aerului furnizat. Pe lângă aceste componente principale, infrastructura va cuprinde şi o staţie de alimentare cu energie electrică de medie tensiune pentru alimentarea celor 4 motoare electrice de antrenare cu puteri de 2x2300 kW, respectiv 2x630 kW.
Proiectul INFRASEAL, finanţat prin intermediul Programului Operaţional Competitivitate 2014-2020, este un proiect de o complexitate ridicată, al cărui obiectiv depinde în paralel și de executarea unor lucrări de construcție. Necesitatea edificării acestor constructii a fost previzionată încă din etapa de elaborare a propunerii de proiect, iar activităţile premergătoare începerii lucrărilor propriu-zise au demarat imediat după recomandarea de finanţare transmisă de Clean Sky 2 prin emiterea Certificatului Synergy Label. Astfel, hala staţiei de compresoare (Fig. 4) şi anexele acesteia (turn răcire, staţie electrică) sunt în etapa finală de edificare, iar lucrările la clădirea standului de labirinţi rotativi şi camere de ardere de înaltă presiune urmează a fi începute în curând (Fig. 5).

Infrastructura vizată va fi instrumentată cu o serie de senzori pentru presiunea statică și totală, temperatura statică și totală și temperatura suprafeţelor. O parte a echipamentelor de măsurare există şi se compune din sonde și senzori de temperatură, presiune, raclete de temperatură, termorezistențe, debitmetre Venturi, precum și echipamente avansate de măsurare care vor fi utilizate pentru determinarea câmpului de viteză tridimensional instantaneu (Partical Image Velocimetry - PIV), câmpul de temperatură mediu (termometrie Rayleigh) sau câmpul de concentrație de NOx (fluorescență indusă cu laser - LIF).
Această instrumentare va fi extinsă, atât pe durata proiectului, cât şi ulterior, prin achiziționarea și punerea în funcțiune a unor noi instalații, echipamente și instrumente independente de cercetare și experimentare, dedicate caracterizării fluxurilor de aer cu debite mari, dar și studiilor avansate ale camerelor de ardere de înaltă presiune. Acestea vor include:
• Sistem de măsurare a presiunii și temperaturii de mare viteză, inclusiv sonde, traductoare, sisteme dinamice de calibrare și conectare la computerul central al standului de testare;
• Echipamente de măsurare a debitului de aer și combustibil (lichid și gazos) de înaltă precizie pentru temperaturi și presiuni ridicate;
• Modernizarea sistemului de măsurare a vitezei instantanee LASER PIV pentru măsurările tomografice într-un volum tridimensional și pentru fluxurile de viteză mare și foarte mare, inclusiv sistemul de însămânțare a fluxului;
• Actualizarea sistemului LASER LIF de măsurare a fluxului de aer turbulent şi a concentrațiilor instantanee de radicali liberi pentru măsurători tomografice în volum tridimensional și calibrare a temperaturii prin spectroscopie RAMAN;
• Sistem de vizualizare a fluxului de mare viteză Schlieren, cameră video de mare viteză și boroscoape pentru lumină vizibilă și ultravioletă;
• Sistem de anemometrie cu fir de înaltă frecvență pentru măsurarea vitezei instantanee;
• Sistem de termo-viziune în infraroșu;
• Sisteme de măsurare pentru forță și deplasare și vibrații de înaltă și joasă frecvență;
• Sisteme de înaltă precizie, automatizate, de comandă și control pentru poziționarea aerului în direcția fluxului și a sondei în câmpul experimental;
• Sistem de achiziție a datelor de mareviteză, multicanal;
• Sisteme acustice de monitorizare și amortizare a zgomotului;
• Software de comandă și control pentru instalația experimentală și software de analiză a datelor pentru analiza datelor experimentale.

Câștiguri majore
Finalizarea cu succes a proiectului va avea un impact semnificativ asupra timpului de proiectare a etanşărilor cu labirinţi rotativi și a camerelor de ardere de înaltă presiune şi, în consecință a costurilor, deoarece permite eliminarea majorității strategiilor de control consumatoare de timp, a cercetării și testării în medii simplificate. În plus, conceptul și abordările propuse vor permite o optimizare mai bună, fapt care va conduce la o proiectare mai eficientă a componentelor principale de turbomotor, cu impact nu numai economic, dar și asupra funcționării.
Proiectul va permite COMOTI să desfășoare activități de cercetare și dezvoltare la nivel european, în strânsă corelație cu nevoile comunității științifice. Prin implementarea proiectului, noua infrastructură va putea satisface solicitările de inovare atât din industrie, cât și din instituțiile academice, contribuind astfel la dezvoltarea economică. Prin atingerea acestui obiectiv, proiectul propus va contribui la creșterea capacității de cercetare, dezvoltare și inovare în domeniul propulsiei aviației. Implementarea proiectului va duce la intensificarea procesului de inovare în COMOTI, precum și la creșterea competitivității economice a acestuia, prin îmbunătățirea calității produselor sale și valorificarea superioară a acestora, cu efecte benefice asupra institutelor de cercetare. De asemenea, proiectul va conduce la crearea de noi locuri de muncă de înaltă calificare, atât în instituția coordonatorului de proiect (cercetători), cât și la agenții economici care pot utiliza infrastructura.
Dezvoltarea și îmbunătățirea infrastructurii de cercetare în domeniul motoarelor cu turbină cu gaze (GTE) și combustibililor va stimula activitățile de cercetare actuale desfăşurate de către COMOTI și va facilita dezvoltarea de noi activități și direcții de cercetare fundamentale și aplicate pentru a corespunde nivelurilor europene de calitate și competență în domeniu GTE, a componentelor și a mașinilor paletate. Aceste noi teme de cercetare vor permite obținerea unei mai bune înțelegeri a proceselor și fenomenelor care au loc în cadrul unui GTE și vor susține dezvoltarea și testarea, până la un nivel de piaţă, a componentelor și echipamentelor inovatoare cu o valoare științifică și economică sporită.
Rolul COMOTI în comunitatea științifică și pe segmentul de piață în care activează va fi semnificativ crescut prin diversificarea, modernizarea și extinderea infrastructurii deja existente, dar și prin achiziționarea de noi echipamente și instrumente științifice de cercetare. Prin implementarea proiectului, se va realiza o mai bună aliniere a cercetării și dezvoltării românești la standardele europene. Toate aceste eforturi vor conduce către activități de inovare mai intense în COMOTI, atât prin furnizarea pe piață a unor noi produse și bunuri inovatoare, cât și prin diversificarea portofoliului de servicii de cercetare pe care institutul îl poate oferi terților, ca parte în proiecte naționale și europene.
Din punct de vedere social, proiectul va conduce la o creștere a cunoștințelor în domeniul proiectării testelor pentru motoare aerospațiale. De asemenea, se vor deschide noi direcții de cercetare și dezvoltare pentru COMOTI și partenerii săi (cum ar fi SAFRAN Aircraft Engines) în acest domeniu, iar noi parteneriate vor fi posibile. Dacă abordările propuse vor atinge potențialul maxim, metodologia propusă în acest proiect va putea fi extinsă și la alte bancuri de testare, atâta timp cât un număr relativ mare de echipamente integrate vor putea fi utilizate şi la alte aplicaţii. Rezultatele acestui proiect trebuie să fie profund urmărite și chiar diseminate în comunitatea de design aerospațial, pentru a atrage mai multe finanțări și capabilități în acest domeniu. Infrastructura din proiectul INFRASEAL ar putea ajuta alte părți interesate să găsească soluția necesară pentru produsele lor.