Un'immagine in sezione del condotto di combustione ad alta pressione. Le finestre (estrema sinistra e destra) integrate nell'apparecchio consentono il monitoraggio della combustione del gas. Credito:Riprodotto con il permesso del riferimento 1. Figura 1b © 2018 Elsevier
Comprendere la risposta delle fiamme a gas alle perturbazioni acustiche ad alta pressione dovrebbe rendere le turbine di prossima generazione più sicure ed efficienti.
I soldati che marciano a passo di passo su un ponte possono causare il crollo della struttura se il ritmo del loro passo corrisponde alla frequenza di vibrazione naturale del ponte. Gli ingegneri della combustione devono considerare un effetto simile quando progettano le turbine a gas utilizzate nella generazione di elettricità e nei motori aeronautici.
Proprio come i piedi dei soldati possono far ondeggiare il ponte per raggiungere il punto di distruzione, una turbina a gas può essere danneggiata, o addirittura esplodere, se le fluttuazioni di calore e pressione prodotte dalla fiamma si accoppiano con l'acustica della camera di combustione. In misura minore, questa instabilità termoacustica ostacola una combustione efficiente, aumento delle emissioni acustiche e inquinanti.
La previsione e la prevenzione delle instabilità termoacustiche rimane una sfida per la progettazione di una turbina a gas. Per migliorare i modelli utilizzati, Deanna Lacoste del Clean Combustion Research Center di KAUST ei suoi colleghi hanno misurato la stabilità delle fiamme del gas a pressione elevata.
Indagine sulla risposta della fiamma alla forzatura acustica, utilizza un parametro chiamato funzione di trasferimento di fiamma (FTF), dice Francesco Di Sabatino, un dottorato di ricerca studente nella squadra di Lacoste. L'FTF è derivato da misurazioni sperimentali della risposta della fiamma alle onde sonore. Ma questi esperimenti sono di solito eseguiti a pressione atmosferica, mentre le vere turbine a gas raggiungono pressioni fino a 30 bar.
Un altoparlante genera le onde sonore che testano come la perturbazione acustica influenzi la fiamma del gas. Credito:Riprodotto con il permesso del riferimento 1. Figura 1a. © 2018 Elsevier
Lacoste, Di Sabatino e i loro colleghi hanno studiato sistematicamente l'effetto della pressione sulle fiamme del gas metano e propano. "I nostri esperimenti mostrano che l'FTF a pressione atmosferica è diverso dall'FTF a pressione elevata, " dice Di Sabatino. Sia per le fiamme a metano che a gas propano, la pressione esercitava un effetto particolarmente forte quando l'altoparlante produceva perturbazioni acustiche di 176 Hz.
La dimensione della fiamma del metano è aumentata con la pressione quando la fiamma è stata sottoposta a perturbazione acustica di 176 Hz (a sinistra); per propano, la dimensione della fiamma ha raggiunto il picco a 3 bar di pressione. Credito:Riprodotto con il permesso del riferimento 1. Modificato da Figure 8 e 9 © 2018 Elsevier
