Combustión catalítica

La combustión catalítica es otra forma de efectuar combustiones a baja temperatura.
El principio consiste en estabilizar la llama a baja temperatura gracias a un catalizador, Fig XI.16. Sin embargo hay que resolver los problemas debidos al ensuciamiento y al comportamiento térmico el catalizador si se quiere obtener una vida útil del mismo compatible con su utilización.

Como conclusión, las tecnologías de tipo de cámara de dos cabezas parecen tener la suficiente fiabilidad como para permitir su aplicación a corto plazo. Sin embargo es preciso encontrar un equilibrio entre la reducción de aproximadamente el 30% en NOx que puede aportar este tipo de tecnología y el aumento del peso y precio del motor; también hay que considerar su fiabilidad ligada a una mayor complejidad.
Las cámaras de combustión desarrolladas hasta ahora presentan niveles de contaminación que cumplen con las normas (OACI). Hace muchos años que las tecnologías anticontaminación son objeto de estudio y, sin embargo, las nuevas tecnologías presentan inconvenientes en lo que se refiere al coste, peso y fiabilidad, que habrá que tener en cuenta al realizar el dimensionamiento.
Todavía no se conocen bien los mecanismos químicos atmosféricos en los que participan las substancias emitidas a gran altura por las turbinas de aviación. Sin embargo se deben reducir de forma especial las emisiones de NOx que siguen siendo un problema clave en el caso de los aviones supersónicos.

Combustión rica, dilución rápida pobre.-

Teóricamente es posible reducir las emisiones de NOx efectuando las combustiones estequiométricas en la zona primaria y diluir rápidamente los gases para limitar
el tiempo de permanencia en las zonas estequiométricas.
La puesta a punto de este tipo de cámara, Fig XI.15, exige resolver ciertos problemas como:
a) La producción de carbono en la zona primaria muy rica y la combustión en la zona de dilución
b) La refrigeración de la zona primaria sometida a una radiación intensa debida a las partículas de carbono, evitando
toda inyección de aire a fin de eliminar las zonas de mezcla estequiométricas
c) La dilución rápida a estequiometría controlada.

Inyección con premezcla pobre

La formación de NOx depende mucho de las temperaturas y riquezas locales presentando un pico importante para las mezclas estequiométricas; una premezcla antes de la combustión permite minimizar las zonas en las que las riquezas estén próximas a la estequiométrica.
En la Fig XI.14 se presenta el esquema de esta cámara.

La cabeza de despegue incluye un dispositivo de premezcla y estabilizadores de llama del tipo de recalentamiento.
La ventaja aportada por la premezcla se suma, por lo tanto, al efecto producido por el corto tiempo de permanencia, permitiendo limitar la formación de NOx.
El inconveniente de esta tecnología es el peligro de autoinflamación antes de los estabilizadores de la llama, por lo que el control de estos fenómenos de autoinflamación es una cuestión clave para la utilización de esta técnica, especialmente en las turbinas de elevadas relaciones de compresión.

Geometría variable.-

Permite regular el gasto másico en la zona primaria para cada régimen de funcionamiento.
Si se desea optimizar el funcionamiento de la cámara en todos los regímenes, puede ser necesario introducir en el dimensionamiento un grado de libertad adicional que se puede alcanzar con la ayuda de una geometría variable que permita regular el gasto másico en la zona primaria para cada una de las condiciones de funcionamiento.
Además de reducir la contaminación, la geometría variable tiene otras ventajas que pueden compensar los inconvenientes debidos a su tecnología más compleja, como un menor volumen de la cámara de combustión que permite reducir el espacio ocupado y el peso del motor, aumentando el intervalo de riquezas y ampliando el campo de reencendido durante el vuelo.
La geometría variable se puede combinar con técnicas de combustión escalonada.

NUEVAS TECNOLOGÍAS

Para conseguir mejoras significativas en la reducción de los niveles de contaminación, es necesario imaginar otro tipo de soluciones tecnológicas completamente nuevas, como:
Inyección escalonada.- La separación de las funciones de ralentí y despegue es una de las posibilidades para reducir el nivel de contaminación de una cámara, superando el compromiso entre la riqueza y el tiempo de permanencia en la zona primaria.
En la Fig XI.12 se presenta un ejemplo de cámara de combustión con dos cabezas; la cabeza de ralentí posee un gran volumen (tiempo de permanencia elevado) y está alimentada por una cantidad de aire que permite optimizar la estequiometría de la zona primaria en condiciones de ralentí, produciendo pocos inquemados.

Fig XI.12.- Cámara de combustión con dos cabezas La cabeza de despegue es de pequeño volumen (corto tiempo de permanencia), estando alimentada por una gran parte del aire suministrado por el compresor, de forma que se obtiene una zona primaria subestequiométrica, por cuanto el flujo desde la salida de la zona primaria queda muy diluido debido a una serie de orificios de dilución, consiguiéndose una fijación rápida de las reacciones de formación de NOx a regímenes elevados. Los niveles de contaminación obtenidos son inferiores a los de las tecnologías clásicas, reduciendo los NOx en aproximadamente el 30%.
En general, la mejora de la contaminación se obtiene a costa de una mayor complejidad de la tecnología de la cámara y, especialmente, aumentando el número de inyectores. Las temperaturas de la pared son más elevadas, debido a la mayor superficie de pared del tubo de llamas, lo que es un problema; en determinados regímenes intermedios existe una cierta dificultad en alcanzar buenos rendimientos, por cuanto ambas cabezas están, necesariamente, lejos de su funcionamiento óptimo.

TECNOLOGÍA ACTUAL

Las diferentes técnicas de reducción expuestas, aplicadas a las turbinas modernas actualmente en servicio, han permitido reducir considerablemente los niveles de emisión de inquemados. Se han optimizado el sistema de inyección, el reparto de aire y carburante, etc, pero estas mejoras incrementan los NOx debido al aumento de las relaciones de compresión de las turbinas.
La cámara de combustión representada en la Fig XI.11 es ultracorta (L/A = 1,75) y ha sido adaptada a un ciclo de motor propfan dando lugar a un bajo consumo específico, con niveles de contaminación bastante por debajo de los límites vigentes, obteniéndose los siguientes resultados:

Acción sobre el ciclo del motor.-

El parámetro de contaminación definido en las normas internacionales

en la que (IE) es un índice de emisión que representa el nivel tecnológico de la cámara de combustión, y Cs es el consumo específico ligado al ciclo del motor.
Esto indica que, para disminuir el parámetro (Dp/F00) el constructor tiene dos posibilidades:
a) Mejorar la cámara de combustión.
b) Seleccionar un ciclo que dé lugar a un menor consumo específico
La consecuencia directa de la mejora del consumo específico en todas las turbinas modernas, con alta relación de dilución y en las turbinas tipo propfan, es la disminución de los niveles de contaminación.

Acortamiento de la cámara de combustión.-

El acortamiento de la cámara permite reducir el tiempo de permanencia al tiempo que limita la formación de los NOx. La relación (longitud/diámetro) ha disminuido
en un 30% en 30 años, lo cual ha sido posible por un mejor control de la aerodinámica interna del tubo de llamas que ha permitido acortar las cámaras sin aumentar la complejidad de las temperaturas de salida, y sin aumentar los inquemados, permitiendo obtener en las turbinas modernas niveles de NOx equivalentes
a los de los antiguos motores, a pesar del aumento de las relaciones de compresión

Optimización del reparto de carburante

En esta situación no se reducen los NOx. En condiciones de baja carga, se puede optimizar la estequiometría de la zona primaria, regulando el reparto de carburante entre los inyectores, pero este tipo de solución exige un sistema de alimentación de carburante más complejo, no siendo válida para regímenes elevados; por lo tanto, no da lugar a reducciones directas de los niveles de NOx, sino que favorece una débil producción, mejorando el compromiso entre el funcionamiento al ralentí y el funcionamiento a plena carga.

Optimización del reparto de aire.-

Los niveles de contaminación emitidos dependen también del reparto de aire en el tubo de llamas; la fracción del gasto másico de aire que alimenta la zona primaria, la difusión e incluso el gasto másico de refrigeración, se deben regular para obtener el mejor compromiso entre las diferentes prestaciones.

Sin embargo, la optimización del reparto de aire en el tubo de llamas no permite establecer un compromiso entre las prestaciones y las sustancias contaminantes; en la Fig XI.10 se muestra que si se modifica en una cámara la posición de los orificios de dilución (aire terciario), la contaminación de los NOx disminuye, pero ésto da lugar a una reducción del volumen de la cámara, en donde la temperatura es elevada, provocando un aumento de los niveles de inquemados CH.

Mejora del sistema de inyección.-

La mejora de los sistemas de inyección disminuye los CH por cuanto los niveles de contaminación emitidos dependen mucho del rendimiento del sistema de inyección.

La calidad de la mezcla (aire-carburante) y su distribución en la zona primaria de la cámara de combustión, condicionan las riquezas y temperaturas locales. Una mejora del sistema de inyección es, por lo tanto, una importante vía para reducir la contaminación; la sustitución de los tubos de vaporización por una inyección aerodinámica, Fig XI.9 y 10, ha dado lugar a importantes mejoras en la emisión de contaminantes, especialmente en los inquemados.

Cambio de carburante.-

Las turbinas industriales se proyectan para ser utilizadas con diferentes carburantes (gasóleo, gas natural, gas pobre, alcohol, etc). La experiencia demuestra que, debido a que la temperatura de la llama es más baja, los carburantes con un poder calorífico débil dan lugar, para un mismo diseño de la cámara de combustión, a niveles de NOx más bajos y a niveles de CO e hidrocarburos no quemados más altos.
La utilización de carburantes de bajo poder calorífico da lugar a consumos específicos mayores, necesitando, una mayor cantidad de carburante para un mismo cometido. Estas soluciones, aplicables a las turbinas industriales de gas, lo son difícilmente a las turbinas de aviación, ya que dan lugar a un mayor consumo.

Inyección de amoniaco

Otra solución consiste en intentar eliminar los NOx mediante inyección de un agente reductor, por ejemplo, amoníaco; ésto implica:
a) Un dispositivo de detección del contenido de NOx en los gases de escape
b) Un sistema de regulación que dosifique el gasto másico del agente reductor NH3 que debe ser inyectado
c) Una cámara de reacción de volumen suficiente como para permitir se produzcan las reacciones químicas del NOx con el NH3., solución que resulta poco adaptable a las turbinas de aviación.

ALGUNAS TECNOLOGÍAS UTILIZADAS PARA REDUCIR LA CONTAMINACIÓN

Inyección de agua o de vapor.- El nivel de los NOx se puede reducir disminuyendo las temperaturas locales de la llama, por ejemplo, inyectando agua o vapor de agua en la cámara de combustión. Se ha comprobado que en las turbinas industriales THM, una inyección de agua equivalente al gasto másico de carburante:

REDUCCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN

Las turbinas de aviación están sujetas a las normas internacionales (OACI) en las que se definen los límites recomendados para los diferentes contaminantes. Los NOx son los gases de combustión que crean el mayor problema ya que, aunque los niveles de inquemados CO e hidrocarburos HC, han disminuido de forma importante en las últimas generaciones de turbinas, no ocurre lo mismo con los NOx. Los avances realizados en el campo de la combustión y, sobre todo, en el acortamiento de las cámaras de combustión, permiten evitar que un aumento de la relación de compresión en las turbinas, incremente la producción de NOx. Si para una misma tecnología de la cámara, la relación de compresión de las turbinas futuras siguen aumentando, los NOx van a aumentar también, y será más difícil cumplir la normativa actual, Fig XI.7. El acortamiento de las cámaras y los avances en la combustión contribuyen a que el aumento de la relación de compresión suponga un mayor aumento de NOx.
Un problema adicional, en el caso de los aviones supersónicos civiles es el de la contaminación en altura, y la influencia de los NOx en la destrucción de la capa de ozono, siendo estos contaminantes los que, actualmente, exigen un mayor esfuerzo a los proyectistas de este tipo de motores.

IMPACTO DEL DIMENSIONAMIENTO DE LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN SOBRE LA CONTAMINACIÓN

Los niveles de contaminación de una turbina se pueden preveer si se conoce la tecnología de la cámara. Para su determinación se han establecido algunas metodologías, habiéndose observado una buena similitud entre los valores calculados y las medidas realizadas a la salida de la cámara de combustión, permitiendo establecer la influencia de algunos parámetros, como el reparto de aire y carburante en la cámara, así como las características del sistema de inyección (tamaño y dispersión de las gotitas). Como no se pueden tener presentes al mismo tiempo todos los parámetros termodinámicos, hay que establecer entre ellos algún tipo de compromiso, ya que se ha observado que las condiciones de funcionamiento del motor pueden conducir a situaciones contradictorias; por ejemplo, un aumento del volumen de la cámara de combustión, produce un aumento del tiempo de permanencia, lo que provoca una disminución de los niveles de inquemados durante el funcionamiento al ralentí y un aumento de los NOx durante los períodos más revolucionados. Para una mismas condiciones iniciales, al acortamiento de la cámara de combustión reduce la emisión de NOx pero ésto puede dar lugar a niveles de humos más elevados, Fig XI.6.

Las consideraciones a tener en cuenta para eliminar la contaminación a nivel del dimensionamiento de la cámara de combustión de un motor, entran en competencia con otras prestaciones como, pérdidas de carga, temperatura de las paredes, encendido, reencendido en vuelo, estabilidad, distribución de las temperaturas de salida, etc, por lo que las opciones tecnológicas se deben seleccionar teniendo en cuenta el conjunto de las prestaciones y las condiciones de funcionamiento del motor.

FORMACIÓN DE CONTAMINANTES (III)

Humos.- Los humos son inquemados producidos bajo condiciones de alta presión, en zonas de la cámara en las que la riqueza local es elevada, principalmente en la zona primaria. Por el contrario, en la zona de dilución (terciaria), debido a la oxigenación de los gases y a que las temperaturas son todavía elevadas, se observa en general una combustión de las partículas de carbono y, por lo tanto, una disminución de los humos.
El nivel de humos emitidos por un turborreactor aumenta con la presión y con la riqueza de funcionamiento de la cámara de combustión, y disminuye con la temperatura en la zona de dilución, en donde existe menor temperatura y aire terciario fresco, Fig XI.4; el fenómeno de combustión de los humos en la zona de dilución supera, en general, a su producción en la zona primaria.

FORMACIÓN DE CONTAMINANTES (II)

El parámetro de contaminación (Dp/F00) se define en la forma:

Óxidos de nitrógeno.- Se forman esencialmente en las zonas de alta temperatura. En las condiciones de funcionamiento de un turborreactor, las reacciones de oxidación son más lentas que las de combustión del carburante por lo que las concentraciones resultantes están lejos del equilibrio químico, siendo prácticamente proporcionales al tiempo de permanencia. Para predecir la influencia de las condiciones termodinámicas sobre los niveles de dichos óxidos se utiliza un parámetro s, Fig XI.3, que se obtiene a partir de resultados experimentales, y que permite deducir la influencia de la presión pe, la temperatura
de entrada Te y el gasto másico de aire Gaire (o tiempo de permanencia).
Se observa que los NOx se producen sobre todo en condiciones de gran carga. En las fases de vuelo ascendente y despegue se emite aproximadamente 3/4 partes de la masa total de NOx. La riqueza de funcionamiento de la cámara de combustión es otro parámetro del que dependen las emisiones contaminantes.
Teniendo en cuenta la complejidad interna del tubo de combustión, las riquezas y temperaturas locales de la mezcla que se realiza en la zona primaria son las que controlan los procesos químicos; si se mejora la mezcla o se hace una premezcla, se puede reducir el nivel de los NOx emitidos.

FORMACIÓN DE CONTAMINANTES (I)

CO e hidrocarburos no quemados HC.- Son productos intermedios de la combustión del carburante, cuya oxidación completa da lugar al CO2. Las reacciones de oxidación dependen de la presión, temperaturas locales, riquezas locales de la mezcla y tiempo de permanencia.
La influencia de las condiciones termodinámicas sobre los niveles de CO e hidrocarburos no quemados se puede evaluar, por ejemplo, a partir del parámetro de carga aerodinámica W, Fig XI.1 y XI.2, que permite observar la influencia de la presión de entrada pe, temperatura de entrada Te, gasto másico de aire Gaire y volumen de la cámara de combustión V. A partir de estas curvas se puede predecir, durante la fase de dimensionamiento de la cámara, los niveles de contaminación debidos a los inquemados emitidos por el motor en todos los regímenes de funcionamiento. Se observa que dichos contaminantes se producen sobre todo en el funcionamiento al ralentí.

No se tienen en cuenta en el parámetro de carga aerodinámica las características de la carburación, el reparto de aire en la camisa interior y fenómenos tales como el enfriamiento por el aire de refrigeración de las paredes o por el aire de dilución (aire terciario), que influyen en la producción de inquemados.

CONTAMINACIÓN POR TURBINAS DE AVIACIÓN

Los turborreactores lanzan a la atmósfera, principalmente, tres tipos de compuestos químicos:
a) Compuestos del aire ambiente: N2, O2 y Ar
b) Productos de combustión completa: CO2 y H2O
c) Contaminantes, que son inquemados: CO, CH y humos, así como NOx
La reacción química global se puede expresar en la forma general siguiente: