La principal fuente de emisiones de un motor de aviación es la cámara de combustión, debido a la propia combustión del carburante., Los gases de escape generados en el proceso de combustión acaban saliendo por el núcleo del motor (flujo primario).

En el INTA, la evaluación y caracterización de estas emisiones de combustión se pueden realizar en dos fases de estudio:

1. Medida en el plano de salida del motor.
2. Medida aguas abajo en la chimenea de salida.

Medidas Intrusivas en Celda: ETP (Emissions Traverse Probe)

En la celda de ensayos del INTA, se ha diseñado e instalado una sonda de muestreo denominada ETP. Se trata de un sistema de muestreo extractivo, situado a 2 – 3 m del plano de salida del motor, donde las condiciones de operación son extremas (T > 500 °C y v > 300 m/s). La medida de emisiones en este punto de muestreo supone un interés especial debido a la entrada en vigor de la normativa AIR6241, relativa a la futura regulación de emisiones de aeronaves. Además, también permitirá a los fabricantes de motores de aviación, mejorar el diseño de la cámara de combustión con el objetivo de optimizar el proceso de combustión.

La muestra recogida por la ETP se transfiere a la Sala de Emisiones, donde se encuentran los instrumentos de medida. La sección de transferencia está constituida por una manguera de 25 m y calefactada a 160 °C, con el fin de evitar la condensación de compuestos volátiles. En este punto, se toman medidas de la concentración másica y numérica de la Materia Particulada no volátil (nvPM). También se mide la concentración de CO₂ con el fin de estudiar y corroborar el factor de dilución de la línea.

Medida en la chimenea de salida

Esta medida se lleva a cabo con una sonda multipunto situada 55 m aguas abajo del plano de salida del motor, en la chimenea de escape. El flujo de gases de escape del motor pasa a través de un tubo telescópico, llamado augmentor, hasta llegar a la chimenea de salida. En este punto, ya se ha producido un enfriamiento de la muestra hasta unos 40 °C y se han originado diversos procesos de transformación físico/químicos del aerosol.

En la chimenea de salida se toman medidas de concentración másica y numérica de Materia Particulada total y no volátil (PM + nvPM). Además, la línea de medida está provista de un sistema de filtración, cuyos filtros se someten a un análisis gravimétrico y de composición química, pudiendo determinar la concentración de Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAHs) como medida off-line.

Estas medidas pueden ayudar a evaluar su impacto en la calidad del aire, proporcionando una mejor comprensión de los contaminantes emitidos por las aeronaves y permitiendo una escalabilidad entre la celda de ensayos y el entorno real.

Medidas No Intrusivas en Celda: Anillo Óptico y LII

El INTA, además, apoya y fomenta el desarrollo de infraestructuras científico-tecnológicas, que permitan ampliar métodos no intrusivos de medida de emisiones. En este ámbito, INTA y CIEMAT han desarrollado una estructura dodecagonal donde se alojan diferentes sensores ópticos que, de modo no invasivo, permite el desarrollo y ensayo de nuevas tecnologías que caracterizan la emisión de un motor turbofan. INTA ha desarrollado esta estructura como socio en el proyecto FLITES (Fibre-Laser Imaging of Gas Turbine Exhaust Species).

Medidas de las emisiones del sistema de venteo de aceite del motor: Breather

Para mantener selladas las juntas se requiere un flujo continuo de aire a alta presión dentro del motor. Una pequeña cantidad de este aire está contaminada por fugas de aceite procedente del circuito de lubricación del motor y, por lo tanto, debe pasar a través de un sistema de separación y limpieza para eliminarlo. Parte de este aire es expulsado al exterior a través del sistema de venteo del motor, mientras que el aceite recuperado es integrado nuevamente al sistema. Este aceite de lubricación del motor, emitido por el sistema de venteo, puede ser una importante contribución a la emisión de masa de hidrocarburos semi-volátiles, una fuente de emisión diferente al proceso de combustión. El INTA es capaz de caracterizar esta emisión en su celda de ensayos..

Medidas de emisiones en el aire de cabina: Cabin Bleed

Parte del aire del interior del compresor del motor, antes de la cámara de combustión, es utilizado como fuente de aire ambiente presurizado para la cabina del avión (aire de cabina). El INTA tiene la capacidad de caracterizar este aire y demostrar que cumple con los requisitos de contaminantes del motor.

Simulaciones

El estudio de la respuesta del diseño de las diversas estructuras desarrolladas en el Laboratorio de Instrumentación y Técnicas Experimentales de Medida es otra de las principales líneas de trabajo. Para ello, se llevan a cabo simulaciones con CFDs, principalmente con ANSYS/FLUENT. Con esto, aparte de estudiar la viabilidad de cada diseño, se trabaja en las posibles mejoras e implementación de las mismas, garantizando un desarrollo continuo.

ETP (Emissions Traverse Probe)

Siguiendo la futura regulación AIR6241, cuyo objetivo es caracterizar el flujo de gases de escape de un motor turbofan - principal fuente de emisión de una aeronave -, se ha diseñado una sonda móvil de 750 mm, llamada Emissions Traverse probe (ETP). Dicha ETP ha sido construida en acero inoxidable 316L e instalada en el plano de salida del motor, donde las condiciones de operación son extremas (reverberaciones, perfiles de flujo, velocidad, temperatura, presión y vibroacústicos muy severos).

El diseño de la ETP ha sido desarrollado conjuntamente por INTA y CIEMAT, con financiación parcial de la UE como parte del proyecto “Development of a Public European Environmental Model Suite for Aviation”. Hasta ahora, se han desarrollado y probado varios prototipos diferentes de esta sonda en diversas campañas de medida experimentales y con diferentes motores Rolls-Royce (familias TRENT1000 y TRENT900), obteniendo una respuesta satisfactoria.

Mediante simulaciones a través de software de CFD, se estudia la respuesta de posibles mejoras, siendo un recurso en continuo desarrollo.

Anillo Óptico

INTA y CIEMAT han desarrollado una novedosa estructura para la medida no intrusiva de CO₂ en el plano de salida del motor.

Así, en la celda de ensayos del INTA se ha instalado un anillo óptico dodecagonal de 7 m de diámetro (10 m de alto, incluyendo el soporte, y un marco de 12 segmentos de 1 m). Se trata de un sistema tomográfico formado por numerosos láseres infrarrojos (emisores y receptores), en una configuración anular dodecaédrica, que definen seis proyecciones ópticas. Este anillo permite realizar un corte perpendicular al flujo de emisiones, generando mapas secuenciales de la distribución bidimensional real de la concentración de CO₂ presente en el penacho gaseoso, a través de imágenes tomográficas. Dichas distribuciones de CO₂ pueden emplearse para determinar el Índice de Emisión de hollín.

LII

La combustión incompleta del combustible Jet-A1 produce partículas de hollín (partículas sólidas secas), que luego se emiten en el escape del motor de la aeronave. El hollín se considera uno de los contaminantes más peligrosos y nocivos, ya que tiene efectos adversos en la calidad del aire y, en consecuencia, en la salud humana.

El Laser-Induced Incandescence (LII) es un equipo que permite medir, de forma cuantitativa, la concentración másica de hollín, correspondiente a la fracción nvPM. Esta técnica óptica mide la emisión térmica (incandescencia) emitida por las partículas que son calentadas, a través de un láser pulsado, hasta temperaturas en el rango 2500 K – 4000 K, sin llegar a la sublimación. A esta temperatura, todos los componentes volátiles, que pueden haberse condensado en las partículas de hollín, se evaporarán rápidamente.

Sonda Multiorificio

INTA y CIEMAT han desarrollado e instalado una sonda multi-orificio 55 m aguas abajo del plano de salida del motor, en la chimenea de salida.

Esta sonda de 14 m de longitud, consta de seis orificios de muestreo situados a diferentes distancias para obtener muestras representativas en las distintas condiciones de operación del motor. Las distancias de separación de los puntos de muestreo se han definido evaluando las pérdidas por deposición correspondientes a la línea de transporte de cada uno. Además, esta sonda multi-orificio está provista de una cámara de homogeneización, situada en el propio conducto de aspiración, en la que se mezcla y homogeneiza la muestra extraída de cada punto, para obtener un flujo de muestra homogéneo y laminar.

Puntos de medida de emisiones de motores de aviación

Actualmente, el Laboratorio de Instrumentación y Técnicas Experimentales de Medida realiza medidas de emisiones de motores turbofan en diferentes puntos de muestreo:

•   Plano de salida del motor
•   Chimenea
•   Breather
•   Cabin Bleed