Cámara de combustión

El objetivo de la combustión en una turbina de gas es agregar energía al sistema para alimentar las turbinas y producir un gas de alta velocidad para el escape a través de la boquilla en aplicaciones de aeronaves. Al igual que con cualquier desafío de ingeniería, lograr esto requiere equilibrar muchas consideraciones de diseño, como las siguientes:

• Quema completamente el combustible. De lo contrario, el motor desperdicia el combustible no quemado y crea emisiones no deseadas de hidrocarburos no quemados, monóxido de carbono (CO) y hollín.
• Baja pérdida de presión a través de la combustión. La turbina que alimenta el combustor necesita un flujo de alta presión para funcionar de manera eficiente.
• La llama (combustión) debe mantenerse (contenida) dentro del quemador. Si la combustión se produce más atrás en el motor, las etapas de la turbina pueden sobrecalentarse y dañarse fácilmente. Además, a medida que las palas de la turbina continúan creciendo más avanzadas y son capaces de soportar temperaturas más altas, los quemadores se están diseñando para quemar a temperaturas más altas y las partes del quemador deben diseñarse para soportar esas temperaturas más altas.
• Debe ser capaz de volver a encenderse a gran altura en caso de incendio del motor.
• Perfil de temperatura de salida uniforme. Si hay puntos calientes en el flujo de salida, la turbina puede ser sometido a estrés térmico u otros tipos de daños. Del mismo modo, el perfil de temperatura dentro de la combustión debe evitar puntos calientes, ya que pueden dañar o destruir una combustión desde el interior.
• Tamaño físico y peso pequeños. El espacio y el peso son muy importantes en las aplicaciones de aeronaves, por lo que un combustor bien diseñado se esfuerza por ser compacto. Las aplicaciones no aeronáuticas, como las turbinas de gas generadoras de energía, no están tan limitadas por este factor.
• Amplia gama de operaciones. La mayoría de los quemadores deben ser capaces de operar con una variedad de presiones de entrada, temperaturas y flujos de masa. Estos factores cambian con la configuración del motor y las condiciones ambientales (es decir, el acelerador a fondo a baja altitud puede ser muy diferente del acelerador al ralentí a gran altitud).
• Emisiones ambientales. Hay regulaciones estrictas sobre las emisiones de contaminantes de los aviones, como dióxido de carbono y óxidos de nitrógeno, por lo que los quemadores deben diseñarse para minimizar esas emisiones. (Véase la sección de emisiones a continuación)

Fuentes:

Historiaeditar

Avances en la tecnología de combustión enfocados en varias áreas distintas; emisiones, rango de operación y durabilidad. Los primeros motores a reacción producían grandes cantidades de humo, por lo que los primeros avances de la combustión, en la década de 1950, tenían como objetivo reducir el humo producido por el motor. Una vez que el humo se eliminó esencialmente, los esfuerzos se centraron en la década de 1970 en la reducción de otras emisiones, como los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono (para más detalles, consulte la sección de emisiones a continuación). La década de 1970 también vio una mejora en la durabilidad de la combustión, ya que los nuevos métodos de fabricación mejoraron la vida útil del revestimiento (ver componentes a continuación) en casi 100 veces la de los primeros revestimientos. En la década de 1980, los quemadores comenzaron a mejorar su eficiencia en todo el rango de operación; los quemadores tendían a ser altamente eficientes (99%+) a plena potencia, pero esa eficiencia disminuyó en ajustes más bajos. El desarrollo a lo largo de esa década mejoró la eficiencia a niveles más bajos. En las décadas de 1990 y 2000 se renovó el enfoque en la reducción de emisiones, en particular de óxidos de nitrógeno. La tecnología de combustión todavía se está investigando y avanzando activamente, y gran parte de la investigación moderna se centra en mejorar los mismos aspectos.

Componenteseditar

Case

La carcasa es la carcasa exterior del quemador, y es una estructura bastante simple. La carcasa generalmente requiere poco mantenimiento. La carcasa está protegida de las cargas térmicas por el aire que fluye en ella, por lo que el rendimiento térmico es de preocupación limitada. Sin embargo, la carcasa sirve como recipiente a presión que debe soportar la diferencia entre las altas presiones dentro de la combustión y la presión más baja fuera. Esa carga mecánica (en lugar de térmica) es un factor de diseño de conducción en el caso.

Difusor

El propósito del difusor es ralentizar el aire de alta velocidad, altamente comprimido, del compresor a una velocidad óptima para el quemador. Reducir la velocidad resulta en una pérdida inevitable de presión total, por lo que uno de los desafíos de diseño es limitar la pérdida de presión tanto como sea posible. Además, el difusor debe estar diseñado para limitar la distorsión del flujo tanto como sea posible, evitando efectos de flujo como la separación de la capa límite. Al igual que la mayoría de los demás componentes del motor de turbina de gas, el difusor está diseñado para ser lo más corto y ligero posible.

Revestimiento

El revestimiento contiene el proceso de combustión e introduce los diversos flujos de aire (intermedio, de dilución y de refrigeración, consulte las rutas de flujo de aire a continuación) en la zona de combustión. El revestimiento debe estar diseñado y construido para soportar ciclos prolongados de alta temperatura. Por esa razón, los revestimientos tienden a estar hechos de superaleaciones como Hastelloy X. Además, a pesar de que se utilizan aleaciones de alto rendimiento, los revestimientos deben enfriarse con flujo de aire. Algunos quemadores también utilizan recubrimientos de barrera térmica. Sin embargo, aún se requiere refrigeración por aire. En general, hay dos tipos principales de refrigeración de revestimiento; refrigeración de película y refrigeración por transpiración. El enfriamiento de la película funciona inyectando (por uno de varios métodos) aire frío desde el exterior del revestimiento hacia el interior del revestimiento. Esto crea una fina película de aire frío que protege el revestimiento, reduciendo la temperatura en el revestimiento de alrededor de 1800 kelvin (K) a alrededor de 830 K, por ejemplo. El otro tipo de refrigeración del revestimiento, la refrigeración por transpiración, es un enfoque más moderno que utiliza un material poroso para el revestimiento. El revestimiento poroso permite que una pequeña cantidad de aire de refrigeración pase a través de él, proporcionando beneficios de refrigeración similares a los de la refrigeración de película. Las dos diferencias principales están en el perfil de temperatura resultante del revestimiento y la cantidad de aire de refrigeración requerido. La refrigeración por transpiración da como resultado un perfil de temperatura mucho más uniforme, ya que el aire de refrigeración se introduce uniformemente a través de los poros. El aire de refrigeración de la película generalmente se introduce a través de listones o rejillas, lo que resulta en un perfil desigual donde es más frío en el listón y más cálido entre los listones. Más importante aún, la refrigeración por transpiración utiliza mucho menos aire de refrigeración (del orden del 10% del flujo de aire total, en lugar del 20-50% para la refrigeración de película). El uso de menos aire para la refrigeración permite que se use más para la combustión, lo que es cada vez más importante para motores de alto rendimiento y empuje.

Hocico

El hocico es una extensión de la cúpula (ver más abajo) que actúa como un divisor de aire, separando el aire primario de los flujos de aire secundarios (aire intermedio, de dilución y de refrigeración; ver la sección Rutas de flujo de aire a continuación).

Domo / remolinador

El domo y el remolinador son la parte del combustor por la que fluye el aire primario (ver rutas de flujo de aire a continuación) a medida que ingresa a la zona de combustión. Su función es generar turbulencias en el flujo para mezclar rápidamente el aire con el combustible. Los primeros quemadores tendían a usar cúpulas de cuerpo de farol (en lugar de remolinos), que usaban una placa simple para crear turbulencias de estela para mezclar el combustible y el aire. Sin embargo, la mayoría de los diseños modernos están estabilizados con remolinos (use remolinadores). El remolino establece una zona local de baja presión que obliga a algunos de los productos de combustión a recircular, creando la alta turbulencia. Sin embargo, cuanto mayor sea la turbulencia, mayor será la pérdida de presión para el quemador, por lo que la cúpula y el remolino deben diseñarse cuidadosamente para no generar más turbulencia de la necesaria para mezclar suficientemente el combustible y el aire.Inyector de combustible

El inyector de combustible es responsable de introducir el combustible en la zona de combustión y, junto con el remolinador (arriba), es responsable de mezclar el combustible y el aire. Hay cuatro tipos principales de inyectores de combustible; atomización a presión, chorro de aire, vaporización e inyectores de premezcla/prevaporización. Los inyectores de combustible de atomización a presión dependen de altas presiones de combustible (hasta 3.400 kilopascales (500 psi)) para atomizar el combustible. Este tipo de inyector de combustible tiene la ventaja de ser muy simple, pero tiene varias desventajas. El sistema de combustible debe ser lo suficientemente robusto para soportar presiones tan altas, y el combustible tiende a atomizarse de forma heterogénea, lo que resulta en una combustión incompleta o desigual que tiene más contaminantes y humo.

El segundo tipo de inyector de combustible es el inyector de chorro de aire. Este inyector “dispara” una lámina de combustible con una corriente de aire, atomizando el combustible en gotitas homogéneas. Este tipo de inyector de combustible condujo a los primeros quemadores sin humo. El aire utilizado es la misma cantidad de aire primario (ver rutas de flujo de aire a continuación) que se desvía a través del inyector, en lugar del remolino. Este tipo de inyector también requiere presiones de combustible más bajas que el tipo de atomización a presión.

El inyector de combustible de vaporización, el tercer tipo, es similar al inyector de chorro de aire en que el aire primario se mezcla con el combustible a medida que se inyecta en la zona de combustión. Sin embargo, la mezcla de combustible y aire viaja a través de un tubo dentro de la zona de combustión. El calor de la zona de combustión se transfiere a la mezcla de combustible y aire, vaporizando parte del combustible (mezclándolo mejor) antes de que se queme. Este método permite que el combustible se queme con menos radiación térmica, lo que ayuda a proteger el revestimiento. Sin embargo, el tubo del vaporizador puede tener graves problemas de durabilidad con un bajo flujo de combustible dentro de él (el combustible dentro del tubo protege el tubo del calor de combustión).

Los inyectores de premezcla/prevaporización funcionan mezclando o vaporizando el combustible antes de que llegue a la zona de combustión. Este método permite que el combustible se mezcle de manera muy uniforme con el aire, reduciendo las emisiones del motor. Una desventaja de este método es que el combustible puede encenderse automáticamente o quemarse antes de que la mezcla de combustible y aire llegue a la zona de combustión. Si esto sucede, el quemador puede dañarse gravemente.

Encendedor

La mayoría de los encendedores en aplicaciones de turbinas de gas son encendedores eléctricos de chispa, similares a las bujías automotrices. El encendedor debe estar en la zona de combustión donde el combustible y el aire ya están mezclados, pero debe estar lo suficientemente lejos aguas arriba para que no se dañe por la combustión en sí. Una vez que la combustión es iniciada inicialmente por el encendedor, es autosostenible y el encendedor ya no se usa. En los quemadores anulares y anulares (ver tipos de quemadores a continuación), la llama puede propagarse de una zona de combustión a otra, por lo que no se necesitan encendedores en cada uno. En algunos sistemas se utilizan técnicas de asistencia de encendido. Uno de estos métodos es la inyección de oxígeno, donde el oxígeno se alimenta al área de ignición, lo que ayuda a que el combustible se queme fácilmente. Esto es particularmente útil en algunas aplicaciones de aeronaves donde el motor puede tener que reiniciarse a gran altitud.

Rutas de flujo de aireeditar

Aire primario

Este es el aire de combustión principal. Es aire altamente comprimido del compresor de alta presión (a menudo desacelerado a través del difusor) que se alimenta a través de los canales principales en la cúpula de la combustión y el primer juego de orificios de revestimiento. Este aire se mezcla con combustible y luego se quema.

Aire intermedio

El aire intermedio es el aire inyectado en la zona de combustión a través del segundo juego de orificios de revestimiento (el aire primario pasa por el primer juego). Este aire completa los procesos de reacción, enfriando el aire y diluyendo las altas concentraciones de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2).

Aire de dilución

El aire de dilución es un flujo de aire inyectado a través de orificios en el revestimiento al final de la cámara de combustión para ayudar a enfriar el aire antes de que llegue a las etapas de la turbina. El aire se utiliza cuidadosamente para producir el perfil de temperatura uniforme deseado en la combustión. Sin embargo, a medida que la tecnología de álabes de turbina mejora, lo que les permite soportar temperaturas más altas, el aire de dilución se utiliza menos, lo que permite el uso de más aire de combustión.

Aire de refrigeración

El aire de refrigeración es un flujo de aire que se inyecta a través de pequeños orificios en el revestimiento para generar una capa (película) de aire frío para proteger el revestimiento de las temperaturas de combustión. La implementación del aire de refrigeración debe diseñarse cuidadosamente para que no interactúe directamente con el aire de combustión y el proceso. En algunos casos, hasta el 50% del aire de entrada se utiliza como aire de refrigeración. Existen varios métodos diferentes para inyectar este aire de refrigeración, y el método puede influir en el perfil de temperatura al que está expuesto el revestimiento (véase el revestimiento, más arriba).