Combustore

L’obiettivo del combustore in una turbina a gas è quello di aggiungere energia al sistema per alimentare le turbine e produrre una elevata velocità dei gas di scarico attraverso un ugello in applicazioni aeronautiche. Come per qualsiasi sfida ingegneristica, per raggiungere questo obiettivo è necessario bilanciare molte considerazioni di progettazione, come le seguenti:

• Completamente bruciare il carburante. In caso contrario, il motore spreca il carburante incombusto e crea emissioni indesiderate di idrocarburi incombusti, monossido di carbonio (CO) e fuliggine.
• Bassa perdita di pressione attraverso il combustore. La turbina che il combustore alimenta ha bisogno del flusso ad alta pressione di funzionare efficientemente.
• La fiamma (combustione) deve essere tenuta (contenuta) all’interno del combustore. Se la combustione avviene più indietro nel motore, gli stadi della turbina possono essere facilmente surriscaldati e danneggiati. Inoltre, poiché le pale della turbina continuano a crescere più avanzate e sono in grado di resistere a temperature più elevate, i combustori vengono progettati per bruciare a temperature più elevate e le parti del combustore devono essere progettate per resistere a temperature più elevate.
• Dovrebbe essere in grado di riaccendersi ad alta quota in caso di spegnimento del motore.
• Profilo uniforme della temperatura di uscita. Se ci sono punti caldi nel flusso di uscita, la turbina può essere sottoposta a stress termico o altri tipi di danni. Allo stesso modo, il profilo di temperatura all’interno del combustore dovrebbe evitare punti caldi, in quanto questi possono danneggiare o distruggere un combustore dall’interno.
• Piccole dimensioni fisiche e peso. Lo spazio ed il peso è ad un premio nelle applicazioni degli aerei, in modo da un combustore ben progettato si sforza di essere compatto. Le applicazioni non aeronautiche, come le turbine a gas che generano energia, non sono così limitate da questo fattore.
• Vasta gamma di funzionamento. La maggior parte dei combustori deve essere in grado di operare con una varietà di pressioni di ingresso, temperature e flussi di massa. Questi fattori cambiano sia con le impostazioni del motore che con le condizioni ambientali (ad esempio, il gas pieno a bassa quota può essere molto diverso dal gas minimo ad alta quota).
• Emissioni ambientali. Esistono normative rigorose sulle emissioni di inquinanti degli aeromobili come l’anidride carbonica e gli ossidi di azoto, quindi i combustori devono essere progettati per ridurre al minimo tali emissioni. (Vedere la sezione Emissioni di seguito)

Fonti:

Storiaedit

I progressi nella tecnologia dei combustori si sono concentrati su diverse aree distinte; emissioni, campo operativo e durata. I primi motori a reazione producevano grandi quantità di fumo, quindi i primi progressi del combustore, negli anni ‘ 50, miravano a ridurre il fumo prodotto dal motore. Una volta che il fumo è stato essenzialmente eliminato, gli sforzi si sono rivolti negli 1970 per ridurre altre emissioni, come idrocarburi incombusti e monossido di carbonio (per maggiori dettagli, vedere la sezione Emissioni sotto). Gli anni 1970 videro anche un miglioramento nella durata del combustore, poiché i nuovi metodi di produzione migliorarono la durata del rivestimento (vedi Componenti sotto) di quasi 100 volte quella dei primi rivestimenti. Negli anni 1980 i combustori iniziarono a migliorare la loro efficienza su tutto il campo operativo; i combustori tendevano ad essere altamente efficienti (99%+) a piena potenza, ma quell’efficienza diminuiva a impostazioni più basse. Lo sviluppo in quel decennio ha migliorato l’efficienza a livelli inferiori. Gli anni 1990 e 2000 hanno visto una rinnovata attenzione alla riduzione delle emissioni, in particolare degli ossidi di azoto. La tecnologia del combustore è ancora attivamente ricercata ed avanzata e molta ricerca moderna si concentra sul miglioramento degli stessi aspetti.

ComponentsEdit

Case

Il case è il guscio esterno del combustore ed è una struttura abbastanza semplice. L’involucro richiede generalmente poca manutenzione. Il caso è protetto dai carichi termici dall’aria che scorre in esso, quindi le prestazioni termiche sono di preoccupazione limitata. Tuttavia, l’involucro funge da contenitore a pressione che deve sopportare la differenza tra le alte pressioni all’interno del combustore e la pressione inferiore all’esterno. Quel carico meccanico (piuttosto che termico) è un fattore di progettazione trainante nel caso.

Diffusore

Lo scopo del diffusore è quello di rallentare l’aria ad alta velocità, altamente compressa, dal compressore ad una velocità ottimale per il combustore. Ridurre la velocità si traduce in una perdita inevitabile della pressione totale, quindi una delle sfide progettuali è limitare la perdita di pressione il più possibile. Inoltre, il diffusore deve essere progettato in modo da limitare il più possibile la distorsione del flusso evitando effetti di flusso come la separazione dello strato limite. Come la maggior parte degli altri componenti del motore a turbina a gas, il diffusore è progettato per essere il più corto e leggero possibile.

Liner

Il liner contiene il processo di combustione e introduce i vari flussi d’aria (intermedi, diluizione e raffreddamento, vedi Percorsi del flusso d’aria sotto) nella zona di combustione. Il rivestimento deve essere progettato e costruito per resistere a cicli prolungati ad alta temperatura. Per questo motivo le fodere tendono ad essere fatte dalle superleghe come Hastelloy X. Inoltre, anche se le leghe di rendimento elevato sono usate, le fodere devono essere raffreddate con flusso d’aria. Alcuni combustori fanno anche uso di rivestimenti barriera termica. Tuttavia, il raffreddamento ad aria è ancora richiesto. In generale, ci sono due tipi principali di raffreddamento del rivestimento; raffreddamento del film e raffreddamento della traspirazione. Il raffreddamento del film funziona iniettando (con uno dei diversi metodi) aria fresca dall’esterno del rivestimento all’interno del rivestimento. Questo crea un sottile film di aria fredda che protegge il liner, riducendo la temperatura al liner da circa 1800 kelvin (K) a circa 830 K, per esempio. L’altro tipo di raffreddamento del rivestimento, il raffreddamento della traspirazione, è un approccio più moderno che utilizza un materiale poroso per il rivestimento. Il rivestimento poroso consente a una piccola quantità di aria di raffreddamento di passare attraverso di esso, fornendo vantaggi di raffreddamento simili al raffreddamento del film. Le due differenze principali sono nel profilo di temperatura risultante del rivestimento e nella quantità di aria di raffreddamento richiesta. Il raffreddamento della traspirazione si traduce in un profilo di temperatura molto più uniforme, poiché l’aria di raffreddamento viene introdotta uniformemente attraverso i pori. L’aria di raffreddamento del film viene generalmente introdotta attraverso lamelle o feritoie, risultando in un profilo irregolare in cui è più fresco alla lamella e più caldo tra le lamelle. Ancora più importante, il raffreddamento della traspirazione utilizza molta meno aria di raffreddamento (nell’ordine del 10% del flusso d’aria totale, piuttosto che 20-50% per il raffreddamento del film). L’utilizzo di meno aria per il raffreddamento consente di utilizzare di più per la combustione, che è sempre più importante per motori ad alte prestazioni e ad alta spinta.

Muso

Il muso è un’estensione della cupola (vedi sotto) che funge da separatore d’aria, separando l’aria primaria dai flussi d’aria secondari (intermedio, diluizione e aria di raffreddamento; vedi sezione Percorsi del flusso d’aria sotto).

Cupola / vortice

La cupola e il vortice sono la parte del combustore attraverso la quale scorre l’aria primaria (vedi Percorsi del flusso d’aria sotto) mentre entra nella zona di combustione. Il loro ruolo è quello di generare turbolenza nel flusso per mescolare rapidamente l’aria con il carburante. I primi combustori tendevano ad usare cupole bluff (piuttosto che vortici), che usavano una semplice piastra per creare turbolenza di scia per mescolare il carburante e l’aria. La maggior parte dei disegni moderni, tuttavia, sono stabilizzati a vortice (utilizzare vortici). Il vortice stabilisce una zona di bassa pressione locale che costringe alcuni dei prodotti della combustione a ricircolare, creando l’alta turbolenza. Tuttavia, maggiore è la turbolenza, maggiore sarà la perdita di pressione per il combustore, quindi la cupola e il vortice devono essere attentamente progettati in modo da non generare più turbolenza di quella necessaria per mescolare sufficientemente carburante e aria.

Iniettore di carburante

L’iniettore di carburante è responsabile dell’introduzione di carburante nella zona di combustione e, insieme al vortice (sopra), è responsabile della miscelazione del carburante e dell’aria. Ci sono quattro tipi primari di iniettori di carburante; pressione-atomizzazione, getto d’aria, vaporizzazione, e premiscela/prevaporizing iniettori. Pressione atomizzazione iniettori di carburante si basano su alte pressioni del carburante (fino a 3.400 kilopascal (500 psi)) per atomizzare il carburante. Questo tipo di iniettore di carburante ha il vantaggio di essere molto semplice, ma ha diversi svantaggi. Il sistema di alimentazione deve essere abbastanza robusto da resistere a pressioni così elevate e il carburante tende ad essere atomizzato in modo eterogeneo, con conseguente combustione incompleta o irregolare che ha più inquinanti e fumo.

Il secondo tipo di iniettore di carburante è il getto d’aria iniettore. Questo iniettore “fa esplodere” un foglio di carburante con un flusso d’aria, atomizzando il carburante in goccioline omogenee. Questo tipo di iniettore di carburante ha portato ai primi combustori senza fumo. L’aria utilizzata è solo la stessa quantità di aria primaria (vedi percorsi di flusso d’aria sotto) che viene deviata attraverso l’iniettore, piuttosto che il vortice. Questo tipo di iniettore richiede anche pressioni del carburante inferiori rispetto al tipo di atomizzazione a pressione.

L’iniettore di combustibile di vaporizzazione, il terzo tipo, è simile all’iniettore di scoppio dell’aria in quanto l’aria primaria è mescolata con il combustibile mentre è iniettata nella zona di combustione. Tuttavia, la miscela aria-carburante viaggia attraverso un tubo all’interno della zona di combustione. Il calore dalla zona di combustione viene trasferito alla miscela aria-carburante, vaporizzando parte del carburante (mescolandolo meglio) prima che venga bruciato. Questo metodo consente di bruciare il carburante con meno radiazioni termiche, che aiuta a proteggere il rivestimento. Tuttavia, il tubo del vaporizzatore può avere seri problemi di durata con un basso flusso di carburante al suo interno (il carburante all’interno del tubo protegge il tubo dal calore di combustione).

Gli iniettori premiscelanti/prevaporizzanti funzionano miscelando o vaporizzando il combustibile prima che raggiunga la zona di combustione. Questo metodo consente al carburante di essere miscelato in modo molto uniforme con l’aria, riducendo le emissioni dal motore. Uno svantaggio di questo metodo è che il carburante può accendersi o altrimenti bruciare prima che la miscela aria-carburante raggiunga la zona di combustione. Se ciò accade, il combustore può essere seriamente danneggiato.

Accenditore

La maggior parte degli accenditori nelle applicazioni a turbina a gas sono accenditori elettrici a scintilla, simili alle candele automobilistiche. L’accenditore deve essere nella zona di combustione dove il carburante e l’aria sono già mescolati, ma deve essere abbastanza lontano a monte in modo che non sia danneggiato dalla combustione stessa. Una volta che la combustione viene inizialmente avviata dall’accenditore, è autosufficiente e l’accenditore non viene più utilizzato. Nei combustori can-anulari e anulari (vedi Tipi di combustori sotto), la fiamma può propagarsi da una zona di combustione all’altra, quindi gli accenditori non sono necessari per ciascuno di essi. In alcuni sistemi vengono utilizzate tecniche di accensione-assist. Uno di questi metodi è l’iniezione di ossigeno, in cui l’ossigeno viene alimentato all’area di accensione, aiutando il carburante a bruciare facilmente. Ciò è particolarmente utile in alcune applicazioni degli aerei in cui il motore potrebbe dover riavviare ad alta quota.

Percorsi del flusso d’ariamodifica

Aria primaria

Questa è l’aria di combustione principale. È l’aria altamente compressa dal compressore ad alta pressione (spesso decelerata tramite il diffusore) che viene alimentata attraverso i canali principali nella cupola del combustore e la prima serie di fori di rivestimento. Questa aria viene mescolata con carburante e quindi bruciata.

Aria intermedia

L’aria intermedia è l’aria iniettata nella zona di combustione attraverso il secondo set di fori di rivestimento (l’aria primaria passa attraverso il primo set). Questa aria completa i processi di reazione, raffreddando l’aria e diluendo le alte concentrazioni di monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2).

Aria di diluizione

L’aria di diluizione è un flusso d’aria iniettato attraverso fori nel rivestimento all’estremità della camera di combustione per aiutare a raffreddare l’aria prima che raggiunga gli stadi della turbina. L’aria viene accuratamente utilizzata per produrre il profilo di temperatura uniforme desiderato nel combustore. Tuttavia, man mano che la tecnologia delle pale della turbina migliora, consentendo loro di resistere a temperature più elevate, l’aria di diluizione viene utilizzata meno, consentendo l’uso di più aria di combustione.

Aria di raffreddamento

L’aria di raffreddamento è il flusso d’aria che viene iniettato attraverso piccoli fori nel rivestimento per generare uno strato (film) di aria fredda per proteggere il rivestimento dalle temperature di combustione. L’implementazione dell’aria di raffreddamento deve essere attentamente progettata in modo che non interagisca direttamente con l’aria di combustione e il processo. In alcuni casi, fino al 50% dell’aria in ingresso viene utilizzato come aria di raffreddamento. Esistono diversi metodi per iniettare questa aria di raffreddamento e il metodo può influenzare il profilo di temperatura a cui è esposto il liner (vedi Liner, sopra).