Incineradora

O objetivo da incineradora em uma turbina a gás é adicionar energia ao sistema para a alimentação de turbinas e produzir um gás de alta velocidade para escape através do bocal em aplicações aeronáuticas. Como em qualquer desafio de engenharia, realizar isso requer equilibrar muitas considerações de design, tais como o seguinte:

• queima completamente o combustível. Caso contrário, o motor desperdiça o combustível não queimado e cria emissões indesejadas de hidrocarbonetos não queimados, monóxido de carbono (CO) e fuligem.
• perda de pressão baixa em todo o combustor. A turbina que o combustor alimenta precisa de fluxo de alta pressão para operar de forma eficiente.
• a chama (combustão) deve ser mantida (contida) no interior do combustor. Se a combustão acontece mais para trás no motor, os estágios da turbina pode facilmente ser superaquecido e danificado. Além disso, como as lâminas de turbina continuam a crescer mais avançadas e são capazes de suportar temperaturas mais altas, as combustoras estão sendo projetadas para queimar a temperaturas mais altas e as partes do combustor precisam ser projetadas para suportar essas temperaturas mais altas.
• deve ser capaz de reviver a alta altitude em caso de extinção de chama do motor.
• perfil uniforme de temperatura de saída. Se houver pontos quentes no fluxo de saída, a turbina pode ser submetida a tensão térmica ou outros tipos de danos. Da mesma forma, o perfil de temperatura dentro do combustor deve evitar pontos quentes, como aqueles podem danificar ou destruir um combustor a partir do interior.
• pequena dimensão física e peso. Espaço e peso é um prêmio em aplicações de aeronaves, então um combustor bem projetado se esforça para ser compacto. As aplicações não aeronáuticas, como as turbinas a gás geradoras de energia, não são tão limitadas por este factor.
• ampla gama de operações. A maioria das combustoras deve ser capaz de operar com uma variedade de pressões de entrada, temperaturas e fluxos de massa. Estes factores mudam tanto com as configurações do motor como com as condições ambientais (isto é, a velocidade máxima a baixa altitude pode ser muito diferente da velocidade de marcha lenta SEM carga a alta altitude).
• emissões ambientais. Existem regulamentos rigorosos sobre as emissões de poluentes das aeronaves, como dióxido de carbono e óxidos de azoto, pelo que é necessário projetar combustíveis para minimizar essas emissões. (Ver secção “emissões” infra))

fontes:

HistoryEdit

avanços na tecnologia combustor focados em várias áreas distintas; emissões, gama de operação e durabilidade. Os primeiros motores a jato produziram grandes quantidades de fumaça, então os primeiros avanços da combustor, na década de 1950, foram destinados a reduzir a fumaça produzida pelo motor. Uma vez que o fumo foi essencialmente eliminado, os esforços voltados na década de 1970 para reduzir outras emissões, como hidrocarbonetos não queimados e monóxido de carbono (para mais detalhes, ver a seção de emissões abaixo). A década de 1970 também viu melhoria na durabilidade combustor, como os novos métodos de fabricação melhoraram a vida útil do revestimento (ver Componentes abaixo) em quase 100 vezes a dos liners iniciais. Na década de 1980, os combustíveis começaram a melhorar a sua eficiência em toda a gama de operações; os combustíveis tendiam a ser altamente eficientes (99%+) em plena potência, mas essa eficiência caiu em ambientes mais baixos. O desenvolvimento ao longo dessa década melhorou a eficiência em níveis mais baixos. Nos anos 90 e 2000 assistiu-se a um novo enfoque na redução das emissões, em especial dos óxidos de azoto. A tecnologia Combustor ainda está sendo ativamente pesquisada e avançada, e muita pesquisa moderna se concentra em melhorar os mesmos aspectos.

ComponentsEdit

Case

the case is the outer shell of the combustor, and is a fairly simple structure. O invólucro geralmente requer pouca manutenção. O caso é protegido de cargas térmicas pelo ar que flui nele, de modo que o desempenho térmico é de preocupação limitada. No entanto, o invólucro serve como um recipiente de pressão que deve suportar a diferença entre as altas pressões no interior do combustor e a menor pressão no exterior. Essa carga mecânica (em vez de térmica) é um fator de projeto de condução no caso.

Difusor

o objectivo do difusor é abrandar a alta velocidade, ar altamente comprimido, do compressor para uma velocidade óptima para o combustor. Reduzir a velocidade resulta em uma perda inevitável na pressão total, então um dos desafios de projeto é limitar a perda de pressão tanto quanto possível. Além disso, o difusor deve ser concebido para limitar tanto quanto possível a distorção do fluxo, evitando efeitos de fluxo como a separação da camada limite. Como a maioria dos outros componentes do motor de turbina a gás, o difusor é projetado para ser tão curto e leve quanto possível.

revestimento

o revestimento contém o processo de combustão e introduz as várias entradas de ar (intermédia, de diluição e de arrefecimento, ver Caminhos de fluxo de ar abaixo) na zona de combustão. O invólucro deve ser concebido e construído de modo a suportar ciclos de alta temperatura prolongados. Por essa razão, os revestimentos tendem a ser feitos de superalloys como Hastelloy X. Além disso, mesmo que Ligas de alto desempenho são usados, os revestimentos devem ser refrigerados com fluxo de ar. Alguns combustíveis também fazem uso de revestimentos de barreira térmica. No entanto, o arrefecimento por ar ainda é necessário. Em geral, existem dois tipos principais de arrefecimento do revestimento; arrefecimento por película e arrefecimento por transpiração. O arrefecimento por película funciona através da injecção (por um dos vários métodos) de ar fresco do exterior do revestimento para o interior do revestimento. Isto cria uma película fina de ar fresco que protege o revestimento, reduzindo a temperatura no revestimento de cerca de 1800 kelvins (K) para cerca de 830 K, por exemplo. O outro tipo de resfriamento de revestimento, resfriamento transpiração, é uma abordagem mais moderna que usa um material poroso para o revestimento. O revestimento poroso permite que uma pequena quantidade de ar de resfriamento passe por ele, proporcionando benefícios de resfriamento semelhante ao resfriamento de filmes. As duas principais diferenças estão no perfil de temperatura resultante do invólucro e na quantidade de ar de arrefecimento necessária. Resfriamento de transpiração resulta em um perfil de temperatura muito mais uniforme, como o ar de resfriamento é uniformemente introduzido através de poros. O ar de resfriamento de filme é geralmente introduzido através de ripas ou válvulas, resultando em um perfil desigual onde é mais frio na camada e mais quente entre as ripas. Mais importante, o resfriamento transpiração usa muito menos ar de resfriamento (na ordem de 10% do fluxo total de ar, em vez de 20-50% para resfriamento de filme). O uso de menos ar para resfriamento permite que mais seja usado para a combustão, o que é cada vez mais importante para motores de alta potência.

Snout

o snout é uma extensão da cúpula (ver abaixo) que actua como divisor de ar, separando o ar primário dos fluxos de ar secundários (intermediário, diluição e ar de arrefecimento; ver as vias de escoamento do ar abaixo).

Dome / swirler

a cúpula e o swirler são a parte do combustor que o ar primário (ver Caminhos de fluxo de ar abaixo) flui ao entrar na zona de combustão. Seu papel é gerar turbulência no fluxo para misturar rapidamente o ar com combustível. As primeiras combustoras tendiam a usar cúpulas de corpo blefado (ao invés de giradores), que usavam uma placa simples para criar turbulência para misturar o combustível e o ar. A maioria dos projetos modernos, no entanto, são redemoinhos estabilizados (usar giradores). O swirler estabelece uma zona de baixa pressão local que obriga alguns dos produtos de combustão a recircular, criando a alta turbulência. No entanto, quanto maior a turbulência, maior a perda de pressão será para o combustor, de modo que a cúpula e girador devem ser cuidadosamente projetados de modo a não gerar mais turbulência do que é necessário para misturar suficientemente o combustível e o ar.

injetor de Combustível

O injetor de combustível é responsável pela introdução de combustível para a zona de combustão e, juntamente com o swirler (acima), é responsável para a mistura de combustível e ar. Há quatro tipos primários de injetores de combustível; pressure-atomizing, air blast, vaporizing, and premix/prevaporizing injectors. Pressão atomizando injetores de combustível dependem de altas pressões de combustível (até 3.400 kilopascais (500 psi)) para atomizar o combustível. Este tipo de injector de combustível tem a vantagem de ser muito simples, mas tem várias desvantagens. O sistema de combustível deve ser suficientemente robusto para resistir a pressões tão elevadas, e o combustível tende a ser heterogeneamente atomizado, resultando em combustão incompleta ou desigual, que tem mais poluentes e fumaça.

o segundo tipo de injector de combustível é o injector de explosão de ar. Este injector “blasts” uma folha de combustível com um fluxo de ar, atomizando o combustível em gotículas homogêneas. Este tipo de injector de combustível levou à primeira combustão sem fumo. O ar usado é apenas a mesma quantidade do ar primário (ver Caminhos de fluxo de ar abaixo) que é desviado através do injector, em vez do girador. Este tipo de injetor também requer pressões de combustível mais baixas do que o tipo de atomização de pressão.

o injetor de combustível vaporizado, o terceiro tipo, é semelhante ao injetor de explosão de ar em que o ar primário é misturado com o combustível como ele é injetado na zona de combustão. No entanto, a mistura ar-combustível viaja através de um tubo dentro da zona de combustão. O calor da zona de combustão é transferido para a mistura combustível-ar, vaporizando parte do combustível (misturando-o melhor) antes de ser queimado. Este método permite que o combustível seja queimado com menos radiação térmica, o que ajuda a proteger o revestimento. No entanto, o tubo de vaporizador pode ter graves problemas de durabilidade com baixo fluxo de combustível dentro dele (o combustível dentro do tubo protege o tubo do calor de combustão).

os injectores de pré-mistura/prevaporização funcionam misturando ou vaporizando o combustível antes de chegar à zona de combustão. Este método permite que o combustível seja uniformemente misturado com o ar, reduzindo as emissões do motor. Uma desvantagem deste método é que o combustível pode auto-inflamar ou de outra forma combustão antes da mistura combustível-ar atinge a zona de combustão. Se isso acontecer, o combustor pode ser seriamente danificado.

Igniter

a maioria dos ignitores em aplicações de turbinas a gás são ignitores de faísca elétricos, semelhantes a velas de ignição automotiva. O dispositivo de ignição tem de estar na zona de combustão onde o combustível e o ar já estão misturados, mas tem de estar suficientemente a montante para não ser danificado pela própria combustão. Uma vez que a combustão é inicialmente iniciada pelo ignitor, ele é auto-sustentável e o igniter não é mais usado. Em combustíveis can-annulares e anulares (ver tipos de combustíveis abaixo), a chama pode propagar-se de uma zona de combustão para outra, de modo que os ignidores não são necessários em cada uma. Em alguns sistemas são utilizadas técnicas de assistência à ignição. Um desses métodos é a injeção de oxigênio, onde o oxigênio é alimentado para a área de ignição, ajudando o combustível facilmente combustão. Isto é particularmente útil em algumas aplicações de aeronaves onde o motor pode ter que reiniciar a alta altitude.

air flow pathsEdit

Primary air

This is the main combustion air. É ar altamente comprimido a partir do compressor de alta pressão (muitas vezes desacelerado através do difusor) que é alimentado através dos canais principais na Cúpula do combustor e o primeiro conjunto de orifícios de revestimento. Este ar é misturado com combustível, e depois queimado.O ar intermediário é o ar injectado na zona de combustão através do segundo conjunto de orifícios (o ar primário passa pelo primeiro conjunto). Este Ar completa os processos de reação, esfriando o ar para baixo e diluindo as altas concentrações de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2).O ar de diluição

o ar de diluição

é o fluxo de ar injectado através de furos no revestimento na extremidade da câmara de combustão para ajudar a arrefecer o ar antes de atingir as fases da turbina. O ar é cuidadosamente utilizado para produzir o perfil de temperatura uniforme desejado no combustor. No entanto, à medida que a tecnologia da lâmina de turbina melhora, permitindo-lhes suportar temperaturas mais elevadas, o ar de diluição é usado menos, permitindo o uso de mais Ar de combustão.

Ar De Resfriamento

ar de resfriamento é o fluxo de ar que é injetado através de pequenos buracos no revestimento para gerar uma camada (filme) de ar fresco para proteger o revestimento das temperaturas de combustão. A implementação do ar de arrefecimento tem de ser cuidadosamente concebida para não interagir directamente com o ar de combustão e o processo. Em alguns casos, até 50% do ar de entrada é usado como ar de resfriamento. Existem vários métodos diferentes de injectar este ar de arrefecimento, e o método pode influenciar o perfil de temperatura a que o revestimento é exposto (ver revestimento, acima).