غرفة الاحتراق

غرفة الاحتراق هي أحد مكونات أو مناطق التوربينات الغازية أو المحركات النفاثة أو محركات سكرامجت حيث يحدث الاحتراق . وتُعرف أيضًا باسم الموقد أو علبة الموقد أو غرفة الاحتراق أو حامل اللهب . في محرك التوربينات الغازية، يتم تغذية غرفة الاحتراق أو غرفة الاحتراق بالهواء عالي الضغط بواسطة نظام الضغط. ثم يقوم غرفة الاحتراق بتسخين هذا الهواء عند ضغط ثابت أثناء احتراق خليط الوقود/الهواء. وبينما يحترق، يسخن خليط الوقود/الهواء ويتمدد بسرعة. ويتم إخراج الخليط المحروق من غرفة الاحتراق عبر ريش توجيه الفوهة إلى التوربين. وفي حالة محركات الكرامجت أو سكرامجت، يتم تغذية العادم مباشرة من خلال الفوهة.

يجب أن يحتوي الاحتراق ويحافظ على الاحتراق المستقر على الرغم من معدلات تدفق الهواء المرتفعة للغاية. للقيام بذلك، يتم تصميم غرف الاحتراق بعناية لخلط وإشعال الهواء والوقود أولاً، ثم خلط المزيد من الهواء لإكمال عملية الاحتراق. استخدمت محركات التوربينات الغازية المبكرة غرفة واحدة تُعرف باسم غرفة الاحتراق من النوع العلبة. توجد اليوم ثلاثة تكوينات رئيسية: العلبة والحلقة والقنية (يشار إليها أيضًا باسم الأنبوب الحلقي القنينة). غالبًا ما تُعتبر الحارقات اللاحقة نوعًا آخر من غرف الاحتراق.

تلعب غرف الاحتراق دورًا حاسمًا في تحديد العديد من خصائص تشغيل المحرك، مثل كفاءة الوقود ، ومستويات الانبعاثات، والاستجابة المؤقتة (الاستجابة للظروف المتغيرة مثل تدفق الوقود وسرعة الهواء).

الهدف من غرفة الاحتراق في التوربينات الغازية هو إضافة الطاقة إلى النظام لتشغيل التوربينات ، وإنتاج غاز عالي السرعة لإخراجه من خلال الفوهة في تطبيقات الطائرات. وكما هو الحال مع أي تحدٍ هندسي، فإن تحقيق ذلك يتطلب موازنة العديد من الاعتبارات التصميمية، مثل ما يلي:

• احرق الوقود بالكامل وإلا فإن المحرك يهدر الوقود غير المحترق ويخلق انبعاثات غير مرغوب فيها من الهيدروكربونات غير المحترقة وأول أكسيد الكربون والسخام.
• انخفاض فقدان الضغط عبر غرفة الاحتراق. تحتاج التوربينات التي تغذي غرفة الاحتراق إلى تدفق عالي الضغط للعمل بكفاءة.
• يجب أن يتم احتواء اللهب (الاحتراق) داخل غرفة الاحتراق. إذا حدث الاحتراق في الجزء الخلفي من المحرك، يمكن أن تسخن مراحل التوربين بسهولة وتتلف. بالإضافة إلى ذلك، مع استمرار تطور شفرات التوربينات وقدرتها على تحمل درجات حرارة أعلى، يتم تصميم غرف الاحتراق للاحتراق عند درجات حرارة أعلى ويجب تصميم أجزاء غرفة الاحتراق لتحمل درجات الحرارة الأعلى هذه.
• يجب أن تكون قادرة على إعادة الإشعال على ارتفاعات عالية في حالة انطفاء شعلة المحرك.
• ملف تعريف درجة الحرارة الموحدة عند الخروج. إذا كانت هناك نقاط ساخنة في تدفق الخروج، فقد يتعرض التوربين لإجهاد حراري أو أنواع أخرى من الضرر. وبالمثل، يجب أن يتجنب ملف تعريف درجة الحرارة داخل غرفة الاحتراق النقاط الساخنة، حيث يمكن أن تتسبب في إتلاف أو تدمير غرفة الاحتراق من الداخل.
• الحجم المادي الصغير والوزن الصغير. المساحة والوزن من أهم العوامل في تطبيقات الطائرات، لذا فإن غرفة الاحتراق المصممة جيدًا تسعى إلى أن تكون صغيرة الحجم. أما التطبيقات غير المتعلقة بالطائرات، مثل توربينات الغاز المولدة للطاقة، فلا تخضع لهذا العامل.
• نطاق واسع من التشغيل. يجب أن تكون معظم غرف الاحتراق قادرة على العمل بمجموعة متنوعة من ضغوط المدخل ودرجات الحرارة وتدفقات الكتلة. تتغير هذه العوامل مع إعدادات المحرك والظروف البيئية (على سبيل المثال، يمكن أن يكون الخانق الكامل على ارتفاع منخفض مختلفًا تمامًا عن الخانق الخامل على ارتفاعات عالية).
• الانبعاثات البيئية. هناك قواعد صارمة فيما يتعلق بانبعاثات الملوثات مثل ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين من الطائرات، لذا يجب تصميم غرف الاحتراق لتقليل هذه الانبعاثات إلى الحد الأدنى. (انظر قسم الانبعاثات أدناه)

المصادر: ^{[1] [2]}

ركزت التطورات في تكنولوجيا الاحتراق على عدة مجالات متميزة؛ الانبعاثات ونطاق التشغيل والمتانة. أنتجت المحركات النفاثة المبكرة كميات كبيرة من الدخان، لذا كان هدف التطورات المبكرة في الاحتراق، في الخمسينيات من القرن الماضي، هو تقليل الدخان الناتج عن المحرك. بمجرد القضاء على الدخان بشكل أساسي، تحولت الجهود في السبعينيات إلى تقليل الانبعاثات الأخرى، مثل الهيدروكربونات غير المحترقة وأول أكسيد الكربون (لمزيد من التفاصيل، انظر قسم الانبعاثات أدناه). شهدت السبعينيات أيضًا تحسنًا في متانة الاحتراق، حيث أدت طرق التصنيع الجديدة إلى تحسين عمر البطانة (انظر المكونات أدناه) بنحو 100 مرة من عمر البطانة المبكرة. في الثمانينيات، بدأت الاحتراقات في تحسين كفاءتها عبر نطاق التشغيل بالكامل؛ كانت الاحتراقات تميل إلى أن تكون عالية الكفاءة (99٪ +) عند الطاقة الكاملة، لكن هذه الكفاءة انخفضت عند الإعدادات المنخفضة. أدى التطوير على مدار ذلك العقد إلى تحسين الكفاءة عند مستويات أقل. شهد التسعينيات والعقد الأول من القرن الحادي والعشرين تركيزًا متجددًا على تقليل الانبعاثات، وخاصة أكاسيد النيتروجين . لا تزال تقنية الاحتراق قيد البحث والتطوير بشكل نشط، ويركز الكثير من الأبحاث الحديثة على تحسين نفس الجوانب. ^[3]

قضية

العلبة هي الغلاف الخارجي لغرفة الاحتراق، وهي عبارة عن بنية بسيطة إلى حد ما. تتطلب العلبة عمومًا القليل من الصيانة. ^[4] العلبة محمية من الأحمال الحرارية بواسطة الهواء المتدفق فيها، لذا فإن الأداء الحراري لا يشكل أهمية كبيرة. ومع ذلك، تعمل العلبة كوعاء ضغط يجب أن يتحمل الفرق بين الضغوط العالية داخل غرفة الاحتراق والضغط المنخفض خارجها. هذا الحمل الميكانيكي (وليس الحراري) هو عامل تصميم محرك في العلبة. ^[5]

الناشر

الغرض من الناشر هو إبطاء الهواء عالي السرعة والمضغوط بشدة من الضاغط إلى سرعة مثالية لغرفة الاحتراق. يؤدي تقليل السرعة إلى خسارة لا مفر منها في الضغط الكلي، لذا فإن أحد تحديات التصميم هو الحد من فقدان الضغط قدر الإمكان. ^[6] علاوة على ذلك، يجب تصميم الناشر للحد من تشوه التدفق قدر الإمكان عن طريق تجنب تأثيرات التدفق مثل فصل الطبقة الحدودية . مثل معظم مكونات محرك التوربينات الغازية الأخرى، تم تصميم الناشر ليكون قصيرًا وخفيفًا قدر الإمكان. ^[7]

بطانة

تحتوي البطانة على عملية الاحتراق وتدخل تدفقات الهواء المختلفة (الوسيطة والتخفيف والتبريد، انظر مسارات تدفق الهواء أدناه) إلى منطقة الاحتراق. يجب تصميم البطانة وبناؤها لتحمل دورات درجات الحرارة العالية الممتدة. لهذا السبب تميل البطانات إلى أن تكون مصنوعة من سبائك فائقة مثل Hastelloy X. علاوة على ذلك، على الرغم من استخدام سبائك عالية الأداء، يجب تبريد البطانات بتدفق الهواء. ^[8] تستخدم بعض غرف الاحتراق أيضًا طلاءات الحاجز الحراري . ومع ذلك، لا يزال تبريد الهواء مطلوبًا. بشكل عام، هناك نوعان رئيسيان من تبريد البطانة؛ تبريد الفيلم وتبريد النتح. يعمل تبريد الفيلم عن طريق حقن (بإحدى الطرق العديدة) الهواء البارد من خارج البطانة إلى داخل البطانة مباشرةً. يؤدي هذا إلى إنشاء طبقة رقيقة من الهواء البارد تحمي البطانة، مما يقلل درجة الحرارة في البطانة من حوالي 1800 كلفن (ك) إلى حوالي 830 كلفن، على سبيل المثال. النوع الآخر من تبريد البطانة، تبريد النتح، هو نهج أكثر حداثة يستخدم مادة مسامية للبطانة. تسمح البطانة المسامية بمرور كمية صغيرة من هواء التبريد من خلالها، مما يوفر فوائد تبريد مماثلة لتبريد الفيلم. يكمن الاختلافان الأساسيان في ملف درجة الحرارة الناتج عن البطانة وكمية هواء التبريد المطلوبة. يؤدي تبريد النتح إلى ملف درجة حرارة أكثر توازناً، حيث يتم إدخال هواء التبريد بشكل موحد من خلال المسام. يتم إدخال هواء تبريد الفيلم بشكل عام من خلال الشرائح أو الفتحات، مما يؤدي إلى ملف غير متساوٍ حيث يكون أكثر برودة عند الشريحة وأكثر دفئًا بين الشرائح. والأهم من ذلك، يستخدم تبريد النتح هواء تبريد أقل بكثير (في حدود 10٪ من إجمالي تدفق الهواء، بدلاً من 20-50٪ لتبريد الفيلم). يسمح استخدام هواء أقل للتبريد باستخدام المزيد للاحتراق، وهو أمر أكثر أهمية للمحركات عالية الأداء وعالية الدفع. ^{[9] [10]}

خطم

الخطم هو امتداد للقبة (انظر أدناه) يعمل كمقسم هواء، يفصل الهواء الأساسي عن تدفقات الهواء الثانوية (الهواء المتوسط، والتخفيف، والتبريد؛ انظر قسم مسارات تدفق الهواء أدناه). ^[11]

قبة /دوامة

القبة والدوامة هما جزء من غرفة الاحتراق يتدفق من خلاله الهواء الأساسي (انظر مسارات تدفق الهواء أدناه) عند دخوله منطقة الاحتراق. ويتمثل دورهما في توليد اضطراب في التدفق لخلط الهواء بالوقود بسرعة. ^[8] كانت غرف الاحتراق المبكرة تميل إلى استخدام قباب الجسم المخادعة (بدلاً من الدوامات)، والتي تستخدم لوحة بسيطة لإنشاء اضطراب أعقاب لخلط الوقود والهواء. ومع ذلك، فإن معظم التصميمات الحديثة مثبتة بالدوامات (استخدم الدوامات). تنشئ الدوامة منطقة ضغط منخفض محلية تجبر بعض منتجات الاحتراق على إعادة الدوران، مما يخلق اضطرابًا عاليًا. ^[11] ومع ذلك، كلما زاد الاضطراب، زاد فقدان الضغط لغرفة الاحتراق، لذلك يجب تصميم القبة والدوامة بعناية حتى لا تولد اضطرابًا أكثر مما هو مطلوب لخلط الوقود والهواء بشكل كافٍ. ^[12]

حاقن الوقود

حاقن الوقود مسؤول عن إدخال الوقود إلى منطقة الاحتراق، وهو مسؤول مع الدوامة (أعلاه) عن خلط الوقود والهواء. هناك أربعة أنواع أساسية من حاقنات الوقود؛ حاقنات التبخير بالضغط، وحاقنات النفخ الهوائي، وحاقنات التبخير المسبق، وحاقنات الخلط المسبق/التبخير المسبق. ^[8] تعتمد حاقنات التبخير بالضغط على ضغوط وقود عالية (تصل إلى 3400 كيلو باسكال (500 رطل/بوصة مربعة)) لذرّ ^{[nb 1]} الوقود. يتميز هذا النوع من حاقن الوقود بكونه بسيطًا للغاية، ولكنه يعاني من عدة عيوب. يجب أن يكون نظام الوقود قويًا بما يكفي لتحمل مثل هذه الضغوط العالية، ويميل الوقود إلى التذرير بشكل غير متجانس ، مما يؤدي إلى احتراق غير كامل أو غير متساوٍ يحتوي على المزيد من الملوثات والدخان. ^{[13] [14]}

النوع الثاني من حاقنات الوقود هو حاقن الهواء المضغوط. يقوم هذا الحاقن "بنفخ" طبقة من الوقود بتيار من الهواء، مما يؤدي إلى تفتيت الوقود إلى قطرات متجانسة. أدى هذا النوع من حاقنات الوقود إلى ظهور أول أجهزة الاحتراق الخالية من الدخان. الهواء المستخدم هو مجرد جزء من الهواء الأساسي (انظر مسارات تدفق الهواء أدناه) الذي يتم تحويله عبر الحاقن، وليس الدوامة. يتطلب هذا النوع من الحاقن أيضًا ضغوط وقود أقل من النوع الذي يتم تفتيته بالضغط. ^[14]

إن حاقن الوقود المتبخر، وهو النوع الثالث، يشبه حاقن الهواء في أن الهواء الأساسي يختلط بالوقود أثناء حقنه في منطقة الاحتراق. ومع ذلك، فإن خليط الوقود والهواء يسافر عبر أنبوب داخل منطقة الاحتراق. تنتقل الحرارة من منطقة الاحتراق إلى خليط الوقود والهواء، مما يؤدي إلى تبخير بعض الوقود (خلطه بشكل أفضل) قبل احتراقه. تسمح هذه الطريقة باحتراق الوقود بإشعاع حراري أقل ، مما يساعد على حماية البطانة. ومع ذلك، قد يعاني أنبوب المبخر من مشاكل متانة خطيرة مع انخفاض تدفق الوقود داخله (يحمي الوقود الموجود داخل الأنبوب الأنبوب من حرارة الاحتراق). ^[15]

تعمل حاقنات الخلط المسبق/التبخير المسبق عن طريق خلط أو تبخير الوقود قبل وصوله إلى منطقة الاحتراق. تسمح هذه الطريقة بخلط الوقود بشكل موحد للغاية مع الهواء، مما يقلل من الانبعاثات من المحرك. أحد عيوب هذه الطريقة هو أن الوقود قد يشتعل تلقائيًا أو يحترق بطريقة أخرى قبل وصول خليط الوقود والهواء إلى منطقة الاحتراق. إذا حدث هذا، فقد يتعرض جهاز الاحتراق لتلف خطير. ^[16]

أنبوب

معظم أجهزة الإشعال في تطبيقات توربينات الغاز عبارة عن أجهزة إشعال شرارة كهربائية، تشبه شمعات الإشعال في السيارات . يجب أن يكون جهاز الإشعال في منطقة الاحتراق حيث يختلط الوقود والهواء بالفعل، ولكن يجب أن يكون بعيدًا بما يكفي عن المنبع حتى لا يتلف بسبب الاحتراق نفسه. بمجرد بدء الاحتراق في البداية بواسطة جهاز الإشعال، فإنه يصبح مكتفيًا ذاتيًا، ولا يتم استخدام جهاز الإشعال بعد الآن. ^[17] في أجهزة الاحتراق الحلقية والحلقية (انظر أنواع أجهزة الاحتراق أدناه)، يمكن أن ينتشر اللهب من منطقة احتراق إلى أخرى، لذلك لا تكون هناك حاجة إلى أجهزة الإشعال في كل منها. في بعض الأنظمة، تُستخدم تقنيات مساعدة الإشعال. إحدى هذه الطرق هي حقن الأكسجين، حيث يتم تغذية الأكسجين إلى منطقة الاحتراق، مما يساعد الوقود على الاحتراق بسهولة. هذا مفيد بشكل خاص في بعض تطبيقات الطائرات حيث قد يتعين على المحرك إعادة التشغيل على ارتفاعات عالية. ^[18]

الهواء الأساسي

هذا هو هواء الاحتراق الرئيسي. وهو عبارة عن هواء مضغوط للغاية من ضاغط الضغط العالي (غالبًا ما يتم إبطاؤه عبر الناشر) والذي يتم تغذيته عبر القنوات الرئيسية في قبة غرفة الاحتراق ومجموعة الفتحات الأولى. يختلط هذا الهواء بالوقود، ثم يتم احتراقه. ^[19]

هواء متوسط

الهواء الوسيط هو الهواء الذي يتم حقنه في منطقة الاحتراق من خلال المجموعة الثانية من فتحات البطانة (يمر الهواء الأساسي عبر المجموعة الأولى). يكمل هذا الهواء عمليات التفاعل، ويخفف من التركيزات العالية من أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروجين (H ₂ )، ^[20] ويساعد أيضًا في تبريد الغازات الناتجة عن الاحتراق.

تخفيف الهواء

الهواء المخفف هو الهواء الذي يتم حقنه من خلال فتحات في البطانة في نهاية غرفة الاحتراق لتبريد غاز المداخن قبل وصوله إلى التوربينات. يتم استخدام الهواء بعناية لإنتاج ملف تعريف درجة الحرارة الموحد المطلوب في غرفة الاحتراق. ومع ذلك، مع تحسن تكنولوجيا شفرات التوربينات، مما يسمح لها بتحمل درجات حرارة أعلى، يتم استخدام هواء التخفيف بشكل أقل، مما يسمح باستخدام المزيد من هواء الاحتراق. ^[20]

تبريد الهواء

الهواء المبرد هو الهواء الذي يتم حقنه من خلال فتحات صغيرة في البطانة لتوليد طبقة (فيلم) من الهواء البارد لحماية البطانة من درجات حرارة الاحتراق. يجب تصميم تنفيذ هواء التبريد بعناية حتى لا يتفاعل بشكل مباشر مع هواء الاحتراق والعملية. في بعض الحالات، يتم استخدام ما يصل إلى 50٪ من الهواء الداخل كهواء تبريد. هناك عدة طرق مختلفة لحقن هواء التبريد هذا، ويمكن أن تؤثر الطريقة على ملف تعريف درجة الحرارة الذي تتعرض له البطانة (انظر البطانة ، أعلاه). ^[21]

تتكون غرف احتراق العلب من غرف احتراق أسطوانية مكتفية ذاتيًا. تحتوي كل "علبة" على حاقن وقود خاص بها، ومشعل، وبطانة، وغلاف. ^[22] يتم توجيه الهواء الأساسي من الضاغط إلى كل علبة على حدة، حيث يتم إبطاؤه وخلطه بالوقود، ثم إشعاله. يأتي الهواء الثانوي أيضًا من الضاغط، حيث يتم تغذيته خارج البطانة (حيث يحدث الاحتراق داخلها). ثم يتم تغذية الهواء الثانوي، عادةً من خلال الشقوق في البطانة، إلى منطقة الاحتراق لتبريد البطانة عبر تبريد الغشاء الرقيق. ^[23]

في معظم التطبيقات، يتم ترتيب عدة علب حول المحور المركزي للمحرك، ويتم تغذية العادم المشترك بينها إلى التوربينات. كانت غرف الاحتراق من النوع العلب الأكثر استخدامًا في محركات التوربينات الغازية المبكرة، نظرًا لسهولة تصميمها واختبارها (يمكن للمرء اختبار علبة واحدة، بدلاً من الاضطرار إلى اختبار النظام بأكمله). غرف الاحتراق من النوع العلب سهلة الصيانة، حيث يلزم إزالة علبة واحدة فقط، بدلاً من قسم الاحتراق بأكمله. لا تستخدم معظم محركات التوربينات الغازية الحديثة (خاصة لتطبيقات الطائرات) غرف الاحتراق العلب، حيث غالبًا ما تكون أثقل من البدائل. بالإضافة إلى ذلك، يكون انخفاض الضغط عبر العلبة أعلى عمومًا من غرف الاحتراق الأخرى (في حدود 7٪). معظم المحركات الحديثة التي تستخدم غرف الاحتراق العلب هي أعمدة توربينية تتميز بضواغط طرد مركزي . ^{[24] [25]}

النوع التالي من غرف الاحتراق هو غرفة الاحتراق "الحلقية العلب" ^[26] . مثل غرفة الاحتراق من النوع العلب، تحتوي غرف الاحتراق الحلقية العلب على مناطق احتراق منفصلة موجودة في بطانات منفصلة مع حاقنات الوقود الخاصة بها. على عكس غرفة الاحتراق العلب، تشترك جميع مناطق الاحتراق في غلاف حلقي مشترك. لم يعد يتعين على كل منطقة احتراق أن تعمل كوعاء ضغط. ^[27] يمكن لمناطق الاحتراق أيضًا "التواصل" مع بعضها البعض عبر فتحات البطانة أو أنابيب التوصيل التي تسمح لبعض الهواء بالتدفق بشكل محيطي. يتميز تدفق الخروج من غرفة الاحتراق الحلقية العلب بشكل عام بملف درجة حرارة أكثر اتساقًا، وهو أفضل لقسم التوربين. كما أنه يزيل الحاجة إلى أن يكون لكل غرفة مشعل خاص بها. بمجرد إشعال النار في علبة أو اثنتين، يمكن أن تنتشر بسهولة إلى العلب الأخرى وتشعلها. هذا النوع من غرف الاحتراق أخف وزنًا أيضًا من النوع ذي العلبة، كما أن انخفاض الضغط به أقل (في حدود 6%). ومع ذلك، قد يكون من الصعب صيانة غرفة الاحتراق ذات الحلقة العلب أكثر من غرفة الاحتراق ذات العلبة. ^[28] تشمل أمثلة محركات التوربينات الغازية التي تستخدم غرفة احتراق ذات حلقة علب محرك نفاث جيه 79 من جنرال إلكتريك ومحركات توربينية مروحية جيه تي 8 دي من برات آند ويتني ورولز رويس تاي . ^[29]

النوع الأخير والأكثر استخدامًا من غرف الاحتراق هو غرفة الاحتراق الحلقية بالكامل. تتخلص غرف الاحتراق الحلقية من مناطق الاحتراق المنفصلة وتحتوي ببساطة على بطانة وغلاف مستمرين في حلقة (الحلقة). هناك العديد من المزايا لغرف الاحتراق الحلقية، بما في ذلك الاحتراق الأكثر تجانسًا، والحجم الأقصر (وبالتالي أخف وزنًا)، ومساحة سطح أقل. ^{[30] [31]} بالإضافة إلى ذلك، تميل غرف الاحتراق الحلقية إلى الحصول على درجات حرارة خروج موحدة للغاية. كما أن لديها أقل انخفاض للضغط من بين التصميمات الثلاثة (في حدود 5٪). ^[32] التصميم الحلقي أبسط أيضًا، على الرغم من أن الاختبار يتطلب عمومًا جهاز اختبار بالحجم الكامل. المحرك الذي يستخدم غرفة احتراق حلقية هو CFM International CFM56 . تستخدم جميع محركات التوربينات الغازية الحديثة تقريبًا غرف احتراق حلقية؛ وبالمثل، تركز معظم أبحاث وتطوير غرف الاحتراق على تحسين هذا النوع.

أحد الاختلافات في غرفة الاحتراق الحلقية القياسية هو غرفة الاحتراق الحلقية المزدوجة (DAC). مثل غرفة الاحتراق الحلقية، فإن غرفة الاحتراق الحلقية المزدوجة عبارة عن حلقة مستمرة بدون مناطق احتراق منفصلة حول نصف القطر. والفرق هو أن غرفة الاحتراق بها منطقتان للاحتراق حول الحلقة؛ منطقة تجريبية ومنطقة رئيسية. تعمل منطقة التجريبية مثل غرفة الاحتراق الحلقية الفردية، وهي المنطقة الوحيدة التي تعمل بمستويات طاقة منخفضة. عند مستويات الطاقة العالية، تُستخدم المنطقة الرئيسية أيضًا، مما يزيد من تدفق الهواء والكتلة عبر غرفة الاحتراق. يركز تنفيذ شركة جنرال إلكتريك لهذا النوع من غرف الاحتراق على تقليل انبعاثات أكسيد النيتروجين _وثاني أكسيد الكربون _. ^[33] يتوفر رسم تخطيطي جيد لغرفة الاحتراق الحلقية المزدوجة من جامعة بيرديو. وبتوسيع نفس مبادئ غرفة الاحتراق الحلقية المزدوجة، تم اقتراح غرف احتراق ثلاثية و"حلقية متعددة" وحتى براءات اختراع. ^{[34] [35]}

يعد تقليل الانبعاثات أحد العوامل المحركة لتصميم توربينات الغاز الحديثة، ويُعد الموقد هو المساهم الأساسي في انبعاثات توربينات الغاز. بشكل عام، هناك خمسة أنواع رئيسية من الانبعاثات من محركات توربينات الغاز: الدخان وثاني أكسيد الكربون (CO ₂ ) وأول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات غير المحترقة (UHC) وأكاسيد النيتروجين (NO _x ). ^{[36] [37]}

يتم تخفيف الدخان بشكل أساسي عن طريق خلط الوقود بالهواء بشكل أكثر توازناً. وكما تمت مناقشته في قسم حاقن الوقود أعلاه، فإن حاقنات الوقود الحديثة (مثل حاقنات الوقود ذات الدفع الهوائي) توزع الوقود بالتساوي وتزيل الجيوب المحلية من تركيز الوقود العالي. تستخدم معظم المحركات الحديثة هذه الأنواع من حاقنات الوقود وهي خالية من الدخان بشكل أساسي. ^[36]

يعد ثاني أكسيد الكربون أحد منتجات عملية الاحتراق ، ويتم التخفيف منه في المقام الأول عن طريق تقليل استخدام الوقود. في المتوسط، ينتج عن حرق 1 كجم من وقود الطائرات 3.2 كجم من ثاني أكسيد الكربون _. ستستمر انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الانخفاض مع قيام الشركات المصنعة بتحسين الكفاءة الإجمالية لمحركات التوربينات الغازية. ^[37]

ترتبط انبعاثات الهيدروكربون غير المحترق وأول أكسيد الكربون ارتباطًا وثيقًا. الهيدروكربون غير المحترق هو في الأساس وقود لم يتم احتراقه بالكامل. يتم إنتاجه في الغالب بمستويات طاقة منخفضة (حيث لا يحرق المحرك كل الوقود). ^[37] يتفاعل الكثير من محتوى الهيدروكربون غير المحترق ويشكل أول أكسيد الكربون داخل غرفة الاحتراق، وهذا هو السبب في أن النوعين من الانبعاثات مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. ونتيجة لهذه العلاقة الوثيقة، فإن غرفة الاحتراق التي تم تحسينها جيدًا لانبعاثات أول أكسيد الكربون تكون في الأساس مُحسَّنة جيدًا لانبعاثات أول أكسيد الكربون غير المحترق، لذلك تركز معظم أعمال التصميم على انبعاثات أول أكسيد الكربون. ^[36]

أول أكسيد الكربون هو منتج وسيط للاحتراق، ويتم التخلص منه عن طريق الأكسدة . يتفاعل أول أكسيد الكربون وهيدروكسيد الصوديوم لتكوين ثاني أكسيد الكربون _{والهيدروجين} . تتطلب هذه العملية، التي تستهلك أول أكسيد الكربون، وقتًا طويلاً نسبيًا (تُستخدم كلمة "نسبيًا" لأن عملية الاحتراق تحدث بسرعة لا تصدق)، ودرجات حرارة عالية، وضغوطًا عالية. تعني هذه الحقيقة أن غرفة الاحتراق منخفضة أول أكسيد الكربون لها وقت إقامة طويل (أساسًا مقدار الوقت الذي تظل فيه الغازات في غرفة الاحتراق). ^[36]

مثل أول أكسيد الكربون، يتم إنتاج أكاسيد النيتروجين (NOx ₎ في منطقة الاحتراق. ومع ذلك، على عكس أول أكسيد الكربون، يتم إنتاجه بشكل أكبر أثناء الظروف التي يتم فيها استهلاك أول أكسيد الكربون بشكل أكبر (درجة حرارة عالية، ضغط مرتفع، وقت إقامة طويل). وهذا يعني أنه بشكل عام، يؤدي تقليل انبعاثات أول أكسيد الكربون إلى زيادة في NOx _، والعكس صحيح. تعني هذه الحقيقة أن معظم عمليات خفض الانبعاثات الناجحة تتطلب الجمع بين عدة طرق. ^[36]

الحارق اللاحق (أو إعادة التسخين) هو مكون إضافي يضاف إلى بعض المحركات النفاثة ، وخاصة تلك الموجودة على الطائرات العسكرية الأسرع من الصوت . والغرض منه هو توفير زيادة مؤقتة في الدفع ، سواء للطيران الأسرع من الصوت أو للإقلاع (حيث أن التحميل العالي للجناح النموذجي لتصميمات الطائرات الأسرع من الصوت يعني أن سرعة الإقلاع عالية جدًا). ​​في الطائرات العسكرية، يكون الدفع الإضافي مفيدًا أيضًا في مواقف القتال . يتم تحقيق ذلك عن طريق حقن وقود إضافي في أنبوب الطائرة النفاثة أسفل (أي بعد ) التوربين وحرقه. تتمثل ميزة الحارق اللاحق في زيادة الدفع بشكل كبير؛ أما العيب فهو استهلاكه العالي جدًا للوقود وعدم كفاءته، على الرغم من أن هذا غالبًا ما يُعتبر مقبولًا لفترات قصيرة يتم استخدامه خلالها عادةً.

يشار إلى المحركات النفاثة بأنها تعمل في وضع رطب عند استخدام الاحتراق اللاحق، وتعمل في وضع جاف عند استخدام المحرك بدون الاحتراق اللاحق. المحرك الذي ينتج أقصى قدر من الدفع في وضع رطب يكون عند أقصى طاقة أو أقصى إعادة تسخين (هذه هي أقصى طاقة يمكن للمحرك إنتاجها)؛ المحرك الذي ينتج أقصى قدر من الدفع في وضع جاف يكون عند أقصى طاقة عسكرية أو أقصى طاقة جافة .

كما هو الحال مع غرفة الاحتراق الرئيسية في التوربينات الغازية، فإن الحارق اللاحق يحتوي على غلاف وبطانة، يخدمان نفس الغرض مثل نظرائهما من غرفة الاحتراق الرئيسية. أحد الاختلافات الرئيسية بين غرفة الاحتراق الرئيسية والحارق اللاحق هو أن ارتفاع درجة الحرارة لا يقيده قسم التوربين، وبالتالي فإن الحارق اللاحق يميل إلى أن يكون له ارتفاع في درجة الحرارة أعلى بكثير من غرف الاحتراق الرئيسية. ^[38] فرق آخر هو أن الحارق اللاحق غير مصمم لخلط الوقود وكذلك غرف الاحتراق الأولية، لذلك لا يتم حرق كل الوقود داخل قسم الحارق اللاحق. ^[39] غالبًا ما تتطلب الحارق اللاحق أيضًا استخدام حاملات اللهب للحفاظ على سرعة الهواء في الحارق اللاحق من نفخ اللهب. غالبًا ما تكون هذه أجسامًا منحنية أو "مزاريب على شكل حرف V" خلف حاقنات الوقود مباشرةً والتي تخلق تدفقًا موضعيًا منخفض السرعة بنفس الطريقة التي تفعلها القبة في غرفة الاحتراق الرئيسية. ^[40]

تختلف محركات رام جيت في نواح كثيرة عن محركات التوربينات الغازية التقليدية، ولكن معظم المبادئ نفسها تظل قائمة. أحد الفروق الرئيسية هو عدم وجود آلات دوارة (توربين) بعد غرفة الاحتراق. يتم تغذية عادم غرفة الاحتراق مباشرة إلى فوهة. وهذا يسمح لغرف الاحتراق رام جيت بالاحتراق عند درجة حرارة أعلى. فرق آخر هو أن العديد من غرف الاحتراق رام جيت لا تستخدم بطانات مثل غرف الاحتراق توربينات الغاز. علاوة على ذلك، فإن بعض غرف الاحتراق رام جيت هي غرف احتراق تفريغ بدلاً من النوع الأكثر تقليدية. تحقن غرف الاحتراق التفريغ الوقود وتعتمد على إعادة التدوير الناتجة عن تغيير كبير في المساحة في غرفة الاحتراق (بدلاً من الدوامات في العديد من غرف احتراق توربينات الغاز). ^[41] ومع ذلك، فإن العديد من غرف الاحتراق رام جيت تشبه أيضًا غرف الاحتراق توربينات الغاز التقليدية، مثل غرفة الاحتراق في رام جيت المستخدمة في صاروخ RIM-8 Talos ، والذي استخدم غرفة احتراق من نوع كان. ^[42]

تمثل محركات سكرامجيت ( محركات الاحتراق الفوق الصوتية ) موقفًا مختلفًا تمامًا بالنسبة لغرفة الاحتراق عن محركات التوربينات الغازية التقليدية (لا تعد محركات سكرامجيت توربينات غازية، حيث تحتوي عمومًا على أجزاء متحركة قليلة أو معدومة). في حين أن غرف الاحتراق سكرامجيت قد تكون مختلفة تمامًا من الناحية المادية عن غرف الاحتراق التقليدية، إلا أنها تواجه العديد من تحديات التصميم نفسها، مثل خلط الوقود واحتجاز اللهب. ومع ذلك، وكما يوحي اسمها، يجب على غرفة الاحتراق سكرامجيت معالجة هذه التحديات في بيئة تدفق تفوق سرعة الصوت . على سبيل المثال، بالنسبة لمحرك سكرامجيت الذي يطير بسرعة 5 ماخ ، فإن تدفق الهواء الداخل إلى غرفة الاحتراق سيكون اسميًا 2 ماخ. أحد التحديات الرئيسية في محرك سكرامجيت هو منع موجات الصدمة التي يولدها غرفة الاحتراق من السفر عكس اتجاه التيار إلى المدخل. إذا حدث ذلك، فقد يتوقف تشغيل المحرك ، مما يؤدي إلى فقدان الدفع، من بين مشاكل أخرى. لمنع هذا، تميل محركات سكرامجيت إلى وجود قسم عازل (انظر الصورة) مباشرة أمام منطقة الاحتراق. ^[43]

• مكونات المحركات النفاثة

ملحوظات

فهرس

• فلاك، رونالد د. (2005). "الفصل 9: أجهزة الاحتراق والحارق اللاحق". أساسيات الدفع النفاث مع التطبيقات . سلسلة كامبريدج للفضاء الجوي. نيويورك، نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 978-0-521-81983-1.
• هندرسون، روبرت إي.؛ بلازوفسكي، ويليام إس. (1989). "الفصل 2: ​​تكنولوجيا احتراق الدفع التوربيني". في أوتس، جوردون سي. (المحرر). تكنولوجيا وتصميم أنظمة الدفع للطائرات . سلسلة تعليم AIAA. واشنطن العاصمة: المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. رقم ISBN 0-930403-24-X.
• ماتينجلي، جاك د.؛ هيزر، ويليام هـ.؛ برات، ديفيد ت. (2002). "الفصل 9: تصميم مكونات المحرك: أنظمة الاحتراق". تصميم محرك الطائرة . سلسلة تعليم AIAA (الطبعة الثانية). رستون، فرجينيا: المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. رقم ISBN 1-56347-538-3.

• ماتينجلي، جاك د. (2006). "الفصل 10: مداخل الهواء والفوهات وأنظمة الاحتراق". عناصر الدفع: توربينات الغاز والصواريخ . سلسلة تعليم المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. رستون، فرجينيا: المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية. رقم ISBN 1-56347-779-3.