Λύσεις — Ενότητα 2.6: Θάλαμοι Καύσης (σελ. 377-378) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 2.6: Θάλαμοι Καύσης

Δέκα ερωτήσεις για τους θαλάμους καύσης αεριοστρόβιλων κινητήρων: τα βασικά τμήματα του θαλάμου καύσης, τη μείωση της ταχύτητας του εισερχόμενου αέρα μέσω διαχύτη και διάτρητου δίσκου, το ποσοστό αέρα που συμμετέχει στην καύση έναντι της ψύξης, τη λειτουργία των σπινθηριστών, τα υλικά κατασκευής των φλογοθαλάμων, τις παραμέτρους που καθορίζουν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά (απόδοση, ευστάθεια, κατανομή θερμοκρασίας, ανάφλεξη, επικαθήσεις) και τα πλεονεκτήματα του πολλαπλού και του δακτυλιοειδούς τύπου θαλάμου καύσης.

Βασικά τμήματα του θαλάμου καύσης

Ερώτηση: Ποια είναι τα βασικά τμήματα του θαλάμου καύσης;

Απάντηση:

• §2.6.1. «Βασικά, ο θάλαμος καύσης αποτελείται από το περίβλημα, το στροβιλιστή, τον εγχυτήρα καυσίμου και το φλογοσωλήνα όπου πραγματοποιείται η καύση.»

Σύνοψη: Ο θάλαμος καύσης αποτελείται βασικά από τέσσερα τμήματα: το περίβλημα (casing), τον στροβιλιστή (swirler) με τα σταθερά πτερύγια στροβιλισμού, τον εγχυτήρα καυσίμου (fuel nozzle) και το φλογοσωλήνα (flame tube/liner), μέσα στον οποίο πραγματοποιείται η καύση του μείγματος αέρα - καυσίμου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Περίβλημα, στροβιλιστής, εγχυτήρας καυσίμου, φλογοσωλήνας

Μείωση ταχύτητας εισερχόμενου αέρα

Ερώτηση: Πώς επιτυγχάνεται η μείωση της ταχύτητάς του, εισερχόμενου από το διαχύτη στο θάλαμο καύσης, ρεύματος αέρα;

Απάντηση:

• §2.6.1. «Το συμπιεσμένο ρεύμα αέρα εξέρχεται από το συμπιεστή με ταχύτητα της τάξης των 150m/sec... Η μείωση αυτή επιτυγχάνεται στην περιοχή του διαχύτη... Η περαιτέρω μείωσή της σε τιμές της τάξης των 5 m/sec επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός διάτρητου δίσκου (perforated disk).»

Σύνοψη: Η ταχύτητα του αέρα (περίπου 150 m/sec στην έξοδο του συμπιεστή) μειώνεται πρώτα στην περιοχή του διαχύτη, όπου η προοδευτικά αυξανόμενη διατομή του δακτυλίου ροής μειώνει την ταχύτητα (σε περίπου 25 m/sec) ενώ αυξάνει τη στατική πίεση. Στη συνέχεια, η περαιτέρω μείωση σε τιμές της τάξης των 5 m/sec επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός διάτρητου δίσκου (perforated disk), εξαρτήματος του θαλάμου καύσης που βρίσκεται περιφερειακά από τον εγχυτήρα καυσίμου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Διαχύτης (αύξηση διατομής, 150→25 m/sec) + διάτρητος δίσκος (25→5 m/sec)

Ποσοστό αέρα που συμμετέχει στην καύση

Ερώτηση: Τι ποσοστό αέρα από αυτό που εισέρχεται στον θάλαμο καύσης συμμετέχει στη διεργασία της καύσης;

Απάντηση:

• §2.6.1. «Συνολικά, από τον εισερχόμενο αέρα στο θάλαμο καύσης, ένα ποσοστό 20% έως 30% συμμετέχει στη διεργασία της καύσης ενώ το υπόλοιπο 70% έως 80% χρησιμοποιείται για λόγους ψύξης.»

Σύνοψη: Μόνο ένα ποσοστό 20% έως 30% του συνολικού εισερχόμενου αέρα στο θάλαμο καύσης συμμετέχει στη διεργασία της καύσης· το υπόλοιπο 70% έως 80% χρησιμοποιείται για λόγους ψύξης του φλογοθαλάμου και των καυσαερίων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 20%-30% συμμετέχει στην καύση, 70%-80% χρησιμοποιείται για ψύξη

Ρυθμός λειτουργίας σπινθηριστή

Ερώτηση: Ποιος είναι ο ρυθμός λειτουργίας των σπινθηριστών σε έναν αεριοστρόβιλο κινητήρα;

Απάντηση:

• §2.6.1. «Ο απαραίτητος σπινθήρας για την έναυση παρέχεται μία φορά από ειδικό σπινθηριστή ο οποίος έχει ικανότητα παραγωγής έως και 100 σπινθήρων ανά λεπτό.»

Σύνοψη: Ο σπινθηριστής παρέχει τον απαραίτητο σπινθήρα για την έναυση μία μόνο φορά (κατά την εκκίνηση), με ικανότητα παραγωγής έως και 100 σπινθήρων ανά λεπτό· στη συνέχεια η καύση διατηρείται λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επικρατούν στην πρωτεύουσα ζώνη καύσης, χωρίς να χρειάζεται συνεχής σπινθηρισμός.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Έως 100 σπινθήρες/λεπτό, μόνο για την αρχική έναυση

Υλικά κατασκευής φλογοθαλάμων

Ερώτηση: Ποια είναι τα συνήθη υλικά κατασκευής των φλογοθαλάμων;

Απάντηση:

• §2.6.1. «Συνήθως, για την κατασκευή του φλογοθαλάμου χρησιμοποιούνται κράμματα χάλυβα με νικέλιο και χρώμιο ενώ το περίβλημα κατασκευάζεται από ελαφρύ χάλυβα.»

Σύνοψη: Ο φλογοθάλαμος κατασκευάζεται συνήθως από κράματα χάλυβα με νικέλιο και χρώμιο, υλικά με καλή αντοχή στις θερμικές καταπονήσεις, στη διάβρωση από τα προϊόντα της καύσης και στους κραδασμούς λειτουργίας· το περίβλημα του θαλάμου καύσης κατασκευάζεται από ελαφρύ χάλυβα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Φλογοθάλαμος: κράματα χάλυβα-νικελίου-χρωμίου· περίβλημα: ελαφρύς χάλυβας

Παράμετροι λειτουργικών χαρακτηριστικών

Ερώτηση: Αναφέρετε τις συγκεκριμένες παραμέτρους που καθορίζουν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του θαλάμου καύσης.

Απάντηση:

• §2.6.3. «Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του θαλάμου καύσης καθορίζονται από συγκεκριμένες παραμέτρους, τις οποίες θα εξετάσουμε στη συνέχεια» — 2.6.3.1 Απόδοση καύσης, 2.6.3.2 Ευστάθεια καύσης, 2.6.3.3 Κατανομή θερμοκρασίας, 2.6.3.4 Ανάφλεξη, 2.6.3.5 Επικαθήσεις.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του θαλάμου καύσης καθορίζονται από πέντε βασικές παραμέτρους: την απόδοση καύσης (βαθμός απόδοσης 90%-98% και απώλεια πίεσης 2%-7%), την ευστάθεια καύσης (που εξαρτάται από τη στατική πίεση, τη στατική θερμοκρασία και την ταχύτητα του εισερχόμενου ρεύματος αέρα, και περιορίζεται όσο αυξάνεται αυτή η ταχύτητα), την κατανομή θερμοκρασίας των καυσαερίων στην έξοδο (η βελτίωσή της μπορεί να αυξήσει τις απώλειες πίεσης), την ανάφλεξη του μείγματος (ευνοείται από υψηλή πίεση/θερμοκρασία και χαμηλή ταχύτητα εισόδου αέρα, επηρεάζεται αρνητικά από πολύ φτωχό ή πολύ πλούσιο μείγμα) και τις επικαθήσεις άνθρακα (εμφανίζονται με πλούσιο μείγμα λόγω ατελούς καύσης και προκαλούν καπνό στην εξαγωγή, με μικρή όμως επίδραση στην απόδοση).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Απόδοση καύσης, ευστάθεια καύσης, κατανομή θερμοκρασίας, ανάφλεξη, επικαθήσεις

Ευσταθής περιοχή λειτουργίας — συμπλήρωση κενού

Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Η ευσταθής περιοχή λειτουργίας του θαλάμου καύσης περιορίζεται όσο …………… η ταχύτητα του εισερχόμενου ρεύματος αέρα.

Απάντηση:

• §2.6.3.2. «Η ευσταθής περιοχή λειτουργίας περιορίζεται όσο αυξάνεται η ταχύτητα του εισερχόμενου ρεύματος αέρα (Σχήμα 2.69β). Αν αυτή υπερβεί ένα συγκεκριμένο όριο, η φλόγα θα σβήσει (flameout).»

Σύνοψη: Το κενό συμπληρώνεται με τη λέξη «αυξάνεται»: η ευσταθής περιοχή λειτουργίας του θαλάμου καύσης περιορίζεται όσο αυξάνεται η ταχύτητα του εισερχόμενου ρεύματος αέρα· αν η ταχύτητα υπερβεί ένα συγκεκριμένο όριο, επέρχεται σβήσιμο της φλόγας (flameout).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστή λέξη: «αυξάνεται»

Κατανομή θερμοκρασίας και απώλειες πίεσης — Σωστό/Λάθος

Ερώτηση: Οι προσπάθειες που καταβάλλονται για την επίτευξη μεγαλύτερων θερμοκρασιών των καυσαερίων μπορεί να επιφέρουν αύξηση των απωλειών πίεσης στο θάλαμο καύσης. ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §2.6.3.3 Κατανομή θερμοκρασίας. «Οι προσπάθειες που καταβάλλονται για την επίτευξη καλύτερων κατανομών θερμοκρασιών των καυσαερίων έχουν να κάνουν με την καλύτερη ανάμειξη του καύσιμου μείγματος. Από την άλλη πλευρά, οι προσπάθειες αυτές μπορεί να επιφέρουν αύξηση των απωλειών πίεσης στο θάλαμο καύσης.»

Σύνοψη: ΣΩΣΤΟ. Το βιβλίο αναφέρει ρητά ότι οι προσπάθειες βελτίωσης της κατανομής/αύξησης της θερμοκρασίας των καυσαερίων, μέσω καλύτερης ανάμειξης του μείγματος, μπορεί να επιφέρουν αύξηση των απωλειών πίεσης στο θάλαμο καύσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΣΩΣΤΟ

Πλεονέκτημα πολλαπλού θαλάμου — συμπλήρωση κενού

Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Το μεγάλο πλεονέκτημα του πολλαπλού θαλάμου καύσης είναι ότι οι μεγάλες ακτίνες καμπυλότητας που φέρει, εξασφαλίζουν μεγάλη αντοχή σε ……………

Απάντηση:

• §2.6.4.1. «Το μεγάλο πλεονέκτημα του πολλαπλού θαλάμου καύσης είναι ότι οι μεγάλες καμπυλότητες που φέρει, εξασφαλίζουν μεγάλη αντοχή σε στρέβλωση (warping) λόγω θερμοκρασιών.»

Σύνοψη: Το κενό συμπληρώνεται με τη λέξη «στρέβλωση» (warping): οι μεγάλες ακτίνες καμπυλότητας του πολλαπλού θαλάμου καύσης εξασφαλίζουν μεγάλη αντοχή σε στρέβλωση λόγω θερμοκρασιών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστή λέξη: «στρέβλωση» (warping)

Πλεονεκτήματα δακτυλιοειδούς θαλάμου καύσης

Ερώτηση: Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του δακτυλιοειδούς θαλάμου καύσης;

Απάντηση:

• §2.6.4.2. «Το κυριότερο πλεονέκτημα του δακτυλιοειδούς θαλάμου καύσης είναι ότι εκμεταλλεύεται πολύ αποδοτικά το χώρο στον οποίο τοποθετείται και επιτυγχάνει την καλή ανάμιξη του καύσιμου μείγματος... Η απουσία αγωγών διάδοσης της φλόγας εξασφαλίζει καλή απόδοση καύσης... εξασφαλίζεται μέγιστη ψύξη κατά τη διάρκεια της καύσης. Ένα ακόμη πλεονέκτημα θεωρείται η απλή κατασκευή του.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα: εκμεταλλεύεται πολύ αποδοτικά τον διαθέσιμο χώρο του κινητήρα και επιτυγχάνει καλή ανάμειξη του καύσιμου μείγματος· έχει μήκος και διάμετρο αρκετά μικρότερα από τους άλλους τύπους θαλάμων καύσης για την ίδια παραγόμενη ισχύ· η απουσία αγωγών διάδοσης της φλόγας εξασφαλίζει καλή απόδοση καύσης· επιτυγχάνει βέλτιστο λόγο εσωτερικής επιφάνειας φλογοθαλάμου προς συνολικό όγκο, εξασφαλίζοντας μέγιστη ψύξη κατά τη διάρκεια της καύσης· και έχει απλή κατασκευή. Ως μειονεκτήματα αναφέρονται η ανάγκη αποσυναρμολόγησης πολλών τμημάτων του κινητήρα για επισκευή/επιθεώρηση και η ευαισθησία σε στρέβλωση/θερμική καταπόνηση λόγω της γεωμετρίας του εσωτερικού και εξωτερικού περιβλήματος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αποδοτική αξιοποίηση χώρου, καλή ανάμιξη, μικρό μήκος/διάμετρος, καλή απόδοση καύσης, μέγιστη ψύξη, απλή κατασκευή