مشخصات اسپری سوخت از لحاظ اهمیت آن در عملکرد فرآیند احتراق شامل قطر متوسط قطرات، توزیع اندازه قطرات، همگنی، زاویه پاشش و نفوذ میباشد. یک سوخت پاش ایده آل باید تمامی مشخصات زیر را دارا باشد:
- قابلیت قطره قطره کردن بالا در محدوده وسیعی از جریانهای سوخت
- پاسخ دهی سریع به تغییرات گلوگاهی
- عدم وابستگی به ناپایداری های جریانی
- عدم آمادگی به مسدود شدن به وسیله آلاینده ها و کربن تشکیل شده در نازل
- عدم آمادگی به تشکیل صمغ به وسیله دفع حرارتی
- قابلیت اندازه گیری با توجه به شرایط متغیر طراحی
- قیمت پایین، وزن کم، ساخت آسان و قابلیت جابه جایی برای انجام سرویس بر روی آن
- عدم زیان بینی در حین ساخت و یا نصب
همچنین این سوختپاش باید موارد زیر را مهیا کند:
1- ایجاد مخلوط قابل احتراق
2- نسبت ماکزیمم به مینیمم جریان سوختی بالاتر از نسبت ماکزیمم به مینیمم جریان هوای احتراق
3-پراکندگی قابل کنترل سوخت در داخل محفظه احتراق اولیه
4- محدوده دمایی گاز خروجی غیر حساس به تغییرات در نرخ جریان سوختی قطر متوسط قطرات، توزیع اندازه قطرات و همگنی از آنجا که فقط به طراحی خود سوختپاش مربوط است از اهمیت ویژه ای برخوردارند.
- قطر متوسط قطرات (Mean Drop Size)
برای تسهیل در محاسبه نرخ تبخیر و هم چنین در مقایسه کیفیت اتمیزه شدن سوخت در اسپری های گوناگون، از پارامتری به نام قطر متوسط قطرات استفاده می شود. تعریف این ترم با توجه به هدف های گوناگون کاربردی آن می تواند تفاوت داشته باشد، اما تعریف عمومی آن، اینگونه است که اسپری تولید شده به وسیله سوخت پاش را با یک اسپری خیالی که قطر همه قطرات آن با هم برابر است و خصوصیات تمامی قطرات اسپری خیالی را نیز در بر دارد جایگزین می کنند. یکی از این تعریفها که به صورت بسیار گسترده ای نیز به کار میرود SMD-Sauter Mean Diameter نامیده می شود. این تعریف به صورت در نظر گرفتن قطرهای که دارای نسبت حجم به سطح کل اسپری تولید شده توسط سوخت پاش می باشد، انجام می پذیرد.
- فرایند اتمیزه کردن و ملزومات سوخت پاشها
از اولین تزریق کننده های سوخت که در توربین های گاز هوایی به کار میرفت میتوان به سوخت پاش های سیمپلکس (Simplex Atomizer)اشاره کرد. در این سوخت پاشها، سوخت با فشار به صورت مماسی وارد اتاقک چرخشی (Swirl Chamber) می شود که از آنجا نیز سوخت به صورت صفحه ای مخروطی خارج شده که به سرعت به قطرات تبدیل می شود. یکی از مشکلات این نوع از سوختپاشها این است که احتراق پایدار فقط در محدوده باریکی از سرعت های جریانی سوخت به وقوع می پیوندد. هم چنین محدودیت های متفاوتی از قبیل کارایی کم نیز در آن مشهور می باشد. برای از بین بردن این معضل ها از سوخت پاشهای گستره- وسیع (Wide- range Atomizers) استفاده میشود که از مثال های بارز آن دوال- اوریفیس (Dual- orifice) و یا داپلکس(Duplex) اتمایزر میباشد. این پیشرفتها در کنار پیشروی های گسترده در زمینه عملکرد پمپ های سوخت و سیستمهای کنترلی، باعث شده است تا پخش تزریق سوخت در زمینه احتراق یکی از رضایت بخش ترین قسمت ها در زمینه اتاقک احتراق باشد.
در ادامه حرکت به سمت موتورهای با نسبت تراکم بالا، حضور سوخت پاش های فشاری از آنجایی که باعث تولید آلودگی ها و هم چنین عدم یکنواختی سوخت در مخروط پاششی می شوند، کمرنگ تر می شوند. با در نظر گرفتن این مشکلات، حرکتی به سوی سوخت پاشهای ایربلست (Air blast) شروع شده است که در آن اتمیزه کردن به وسیله تزریق سوخت در جریان هوا با سرعت بالا به دست می آید. این نوع از تزریق کننده های سوخت در کاربردهای توربین های گاز بسیار مناسب است چرا که سرعت بالای هوا به خاطر حرکت سریع هواپیما در دسترس است. یکی ازمشخصه های بازر این نوع از سوخت پاشها مخلوط کردن مقداری سوخت و هوا قبل از وارد شدن به مرحله احتراق است که خود باعث کمتر شدن دود خروجی و گازهای ناکس (Nox) می شود.
سوخت پاش های ایربلست
تاثیرات جریان هوا در تجزیه جت مایع و یا صفحه مایع بسیار واضح و آشکار است. در این نوع سوخت پاش ها یک جریان گاز (معمولاً هوا) با سرعت بالا به کمک یک جریان سوخت با سرعت پایین می آید که میتواند به صورت خارجی و یا داخلی با سوخت ترکیب شود. حالت داخلی سوخت- هوا معمولاً برای سوخت های با ویسکوزیته بالا مناسب است و اتمیزه شدن خوبی حتی در دبیهای پایین هوا قابل حصول است. در حالت خارجی بازدهی کمتر می باشد اما اطمینان از جهت جریان سوخت بالاتر است. نمای شماتیک سوخت پاش ایربلست ترکیب خارجی و داخلی در شکل زیر نشان داده شده است.
نمای شماتیک سوخت پاش ایر بلست با الف) ترکیب داخلی و ب) ترکیب خارجی
سوخت پاشهای ایربلست مزیت های بسیاری نسبت به سوخت پاش های فشاری دارند؛ به خصوص در کاربردهایی نظیر موتورهای توربینهای گاز که نسبت تراکمی بالایی دارند. انواع مختلفی از این نوع سوخت پاش ها در صنعت هوافضای امروز به کار برده می شوند که میتوان به سوخت پاش های جریان موازی، جریان متقاطع و زاویه دار پیش اختلاط و پس اختلاط اشاره کرد.
طراحی مقدماتی اولیه سوخت پاش
با توجه به فرمولاسیون موجود در مراجع روند طراحی این نازل به شکل زیر است:
- تعیین فشار هوای مورد استفاده در نازل (هوای بعد از سوئیرلر)
- تعیین سرعت سوخت در درون سوخت پاش و تعیین قطر خروجی نازل با استفاده از فشار هوا
حال برای قطر متوسط قطرات بر مبنای سرعت هوا به سوخت رابطه زیر بدست می آید:
این مقدار سرعت سوخت توصیه یکی از مراجع مبنی بر Vf<4 را ارضا می کند.
سلام ممنون به خاطر مطالب مفیدی که میزارید. اگه ممکنه منابع مطالبتون رو هم قید کنید. در ضمن میخواستم بدونم در مورد طراحی محفظه های احتراق هوایی به صورت تخصصی منبع خاصی رو پیشنهاد میکنید؟
سلام. این مطالب حاصل پژوهش دانشگاهی از یک پایان نامه ارشد در حوزه طراحی محفظه احتراق است.