طراحی مفهومی محفظه احتراق (۳)

این مطلب صرفا اشاره کلی به رویکرد طراحی مفهومی محفظه احتراق دارد و در آینده به صورت مشخص طراحی هر قسمت (مثل طراحی دیفیوزر، سوئیرلر و …)ارائه خواهد شد. در طراحی محفظه ­های احتراق عموماً یک نقطه کاری منفرد به عنوان نقطه­ ی طرح انتخاب می­ شود. عملکرد محفظه احتراق از قبیل( بلند شدن (Take-off)، راه اندازی(Idle)، نشتن (Landing) و…) در دیگر شرایط کاری باید پس از مراحل طراحی مورد بررسی قرار گیرد. این مطلب در مورد آلاینده ­ها بسیار حساس است. مواردی که به عنوان مشخصات طرح و هر وضعیت کارکرد موتور باید تعیین شوند عبارتند از:

• دبی جرمی هوا
• دبی جرمی سوخت
• شرایط ورودی محفظه احتراق شامل توزیع دما، فشار و سرعت
• دمای متوسط ورودی به توربین و کیفیت توزیع دما
• افت فشار مناسب
• راندمان احتراق مورد نظر
• سطح مجاز آلاینده­ های خروجی
• سطح مجاز دمای دیواره لاینر

در این میان، تصمیم ­گیری با مهندس طراح است که کدام محدوده از وضعیت ­های کارکرد مناسب هستند. البته طراح موتور باید با در نظر گرفتن محدودیت­ های موجود تصمیم بگیرد. مثلا برای یک موتور هواپیما، شرایط زیر، حداقل شرایط برای یک طراحی تشکیل می­ دهند: تراست ماکزیمم، ارتفاع ماکزیمم،  شرایط بی باری (Idling) و گشت­ های دریایی برای مشخص کردن متغیر­های عملکرد فوق، لازم است که محدودیت­ ها برای طراحی محفظه ی احتراق نیز معین شوند عبارتند ­از:

• محدودیت فضا
• محدودیت وزن
• کل طول عمر مورد نیاز و طول عمر بین هر سری بازدید موتور (عمر و فواصل زمانی تعمیرات)
• انواع سوخت مورد استفاده
• وهر قید و لزوم دیگر مثل سرعت کمپرسور و افزایش تراست

مراحل طراحی

با اطلاعاتی که در مراحل قبل به آن ها اشاره شد، طراح اکنون در موقعیتی است که باید نوع، ابعاد کلی و ویژگی­ های محفظه احتراق مورد نیاز برای ارضای مشخصات طرح را انتخاب کند. پس از انجام مراحل طراحی تفصیلی طراح باید با استفاده از روابط تجربی موجود، ابعاد کلی، توزیع نسبت هوا به سوخت و نیازمندی­ های مرتبط با خنک­ کاری را محاسبه نماید.

• انتخاب نوع محفظه احتراق ( این مرحله با ملاحظه کاربرد موتورها و محدودیت فضا انجام می گیرد.)
• تعیین سطح مقطع پوسته و لاینر ( این موارد نیز احتمالا با محدودیت فضا محدود می­ شود.)
• تعیین سیستم سوخت ­رسانی ( توسط کاربرد موتور مورد نظر و نیز از نظر آلودگی تعیین می شود.)
• تعیین ابعاد ناحیه اولیه و نسبت هوا به سوخت در این ناحیه PZ
• تعیین میزان هوای مورد نیاز برای خنک­ سازی این ناحیه ( گاهی بهتر است پس از مشخص شدن تمام مناطق محفظه احتراق کل هوای مورد نیاز برای خنک­کاری مشخص شود.)
• تعیین ابعاد ناحیه ثانویه هوای مورد نیاز در این ناحیه SZ
• تعیین نیازمندی­ های خنک­ سازی در این ناحیه SZ
• تعیین ابعاد ناحیه رقیق­ سازی و هوای مورد نیاز در این ناحیه DZ
• تعیین نیازمندی­ های خنک­ سازی این ناحیه DZ
• تعیین پارامتر­های سیستم اشتعال و نوع آن
• تعیین متصل کننده­ ها و غیره

طراحی کامل محفظه احتراق شامل مراحل زیر است:

• طراحی مقدماتی و تعیین ابعاد کلی در نقطه طرح
• بررسی طرح ارائه شده در تمام شرایط کاری
• انجام اصلاحات لازم به منظور تامین تمام شرایط کارکرد
• طراحی تفصیلی در نقطه طرح
• بررسی طرح تفصیلی در تمام شرایط کاری
• اصلاحات لازم در طرح تفصیلی برای تامین نیازمندی ­ها در تمام شرایط

پس از اتمام مراحل طراحی، فرآیند­های ساخت و تست آغاز می­ شوند. اصولاً مراحل طراحی محفظه احتراق نیازمند آزمایشات تجربی فراوان می­ باشد و هدف طراحان این است که آزمایشات فوق به حداقل ممکن کاهش یابند. مخلوط سوخت و هوا با فاکتور  φ سنجیده می­ شود که آنرا نسبت تعادلی  (Equivalence Ratio) می­ نامند و به صورت  φ= AF stoc/AF act  تعریف می­ شود. مخلوط سوخت و هوا را رقیق (lean) گویند اگر 1> φ و آن را غنی (rich) گویند اگر 1< φ باشد. غیر از سرعت مخلوط سوخت و هوا، شعله نیز دارای یک سرعت دیفیوژن است. در صورتی که هر دوی سوخت و هوا از ابتدا به صورت گازی باشند شعله را شعله دیفیوژن یا شعله جت می­ نامند.

اگر محفظه احتراق به صورت آدیاباتیک در نظر گرفته شود، دمای خروجی محصولات احتراق، دمای شعله آدیاباتیک شعله نام دارد. که محصولات احتراق، حداکثر تا آن دما می­ رسند. حداقل مقدار هوای­ مورد نیاز برای سوختن کامل یک سوخت به صورت تئوریک، و تبدیل آن به آب و دی اکسید کربن را هوای استوکیومتری می­ نامند.

مراحل طراحی محفظه احتراق