طراحی دیفیوزر محفظه احتراق (۶)

از الزامات طراحی محفظه احتراق داشتن حداقل افت فشار و احتراق موثر می ­باشد. این امر به کمک کاهش سرعت جریان هوا در دیفیوزر انجام می­ شود. افت فشار در محفظه احتراق شامل دو ترم گرم و سرد می باشد.

افت سرد نمایانگر مجموع افت دیفیوزر و لاینر است. تمام افت فشاری که در قسمت دیفیوزر وجود دارد به هدر می ­رود ولی افت فشار در ناحیه لاینر به آشفتگی جریان کمک می­ کند که دارای مزایایی برای بازدهی احتراق و اختلاط بهتر سوخت و هوا می­ باشد. در نتیجه در یک محفظه احتراق ایده ­آل تمام افت سرد در ناحیه لاینر می­ باشد و هیچ افتی در ناحیه دیفیوزر وجود ندارد.

وظیفه دیفیوزر علاوه بر کاهش سرعت هوا، ارائه هوا به صورت آرام و مناسب به لاینر است. دیفیوزر­های محفظه احتراق به چند نوع از قبیل دیفیوزر هموار (Faired Or Long Aerodynamic Diffuser)، دیفیوزر دامپ (Dump diffuser)، دیفیوزرهای ورتکس کنترل شده (Vortex controlled diffuser) و دیفیوزرهای هیبریدی (Hybrid diffuser) تقسیم­ بندی می­ شوند. با توجه به شواهد موجود از مقالات و اختراعات جنرال الکتریک، دیفیوزر های نسل جدید محفظه احتراق از نوع دیفیوزر دامپ می­ باشند.

دیفیوزر دامپ

دیفیوزر دامپ از نوع دیفیوزر کوتاه است. از مهم­ترین مشخصات دیفیوزرهای دامپ دارا بودن یک پیش دیفیوزر (Prediffuser) و ناحیه دامپ است. در خروجی کمپرسور، سرعت جریان در یک پیش دیفیوزر معمولی، بدون جدایی کاهش می­ یابد و سپس وارد ناحیه دامپ می­ شود. یعنی انتهای محدوده لاینر و دیواره­ های پوسته محفظه احتراق. در این ناحیه جریان به سه شاخه تقسیم می­ شود. در حالی که خط جریان مرکزی وارد گنبدی می­ شود، جریان­ های داخلی و خارجی به صورت جت آزاد، اطراف دهانه­ ی لاینر جریان می ­یابد. بدین وسیله سطح پخش کننده ­ای تشکیل می­ یابد تا جریان وارد دو حلقوی اطرافِ لاینر شود. نواحی حلقوی باید بگونه­ ای طراحی شوند که جت جریان جلوتر از مجاری اولیه به دیواره پوسته بپیوندد. به دلیل انبساط ناگهانی در خروجی پیش دیفیوزر، این نوع دارای افت بیشتری نسبت به دیفیوزر هموار است. ولی دو مزیت عمده نسبت به آن دارد. اول اینکه عمل دیفیوز شدن در فاصله محوری بسیار کوتاه­ تری انجام می­ یابد. دوم این­که چنانچه طراحی آن به درستی صورت گرفته باشد، الگوی جریان بسیار پایداری حاصل می­ شود که نسبت به تغییرات شرایط کارکرد موتور، تلرانس ساخت و جابجایی­ های جزیی بین لاینر و پوسته حساسیت کمتری دارد. زیرا جریان همواره در خروجی پیش دیفیوزر، دچار جدایش می­ شود.

در این نوع دیفیوزر حساسیت به تغییر جریان کم می ­باشد. به دلیل انبساط شدید در خروجی پیش دیفیوزر افت فشار زیادی دارد ولی ایجاد جریان یکنواخت­ تری را فراهم می ­­سازد که در نتیجه باعث افزایش بازدهی می­ شود. برای کاهش جدایش جریان از دامپ گپ (Dump Gap) کوچک با زاویه واگرا باید استفاده می­ شوند که نسبت dg/h برابر با واحد، از جدایش جریان جلوگیری می­ کند. کاهش گپ دامپ­ باعث افزایش شتاب­ گیری جریان و افزایش چرخش جریان می­ شود.

دیفیوزر دامپ

برای استفاده هوایی معمولاً از دیفیوزرهای کوتاه برای کاهش وزن استفاده می­ شود. این عمل باعث کاهش آلودگی و کمک به روشن شدن موتور در ارتفاعات می­ باشد.

برای طراحی دیفیوزر دامپ ابتدا می­ بایست پیش دیفیوزر طبق مراحل زیر طراحی گردد:

• نسبت سطح (AR)، دارای مقداری بین 3 تا 1.4 می ­باشد که در این مدل محفظه احتراق نسبت سطح 1.9 انتخاب شده است.
• محاسبه نسبت طول به پهنا (LW)از روابط ارائه شده در زیر:
• 

• محاسبه ضریب بازیابی فشار در حالت ایده آل( Cpi):

• محاسبه ضریب بازیابی فشار در حالت واقعی(Cp ):

• محاسبه افت فشار در دیفیوزر آئرودینامیکی به عنوان کسری از فشار کل ورودی به آن:

• محاسبه افت فشار در دیفیوزر دامپ به عنوان کسری از فشار کل ورودی به آن:

• محاسبه افت فشار کل در قسمت دیفیوزر:

• بررسی زاویه θ که می­بایست مقداری بین 4 تا 8 درجه داشته باشد:

در نهایت با استفاده از روابط بالا، نمودارهای زوایه پیش دیفیوزر بر حسب نسبت سطح و افت فشار بر حسب نسبت سطح مطابق با اشکال زیر به دست می­ آیند. می­ توان با آزمون وخطا بین وزن و افت فشار مناسب، نقطه سیاه رنگ روی نمودار را به عنوان نقطه مناسب طراحی پیش دیفیوزر انتخاب کرد.

نمودار افت فشار کل بر حسب نسبت سطح

نمودار شیب پیش دیفیوزر برحسب نسبت سطح

طول پیش دیفیوزر از رابطه زیر به دست می آید:

از طرفی نسبت گپ دامپ به طول ورودی دیفیوزر دارای مقداری بین 0.9  تا 1.43 می­ باشد.