Кіріспе
Реактивті қозғалтқыштың жанар майы жағылатын бөлігі. Жанар-жағар май жанғыш – газ турбинасы, рамджет немесе скрамджет қозғалтқышының құрамдас бөлігі немесе аймағы, онда жану процесі жүзеге асады. Ол сондай-ақ, оттық, оттық камера, жану камерасы немесе жалын ұстағыш деп те аталады. Газ турбиналы қозғалтқышта, жанғышқа немесе жану камерасына компрессор жүйесі арқылы жоғары қысымды ауа беріледі. Жанар-жағар май жанғыш, отын мен ауа қоспасының жануы кезінде осы ауаны тұрақты қысымда қыздырады. Отын мен ауа қоспасы қызып, жылдам кеңейеді. Жану өнімдері жанғыштан турбинаға сораптар арқылы шығарылады. Рэмджет немесе скрамджет қозғалтқыштарында, газдар тікелей сопло арқылы шығарылады. Жанар-жағар май жанғыш, өте жоғары ауа ағынына қарамастан, тұрақты жануды қамтамасыз етуі керек. Осы мақсатта, жанар-жағар май жанғыштары ауа мен отынды бірінші кезекте араластырып, тұтандыруға, содан кейін жану процесін аяқтау үшін қосымша ауа қосуға арналған күрделі конструкцияға ие. Алғашқы газ турбиналық қозғалтқыштарда бір камералы жану камерасы қолданылған. Бүгінде үш негізгі конфигурация бар: камералық, сақиналы және камералық-сақиналы (кейде сақиналы-түтік сақиналы деп те аталады). Қосымша жану камералары көбінесе жанар-жағар май жанғыштарының тағы бір түрі деп есептеледі. Жанар-жағар май жанғыштары, отын тиімділігі, шығарындылар деңгейі және уақытша жауап беру (отын ағыны және ауа жылдамдығы сияқты өзгеретін жағдайларға реакция) сияқты қозғалтқыштың жұмыс сипаттамаларын анықтауда маңызды рөл атқарады.
A combustor is a component or area of a gas turbine, ramjet, or scramjet engine where combustion takes place. It is also known as a burner, burner can, combustion chamber or flame holder. In a gas turbine engine, the combustor or combustion chamber is fed high pressure air by the compression system. The combustor then heats this air at constant pressure as the fuel/air mix burns. As it burns the fuel/air mix heats and rapidly expands. The burned mix is exhausted from the combustor through the nozzle guide vanes to the turbine. In the case of a ramjet or scramjet engines, the exhaust is directly fed out through the nozzle. A combustor must contain and maintain stable combustion despite very high air flow rates. To do so combustors are carefully designed to first mix and ignite the air and fuel, and then mix in more air to complete the combustion process. Early gas turbine engines used a single chamber known as a can type combustor. Today three main configurations exist: can, annular, and cannular (also referred to as can annular tubo annular). Afterburners are often considered another type of combustor. Combustors play a crucial role in determining many of an engine's operating characteristics, such as fuel efficiency, levels of emissions, and transient response (the response to changing conditions such as fuel flow and air speed).
Тарих
Жағылатын қондырғылар технологиясының жетістіктері бірнеше ерекше салаға бағытталды: шығарындылар, жұмыс диапазоны және беріктік. Алғашқы реактивтік қозғалтқыштар көп мөлшерде түтін шығарды, сондықтан 1950 жылдардағы алғашқы жанғыш жетістіктері қозғалтқыштан шығатын түтінді азайтуға бағытталған. Түтін дерлік жойылғаннан кейін, 1970 жылдары күш-жігер басқа шығарындыларды – жанбаған көмірсутектер мен көміртек монооксидін азайтуға (толық ақпарат үшін төмендегі Шығарындылар бөлімін қараңыз) жұмсалды. 1970 жылдары жағылатын қондырғылардың беріктігі де артты, себебі жаңа өндіріс әдістері қаптаманың (төмендегі Компоненттер бөлімін қараңыз) қызмет ету мерзімін алғашқы қаптамаларға қарағанда шамамен 100 есеге ұзартты. 1980 жылдары жағылатын қондырғылар жұмыс диапазонының барлық кезеңінде тиімділігін арттыра бастады; толық қуатта жағылатын қондырғылардың тиімділігі өте жоғары болды (99% және одан да жоғары), бірақ төменгі жағдайларда тиімділік төмендеді. Осы онжылдықтағы дамулар төменгі деңгейлерде тиімділікті жақсартты. 1990 және 2000 жылдары шығарындыларды, әсіресе азот оксидтерін азайтуға қайтадан назар аударылды. Жағылатын қондырғылар технологиясы әлі де белсенді түрде зерттеліп, жетілдірілуде, ал қазіргі зерттеулердің көп бөлігі осы аспектілерді жақсартуға бағытталған.
Қорап
Жанатын камералар өздігінен толыққан цилиндрлі жану камералары болып табылады. Әрбір "камераның" өз отын шашырғышы, тұтандырғышы, қаптамасы және корпусы бар. Компрессордан келген бірінші ауа әрбір камераға бағытталады, онда ол баяулап, отынмен араластырылып, содан кейін тұтандырылады. Екінші ауа да компрессордан келеді, ол қаптаманың сыртына (ішінде жану жүзеге асырылады) беріледі. Екінші ауа әдетте қаптамадағы тіліктер арқылы жану аймағына жіберіліп, қаптаманы жұқа пленкамен салқындату арқылы суытады. Көптеген жағдайларда бірнеше камералар қозғалтқыштың орталық осінің айналасына орналастырылады және олардың біріккен газдары Can типті жану камерасына беріледі. Can типті жану камералары алғашқы газ турбиналық қозғалтқыштарда кеңінен қолданылды, себебі оларды жобалау және сынау оңай (бүкіл жүйені сынаудың орнына бір камераны сынап көруге болады). Can типті жану камераларын күтіп ұстау оңай, өйткені бүкіл жану бөлімін алып тастаудың орнына тек бір камераны ғана алып тастау жеткілікті. Көптеген қазіргі заманғы газ турбиналық қозғалтқыштар (әсіресе авиациялық қолданысқа арналғандар) Can типті жану камераларын қолданбайды, өйткені олар көбінесе басқа нұсқаларға қарағанда ауыр болады. Сонымен қатар, камера арқылы қысымның төмендеуі басқа жану камераларына қарағанда жоғары болады (шамамен 7%). Қазіргі заманғы көптеген қозғалтқыштар, Can типті жану камераларын пайдаланады, олар орталықтандырылған компрессорлары бар турбовалды қозғалтқыштар болып табылады.
Құйма-тораптық
Келесі типтегі жанғыш – "сақиналы-құты" жанғышы. "Құты" типті жанғыш сияқты, сақиналы-құты жанғыштарында жеке отын инжекторлары бар бөлек қабықшаларда орналасқан дискретті жану аймақтары болады. "Құты" жанғыштан айырмашылығы, барлық жану аймақтары ортақ сақина (анулолық) корпусын бөліседі. Әрбір жану аймағы енді қысымды ыдыс ретінде жұмыс істеуі қажет емес. Жану аймақтары сонымен қатар қабықшалардағы тесіктер немесе ауаны шеңбер бойымен ағызуға мүмкіндік беретін қосылыс түтіктер арқылы бір-бірімен "байланыс" орната алады. Сақиналы-құты жанғышынан шығатын ағын әдетте біркелкі температуралық профильге ие, бұл турбина бөлімі үшін жақсырақ. Бұл сонымен қатар әрбір камераға жеке тұтандырғыш қажеттігін де жояды. Бір немесе екі құтыда от жақылғаннан кейін, ол оңай басқаларына тарап, тұтандыра алады. Бұл типтегі жанғыш "құты" типті жанғыштан жеңіл және төмен қысым төмендеуіне (шамамен 6%) ие. Дегенмен, сақиналы-құты жанғышын күту "құты" типті жанғыштан қиынырақ болуы мүмкін. Сақиналы-құты жанғышын пайдаланатын газ турбиналық қозғалтқыштардың мысалдары: General Electric J79 турбореактивті және Pratt & Whitney JT8D және Rolls Royce Tay турбожетекшілері.
Сақина тәрізді
Соңғы және ең көп қолданылатын жанғыш түрі – толық сақиналы жанғыш. Сақиналы жанғыштар жеке жану аймақтарын жояды және сақина (анус) түрінде үздіксіз қабырға мен корпустан тұрады. Сақиналы жанғыштардың көптеген артықшылықтары бар, оның ішінде біркелкі жану, ықшам өлшем (соның салдарынан жеңіл салмақ) және кіші беттік аудан. Бұған қоса, сақиналы жанғыштардың шығу температурасы өте біркелкі болады. Олар үш конструкцияның ішінде ең төмен қысым төмендеуіне ие (шамамен 5%). Сақиналы конструкция сондай-ақ қарапайым, бірақ сынақ жүргізу үшін әдетте толық көлемді сынақ стенді қажет. Сақиналы жанғышты қолданатын қозғалтқышқа CFM International CFM56 мысал болады. Көбінесе қазіргі заманғы газ турбиналық қозғалтқыштар сақиналы жанғыштарды қолданады; сондай-ақ, жанғыштарды зерттеу және дамыту жұмыстарының көп бөлігі осы типті жақсартуға бағытталған.
Қос сақиналы жанғыш
Стандартты сақиналы жану камерасының бір түрі – қос сақиналы жану камерасы (DAC) болып табылады. Сақиналы жану камерасы сияқты, DAC радиус бойында жеке жану аймақтары жоқ, үздіксіз сақинадан тұрады. Айырмашылығы – жану камерасының айналасында екі жану аймағы бар: пилоттық және негізгі аймақ. Пилоттық аймақ жалғыз сақиналы жану камерасы сияқты жұмыс істейді және төмен қуат деңгейінде жұмыс істейтін жалғыз аймақ болып табылады. Жоғары қуат деңгейінде негізгі аймақ та қосылады, бұл жану камерасы арқылы ауа және масса ағынын арттырады. GE компаниясының осы типтегі жану камерасын енгізуі шығарындыларды және азот оксидтерінің шығарылуын азайтуға бағытталған. Пурдью университетінен DAC-тің жақсы схемасын табуға болады. Қос сақиналы жану камерасының қағидаларын кеңейте отырып, үш сақиналы және "көп сақиналы" жану камералары ұсынылған және тіпті патенттелген.
Шығарындылар
Қазіргі заманғы газ турбиналарын жобалаудағы маңызды факторлардың бірі – шығарындыларды азайту, ал жану камерасы газ турбинасының шығарындыларына ең көп үлес қосады. Жалпы алғанда, газ турбиналық қозғалтқыштардан бес түрлі негізгі шығарындылар пайда болады: түтін, көмірқышқыл газы (CO2), көміртек оксиді (CO), жанылмаған көмірсутектер (UHC) және азот оксидтері (NOx). Түтін көбінесе отынды ауамен біркелкі араластыру арқылы азайтылады. Жоғарыда отын шашыратқыштары бөлімінде айтылғандай, қазіргі заманғы отын шашыратқыштары (мысалы, ауамен шашыратылатын отын шашыратқыштары) отынды тепе-тең атомдастырып, отынның жоғары концентрацияланған ошақтарын жояды. Көптеген қазіргі заманғы қозғалтқыштар осындай отын шашыратқыштарын қолданады және іс жүзінде түтінсіз болып табылады. Тағы бір ерекшелік – кейіннен жану камералары отынды негізгі жану камералары сияқты жақсы араластыруға арналмаған, сондықтан кейіннен жану бөлімінде барлық отын жанылмайды. Кейіннен жану камераларында көбінесе жалынды ауа ағынымен сөндірмей ұстау үшін жалын сақтағыштар қолданылады. Бұлар көбінесе отын шашыратқыштарының тікелей артында орналасқан, негізгі жану камерасындағы күмбез сияқты, жергілікті төмен жылдамдықты ағын жасайтын кедергілі денелер немесе "V-тәрізді ойыстар" болып табылады.
Рамджеттер
Рам-реактивті қозғалтқыштар дәстүрлі газ турбиналы қозғалтқыштардан көп жағынан ерекшеленеді, бірақ көптеген негізгі принциптер ортақ. Басты айырмашылық – жану камерасынан кейін айналатын механизмнің (турбинаның) болмауы. Жану камерасының шығарылатын газдары тікелей соқпаға жіберіледі. Бұл рам-реактивті жану камераларында температураның жоғары болуына мүмкіндік береді. Тағы бір ерекшелік – көптеген рам-реактивті жану камералары газ турбиналы жану камераларындағыдай қаптамаларды пайдаланбайды. Сонымен қатар, кейбір рам-реактивті жану камералары дәстүрлі типке қарағанда, құймалы типте болады. Құймалы жану камералары отынды шашыратады және жану камерасының көлденең қимасының үлкен өзгеруінен туындайтын қайта айналымға тәуелді болады (көптеген газ турбиналы жану камераларындағы айналдырғыштардан өзгеше). Дегенмен, көптеген рам-реактивті жану камералары дәстүрлі газ турбиналы жану камераларына ұқсас, мысалы, RIM 8 Talos зымыралында қолданылған рам-реактивті қозғалтқыштың жану камерасы, ол банка тәрізді жану камерасын пайдаланған.
Скрамджеттер
Скрамжет (соңғыңғырлы жанумен жұмыс істейтін скрамжет) қозғалтқыштары, дәстүрлі газ турбиналы қозғалтқыштарға қарағанда (скрамжеттер газ турбиналары емес, себебі оларда көбінесе қозғалмалы бөлшектер аз немесе мүлдем жоқ) жану камерасы үшін өте ерекше жағдай туғызады. Скрамжеттің жану камералары физикалық тұрғыдан дәстүрлі камералардан мүлдем өзгеше болуы мүмкін, бірақ олар отынды араластыру және жалынды тұрақтандыру сияқты көптеген ұқсас жобалау мәселелерімен күреседі. Дегенмен, атауынан көрініп тұрғанындай, скрамжеттің жану камерасы осы мәселелерді үстіркілді ағын ортасында шешуі керек. Мысалы, 5 Мах жылдамдығымен ұшатын скрамжет үшін жану камерасына кіретін ауа ағыны шамамен 2 Мах болады. Скрамжет қозғалтқышындағы басты қиындықтардың бірі – жану камерасынан туындаған соққы толқындарының қозғалтқышқа кіретін ауа арнасына кері қарай жылжуына жол бермеу. Егер мұндай жағдай туындаса, қозғалтқыш тоқтауы мүмкін, бұл итеру күшінің жоғалуы және басқа да проблемаларға әкелуі мүмкін. Мұны болдырмау үшін скрамжет қозғалтқыштарында жану аймағының алдында бірден оқшаулағыш бөлім (суретті қараңыз) орналастырылады.