ห้องเผาไหม้ (Combustor)คือส่วนประกอบหรือบริเวณของ เครื่องยนต์ กังหันแก๊สเครื่องยนต์แรมเจ็ตหรือ เครื่องยนต์ สแครมเจ็ต ที่ เกิด การเผาไหม้ขึ้น เรียกอีกอย่างว่าหัวเผา (burner) , กระบอกหัวเผา (burner can) , ห้องเผาไหม้ (combustion chamber)หรือตัว ยึด เปลวไฟ(flame holder ) ในเครื่องยนต์กังหันแก๊สห้องเผาไหม้จะได้รับอากาศแรงดันสูงจากระบบอัดอากาศ จากนั้นห้องเผาไหม้จะให้ความร้อนแก่อากาศนี้ที่ความดันคงที่ขณะที่ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศเผาไหม้ เมื่อเผาไหม้แล้ว ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศจะร้อนขึ้นและขยายตัวอย่างรวดเร็ว ส่วนผสมที่เผาไหม้แล้วจะถูกระบายออกจากห้องเผาไหม้ผ่านใบพัดนำทางของหัวฉีดไปยังกังหัน ในกรณีของเครื่องยนต์แรมเจ็ตหรือสแครมเจ็ต ไอเสียจะถูกส่งออกโดยตรงผ่านหัวฉีด

ห้องเผาไหม้ต้องสามารถกักเก็บและรักษาการเผาไหม้ให้คงที่ได้แม้จะมีอัตราการไหลของอากาศสูงมาก เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ห้องเผาไหม้จึงได้รับการออกแบบอย่างพิถีพิถัน โดยเริ่มจากการผสมและจุดไฟอากาศและเชื้อเพลิงก่อน จากนั้นจึงผสมอากาศเพิ่มเติมเข้าไปเพื่อทำให้กระบวนการเผาไหม้สมบูรณ์ เครื่องยนต์กังหันแก๊สรุ่นแรกๆ ใช้ห้องเผาไหม้แบบห้องเดียวที่เรียกว่าห้องเผาไหม้แบบกระป๋อง ปัจจุบันมีการออกแบบหลักๆ อยู่สามแบบ ได้แก่ แบบกระป๋อง แบบวงแหวน และแบบกระป๋องวงแหวน (หรือที่เรียกว่าแบบกระป๋องวงแหวนแบบท่อวงแหวน) ส่วนเครื่องเผาไหม้เสริมมักถูกพิจารณาว่าเป็นห้องเผาไหม้อีกประเภทหนึ่งด้วย

ห้องเผาไหม้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดลักษณะการทำงานหลายอย่างของเครื่องยนต์ เช่นประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงระดับการปล่อยมลพิษ และการตอบสนองต่อสภาวะเปลี่ยนแปลง (การตอบสนองต่อสภาวะที่เปลี่ยนแปลง เช่น การไหลของเชื้อเพลิงและความเร็วลม)

วัตถุประสงค์ของห้องเผาไหม้ในกังหันก๊าซคือการเพิ่มพลังงานให้กับระบบเพื่อขับเคลื่อนกังหันและผลิตก๊าซความเร็วสูงเพื่อปล่อยออกทางหัวฉีดในเครื่องบิน เช่นเดียวกับความท้าทายทางวิศวกรรมใดๆ การบรรลุเป้าหมายนี้จำเป็นต้องสร้างสมดุลระหว่างข้อพิจารณาในการออกแบบหลายประการ เช่น ประเด็นต่อไปนี้:

• ต้องเผาไหม้เชื้อเพลิงให้สมบูรณ์ มิเช่นนั้น เครื่องยนต์จะสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ไม่หมด และก่อให้เกิดมลพิษที่ไม่พึงประสงค์ ได้แก่ ไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมด คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และเขม่า
• การสูญเสียแรงดันในห้องเผาไหม้ต่ำ กังหันที่รับเชื้อเพลิงจากห้องเผาไหม้ต้องการการไหลที่มีแรงดันสูงเพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• เปลวไฟ (การเผาไหม้) ต้องถูกกักเก็บไว้ภายในห้องเผาไหม้ หากการเผาไหม้เกิดขึ้นไกลออกไปในส่วนท้ายของเครื่องยนต์ ใบพัดกังหันอาจร้อนจัดและเสียหายได้ง่าย นอกจากนี้ เนื่องจากใบพัดกังหันมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องและสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นได้ ห้องเผาไหม้จึงถูกออกแบบให้เผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น และชิ้นส่วนต่างๆ ของห้องเผาไหม้จำเป็นต้องได้รับการออกแบบให้ทนต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นเหล่านั้นด้วย
• ควรสามารถจุดไฟใหม่ได้ในระดับความสูงมาก ในกรณีที่เครื่องยนต์ดับ
• อุณหภูมิขาออกควรสม่ำเสมอ หากมีจุดร้อนในกระแสลมขาออก กังหันอาจได้รับความเสียหายจากความร้อนหรือความเสียหายประเภทอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน โปรไฟล์อุณหภูมิภายในห้องเผาไหม้ควรหลีกเลี่ยงจุดร้อน เนื่องจากจุดร้อนเหล่านั้นสามารถสร้างความเสียหายหรือทำลายห้องเผาไหม้จากภายในได้
• ขนาดและน้ำหนักที่เล็กกะทัดรัด พื้นที่และน้ำหนักเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในงานด้านอากาศยาน ดังนั้นห้องเผาไหม้ที่ออกแบบมาอย่างดีจึงมุ่งเน้นให้มีขนาดกะทัดรัด ส่วนงานที่ไม่เกี่ยวข้องกับอากาศยาน เช่น กังหันก๊าซสำหรับผลิตไฟฟ้า ไม่ได้ถูกจำกัดด้วยปัจจัยนี้มากนัก
• ช่วงการทำงานที่กว้างขวาง ห้องเผาไหม้ส่วนใหญ่ต้องสามารถทำงานได้ภายใต้แรงดัน อุณหภูมิ และอัตราการไหลของมวลอากาศที่หลากหลาย ปัจจัยเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปตามการตั้งค่าเครื่องยนต์และสภาพแวดล้อม (เช่น การเร่งเครื่องเต็มที่ในระดับความสูงต่ำอาจแตกต่างจากการเร่งเครื่องขณะเดินเบาในระดับความสูงมาก)
• การปล่อยมลพิษสู่สิ่งแวดล้อม มีกฎระเบียบที่เข้มงวดเกี่ยวกับการปล่อยมลพิษจากเครื่องบิน เช่น คาร์บอนไดออกไซด์และไนโตรเจนออกไซด์ ดังนั้นห้องเผาไหม้จึงต้องได้รับการออกแบบเพื่อลดการปล่อยมลพิษเหล่านั้นให้เหลือน้อยที่สุด (ดู หัวข้อ การปล่อยมลพิษด้านล่าง)

แหล่งที่มา: ^{[ 1 ] [ 2 ]}

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีห้องเผาไหม้เน้นไปที่หลายด้านที่แตกต่างกัน ได้แก่ การปล่อยมลพิษ ช่วงการทำงาน และความทนทาน เครื่องยนต์เจ็ทรุ่นแรกๆ ผลิตควันจำนวนมาก ดังนั้นความก้าวหน้าของห้องเผาไหม้ในช่วงทศวรรษ 1950 จึงมุ่งเป้าไปที่การลดควันจากเครื่องยนต์ เมื่อควันถูกกำจัดไปได้เกือบหมดแล้ว ความพยายามในทศวรรษ 1970 จึงหันไปลดการปล่อยมลพิษอื่นๆ เช่นไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมดและคาร์บอนมอนอกไซด์ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในหัวข้อ § การปล่อยมลพิษ ) ทศวรรษ 1970 ยังเห็นการปรับปรุงความทนทานของห้องเผาไหม้ เนื่องจากวิธีการผลิตใหม่ๆ ช่วยยืดอายุการใช้งานของปลอก (ดูหัวข้อ§ ส่วนประกอบ ) ได้เกือบ 100 เท่าของปลอกรุ่นแรกๆ ในทศวรรษ 1980 ห้องเผาไหม้เริ่มปรับปรุงประสิทธิภาพตลอดช่วงการทำงานทั้งหมด ห้องเผาไหม้มีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพสูง (>99%) ที่กำลังสูงสุด แต่ประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อตั้งค่าต่ำลง การพัฒนาในช่วงทศวรรษนั้นช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพในระดับที่ต่ำลง ช่วงทศวรรษ 1990 และ 2000 มีการให้ความสำคัญกับการลดการปล่อยมลพิษอีกครั้ง โดยเฉพาะไนโตรเจนออกไซด์เทคโนโลยีการเผาไหม้ยังคงได้รับการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง และการวิจัยสมัยใหม่ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงในด้านต่างๆ เหล่านี้^{[ 3 ]}

กรณี

ตัวเรือนเป็นเปลือกนอกของห้องเผาไหม้ และเป็นโครงสร้างที่ค่อนข้างเรียบง่าย โดยทั่วไปแล้วตัวเรือนต้องการการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อย^{[ 4 ​​]}ตัวเรือนได้รับการปกป้องจากภาระความร้อนโดยอากาศที่ไหลอยู่ภายใน ดังนั้นประสิทธิภาพทางความร้อนจึงมีความสำคัญจำกัด อย่างไรก็ตาม ตัวเรือนทำหน้าที่เป็นภาชนะรับแรงดันที่ต้องทนต่อความแตกต่างระหว่างแรงดันสูงภายในห้องเผาไหม้และแรงดันต่ำภายนอก ภาระทางกล (มากกว่าภาระทางความร้อน) นั้นเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบตัวเรือน^{[ 5 ]}

เครื่องกระจายกลิ่น

จุดประสงค์ของตัวกระจายลมคือการลดความเร็วของอากาศที่มีความเร็วสูงและถูกอัดอย่างมากจากคอมเพรสเซอร์ให้เหลือความเร็วที่เหมาะสมสำหรับห้องเผาไหม้ การลดความเร็วส่งผลให้ความดันโดยรวมลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้นความท้าทายในการออกแบบอย่างหนึ่งคือการจำกัดการสูญเสียความดันให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้^{[ 6 ]}นอกจากนี้ ตัวกระจายลมจะต้องได้รับการออกแบบเพื่อจำกัดการบิดเบือนการไหลให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยการหลีกเลี่ยงผลกระทบจากการไหล เช่นการแยกชั้นขอบเขตเช่นเดียวกับส่วนประกอบอื่นๆ ของเครื่องยนต์กังหันแก๊สส่วนใหญ่ ตัวกระจายลมได้รับการออกแบบให้สั้นและเบาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้^{[ 7 ]}

ไลเนอร์

ปลอกหุ้มทำหน้าที่ควบคุมกระบวนการเผาไหม้และนำอากาศไหลต่างๆ (อากาศกลาง อากาศเจือจาง และอากาศเย็น ดู§ เส้นทางการไหลของอากาศ ) เข้าสู่บริเวณการเผาไหม้ ปลอกหุ้มต้องได้รับการออกแบบและสร้างขึ้นเพื่อให้ทนต่อรอบอุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน ด้วยเหตุนี้ ปลอกหุ้มจึงมักทำจากโลหะผสมพิเศษเช่นHastelloy Xยิ่งไปกว่านั้น แม้ว่าจะใช้โลหะผสมประสิทธิภาพสูง แต่ปลอกหุ้มก็ต้องระบายความร้อนด้วยการไหลของอากาศ^{[ 8 ]}เครื่องเผาไหม้บางชนิดยังใช้สารเคลือบป้องกันความร้อนอย่างไรก็ตาม การระบายความร้อนด้วยอากาศยังคงเป็นสิ่งจำเป็น โดยทั่วไป การระบายความร้อนของปลอกหุ้มมีสองประเภทหลัก ได้แก่ การระบายความร้อนด้วยฟิล์มและการระบายความร้อนด้วยการระเหย การระบายความร้อนด้วยฟิล์มทำงานโดยการฉีด (ด้วยวิธีการต่างๆ) อากาศเย็นจากภายนอกปลอกหุ้มเข้าไปด้านในปลอกหุ้ม ซึ่งจะสร้างฟิล์มบางๆ ของอากาศเย็นที่ปกป้องปลอกหุ้ม ลดอุณหภูมิที่ปลอกหุ้มจากประมาณ 1800 เคลวิน (K) เหลือประมาณ 830 K เป็นต้น การระบายความร้อนแบบซึมผ่าน (Transpiration cooling) เป็นวิธีการระบายความร้อนแบบใหม่กว่า โดยใช้ วัสดุ ที่มีรูพรุนสำหรับทำซับใน ซับในที่มีรูพรุนนี้ช่วยให้อากาศเย็นไหลผ่านได้เล็กน้อย ทำให้ได้ประโยชน์ในการระบายความร้อนคล้ายกับการระบายความร้อนแบบฟิล์ม ความแตกต่างหลักสองประการคือ โปรไฟล์อุณหภูมิของซับในที่ได้ และปริมาณอากาศเย็นที่ต้องการ การระบายความร้อนแบบซึมผ่านทำให้ได้โปรไฟล์อุณหภูมิที่สม่ำเสมอกว่ามาก เนื่องจากอากาศเย็นถูกนำเข้ามาอย่างสม่ำเสมอผ่านรูพรุน ในขณะที่การระบายความร้อนแบบฟิล์มโดยทั่วไปจะนำอากาศเข้ามาผ่านแผ่นหรือบานเกล็ด ทำให้ได้โปรไฟล์ที่ไม่สม่ำเสมอ โดยจะเย็นกว่าที่แผ่นและอุ่นกว่าระหว่างแผ่น ที่สำคัญกว่านั้น การระบายความร้อนแบบซึมผ่านใช้อากาศเย็นน้อยกว่ามาก (ประมาณ 10% ของปริมาณการไหลของอากาศทั้งหมด แทนที่จะเป็น 20–50% สำหรับการระบายความร้อนแบบฟิล์ม) การใช้อากาศน้อยลงสำหรับการระบายความร้อนทำให้สามารถใช้อากาศสำหรับการเผาไหม้ได้มากขึ้น ซึ่งมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับเครื่องยนต์สมรรถนะสูงและแรงขับสูง^{[ 9 ] [ 10 ]}

จมูก

จมูกเป็นส่วนต่อขยายของโดม (ดูด้านล่าง) ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวแยกอากาศ โดยแยกอากาศหลักออกจากกระแสอากาศรอง (อากาศระดับกลาง อากาศเจือจาง และอากาศเย็น ดู§ เส้นทางการไหลของอากาศ ) ^{[ 11 ]}

โดม /คนวน

โดมและสวิร์ลเลอร์เป็นส่วนหนึ่งของห้องเผาไหม้ที่อากาศหลัก (ดู§ เส้นทางการไหลของอากาศ ) ไหลผ่านเมื่อเข้าสู่โซนการเผาไหม้ บทบาทของมันคือการสร้างความปั่นป่วนในการไหลเพื่อผสมอากาศกับเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็ว^{[ 8 ]}ห้องเผาไหม้รุ่นแรกๆ มักใช้โดมทรงทึบ (แทนที่จะใช้สวิร์ลเลอร์) ซึ่งใช้แผ่นเรียบๆ เพื่อสร้างกระแสปั่นป่วนเพื่อผสมเชื้อเพลิงและอากาศ อย่างไรก็ตาม การออกแบบที่ทันสมัยส่วนใหญ่จะ ใช้สวิร์ลเลอร์เพื่อสร้าง ความเสถียรสวิร์ลเลอร์จะสร้างโซนความดันต่ำเฉพาะที่ซึ่งบังคับให้ผลิตภัณฑ์การเผาไหม้บางส่วนไหลเวียนกลับ ทำให้เกิดความปั่นป่วนสูง^{[ 11 ]}อย่างไรก็ตาม ยิ่งความปั่นป่วนสูงเท่าใด การสูญเสียความดันในห้องเผาไหม้ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ดังนั้นโดมและสวิร์ลเลอร์จึงต้องได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวังเพื่อไม่ให้สร้างความปั่นป่วนมากเกินกว่าที่จำเป็นเพื่อผสมเชื้อเพลิงและอากาศให้เพียงพอ^{[ 12 ]}

หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง

หัวฉีดเชื้อเพลิงมีหน้าที่ในการนำเชื้อเพลิงเข้าสู่โซนการเผาไหม้ และร่วมกับตัวสร้างกระแสน้ำวน (ด้านบน) มีหน้าที่ในการผสมเชื้อเพลิงและอากาศ หัวฉีดเชื้อเพลิงมีสี่ประเภทหลัก ได้แก่ หัวฉีดแบบใช้แรงดัน หัวฉีดแบบใช้ลม หัวฉีดแบบทำให้เป็นไอ และหัวฉีดแบบผสมล่วงหน้า/ทำให้เป็นไอ^{[ 8 ]}หัวฉีดเชื้อเพลิงแบบใช้แรงดันอาศัยแรงดันเชื้อเพลิงสูง (มากถึง 3,400 กิโลปาสคาล (500 psi)) เพื่อทำให้เชื้อเพลิงเป็นละออง^{[ nb 1 ]}หัวฉีดเชื้อเพลิงประเภทนี้มีข้อดีคือเรียบง่ายมาก แต่ก็มีข้อเสียหลายประการ ระบบเชื้อเพลิงต้องแข็งแรงพอที่จะทนต่อแรงดันสูงดังกล่าวได้ และเชื้อเพลิงมักจะถูกทำให้เป็น ละออง อย่างไม่สม่ำเสมอส่งผลให้การเผาไหม้ไม่สมบูรณ์หรือไม่สม่ำเสมอ ซึ่งมีมลพิษและควันมากขึ้น^{[ 13 ] [ 14 ]}

หัวฉีดเชื้อเพลิงแบบที่สองคือหัวฉีดแบบเป่าลม หัวฉีดนี้จะ "พ่น" แผ่นเชื้อเพลิงด้วยกระแสลม ทำให้เชื้อเพลิงแตกตัวเป็นละอองขนาดเล็กที่สม่ำเสมอ หัวฉีดเชื้อเพลิงแบบนี้เป็นต้นกำเนิดของเครื่องยนต์เผาไหม้ไร้ควันรุ่นแรกๆ อากาศที่ใช้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของอากาศหลัก (ดู§ เส้นทางการไหลของอากาศ ) ที่ถูกส่งผ่านหัวฉีด แทนที่จะผ่านตัวสร้างกระแสน้ำวน หัวฉีดแบบนี้ยังต้องการแรงดันเชื้อเพลิงที่ต่ำกว่าแบบใช้แรงดันอีกด้วย^{[ 14 ]}

หัวฉีดเชื้อเพลิงแบบไอระเหย ซึ่งเป็นแบบที่สาม มีลักษณะคล้ายกับหัวฉีดแบบเป่าลมตรงที่อากาศหลักจะผสมกับเชื้อเพลิงขณะที่ฉีดเข้าไปในโซนการเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศจะไหลผ่านท่อภายในโซนการเผาไหม้ ความร้อนจากโซนการเผาไหม้จะถูกถ่ายเทไปยังส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศ ทำให้เชื้อเพลิงบางส่วนกลายเป็นไอระเหย (ผสมได้ดีขึ้น) ก่อนที่จะถูกเผาไหม้ วิธีนี้ช่วยให้เชื้อเพลิงถูกเผาไหม้โดยมีการแผ่รังสีความร้อน น้อยลง ซึ่งช่วยปกป้องปลอก อย่างไรก็ตาม ท่อไอระเหยอาจมีปัญหาเรื่องความทนทานอย่างร้ายแรงหากการไหลของเชื้อเพลิงภายในท่อต่ำ (เชื้อเพลิงภายในท่อจะช่วยปกป้องท่อจากความร้อนจากการเผาไหม้) ^{[ 15 ]}

หัวฉีดแบบผสมล่วงหน้า/ระเหยล่วงหน้าทำงานโดยการผสมหรือระเหยเชื้อเพลิงก่อนที่จะถึงโซนการเผาไหม้ วิธีนี้ช่วยให้เชื้อเพลิงผสมกับอากาศได้อย่างสม่ำเสมอ ลดการปล่อยมลพิษจากเครื่องยนต์ ข้อเสียอย่างหนึ่งของวิธีนี้คือเชื้อเพลิงอาจติดไฟเองหรือเผาไหม้ก่อนที่ส่วนผสมเชื้อเพลิงกับอากาศจะถึงโซนการเผาไหม้ หากเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ ห้องเผาไหม้อาจได้รับความเสียหายอย่างร้ายแรง^{[ 16 ]}

เครื่องจุดไฟ

ตัวจุดประกายไฟส่วนใหญ่ในการใช้งานกังหันก๊าซเป็นตัวจุดประกายไฟไฟฟ้า คล้ายกับหัวเทียนในรถยนต์ตัวจุดประกายไฟต้องอยู่ในโซนการเผาไหม้ที่เชื้อเพลิงและอากาศผสมกันแล้ว แต่ต้องอยู่ห่างออกไปมากพอเพื่อไม่ให้ได้รับความเสียหายจากการเผาไหม้เอง เมื่อการเผาไหม้เริ่มต้นขึ้นโดยตัวจุดประกายไฟแล้ว การเผาไหม้จะดำเนินต่อไปได้เอง และไม่จำเป็นต้องใช้ตัวจุดประกายไฟอีกต่อไป^{[ 17 ]}ในห้องเผาไหม้แบบทรงกระบอกและแบบวงแหวน (ดู§ ประเภทของห้องเผาไหม้ ) เปลวไฟสามารถแพร่กระจายจากโซนการเผาไหม้หนึ่งไปยังอีกโซนหนึ่งได้ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีตัวจุดประกายไฟในแต่ละโซน ในบางระบบมีการใช้เทคนิคช่วยจุดประกายไฟ วิธีหนึ่งคือการฉีดออกซิเจน โดยออกซิเจนจะถูกส่งไปยังบริเวณจุดประกายไฟ ช่วยให้เชื้อเพลิงเผาไหม้ได้ง่ายขึ้น วิธีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานเครื่องบินบางประเภทที่เครื่องยนต์อาจต้องสตาร์ทใหม่ที่ระดับความสูงมาก^{[ 18 ]}

อากาศหลัก

นี่คืออากาศเผาไหม้หลัก เป็นอากาศอัดสูงจากคอมเพรสเซอร์แรงดันสูง (มักจะลดความเร็วลงผ่านทางตัวกระจายอากาศ) ที่ป้อนผ่านช่องหลักในโดมของห้องเผาไหม้และรูบุผนังชุดแรก อากาศนี้ผสมกับเชื้อเพลิงแล้วจึงเผาไหม้^{[ 19 ]}

อากาศระดับกลาง

อากาศระดับกลางคืออากาศที่ฉีดเข้าไปในโซนการเผาไหม้ผ่านรูบุผนังชุดที่สอง (อากาศหลักผ่านชุดแรก) อากาศนี้ทำให้กระบวนการปฏิกิริยาสมบูรณ์ เจือจางความเข้มข้นสูงของคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และไฮโดรเจน (H2 ₎ [ ^{20 ] และ}ยังช่วยลดอุณหภูมิของก๊าซจากการเผาไหม้ด้วย

อากาศเจือจาง

อากาศเจือจางคืออากาศที่ฉีดผ่านรูในซับในที่ปลายห้องเผาไหม้เพื่อลดอุณหภูมิของก๊าซไอเสียก่อนที่จะไปถึงกังหัน อากาศจะถูกใช้อย่างระมัดระวังเพื่อสร้างโปรไฟล์อุณหภูมิที่สม่ำเสมอตามที่ต้องการในห้องเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม เมื่อเทคโนโลยีใบพัดกังหันดีขึ้น ทำให้สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นได้ อากาศเจือจางจึงถูกใช้น้อยลง ทำให้สามารถใช้อากาศเผาไหม้ได้มากขึ้น^{[ 20 ]}

อากาศเย็น

อากาศเย็นคืออากาศที่ถูกฉีดเข้าไปผ่านรูเล็กๆ ในซับในเพื่อสร้างชั้น (ฟิล์ม) ของอากาศเย็นเพื่อป้องกันซับในจากอุณหภูมิการเผาไหม้ การใช้งานอากาศเย็นต้องได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวังเพื่อไม่ให้เกิดการโต้ตอบโดยตรงกับอากาศและการเผาไหม้ ในบางกรณี อาจใช้อากาศเย็นมากถึง 50% ของอากาศขาเข้า มีวิธีการฉีดอากาศเย็นหลายวิธี และวิธีการดังกล่าวอาจส่งผลต่อโปรไฟล์อุณหภูมิที่ซับในได้รับ (ดู§ ซับใน ) ^{[ 21 ]}

ห้องเผาไหม้แบบกระป๋องเป็นห้องเผาไหม้ทรงกระบอกแบบปิดสนิท แต่ละ "กระป๋อง" มีหัวฉีดเชื้อเพลิง ตัวจุดไฟ ปลอก และตัวเรือนของตัวเอง^{[ 22 ]}อากาศหลักจากคอมเพรสเซอร์จะถูกส่งเข้าไปในกระป๋องแต่ละอัน ซึ่งอากาศจะถูกลดความเร็ว ผสมกับเชื้อเพลิง แล้วจึงจุดไฟ อากาศรองก็มาจากคอมเพรสเซอร์เช่นกัน โดยจะถูกส่งเข้าไปด้านนอกของปลอก (ซึ่งภายในปลอกเป็นที่ที่เกิดการเผาไหม้) จากนั้นอากาศรองจะถูกส่งเข้าไป โดยปกติผ่านช่องในปลอก เข้าไปในโซนการเผาไหม้เพื่อระบายความร้อนปลอกผ่านการระบายความร้อนด้วยฟิล์มบาง^{[ 23 ]}

ในการใช้งานส่วนใหญ่ กระป๋องหลายใบจะถูกจัดเรียงรอบแกนกลางของเครื่องยนต์ และไอเสียที่ใช้ร่วมกันจะถูกส่งไปยังกังหัน กระป๋องเผาไหม้แบบกระป๋องถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์กังหันแก๊สรุ่นแรกๆ เนื่องจากออกแบบและทดสอบได้ง่าย (สามารถทดสอบกระป๋องเพียงใบเดียว แทนที่จะต้องทดสอบทั้งระบบ) กระป๋องเผาไหม้แบบกระป๋องบำรุงรักษาง่าย เนื่องจากต้องถอดเพียงกระป๋องเดียว แทนที่จะถอดส่วนการเผาไหม้ทั้งหมด เครื่องยนต์กังหันแก๊สสมัยใหม่ส่วนใหญ่ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในเครื่องบิน) ไม่ได้ใช้กระป๋องเผาไหม้แบบกระป๋อง เนื่องจากมักมีน้ำหนักมากกว่าแบบอื่นๆ นอกจากนี้ การลดลงของความดันในกระป๋องโดยทั่วไปจะสูงกว่ากระป๋องเผาไหม้แบบอื่นๆ (ประมาณ 7%) เครื่องยนต์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ที่ใช้กระป๋องเผาไหม้แบบกระป๋องเป็นเครื่องยนต์เทอร์โบชาฟต์ที่มีคอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยง^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

เตาเผาประเภทถัดไปคือเตาเผาแบบ "ทรงกระบอกวงแหวน" ^{[ 28 ]}เช่นเดียวกับเตาเผาแบบทรงกระบอก เตาเผาแบบทรงกระบอกวงแหวนมีโซนการเผาไหม้แยกกันซึ่งบรรจุอยู่ในปลอกแยกกันพร้อมหัวฉีดเชื้อเพลิงของตัวเอง แตกต่างจากเตาเผาแบบทรงกระบอกตรงที่โซนการเผาไหม้ทั้งหมดใช้ปลอกวงแหวน (แอนนูลัส) ร่วมกัน โซนการเผาไหม้แต่ละโซนไม่จำเป็นต้องทำหน้าที่เป็นภาชนะรับแรงดันอีกต่อไป^{[ 29 ]}โซนการเผาไหม้ยังสามารถ "สื่อสาร" กันได้ผ่านรูในปลอกหรือท่อเชื่อมต่อที่ช่วยให้อากาศไหลผ่านรอบวงได้ การไหลออกจากเตาเผาแบบทรงกระบอกวงแหวนโดยทั่วไปจะมีโปรไฟล์อุณหภูมิที่สม่ำเสมอกว่า ซึ่งดีกว่าสำหรับส่วนของกังหัน นอกจากนี้ยังช่วยขจัดความจำเป็นที่แต่ละห้องจะต้องมีตัวจุดไฟของตัวเอง เมื่อไฟติดในทรงกระบอกหนึ่งหรือสองอันแล้ว ก็สามารถลุกลามไปยังทรงกระบอกอื่นๆ และจุดไฟได้ง่าย ห้องเผาไหม้ประเภทนี้มีน้ำหนักเบากว่าแบบกระป๋อง และมีแรงดันตกคร่อมต่ำกว่า (ประมาณ 6%) อย่างไรก็ตาม ห้องเผาไหม้แบบกระป๋องวงแหวนอาจดูแลรักษายากกว่าห้องเผาไหม้แบบกระป๋อง^{[ 30 ]}ตัวอย่างของเครื่องยนต์กังหันแก๊สที่ใช้ห้องเผาไหม้แบบกระป๋องวงแหวน ได้แก่ เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ตเช่นGeneral Electric J79และเครื่องยนต์เทอร์โบแฟนเช่นPratt & Whitney TF30และRolls-Royce Tay ^{[ 31 ]}

ประเภทสุดท้ายของห้องเผาไหม้ที่ใช้กันทั่วไปคือห้องเผาไหม้แบบวงแหวนเต็มรูปแบบ ห้องเผาไหม้แบบวงแหวนจะขจัดโซนการเผาไหม้ที่แยกจากกันออกไป และมีเพียงปลอกและผนังต่อเนื่องเป็นวงแหวน (วงแหวน) ห้องเผาไหม้แบบวงแหวนมีข้อดีหลายประการ ได้แก่ การเผาไหม้ที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น ขนาดที่สั้นกว่า (จึงเบากว่า) และพื้นที่ผิวที่น้อยกว่า^{[ 32 ] [ 33 ]}นอกจากนี้ ห้องเผาไหม้แบบวงแหวนมักจะมีอุณหภูมิทางออกที่สม่ำเสมอมาก พวกเขายังมีการลดลงของความดันต่ำที่สุดในบรรดาการออกแบบทั้งสามแบบ (ประมาณ 5%) ^{[ 34 ]}การออกแบบแบบวงแหวนยังง่ายกว่า แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วการทดสอบจะต้องใช้แท่นทดสอบขนาดเต็ม เครื่องยนต์ที่ใช้ห้องเผาไหม้แบบวงแหวน ได้แก่CFM International CFM56 , General Electric F110และPratt & Whitney F401เครื่องยนต์กังหันแก๊สสมัยใหม่เกือบทั้งหมดใช้ห้องเผาไหม้แบบวงแหวน ในทำนองเดียวกัน งานวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับห้องเผาไหม้ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงห้องเผาไหม้ประเภทนี้

หนึ่งในรูปแบบของห้องเผาไหม้แบบวงแหวนมาตรฐานคือห้องเผาไหม้แบบวงแหวนคู่ (DAC) เช่นเดียวกับห้องเผาไหม้แบบวงแหวน DAC เป็นวงแหวนต่อเนื่องโดยไม่มีโซนการเผาไหม้แยกต่างหากรอบรัศมี ความแตกต่างคือห้องเผาไหม้มีโซนการเผาไหม้สองโซนรอบวงแหวน ได้แก่ โซนนำร่องและโซนหลัก โซนนำร่องทำหน้าที่เหมือนกับห้องเผาไหม้แบบวงแหวนเดี่ยว และเป็นโซนเดียวที่ทำงานที่ระดับกำลังต่ำ ที่ระดับกำลังสูง โซนหลักจะถูกใช้งานด้วย ทำให้การไหลของอากาศและมวลผ่านห้องเผาไหม้เพิ่มขึ้น การนำห้องเผาไหม้ประเภทนี้ไปใช้ของ GE มุ่งเน้นไปที่การลดการปล่อยNO _xและ CO ₂ ^{[ 35 ]}แผนภาพที่ดีของ DAC สามารถดูได้จาก Purdueการขยายหลักการเดียวกันกับห้องเผาไหม้แบบวงแหวนคู่ ห้องเผาไหม้แบบวงแหวนสามชั้นและ "แบบวงแหวนหลายชั้น" ได้รับการเสนอและจดสิทธิบัตรแล้ว^{[ 36 ] [ 37 ]}

หนึ่งในปัจจัยขับเคลื่อนในการออกแบบกังหันก๊าซสมัยใหม่คือการลดการปล่อยมลพิษ และห้องเผาไหม้เป็นส่วนสำคัญที่ก่อให้เกิดการปล่อยมลพิษของกังหันก๊าซ โดยทั่วไปแล้ว การปล่อยมลพิษจากเครื่องยนต์กังหันก๊าซมี 5 ประเภทหลัก ได้แก่ ควัน_{คาร์บอนไดออกไซด์}( CO2 ) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ไฮโดรคาร์บอนที่ยังไม่เผาไหม้ (UHC) และไนโตรเจนออกไซด์ ( _NOx ) ^{[ 38 ] [ 39 ]}

ควันส่วนใหญ่จะลดลงได้โดยการผสมเชื้อเพลิงกับอากาศอย่างสม่ำเสมอมากขึ้น ดังที่ได้กล่าวไว้ในส่วนหัวฉีดเชื้อเพลิงข้างต้น หัวฉีดเชื้อเพลิงสมัยใหม่ (เช่น หัวฉีดเชื้อเพลิงแบบเป่าลม) จะทำให้เชื้อเพลิงเป็นละอองอย่างสม่ำเสมอและกำจัดจุดที่มีความเข้มข้นของเชื้อเพลิงสูง เครื่องยนต์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้หัวฉีดเชื้อเพลิงประเภทนี้และแทบจะไม่มีควันเลย^{[ 38 ]}

คาร์บอนไดออกไซด์เป็นผลผลิตจาก กระบวนการ เผาไหม้และสามารถลดปริมาณลงได้เป็นหลักโดยการลดการใช้เชื้อเพลิง โดยเฉลี่ยแล้ว การเผาไหม้เชื้อเพลิงเครื่องบิน 1 กิโลกรัมจะผลิต CO2 3.2 กิโลกรัม_การปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์จะลดลงอย่างต่อเนื่องเมื่อผู้ผลิตปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องยนต์กังหันก๊าซ^{[ 39 ]}

การปล่อยไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมด (UHC) และคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) มีความสัมพันธ์กันอย่างมาก UHC คือเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ไม่สมบูรณ์ โดยส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นที่ระดับกำลังต่ำ (ซึ่งเครื่องยนต์ไม่ได้เผาไหม้เชื้อเพลิงทั้งหมด) ^{[ 39 ]} UHC ส่วนใหญ่จะทำปฏิกิริยาและก่อตัวเป็น CO ภายในห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการปล่อยมลพิษทั้งสองประเภทจึงมีความสัมพันธ์กันอย่างมาก ผลจากความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดนี้ ห้องเผาไหม้ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการปล่อย CO จึงได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการปล่อย UHC ด้วยเช่นกัน ดังนั้นงานออกแบบส่วนใหญ่จึงมุ่งเน้นไปที่การปล่อย CO ^{[ 38 ]}

คาร์บอนมอนอกไซด์เป็นผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของการเผาไหม้ และจะถูกกำจัดออกไปโดยการออกซิเดชัน CO และOHทำปฏิกิริยากันเพื่อสร้าง CO2 _และ H กระบวนการนี้ซึ่งใช้ CO ต้องใช้เวลานานพอสมควร ("ค่อนข้าง" ใช้เพราะกระบวนการเผาไหม้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก) อุณหภูมิสูง และความดันสูง ข้อเท็จจริงนี้หมายความว่าเครื่องเผาไหม้ที่มี CO ต่ำจะมีเวลาอยู่ในห้องเผาไหม้ นาน (โดยพื้นฐานแล้วคือระยะเวลาที่ก๊าซอยู่ในห้องเผาไหม้) ^{[ 38 ]}

เช่นเดียวกับ CO ไนโตรเจนออกไซด์ (NO _x ) ก็ถูกผลิตขึ้นในโซนการเผาไหม้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ต่างจาก CO ตรงที่ NO x จะถูกผลิตขึ้นมากที่สุดในสภาวะที่ CO ถูกบริโภคมากที่สุด (อุณหภูมิสูง ความดันสูง ระยะเวลาอยู่ในระบบนาน) ซึ่งหมายความว่าโดยทั่วไปแล้ว การลดการปล่อย CO จะส่งผลให้ NO _x เพิ่มขึ้น และในทางกลับกัน ข้อเท็จจริงนี้หมายความว่าการลดการปล่อยมลพิษที่ประสบความสำเร็จส่วนใหญ่ต้องใช้การผสมผสานหลายวิธี^{[ 38 ]}

ระบบเผาไหม้เสริม (หรือระบบเพิ่มแรงขับ) เป็นส่วนประกอบเพิ่มเติมที่ติดตั้งในเครื่องยนต์ไอพ่น บางประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในเครื่องบิน รบความเร็วเหนือเสียงจุดประสงค์คือเพื่อเพิ่มแรงขับ ชั่วคราว ทั้งสำหรับการบินด้วยความเร็วเหนือเสียงและการขึ้นบิน (เนื่องจากภาระปีก สูง ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเครื่องบินความเร็วเหนือเสียง ทำให้ความเร็วในการขึ้นบินสูงมาก) ในเครื่องบินรบแรงขับที่เพิ่มขึ้นนี้ยังมีประโยชน์ใน สถานการณ์ การรบ ด้วย วิธีการนี้ทำได้โดยการฉีดเชื้อเพลิง เพิ่มเติม เข้าไปในท่อไอเสียของไอพ่นหลังจากกังหัน และเผาไหม้ เชื้อเพลิงนั้น ข้อดีของการเผาไหม้เสริมคือแรงขับที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ข้อเสียคือการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูงและประสิทธิภาพต่ำ แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะถือว่ายอมรับได้สำหรับช่วงเวลาสั้นๆ ที่มักใช้ระบบนี้ก็ตาม

เครื่องยนต์ไอพ่นจะถูกเรียกว่าทำงานแบบเปียกเมื่อมีการใช้ระบบเผาไหม้เพิ่มเติม และทำงานแบบแห้งเมื่อใช้งานเครื่องยนต์โดยไม่ใช้ระบบเผาไหม้เพิ่มเติม เครื่องยนต์ที่ให้แรงขับสูงสุดแบบเปียกคือเครื่องยนต์ที่ทำงานที่กำลังสูงสุดหรือกำลังเผาไหม้เพิ่มเติมสูงสุด (นี่คือกำลังสูงสุดที่เครื่องยนต์สามารถผลิตได้) ส่วนเครื่องยนต์ที่ให้แรงขับสูงสุดแบบแห้งคือเครื่องยนต์ที่ทำงานที่กำลังสูงสุดในระดับใช้งานทางทหารหรือ กำลัง แห้ง สูงสุด

เช่นเดียวกับห้องเผาไหม้หลักในกังหันก๊าซ ห้องเผาไหม้เสริมก็มีทั้งตัวเรือนและปลอกหุ้ม ซึ่งทำหน้าที่เดียวกันกับห้องเผาไหม้หลัก ความแตกต่างที่สำคัญอย่างหนึ่งระหว่างห้องเผาไหม้หลักและห้องเผาไหม้เสริมคือ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นไม่ได้ถูกจำกัดโดยส่วนของกังหัน ดังนั้นห้องเผาไหม้เสริมจึงมักมีอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสูงกว่าห้องเผาไหม้หลักมาก^{[ 40 ]}ความแตกต่างอีกประการหนึ่งคือ ห้องเผาไหม้เสริมไม่ได้ออกแบบมาเพื่อผสมเชื้อเพลิงได้ดีเท่ากับห้องเผาไหม้หลัก ดังนั้นเชื้อเพลิงทั้งหมดจึงไม่ได้ถูกเผาไหม้ภายในส่วนของห้องเผาไหม้เสริม^{[ 41 ]}ห้องเผาไหม้เสริมมักต้องใช้ตัวยึดเปลวไฟเพื่อป้องกันไม่ให้ความเร็วของอากาศในห้องเผาไหม้เสริมพัดเปลวไฟดับ ตัวยึดเหล่านี้มักเป็นรูปทรงทึบหรือ "รางรูปตัววี" ที่อยู่ด้านหลังหัวฉีดเชื้อเพลิงโดยตรง ซึ่งสร้างการไหลความเร็วต่ำเฉพาะที่ในลักษณะเดียวกับที่โดมทำในห้องเผาไหม้หลัก^{[ 42 ]}

เครื่องยนต์ แรมเจ็ตแตกต่างจากเครื่องยนต์กังหันแก๊สแบบดั้งเดิมในหลายด้าน แต่หลักการส่วนใหญ่ยังคงเหมือนเดิม ความแตกต่างที่สำคัญประการหนึ่งคือ การไม่มีเครื่องจักรหมุน (กังหัน) หลังห้องเผาไหม้ ไอเสียจากห้องเผาไหม้จะถูกส่งตรงไปยังหัวฉีด ทำให้ห้องเผาไหม้ของแรมเจ็ตสามารถเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้ ความแตกต่างอีกประการหนึ่งคือ ห้องเผาไหม้ของแรมเจ็ตหลายแบบไม่ได้ใช้ปลอกหุ้มเหมือนกับห้องเผาไหม้ของกังหันแก๊ส นอกจากนี้ ห้องเผาไหม้ของแรมเจ็ตบางแบบเป็นแบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรง แทนที่จะเป็นแบบทั่วไป ห้องเผาไหม้แบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรงจะฉีดเชื้อเพลิงและอาศัยการหมุนเวียนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงพื้นที่ขนาดใหญ่ในห้องเผาไหม้ (แทนที่จะใช้ตัวสร้างกระแสน้ำวนในห้องเผาไหม้ของกังหันแก๊สหลายแบบ) ^{[ 43 ]}อย่างไรก็ตาม ห้องเผาไหม้ของแรมเจ็ตหลายแบบก็คล้ายกับห้องเผาไหม้ของกังหันแก๊สแบบดั้งเดิม เช่น ห้องเผาไหม้ในแรมเจ็ตที่ใช้ใน ขีปนาวุธ RIM-8 Talosซึ่งใช้ห้องเผาไหม้แบบกระป๋อง^{[ 44 ]}

เครื่องยนต์ Scramjet ( supersonic combustion ramjet ) มีสถานการณ์ที่แตกต่างกันมากสำหรับห้องเผาไหม้เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์กังหันแก๊สแบบดั้งเดิม (scramjet ไม่ใช่กังหันแก๊ส เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่น้อยหรือไม่มีเลย) แม้ว่าห้องเผาไหม้ของ scramjet อาจแตกต่างจากห้องเผาไหม้แบบดั้งเดิมในทางกายภาพ แต่ก็เผชิญกับความท้าทายในการออกแบบหลายอย่างเช่นเดียวกัน เช่น การผสมเชื้อเพลิงและการรักษาเปลวไฟ อย่างไรก็ตาม ดังที่ชื่อบ่งบอก ห้องเผาไหม้ของ scramjet ต้องจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ใน สภาพแวดล้อมการไหล แบบเหนือเสียงตัวอย่างเช่น สำหรับ scramjet ที่บินด้วยความเร็วMach 5 การไหลของอากาศที่เข้าสู่ห้องเผาไหม้จะมีค่าประมาณ Mach 2 หนึ่งในความท้าทายที่สำคัญในเครื่องยนต์ scramjet คือการป้องกันคลื่นกระแทกที่เกิดจากห้องเผาไหม้ไม่ให้เคลื่อนที่ย้อนกลับเข้าไปในช่องรับอากาศ หากเกิดเหตุการณ์เช่นนั้น เครื่องยนต์อาจหยุดทำงานส่งผลให้สูญเสียแรงขับ รวมถึงปัญหาอื่นๆ เพื่อป้องกันสิ่งนี้ เครื่องยนต์ scramjet มักจะมีส่วนที่แยก (ดูภาพ) อยู่ด้านหน้าโซนการเผาไหม้ทันที^{[ 45 ]}

• ส่วนประกอบของเครื่องยนต์เจ็ท

• [1]
• การจำแนกประเภทของห้องเผาไหม้
• [2]
• [3]
• [4]
• [5]
• [6]
• [7]