CAMARAS DE COMBUSTIÓN

La cámara de combustión es el elemento dentro del cual una mezcla de combustible y aire a alta presión se quema. Los gases que resultan del proceso de combustión pasan a la turbina con una temperatura uniforme.

Para que el proceso de combustión se desarrolle correcta y eficientemente en una turbina de gas, la cámara de combustión debe cumplir con las siguientes funciones:
Proporcionar los medios necesarios para una adecuada mezcla del aire a alta presión y el combustible.
Quemar eficientemente la mezcla de aire y combustible.
Entregar a la turbina los gases con una temperatura uniforme que no sobrepase los límites de resistencia de los materiales con los cuales están construidos los álabes del rotor y estator.Para cumplir con estos propósitos, el aire entregado por el compresor a la cámara de combustión se divide en dos flujos conocidos como primario y secundario. El flujo primario es la porción de aire que se mezcla con el combustible y se quema; entre un 25 y 35% del aire que entra a la cámara de combustión es conducido a los alrededores del inyector para este fin. El flujo secundario entra por orificios dispuestos en las paredes de la cámara de combustión para mantenerlas frías, centrar la llama y combinarse con los productos de la combustión para disminuir y homogenizar la temperatura del flujo que entra a la turbina.

El funcionamiento de las cámaras de combustión se muestran acontinuaciòn:

Las cámaras de combustión empleadas en las turbinas de gas para aviación pueden clasificarse en cualquiera de los siguientes tipos:

• Cámara de combustión tipo Can.
• Cámara de combustión tipo Can-annular.
• Cámara de combustión tipo Annular.

Cámara de combustión tipo Can.

Este tipo de cámara de combustión fue comúnmente empleado en los primeros diseños de turbinas de gas. Dependiendo del diseño del motor, un sistema de combustión puede tener una o varias cámaras tipo can, cada una conformada por un inyector de combustible, una pared perforada en forma cilíndrica o tubular (liner) y una cubierta individual que la contiene. Las cámaras están interconectadas por pequeños tubos de propagación de llama que permiten que la combustión iniciada por las bujías en dos de las cámaras se propague a las demás.

Esta tipo de cámaras de combustión facilita su mantenimiento ya que pueden repararse o reemplazarse cámaras individuales y no todo el conjunto. Sin embargo, no aprovecha eficientemente el espacio y requiere una mayor superficie de metal para contener el flujo de gas.

Cámara de combustión tipo Can-annular.

Este tipo de cámaras de combustión es ampliamente usado en los motores de turbina de gas modernos. Consta de una cubierta exterior anular que contiene varias paredes cilíndricas perforadas, cada una con un inyector de combustible e interconectadas entre sí por pequeños tubos de propagación de llama.

Debido a que una sola cubierta contiene las paredes cilíndricas perforadas o liners, se ahorra peso por la menor cantidad de metal empleado y se obtiene un mejor aprovechamiento del espacio.

Cámara de combustión tipo Annular.

Este tipo de cámara de combustión está reemplazando a los tipos can-annular en los motores más modernos. Consiste en una pared perforada o liner y una cubierta dispuestas en forma anular. Varios inyectores se instalan a lo largo de la circunferencia de la cámara de combustión para suministrar el combustible necesario y dos bujías proporcionan la energía para la ignición de la mezcla.

Esta configuración hace que las cámaras de combustión tipo Annular tengan mejores características en cuanto a eficiencia térmica, peso y longitud. La menor superficie metálica requerida para contener el flujo de gases hace que se requiera menos aire para su enfriamiento.

Dependiendo de la forma en que el flujo pasa por la cámara de combustión Annular, esta puede ser de flujo directo o flujo reverso.

camaras de tipo annular de flujo directo.

camaras de tipo annular de flujo reverso.

Más aire entra en la cámara de combustión para reducir la temperatura de los gases producto de la combustión en una zona de dilución. Los gases son forzados nuevamente a hacer un viraje de 180º para ser entregados a las etapas de turbina que generalmente se encuentran en el espacio interno que forma la cámara de combustión.

EFICIENCIA DE LA COMBUSTIÓN

Uno de los parámetros más importantes para el diseño de cámaras de combustión es la eficiencia de la combustión por cuanto tiene un efecto directo en los costos de operación de las turbinas de gas y emisión de gases contaminantes además de restricciones de alcance y capacidad de carga en las aeronaves que utilizar este tipo de motores como sistema propulsivo.
El objetivo de los diseñadores de sistemas de combustión es lograr que la eficiencia alcance un 100% en todas las condiciones de operación. De hecho, se logran eficiencias superiores a 99.5% en condiciones de máxima potencia (maniobras de decolaje en aeronaves) y operación continua (vuelo crucero), pero en condiciones diferentes a las de diseño como en potencia reducida o mínima, este valor puede estar muy cercano al 90%. Para cumplir con las regulaciones de emisión de monóxidos de carbono y otros hidrocarburos, la eficiencia en condiciones diferentes a las de diseño no debe estar por debajo del 98.5%. La eficiencia de la combustión puede definirse simplemente como la relación entre el incremento de la entalpía (ó temperatura) real y el incremento de la entalpía (ó temperatura) ideal: