Un combustor és un component o àrea d'una turbina de gas, estatorreactor o motor scramjet on té lloc la combustió. També es coneix com a cremador, recipient del cremador, cambra de combustió o portaflama. En un motor de turbina de gas, el combustor o la cambra de combustió rep aire a alta pressió mitjançant el sistema de compressió. El combustor escalfa aquest aire a pressió constant a mesura que la barreja de combustible/aire es crema. A mesura que es crema, la barreja de combustible/aire s'escalfa i s'expandeix ràpidament. La barreja cremada s'escapa del combustor a través dels àleps guia de la boquilla fins a la turbina. En el cas dels motors estatorreactor o scramjet, els gasos d'escapament s'alimenten directament a través de la boquilla.
Un combustor ha de contenir i mantenir una combustió estable malgrat els cabals d'aire molt elevats. Per fer-ho, els combustors estan dissenyats acuradament per barrejar i encendre primer l'aire i el combustible, i després barrejar-hi més aire per completar el procés de combustió. Els primers motors de turbina de gas utilitzaven una sola cambra coneguda com a combustor de tipus canó. Avui dia existeixen tres configuracions principals: canó, anular i canular (també anomenada canó-anular tubo-anular). Els postcombustidors sovint es consideren un altre tipus de combustor.
Els combustors tenen un paper crucial en la determinació de moltes de les característiques de funcionament d'un motor, com ara l'eficiència del combustible, els nivells d'emissions i la resposta transitòria (la resposta a condicions canviants com el flux de combustible i la velocitat de l'aire).
Fonaments miniatura|Combustor en un turborreactor Rolls-Royce Nene L'objectiu del combustor en una turbina de gas és afegir energia al sistema per alimentar les turbines i produir un gas d'alta velocitat que s'escapa a través de la broqueta en aplicacions aeronàutiques. Com passa amb qualsevol repte d'enginyeria, aconseguir això requereix equilibrar moltes consideracions de disseny, com ara les següents:
Cremar completament el combustible. En cas contrari, el motor malgasta el combustible no cremat i crea emissions no desitjades d'hidrocarburs no cremats, monòxid de carboni (CO) i sutge. Baixa pèrdua de pressió a través del combustor. La turbina que alimenta el combustor necessita un flux d'alta pressió per funcionar de manera eficient. La flama (combustió) s'ha de mantenir (continguda) dins del combustor. Si la combustió es produeix més enrere al motor, les etapes de la turbina es poden sobreescalfar i danyar fàcilment. A més, a mesura que les pales de la turbina continuen creixent i són capaces de suportar temperatures més altes, els combustors es dissenyen per cremar a temperatures més altes i les parts del combustor s'han de dissenyar per suportar aquestes temperatures més altes. Hauria de ser capaç de tornar a encendre's a gran altitud en cas d'apagada del motor. Perfil uniforme de temperatura de sortida. Si hi ha punts calents al flux de sortida, la turbina pot estar sotmesa a estrès tèrmic o altres tipus de danys. De la mateixa manera, el perfil de temperatura dins del combustor ha d'evitar els punts calents, ja que aquests poden danyar o destruir un combustor des de l'interior. Mida física i pes reduïts. L'espai i el pes són molt importants en les aplicacions aeronàutiques, per la qual cosa un combustor ben dissenyat s'esforça per ser compacte. Les aplicacions no aeronàutiques, com les turbines de gas que generen energia, no estan tan limitades per aquest factor. Àmplia gamma de funcionament. La majoria de combustors han de poder funcionar amb una varietat de pressions d'entrada, temperatures i fluxos màssics. Aquests factors canvien tant amb la configuració del motor com amb les condicions ambientals (és a dir, la màxima acceleració a baixa altitud pot ser molt diferent de la del ralentí a gran altitud). Emissions ambientals. Hi ha regulacions estrictes sobre les emissions de contaminants com el diòxid de carboni i els òxids de nitrogen de les aeronaus, per la qual cosa els combustors s'han de dissenyar per minimitzar aquestes emissions. (Vegeu la secció Emissions a continuació.)
Història Els avenços en la tecnologia dels combustors es van centrar en diverses àrees diferents: emissions, abast de funcionament i durabilitat. Els primers motors de reacció produïen grans quantitats de fum, de manera que els primers avenços en els combustors, a la dècada de 1950, tenien com a objectiu reduir el fum produït pel motor. Un cop eliminat essencialment el fum, els esforços es van centrar a la dècada de 1970 a reduir altres emissions, com ara els hidrocarburs no cremats i el monòxid de carboni (per a més detalls, vegeu la secció Emissions a continuació). La dècada de 1970 també va veure una millora en la durabilitat dels combustors, ja que els nous mètodes de fabricació van millorar la vida útil del revestiment (vegeu Components a continuació) gairebé 100 vegades superior a la dels primers revestiments. A la dècada de 1980, els combustors van començar a millorar la seva eficiència en tot l'abast de funcionament; els combustors tendien a ser altament eficients (més del 99%) a plena potència, però aquesta eficiència disminuïa a configuracions més baixes. El desenvolupament durant aquesta dècada va millorar l'eficiència a nivells més baixos. Les dècades de 1990 i 2000 van veure un renovat enfocament en la reducció d'emissions, en particular d'òxids de nitrogen. La tecnologia dels combustors encara s'està investigant i avançant activament, i gran part de la recerca moderna se centra en millorar els mateixos aspectes.
Components Casc vora|sense marc La carcassa és la closca exterior del combustor i té una estructura força senzilla. La carcassa generalment requereix poc manteniment. La carcassa està protegida de les càrregues tèrmiques per l'aire que hi flueix, de manera que el rendiment tèrmic no té gaire importància. Tanmateix, la carcassa serveix com a recipient a pressió que ha de suportar la diferència entre les altes pressions dins del combustor i la pressió més baixa a l'exterior. Aquesta càrrega mecànica (més que tèrmica) és un factor de disseny determinant a la carcassa.
Difusor
El propòsit del difusor és alentir l'aire d'alta velocitat i altament comprimit del compressor a una velocitat òptima per al combustor. La reducció de la velocitat provoca una pèrdua inevitable de pressió total, per la qual cosa un dels reptes del disseny és limitar la pèrdua de pressió tant com sigui possible. A més, el difusor ha d'estar dissenyat per limitar al màxim la distorsió del flux evitant els efectes del flux com la separació de la capa límit. Com la majoria dels altres components del motor de turbina de gas, el difusor està dissenyat per ser el més curt i lleuger possible.
El revestiment conté el procés de combustió i introdueix els diversos fluxos d'aire (intermedi, dilució i refredament, vegeu les vies de flux d'aire a continuació) a la zona de combustió. El revestiment ha d'estar dissenyat i construït per suportar cicles prolongats d'alta temperatura. Per aquesta raó, els revestiments tendeixen a estar fets de superaliatges com l'Hastelloy X. A més, tot i que s'utilitzen aliatges d'alt rendiment, els revestiments s'han de refredar amb flux d'aire. Alguns combustors també utilitzen recobriments de barrera tèrmica. Tanmateix, encara es requereix refredament per aire. En general, hi ha dos tipus principals de refredament del revestiment: el refredament per pel·lícula i el refredament per transpiració. El refredament per pel·lícula funciona injectant (mitjançant un de diversos mètodes) aire fred des de l'exterior del revestiment fins a l'interior del revestiment. Això crea una fina pel·lícula d'aire fred que protegeix el revestiment, reduint la temperatura al revestiment d'uns 1800 Kelvin (K) a uns 830 K, per exemple. L'altre tipus de refredament del revestiment, el refredament per transpiració, és un enfocament més modern que utilitza un material porós per al revestiment. El revestiment porós permet que hi passi una petita quantitat d'aire de refrigeració, proporcionant beneficis de refrigeració similars al refredament per pel·lícula. Les dues diferències principals es troben en el perfil de temperatura resultant del revestiment i la quantitat d'aire de refrigeració necessari. El refredament per transpiració resulta en un perfil de temperatura molt més uniforme, ja que l'aire de refrigeració s'introdueix uniformement a través dels porus. L'aire de refrigeració per pel·lícula s'introdueix generalment a través de lames o deflectors, donant lloc a un perfil desigual on és més fred a la lama i més càlid entre les lames. Més important encara, el refredament per transpiració utilitza molt menys aire de refrigeració (de l'ordre del 10% del flux d'aire total, en lloc del 20-50% per al refredament per pel·lícula). L'ús de menys aire per al refredament permet utilitzar-ne més per a la combustió, cosa que és cada cop més important per als motors d'alt rendiment i alt empenyiment.
Musell
El musell és una extensió de la cúpula (vegeu més avall) que actua com un divisor d'aire, separant l'aire primari dels fluxos d'aire secundari (aire intermedi, de dilució i de refrigeració; vegeu la secció Trajectes del flux d'aire més avall).
Cúpula / remolí
La cúpula i el remolí són la part del combustor per la qual flueix l'aire primari (vegeu les vies de flux d'aire a continuació) quan entra a la zona de combustió. La seva funció és generar turbulències en el flux per barrejar ràpidament l'aire amb el combustible. Els primers combustors tendien a utilitzar cúpules de cos bombat (en lloc de remolins), que utilitzaven una placa simple per crear turbulència d'estela per barrejar el combustible i l'aire. La majoria dels dissenys moderns, però, estan estabilitzats per remolí (utilitzen remolins). El remolí estableix una zona local de baixa pressió que obliga alguns dels productes de combustió a recircular, creant l'alta turbulència. Tanmateix, com més alta sigui la turbulència, més alta serà la pèrdua de pressió per al combustor, de manera que la cúpula i el remolí s'han de dissenyar acuradament per no generar més turbulència de la necessària per barrejar suficientment el combustible i l'aire.
Injector miniatura|Injectors de combustible d'un combustor de gir en un turbofan Pratt & Whitney JT9D L'injector de combustible és responsable d'introduir combustible a la zona de combustió i, juntament amb el remolí (a dalt), és responsable de barrejar el combustible i l'aire. Hi ha quatre tipus principals d'injectors de combustible: injectors d'atomització a pressió, injectors de ràfega d'aire, injectors de vaporització i injectors de premescla/prevaporització. Els injectors de combustible d'atomització a pressió depenen d'altes pressions de combustible (fins a ) per atomitzar el combustible. Aquest tipus d'injector de combustible té l'avantatge de ser molt simple, però té diversos desavantatges. El sistema de combustible ha de ser prou robust per suportar aquestes pressions elevades, i el combustible tendeix a atomitzar-se de manera heterogènia, cosa que resulta en una combustió incompleta o desigual que té més contaminants i fum.
El segon tipus d'injector de combustible és l'injector de ràfega d'aire. Aquest injector "injecta" una làmina de combustible amb un corrent d'aire, atomitzant el combustible en gotes homogènies. Aquest tipus d'injector de combustible va donar lloc als primers combustors sense fum. L'aire utilitzat és només una part de l'aire primari (vegeu les vies de flux d'aire a continuació) que es desvia a través de l'injector, en lloc del remolí. Aquest tipus d'injector també requereix pressions de combustible més baixes que el tipus d'atomització a pressió.