Camera di combustione
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La camera di combustione è quella parte del motore in cui viene bruciato il combustibile.
All'interno della classe dei motori esistono due tipologie molto diverse di camera di combustione, l'una relativa ai motori alternativi o "volumetrici" (motori alternativi a combustione interna, ma anche "rotativi" tipo "Wankel"), l'altra relativa a motori a "flusso continuo" o motori a getto (e in tal caso viene anche detta "combustore" o "combustore aeronautico").
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[modifica] Principali differenze tra un motore volumetrico e un motore a flusso continuo
Oltre alle ovvie differenze costruttive, anche il processo di combustione è significativamente diverso tra le due tipologie.
- In un motore a pistoni la miscela di gas da incendiare è confinata in uno spazio ristretto, tra cilindro e pistone, e quando avviene la combustione la pressione sale quasi istantaneamente, mentre in un motore a getto aria e combustibile passano attraverso la camera di combustione e quando la miscela s'incendia è la temperatura che sale repentinamente, mentre la pressione varia di poco.
- In un motore a pistoni la combustione avviene con la fiamma premiscelata, mentre in una camera di combustione di un motore continuo, la combustione avviene con la fiamma a diffusione, questo perché la fiamma invece che espandersi in una camera chiusa, è come se fosse ferma, mentre il fluido è in movimento e la miscelazione avviene sul fronte di fiamma stesso.
- Un'altra differenza con il motore a pistoni risiede nel fatto che mentre in quest'ultimo l'innalzamento termico è solo momentaneo (meno di un tempo su quattro nei motori quattro tempi), la combustione nei motori a getto è continua e l'innalzamento termico del flusso è assai elevato, ed è anche per questo motivo che mentre il motore a pistoni brucia tutta l'aria a disposizione, mentre il motore a getto ne utilizza solo una parte.
[modifica] In un motore volumetrico
In pratica, nella camera di combustione di un motore volumetrico (4T, 2T, Wankel), delimitata dal cilindro, pistone e testa del gruppo termico, la combustione si innesca in un dato istante (definito dall'accensione) e in un punto ben preciso della camera di combustione (candela, iniettore o precamera), sviluppando il fronte di fiamma.
Il fronte di fiamma è una superficie ideale che separa ciò che è combusto da ciò che deve ancora bruciare e "viaggia" all'interno della camera ad una velocità di alcuni ordini di grandezza superiore a quella del fluido contenuto (che può, con buona approssimazione, essere considerato fermo), costituito da una miscela di comburente e combustibile.
La camera di combustione deve quindi avere determinate caratteristiche:
- Permettere un rapido processo di combustione che massimizzi il rendimento, massimizzi la potenza specifica, minimizzi la dispersione ciclica, migliori le emissioni nocive.
- Evitare il fenomeno della preaccensione.
- Evitare il fenomeno della detonazione, che causa il battito in testa
- Limitare le perdite termiche di calore attraverso le pareti, per ottimizzare il rendimento termico globale.
- Possedere una richiesta ottanica adeguata, per poter sfruttare il massimo rapporto di compressione e/o utilizzare combustibili di minor pregio.
- Possedere (nel caso del motore a ciclo otto) un elevato coefficiente di riempimento (quindi massimizzare il rendimento volumetrico), nelle condizioni di massima ammissione.
[modifica] Il combustore aeronautico (turbina)
La Camera di combustione di una turbina o di un motore a getto, è l'organo che trasforma l'energia chimica del combustibile in energia cinetica del fluido, è composta essenzialmente dall'involucro, dal diffusore, dai liner e dal sistema di iniezione del combustibile.
[modifica] Zone della camera
Nella "zona primaria" viene immesso circa il 20% dell'aria a disposizione per effettuare la combustione e per rallentare il flusso in modo che stabilizzi la fiamma.
Nella "zona intermedia" attraverso dei fori sulle pareti si immette un altro 20% dell'aria che serve a completare la combustione.
Nella "zona di diluizione" viene immesso un altro 20% di aria per il controllo della distribuzione della temperatura in uscita dalla camera di combustione e serve a non surriscaldare o scaldare non uniformemente la palettatura della girante (la turbina).
Il restante 40% del flusso si dice aria di raffreddamento delle pareti, affinché il combustore non raggiunga temperature critiche rottura o peggio di fusione.
Dalla camera di combustione dipende la potenza in termini di energia cinetica utilizzabile.
[modifica] Accorgimenti
Perché la fiamma sia stabilizzata nel flusso, occorre che la velocità dell'aria intorno ad essa sia la più bassa possibile (sicuramente minore di 30 m/s, pari a 108 km/h) e questo viene realizzato per mezzo di corpi non aerodinamici che creano un ricircolo nella zona da stabilizzare.
Il combustibile viene spruzzato dagli iniettori che provvedono a nebulizzarlo per miscelarlo il più possibile e garantire quindi una combustione il più possibile completa.
Nella camera sono anche presenti degli "accenditori" che, come il loro nome specifica, servono ad accendere la miscela oppure a riaccenderla nel caso si spenga.
[modifica] Tipi di combustione
La camera di combustione può essere di piu tipi:
- Anulare, cioè un anello attorno all'asse del motore, continuo e senza interruzioni
- Cannulare, ovverosia una serie di camere cilindriche disposte attorno all'asse del motore.
I vantaggi della prima sono un flusso più omogeneo, un fattore importante per la durata della palettatura della turbina, mentre della seconda una fiamma più stabile.
