Trong buồng đốt, năng l−ợng liên kết hoá học trong nhiên liệu đuợc giải phóng vào không khí đ−ợc trộn đều đi vào tuốc bin khí nh− dòng khí truyền động (sinh công). Sơ đồ chức năng của buồng đốt đ−ợc vẽ trên hình.
Dòng không khí sơ cấp đi vào không gian buồng đốt qua bộ tạo xoáy của ống phun, trong đó năng l−ợng áp suất đ−ợc biến thành động năng. Dòng không khí sơ cấp trong buồng đốt có thành phần tốc độ vòng quay này tạo nên trong buồng một dòng chảy phức tạp với sự giẩm áp suất ở những đ−ờng kính phía trong. Nhờ vòi phun, nhiên liệu lỏng đ−ợc phun mịn thành những giọt rất nhỏ và có tốc độ t−ơng đối lớn so với không khí. Nhờ hiệu số nhiệt độ lớn mà nhiên liệu bốc hơi mạnh và sau khi hỗn hợp này đạt đ−ợc nhiệt độ bốc cháy thì hỗn hợp bùng cháy. Do sự chênh lập áp suất giữa các vùng, sẽ có một phần sản phẩm cháy quay trở lại những chỗ áp suất thấp và sấy nóng hỗn hợp ch−a cahý, làm cho nhiệt độ của môi chất làm việc tăng lên. Khi phản ứng xảy ra ở nhiệt độ càng cao thì quấ trình cháy sẽ trở nên ổn định hơn. Để tăng nhanh quá trình cháy thì cần thiết phải tạo ra các dòng rối bằng cách đ−a thêm một bộ phận không khí vào phía tr−ớc buồng đốt. Quá trình cháy có hiệu suất cao nhất với hệ số không khí trong khoảng từ α1=1,3 đến 2,2.
* Quá trình làm việc của buồng đốt
Quá trình làm việc của buồng đốt đ−ợc xác định bởi cấu trúc của buồng đốt và bởi những tình trạng vận hành. Quá trình làm việc của buồng đốt bao gồm quá trình cháy đốt cháy nhiên liệu; quá trình hỗn hợp sản phẩm cháy với không khí; các điều kiện làm mát ống lửa; các điều kiện khi phụ tải thay đổi và khi mở máy.
A. Quá trình cháy đốt cháy nhiên liệu
Quá trình cháy đốt cháy nhiên liệu đ−ợc xác định bởi quá trình phun nhỏ nhiên liệu, trạng thái không khí vào buồng đốt, trạng thái sản phẩm cháy, tỉ lệ dòng nhiệt khí đốt nhiên liệu và dạng hình học của buồng đốt.
Đối với chu trình đơn giản không có bộ trao đổi nhiệt, độ nén của máy nén th−ờng nằm trong khoảng từ 4 đến 8 và nhiệt độ không khí vào buồng đốt th−ờng từ 2000C đến 3200C.
109 Đối với chu trình đơn giản có bộ trao đổi nhiệt độ nén th−ờng trong vòng 5, nhiệt độ không khí từ 3000 đến 4000C.
Đối với những chu trình có độ nén nhiều cấp và qúa trình đốt nhiều lần th−ờng có độ nén là 12 tới 20.
Buồng đốt cao áp làm việc với nhiệt độ không khí vào khoảng 2000C khi không có bộ trao đổi nhiệt và với nhiệt độ 3000C đến 3500C khi dùng bộ trao đổi nhiệt. Buồng đốt hạ áp làm việc với áp suất khoảng 5 bar và nhiệt độ vào buồng đốt tới 6000C. Đối với những buồng đốt phụ của những chu trình hơi, khi làm việc ở áp suất trong vòng 11 bar với nhiệt độ của sản phâm cháy từ 4000C tới 5000C.
Nhiệt độ ra của các sản phẩm cháy từ các buồng đốt của thiết bị tuốc bin công nghiệp đạt tới 8500C ở máy bay tới 11000C.
Những tính chất vật lý của các loại nhiên liệu có ảnh h−ởng mạnh tới qúa trình cháy. ảnh h−ởng này đ−ợc thể hiện rõ khi phun nhỏ nhiên liệu, khi tạo hỗn hợp.
B. Những điều kiện làm việc của hỗn hợp các sản phẩm cháy và không khí
Điều kiện hỗn hợp đ−ợc xác định bởi trạng thái các sản phẩm cháy sơ cấp, từ giải đốt ở nhiệt độ gần 20000C và bởi trạng thấi không khí thứ cấp với nhiệt độ thấp hơn nhiều (khoảng từ 2000 đến 6000C) và bởi trạng thái nhiệt độ của các sản phẩm cháy và của không khí tại điểm đầu tiên của hỗn hợp, bởi tr−ờng tốc độ tại điểm ra khỏi không gian đốt của buồng đốt và bởi dạng hình học của không gian hỗn hợp.
Không khí hỗn hợp (thứ cấp) vào không gian hỗn hợp với áp suất d− vừa phải qua các lỗ đ−ợc bố trí phù hợp để có thể đạt đ−ợc tr−ờng nhiệt độ đều nhất của sản phẩm cháy tại cửa ra khỏi buồng đốt. Quá trình hỗn hợp xảy ra trong nhiều hàng lỗ, mà tại đó không khí hỗn hợp chảy qua với động năng cao và có h−ớng vuông góc với dòng chính của sản phẩm này.
Quá trình hỗn hợp của hai dòng đ−ợc thực hiện nhờ dòng rối xuất hiện tại bề mặt các dòng không khí làm mát. Để đạt đ−ợc tr−ờng nhiệt độ đồng đều nhất với tổn thất áp suất thấp nhất, ng−ời ta dùng các bộ phận làm lệch dòng nhằm có thể rút ngắn chiều dài của không gian đốt. Độ không đều của tr−ờng nhiệt độ tại cửa ra buồng đốt th−ờng có thể là ±(5 đến 20)% giá trị nhiệt độ tuyệt đối trung bình của sản phẩm cháy.
C. Các điều kiện làm mát ống lửa
Điều kiện làm mát ống lửa đ−ợc xác định bởi dòng nhiệt qua phần ống lửa, bởi trạng thái không khí đóng vai trò là chất làm mát và bởi trạng thái sản phẩm cháy là chất truyền nhiệt và bởi dạng hình học buồng đốt. Trong không gian đốt của buồng đốt, nhiệt độ cao do đó có dòng nhiệt bức xạ với c−ờng độ rất lớn, còn trong phần hỗn hợp do nhiệt độ thấp hơn nên dòng nhiệt nhỏ hơn nhiều. Mặt ngoài của ống lửa có các cánh tản nhiệt và đ−ợc làm mát nhờ đối l−u của không khí, mặt trong của ống lửa có một dòng không khí hay sản phẩm cháy ở các buồng áp suất hoặc từ buồng đốt phụ đi vào làm mát. Nhờ làm mát nh− vậy nên ở phía trong bộ phận ống lửa dòng nhiệt sẽ giảm đáng kể, đồng thời không khí đi vào sẽ đ−ợc gia nhiệt mạnh bởi dòng sản phẩm cháy. Nhiệt độ ống lửa phụ thuộc nhiều vào các ph−ơng pháp dẫn không khí lạnh. ở những buồng đốt ng−ợc dòng, không khí đ−ợc dần theo các cánh tản nhiệt của ống lửa với tốc độ lớn. Để ngăn ngừa sự tạo thành xỉ hoặc những chất cáu trong buồng đốt, phải đảm bảo để nhiệt độ thành ống lửa trong các các chế độ tải lớn nằm trong khoảng 5000 đến 6000C. Nhiệt độ cho phép của các ống lửa làm việc với ứng suất thấp ở những thiết bị tuốc bin khí trong công nghiệp khoảng từ 10000 đến 11000C.