Brennkammer

Das Ziel der Brennkammer in einer Gasturbine ist es, dem System Energie hinzuzufügen, um die Turbinen anzutreiben, und ein Hochgeschwindigkeitsgas zu erzeugen, das durch die Düse in Flugzeuganwendungen abgezogen wird. Wie bei jeder technischen Herausforderung erfordert dies das Abwägen vieler konstruktiver Überlegungen, wie zum Beispiel der folgenden:

• Den Kraftstoff vollständig verbrennen. Andernfalls verschwendet der Motor den unverbrannten Kraftstoff und erzeugt unerwünschte Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid (CO) und Ruß.
• Geringer Druckverlust über die Brennkammer. Die Turbine, die die Brennkammer speist, benötigt einen hohen Druckfluss, um effizient zu arbeiten.
• Die Flamme (Verbrennung) muss innerhalb der Brennkammer gehalten werden. Wenn die Verbrennung weiter hinten im Motor stattfindet, können die Turbinenstufen leicht überhitzt und beschädigt werden. Da Turbinenschaufeln immer weiter fortgeschritten sind und höheren Temperaturen standhalten können, werden die Brennkammern so ausgelegt, dass sie bei höheren Temperaturen brennen, und die Teile der Brennkammer müssen so ausgelegt sein, dass sie diesen höheren Temperaturen standhalten.
• Es sollte in der Lage sein, im Falle eines Motorausbruchs in großer Höhe wieder anzuzünden.
• Einheitliches Austrittstemperaturprofil. Wenn heiße Stellen in der Austrittsströmung vorhanden sind, kann die Turbine thermischer Belastung oder anderen Arten von Schäden ausgesetzt sein. Ebenso sollte das Temperaturprofil innerhalb der Brennkammer Hot Spots vermeiden, da diese eine Brennkammer von innen beschädigen oder zerstören können.
• Kleine physikalische größe und gewicht. Platz und Gewicht sind bei Flugzeuganwendungen von entscheidender Bedeutung, daher ist eine gut konzipierte Brennkammer bestrebt, kompakt zu sein. Nicht-Flugzeug-Anwendungen, wie stromerzeugende Gasturbinen, sind durch diesen Faktor nicht so eingeschränkt.
• Breite palette von betrieb. Die meisten Brennkammern müssen in der Lage sein, mit einer Vielzahl von Eingangsdrücken, Temperaturen und Massenströmen zu arbeiten. Diese Faktoren ändern sich sowohl mit den Motoreinstellungen als auch mit den Umgebungsbedingungen (D. H. Vollgas in geringer Höhe kann sich stark von Leerlaufgas in großer Höhe unterscheiden).
• Umweltemissionen. Es gibt strenge Vorschriften für Flugzeugemissionen von Schadstoffen wie Kohlendioxid und Stickoxiden, daher müssen Brennkammern so ausgelegt werden, dass diese Emissionen minimiert werden. (Siehe Abschnitt Emissionen unten)

Quellen:

GeschichteBearbeiten

Fortschritte in der Brennkammertechnologie konzentrierten sich auf verschiedene Bereiche; Emissionen, Betriebsbereich und Haltbarkeit. Frühe Düsentriebwerke produzierten große Mengen Rauch, so dass frühe Brennkammerfortschritte in den 1950er Jahren darauf abzielten, den vom Motor erzeugten Rauch zu reduzieren. Nachdem der Rauch im Wesentlichen beseitigt war, wurden in den 1970er Jahren Anstrengungen unternommen, um andere Emissionen wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu reduzieren (weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Emissionen unten). In den 1970er Jahren verbesserte sich auch die Haltbarkeit der Brennkammer, da neue Herstellungsmethoden die Lebensdauer der Liner (siehe Komponenten unten) um fast das 100-fache der frühen Liner verbesserten. In den 1980er Jahren begannen Brennkammern, ihre Effizienz über den gesamten Betriebsbereich zu verbessern; Brennkammern waren tendenziell hocheffizient (99% +) bei voller Leistung, aber diese Effizienz sank bei niedrigeren Einstellungen. Die Entwicklung in diesem Jahrzehnt verbesserte die Effizienz auf niedrigeren Ebenen. In den 1990er und 2000er Jahren lag der Schwerpunkt erneut auf der Reduzierung von Emissionen, insbesondere von Stickoxiden. Die Brennkammertechnologie wird immer noch aktiv erforscht und weiterentwickelt, und viele moderne Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Verbesserung derselben Aspekte.

Komponentenbearbeiten

Gehäuse

Das Gehäuse ist die äußere Hülle der Brennkammer und hat eine ziemlich einfache Struktur. Das Gehäuse erfordert im Allgemeinen wenig Wartung. Das Gehäuse ist durch die darin strömende Luft vor thermischen Belastungen geschützt, so dass die thermische Leistung nur begrenzt von Belang ist. Das Gehäuse dient jedoch als Druckbehälter, der der Differenz zwischen den hohen Drücken innerhalb der Brennkammer und dem niedrigeren Druck außerhalb standhalten muss. Diese mechanische (und nicht thermische) Last ist ein treibender Konstruktionsfaktor in dem Fall.

Diffusor

Der Zweck des Diffusors besteht darin, die hochverdichtete Luft mit hoher Geschwindigkeit aus dem Kompressor auf eine für die Brennkammer optimale Geschwindigkeit zu verlangsamen. Eine Verringerung der Geschwindigkeit führt zu einem unvermeidbaren Verlust des Gesamtdrucks, daher besteht eine der konstruktiven Herausforderungen darin, den Druckverlust so weit wie möglich zu begrenzen. Darüber hinaus muss der Diffusor so ausgelegt sein, dass die Strömungsverzerrung so weit wie möglich begrenzt wird, indem Strömungseffekte wie Grenzschichttrennung vermieden werden. Wie die meisten anderen Gasturbinentriebwerkskomponenten ist der Diffusor so kurz und leicht wie möglich gestaltet.

Liner

Der Liner enthält den Verbrennungsprozess und leitet die verschiedenen Luftströme (Zwischen-, Verdünnungs- und Kühlluft, siehe Luftströmungspfade unten) in die Verbrennungszone ein. Der Liner muss so konstruiert und gebaut sein, dass er längeren Hochtemperaturzyklen standhält. Aus diesem Grund werden Liner in der Regel aus Superlegierungen wie Hastelloy X hergestellt. Darüber hinaus müssen die Liner, obwohl Hochleistungslegierungen verwendet werden, mit Luftstrom gekühlt werden. Einige Brennkammern verwenden auch Wärmedämmschichten. Eine Luftkühlung ist jedoch weiterhin erforderlich. Im Allgemeinen gibt es zwei Haupttypen der Linerkühlung; filmkühlung und Transpirationskühlung. Die Filmkühlung erfolgt durch Einspritzen (nach einer von mehreren Methoden) kühler Luft von außerhalb des Liners in das Innere des Liners. Dadurch entsteht ein dünner kühler Luftfilm, der den Liner schützt und die Temperatur am Liner beispielsweise von etwa 1800 Kelvin (K) auf etwa 830 K senkt. Die andere Art der Linerkühlung, die Transpirationskühlung, ist ein modernerer Ansatz, bei dem ein poröses Material für den Liner verwendet wird. Der poröse Liner lässt eine kleine Menge Kühlluft durch und bietet Kühlvorteile ähnlich der Filmkühlung. Die beiden Hauptunterschiede liegen im resultierenden Temperaturprofil des Liners und der benötigten Kühlluftmenge. Durch die Transpirationskühlung ergibt sich ein wesentlich gleichmäßigeres Temperaturprofil, da die Kühlluft gleichmäßig durch Poren eingeleitet wird. Filmkühlluft wird im Allgemeinen durch Lamellen oder Lamellen eingeführt, was zu einem ungleichmäßigen Profil führt, bei dem sie an der Lamelle kühler und zwischen den Lamellen wärmer ist. Noch wichtiger ist, dass die Transpirationskühlung viel weniger Kühlluft verbraucht (in der Größenordnung von 10% des Gesamtluftstroms anstelle von 20-50% für die Filmkühlung). Durch die Verwendung von weniger Luft zum Kühlen kann mehr für die Verbrennung verwendet werden, was für Hochleistungsmotoren mit hohem Schub immer wichtiger wird.

Schnauze

Die Schnauze ist eine Verlängerung der Kuppel (siehe unten), die als Luftspalter fungiert und die Primärluft von den Sekundärluftströmen (Zwischen-, Verdünnungs- und Kühlluft; siehe Abschnitt Luftströmungspfade unten) trennt.

Kuppel / Wirbel

Die Kuppel und der Wirbel sind der Teil der Brennkammer, durch den die Primärluft (siehe Luftströmungspfade unten) strömt, wenn sie in die Verbrennungszone eintritt. Ihre Aufgabe ist es, Turbulenzen in der Strömung zu erzeugen, um die Luft schnell mit Kraftstoff zu vermischen. Frühe Brennkammern neigten dazu, Bluff Body Domes (anstelle von Wirbeln) zu verwenden, die eine einfache Platte verwendeten, um Wirbelschleppen zu erzeugen, um den Kraftstoff und die Luft zu mischen. Die meisten modernen Designs sind jedoch wirbelstabilisiert (verwenden Sie Wirbel). Der Wirbel bildet eine lokale Niederdruckzone, die einen Teil der Verbrennungsprodukte zur Rezirkulation zwingt, wodurch die hohe Turbulenz entsteht. Je höher jedoch die Turbulenz ist, desto höher ist der Druckverlust für die Brennkammer, so dass die Kuppel und der Wirbel sorgfältig ausgelegt sein müssen, um nicht mehr Turbulenz zu erzeugen, als erforderlich ist, um den Brennstoff und die Luft ausreichend zu mischen.

Kraftstoff injektor

Der Kraftstoffinjektor ist für das Einleiten von Kraftstoff in die Verbrennungszone verantwortlich und zusammen mit dem Wirbel (oben) für das Mischen von Kraftstoff und Luft. Es gibt vier Haupttypen von Einspritzdüsen; druckzerstäubungs-, Luftstoß-, Verdampfungs- und Vormisch- / Vorverdampfungsinjektoren. Druckzerstäubende Einspritzdüsen sind auf hohe Kraftstoffdrücke (bis zu 3.400 Kilopascal (500 psi)) angewiesen, um den Kraftstoff zu zerstäuben. Diese Art von Einspritzventil hat den Vorteil, sehr einfach zu sein, hat jedoch mehrere Nachteile. Das Kraftstoffsystem muss robust genug sein, um solchen hohen Drücken standzuhalten, und der Kraftstoff neigt dazu, heterogen zerstäubt zu werden, was zu einer unvollständigen oder ungleichmäßigen Verbrennung führt, die mehr Schadstoffe und Rauch aufweist.

Die zweite art von kraftstoff injektor ist die air blast injektor. Dieser Injektor “sprengt” eine Kraftstofffolie mit einem Luftstrom und zerstäubt den Kraftstoff in homogene Tröpfchen. Diese Art von Kraftstoffinjektor führte zu den ersten rauchlosen Brennkammern. Die verwendete Luft ist nur die gleiche Menge der Primärluft (siehe Luftströmungspfade unten), die durch den Injektor und nicht durch den Wirbel umgeleitet wird. Dieser Injektortyp erfordert auch niedrigere Kraftstoffdrücke als der Druckzerstäubungstyp.

Der verdampfende Kraftstoffinjektor, der dritte Typ, ähnelt dem Luftstrahlinjektor insofern, als Primärluft mit dem Kraftstoff gemischt wird, wenn er in die Verbrennungszone eingespritzt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch durchläuft jedoch ein Rohr innerhalb der Verbrennungszone. Wärme aus der Verbrennungszone wird auf das Kraftstoff-Luft-Gemisch übertragen, wobei ein Teil des Kraftstoffs verdampft (besser gemischt) wird, bevor er verbrannt wird. Mit dieser Methode kann der Kraftstoff mit weniger Wärmestrahlung verbrannt werden, was zum Schutz des Liners beiträgt. Das Verdampferrohr kann jedoch ernsthafte Haltbarkeitsprobleme mit einem geringen Kraftstofffluss in sich haben (der Kraftstoff im Inneren des Rohrs schützt das Rohr vor der Verbrennungswärme).

Die Vormisch- /Vorverdampfungsinjektoren arbeiten, indem sie den Kraftstoff mischen oder verdampfen, bevor er die Verbrennungszone erreicht. Mit dieser Methode kann der Kraftstoff sehr gleichmäßig mit der Luft gemischt werden, wodurch die Emissionen des Motors reduziert werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Kraftstoff sich selbst entzünden oder anderweitig verbrennen kann, bevor das Kraftstoff-Luft-Gemisch die Verbrennungszone erreicht. In diesem Fall kann die Brennkammer ernsthaft beschädigt werden.

Zünder

Die meisten Zünder in Gasturbinenanwendungen sind elektrische Funkenzünder, ähnlich wie Zündkerzen für Kraftfahrzeuge. Der Zünder muss sich in der Verbrennungszone befinden, in der Kraftstoff und Luft bereits gemischt sind, aber er muss weit genug stromaufwärts sein, damit er nicht durch die Verbrennung selbst beschädigt wird. Sobald die Verbrennung anfänglich vom Zünder gestartet wird, ist sie selbsterhaltend und der Zünder wird nicht mehr verwendet. In can-ringförmigen und ringförmigen Brennkammern (siehe Arten von Brennkammern unten) kann sich die Flamme von einer Verbrennungszone zur anderen ausbreiten, so dass Zünder nicht an jeder benötigt werden. In einigen Systemen werden Zündunterstützungstechniken verwendet. Eine solche Methode ist die Sauerstoffinjektion, bei der Sauerstoff dem Zündbereich zugeführt wird, wodurch der Kraftstoff leicht verbrannt werden kann. Dies ist besonders nützlich bei einigen Flugzeuganwendungen, bei denen der Motor möglicherweise in großer Höhe neu gestartet werden muss.

Luftströmungswegebearbeiten

Primärluft

Dies ist die Hauptverbrennungsluft. Es ist stark komprimierte Luft aus dem Hochdruckkompressor (oft über den Diffusor abgebremst), die durch die Hauptkanäle in der Kuppel der Brennkammer und den ersten Satz von Auskleidungslöchern zugeführt wird. Diese Luft wird mit Kraftstoff gemischt und dann verbrannt.

Zwischenluft

Zwischenluft ist die Luft, die durch den zweiten Satz von Auskleidungslöchern in die Verbrennungszone eingespritzt wird (Primärluft durchläuft den ersten Satz). Diese Luft vervollständigt die Reaktionsprozesse, kühlt die Luft ab und verdünnt die hohen Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2).

Verdünnungsluft

Verdünnungsluft wird durch Löcher in der Auskleidung am Ende der Brennkammer injiziert, um die Luft zu kühlen, bevor sie die Turbinenstufen erreicht. Die Luft wird sorgfältig verwendet, um das gewünschte gleichmäßige Temperaturprofil in der Brennkammer zu erzeugen. Da sich die Turbinenschaufeltechnologie jedoch verbessert und höheren Temperaturen standhält, wird weniger Verdünnungsluft verwendet, wodurch mehr Verbrennungsluft verwendet werden kann.

Kühlluft

Kühlluft ist ein Luftstrom, der durch kleine Löcher in den Liner eingespritzt wird, um eine Schicht (Film) kühler Luft zu erzeugen, die den Liner vor den Verbrennungstemperaturen schützt. Die Implementierung von Kühlluft muss sorgfältig entworfen werden, damit sie nicht direkt mit der Verbrennungsluft und dem Prozess interagiert. In einigen Fällen werden bis zu 50% der Zuluft als Kühlluft verwendet. Es gibt verschiedene Methoden, diese Kühlluft einzuspritzen, und das Verfahren kann das Temperaturprofil beeinflussen, dem der Liner ausgesetzt ist (siehe Liner oben).