Spalovací

cílem spalovací plynové turbíny je doplnit energii do systému k napájení turbíny, a produkovat vysokou rychlost výfukových plynů tryskou v leteckých aplikacích. Stejně jako jakýkoli technický problém, jak toho dosáhnout, vyžaduje vyvažování mnoho design úvahy, jako je například následující:

• Zcela vznícení paliva. V opačném případě motor plýtvá nespáleným palivem a vytváří nežádoucí emise nespálených uhlovodíků, oxidu uhelnatého (CO) a sazí.
• nízká tlaková ztráta napříč spalovačem. Turbína, kterou spalovač napájí, potřebuje vysoký tlakový tok, aby mohla efektivně fungovat.
• plamen (spalování) musí být držen (obsažen) uvnitř spalovače. Pokud dojde ke spalování dále v motoru, mohou být stupně turbíny snadno přehřáté a poškozené. Navíc, například turbínové lopatky i nadále růst více pokročilé a jsou schopny odolávat vyšším teplotám, spalovací komory, které jsou navrženy tak, aby spalování při vyšších teplotách a části spalovacích musí být navrženy tak, aby vydržely ty vyšší teploty.
• To by měl být schopen samozapalovací ve vysoké nadmořské výšce v případě engine flame out.
• rovnoměrný výstupní teplotní profil. Pokud jsou ve výstupním toku horká místa, může být turbína vystavena tepelnému namáhání nebo jiným druhům poškození. Podobně, teplotní profil uvnitř spalovače by se měl vyhnout horkým místům, protože ty mohou poškodit nebo zničit spalovač zevnitř.
• malá fyzická velikost a hmotnost. Prostor a hmotnost jsou v letadlových aplikacích prvotřídní, takže dobře navržený spalovač se snaží být kompaktní. Neletecké aplikace, jako plynové turbíny na výrobu energie, nejsou tímto faktorem tak omezeny.
• široký rozsah provozu. Většina spalovačů musí být schopna pracovat s různými vstupními tlaky, teplotami a hmotnostními toky. Tyto faktory se mění jak s nastavením motoru, tak s podmínkami prostředí (tj. plný plyn v nízké nadmořské výšce se může velmi lišit od volnoběžného plynu ve vysoké nadmořské výšce).
• environmentální emise. Existují přísné předpisy týkající se emisí znečišťujících látek v letadlech, jako je oxid uhličitý a oxidy dusíku, takže spalovače musí být navrženy tak, aby tyto emise minimalizovaly. (Viz Emise sekci níže)

Zdroje:

HistoryEdit

Pokrok ve spalovací technologie zaměřen na několik odlišných oblastí, emise, provozní rozsah, a trvanlivost. Rané proudové motory produkují velké množství kouře, takže brzy spalovací zálohy, v roce 1950, byly zaměřeny na snížení kouř z motoru. Jakmile kouř byl v podstatě odstraněny, úsilí obrátila v roce 1970 ke snížení dalších emisí, jako nespálených uhlovodíků a oxidu uhelnatého (pro více podrobností, viz Emise oddíl níže). V roce 1970 došlo také ke zlepšení trvanlivosti spalin, protože nové výrobní metody zlepšily životnost vložky (viz součásti níže) téměř 100krát vyšší než u raných vložek. V roce 1980 spalovací komory, které začala zlepšovat jejich účinnost v celém provozním rozsahu; spalovací komory, které mají tendenci být vysoce efektivní (99%+) na plný výkon, ale účinnost vysadil na nižší nastavení. Vývoj v tomto desetiletí zlepšil efektivitu na nižších úrovních. 1990 a 2000s viděl obnovený důraz na snižování emisí, zejména oxidů dusíku. Technologie Combustor je stále aktivně zkoumána a pokročilá a mnoho moderních výzkumů se zaměřuje na zlepšení stejných aspektů.

ComponentsEdit

Case

pouzdro je vnější plášť spalovače a je poměrně jednoduchá konstrukce. Pouzdro obecně vyžaduje malou údržbu. Pouzdro je chráněno před tepelným zatížením proudem vzduchu, takže tepelný výkon je omezený. Skříň však slouží jako tlaková nádoba, která musí odolat rozdílu mezi vysokými tlaky uvnitř spalovače a nižším tlakem venku. Že mechanické (spíše než tepelné) zatížení je hnací konstrukční faktor v případě.

difuzor

účelem difuzoru je zpomalit vysokorychlostní, vysoce stlačený vzduch z kompresoru na rychlost optimální pro spalovač. Snížení rychlosti vede k nevyhnutelné ztrátě celkového tlaku, takže jednou z konstrukčních výzev je co nejvíce omezit ztrátu tlaku. Kromě toho musí být difuzor navržen tak, aby co nejvíce omezil zkreslení toku tím, že se vyhne účinkům proudění, jako je oddělení mezní vrstvy. Stejně jako většina ostatních součástí motoru s plynovou turbínou je difuzor navržen tak, aby byl co nejkratší a nejlehčí.

vložka

vložka obsahuje spalovací proces a zavádí různé proudy vzduchu (meziprodukt, ředění a chlazení, viz cesty proudění vzduchu níže) do spalovací zóny. Vložka musí být navržena a vyrobena tak, aby odolala prodlouženým vysokoteplotním cyklům. Z tohoto důvodu mají vložky tendenci být vyrobeny ze superslitin, jako je Hastelloy x. kromě toho, i když se používají vysoce výkonné slitiny, musí být vložky chlazeny proudem vzduchu. Některé spalovače také využívají tepelné bariérové povlaky. Stále je však nutné chlazení vzduchem. Obecně existují dva hlavní typy chlazení vložky; chlazení filmu a transpirační chlazení. Chlazení filmu funguje vstřikováním (jedním z několika způsobů) chladného vzduchu z vnější strany vložky do vnitřní části vložky. Tím se vytvoří tenký film chladného vzduchu, který chrání vložku, čímž se například sníží teplota na vložce z přibližně 1800 Kelvinů (K) na přibližně 830 k. Druhý typ chlazení vložky, transpirační chlazení, je modernější přístup, který používá porézní materiál pro vložku. Porézní vložka umožňuje projít malým množstvím chladicího vzduchu, což poskytuje chladicí výhody podobné chlazení filmu. Dva primární rozdíly jsou ve výsledném teplotním profilu vložky a požadovaném množství chladicího vzduchu. Transpirační chlazení má za následek mnohem rovnoměrnější teplotní profil, protože chladicí vzduch je rovnoměrně zaváděn póry. Filmový chladicí vzduch je obecně zaveden přes lamely nebo žaluzie, což má za následek nerovný profil, kde je chladnější na lamele a teplejší mezi lamelami. Ještě důležitější je, že transpirační chlazení používá mnohem méně chladicího vzduchu (řádově 10% celkového průtoku vzduchu, spíše než 20-50% pro chlazení filmu). Použití méně vzduchu pro chlazení umožňuje více využití pro spalování, což je stále důležitější pro vysoce výkonné motory s vysokým tahem.

Čenich

čenich je rozšíření dome (viz níže), která funguje jako vzduchový separátor, oddělující primární vzduch ze sekundární vzduch proudí (intermediate, ředění a chlazení vzduchu; viz proudění Vzduchu cest oddíl níže).

Dome / swirler

kopule a swirler jsou součástí spalovací komory, které primárního vzduchu (Air flow cesty níže) protéká jak to vstupuje do spalovací zóny. Jejich úlohou je vytvářet turbulence v toku, aby se rychle mísil vzduch s palivem. Brzy spalovače tendenci používat blaf tělo kopule (spíše než vířících), který používal jednoduchý talíř vytvořit probudit turbulence míchat palivo a vzduch. Většina moderních designů je však stabilizována vířením (použijte vířiče). Vířidlo vytváří lokální nízkotlakou zónu, která nutí některé produkty spalování k recirkulaci a vytváří vysokou turbulenci. Nicméně, vyšší turbulence, tím vyšší je tlaková ztráta bude pro spalovací komoru, takže kupole a swirler musí být pečlivě navrženy tak, aby generovat větší turbulence než je potřeba dostatečně mix paliva a vzduchu.

vstřikovače Paliva

vstřikovací ventil je zodpovědný za zavádění paliva do spalovací zóny a, spolu s swirler (viz výše), je zodpovědný za míchání paliva a vzduchu. Existují čtyři primární typy vstřikovačů paliva; tlakové atomizace, tryskání vzduchem, odpařování, a premix / prevaporizing vstřikovače. Tlak rozprašování paliva vstřikovače spoléhat na vysoké tlaky paliva (stejně jako 3,400 kpa (500 psi)) atomizace paliva. Tento typ vstřikovače paliva má tu výhodu, že je velmi jednoduchý, ale má několik nevýhod. Palivový systém musí být dostatečně robustní, aby vydržely tak vysoké tlaky, a palivo má tendenci být nestejnoměrně atomizované, což vede k neúplné nebo nerovnoměrné spalování, které má více znečišťujících látek a kouře.

druhým typem vstřikovače paliva je vstřikovač vzduchu. Tento vstřikovač “výbuchy” list paliva s proudem vzduchu, rozprašování paliva do homogenní kapky. Tento typ vstřikovače paliva vedl k prvním bezdýmným spalovačům. Použitý vzduch je jen stejné množství primárního vzduchu (viz cesty proudění vzduchu níže), který je odváděn přes vstřikovač, spíše než víření. Tento typ vstřikovače také vyžaduje nižší tlak paliva než Typ rozprašování tlaku.

odpařování paliva vstřikovače, třetí typ, který je podobný vzduchu výbuch vstřikovače v tom, že primární vzduch se mísí s palivem, jako je vstřikován do spalovací zóny. Směs paliva a vzduchu však prochází trubicí uvnitř spalovací zóny. Teplo ze spalovací zóny se přenáší do směsi paliva a vzduchu, odpařuje část paliva (lépe se mísí) před spálením. Tato metoda umožňuje spalování paliva s menším tepelným zářením, což pomáhá chránit vložku. Trubka výparníku však může mít vážné problémy s trvanlivostí s nízkým průtokem paliva v ní (palivo uvnitř trubky chrání trubku před spalovacím teplem).

vstřikovače premixování / prevaporizace pracují smícháním nebo odpařováním paliva dříve, než dosáhne spalovací zóny. Tato metoda umožňuje velmi rovnoměrné smíchání paliva se vzduchem, což snižuje emise z motoru. Jednou z nevýhod této metody je, že palivo se může automaticky vznítit nebo jinak spálit dříve, než směs paliva a vzduchu dosáhne spalovací zóny. Pokud k tomu dojde, může být spalovač vážně poškozen.

zapalovač

většina zapalovačů v aplikacích s plynovou turbínou jsou elektrické zapalovací zapalovače, podobné automobilovým zapalovacím svíčkám. Zapalovač musí být ve spalovací zóně, kde je palivo a vzduch již smíchány, ale musí být dostatečně daleko proti proudu, aby nebyl poškozen samotným spalováním. Jakmile je spalování zpočátku zahájeno zapalovačem, je soběstačné a zapalovač se již nepoužívá. U can-prstencových a prstencových spalovačů (viz Typy spalovačů níže) se plamen může šířit z jedné spalovací zóny do druhé, takže zapalovače nejsou v každém z nich potřeba. V některých systémech se používají techniky zapalování. Jednou z takových metod je vstřikování kyslíku, kde je kyslík přiváděn do oblasti vznícení, což pomáhá palivu snadno spalovat. To je zvláště užitečné v některých aplikacích letadel, kde může být nutné motor restartovat ve vysoké nadmořské výšce.

cesty proudění Vzduchueditovat

primární vzduch

Toto je hlavní spalovací vzduch. Je vysoce stlačený vzduch z vysokotlakého kompresoru (často zpomalil prostřednictvím difuzéru), který je přiváděn přes hlavní programy v dome spalovací komory a první sadu vložky otvory. Tento vzduch je smíchán s palivem a poté spálen.

Intermediate vzduchu

Intermediate vzduch je vzduch vstříknut do spalovací zóny prostřednictvím druhé sady vložky otvory (primární vzduch prochází nejprve nastavit). Tento vzduch dokončuje reakční procesy, ochlazuje vzduch a ředí vysoké koncentrace oxidu uhelnatého (CO) a vodíku (H2).

Ředicího vzduchu

Ředicího vzduchu je proudění vzduchu vstřikuje přes otvory ve vložce na konci spalovací komory pro ochlazení vzduchu před tím, než dosáhne stupňů turbíny. Vzduch se pečlivě používá k vytvoření rovnoměrného teplotního profilu požadovaného ve spalovači. Nicméně, jak se technologie lopatek turbíny zlepšuje, což jim umožňuje odolávat vyšším teplotám, ředicí vzduch se používá méně, což umožňuje použití více spalovacího vzduchu.

Chlazení vzduchu

Chladicí vzduch je proud vzduchu, který je vstřikován prostřednictvím malých otvorů ve vložce generovat vrstvu (film) chladný vzduch k ochraně vložky ze spalovací teploty. Implementace chladicího vzduchu musí být pečlivě navržena tak, aby přímo neinteragovala se spalovacím vzduchem a procesem. V některých případech se jako chladicí vzduch používá až 50% vstupního vzduchu. Existuje několik různých způsobů vstřikování tohoto chladicího vzduchu a způsob může ovlivnit teplotní profil, kterému je vložka vystavena (viz vložka výše).