Brænder

formålet med forbrænderen i en gasturbine er at tilføje energi til systemet for at drive turbinerne og producere en højhastighedsgas til udstødning gennem dysen i flyapplikationer. Som med enhver teknisk udfordring kræver det at afbalancere mange designovervejelser, såsom følgende:

• helt forbrænde brændstoffet. Ellers spilder motoren det uforbrændte brændstof og skaber uønskede emissioner af uforbrændte kulbrinter, kulilte (CO) og sod.
• lavt tryktab på tværs af forbrænderen. Turbinen, som forbrænderen føder, har brug for højtryksstrøm for at fungere effektivt.
• flammen (forbrænding) skal holdes (indeholdt) inde i forbrænderen. Hvis forbrændingen sker længere tilbage i motoren, kan turbinetrinene let overophedes og beskadiges. Derudover, da turbineblade fortsætter med at vokse mere avancerede og er i stand til at modstå højere temperaturer, er forbrændingerne designet til at brænde ved højere temperaturer, og dele af forbrænderen skal designes til at modstå de højere temperaturer.
• det skal være i stand til at tænde igen i høj højde i tilfælde af motorflamme.
• ensartet udgangstemperaturprofil. Hvis der er hot spots i udgangsstrømmen, kan turbinen blive udsat for termisk stress eller andre former for skade. Tilsvarende bør temperaturprofilen i forbrænderen undgå hot spots, da de kan beskadige eller ødelægge en forbrænder indefra.
• lille fysisk størrelse og vægt. Plads og vægt er til en præmie i flyapplikationer, så en veldesignet forbrænder stræber efter at være kompakt. Ikke-fly applikationer, som kraftgenererende gasturbiner, er ikke så begrænset af denne faktor.
• bred vifte af drift. De fleste forbrændere skal kunne fungere med en række indløbstryk, temperaturer og massestrømme. Disse faktorer ændres med både motorindstillinger og miljøforhold (dvs. fuld gas ved lav højde kan være meget forskellig fra tomgangsgas i høj højde).
• miljøemissioner. Der er strenge regler for flyemissioner af forurenende stoffer som kulsyre og kvælstofilter, så forbrændingsanlæg skal designes for at minimere disse emissioner. (Se afsnittet emissioner nedenfor)

kilder:

Historieredit

fremskridt inden for forbrændingsteknologi fokuseret på flere forskellige områder; emissioner, driftsområde og holdbarhed. Tidlige jetmotorer producerede store mængder røg, så tidlige forbrændingsfremskridt i 1950 ‘ erne havde til formål at reducere røg produceret af motoren. Når røg i det væsentlige blev elimineret, blev indsatsen i 1970 ‘ erne for at reducere andre emissioner, som uforbrændte kulbrinter og kulilte (for flere detaljer, se afsnittet emissioner nedenfor). I 1970 ‘ erne oplevede også forbedring af forbrændingens holdbarhed, da nye fremstillingsmetoder forbedrede linerens levetid med næsten 100 gange den for tidlige liners. I 1980 ‘ erne begyndte forbrændere at forbedre deres effektivitet i hele driftsområdet; forbrændere havde tendens til at være meget effektive (99%+) ved fuld effekt, men denne effektivitet faldt ved lavere indstillinger. Udviklingen i løbet af dette årti forbedrede effektiviteten på lavere niveauer. I 1990 ‘erne og 2000’ erne blev der fornyet fokus på at reducere emissionerne, især kvælstofilte. Forbrændingsteknologi undersøges stadig aktivt og avanceret, og meget moderne forskning fokuserer på at forbedre de samme aspekter.

ComponentsEdit

Case

sagen er den ydre skal af forbrænderen, og er en forholdsvis enkel struktur. Huset kræver generelt lidt vedligeholdelse. Sagen er beskyttet mod termiske belastninger af luften, der strømmer i den, så termisk ydeevne er af begrænset bekymring. Foringsrøret fungerer imidlertid som en trykbeholder, der skal modstå forskellen mellem de høje tryk inde i forbrænderen og det lavere tryk udenfor. Den mekaniske (snarere end termiske) belastning er en drivende designfaktor i sagen.

Diffuser

formålet med diffusoren er at bremse den høje hastighed, stærkt komprimeret, luft fra kompressoren til en hastighed, der er optimal for forbrænderen. At reducere hastigheden resulterer i et uundgåeligt tab i det samlede tryk, så en af designudfordringerne er at begrænse tabet af tryk så meget som muligt. Desuden skal diffusoren være konstrueret til at begrænse strømningsforvrængningen så meget som muligt ved at undgå strømningseffekter som adskillelse af grænselag. Som de fleste andre gasturbinemotorkomponenter er diffusoren designet til at være så kort og let som muligt.

Liner

liner indeholder forbrændingsprocessen og introducerer de forskellige luftstrømme (mellem -, fortyndings-og køling, se luftstrømsstier nedenfor) i forbrændingsområdet. Foringen skal være designet og bygget til at modstå udvidede cyklusser med høj temperatur. Af den grund har liners tendens til at være lavet af superlegeringer som Hastelloy. Nogle forbrændere gør også brug af termiske barrierebelægninger. Luftkøling er dog stadig påkrævet. Generelt er der to hovedtyper af liner køling; filmkøling og transpirationskøling. Filmkøling virker ved at injicere (ved en af flere metoder) kølig luft fra ydersiden af foringen til lige inden i foringen. Dette skaber en tynd film af kølig luft, der beskytter foringen, hvilket reducerer temperaturen ved foringen fra omkring 1800 Kelvin (K) til omkring 830 K, for eksempel. Den anden type foringskøling, transpirationskøling, er en mere moderne tilgang, der bruger et porøst materiale til foringen. Den porøse foring tillader en lille mængde køleluft at passere gennem den, hvilket giver kølefordele svarende til filmkøling. De to primære forskelle er i foringens resulterende temperaturprofil og den krævede mængde køleluft. Transpirationskøling resulterer i en meget mere jævn temperaturprofil, da køleluften indføres ensartet gennem porerne. Filmkøleluft indføres generelt gennem lameller eller lameller, hvilket resulterer i en ujævn profil, hvor den er køligere ved lamellen og varmere mellem lamellerne. Endnu vigtigere bruger transpirationskøling meget mindre køleluft (i størrelsesordenen 10% af den samlede luftstrøm snarere end 20-50% til filmkøling). Brug af mindre luft til afkøling gør det muligt at bruge mere til forbrænding, hvilket er mere og mere vigtigt for motorer med høj ydeevne.

snude

snuden er en forlængelse af kuplen (se nedenfor), der fungerer som en luftdeler, der adskiller den primære luft fra de sekundære luftstrømme (mellemliggende, fortyndings-og køleluft; se afsnittet Luftstrømningsveje nedenfor).

kuppel / hvirvler

kuppel og hvirvler er den del af forbrænderen, som den primære luft (se luftstrømningsveje nedenfor) strømmer igennem, når den kommer ind i forbrændingsområdet. Deres rolle er at generere turbulens i strømmen for hurtigt at blande luften med brændstof. Tidlige forbrændere havde tendens til at bruge bluff kropskupler (snarere end hvirvler), som brugte en simpel plade til at skabe vågne turbulens for at blande brændstof og luft. De fleste moderne designs er dog hvirvelstabiliserede (brug hvirvler). Hvirvlen etablerer et lokalt lavtryksområde, der tvinger nogle af forbrændingsprodukterne til at recirkulere, hvilket skaber den høje turbulens. Jo højere turbulensen er, desto højere er tryktabet for forbrænderen, så kuppelen og hvirvlen skal være omhyggeligt designet for ikke at generere mere turbulens, end det er nødvendigt for at blande brændstof og luft tilstrækkeligt.

brændstofinjektor

brændstofinjektoren er ansvarlig for at indføre brændstof til forbrændingsområdet og er sammen med hvirvlen (ovenfor) ansvarlig for blanding af brændstof og luft. Der er fire primære typer brændstofinjektorer; tryk-forstøvning, luft blast, fordampning, og forblanding/prevaporisering injektorer. Trykforstøvende brændstofinjektorer er afhængige af høje brændstoftryk (så meget som 3.400 kilopascal (500 psi)) for at forstøve brændstoffet. Denne type brændstofinjektor har fordelen ved at være meget enkel, men den har flere ulemper. Brændstofsystemet skal være robust nok til at modstå sådanne høje tryk, og brændstoffet har tendens til at være heterogent forstøvet, hvilket resulterer i ufuldstændig eller ujævn forbrænding, der har flere forurenende stoffer og røg.

den anden type brændstofinjektor er luftblæsningsinjektoren. Denne injektor “sprænger” et brændstofark med en luftstrøm, der forstøver brændstoffet i homogene dråber. Denne type brændstofinjektor førte til de første røgfri forbrændere. Den anvendte luft er lige den samme mængde af den primære luft (se Luftstrømningsstier nedenfor), der omdirigeres gennem injektoren snarere end hvirvlen. Denne type injektor kræver også lavere brændstoftryk end trykforstøvningstypen.

den fordampende brændstofinjektor, den tredje type, svarer til luftblæsningsinjektoren, idet den primære luft blandes med brændstoffet, når den injiceres i forbrændingsområdet. Brændstof-luftblandingen bevæger sig imidlertid gennem et rør inden for forbrændingsområdet. Varme fra forbrændingsområdet overføres til brændstof-luftblandingen og fordamper noget af brændstoffet (blander det bedre), før det forbrændes. Denne metode gør det muligt at forbrænde brændstoffet med mindre termisk stråling, hvilket hjælper med at beskytte foringen. Fordamperrøret kan dog have alvorlige holdbarhedsproblemer med lav brændstofstrøm i det (brændstoffet inde i røret beskytter røret mod forbrændingsvarmen).

forblandings – /prevaporiseringsinjektorerne virker ved at blande eller fordampe brændstoffet, før det når forbrændingsområdet. Denne metode gør det muligt for brændstoffet at blandes meget ensartet med luften, hvilket reducerer emissionerne fra motoren. En ulempe ved denne metode er, at brændstof kan antænde eller på anden måde forbrænde, før brændstof-luftblandingen når forbrændingsområdet. Hvis dette sker, kan forbrænderen blive alvorligt beskadiget.

tændrør

de fleste tændere i gasturbineapplikationer er elektriske gnistantændere, svarende til bil tændrør. Tænderen skal være i forbrændingsområdet, hvor brændstoffet og luften allerede er blandet, men det skal være langt nok opstrøms, så det ikke beskadiges af selve forbrændingen. Når forbrændingen først er startet af tændingen, er den selvbærende, og tændingen bruges ikke længere. I dåse-ringformede og ringformede forbrændere (se typer forbrændere nedenfor) kan flammen sprede sig fra et forbrændingsområde til et andet, så der er ikke behov for tændere ved hver enkelt. I nogle systemer anvendes tændingsteknikker. En sådan metode er iltinjektion, hvor ilt tilføres tændingsområdet, hvilket hjælper brændstoffet let med at forbrænde. Dette er især nyttigt i nogle flyapplikationer, hvor motoren muligvis skal genstarte i høj højde.

luftstrømningsvejeredit

primær luft

dette er den vigtigste forbrændingsluft. Det er stærkt komprimeret luft fra højtrykskompressoren (ofte decelereret via diffusoren), der føres gennem hovedkanalerne i forbrændingens kuppel og det første sæt foringshuller. Denne luft blandes med brændstof og forbrændes derefter.

Mellemluft

Mellemluft er den luft, der indsprøjtes i forbrændingsområdet gennem det andet sæt foringshuller (primærluft går gennem det første sæt). Denne luft fuldender reaktionsprocesserne, køler luften ned og fortynder de høje koncentrationer af kulilte (CO) og brint (H2).

fortyndingsluft

fortyndingsluft er luftstrøm, der indsprøjtes gennem huller i foringen for enden af forbrændingskammeret for at hjælpe med at afkøle luften, før den når turbinetrinnene. Luften anvendes omhyggeligt til at frembringe den ønskede ensartede temperaturprofil i forbrænderen. Efterhånden som turbinebladeteknologien forbedres, så de kan modstå højere temperaturer, anvendes fortyndingsluft mindre, hvilket tillader brugen af mere forbrændingsluft.

køleluft

køleluft er luftstrøm, der injiceres gennem små huller i foringen for at generere et lag (film) kølig luft for at beskytte foringen mod forbrændingstemperaturerne. Implementeringen af køleluft skal designes omhyggeligt, så den ikke direkte interagerer med forbrændingsluften og processen. I nogle tilfælde bruges så meget som 50% af indløbsluften som køleluft. Der er flere forskellige metoder til indsprøjtning af denne køleluft, og metoden kan påvirke den temperaturprofil, som foringen udsættes for (se foringen ovenfor).