Combustor

kaasuturbiinin polttimen tavoitteena on lisätä järjestelmään energiaa turbiinien voimanlähteeksi ja tuottaa suurinopeuksinen kaasu suuttimen kautta pakokaasuun lentokonesovelluksissa. Kuten minkä tahansa teknisen haasteen kohdalla, tämän saavuttaminen vaatii monien suunnittelunäkökohtien, kuten seuraavien, tasapainottamista:

• polta polttoaine. Muussa tapauksessa moottori tuhlaa palamatonta polttoainetta ja aiheuttaa ei-toivottuja päästöjä palamattomista hiilivedyistä, hiilimonoksidista (CO) ja noesta.
• pieni painehäviö palopesäkkeessä. Turbiini, jota polttolaite syöttää, tarvitsee korkean paineen virtauksen toimiakseen tehokkaasti.
• liekkiä (palamista) on pidettävä paloputken sisällä. Jos palaminen tapahtuu kauempana moottorissa, turbiinin vaiheet voivat helposti ylikuumentua ja vaurioitua. Lisäksi koska turbiinin lavat kasvavat edelleen kehittyneemmiksi ja kestävät korkeampia lämpötiloja, polttimet on suunniteltu palamaan korkeammissa lämpötiloissa ja polttimen osat on suunniteltava kestämään näitä korkeampia lämpötiloja.
• sen on voitava syttyä uudelleen korkealla, jos moottori sammuu.
• yhtenäinen ulostulolämpötilaprofiili. Jos ulostulovirrassa on kuumia kohtia, turbiini voi altistua lämpöjännitykselle tai muunlaisille vaurioille. Samoin polttimen lämpötilaprofiilin tulisi välttää kuumia pisteitä, koska ne voivat vahingoittaa tai tuhota polttimen sisäpuolelta.
• pieni fyysinen koko ja paino. Avaruus ja paino ovat ensiluokkaisia lentokonesovelluksissa, joten hyvin suunniteltu palolaite pyrkii olemaan kompakti. Tämä tekijä ei rajoita muiden kuin ilma-alusten sovelluksia, kuten sähköä tuottavia kaasuturbiineja.
• laaja toiminta-alue. Useimpien polttimien on kyettävä toimimaan erilaisilla sisääntulopaineilla, lämpötiloilla ja massavirroilla. Nämä tekijät muuttuvat sekä Moottorin asetuksissa että ympäristöolosuhteissa (eli täydellä kaasulla matalalla voi olla hyvin erilainen kuin tyhjäkäynnillä korkealla).
• ympäristöpäästöt. Ilma-alusten saastepäästöjä, kuten hiilidioksidi-ja typenoksidipäästöjä, koskevat tiukat säännökset, joten polttomoottorit on suunniteltava näiden päästöjen minimoimiseksi. (Katso päästöjä koskeva jakso jäljempänä)

lähteet:

HistoryEdit

poltintekniikan edistysaskeleet keskittyivät useisiin eri alueisiin; päästöihin, toiminta-alueeseen ja kestävyyteen. Varhaiset suihkumoottorit tuottivat suuria määriä savua, joten varhaisilla polttomoottoreilla pyrittiin 1950-luvulla vähentämään moottorin tuottamaa savua. Kun savu oli pääosin eliminoitu, 1970-luvulla pyrittiin vähentämään muita päästöjä, kuten palamattomia hiilivetyjä ja hiilimonoksidia (tarkempia tietoja on alla olevassa Päästöosiossa). 1970-luvulla myös polttimen kestävyys parani, kun uudet valmistusmenetelmät paransivat vuorauksen (KS.komponentit alla) käyttöikää lähes 100-kertaisesti varhaisiin vuorauksiin verrattuna. 1980-luvulla polttimet alkoivat parantaa tehokkuuttaan koko käyttöalueella; polttimet olivat yleensä erittäin tehokkaita (99%+) täydellä teholla, mutta teho putosi alemmilla asetuksilla. Tuon vuosikymmenen aikana tapahtunut kehitys paransi tehokkuutta alemmilla tasoilla. 1990-ja 2000-luvuilla keskityttiin uudelleen päästöjen, erityisesti typen oksidien, vähentämiseen. Combustor-tekniikkaa tutkitaan ja kehitetään edelleen aktiivisesti, ja suuri osa nykyaikaisesta tutkimuksesta keskittyy samojen näkökohtien parantamiseen.

ComponentsEdit

Case

kotelo on polttimen ulkokuori, ja se on melko yksinkertainen rakenne. Kotelo vaatii yleensä vain vähän huoltoa. Kotelo on suojattu lämpökuormilta siihen virtaavalla ilmalla, joten terminen suorituskyky on vähäinen huolenaihe. Kotelo toimii kuitenkin paineastiana, jonka on kestettävä polttimen sisällä olevien korkeiden paineiden ja ulkopuolella olevan alemman paineen välinen ero. Tämä mekaaninen (eikä terminen) kuorma on ajosuunnittelutekijä tapauksessa.

diffuusori

diffuusorin tarkoituksena on hidastaa kompressorista tulevaa erittäin nopeaa ilmaa polttimelle optimaaliseen nopeuteen. Nopeuden alentaminen johtaa väistämättömään kokonaispaineen menetykseen, joten yksi suunnittelun haasteista on rajoittaa paineen menetystä mahdollisimman paljon. Lisäksi diffuusori on suunniteltava rajoittamaan virtauksen vääristymistä mahdollisimman paljon välttämällä virtauksen vaikutuksia, kuten rajakerroksen erottelua. Kuten useimmat muut kaasuturbiinimoottorin osat, diffuusori on suunniteltu mahdollisimman lyhyeksi ja kevyeksi.

Liner

vuoraus sisältää palamisprosessin ja tuo erilaiset ilmavirrat (väli -, laimennus-ja jäähdytysvirrat, KS.alla olevat Ilmavirtausreitit) palamisvyöhykkeelle. Vuoraus on suunniteltava ja rakennettava kestämään pitkiä korkean lämpötilan syklejä. Tästä syystä vuoraukset on yleensä valmistettu superseoksista, kuten Hastelloy X. lisäksi, vaikka korkean suorituskyvyn seoksia käytetään, vuoraukset on jäähdytettävä ilmavirralla. Joissakin polttimissa käytetään myös lämpöeristepinnoitteita. Ilmajäähdytystä tarvitaan kuitenkin edelleen. Yleensä on olemassa kaksi päätyyppiä liner jäähdytys; kalvon jäähdytys ja transpiraatio jäähdytys. Kalvojäähdytys toimii ruiskuttamalla (yhdellä monista menetelmistä) viileää ilmaa vuorauksen ulkopuolelta juuri vuorauksen sisäpuolelle. Näin syntyy ohut viileän ilman kalvo, joka suojaa vuorausta ja laskee vuorauksen lämpötilan noin 1800 kelvinistä (K) noin 830 K: een. Toinen liner jäähdytys, transpiration jäähdytys, on nykyaikaisempi lähestymistapa, joka käyttää huokoista materiaalia liner. Huokoinen vuoraus antaa pienen määrän jäähdytysilmaa kulkea sen läpi, mikä tarjoaa jäähdytysetuja, jotka ovat samanlaisia kuin kalvojäähdytys. Kaksi ensisijaista eroa ovat vuorauksen lämpötilaprofiili ja tarvittavan jäähdytysilman määrä. Transpiraatiojäähdytys johtaa paljon tasaisempaan lämpötilaprofiiliin, koska jäähdytysilma kulkeutuu tasaisesti huokosten läpi. Kalvojäähdytysilma johdetaan yleensä säleiden tai säleiden kautta, jolloin profiili on epätasainen, jossa säleiden välissä on viileämpää ja säleiden välissä lämpimämpää. Vielä tärkeämpää on, että transpiration jäähdytys käyttää paljon vähemmän jäähdytysilmaa (noin 10% kokonaisilmavirrasta, eikä 20-50% kalvojäähdytykseen). Käyttämällä vähemmän ilmaa jäähdytykseen voidaan käyttää enemmän palamiseen, mikä on yhä tärkeämpää korkean suorituskyvyn, korkean työntövoiman Moottoreille.

kuono

kuono on kupolin jatke (KS.alla), joka toimii ilmanjakajana erottaen ensiöilman toisioilmavirroista (väli -, laimennus-ja jäähdytysilma; KS. Ilmavirtauspolut-jakso alla).

kupoli / pyörre

kupoli ja pyörre ovat se polttimen osa, jonka läpi Ensiöilma (katso Ilmavirtausreitit alla) virtaa saapuessaan palamisvyöhykkeelle. Niiden tehtävänä on tuottaa virtaukseen turbulenssia, jotta ilma sekoittuu nopeasti polttoaineeseen. Varhaiset polttimet pyrkivät käyttämään bluffivartalokupoleja (eikä pyörteitä), jotka käyttivät yksinkertaista levyä luomaan vanavedessä turbulenssia polttoaineen ja ilman sekoittamiseksi. Useimmat nykyaikaiset mallit ovat kuitenkin pyörrevakautuneita (käytä pyörteitä). Pyörre muodostaa paikallisen matalapainevyöhykkeen, joka pakottaa osan palamistuotteista kiertämään, jolloin syntyy suuri turbulenssi. Mitä suurempi turbulenssi on, sitä suurempi painehäviö on kuitenkin polttimella, joten kupu ja pyörre on suunniteltava huolellisesti, jotta ei synny enempää turbulenssia kuin polttoaineen ja ilman riittävä sekoittaminen edellyttää.

Polttoainesuutin

Polttoaineen injektori vastaa polttoaineen syöttämisestä polttoalueelle ja yhdessä pyörteen (yllä) kanssa polttoaineen ja ilman sekoittamisesta. Polttoaineruiskuja on neljää päätyyppiä; paine-atomizing, air blast, höyrystyminen, ja esisekoitus/prevaporizing suuttimet. Paine sumuttaa polttoainesuihkuttimet perustuvat korkeisiin polttoainepaineisiin (jopa 3 400 kilopascalia (500 psi)) sumuttamaan polttoainetta. Tämäntyyppisen polttoaineen injektorin etuna on hyvin yksinkertainen, mutta sillä on useita haittoja. Polttoainejärjestelmän on oltava riittävän luja kestääkseen tällaiset suuret paineet, ja polttoaine on yleensä heterogeenisesti atomisoitunut, mikä johtaa epätäydelliseen tai epätasaiseen palamiseen, jossa on enemmän saasteita ja savua.

toinen polttoaineruiskutyyppi on ilmaruiskuruisku. Tämä injektori “räjäyttää” polttoainelevyn ilmavirralla ja sumuttaa polttoaineen homogeenisiksi pisaroiksi. Tämän tyyppinen polttoaineruisku johti ensimmäisiin savuttomiin polttimiin. Käytetty ilma on juuri sama määrä ensiöilmaa (KS.Ilmavirtausreitit alla), joka johdetaan injektorin kautta pyörteen sijaan. Tämän tyyppinen injektori vaatii myös alhaisemmat polttoainepaineet kuin paine sumutustyyppi.

höyrystävä polttoainesuutin, kolmas tyyppi, muistuttaa ilmasuihkusuutinta siinä mielessä, että primääri-ilma sekoittuu polttoaineeseen, kun sitä ruiskutetaan palamisvyöhykkeelle. Polttoaine-ilma-seos kulkee kuitenkin putkea pitkin palamisvyöhykkeellä. Polttoalueen lämpö siirretään polttoaine-ilma-seokseen, jolloin osa polttoaineesta höyrystyy (sekoittuu paremmin) ennen kuin se poltetaan. Tämä menetelmä mahdollistaa polttoaineen palamisen vähemmällä lämpösäteilyllä, mikä auttaa suojaamaan vuorausta. Höyrystinputkella voi kuitenkin olla vakavia kestävyysongelmia, koska sen sisällä on alhainen polttoainevirta (putken sisällä oleva polttoaine suojaa putkea palamislämmöltä).

esisekoitussuuttimet toimivat sekoittamalla tai höyrystämällä polttoainetta ennen kuin se saavuttaa palamisalueen. Tämä menetelmä mahdollistaa polttoaineen sekoittumisen hyvin tasaisesti ilmaan, mikä vähentää moottorin päästöjä. Yksi tämän menetelmän haitoista on se, että polttoaine voi syttyä itsestään tai muuten syttyä palamaan ennen kuin polttoaine-ilma-seos saavuttaa palamisalueen. Jos näin tapahtuu, sytytin voi vaurioitua vakavasti.

Sytyttimet

useimmat kaasuturbiinisovellusten sytyttimet ovat sähköisiä kipinäsytyttimiä, jotka muistuttavat autojen sytytystulppia. Sytyttimen on oltava palamisalueella, jossa polttoaine ja ilma ovat jo sekoittuneet, mutta sen on oltava riittävän kaukana yläjuoksulla, jotta itse palaminen ei vahingoita sitä. Kun sytytin on ensin käynnistänyt palamisen, se on omatoiminen eikä sytytintä enää käytetä. Can-rengasmaisissa ja rengasmaisissa polttimissa (KS.alla olevat polttomoottorityypit) liekki voi edetä palamisvyöhykkeeltä toiselle, joten sytyttimiä ei tarvita jokaisessa. Joissakin järjestelmissä käytetään sytytysavustustekniikkaa. Yksi tällainen menetelmä on happiruiskutus, jossa sytytysalueelle syötetään happea, jolloin polttoaine syttyy helposti palamaan. Tämä on erityisen hyödyllistä joissakin lentokonesovelluksissa, joissa moottori saatetaan joutua käynnistämään uudelleen korkealla.

Ilmavirtausreitti

Primääriilma

tämä on pääpolttoilma. Se on korkeapainekompressorin voimakkaasti paineilmaa (usein hidastunut diffuusorin kautta), joka syötetään polttimen kupolin pääkanavien ja ensimmäisten vuorausreikien kautta. Tämä ilma sekoitetaan polttoaineeseen, ja sitten poltetaan.

väli-ilma

väli-ilma on ilmaa, joka ruiskutetaan palamisvyöhykkeeseen toisen vuorausreikien joukon kautta (primääri-ilma kulkee ensimmäisen joukon läpi). Tämä ilma viimeistelee reaktioprosessit, jäähdyttää ilmaa ja laimentaa suuret hiilimonoksidin (CO) ja vedyn (H2) pitoisuudet.

Laimennusilma

Laimennusilma on ilmavirtausta, joka ruiskutetaan palotilan päässä olevan vuorauksen reikien läpi, jotta ilma jäähtyy ennen kuin se saavuttaa turbiinivaiheet. Ilma käytetään huolellisesti, jotta saadaan aikaan polttimessa haluttu yhtenäinen lämpötilaprofiili. Turbiinien lapatekniikan parantuessa, jolloin ne kestävät korkeampia lämpötiloja, laimennusilmaa käytetään kuitenkin vähemmän, jolloin voidaan käyttää enemmän palamisilmaa.

jäähdytysilma

jäähdytysilma on ilmavirtaa, joka ruiskutetaan vuoraukseen pienten reikien kautta, jolloin syntyy kerros (kalvo) viileää ilmaa, joka suojaa vuorausta palamislämpötiloilta. Jäähdytysilman toteutus on suunniteltava huolellisesti, jotta se ei ole suoraan vuorovaikutuksessa palamisilman ja prosessin kanssa. Joissakin tapauksissa jopa 50 prosenttia tuloilmasta käytetään jäähdytysilmana. Jäähdytysilman ruiskuttamiseen on useita eri menetelmiä, ja menetelmä voi vaikuttaa lämpötilaprofiiliin, jolle vuoraus altistuu (KS.edellä).