Combustor

a gázturbina égőjének célja, hogy energiát adjon a rendszerhez a turbinák táplálásához, és nagy sebességű gázt állítson elő a fúvókán keresztül a repülőgép-alkalmazásokban. Mint minden mérnöki kihívásnál, ennek megvalósításához számos tervezési szempont kiegyensúlyozására van szükség, például a következők:

• teljesen égesse el az üzemanyagot. Ellenkező esetben a motor elpazarolja az el nem égett üzemanyagot, és nem kívánt szén-monoxid (CO) és korom kibocsátást eredményez.
• alacsony nyomásveszteség az égőn. A turbina, amelyet az égőgép táplál, nagynyomású áramlást igényel a hatékony működéshez.
• a lángot (égést) az égő belsejében kell tartani (visszatartani). Ha az égés még hátrébb történik a motorban, a turbina fokozatai könnyen túlmelegedhetnek és megsérülhetnek. Továbbá, mivel a turbinalapátok tovább fejlődnek, és képesek ellenállni a magasabb hőmérsékleteknek, az égőket úgy tervezték, hogy magasabb hőmérsékleten égjenek, és az égőberendezés részeit úgy kell megtervezni, hogy ellenálljanak a magasabb hőmérsékleteknek.
• képesnek kell lennie arra, hogy a motor kigyulladása esetén nagy magasságban újra világítson.
• egységes kilépési hőmérsékleti profil. Ha a kilépési áramlásban forró pontok vannak, a turbina hőterhelésnek vagy más típusú károsodásnak lehet kitéve. Hasonlóképpen, az égőn belüli hőmérsékleti profilnak el kell kerülnie a forró pontokat, mivel ezek belülről károsíthatják vagy elpusztíthatják az égőt.
• kis fizikai méret és súly. A tér és a súly prémium a repülőgép-alkalmazásokban, így egy jól megtervezett égőgép arra törekszik, hogy kompakt legyen. A nem repülőgépes alkalmazásokat, mint például az energiatermelő gázturbinákat, ez a tényező nem korlátozza annyira.
• széles működési tartomány. A legtöbb égőnek képesnek kell lennie arra, hogy különböző bemeneti nyomásokkal, hőmérsékletekkel és tömegáramokkal működjön. Ezek a tényezők mind a motor beállításaival, mind a környezeti feltételekkel változnak (azaz a teljes fojtószelep alacsony magasságban nagyon eltérhet az alapjárati fojtószeleptől nagy magasságban).
• környezeti kibocsátás. Szigorú szabályok vonatkoznak a légi járművek által kibocsátott szennyező anyagokra, például a szén-dioxidra és a nitrogén-oxidokra, ezért az égőket úgy kell megtervezni, hogy minimalizálják ezeket a kibocsátásokat. (Lásd az alábbi kibocsátási szakaszt)

forrás:

HistoryEdit

az égéstechnikai fejlesztések több különböző területre összpontosítottak; emisszió, működési tartomány és tartósság. A korai sugárhajtóművek nagy mennyiségű füstöt termeltek, így az égők korai fejlődése az 1950-es években a motor által termelt füst csökkentésére irányult. Miután a füst lényegében megszűnt, az 1970-es években az erőfeszítések az egyéb kibocsátások, például az el nem égett szénhidrogének és a szén-monoxid csökkentésére irányultak (további részletekért lásd az alábbi kibocsátási részt). Az 1970-es években az égők tartóssága is javult, mivel az új gyártási módszerek közel 100-szor javították a bélés élettartamát (lásd alább az alkatrészeket), mint a korai béléseké. Az 1980-as években az égők elkezdték javítani hatékonyságukat a teljes működési tartományban; az égők általában nagyon hatékonyak voltak (99%+) teljes teljesítmény mellett, de ez a hatékonyság alacsonyabb beállításoknál csökkent. Ebben az évtizedben a fejlődés alacsonyabb szinteken javította a hatékonyságot. Az 1990-es és 2000-es években újra előtérbe került a kibocsátások, különösen a nitrogén-oxidok csökkentése. Az égőtechnológiát továbbra is aktívan kutatják és fejlesztik, és sok modern kutatás ugyanazon szempontok javítására összpontosít.

ComponentsEdit

tok

a tok az égőgép külső héja, és meglehetősen egyszerű szerkezet. A burkolat általában kevés karbantartást igényel. A tokot a benne áramló levegő védi a hőterheléstől, így a hőteljesítmény korlátozott aggodalomra ad okot. A burkolat azonban nyomástartó edényként szolgál, amelynek ellen kell állnia az égőn belüli nagy nyomás és az alacsonyabb külső nyomás közötti különbségnek. Ez a mechanikus (nem pedig termikus) terhelés az eset vezetési tervezési tényezője.

diffúzor

a diffúzor célja, hogy a kompresszor nagy sebességű, erősen összenyomott levegőjét az égőgép számára optimális sebességre lassítsa. A sebesség csökkentése elkerülhetetlen veszteséget eredményez a teljes nyomásban, ezért az egyik tervezési kihívás a nyomásveszteség lehető legnagyobb mértékű korlátozása. Ezenkívül a diffúzort úgy kell megtervezni, hogy a lehető legnagyobb mértékben korlátozza az áramlás torzulását azáltal, hogy elkerüli az áramlási hatásokat, például a határréteg elválasztását. A legtöbb gázturbinás motor alkatrészéhez hasonlóan a diffúzort úgy tervezték, hogy a lehető legrövidebb és legkönnyebb legyen.

Bélés

a bélés tartalmazza az égési folyamatot, és bevezeti a különböző légáramokat (közbenső, hígítási és hűtési, lásd alább a légáramlási útvonalakat) az égési zónába. A bélést úgy kell megtervezni és megépíteni, hogy ellenálljon a hosszabb magas hőmérsékleti ciklusoknak. Ezért a béléseket általában szuperötvözetekből készítik, mint például a Hastelloy X. továbbá, annak ellenére, hogy nagy teljesítményű ötvözeteket használnak, a béléseket légáramlással kell lehűteni. Egyes égők hővédő bevonatokat is használnak. A léghűtés azonban továbbra is szükséges. Általában a béléshűtésnek két fő típusa van; filmhűtés és transzpirációs hűtés. A filmhűtés úgy működik, hogy (a számos módszer egyikével) hűvös levegőt fecskendez a bélésen kívülről a bélés belsejébe. Ez egy vékony, hűvös levegőréteget hoz létre, amely megvédi a bélést, csökkentve például a bélés hőmérsékletét körülbelül 1800 kelvinről (K) körülbelül 830 K-ra. A béléshűtés másik típusa, a transzpirációs hűtés, egy korszerűbb megközelítés, amely porózus anyagot használ a béléshez. A porózus bélés kis mennyiségű hűtőlevegőt enged át rajta, a filmhűtéshez hasonló hűtési előnyöket biztosítva. A két elsődleges különbség a bélés kapott hőmérsékleti profiljában és a szükséges hűtőlevegő mennyiségében van. A transzpirációs hűtés sokkal egyenletesebb hőmérsékleti profilt eredményez, mivel a hűtőlevegőt egyenletesen vezetik be a pórusokon keresztül. A fóliahűtő levegőt általában léceken vagy rácsokon keresztül vezetik be, ami egyenetlen profilt eredményez, ahol a lécnél hűvösebb, a lécek között pedig melegebb. Ennél is fontosabb, hogy a transzpirációs hűtés sokkal kevesebb hűtőlevegőt használ (a teljes légáramlás 10% – ának megfelelő nagyságrendben, a filmhűtés 20-50% – a helyett). A kevesebb levegő hűtése lehetővé teszi, hogy többet használjanak az égéshez, ami egyre fontosabb a nagy teljesítményű, nagy tolóerejű motoroknál.

orr

az orr a kupola meghosszabbítása (lásd alább), amely légelosztóként működik, elválasztva az elsődleges levegőt a másodlagos levegőáramoktól (köztes, hígító és hűtőlevegő; lásd az alábbi légáramlási útvonalak részt).

kupola / örvény

a kupola és az örvény az égéstér azon része, amelyen az elsődleges levegő (lásd alább a légáramlási útvonalakat) átáramlik, amikor belép az égési zónába. Szerepük az, hogy turbulenciát generáljanak az áramlásban, hogy gyorsan összekeverjék a levegőt az üzemanyaggal. A korai égők általában blöff testkupolákat használtak (nem pedig örvénylőket), amelyek egy egyszerű lemezt használtak ébresztő turbulencia létrehozására az üzemanyag és a levegő keveréséhez. A legtöbb modern kialakítás azonban örvénystabilizált (használjon örvénylőket). Az örvénylő létrehoz egy helyi alacsony nyomású zónát, amely az égéstermékek egy részét recirkulációra kényszeríti, létrehozva a nagy turbulenciát. Azonban minél nagyobb a turbulencia, annál nagyobb a nyomásveszteség az égőberendezés számára, ezért a kupolát és az örvényt gondosan kell megtervezni, hogy ne generáljon több turbulenciát, mint amennyi az üzemanyag és a levegő megfelelő keveréséhez szükséges.

üzemanyag-befecskendező

az üzemanyag-befecskendező felelős az üzemanyag bejuttatásáért az égési zónába, és az örvénylővel együtt (fent) felelős az üzemanyag és a levegő keveréséért. Az üzemanyag-befecskendezőknek négy elsődleges típusa van; nyomás-porlasztó, levegő robbanás, párologtató, és premix/prevaporizing injektorok. A nyomás porlasztó üzemanyag-befecskendezők nagy üzemanyagnyomásra támaszkodnak (akár 3400 kilopascal (500 psi)) az üzemanyag porlasztásához. Az ilyen típusú üzemanyag-befecskendező szelep előnye, hogy nagyon egyszerű, de számos hátránya van. Az üzemanyagrendszernek elég robusztusnak kell lennie ahhoz, hogy ellenálljon az ilyen nagy nyomásoknak, és az üzemanyag általában heterogén porlasztású, ami hiányos vagy egyenetlen égést eredményez, amely több szennyező anyagot és füstöt tartalmaz.

az üzemanyag-befecskendező második típusa a légrobbantó befecskendező. Ez az injektor” felrobbantja ” az üzemanyaglapot levegőárammal, az üzemanyagot homogén cseppekké porlasztva. Ez a fajta üzemanyag-befecskendező vezetett az első füstmentes égőkhöz. A felhasznált levegő ugyanolyan mennyiségű elsődleges levegő (lásd alább a légáramlási útvonalakat), amelyet az injektoron terelnek át, nem pedig az örvénylőn. Az ilyen típusú injektor alacsonyabb üzemanyag-nyomást is igényel, mint a nyomás porlasztó típus.

a párologtató üzemanyag-befecskendező, a harmadik típus, hasonló a légrobbantó injektorhoz, mivel az elsődleges levegőt összekeverik az üzemanyaggal, amikor az égési zónába injektálják. Az üzemanyag-levegő keverék azonban egy csövön halad át az égési zónában. Az égési zónából származó hő átkerül az üzemanyag-levegő keverékbe, elpárologtatva az üzemanyag egy részét (jobban összekeverve), mielőtt elégetné. Ez a módszer lehetővé teszi az üzemanyag elégetését kevesebb hősugárzással, ami segít megvédeni a bélést. A párologtató csőnek azonban komoly tartóssági problémái lehetnek a benne lévő alacsony üzemanyag-áramlás miatt (a cső belsejében lévő üzemanyag megvédi a csövet az égési hőtől).

az előkeverési/előporizáló injektorok úgy működnek, hogy az üzemanyagot összekeverik vagy elpárologtatják, mielőtt az az égési zónába érne. Ez a módszer lehetővé teszi az üzemanyag nagyon egyenletes keverését a levegővel, csökkentve a motor kibocsátását. Ennek a módszernek az egyik hátránya, hogy az üzemanyag öngyulladhat vagy más módon éghet, mielőtt az üzemanyag-levegő keverék eléri az égési zónát. Ha ez megtörténik, Az égőgép súlyosan megsérülhet.

gyújtó

a gázturbina alkalmazásokban a legtöbb gyújtó elektromos szikragyújtó, hasonlóan az autóipari gyújtógyertyákhoz. A gyújtónak az égési zónában kell lennie, ahol az üzemanyag és a levegő már el van keverve, de elég messze kell lennie ahhoz, hogy maga az égés ne károsítsa. Miután az égést először a gyújtó indította el, önfenntartó, és a gyújtót már nem használják. A can-gyűrűs és gyűrűs gyújtókban (lásd alább a gyújtók típusait) a láng az egyik égési zónából a másikba terjedhet, így mindegyiknél nincs szükség gyújtókra. Egyes rendszerekben gyújtássegítő technikákat alkalmaznak. Az egyik ilyen módszer az oxigén befecskendezése, ahol oxigént táplálnak a gyújtási területre, segítve az üzemanyag könnyű égését. Ez különösen hasznos egyes repülőgép-alkalmazásokban, ahol a motornak nagy magasságban kell újraindulnia.

légáramlási útvonalak

elsődleges levegő

ez a fő égési levegő. A nagynyomású kompresszor erősen sűrített levegője (gyakran a diffúzoron keresztül lassul), amelyet az égőkupola fő csatornáin és az első béléslyukakon keresztül táplálnak. Ezt a levegőt összekeverik az üzemanyaggal, majd elégetik.

köztes levegő

köztes levegő az a levegő, amelyet az égési zónába injektálnak a második bélésfurat-készleten keresztül (az elsődleges levegő az első készleten megy keresztül). Ez a levegő befejezi a reakciófolyamatokat, lehűti a levegőt, és hígítja a szén-monoxid (CO) és a hidrogén (H2) magas koncentrációját.

hígítólevegő

a Hígítólevegőt az égéstér végén lévő bélésen lévő lyukakon keresztül injektálják, hogy elősegítsék a levegő lehűtését, mielőtt az eléri a turbina szakaszait. A levegőt gondosan használják az égőben kívánt egyenletes hőmérsékleti profil előállításához. Mivel azonban a turbinalapát-technológia javul, lehetővé téve számukra, hogy ellenálljanak a magasabb hőmérsékleteknek, a hígítólevegőt kevesebbet használják, lehetővé téve több égési levegő felhasználását.

hűtőlevegő

a hűtőlevegő olyan légáramlás, amelyet a bélés kis lyukain keresztül injektálnak, hogy hűvös levegő réteget (fóliát) hozzon létre, hogy megvédje a bélést az égési hőmérséklettől. A hűtőlevegő kivitelezését gondosan meg kell tervezni, hogy az ne lépjen közvetlen kapcsolatba az égési levegővel és a folyamattal. Bizonyos esetekben a belépő levegő 50% – át hűtőlevegőként használják. Ennek a hűtőlevegőnek a befecskendezésére számos különböző módszer létezik, és a módszer befolyásolhatja azt a hőmérsékleti profilt, amelynek a bélés ki van téve (lásd a fenti bélést).