연소기

가스 터빈의 연소기의 목적은 시스템에 에너지를 추가하여 터빈에 전력을 공급하고 항공기 응용 분야에서 노즐을 통해 고속 가스를 배출하는 것입니다. 모든 엔지니어링 문제와 마찬가지로 이 작업을 수행하려면 다음과 같은 많은 설계 고려 사항의 균형을 맞추어야 합니다:

• 연료를 완전히 연소시킵니다. 그렇지 않으면 엔진이 연소되지 않은 연료를 낭비하고 연소되지 않은 탄화수소,일산화탄소 및 그을음의 원치 않는 배출을 생성합니다.
• 연소기의 맞은편에 저압 손실. 연소기가 먹이는 터빈은 고압 교류를 능률적으로 운영하는 필요로 합니다.
• 화염(연소)은 연소기 내부에 유지(포함)되어야 합니다. 연소가 엔진에서 더 뒤로 발생하면 터빈 단계가 쉽게 과열되어 손상 될 수 있습니다. 또한 터빈 블레이드가 계속 발전하여 더 높은 온도를 견딜 수 있기 때문에 연소기는 더 높은 온도에서 연소하도록 설계되고 연소기의 부품은 더 높은 온도를 견딜 수 있도록 설계되어야합니다.
• 엔진 화염 발생시 높은 고도에서 재조명 할 수 있어야합니다.
• 균일한 출구 온도 프로파일. 출구 교류에 있는 핫스팟이 있는 경우에,터빈은 손상의 열 응력 또는 다른 유형을 복종될지도 모릅니다. 마찬가지로,연소기 내의 온도 프로파일은 내부에서 연소기를 손상 시키거나 파괴 할 수 있으므로 핫스팟을 피해야합니다.
• 작은 물리적 크기와 무게. 공간과 무게는 항공기 신청에 있는 프리미엄에 입니다,그래서 잘 설계되는 연소기는 콤팩트인 것을 노력합니다. 전력 생성 가스 터빈과 같은 비 항공기 응용 분야는이 요인에 의해 제약을받지 않습니다.
• 넓은 작동 범위. 대부분의 연소기는 다양한 입구 압력,온도 및 질량 흐름으로 작동 할 수 있어야합니다. 이러한 요소는 엔진 설정과 환경 조건 모두에 따라 변경됩니다(즉,낮은 고도에서의 풀 스로틀은 높은 고도에서의 유휴 스로틀과 매우 다를 수 있음).
• 환경 배출. 이산화탄소 및 질소 산화물과 같은 오염 물질의 항공기 배출에 대한 엄격한 규정이 있으므로 연소기는 배출량을 최소화하도록 설계해야합니다. (아래 배출 섹션 참조)

출처:

역사편집

연소기 기술의 발전은 배출량,작동 범위 및 내구성과 같은 여러 분야에 중점을 두었습니다. 초기 제트 엔진은 많은 양의 연기를 생산 했으므로 1950 년대 초기 연소기의 발전은 엔진에 의해 생성 된 연기를 줄이는 것을 목표로했습니다. 일단 연기가 본질적으로 제거되면 1970 년대에는 연소되지 않은 탄화수소 및 일산화탄소와 같은 다른 배출량을 줄이기위한 노력이 이루어졌습니다(자세한 내용은 아래 배출 섹션 참조). 1970 년대는 또한 새로운 제조 방법으로 라이너(아래 구성 요소 참조)수명이 초기 라이너의 거의 100 배 향상됨에 따라 연소기 내구성이 향상되었습니다. 1980 년대에 연소기는 전체 작동 범위에 걸쳐 효율성을 개선하기 시작했다;연소기는 최대 전력에서 매우 효율적(99%+)경향이 있지만,그 효율은 낮은 설정에서 떨어졌다. 그 10 년 동안의 개발은 낮은 수준에서 효율성을 향상 시켰습니다. 1990 년대와 2000 년대는 배출량,특히 질소 산화물을 줄이는 데 새로운 초점을 맞추 었습니다. 연소기 기술은 여전히 활발히 연구되고 진보되고 있으며 많은 현대 연구는 동일한 측면을 개선하는 데 중점을 둡니다.

컴포넌트편집

케이스

케이스는 연소기의 외피이며,상당히 단순한 구조이다. 케이싱은 일반적으로 약간의 유지 보수가 필요합니다. 이 케이스는 공기가 흐르는 열 부하로부터 보호되므로 열 성능은 제한적입니다. 그러나 케이싱은 연소기 내부의 높은 압력과 외부의 낮은 압력 사이의 차이를 견뎌야하는 압력 용기 역할을합니다. 이 경우 기계적(열적)부하가 구동 설계 요소입니다.

디퓨저

디퓨저의 목적은 압축기에서 연소기에 최적의 속도로 고속,고도로 압축 된 공기를 느리게하는 것입니다. 속도를 줄이면 총 압력의 피할 수없는 손실이 발생하므로 설계 과제 중 하나는 가능한 한 압력 손실을 제한하는 것입니다. 또한 디퓨저는 경계층 분리와 같은 흐름 효과를 피함으로써 가능한 한 흐름 왜곡을 제한하도록 설계되어야합니다. 대부분의 다른 가스 터빈 엔진 구성 요소와 마찬가지로 디퓨저는 가능한 한 짧고 가벼워 지도록 설계되었습니다.

라이너

라이너는 연소 과정을 포함하고 다양한 공기 흐름(중간,희석 및 냉각,아래의 공기 흐름 경로 참조)을 연소 영역으로 도입합니다. 강선은 장시간 고열 주기를 저항하기 위하여 디자인되고 건축되어야 합니다. 또한 고성능 합금이 사용 되더라도 라이너는 공기 흐름으로 냉각되어야합니다. 일부 연소기는 또한 열 장벽 코팅을 사용합니다. 그러나 공기 냉각은 여전히 필요합니다. 일반적으로 라이너 냉각에는 두 가지 주요 유형이 있습니다; 필름 냉각 및 증산 냉각. 필름 냉각은 라이너 외부에서 라이너 내부까지(여러 가지 방법 중 하나에 의해)차가운 공기를 주입하여 작동합니다. 이것은 라이너를 보호하는 차가운 공기의 박막을 생성하여 라이너의 온도를 약 1800 켈빈(케이)에서 약 830 케이로 줄입니다. 다른 유형의 라이너 냉각,증산 냉각은 라이너에 다공성 물질을 사용하는보다 현대적인 접근 방식입니다. 다공성 라이너는 소량의 냉각 공기를 통과시켜 필름 냉각과 유사한 냉각 효과를 제공합니다. 두 가지 주요 차이점은 라이너의 결과 온도 프로파일과 필요한 냉각 공기의 양에 있습니다. 증산 냉각은 냉각 공기가 기공을 통해 균일하게 도입되기 때문에 훨씬 더 균일 한 온도 프로파일을 초래합니다. 필름 냉각 공기는 칸막이 또는 루버를 통해 일반적으로 도입되어 칸막이에서 더 차갑고 칸막이 사이에 더 따뜻한 고르지 않은 프로파일이 발생합니다. 더 중요한 것은 증발 냉각은 냉각 공기를 훨씬 적게 사용합니다(필름 냉각의 경우 20-50%가 아닌 총 기류의 10%정도). 냉각을 위해 적은 공기를 사용하면 연소에 더 많이 사용할 수 있으며,이는 고성능,고 추력 엔진에 점점 더 중요합니다.

주둥이

주둥이는 공기 분배기 역할을하는 돔(아래 참조)의 확장으로 1 차 공기를 2 차 공기 흐름(중간,희석 및 냉각 공기,아래 공기 흐름 경로 섹션 참조)에서 분리합니다.

돔/소용돌이

돔과 소용돌이는 연소 구역으로 들어갈 때 1 차 공기(아래의 공기 흐름 경로 참조)가 흐르는 연소기의 일부입니다. 그들의 역할은 빠르게 연료와 공기를 혼합하는 흐름에 난류를 생성하는 것입니다. 초기 연소기는 블러 프 바디 돔(소용돌이 치는 사람이 아닌)을 사용하는 경향이 있었는데,이는 연료와 공기를 혼합하기 위해 웨이크 난류를 만들기 위해 간단한 판을 사용했습니다. 그러나 대부분의 현대적인 디자인은 소용돌이 안정화(소용돌이 사용)입니다. 소용돌이 치는 사람은 연소 생성물의 일부가 재순환되도록 강제하는 국부적 인 저압 영역을 설정하여 높은 난류를 만듭니다. 그러나 난류가 높을수록 연소기에 대한 압력 손실이 높아지기 때문에 연료와 공기를 충분히 혼합하는 데 필요한 것보다 더 많은 난류를 발생시키지 않도록 돔과 소용돌이 치는 사람을 신중하게 설계해야합니다.

연료 분사 장치

연료 분사 장치는 연소 영역에 연료를 도입 할 책임이 있으며 소용돌이(위)와 함께 연료와 공기를 혼합 할 책임이 있습니다. 연료 분사 장치의 4 개의 1 차적인 유형이 있습니다; 압력 분무,에어 블라스트,기화 및 프리믹스/프리배포 인젝터. 압력 분무 연료 분사기는 연료를 분무하기 위해 높은 연료 압력(최대 3,400 킬로 파스칼(500 사이))에 의존합니다. 이 유형의 연료 분사 장치는 매우 간단하다는 장점이 있지만 몇 가지 단점이 있습니다. 연료 시스템은 이러한 높은 압력을 견딜 수있을만큼 견고해야하며,연료는 이질적으로 원자화되어 더 많은 오염 물질과 연기를 갖는 불완전하거나 고르지 않은 연소를 초래하는 경향이 있습니다.

연료 분사 장치의 두번째 유형은 충풍 분사기입니다. 이 인젝터는 공기 흐름으로 연료 시트를”폭발”하여 연료를 균질 한 물방울로 분무합니다. 이 유형의 연료 분사 장치는 첫 번째 무연 연소기로 이어졌습니다. 사용 된 공기는 소용돌이 치는 것보다 인젝터를 통해 우회되는 기본 공기(아래 공기 흐름 경로 참조)와 동일한 양입니다. 인젝터의 이 유형은 또한 압력 원자로 만드는 유형 보다는 더 낮은 연료 압력을 요구합니다.

제 3 형 기화 연료 분사기는 연소 구역으로 분사될 때 1 차 공기가 연료와 혼합된다는 점에서 에어 블라스트 분사기와 유사하다. 그러나 연료-공기 혼합물은 연소 영역 내의 튜브를 통해 이동합니다. 연소 영역의 열은 연료-공기 혼합물로 전달되어 연소되기 전에 연료의 일부를 증발시킵니다(더 잘 혼합). 이 방법을 사용하면 열 복사가 적은 연료가 연소되어 라이너를 보호 할 수 있습니다. 그러나,기화기 튜브는 그 내의 낮은 연료 유량과 관련하여 심각한 내구성 문제를 가질 수있다(튜브 내부의 연료는 연소열로부터 튜브를 보호한다).

사전 혼합/사전 주입기는 연소 영역에 도달하기 전에 연료를 혼합하거나 기화시켜 작동합니다. 이 방법을 사용하면 연료가 공기와 매우 균일하게 혼합되어 엔진의 배출을 줄일 수 있습니다. 이 방법의 한 가지 단점은 연료-공기 혼합물이 연소 영역에 도달하기 전에 연료가 자동 점화되거나 연소 될 수 있다는 것입니다. 이 경우 연소기가 심각하게 손상 될 수 있습니다.

점화기

가스 터빈 신청에 있는 대부분의 점화기는 자동 점화 플러그와 유사한 전기 불꽃 점화기입니다. 점화기는 연료와 공기가 이미 혼합 된 연소 영역에 있어야하지만 연소 자체에 의해 손상되지 않도록 충분히 상류에있을 필요가 있습니다. 일단 연소가 점화기에 의해 처음에 시작되면,그것은 자급 자족하고 점화기는 더 이상 사용되지 않습니다. 캔 환형 및 환형 연소기(아래 연소기 유형 참조)에서 화염은 한 연소 영역에서 다른 연소 영역으로 전파 될 수 있으므로 점화기는 각각 필요하지 않습니다. 일부 시스템에서는 점화 지원 기술이 사용됩니다. 이러한 방법 중 하나는 산소가 점화 영역에 공급되어 연료가 쉽게 연소되는 산소 주입입니다. 이 엔진은 높은 고도에서 다시 시작해야 할 수 있습니다 일부 항공기 응용 프로그램에 특히 유용합니다.

공기 흐름 경로편집

1 차 공기

이것은 주 연소 공기입니다. 연소기의 돔 및 강선 구멍의 첫번째 세트에 있는 주요 수로를 통해서 먹이는(수시로 유포자를 통해 감속되는)고압적인 압축기에서 높게 압축공기입니다. 이 공기는 연료와 혼합 된 다음 연소됩니다.

중간 공기

중간 공기는 라이너 구멍의 두 번째 세트를 통해 연소 영역으로 주입되는 공기입니다(1 차 공기는 첫 번째 세트를 통과합니다). 이 공기는 반응 과정을 완료하여 공기를 냉각시키고 고농도의 일산화탄소와 수소를 희석합니다.

희석 공기

희석 공기는 터빈 단계에 도달하기 전에 공기를 냉각시키기 위해 연소실 끝의 라이너 구멍을 통해 주입되는 공기 흐름입니다. 공기는 연소기에서 원하는 균일 한 온도 프로파일을 생성하는 데 신중하게 사용됩니다. 그러나 터빈 블레이드 기술이 향상됨에 따라 더 높은 온도를 견딜 수 있도록 희석 공기가 덜 사용되어 더 많은 연소 공기를 사용할 수 있습니다.

냉각 공기

냉각 공기는 라이너의 작은 구멍을 통해 주입되어 라이너를 연소 온도로부터 보호하기 위해 냉각 공기의 층(필름)을 생성하는 기류입니다. 냉각 공기의 구현은 연소 공기 및 공정과 직접 상호 작용하지 않도록 신중하게 설계되어야합니다. 경우에 따라 유입 공기의 50%가 냉각 공기로 사용됩니다. 이 냉각 공기를 주입하는 방법에는 여러 가지가 있으며,이 방법은 라이너가 노출되는 온도 프로파일에 영향을 줄 수 있습니다(위의 라이너 참조).