Combustor

målet med combustor i en gassturbin er å legge energi til systemet for å drive turbinene, og produsere en høy hastighet gass til eksos gjennom dysen i fly applikasjoner. Som med enhver teknisk utfordring, krever dette å balansere mange designhensyn, for eksempel følgende:

• fullstendig forbrenne drivstoffet. Ellers sløser motoren med ubrent drivstoff og skaper uønskede utslipp av ubrente hydrokarboner, karbonmonoksid (CO) og sot.
• Lavt trykktap over brenneren. Turbinen som brenneren mater trenger høytrykksstrøm for å fungere effektivt.
• flammen (forbrenning) må holdes inne i brenneren. Hvis forbrenningen skjer lenger tilbake i motoren, kan turbintrinnene lett overopphetes og skades. I tillegg, som turbinblader fortsetter å vokse mer avanserte og er i stand til å tåle høyere temperaturer, er brennere blir designet for å brenne ved høyere temperaturer og deler av brenneren må være konstruert for å tåle de høyere temperaturer.
• Det skal være i stand til å tenne på høy høyde i tilfelle motorflamme ut.
• Ensartet utgangstemperaturprofil. Hvis det er hot spots i utgangsstrømmen, kan turbinen bli utsatt for termisk stress eller andre typer skader. På samme måte bør temperaturprofilen i brenneren unngå hot spots, da de kan skade eller ødelegge en forbrenner fra innsiden.
• Liten fysisk størrelse og vekt. Plass og vekt er på en premie i fly applikasjoner, så en godt designet combustor streber etter å være kompakt. Ikke-fly applikasjoner, som kraftgenererende gassturbiner, er ikke så begrenset av denne faktoren.
• Bredt spekter av drift. De fleste brennere må kunne operere med en rekke innløpstrykk, temperaturer og massestrømmer. Disse faktorene endres med både motorinnstillinger og miljøforhold (dvs.full gass i lav høyde kan være svært forskjellig fra tomgangsgass i høy høyde).
• Miljøutslipp. Det er strenge regler for flyutslipp av forurensende stoffer som karbondioksid og nitrogenoksider, så brennere må utformes for å minimere disse utslippene. (Se Utslipp nedenfor)

Kilder:

HistoryEdit

Fremskritt innen forbrenningsteknologi fokusert på flere forskjellige områder; utslipp, driftsområde og holdbarhet. Tidlige jetmotorer produserte store mengder røyk, så tidlig forbrenning fremskritt, på 1950-tallet, var rettet mot å redusere røyken produsert av motoren. Når røyk i hovedsak ble eliminert, vendte innsatsen på 1970-tallet for å redusere andre utslipp ,som uforbrente hydrokarboner og karbonmonoksid(for mer informasjon, se Utslippsdelen nedenfor). 1970-tallet så også forbedring i forbrenningsholdbarhet, da nye produksjonsmetoder forbedret liner (Se Komponenter nedenfor) levetid med nesten 100 ganger den tidlige liners. På 1980-tallet begynte brennere å forbedre sin effektivitet over hele driftsområdet; brennere hadde en tendens til å være svært effektive (99%+) ved full effekt, men den effektiviteten falt av ved lavere innstillinger. Utviklingen i løpet av det tiåret forbedret effektiviteten på lavere nivåer. På 1990-og 2000-tallet var det et fornyet fokus på å redusere utslipp, spesielt nitrogenoksider. Combustor teknologi er fortsatt aktivt forsket og avansert, og mye moderne forskning fokuserer på å forbedre de samme aspektene.

Komponenterrediger

Case

saken er det ytre skallet til brenneren, og er en ganske enkel struktur. Foringsrøret krever vanligvis lite vedlikehold. Saken er beskyttet mot termisk belastning av luften som strømmer i den, så termisk ytelse er begrenset. Foringsrøret fungerer imidlertid som et trykkbeholder som må tåle forskjellen mellom høytrykk inne i forbrenningen og det lavere trykket utenfor. Den mekaniske (i stedet for termisk) belastningen er en drivdesignfaktor i saken.

Diffusor

formålet med diffusoren er å redusere høy hastighet, høyt komprimert luft fra kompressoren til en hastighet som er optimal for brenneren. Å redusere hastigheten resulterer i et uunngåelig tap i totalt trykk, så en av designutfordringene er å begrense tap av trykk så mye som mulig. Videre må diffusoren være utformet for å begrense strømningsforvrengningen så mye som mulig ved å unngå strømningseffekter som grenselagsseparasjon. Som de fleste andre gassturbinmotorkomponenter, er diffusoren designet for å være så kort og lett som mulig.

Liner

foringen inneholder forbrenningsprosessen og introduserer de ulike luftstrømmene (mellomliggende, fortynning og kjøling, Se luftstrømsveier nedenfor) inn i forbrenningssonen. Foringen må være konstruert og bygget for å tåle lengre høye temperatursykluser. Av den grunn liners tendens til å være laget av superlegeringer Som Hastelloy X. Videre, Selv om høy ytelse legeringer brukes, liners må avkjøles med luftstrøm. Noen brennere også gjøre bruk av termisk barriere belegg. Imidlertid er luftkjøling fortsatt nødvendig. Generelt er det to hovedtyper av liner kjøling; filmkjøling og transpirasjonskjøling. Filmkjøling virker ved å injisere (ved en av flere metoder) kald luft fra utsiden av liner til bare innsiden av liner. Dette skaper en tynn film av kald luft som beskytter liner, og reduserer temperaturen på liner fra rundt 1800 kelvins (K) til rundt 830 K, for eksempel. Den andre typen liner kjøling, transpirasjon kjøling, er en mer moderne tilnærming som bruker et porøst materiale for liner. Den porøse foringen tillater en liten mengde kjøleluft å passere gjennom den, noe som gir kjølefordeler som ligner på filmkjøling. De to primære forskjellene er i den resulterende temperaturprofilen til liner og mengden kjøleluft som kreves. Transpirasjonskjøling resulterer i en mye jevnere temperaturprofil, da kjøleluften innføres jevnt gjennom porene. Filmkjølingsluft innføres vanligvis gjennom lameller eller lameller, noe som resulterer i en ujevn profil der det er kjøligere på slat og varmere mellom lamellene. Enda viktigere, transpirasjonskjøling bruker mye mindre kjøleluft (i størrelsesorden 10% av total luftstrøm, i stedet for 20-50% for filmkjøling). Ved å bruke mindre luft til kjøling kan mer brukes til forbrenning, noe som er mer og mer viktig for høyytelsesmotorer med høy trykk.

Snute

snuten er en forlengelse av kuppelen (se nedenfor) som fungerer som en luftsplitter, som skiller primærluften fra sekundærluftstrømmene(mellomliggende, fortynning og kjøleluft; se delen Luftstrømningsbaner nedenfor).

Dome / swirler

kuppelen og swirler er den delen av forbrenningen som primærluften (Se luftstrømningsbaner nedenfor) strømmer gjennom når den kommer inn i forbrenningssonen. Deres rolle er å generere turbulens i strømmen for raskt å blande luften med drivstoff. Tidlige brennere pleide å bruke bluff body domes (i stedet for swirlers), som brukte en enkel plate for å skape våkne turbulens for å blande drivstoff og luft. De fleste moderne design er imidlertid virvelstabilisert(bruk virvler). Swirler etablerer en lokal lavtrykkssone som tvinger noen av forbrenningsproduktene til å resirkulere, noe som skaper høy turbulens. Men jo høyere turbulens, jo høyere trykktap vil være for brenneren, så kuppelen og virvelen må være nøye utformet for ikke å generere mer turbulens enn det som er nødvendig for å blande drivstoff og luft tilstrekkelig.

Drivstoffinjektor

drivstoffinnsprøytningen er ansvarlig for å introdusere drivstoff til forbrenningssonen, og sammen med swirler (ovenfor) er ansvarlig for å blande drivstoff og luft. Det finnes fire hovedtyper av drivstoff injektorer; trykk-forstøving, luft blast, fordamper,og premix / prevaporizing injektorer. Trykk forstøvende drivstoffinjektorer stole på høyt drivstofftrykk (så mye som 3400 kilopascals (500 psi)) for å forstøve drivstoffet. Denne typen drivstoffinjektor har fordelen av å være veldig enkel, men den har flere ulemper. Drivstoffsystemet må være robust nok til å tåle slike høye trykk, og drivstoffet har en tendens til å være heterogent forstøvet, noe som resulterer i ufullstendig eller ujevn forbrenning som har flere forurensninger og røyk.

den andre typen drivstoffinjektor er luftblastinjektoren. Denne injektoren “blaster” et ark med drivstoff med en luftstrøm, forstøver brennstoffet til homogene dråper. Denne typen drivstoffinjektor førte til de første røykfrie brennerne. Luften som brukes er akkurat samme mengde primærluft (Se Luftstrømbaner nedenfor) som viderekobles gjennom injektoren, i stedet for virvelen. Denne typen injektor krever også lavere drivstofftrykk enn trykk forstøvningstypen.

den fordampende drivstoffinjektoren, den tredje typen, ligner luftblastinjektoren ved at primærluften blandes med drivstoffet når den injiseres i forbrenningssonen. Drivstoff-luftblandingen beveger seg imidlertid gjennom et rør i forbrenningssonen. Varme fra forbrenningssonen overføres til drivstoff-luftblandingen, fordamper noe av drivstoffet (blander det bedre) før det forbrennes. Denne metoden gjør at brennstoffet kan forbrennes med mindre termisk stråling, noe som bidrar til å beskytte liner. Fordamperrøret kan imidlertid ha alvorlige holdbarhetsproblemer med lav drivstoffstrøm i den (drivstoffet inne i røret beskytter røret mot forbrenningsvarmen).

forblandings – /prevaporiseringsinjektorene arbeider ved å blande eller fordampe drivstoffet før det når forbrenningssonen. Denne metoden gjør at drivstoffet kan blandes veldig jevnt med luften, noe som reduserer utslippene fra motoren. En ulempe med denne metoden er at drivstoff kan automatisk antennes eller på annen måte forbrennes før drivstoff-luftblandingen når forbrenningssonen. Hvis dette skjer, kan brenneren bli alvorlig skadet.

Tenner

De Fleste tennere i gassturbinapplikasjoner er elektriske gnisttennere, som ligner på tennplugger i bilindustrien. Tenneren må være i forbrenningssonen der drivstoff og luft allerede er blandet, men det må være langt nok oppstrøms slik at det ikke blir skadet av selve forbrenningen. Når forbrenningen først er startet av tenneren, er den selvbærende og tenneren brukes ikke lenger. I kan-ringformede og ringformede brennere (Se typer brennere nedenfor) kan flammen forplante seg fra en forbrenningssone til en annen, så det er ikke nødvendig med tennere på hver enkelt. I noen systemer brukes tenningsassistentteknikker. En slik metode er oksygeninjeksjon, hvor oksygen blir matet til tenningsområdet, og hjelper brennstoffet lett å forbrenne. Dette er spesielt nyttig i enkelte flyapplikasjoner der motoren må starte på nytt i høy høyde.

luftstrømbanerrediger

Primærluft

dette er hovedforbrenningsluften. Det er svært komprimert luft fra høytrykkskompressoren (ofte retardert via diffusoren) som mates gjennom hovedkanalene i brennerens kuppel og det første settet med linerhull. Denne luften blandes med drivstoff, og deretter forbrennes.

Mellomluft

Mellomluft er luften som injiseres i forbrenningssonen gjennom det andre settet med liner hull (primærluft går gjennom det første settet). Denne luften fullfører reaksjonsprosessene, kjøler luften ned og fortynner de høye konsentrasjonene av karbonmonoksid (CO) og hydrogen (h2).

Fortynningsluft

Fortynningsluft er luftstrøm som injiseres gjennom hull i foringen på enden av forbrenningskammeret for å avkjøle luften til før den når turbinstrinnene. Luften brukes forsiktig til å produsere den ensartede temperaturprofilen som er ønsket i brenneren. Men som turbinbladteknologi forbedrer, slik at de tåler høyere temperaturer, brukes fortynningsluft mindre, slik at bruk av mer forbrenningsluft.

Kjøleluft

Kjøleluft er luftstrøm som injiseres gjennom små hull i foringen for å generere et lag (film) av kald luft for å beskytte foringen fra forbrenningstemperaturene. Gjennomføringen av kjøleluft må være nøye utformet slik at den ikke direkte samhandler med forbrenningsluften og prosessen. I noen tilfeller brukes så mye som 50% av innløpsluften som kjøleluft. Det finnes flere forskjellige metoder for å injisere denne kjøleluften, og metoden kan påvirke temperaturprofilen som liner utsettes for(se Liner ovenfor).