Combustor

celem spalania w turbinie gazowej jest dodanie energii do systemu, aby zasilić turbiny i wytworzyć Gaz o dużej prędkości do wydechu przez dyszę w zastosowaniach lotniczych. Jak w przypadku każdego wyzwania inżynierskiego, osiągnięcie tego wymaga zrównoważenia wielu aspektów projektowych, takich jak następujące:

• całkowicie spalić paliwo. W przeciwnym razie silnik marnuje niespalone paliwo i powoduje niepożądaną emisję niespalonych węglowodorów, tlenku węgla (co) i sadzy.
• niskie straty ciśnienia w palenisku. Turbina, którą zasila Piec, potrzebuje przepływu pod wysokim ciśnieniem, aby działać wydajnie.
• płomień (spalanie) musi być utrzymywany (zawarty) wewnątrz paleniska. Jeśli spalanie nastąpi dalej w silniku, stopnie turbiny mogą być łatwo przegrzane i uszkodzone. Dodatkowo, ponieważ łopatki turbiny są coraz bardziej zaawansowane i są w stanie wytrzymać wyższe temperatury, palniki są projektowane do spalania w wyższych temperaturach, a części palnika muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać te wyższe temperatury.
• powinien być zdolny do ponownego zapalania na dużej wysokości w przypadku płomienia silnika.
• jednolity profil temperatury wyjściowej. Jeśli w strumieniu wyjściowym znajdują się gorące punkty, Turbina może zostać poddana naprężeniom termicznym lub innym rodzajom uszkodzeń. Podobnie profil temperaturowy w palenisku powinien unikać gorących punktów, ponieważ mogą one uszkodzić lub zniszczyć palenisko od wewnątrz.
• mały rozmiar fizyczny i waga. Przestrzeń i waga są na wagę złota w zastosowaniach lotniczych, więc dobrze zaprojektowany komin stara się być kompaktowy. Zastosowania pozalotnicze, takie jak turbiny gazowe wytwarzające energię, nie są tak ograniczone przez ten czynnik.
• szeroki zakres działania. Większość palenisk musi być zdolna do pracy z różnymi ciśnieniami wlotowymi, temperaturami i przepływami masowymi. Czynniki te zmieniają się zarówno z ustawieniami silnika, jak i warunkami środowiskowymi (tj. pełna przepustnica na małej wysokości może się bardzo różnić od przepustnicy na biegu jałowym na dużej wysokości).
• Istnieją surowe przepisy dotyczące emisji zanieczyszczeń, takich jak dwutlenek węgla i tlenki azotu, dlatego spalarnie muszą być zaprojektowane tak, aby zminimalizować te emisje. (Patrz sekcja emisji poniżej)

Źródła:

Historiaedytuj

postęp w technologii spalania koncentrował się na kilku różnych obszarach; emisji, zasięgu działania i trwałości. Wczesne silniki odrzutowe wytwarzały duże ilości dymu, więc wczesne postępy spalania, w latach 50., miały na celu zmniejszenie dymu wytwarzanego przez silnik. Po całkowitym wyeliminowaniu dymu w latach 70. podjęto wysiłki na rzecz ograniczenia innych emisji, takich jak niespalone węglowodory i tlenek węgla (więcej szczegółów w sekcji dotyczącej emisji poniżej). W latach 70. poprawiono również trwałość paleniska, ponieważ nowe metody produkcji poprawiły żywotność wkładki (patrz Komponenty poniżej)prawie 100 razy w porównaniu z wczesnymi wkładkami. W latach 80-tych spalacze zaczęły poprawiać swoją sprawność w całym zakresie pracy; spalacze były zwykle bardzo wydajne (99%+) przy pełnej mocy, ale wydajność ta spadała przy niższych ustawieniach. Rozwój w ciągu tej dekady poprawił wydajność na niższych poziomach. W latach 90. i 2000. ponownie skupiono się na redukcji emisji, w szczególności tlenków azotu. Technologia Combustor jest nadal aktywnie badana i zaawansowana, a wiele nowoczesnych badań koncentruje się na poprawie tych samych aspektów.

Komponentyedytuj

Obudowa

obudowa jest zewnętrzną powłoką komory spalania i jest dość prostą konstrukcją. Obudowa na ogół wymaga niewielkiej konserwacji. Obudowa jest chroniona przed obciążeniami termicznymi przez przepływające w niej powietrze, więc wydajność cieplna jest ograniczona. Jednak obudowa służy jako zbiornik ciśnieniowy, który musi wytrzymać różnicę między wysokim ciśnieniem wewnątrz palnika a niższym ciśnieniem Na Zewnątrz. To obciążenie mechaniczne (a nie termiczne) jest czynnikiem napędowym w przypadku.

Dyfuzor

celem dyfuzora jest spowolnienie wysokiej prędkości, wysoce sprężonego powietrza ze sprężarki do prędkości optymalnej dla palnika. Zmniejszenie prędkości skutkuje nieuniknioną utratą całkowitego ciśnienia, więc jednym z wyzwań projektowych jest ograniczenie strat ciśnienia w jak największym stopniu. Ponadto dyfuzor musi być zaprojektowany tak, aby ograniczyć zniekształcenia przepływu w jak największym stopniu, unikając efektów przepływu, takich jak separacja warstwy granicznej. Podobnie jak większość innych elementów silnika turbiny gazowej, Dyfuzor jest tak krótki i lekki, jak to możliwe.

Wkładka

wkładka zawiera proces spalania i wprowadza różne strumienie powietrza (pośrednie, rozcieńczające i chłodzące, patrz ścieżki przepływu powietrza poniżej) do strefy spalania. Wkładka musi być zaprojektowana i zbudowana, aby wytrzymać dłuższe cykle wysokotemperaturowe. Z tego powodu wkładki zwykle są wykonane z nadstopów, takich jak Hastelloy X. Ponadto, nawet jeśli stosuje się stopy o wysokiej wydajności, wkładki muszą być chłodzone przepływem powietrza. Niektóre palniki wykorzystują również powłoki barierowe termiczne. Nadal jednak wymagane jest chłodzenie powietrzem. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa główne rodzaje chłodzenia wykładziny; chłodzenie folii i chłodzenie transpiracji. Chłodzenie folii polega na wstrzykiwaniu (jedną z kilku metod) chłodnego powietrza z zewnątrz wykładziny do wnętrza wykładziny. Tworzy to cienką warstwę chłodnego powietrza, która chroni wykładzinę, zmniejszając temperaturę w wykładzinie z około 1800 kelvinów (K) do około 830 K, na przykład. Inny rodzaj chłodzenia wykładziny, chłodzenie transpiracyjne, jest bardziej nowoczesnym podejściem, które wykorzystuje porowaty materiał do wykładziny. Porowata wyściółka umożliwia przepływ przez nią niewielkiej ilości powietrza chłodzącego, zapewniając korzyści chłodzenia podobne do chłodzenia folii. Dwie podstawowe różnice dotyczą uzyskanego profilu temperaturowego wykładziny i wymaganej ilości powietrza chłodzącego. Chłodzenie transpiracyjne skutkuje znacznie bardziej równomiernym profilem temperaturowym, ponieważ powietrze chłodzące jest równomiernie wprowadzane przez pory. Powietrze chłodzące folię jest zwykle wprowadzane przez listwy lub żaluzje, co powoduje nierówny profil, w którym jest chłodniejsze na listwie i cieplejsze między listwami. Co ważniejsze, chłodzenie transpiracyjne wykorzystuje znacznie mniej powietrza chłodzącego (rzędu 10% całkowitego przepływu powietrza, zamiast 20-50% dla chłodzenia folii). Wykorzystanie mniejszej ilości powietrza do chłodzenia pozwala na wykorzystanie większej ilości do spalania, co jest coraz ważniejsze w przypadku wysokowydajnych silników o dużym ciągu.

pysk

pysk jest przedłużeniem kopuły (patrz poniżej), która działa jako rozdzielacz powietrza, oddzielający powietrze pierwotne od powietrza wtórnego (powietrze pośrednie, rozcieńczające i chłodzące; patrz sekcja ścieżki przepływu powietrza poniżej).

kopuła / wirnik

kopuła i wirnik są częścią paleniska, przez którą przepływa pierwotne powietrze (patrz ścieżki przepływu powietrza poniżej), gdy wchodzi do strefy spalania. Ich rolą jest generowanie turbulencji w przepływie w celu szybkiego mieszania powietrza z paliwem. Wczesne spalacze Zwykle używały kopuł (zamiast wirników), które używały prostej płyty do tworzenia turbulencji budzących, aby mieszać paliwo i powietrze. Większość nowoczesnych konstrukcji jest jednak stabilizowana wirowo (użyj wirników). Wirnik ustanawia lokalną strefę niskiego ciśnienia, która zmusza niektóre produkty spalania do recyrkulacji, tworząc wysokie turbulencje. Jednak im większa turbulencja, tym większe straty ciśnienia będą dla palnika, więc kopuła i wirnik muszą być starannie zaprojektowane, aby nie generować więcej turbulencji niż jest to potrzebne do wystarczającego wymieszania paliwa i powietrza.

Wtryskiwacz Paliwa

wtryskiwacz paliwa jest odpowiedzialny za wprowadzenie paliwa do strefy spalania i, wraz z wirnikiem (powyżej), jest odpowiedzialny za mieszanie paliwa i powietrza. Istnieją cztery podstawowe typy wtryskiwaczy paliwa; wtryskiwacze do rozpylania ciśnieniowego, podmuch powietrza, odparowywanie i premiksowanie/prevaporyzacja. Wtryskiwacze paliwa do rozpylania ciśnieniowego polegają na wysokim ciśnieniu paliwa (aż 3400 kilopaskali (500 psi)) w celu rozpylenia paliwa. Ten typ wtryskiwacza paliwa ma tę zaletę, że jest bardzo prosty, ale ma kilka wad. Układ paliwowy musi być wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać tak wysokie ciśnienie, a paliwo ma tendencję do niejednorodnego rozpylania, co powoduje niepełne lub nierównomierne spalanie, które ma więcej zanieczyszczeń i dymu.

drugim typem wtryskiwacza paliwa jest wtryskiwacz powietrza. Wtryskiwacz ten “wysadza” arkusz paliwa strumieniem powietrza, rozpylając paliwo w jednorodne krople. Ten typ wtryskiwacza paliwa doprowadził do powstania pierwszych palenisk bezdymnych. Używane powietrze to taka sama ilość powietrza pierwotnego (patrz ścieżki przepływu powietrza poniżej), która jest kierowana przez wtryskiwacz, a nie przez wirnik. Ten typ wtryskiwacza wymaga również niższego ciśnienia paliwa niż typ rozpylania ciśnieniowego.

wtryskiwacz paliwa odparowującego, trzeci typ, jest podobny do wtryskiwacza podmuch powietrza, ponieważ pierwotne powietrze jest mieszane z paliwem, gdy jest wtryskiwane do strefy spalania. Jednak mieszanka paliwowo-powietrzna przemieszcza się przez rurę w strefie spalania. Ciepło ze strefy spalania jest przekazywane do mieszanki paliwowo-powietrznej, odparowując część paliwa (mieszając je lepiej) przed spaleniem. Metoda ta pozwala na spalanie paliwa przy mniejszym promieniowaniu cieplnym, co pomaga chronić wykładzinę. Jednak rura parownika może mieć poważne problemy z trwałością przy niskim przepływie paliwa w niej (paliwo wewnątrz rury chroni rurkę przed ciepłem spalania).

wtryskiwacze do wstępnego mieszania/prewaporyzacji działają poprzez mieszanie lub odparowywanie paliwa, zanim dotrze ono do strefy spalania. Metoda ta pozwala na bardzo równomierne mieszanie paliwa z powietrzem, zmniejszając emisję spalin z silnika. Jedną z wad tej metody jest to, że paliwo może się automatycznie zapalić lub w inny sposób spalić, zanim mieszanina paliwowo-powietrzna dotrze do strefy spalania. Jeśli tak się stanie, spalacz może zostać poważnie uszkodzony.

Zapalnik

Większość zapalników w zastosowaniach turbin gazowych to elektryczne zapalniki iskrowe, podobne do samochodowych świec zapłonowych. Zapalnik musi znajdować się w strefie spalania, w której paliwo i powietrze są już zmieszane, ale musi być na tyle daleko, aby nie został uszkodzony przez samo spalanie. Po rozpoczęciu spalania przez zapalnik, jest on samowystarczalny i zapalnik nie jest już używany. W palnikach pierścieniowych i pierścieniowych (patrz rodzaje palników poniżej) płomień może rozprzestrzeniać się z jednej strefy spalania do drugiej, więc zapalniki nie są potrzebne w każdej z nich. W niektórych systemach stosowane są techniki wspomagania zapłonu. Jedną z takich metod jest Wtrysk tlenu, w którym tlen jest podawany do strefy zapłonu, co ułatwia spalanie paliwa. Jest to szczególnie przydatne w niektórych zastosowaniach lotniczych, w których silnik może wymagać ponownego uruchomienia na dużej wysokości.

ścieżki przepływu Powietrzaedit

powietrze pierwotne

jest to powietrze do spalania głównego. Jest to wysoce sprężone powietrze ze sprężarki wysokociśnieniowej (często zwalniane przez dyfuzor), które jest podawane przez główne kanały w kopule palnika i pierwszy zestaw Otworów wkładki. Powietrze to miesza się z paliwem, a następnie spala.

powietrze pośrednie

powietrze pośrednie to powietrze wtryskiwane do strefy spalania przez drugi zestaw Otworów wkładki (powietrze pierwotne przechodzi przez pierwszy zestaw). Powietrze to uzupełnia procesy reakcji, schładzając powietrze i rozcieńczając wysokie stężenia tlenku węgla (co) i wodoru (H2).

powietrze rozcieńczające

powietrze rozcieńczające jest przepływem powietrza wtryskiwanym przez otwory w wykładzinie na końcu komory spalania, aby pomóc schłodzić powietrze, zanim dotrze do stopni turbiny. Powietrze jest starannie wykorzystywane do uzyskania jednolitego profilu temperaturowego pożądanego w komorze spalania. Jednakże, ponieważ technologia łopatek turbiny poprawia się, pozwalając im wytrzymać wyższe temperatury, powietrze rozcieńczające jest zużywane mniej, co pozwala na wykorzystanie większej ilości powietrza do spalania.

powietrze chłodzące

powietrze chłodzące to przepływ powietrza, który jest wtryskiwany przez małe otwory w wykładzinie w celu wytworzenia warstwy (folii) chłodnego powietrza w celu ochrony wykładziny przed temperaturami spalania. Wdrożenie powietrza chłodzącego musi być starannie zaprojektowane,aby nie oddziaływało bezpośrednio z powietrzem spalania i procesem. W niektórych przypadkach aż 50% powietrza wlotowego jest wykorzystywane jako powietrze chłodzące. Istnieje kilka różnych metod wstrzykiwania tego chłodzącego powietrza, a metoda ta może wpływać na profil temperaturowy, na który narażona jest Wykładzina (patrz Liner, powyżej).