Arzator

obiectivul arzătorului într-o turbină cu gaz este de a adăuga energie sistemului pentru a alimenta turbinele și de a produce un gaz de mare viteză pentru a evacua prin duza în aplicațiile aeronavelor. Ca și în cazul oricărei provocări inginerești, realizarea acestui lucru necesită echilibrarea multor considerente de proiectare, cum ar fi următoarele:

• ardeți complet combustibilul. În caz contrar, motorul risipește combustibilul nears și creează emisii nedorite de hidrocarburi nearsate, monoxid de carbon (CO) și funingine.
• pierdere de presiune scăzută pe tot arzătorul. Turbina pe care o alimentează combustorul are nevoie de debit de înaltă presiune pentru a funcționa eficient.
• flacăra (arderea) trebuie ținută (închisă) în interiorul arzătorului. Dacă arderea are loc mai în spate în motor, treptele turbinei pot fi ușor supraîncălzite și deteriorate. În plus, pe măsură ce paletele turbinei continuă să crească mai avansate și sunt capabile să reziste la temperaturi mai ridicate, combustoarele sunt proiectate să ardă la temperaturi mai ridicate, iar părțile combustorului trebuie proiectate pentru a rezista la acele temperaturi mai ridicate.
• ar trebui să fie capabil să se aprindă din nou la altitudine mare în cazul stingerii flăcării motorului.
• profil uniform de temperatură de ieșire. Dacă există puncte fierbinți în fluxul de ieșire, turbina poate fi supusă stresului termic sau altor tipuri de deteriorări. În mod similar, profilul de temperatură din interiorul arzătorului ar trebui să evite punctele fierbinți, deoarece acestea pot deteriora sau distruge un combustor din interior.
• dimensiuni fizice mici și greutate. Spațiu și greutate este la o primă în aplicații de aeronave, astfel încât un combustor bine conceput se străduiește să fie compact. Aplicațiile non-aeriene, cum ar fi turbinele cu gaz Generatoare de energie, nu sunt la fel de constrânse de acest factor.
• gamă largă de funcționare. Majoritatea arzătoarelor trebuie să poată funcționa cu o varietate de presiuni de intrare, temperaturi și fluxuri de masă. Acești factori se modifică atât cu setările motorului, cât și cu condițiile de mediu (adică, accelerația completă la altitudine mică poate fi foarte diferită de accelerația la ralanti la altitudine mare).
• emisiile de mediu. Există reglementări stricte privind emisiile de poluanți ale aeronavelor, cum ar fi dioxidul de carbon și oxizii de azot, astfel încât combustorii trebuie proiectați pentru a minimiza aceste emisii. (A se vedea secțiunea privind emisiile de mai jos)

surse:

HistoryEdit

progresele în tehnologia combustor axat pe mai multe domenii distincte; emisiile, gama de operare, și durabilitate. Motoarele cu reacție timpurii au produs cantități mari de fum, așa că avansurile timpurii ale combustorului, în anii 1950, au avut ca scop reducerea fumului produs de motor. Odată ce fumul a fost eliminat în esență, eforturile s-au îndreptat în anii 1970 către reducerea altor emisii, cum ar fi hidrocarburile nearse și monoxidul de carbon (pentru mai multe detalii, consultați secțiunea de emisii de mai jos). Anii 1970 au înregistrat, de asemenea, o îmbunătățire a durabilității arzătorului, deoarece noile metode de fabricație au îmbunătățit durata de viață a căptușelii (vezi componentele de mai jos) de aproape 100 de ori mai mare decât cea a căptușelilor timpurii. În anii 1980, combustoarele au început să-și îmbunătățească eficiența pe întreaga gamă de operare; combustoarele au avut tendința de a fi extrem de eficiente (99%+) la putere maximă, dar această eficiență a scăzut la setări mai mici. Dezvoltarea în acel deceniu a îmbunătățit eficiența la niveluri mai scăzute. Anii 1990 și 2000 au văzut un accent reînnoit pe reducerea emisiilor, în special a oxizilor de azot. Tehnologia Combustor este încă cercetată și avansată în mod activ, iar multe cercetări moderne se concentrează pe îmbunătățirea acelorași aspecte.

ComponentsEdit

Case

cazul este carcasa exterioară a arzătorului și este o structură destul de simplă. Carcasa necesită, în general, puțină întreținere. Carcasa este protejată de încărcăturile termice de aerul care curge în ea, astfel încât performanța termică este de interes limitat. Cu toate acestea, carcasa servește ca un vas de presiune care trebuie să reziste la diferența dintre presiunile ridicate din interiorul arzătorului și presiunea mai mică din exterior. Această sarcină mecanică (mai degrabă decât termică) este un factor de proiectare a conducerii în acest caz.

difuzor

scopul difuzorului este de a încetini viteza mare, foarte comprimată, aerul de la compresor la o viteză optimă pentru combustor. Reducerea vitezei are ca rezultat o pierdere inevitabilă a presiunii totale, astfel încât una dintre provocările de proiectare este limitarea pierderii de presiune cât mai mult posibil. În plus, difuzorul trebuie să fie proiectat pentru a limita distorsiunea fluxului cât mai mult posibil prin evitarea efectelor de curgere, cum ar fi separarea stratului limită. La fel ca majoritatea celorlalte componente ale motorului cu turbină cu gaz, difuzorul este proiectat să fie cât mai scurt și mai ușor posibil.

Liner

liner conține procesul de ardere și introduce diferitele fluxuri de aer (intermediar, diluare și răcire, a se vedea căile de curgere a aerului de mai jos) în zona de ardere. Căptușeala trebuie proiectată și construită pentru a rezista ciclurilor extinse de temperatură ridicată. Din acest motiv, garniturile tind să fie fabricate din superaliaje precum Hastelloy X. În plus, chiar dacă se utilizează aliaje de înaltă performanță, garniturile trebuie răcite cu flux de aer. Unele combustoare folosesc, de asemenea, acoperiri cu barieră termică. Cu toate acestea, răcirea cu aer este încă necesară. În general, există două tipuri principale de răcire a căptușelii; răcirea filmului și răcirea transpirației. Răcirea filmului funcționează prin injectarea (prin una din mai multe metode) a aerului rece din exteriorul căptușelii până în interiorul căptușelii. Acest lucru creează o peliculă subțire de aer rece care protejează căptușeala, reducând temperatura la căptușeală de la aproximativ 1800 kelvini (K) la aproximativ 830 K, de exemplu. Celălalt tip de răcire a căptușelii, răcirea transpirației, este o abordare mai modernă care folosește un material poros pentru căptușeală. Căptușeala poroasă permite trecerea unei cantități mici de aer de răcire prin ea, oferind beneficii de răcire similare răcirii filmului. Cele două diferențe principale sunt în profilul de temperatură rezultat al căptușelii și cantitatea de aer de răcire necesară. Răcirea prin transpirație are ca rezultat un profil de temperatură mult mai uniform, deoarece aerul de răcire este introdus uniform prin pori. Aerul de răcire a filmului este introdus în general prin șipci sau jaluzele, rezultând un profil neuniform în care este mai rece la șipcă și mai cald între șipci. Mai important, răcirea prin transpirație folosește mult mai puțin aer de răcire (de ordinul a 10% din fluxul total de aer, mai degrabă decât 20-50% pentru răcirea filmului). Utilizarea mai puțin aer pentru răcire permite utilizarea mai mult pentru ardere, ceea ce este din ce în ce mai important pentru motoarele de înaltă performanță, cu tracțiune ridicată.

Bot

botul este o extensie a cupolei (vezi mai jos) care acționează ca un splitter de aer, separând aerul primar de fluxurile de aer secundare (aer intermediar, diluare și răcire; vezi secțiunea căi de curgere a aerului de mai jos).

cupola / vârtejul

cupola și vârtejul sunt partea combustorului prin care curge aerul primar (vezi căile de curgere a aerului de mai jos) pe măsură ce intră în zona de ardere. Rolul lor este de a genera turbulențe în flux pentru a amesteca rapid aerul cu combustibilul. Combustorii timpurii au avut tendința de a folosi cupole de corp bluff (mai degrabă decât vârtejuri), care foloseau o placă simplă pentru a crea turbulențe de trezire pentru a amesteca combustibilul și aerul. Cu toate acestea, majoritatea modelelor moderne sunt stabilizate cu vârtej (folosiți vârtejuri). Vârtejul stabilește o zonă locală de joasă presiune care forțează unele dintre produsele de ardere să recirculeze, creând turbulența ridicată. Cu toate acestea, cu cât turbulența este mai mare, cu atât pierderea de presiune va fi mai mare pentru combustor, astfel încât cupola și vârtejul trebuie proiectate cu atenție pentru a nu genera mai multe turbulențe decât este necesar pentru a amesteca suficient combustibilul și aerul.

injector de combustibil

injectorul de combustibil este responsabil pentru introducerea combustibilului în zona de ardere și, împreună cu vârtejul (deasupra), este responsabil pentru amestecarea combustibilului și a aerului. Există patru tipuri principale de injectoare de combustibil; atomizare sub presiune, explozie de aer, vaporizare și injectoare premix/prevaporizare. Injectoarele de combustibil de atomizare a presiunii se bazează pe presiuni ridicate ale combustibilului (până la 3.400 kilopascali (500 psi)) pentru a atomiza combustibilul. Acest tip de injector de combustibil are avantajul de a fi foarte simplu, dar are mai multe dezavantaje. Sistemul de combustibil trebuie să fie suficient de robust pentru a rezista la presiuni atât de mari, iar combustibilul tinde să fie atomizat eterogen, rezultând o combustie incompletă sau neuniformă, care are mai mulți poluanți și fum.

al doilea tip de injector de combustibil este injectorul de explozie de aer. Acest injector “suflă” o foaie de combustibil cu un curent de aer, atomizând combustibilul în picături omogene. Acest tip de injector de combustibil a dus la primele combustoare fără fum. Aerul utilizat este doar aceeași cantitate de aer primar (vezi căile de curgere a aerului de mai jos) care este deviată prin injector, mai degrabă decât prin vârtej. Acest tip de injector necesită, de asemenea, presiuni mai mici de combustibil decât tipul de pulverizare a presiunii.

injectorul de combustibil vaporizant, al treilea tip, este similar cu injectorul de explozie de aer în care aerul primar este amestecat cu combustibilul în timp ce este injectat în zona de ardere. Cu toate acestea, amestecul combustibil-aer se deplasează printr-un tub în zona de ardere. Căldura din zona de ardere este transferată amestecului combustibil-aer, vaporizând o parte din combustibil (amestecându-l mai bine) înainte de a fi ars. Această metodă permite arderea combustibilului cu mai puțină radiație termică, ceea ce ajută la protejarea căptușelii. Cu toate acestea, tubul vaporizatorului poate avea probleme grave de durabilitate, cu un debit redus de combustibil în interiorul acestuia (combustibilul din interiorul tubului protejează tubul de căldura de ardere).

injectoarele de preamestecare/prevaporizare funcționează prin amestecarea sau vaporizarea combustibilului înainte de a ajunge în zona de ardere. Această metodă permite amestecarea foarte uniformă a combustibilului cu aerul, reducând emisiile de la motor. Un dezavantaj al acestei metode este că combustibilul se poate aprinde automat sau arde în alt mod înainte ca amestecul combustibil-aer să ajungă în zona de ardere. Dacă se întâmplă acest lucru, arzătorul poate fi grav deteriorat.

aprinzător

majoritatea aprinzătorilor din aplicațiile turbinelor cu gaz sunt aprinzători electrici, asemănători bujiilor auto. Aprinzătorul trebuie să se afle în zona de ardere unde combustibilul și aerul sunt deja amestecate, dar trebuie să fie suficient de departe în amonte, astfel încât să nu fie deteriorat de arderea în sine. Odată ce arderea este inițiată inițial de aprindere, aceasta se auto-susține și aprinderea nu mai este utilizată. În combustoarele can-inelare și inelare (vezi tipurile de combustoare de mai jos), flacăra se poate propaga de la o zonă de ardere la alta, astfel încât aprinzătoarele nu sunt necesare la fiecare. În unele sisteme sunt utilizate tehnici de asistență la aprindere. O astfel de metodă este injecția de oxigen, unde oxigenul este alimentat în zona de aprindere, ajutând combustibilul să ardă cu ușurință. Acest lucru este deosebit de util în unele aplicații de aeronave în care motorul poate fi nevoit să repornească la altitudine mare.

calea fluxului de Aeredit

aerul primar

acesta este aerul principal de combustie. Este aer foarte comprimat de la compresorul de înaltă presiune (adesea decelerat prin difuzor) care este alimentat prin canalele principale din cupola arzătorului și primul set de găuri de căptușeală. Acest aer este amestecat cu combustibil și apoi ars.

aer intermediar

aer intermediar este aerul injectat în zona de ardere prin al doilea set de găuri de căptușeală (aerul primar trece prin primul set). Acest aer completează procesele de reacție, răcind aerul în jos și diluând concentrațiile ridicate de monoxid de carbon (CO) și hidrogen (H2).

aerul de diluare

aerul de diluare este fluxul de aer injectat prin orificiile căptușelii de la capătul camerei de ardere pentru a ajuta la răcirea aerului înainte de a ajunge la etapele turbinei. Aerul este utilizat cu atenție pentru a produce profilul uniform de temperatură dorit în arzător. Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia lamei turbinei se îmbunătățește, permițându-le să reziste la temperaturi mai ridicate, aerul de diluare este utilizat mai puțin, permițând utilizarea mai multor aer de combustie.

aer de răcire

aerul de răcire este fluxul de aer care este injectat prin găuri mici în căptușeală pentru a genera un strat (film) de aer rece pentru a proteja căptușeala de temperaturile de ardere. Implementarea aerului de răcire trebuie proiectată cu atenție, astfel încât să nu interacționeze direct cu aerul și procesul de ardere. În unele cazuri, până la 50% din aerul de intrare este utilizat ca aer de răcire. Există mai multe metode diferite de injectare a acestui aer de răcire, iar metoda poate influența profilul de temperatură la care este expusă căptușeala (vezi Liner, mai sus).