Förbrännare

syftet med brännaren i en gasturbin är att lägga till energi i systemet för att driva turbinerna och producera en höghastighetsgas för att avgasas genom munstycket i flygplansapplikationer. Som med alla tekniska utmaningar kräver det att man balanserar många designhänsyn, till exempel följande:

• förbränna bränslet helt. Annars slösar motorn bort det oförbrända bränslet och skapar oönskade utsläpp av oförbrända kolväten, kolmonoxid (CO) och sot.
• låg tryckförlust över brännaren. Turbinen som brännaren matar behöver högt tryckflöde för att fungera effektivt.
• lågan (förbränning) måste hållas (innesluten) inuti brännaren. Om förbränningen sker längre bak i motorn kan turbinstegen lätt överhettas och skadas. Dessutom, som turbinblad fortsätter att växa mer avancerade och kan motstå högre temperaturer, är brännarna utformade för att brinna vid högre temperaturer och delarna av brännaren måste utformas för att motstå de högre temperaturerna.
• den ska kunna tända på hög höjd i händelse av motorflamma.
• enhetlig utgångstemperatur profil. Om det finns heta fläckar i utgångsflödet kan turbinen utsättas för termisk stress eller andra typer av skador. På samma sätt bör temperaturprofilen i brännaren undvika heta fläckar, eftersom de kan skada eller förstöra en förbrännare från insidan.
• liten fysisk storlek och vikt. Utrymme och vikt är en premie i flygplanstillämpningar, så en väl utformad förbrännare strävar efter att vara kompakt. Icke-flygplanstillämpningar, som kraftgenererande gasturbiner, är inte lika begränsade av denna faktor.
• brett utbud av drift. De flesta förbrännare måste kunna arbeta med olika inloppstryck, temperaturer och massflöden. Dessa faktorer förändras med både motorinställningar och miljöförhållanden (dvs full gas vid låg höjd kan skilja sig mycket från tomgångsgas vid hög höjd).
• miljöutsläpp. Det finns strikta regler för luftfartygsutsläpp av föroreningar som koldioxid och kväveoxider, så förbrännare måste utformas för att minimera dessa utsläpp. (Se avsnittet utsläpp nedan)

källor:

Historieredit

framsteg inom förbränningsteknik fokuserade på flera olika områden; utsläpp, driftsområde och hållbarhet. Tidiga jetmotorer producerade stora mängder rök, så tidiga förbrännings framsteg, på 1950-talet, syftade till att minska röken som produceras av motorn. När röken i huvudsak eliminerades vände ansträngningarna på 1970-talet för att minska andra utsläpp, som oförbrända kolväten och kolmonoxid (för mer information, se avsnittet utsläpp nedan). På 1970-talet förbättrades också brännarens hållbarhet, eftersom nya tillverkningsmetoder förbättrade liners (Se komponenter nedan) livslängd med nästan 100 gånger den för tidiga liners. På 1980-talet började brännarna förbättra sin effektivitet över hela driftsområdet; brännarna tenderade att vara mycket effektiva (99%+) vid full effekt, men den effektiviteten sjönk vid lägre inställningar. Utvecklingen under det decenniet förbättrade effektiviteten på lägre nivåer. På 1990-och 2000-talet sågs ett förnyat fokus på att minska utsläppen, särskilt kväveoxider. Förbrännings teknik fortfarande aktivt forskat och avancerad, och mycket modern forskning fokuserar på att förbättra samma aspekter.

ComponentsEdit

Case

fallet är det yttre skalet av brännaren, och är en ganska enkel struktur. Höljet kräver i allmänhet lite underhåll. Väskan är skyddad mot termiska belastningar genom luften som strömmar i den, så termisk prestanda är av begränsad oro. Höljet fungerar emellertid som ett tryckkärl som måste motstå skillnaden mellan de höga trycket inuti brännaren och det lägre trycket utanför. Den mekaniska (snarare än termiska) belastningen är en drivande designfaktor i fallet.

diffusor

syftet med diffusorn är att sänka den höga hastigheten, mycket komprimerad luft från kompressorn till en hastighet som är optimal för brännaren. Att minska hastigheten resulterar i en oundviklig förlust av totalt tryck, så en av designutmaningarna är att begränsa tryckförlusten så mycket som möjligt. Dessutom måste diffusorn vara utformad för att begränsa flödesförvrängningen så mycket som möjligt genom att undvika flödeseffekter som gränsskiktsseparation. Liksom de flesta andra gasturbinmotorkomponenter är diffusorn konstruerad för att vara så kort och lätt som möjligt.

foder

fodret innehåller förbränningsprocessen och introducerar de olika luftflödena (mellanliggande, utspädning och kylning, se Luftflödesbanor nedan) i förbränningszonen. Fodret måste vara konstruerat och byggt för att klara förlängda högtemperaturcykler. Av den anledningen liners tenderar att vara tillverkade av superlegeringar som Hastelloy X. Dessutom, även om högpresterande legeringar används, liners måste kylas med luftflöde. Vissa förbrännare använder också termiska barriärbeläggningar. Luftkylning krävs dock fortfarande. I allmänhet finns det två huvudtyper av linerkylning; filmkylning och transpirationskylning. Filmkylning fungerar genom att injicera (med en av flera metoder) kall luft från utsidan av fodret till precis inuti fodret. Detta skapar en tunn film av kall luft som skyddar fodret, vilket minskar temperaturen vid fodret från cirka 1800 Kelvin (K) till cirka 830 K, till exempel. Den andra typen av linerkylning, transpirationskylning, är ett modernare tillvägagångssätt som använder ett poröst material för fodret. Det porösa fodret tillåter en liten mängd kylluft att passera genom det, vilket ger kylfördelar som liknar filmkylning. De två primära skillnaderna är i den resulterande temperaturprofilen hos fodret och den mängd kylluft som krävs. Transpirationskylning resulterar i en mycket jämnare temperaturprofil, eftersom kylluften införs jämnt genom porerna. Filmkylluft införs vanligtvis genom lameller eller lameller, vilket resulterar i en ojämn profil där den är svalare vid lamellen och varmare mellan lamellerna. Ännu viktigare är att transpirationskylning använder mycket mindre kylluft (i storleksordningen 10% av det totala luftflödet, snarare än 20-50% för filmkylning). Att använda mindre luft för kylning gör att mer kan användas för förbränning, vilket är allt viktigare för högpresterande motorer med hög dragkraft.

nos

nosen är en förlängning av kupolen (se nedan) som fungerar som en luftdelare och separerar primärluften från sekundärluftflödena (mellanliggande, utspädning och kylluft; se avsnittet Luftflödesbanor nedan).

Dome / swirler

kupolen och virvlaren är den del av förbränningen som primärluften (se Luftflödesbanor nedan) strömmar genom när den kommer in i förbränningszonen. Deras roll är att generera turbulens i flödet för att snabbt blanda luften med bränsle. Tidiga förbrännare tenderade att använda bluff body kupoler (snarare än swirlers), som använde en enkel platta för att skapa vakna turbulens för att blanda bränsle och luft. De flesta moderna mönster är dock virvelstabiliserade (använd virvlar). Virvlaren etablerar en lokal lågtryckszon som tvingar några av förbränningsprodukterna att återcirkulera, vilket skapar den höga turbulensen. Ju högre turbulens, desto högre tryckförlust kommer att vara för brännaren, så kupolen och virvlaren måste vara noggrant utformade för att inte generera mer turbulens än vad som behövs för att blanda bränslet och luften tillräckligt.

bränsleinsprutare

bränsleinsprutaren är ansvarig för att införa bränsle i förbränningszonen och, tillsammans med virvlaren (ovan), ansvarar för att blanda bränslet och luften. Det finns fyra primära typer av bränsleinsprutare; tryck-finfördelning, luft blast, förångning, och förblandning/prevaporizing injektorer. Tryckfördelande bränsleinsprutare förlitar sig på höga bränsletryck (så mycket som 3400 kilopascals (500 psi)) för att finfördela bränslet. Denna typ av bränsleinsprutare har fördelen att den är mycket enkel, men den har flera nackdelar. Bränslesystemet måste vara tillräckligt robust för att motstå sådana höga tryck, och bränslet tenderar att vara heterogent finfördelat, vilket resulterar i ofullständig eller ojämn förbränning som har mer föroreningar och rök.

den andra typen av bränsleinsprutare är luftblåsningsinsprutaren. Denna injektor “spränger” ett bränsleblad med en luftström och finfördelar bränslet i homogena droppar. Denna typ av bränsleinsprutare ledde till de första rökfria brännarna. Den luft som används är precis samma mängd av den primära luften (se Luftflödesbanor nedan) som avleds genom injektorn, snarare än virvlaren. Denna typ av injektor kräver också lägre bränsletryck än tryckfördelningstypen.

förångningsbränsleinjektorn, den tredje typen, liknar luftblåsningsinjektorn i den primära luften blandas med bränslet när det injiceras i förbränningszonen. Emellertid rör sig bränsle-luftblandningen genom ett rör inom förbränningszonen. Värme från förbränningszonen överförs till bränsle-luftblandningen, förångar en del av bränslet (blandar det bättre) innan det förbränns. Denna metod gör att bränslet kan förbrännas med mindre termisk strålning, vilket hjälper till att skydda fodret. Förångarröret kan dock ha allvarliga hållbarhetsproblem med lågt bränsleflöde i det (bränslet inuti röret skyddar röret från förbränningsvärmen).

förblandningen/prevaporizing injektorerna fungerar genom att blanda eller förånga bränslet innan det når förbränningszonen. Denna metod gör att bränslet kan blandas mycket jämnt med luften, vilket minskar utsläppen från motorn. En nackdel med denna metod är att bränsle kan antändas eller på annat sätt förbrännas innan bränsle-luftblandningen når förbränningszonen. Om detta händer kan brännaren skadas allvarligt.

Tändare

de flesta tändare i gasturbinapplikationer är elektriska gnisttändare, liknande tändstift för bilar. Tändaren måste vara i förbränningszonen där bränslet och luften redan är blandade, men det måste vara tillräckligt långt uppströms så att det inte skadas av själva förbränningen. När förbränningen initialt startas av tändaren är den självbärande och tändaren används inte längre. I burkringformiga och ringformiga förbrännare (se typer av förbrännare nedan) kan flamman sprida sig från en förbränningszon till en annan, så Tändare behövs inte vid var och en. I vissa system används tändningsassistenttekniker. En sådan metod är syreinjektion, där syre matas till tändningsområdet, vilket hjälper bränslet att lätt förbränna. Detta är särskilt användbart i vissa flygplanstillämpningar där motorn kan behöva starta om i hög höjd.

luftflödesvägarredigera

Primärluft

detta är huvudförbränningsluften. Det är mycket komprimerad luft från högtryckskompressorn (ofta retarderad via diffusorn) som matas genom huvudkanalerna i brännarens kupol och den första uppsättningen linerhål. Denna luft blandas med bränsle och förbränns sedan.

Mellanluft

Mellanluft är den luft som injiceras i förbränningszonen genom den andra uppsättningen linerhål (primärluft går genom den första uppsättningen). Denna luft fullbordar reaktionsprocesserna, kyler luften ner och spädar de höga koncentrationerna av kolmonoxid (CO) och väte (H2).

Utspädningsluft

Utspädningsluft är luftflöde som injiceras genom hål i fodret i slutet av förbränningskammaren för att hjälpa till att kyla luften innan den når turbinstegen. Luften används noggrant för att producera den enhetliga temperaturprofil som önskas i brännaren. Men eftersom turbinbladtekniken förbättras, så att de tål högre temperaturer, används utspädningsluft mindre, vilket möjliggör användning av mer förbränningsluft.

kylluft

kylluft är luftflöde som injiceras genom små hål i fodret för att generera ett lager (film) av kall luft för att skydda fodret från förbränningstemperaturerna. Genomförandet av kylluft måste utformas noggrant så att den inte direkt interagerar med förbränningsluften och processen. I vissa fall används så mycket som 50% av inloppsluften som kylluft. Det finns flera olika metoder för att injicera denna kylluft, och metoden kan påverka temperaturprofilen som fodret utsätts för (se fodret ovan).