Efterbrännare - Afterburner
En efterbrännare (eller uppvärmning på brittisk engelska) är en ytterligare förbränningskomponent som används på vissa jetmotorer , mestadels de på militära supersoniska flygplan . Dess syfte är att öka dragkraften , vanligtvis för supersonisk flygning , start och strid . Efterförbränning injicerar ytterligare bränsle i en förbrännare i strålröret bakom ( dvs "efter") turbinen och "värmer" avgasen. Efterbränning ökar kraftigt drivkraften som ett alternativ till att använda en större motor med dess åtföljande viktavgift, men på bekostnad av mycket hög bränsleförbrukning (minskad bränsleeffektivitet ) vilket begränsar dess användning till korta perioder. Denna flygplansapplikation av uppvärmning står i kontrast med innebörden och implementeringen av uppvärmning som är tillämplig på gasturbiner som driver elektriska generatorer och som minskar bränsleförbrukningen.
Jetmotorer kallas för att fungera vått när efterbränning används och torr när det inte gör det. En motor som producerar maximal våtkraft har maximal effekt, medan en motor som producerar maximal torkkraft har militär effekt .
Princip
Jetmotordrift är en tillämpning av Newtons reaktionsprincip där motorn genererar dragkraft eftersom den ökar momenten i luften som passerar genom den. Kraften beror på två saker: avgasens hastighet och gasens massa. En jetmotor kan producera mer dragkraft genom att antingen accelerera gasen till en högre hastighet eller mata ut en större gasmassa från motorn. Att designa en grundläggande turbojetmotor kring den andra principen ger turbofanmotorn , som skapar långsammare gas, men mer av den. Turbofans är mycket bränsleeffektiva och kan leverera hög dragkraft under långa perioder, men designavvägningen är en stor storlek i förhållande till effekten. Att generera ökad effekt med en mer kompakt motor under korta perioder kan uppnås med en efterbrännare. Efterbrännaren ökar trycket främst genom att accelerera avgasen till en högre hastighet.
Värdena i det följande gäller för en tidig jetmotor, Pratt & Whitney J57 , stillastående på landningsbanan, och illustrerar de höga värdena för efterbränningsflöde, gastemperatur och dragkraft jämfört med värdena för motorn som arbetar inom temperaturbegränsningarna för dess turbin.
Den högsta temperaturen i motorn (cirka 3 700 ° F (2 040 ° C)) uppstår i förbrännaren där bränsle (8 520 lb/h (3 860 kg/h)) bränns helt i en relativt liten andel av luften som kommer in i motorn. Förbränningsprodukterna måste spädas med luft från kompressorn för att sänka gastemperaturen till ett värde, kallat Turbine Entry Temperature (TET) (1,570 ° F (850 ° C)), vilket ger turbinen ett acceptabelt liv. Behöva reducera temperaturen av förbränningsprodukterna av en stor mängd är en av de primära begränsningar för hur mycket dragkraft kan genereras (10.200 pund f (45 tusen N)). Att bränna allt syre som levereras av kompressorn skulle skapa temperaturer (3700 ° F (2 040 ° C)) som är tillräckligt höga för att förstöra allt i dess väg, men genom att blanda förbränningsprodukterna med oförbränd luft från kompressorn vid 316 ° C (600 ° F) ) en betydande mängd syre (bränsle/luftförhållande 0,014 jämfört med ett värde utan syre som kvarstår 0,0687) är fortfarande tillgängligt för förbränning av stora mängder bränsle (25 000 lb/h (11 000 kg/h)) i en efterbrännare. Gastemperaturen sjunker när den passerar genom turbinen till 545 ° C (1013 ° F). Efterbrännaren förvärmer gasen men till en mycket högre temperatur (1 390 ° C) än TET (870 ° C). Som ett resultat av temperaturstegringen i efterbrännarens förbränningsgas accelereras gasen, först genom värmetillsatsen, känd som Rayleigh -flöde , sedan av munstycket till en högre utloppshastighet än som uppstår utan efterbrännaren. Massflödet ökas också något genom tillsats av efterbrännaren. Kraften med efterförbränning är 16 000 lb f (71 000 N).
Det synliga avgaserna kan visa stötdiamanter , som orsakas av chockvågor som bildas på grund av små skillnader mellan omgivande tryck och avgastryck. Denna interaktion orsakar svängningar i avgasstråldiametern över en kort sträcka och orsakar synlig bandning där tryck och temperatur är högst.
Tryckförstärkning genom uppvärmning av bypassluft
Kraften kan öka genom att bränna bränsle i en turbofan kall bypass -luft, istället för de blandade kalla och heta flödena som i de flesta efterbrända turbofan.
En tidigt förstärkt turbofan, Pratt & Whitney TF30 , använde separata brännzoner för bypass- och kärnflöden med tre av sju koncentriska sprutringar i bypassflödet. Som jämförelse använde den efterbrända Rolls-Royce Spey en tjugo rännarmixer innan bränslefördelarna.
Plenumkammarbränning (PCB), utvecklades för den vektorerade Bristol Siddeley BS100 -motorn för Hawker Siddeley P.1154 . Den kalla förbikopplingen och heta luftflödena delades mellan två par munstycken, fram och bak, på samma sätt som Rolls-Royce Pegasus , och ytterligare bränsle och efterförbränning applicerades endast på de främre munstyckena. Det skulle ha gett större dragkraft för start och supersonisk prestanda i ett flygplan som liknar, men större, än Hawker Siddeley Harrier .
Kanaluppvärmning användes av Pratt & Whitney för deras JTF17 turbofanförslag för US Supersonic Transport Program 1964 och en demonstrationsmotor kördes. Kanalvärmaren använde en ringformig brännare och skulle användas för start, klättring och kryssning vid Mach 2.7 med olika mängder av förstoring beroende på flygplanets vikt.
Design
En jetmotor efterbrännkammare är en sektion förlängd avgas innehållande extra bränsle injektorer. Eftersom jetmotorn uppströms (dvs. före turbinen) kommer att använda lite av det syre som den intar, kan ytterligare bränsle brännas efter att gasflödet har lämnat turbinerna. När efterbrännaren slås på injiceras bränsle och tändare avfyras. Den resulterande förbränningsprocessen ökar temperaturen efter utbränningen ( munstycksinträde ) avsevärt, vilket resulterar i en kraftig ökning av motorns nettodrag. Utöver ökningen i efterförbrännaren utträdesstagnationstemperatur , finns det också en ökning av munstycke massflöde (dvs. efterbrännare ingångsmassflöde plus den effektiva efterbrännare bränsleflödet), men en minskning i efterbrännkammare utträdesstagnationstryck (på grund av en grundläggande förlust på grund av uppvärmning plus friktions- och turbulensförluster).
Den resulterande ökningen i efterbrännarens utloppsvolymflöde ryms genom att öka halmområdet för framdrivningsmunstycket. Annars matchar uppströms turbomaskiner igen (förmodligen orsakar en kompressorstopp eller fläktsvingning i en turbofanapplikation ). De första konstruktionerna, t.ex. Solar efterbrännare som användes på F7U Cutlass, F-94 Starfire och F-89 Scorpion, hade 2-lägesögonmunstycken. Moderna mönster innehåller inte bara VG -munstycken utan flera steg av förstärkning via separata sprutstänger.
För en första ordning är bruttodryckförhållandet (efterbränning/torrhet) direkt proportionellt mot roten till stagnationstemperaturförhållandet över efterbrännaren (dvs utgång/inträde).
Begränsningar
På grund av sin höga bränsleförbrukning används efterbrännare endast för korta krav med hög dragkraft. Dessa inkluderar tunga eller korta startbanor, hjälp vid katapultuppskjutningar från hangarfartyg och under flygstrid . Ett anmärkningsvärt undantag är Pratt & Whitney J58- motorn som används i SR-71 Blackbird som använde efterbrännaren under längre perioder och tankades under flygning som en del av varje spaningsuppdrag.
En efterbrännare har en begränsad livslängd som matchar dess intermittenta användning. J58 var ett undantag med ett kontinuerligt betyg. Detta uppnåddes med termiska barriärbeläggningar på fodret och flamhållare och genom att kyla fodret och munstycket med kompressoravluftningsluft istället för turbinavgaser.
Effektivitet
I värmemotorer som jetmotorer är effektiviteten högst när förbränning sker vid högsta möjliga tryck och temperatur och expanderas ner till omgivande tryck (se Carnot -cykeln ).
Eftersom avgasen redan har minskat syre på grund av tidigare förbränning, och eftersom bränslet inte brinner i en högtrycksluftskolonn, är efterbrännaren i allmänhet ineffektiv jämfört med huvudförbrännaren. Efterbrännarens effektivitet minskar också avsevärt om inlopps- och utloppstrycket, som vanligt är fallet, minskar med ökande höjd.
Denna begränsning gäller endast turbojets. I en militär turbofan stridsmotor tillsätts bypass -luften i avgaserna, vilket ökar kärnan och efterbrännarens effektivitet. I turbojets är vinsten begränsad till 50%, medan den i en turbofan beror på bypass -förhållandet och kan vara så mycket som 70%.
Som ett motexempel hade SR-71 dock rimlig effektivitet på hög höjd i efterbränning ("vått") läge på grund av dess höga hastighet ( mach 3.2) och motsvarande högt tryck på grund av ramintaget .
Påverkan på cykelval
Bränning har ett betydande inflytande på motorns cykel val.
Sänkning av fläktens tryckförhållande minskar specifik dragkraft (både torr och våt efterförbränning), men resulterar i en lägre temperatur som kommer in i efterbrännaren. Eftersom utbränningstemperaturen efter efterbränning effektivt är fast, ökar temperaturhöjningen över enheten, vilket ökar bränsleflödet efter förbränningen. Det totala bränsleflödet tenderar att öka snabbare än nettokraften, vilket resulterar i en högre specifik bränsleförbrukning (SFC). Dock förbättras motsvarande SFC med torr effekt (dvs lägre specifik dragkraft). Det höga temperaturförhållandet över efterbrännaren resulterar i en bra tryckförstärkning.
Om flygplanet bränner en stor andel av sitt bränsle när efterbrännaren stiger, lönar det sig att välja en motorcykel med hög specifik dragkraft (dvs. högt fläkttryck/låg bypass -förhållande ). Den resulterande motorn är relativt bränsleeffektiv med efterförbränning (dvs. Combat/Take-off), men törstig i torr effekt. Om efterbrännaren dock knappast ska användas, kommer en låg specifik dragkraft (lågt fläkttryckförhållande/hög förbikopplingsförhållande) att gynnas. En sådan motor har en bra torr SFC, men en dålig efterbränning av SFC vid Combat/Take-off.
Ofta står motordesignern inför en kompromiss mellan dessa två ytterligheter.
Historia
Den Caproni Campini CC2 motorjet , designad av den italienska ingenjören Secondo Campini var det första flygplanet att införliva en efterbrännkammare. Den första flygningen av en Caproni Campini CC2, med efterbrännare i drift, ägde rum den 11 april 1941.
Tidigt brittiskt uppvärmningsarbete inkluderade flygprov på en Rolls-Royce W2/B23 i en Gloster Meteor I i slutet av 1944 och marktester på en Power Jets W2/700- motor i mitten av 1945. Denna motor var avsedd för Miles M.52 överljudsprojekt.
Tidig amerikansk forskning om konceptet gjordes av NACA , i Cleveland, OH, vilket ledde till publiceringen av tidningen "Theoretical Investigation of Thrust Augmentation of Turbojet Engines by Tail-pipe Burning" i januari 1947.
USA: s arbete med efterbrännare 1948 resulterade i installationer på tidiga rakstrålar som Pirate , Starfire och Scorpion .
Den nya Pratt & Whitney J48 turbojet, vid 8 000 lbf (36 kN) dragkraft med efterbrännare, skulle driva Grummans svepkämpe F9F-6 , som var på väg att börja producera. Andra nya marinekrigare med efterbrännare inkluderade Chance Vought F7U-3 Cutlass , driven av två 6 000 lbf (27 kN) stötade Westinghouse J46- motorer.
På 1950-talet utvecklades flera stora uppvärmda motorer, till exempel varianterna Orenda Iroquois och brittiska de Havilland Gyron och Rolls-Royce Avon RB.146. Den Rolls-Royce Avon RB.146 varianter drev English Electric Lightning , den första överljudsflygplan i RAF service. Bristol-Siddeley Rolls-Royce Olympus var utrustad med uppvärmning för TSR-2 . Detta system designades och utvecklades gemensamt av Bristol Siddeley och Solar i San Diego. Uppvärmningssystemet för Concorde utvecklades av Snecma .
Efterbrännare används vanligtvis endast i militära flygplan och anses vara standardutrustning på stridsflygplan. Den handfull civila plan som har använt dem inkluderar några NASA-forskningsflygplan, Tupolev Tu-144 , Concorde och White Knight of Scaled Composites . Concorde flög långa sträckor med supersonisk hastighet. Upprätthålla höga hastigheter skulle vara omöjligt med den höga bränsleförbrukningen vid uppvärmning, och planet använde efterbrännare vid start och för att minimera tiden som spenderades i den transoniska flygregimen med hög dragkraft . Supersonisk flygning utan efterbrännare kallas supercruise .
En turbojetmotor utrustad med en efterbrännare kallas en "efterbränd turbojet", medan en turbofanmotor på liknande sätt ibland kallas en "augmented turbofan".
En " dump-and-burn " är en airshow-funktion där bränsle avlägsnas och sedan avsiktligt antänds med efterbrännaren. En spektakulär låga i kombination med hög hastighet gör detta till en populär skärm för airshows , eller som en avslutning på fyrverkerier . Bränsledumpning används främst för att minska vikten av ett flygplan för att undvika en tung höghastighetslandning. Annat än av säkerhets- eller nödskäl har bränsledumpning inte praktisk användning.