Tailored porosity gradient by FEM-calculations for silicon carbide evaporator tubes

Gas turbine combustors with premix burners can reduce NO_x -emissions. In a new premix burner concept the evaporation of the liquid fuel and the burning zone are separated from one another. The liquid fuel is sprayed onto the porous outer surface of the evaporator tube. Flowing air and the fuel vapour attain inside the tube where combustion takes place.

Previous work has shown that for this application porous silicon carbide (SiC) ceramics show great potential Due to the temperature gradient during operation, high thermal stresses develop in the tube. Four different design variations for the distribution of the porosity in the outside combustor wall are investigated, which are a two-layer concept (bulk material and a homogeneous porous layer) and three continuous porosity gradients (linear, convex, concave).

By comparing the local stress distribution with the local strength of the four different design variations a favorable porosity gradient is found. Only with this tailored porosity gradient can the failure probability of the component be significant reduced.

Ermittlung eines spannungsreduzierenden Porositätsgradienten für ein Siliziumkarbidverdampferrohr mit Hilfe der Finite Element Methode

Brennkammern mit Vormischbrenner können die NO_x-Emission von Gasturbinen wesentlich reduzieren. In einem neuen Konzept für eine Vormischbrennkammer wird das Verdampfen des flüssigen Brennstoffes und das Verbrennen des Brennstoff-Luftgemisches räumlich getrennt. Der flüssige Brennstoff wird auf die poröse Aussenseite des Verdampferrohres aufgesprüht. Die anströmende Luft und der Brennstoffdampf gelangen in das Verdampferrohr, wo die Verbrennung stattfindet.

Vorangegangene Arbeiten zeigten die gute Eignung von Siliziumkarbid für dieses Einsatzgebiet. Bedingt durch den Temperaturgradienten im Betrieb entstehen hohe thermische Spannungen in der Verdampferröhre. Vier verschiedene Designvarianten für den Verlauf der Porosität in der Aussenwand der Brennkammer wurden untersucht: ein Zweischichtsystem (dichtes Material und eine homogen poröse Schicht)und drei kontinuierliche Porositätsgradienten (linear, konvex, konkav).

Durch einen Vergleich der Verläufe von Festigkeiten und Spannungen bei den vier Designvarianten wurde ein geeigneter Verlauf der Porosität gefunden. Mit diesem angepassten Porositätsgradienten kann die Versagenswahrscheinlichkeit des Bauteils wesentlich reduziert werden.