Газотурбинные установки для транспорта природного газа (пособие, 2012 год) - часть 3

Эту проблему на примере камер сгорания реактивных двигателей в начале 20 века предложил решить К.В. Циолковский («Изучение мировых пространств реактивными приборами», 1903 г.). Стенки камеры должны были охлаждаться одним из компонентов топлива.

Русский исследователь Ю.В. Кондратюк предлагает не только охлаждать стенки, но и изготовлять их из термически устойчивых металлов.

Под руководством С.П. Королева группа ученых разрабатывает камеры сгорания типа «труба в трубе». Наружное охлаждение осуществляется при помощи охладителя (газифицированного кислорода), который протекает в зазоре между цилиндрическими гладкими внутренней и наружной стенками.

Немецкие конструкторы в начале 1940-х гг. пошли еще дальше. Они разрабатывают камеры, как с наружным, так и внутренним охлаждением. Внутреннее охлаждение осуществлялось через несколько рядов отверстий во внутренней стенке для снижения температуры газа в пристеночном слое (рис. 1.51).

Кроме того, созданная конструкция типа «труба в трубе» с внутренними перфорированными отверстиями (рис. 1.52) позволяла решать не только проблему снижения температуры стенки камеры и снижения температуры продуктов сгорания, но и позволила создать зону малых скоростей. В этой зоне процесс горения поддерживается циркуляционным потоком продуктов сгорания, непрерывно поджигающим поступающую в камеру свежую топливовоздушную смесь.

1.3.3.2. Классификация камер сгорания

Камеры сгорания классифицируют:

• по назначению;

• по принципу действия;

• по движению потока воздуха и продуктов сгорания;

• по компоновке;

• по конструктивным особенностям корпуса и жаровой трубы;

По назначению камеры сгорания бывают основные, промежуточного подогрева и резервные.

По принципу действия камеры сгорания бывают периодического и непрерывного действия.

В периодических камерах сгорания процесс горения осуществляется в следующей последовательности: заправка камеры топливновоздушной смесью, вспышка, расширение и продувка (удаление продуктов сгорания), затем процесс повторяется. Такие камеры используются в поршневых двигателях внутреннего сгорания и для решения различных задач, определяющих характеристики цикла ГТУ.

Одна из возможных конструкций камер сгорания непрерывного горения представлена на рис. 1.53.

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называется первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель потока 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300...2000 °С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима, поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается с горячими газами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в

В идеальном случае коэффициент избытка воздуха а в камере сгорания близок к 1,25, хотя, например, при желании снизить выбросы окислов азота, эта величина может быть увеличена до 1,6. В жаровой трубе создается зона малых скоростей, в которой процесс горения поддерживается циркуляционным потоком продуктов сгорания, непрерывно поджигающим поступающую в камеру свежую топливовоздушную смесь. Избыточная (ненужная для горения) часть воздуха вводится в жаровую трубу за зоной горения, где она перемешивается с горячими продуктами сгорания, понижая, таким образом, их температуру до приемлемого для турбины уровня.

Основные требованиями для всех камер сгорания непрерывного действия являются: устойчивость процесса горения, высокая тепло-напряжённость, максимальная полнота сгорания, минимальные тепловые потери, надёжная работа в течение установленного ресурса работы двигателя. В зависимости от температуры, развиваемой в К. с. непрерывного действия, в качестве конструкционных материалов для их изготовления применяют: до 500 °С - хромоникелевые стали, до 900 °С -хромоникелевые стали с добавкой титана, выше 950 °С - специальные комбинированные материалы и различные покрытия, например керамические. Камеры сгорания непрерывного действия относятся к числу

Жаровая труба телескопически соединена с газосборником продуктов сгорания 3, который закреплен с помощью опоры 4. Жаровая труба имеет фронтовое устройство 5 с топливной форсункой 6 и свечу зажигания 7.

Фронтовое устройство - это входная часть жаровой трубы, в которой располагаются топливоподающие устройства и каналы подвода воздуха для обеспечения начального очага горения.

Для обеспечения равномерной подачи воздуха в жаровую трубу и улучшения условий охлаждения ее стенки предусмотрен дефлектор 8, который образует охлаждающую полость.

Выносные камеры сгорания с отдельными жаровыми трубами (рис. 1.56) удобно обслуживать, диагностировать и проводить ремонтные работы. Они проще в доводке, удешевляют разработку различных дополнительных устройств, предназначенных для повышения эффективности работы и уменьшения образования вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, газосборные тракты (каналы) продуктов сгорания, расположенные между камерой и турбиной намного длиннее, чем у встроенных камер сгорания ГТУ, что позволяет более качественно перемешивать продукты сгорания с охлаждающим воздухом, и, тем самым, снижать уровень температурной нагрузки на первую ступень турбины.

К недостаткам выносных камер сгорания относят большие размеры с развитой поверхностью охлаждения и более сложные условия для компенсации тепловых расширений газосборных трактов.

Применяют эти камеры в основном в стационарных и значительно реже в передвижных установках, а чаще в установках с регенерацией теплоты отходящих газов, прежде всего в связи с необходимостью организовать движение потоков воздуха и продуктов сгорания между компрессором и газовой турбиной.

У встроенных камер сгорания (рис. 1.57) корпус опирается непосредственно на общий корпус турбокомпрессора или конструктивно с ним совмещён. Встроенные камеры сгорания располагаются концен-трично между компрессором и газовой турбиной, что позволяет значительно уменьшить габариты и массу установки, уменьшить количество модулей, повысить блочность конструкции, облегчить ее обустройство на компрессорной станции. Направление движения потока воздуха во встроенных камерах сгорания может быть различным: прямоточным

или противоточным по отношению к направлению потока воздуха в компрессоре. Различие в схемах движения потока воздуха, поступающего в камеру сгорания, практически не меняет рабочий процесс сжигания топлива и величину потерь давления по камере в целом.
По конструктивным особенностям камеры сгорания подразделяют на:

• трубчатые (индивидуальные и многосекционные);

• кольцевые;

• трубчато-кольцевые.

Конструктивно камеры сгорания всех типов включают: диффузор; жаровую трубу; наружный кожух; фронтовое устройство (топливная форсунка, завихритель, стабилизатор), систему перфорации (отверстия различного диаметра получения топливовоздушной смеси нужного состава и смешения воздуха с продуктами сгорания для их охлаждения).

Дадим краткую характеристику каждого типа камер сгорания.

Трубчатые камеры сгорания просты по конструкции, удобны в эксплуатации, надежны в работе. Существуют индивидуальные трубчатые (их еще могут называть индивидуальные цилиндрические) и многосекционные трубчатые.

Рассмотрим принцип работы индивидуальной трубчатой (цилиндрической) камеры сгорания: Первичный воздух (рис. 1.58) поступает через воздухо-направляющее устройство 1 в пламенную трубу 4, куда через форсунку 2 (или горелку) подается топливо. Расход первичного воздуха регулируется в зависимости от расхода топлива поворотом лопаток воздухо-направляющего устройства 1, что осуществляется посредством специальных рычагов управления. Вторичный (охлаждающий) воздух пропускается через кольцевое пространство между пламенной трубой 4 и корпусом 3 камеры сгорания. При движении он интенсивно охлаждает стенки трубы и корпуса. Выходя из кольцевого

Многосекционные трубчатые камеры сгорания выполняют обычно в виде единого моноблока, в котором все секции заключены в общий корпус. Каждая секция имеет одну форсунку, впрыскивающую топливо по направлению потока. Секционные камеры сгорания отличаются компактностью, обеспечивают высокую полноту сгорания топлива и устойчиво работают в различных эксплуатационных условиях.

Их недостатки: большие поперечные размеры двигателя за счет неиспользуемого пространства между камерами; не входят в силовую схему двигателя; трудность распространения пламени между камерами. Сравнительно большие потери давления (2,5...7,5 %). Тепловая мощность отдельной секции составляет в среднем (0,7... 1,7)-1000 кВт, а иногда достигает 3,5-10' кВт. Объемная теплонапряженность у камер этого типа высокая - (100... 160)-1000 кВт/м3.

Кольцевая камера сгорания образована кольцевым пространством, заключенным между наружным и внутренним корпусами двигателя (рис. 1.60). Она компактна, входит в силовую схему двигателя, пламя легко распространяется по всей камере.

В кольцевых камерах сгорания (рис. 1.61) зона горения I имеет форму кольцевой полости обычно шириной 150...200 мм, которая образуется цилиндрами 1 и 2. Два других соосно расположенных цилиндра (9 и 8) составляют кожух камеры. Первичный воздух через воздухопод-водящее устройство 4 поступает в зону горения I. Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам 6 и 7 к смесительным насадкам 5, через которые поступает в зону II, где смешивается с продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру. В воздухоподводящем устройстве 4 на входе в зону горения I по всей окружности расположены форсунки 3. За счет этого обеспечивается хорошее перемешивание топлива с воздухом и горение по всему кольцевому пространству. Число форсунок может достигать 10...20, но иногда это бывает одна вращающаяся форсунка.
Объемная теплонапряженность у кольцевых камер примерно такая же, как и у секционных, а потери давления несколько больше (до 10 %). По сравнению с секционными камерами они имеют меньший рабочий объем и более равномерное поле температур газа на выходе. Кольцевые камеры сложнее в изготовлении и доводке, труднодоступны для осмотра в ходе эксплуатации.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания (рис. 1.62). В таких камерах отдельные жаровые трубы заключены в общий корпус, придающий жесткость всей конструкции. Они имеют преимущества трубчатых камер сгорания и свободны от недостатков кольцевых камер сгорания.

Трубчато-кольцевые камеры имеют теплонапряженность и потери давления приблизительно такие же, как секционные камеры. Они компактнее кольцевых камер и более просты в доводке. Небольшие размеры пламенных труб упрощают их изготовление и разборку.

1.3.3.3. Требования, предъявляемые к камерам сгорания

К камерам сгорания предъявляются следующие требования:

• Высокая устойчивость горения во всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя без срывов, опасных пульсаций и затухания пламени;

Для уменьшения неравномерности полей температур необходимо совершенствовать все узлы камеры сгорания, в том числе и зону смешения. Установлено, что необходимым условием для получения требуемой эпюры температур является обеспечение достаточной глубины проникновения струй воздуха в поток в зоне смешения, которая зависит от импульса подводимого воздуха. Так в кольцевых камерах сгорания величина проникновения струй воздуха должна быть не меньше половины высоты сечения жаровой трубы.

Неравномерность поля температур складывается из окружной и радиальной неравномерностей температурного поля. Окружная неравномерность вредна. При проектировании и эксплуатационной доводке камеры сгорания стремятся сделать ее минимальной. Радиальную неравномерность (распределение температуры вдоль радиуса) подчиняют определенному закону. Делают так, чтобы максимальная температура приходилась на расстояние, равное примерно 2/3 высоты лопатки. Это объясняется тем, что корневые элементы лопаток турбины, подверженные действию наибольших напряжений разрыва, а концевые, имеющие наименьшую толщину и поэтому легче поддающиеся обгоранию, должны омываться потоком газа меньшей температуры.

1.3.3.4. Охлаждение стенки камеры сгорания и понижение температуры продуктов сгорания

Объем вторичного воздуха, не участвующего в процессе сгорания составляет примерно 50...60% от общего, поступающего из осевого компрессора (рис. 1.63).

1.3.3.5. Снижение температуры горения и уровня эмиссии в камерах сгорания

Одной из главных задач, решаемых при создании камер сгорания ГТУ наземного применения, является обеспечение нормативных требований на уровни эмиссии (выбросы вредных веществ) в атмосферу, согласно требованиям, действующим на территории РФ (табл. 1.1). Самыми вредными являются и минимальными по показателям ПДК являются оксиды азота.
Таблица 1.1 Нормативный уровень выброса вредных газообразных веществ в атмосферу при эксплуатации газотурбинных установок

*Назначение ГТУ*	*Нормативный уровень, мг/нм , приведенный к 15 % О*2		*Нормативный* *документ*
*Назначение ГТУ*	NO_x	СО	*Нормативный* *документ*
Для газоперекачивающих агрегатов	150	300	ГОСТ 27855-90
Для привода турбогенератора: - при работе на газообразном топливе; - при работе на жидком топливе	50 100	регламентируются заказчиком	ГОСТ 29328-92

содержание .. 1 2 3 4 ..