Камеры сгорания газотурбинных установок
Камерой сгорания называется устройство, обеспечивающее повышение теплосодержания газа в цикле ГТУ за счёт химических реакций окисления углеводородов топлива и подготовку продуктов сгорания заданной температуры для их подачи в проточную часть турбины.
В энергетике более распространены камеры непрерывного сгорания топлива при постоянном давлении в зоне горения (p = const). Изобарические камеры сгорания представляют собой полуограниченный объём, в который непрерывно поступает топливо (жидкое или газообразное) и воздух, и из которого непрерывно отводятся продукты сгорания.
Принципиальная схема камеры показана на рис. 4.25 [5]. Поток воздуха В, подаваемого в камеру сгорания компрессором, разделяется на две неравные части – первичный В1 и вторичный В2. Первичный поток воздуха В1, меньший по своей величине, задаётся так, чтобы обеспечить полное сгорание топлива с устойчивой зоной горения при повышенной температуре 1800..2000К в жаровой трубе 1, установленной внутри камеры сгорания. Вторичный поток воздуха В2, омывая жаровую трубу, охлаждает её стенки до приемлемой температуры и затем подаётся через специальные отверстия в стенке жаровой трубы зону смешения с продуктами сгорания ПС. В этом объёме камеры температура газа снижается до требуемого уровня, и газ поступает в проточную часть турбины.
Топливовоздушная смесь требуемого состава и структуры смешения, а также для полного сгорания топлива Т, образуется путём дробления расхода топлива на мелкие струи специальными устройствами – форсунками 2 (жидкие топлива) или насадками для газообразного топлива. Для интенсификации перемешивания топлива и воздуха используют различного рода завихрители 3, через которые подаётся основная масса первичного воздуха. Здесь же расположено запальное устройство (свеча зажигания СЗ), которое используется при запуске установки. В результате в огневой зоне камеры образуются различного рода вихри и обратные токи ОТ, обеспечивающие интенсивное перемешивание воздуха с топливом для полного окисления его углеводородов. Назначенный расход первичного воздуха обеспечивает повышенную температуру в огневой зоне и стабильное горение топлива через расчётное соотношение скорости его прокачки и скорости распространения пламени.
Процесс устойчивого горения в огневой зоне камеры обеспечивают следующие меры:
· Подача воздуха в количестве, необходимом для образования смеси нужного состава при полном окислении углеводородов;
· Создание нужной температуры для полного сгорания топлива;
· Обеспечение зоны стабилизации фронта пламени, в которой скорость перемещения топливовоздушной смеси должна быть равной скорости распространения пламени в этом потоке.
Пламенная (огневая) труба ограничивает пространство камеры сгорания и воспринимает основную тепловую нагрузку. Силовой корпус 4 воспринимает, в основном, механические нагрузки, создаваемые избыточным давлением в камере сгорания. На выходе из камеры могут быть установлены различного рода стабилизаторы, обеспечивающие равномерное распределение параметров в потоке газов, направляющемся в впускной коллектор турбины. Подобная схема организации горения топлива в камере сгорания ГТУ показана на рис. 4.11, реализована цилиндрическая схема конструкции камеры с разделением потоков воздуха, подаваемого из компрессора.
Совершенство камеры сгорания характеризует коэффициент полноты сгорания топлива как отношение количества теплоты, подведённой к рабочим газам, к теплоте, которая теоретически могла выделиться при полном сгорании топлива. К настоящему времени hкс = 0,97..0,995 [5].
На рис. 4.26 показана схема камеры сгорания ГТУ трубчато-кольцевого типа с обратным поворотом потока [5]. Блок камеры устанавливается непосредственно на корпусе турбоагрегата ГТУ. Воздух из проточной части компрессора 1 по кольцевому диффузору 2, установленному на его выходе, подаётся в объём кольцевого корпуса 3 камеры и, осуществив разворот, проходит внутрь пламенной трубы 4. Пламенная труба собрана из секций 5 таким образом, чтобы между ними оставались кольцевые зазоры для селективного доступа первичного воздуха в зону стабилизационного горения топлива. Топливо Т подаётся в объём пламенной трубы через специальную форсунку 6 с запальным устройством 7, установленную в её торце. В нижней, выходной части 8 жаровой трубы в её стенках имеется система отверстий различного диаметра для доступа вторичного воздуха в зону смешения газов. Рабочие газы по выпускному каналу из жаровой трубы поступают в кольцевой газосборник 9, установленный перед входом в проточный канал турбины.
Основное топливо – дистиллят (газотурбинное топливо) или природный газ. Блок камер сгорания состоит из 12 пламенных труб, смонтированных в едином кольцевом корпусе блока генерации рабочих газов с заданными параметрами состояния перед турбиной.
На рис. 4.27 показана схема камеры сгорания коробчато-кольцевого типа [5]. Воздух из проточного канала 1 компрессора поступает в коллектор-диффузор 2, в котором разделяется на первичный и вторичный потоки. Первичный поток направляется к головке камеры, где установлена система подачи топлива 3 с форсунками 4 и системой зажигания 5. Сгорание топлива в смеси с первичным воздухом происходит в огневом объёме 6 камеры, на выходе из которого установлен блок смешения 7 продуктов сгорания с расходом вторичного воздуха. Образовавшиеся рабочий газ поступает в проточную часть турбины.
На рис. 4.28 показана выходная часть компрессора, трубчато-кольцевая камера сгорания и входная часть газовой турбины (проект ЛМЗ “Авиадвигатель”. Воздух из проточного канала 1 компрессора через кольцевой коллектор 2 поступает в кольцевой объём 3 камеры сгорания и далее в её головку, на которой установлены форсунки подачи топлива. В верхней части огневой камеры расположена система отверстий для подачи воздуха, как первичного, так и вторичного в её объём. На выходе из огневого объёма установлен кольцевой коллектор 6 подачи рабочих газов в проточный канал турбины. На входе проточного канала турбины показаны сопловая решетка 7 и рабочие лопатки 8 на диске рабочего колеса первой ступени турбины, затем сопловая решётка 9 второй ступени турбины.
Диски 10 рабочих колёс компрессора и турбины составлены в единый барабан с общим валом ГТУ. В дисках и корпусе турбины организованы различные полости и каналы для подачи воздуха от компрессора к охлаждаемым деталям первой ступени турбины. На рисунке показаны различные способы герметизации проточных каналов компрессора и турбины, в том числе скользящее секционное уплотнение 12 между объемами компрессора и турбины.
На рис. 4.27 и рис. 4.28 схематически показаны различные типы горелок – устройств, обеспечивающих смешение топлива, жидкого или газообразного, подаваемого в поток первичного расхода воздуха [5]. Эти схемы горелок отличаются между собой принципом смешения топлива и воздуха, но главная их задача – в обеспечении наилучшего, полного сгорания топлива для экономии его расхода и в достижении заданной температуры продуктов сгорания в огневой зоне камеры при заданном давлении. При оценке энергетических параметров ГТУ снижение их характеристик, вызванное неполнотой сгорания топлива, учитывается специальным коэффициентом.
На рис. 4.29 показана схема горелки кольцевой камеры сгорания ГТУ (проект ЛМЗ) [5], представленной на рис. 4.27. Топливо из системы подачи 1, ограниченной герметичным корпусом 2, поступает по трубкам 3 в зону горения. Трубки заканчиваются форсунками с системой каналов 4 для равномерного распределения топлива и его смешения в объёме форсунки 5 с первичным потоком воздуха, поступающего туда же через завихрители 6. Горение смеси, подготовленной в заданной пропорции массовых расходов топлива и воздуха, начинается на срезе форсунки и продолжается в основном объёме камеры сгорания. Вторичный поток воздуха подмешивается к продуктам сгорания в специальном смесителе, установленном на выходе из камеры сгорания (рис. 4.27). Форсунки установлены в шахматном порядке, образуя сотовую структуру, наиболее соответствующую наилучшему смешению топлива с потоком воздуха с высокой полнотой его сгорания.
На рис. 4.30 показан горелочный модуль трубчато-кольцевой камеры сгорания ГТУ, показанной на рис. 4.28 (проект ЛМЗ). Горелка предусматривает работу ГТУ как на газообразном, так и на жидком, дизельном топливе.
Газ полаётся через штуцер 1, установленный в корпусе 2, в кольцевой канал 3, из которого по специальным газоходам 4 поступает через систему отверстий в огневой объём 5 форсунки. Воздух поступает в огневой объём через щели-завихрители 6, расположенные на корпусе форсунки между газоходами.
Дизельное топливо подаётся в форсунку через штуцер 7, и по каналу в её корпусе поступает в объём 8, из которого вытесняется в огневой объём форсунки через жиклёры 9 – каналы с минимальным проходным сечением. В результате мельчайшие струйки и капли жидкого топлива подхватываются завихрённым потоком воздуха, подаваемого в огневой объём форсунки, интенсивно перемешиваются с ним, быстро испаряются и сгорают при достаточной полноте сгорания топлива.
Тестовые вопросы по разделу “Газотурбинные установки”
1. Из каких агрегатов состоит ГТУ? Какие принципы заложены в их совместные характеристики?
2. Каковы пути повышения эффективности ГТУ? Дайте характеристику достигнутых показателей ГТУ на современном этапе развития энергетики и путей их дальнейшего повышения.
3. Какие цели достигаются использованием двухвальной схемы ГТУ? Изобразите её и дайте характеристику процессов в их последовательности.
4. Расскажите об устройстве турбины ГТУ. Как преобразуется энергия рабочего тела в ГТУ?
5. Какие цели достигаются охлаждением наиболее теплонагруженных деталей и узлов ГТУ? Каковы возможные схемы охлаждения и способы их реализации, приведите примеры на схемах ГТУ?
6. Каковы приёмы охлаждения сопловых и рабочих лопаток высокотемпературных ГТУ? Какие теплоносители могут быть использованы при этом? Приведите примеры.
7. Дайте анализ общих приёмов организации процесса сгорания топлива в камерах ГТУ. Приведите примеры реализации этих приёмов на схемах камер сгорания ГТУ.
8. Пользуясь схемами, поясните устройство камер сгорания ГТУ. Какие факторы влияют на их устройство? Как они учитываются в конкретных случаях?
9. Каково устройство и принцип действия форсуночных узлов камер сгорания ГТУ? Какие функции они выполняют?
10. Как достигается строго определённая температура продуктов сгорания перед турбиной? Какие факторы ограничивают её по величине? Какая температура продуктов сгорания перед турбиной достигнута к настоящему времени? Каковы пути повышения температуры?
11. Как устроен компрессор ГТУ? Что такое ступень компрессора? Как реализуется процесс многоступенчатого повышения давления воздуха в осевом компрессоре ГТУ?
12. Почему применяют многоступенчатые компрессоры?