Камеры сгорания газовых турбин ГТУ. Виды камер сгорания газотурбинных установок. Типы форсунок ГТУ

Камеры сгорания газовых турбин в составе газотурбинной установки (ГТУ)

В камерах сгорания внутренняя энергия топлива при сжигании преобразуется в потенциальную энергию рабочего тела. В современных ГТУ используется жидкое или газообразное топливо. Для сжигания топлива необходим окислитель, которым служит кислород воздуха. Воздух повышенного Давления поступает в камеру сгорания после компрессора.

При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с дополнительным количеством воздуха. Образующийся горячий газ (рабочее тело) направляется в газовую турбину.

Рис.1. Камера сгорания ГТУ:
1 — подвод топлива, 2 — регистр, 3 — пламенная труба,
4 — смеситель, 5 — зона смешения, 6 — зона горения,
7 — корпус, 8 — топливораздающее устройство (форсунка)

Простейшая камера сгорания газотурбинной установки (рис.1) состоит из топливораздающего устройства 8, регистра первичного воздуха 2, пламенной трубы 3 и смесителя 4, которые размещаются в корпусе 7. Корпус нагружен давлением изнутри.

Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) 8 подает топливо в зону горения 6. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания процесса горения, поступает через регистр 2 в зону горения. Большая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом 7 и пламенной трубой 3, охлаждая ее. Затем, пройдя через смеситель 4, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания в зоне смешения 5, охлаждая их до заданной температуры.

Конструкция камеры сгорания газотурбинных установок зависит от назначения и схемы ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива. Вместе с тем существует ряд признаков, по которым можно разделить камеры сгорания ГТУ на несколько типов.

Виды и типы камер сгорания газотурбинных установок

Так, камеры сгорания бывают выносные и встроенные. Выносные располагаются вне корпусов турбины и компрессора и соединяются с ними или регенератором трубопроводами, а встроенные находятся непосредственно в корпусе.

Выносные камеры сгорания, чаще всего используемые в стационарных ГТУ и реже на транспортных (судовых локомотивных и автомобильных), хорошо компонуются с регенератом.

Рис.2. Газотурбинные установки с выносной (а) и встроенными (б) камерами сгорания:
1 — компрессор, 2 — турбина, 3 — камера сгорания, 4 — регенератор

Расположения выносной камеры сгорания в ГТУ с регенерацией теплоты и встроенной камеры показаны на рис.2,а,б

По конструктивным признакам встроенные камеры сгорания могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми и секционными (рис.3,а—в), а также — индивидуальными (см. рис.1). Кольцевые камеры сгорания (рис.3,а) наиболее легки компактны, используются в простой схеме ГТУ и располагаются между компрессором и турбиной вокруг ротора 2.

Рис.3. Встроенные камеры сгорания:
а — кольцевая, б — трубчато-кольцевая, в — секционная;
1, 5 — внутренняя и наружная обечайки корпуса, 2 — ротор,
3,4 — внутренняя и наружная обечайки плененной трубы,
6 — регистры, 7 — патрубки переброски пламени,
в — пламенная труба, 9 — корпус

Рабочий объем кольцевой камеры сгорания представляет собой сплошное кольцевое пространство между внутренней 3 и наружной 4 обечайками пламенной трубы. Кольцевые камеры сгорания, работающие на жидком топливе, применяются преимущественно в авиации, так как при больших размерах они становятся ненадежными. В стационарных ГТУ используются кольцевые микрофакельные камеры сгорания, работающие на газе.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания (рис.3,б) имеют несколько пламенных труб 8, расположенных в общем корпусе вокруг оси турбокомпрессора (обычно их 6-12) и соединенных патрубками 7 для переброски пламени. Это необходимо при пуске, а также случайном погасании факела в одной из пламенных труб. Вторичный воздух омывает пламенные трубы снаружи. Продукты сгорания попадают в общий кольцевой патрубок, а из него — в газовую турбину.

Секционные камеры сгорания газотурбинных установок (рис.3,в) состоят из нескольких одинаковых камер сгорания, расположенных вокруг оси турбокомпрессора в собственных корпусах 9, соединенных патрубками 7. Продукты сгорания попадают в турбину из общего кольцевого коллектора. Секционные камеры сгорания самые большие по габаритам, однако наиболее удобные при ремонте, так как разборки всех камер сгорания в этом случае не требуется.

В настоящее время в стационарных ГТУ, особенно транспортных, все чаще применяются камеры сгорания, объединяющие признаки трубчато-кольцевых, секционных и индивидуальных.

Кроме того, камеры сгорания можно разделить по роду сжигаемого топлива — жидкого, газообразного, твердого.

Камеры сгорания, в которых сжигают жидкое и газообразное топливо, отличаются размерами горелочных устройств, а для сжигания твердого топлива имеют дополнительные устройства для удаления золы. Пока камеры сгорания для сжигания твердого топлива находятся в опытной эксплуатации.

По направлению потоков камеры сгорания подразделяют на прямоточные и противоточные. В прямоточных продукты сгорания и воздух имеют одинаковое направление, а в противоточных их направление встречное.

Камеры сгорания подразделяются также по количеству горелок на одной пламенной трубе на одногорелочные и многогорелочные (рис.4).

Рис.4. Многогорелочная камера сгорания:
1 — корпус пламенной трубы, 2 — регистры,
3 — каналы для прохода воздуха

Одним из основных элементов любой камеры сгорания является пламенная труба. На рис.5 показана пламенная труба, состоящая из отдельных обечаек, вставленных друг в друга. Между обечайками остается зазор, так как они отделены друг от друга волнистой лентой, приваренной к наружной обечайке контактной сваркой.

Рис.5. Пламенная труба из обечаек:
1 — обечайки, 2 — регистр, 3 — смеситель, 4 — волнистая лента

Рис.6. Двухстенная пламенная труба (а) и схемы ее охлаждения (б,в,г):
1 — регистр, 2,3 — наружная и внутренняя стенки, 4 — смеситель,
5 — ребра, 6 — отверстия для прохода воздуха, 7 — штифты,
8 — гофрированная внутренняя стенка

На рис.6,а показана двухстенная пламенная труба, а на рис.6,б-г различные схемы ее охлаждения. Внутренняя стенка 3 (рис.6,б,в) может иметь ребра 5, на которых держится наружная стенка 2, или не иметь их. Внутренняя стенка может быть также гофрированной {рис.6,г) и крепится к наружной специальными штифтами 7.

Особое внимание обращают на организацию охлаждения пламенной трубы, так как температура среды внутри нее достигает 1500—1800°С. В пламенной трубе, показанной на рис.5, небольшое количество вторичного воздуха проходит в кольцевые щели между обечайками и образует на ее внутренней поверхности защитную пленку, отделяющую стёнку трубы от пламени.

Такой слой создается при любой схеме охлаждения. В стенках двухстенной пламенной трубы (рис.6,а-г) выполняются отверстия 6, через которые проходит охлаждающий воздух, создающий защитную пленку. Кроме того, применяют одновременное охлаждение через кольцевые щели и отверстия.

Теплота передается к стенкам пламенной трубы в основном от светящегося факела пламени лучеиспусканием. Несмотря на охлаждение, стенки пламенных труб имеют высокую температуру и поэтому изготавливаются из жаростойкой стали. Форсунки предназначены для подачи жидкого топлива в камеру сгорания. Эффективность сжигания жидкого топлива в первую очередь зависит от качества распыливания. При плохом распыливании появляется механический недожог, вызывающий снижение экономичности, закоксовывание камер сгорания и опасность разрушения проточной части турбины отрывающимися коксовыми наростами.

Жидкое топливо не горит, горят его пары. Скорость испарения капель пропорциональна их поверхности. Чем лучше распылено топливо, тем больше площадь его соприкосновения с воздухом и тем быстрее оно испаряется и сгорает.

Форсунки должны обеспечивать высокое качество распыливания при всех возможных режимах работы (расход топлива может изменяться от 10 до 100%), иметь простую конструкцию и быть взаимозаменяемыми.

Для распыливания жидкого топлива в ГТУ применяют форсунки двух типов: механические и пневматические. Преимуществом механических форсунок является компактность, малая затрата энергии на распыление и удачное взаимодействие топливного факела с воздухонаправляющим устройством завихривающего типа. В пневматических форсунках топливо дробится с помощью сжатого воздуха или пара, для чего на ГТУ должен иметься их источник. Давление воздуха или пара должно быть намного больше давления в камере сгорания, что является основным недостатком пневматических форсунок.

Рассмотрим принцип действия форсунок различных типов.

Простейшая механическая форсунка (рис.7) имеет распылитель, который выполнен в виде цилиндрического корпуса 1 и вставки 3.

Рис.7. Механическая форсунка ГТУ:
1 — корпус, 2 — канал для подвода топлива, 3 — вставка,
4 — вихревая камера, 5 — тангенциальный канал, 6 — сопло

Жидкое топливо из камеры, расположенной между корпусом и вставкой, попадает в камеру завихрения 4 через тангенциальные каналы 5, закручивается и в виде кольцевой струи вытекает из сопла 6. Сплошная кольцевая струя I (рис.8), вытекающая из форсунки, неустойчива и при высоких скоростях истечения распадается под действием гидродинамических сил сначала на крупные куски пленки II, а затем на мелкие капли III.

Рис.8. Схема образования капель топлива при вытекании из сопла

Изменять расходы топлива в простейшей форсунке можно, изменяя давление перед ней. Однако от перепада давлений зависит тонкость распыливания. Уменьшение расхода топлива на 60% приводит к увеличению диаметра капли в 1,85 раза. Такое распыливание неудовлетворительно.

Простейшим способом его улучшения является замена односоплового распылителя групповым, состоящим из 3—6 форсунок. При этом изменяют расход в основном отключением отдельных форсунок и регулируют давление в каждой из них в узких пределах.

Рис.9. Механическая форсунка с изменяемым сечением тангенциальных каналов:
1 — корпус, 2 — вставка, 3 — поршень, 4 — тангенциальные каналы, 5 — сопло

Усложнив конструкцию форсунки, можно изменять расход топлива, изменяя сечения тангенциальных каналов (рис.9). Во вставке 2 выполнено несколько отверстий 4 разной длины. При перемещении поршня 3 изменяется площадь их проходного сечения и, следовательно, расход топлива через форсунку.

Рис.10. Механическая форсунка с обратным сливом:
1 — корпус, 2 — вставка, 3 — клапан, 4 — камера отвода топлива,
5 — завихритель, 6 — сопло

Применяется также регулирование расхода топлива с помощью обратного слива (рис.10). В таких форсунках не все топливо, поступающее в них, попадает в камеру сгорания. Часть его из камеры 4 возвращается обратно на всас топливного насоса (на рециркуляцию).

Перемещая клапан 3, можно регулировать количество возвращаемого топлива и, следовательно, изменять его расход через сопло 6 в камеру сгорания. Форсунки, основанные на этом принципе действия, просты и надежны, но требуют больших циркуляционных расходов топлива.

Рис.11. Пневматическая форсунка:
1 — корпус, 2 — ленточная резьба, 3 — вставка,
4 — отверстия для подвода топлива, 5 — зазор

В корпусе 1 пневматической форсунки (рис.11) расположена вставка 3, на наружной поверхности которой выполнены каналы ленточной резьбы 2, а внутри — отверстия 4 для подвода топлива. Воздух подается в зазор 5 между корпусом и вставкой под большим давлением. Топливо из отверстия 4 вставки попадает в каждый из каналов ленточной резьбы и дробится на капли в струе воздуха. Угол распиливания меняется с изменением угла подъема ленточной резьбой.

Рис.12. Плотность орошения механическими (а) и пневматическими (б) форсунками

Механические форсунки подают топливо в пространство, совпадающее с конусом распыливания (рис.12,а), а пневматические — в центр факела (рис.12,б), причем по периферии его располагаются более мелкие фракции, что является преимуществом этих форсунок.

Для сжигания газообразного топлива используются горелки. Так как объемные расходы газообразного топлива велики, велики и размеры горелок.

Горелки всех типов, имеют, внутреннюю и наружную части корпуса, в кольцевое пространство между которыми подается воздух. Газ поступает через полость. Выходит воздух из горелок между лопатками.

Обычно в горелки встраивают форсунки, которые позволяют использовать также жидкое топливо.



Камеры сгорания газовых турбин ГТУ. Виды камер сгорания газотурбинных установок. Типы форсунок ГТУ

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

двенадцать + четырнадцать =

wp-puzzle.com logo

Пролистать наверх
Adblock
detector