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.
