Элементы конструкции основных камер сгорания

Независимо от конструктивных схем основных камер сгорания, для всех их общими являются следующие конструктивные элементы:

– диффузор;

– жаровая труба;

– стабилизаторы горения (завихрители);

– смесители;

– пусковые воспламенители;

– дренажные клапаны;

– топливные коллекторы с топливными форсунками.

Для трубчатых и трубчато-кольцевых камер, кроме того, используются пламяперебрасывающие патрубки и газосборники.

Диффузор устанавливается на входе в камеру сгорания и служит для понижения скорости воздуха на входе в камеру сгорания со 120…180 м/с до 30…50 м/с для обеспечения устойчивого горения топлива. На диффузоры приходится основная доля гидравлических потерь, поэтому их профилированию уделяется особое внимание.

Возможны несколько конструкций диффузоров: бессрывный, с разделением потоков, с запланированным срывом.

Бессрывный диффузор представляет собой плавный канал с углом раскрытия 18-25⁰ и обеспечивает выравнивание потока, безотрывное течение воздуха и небольшие гидравлические потери. Однако он имеет значительный осевой размер, что увеличивает расстояние между опорами ротора и длину всего двигателя.

С целью уменьшения осевых размеров диффузора он может заканчиваться внезапным увеличением площади проходного сечения – запланированным срывом (АЛ-21, ТВ3-117, Р-29). В месте резкого перехода сечений могут устанавливаться специальные гребешки – провокаторы срыва потока.

Возможна также конструкция бессрывного диффузора с большим углом раскрытия (до 35-40⁰). Для обеспечения бессрывного течения, поток в таком диффузоре делится на два или три канала, имеющих небольшие углы раскрытия.

Жаровая труба ограничивает зону горения топливо-воздушной смеси. В современных камерах она выполняется вальцовкой и сваркой тонкостенных колец, что снижает температурные напряжения в ее конструкции. Снаружи жаровая труба охлаждается вторичным воздухом, изнутри обеспечивается пленочное заградительное охлаждение.

Жаровая труба для обеспечения свободы температурных деформаций крепится в корпусе камеры как двухопорная балка, при этом обеспечивается ее фиксация только в одном поясе крепления, а во втором поясе – свобода перемещения.

Стабилизаторы горения (завихрители) обеспечивают устойчивость горения топливо-воздушной смеси, создавая зону обратных токов и интенсифицируя процессы смесеобразования путем увеличения турбулентности потока. Находят применение лопаточные (Р-11), струйные (щелевые, терочные – Д-25В, Д-20П) и срывные (АИ-20, АИ-25) стабилизаторы, а также их комбинации.

Смесители осуществляют подвод вторичного воздуха внутрь жаровой трубы для снижения температуры газа перед турбиной до заданного значения. Чтобы холодный воздух не попал в зону обратных токов и не нарушил процесса сгорания топлива из-за местного охлаждения газов, вторичный воздух вводят постепенно через систему отверстий или смесительных патрубков различного сечения. Струи вторичного воздуха должны иметь большую глубину проникания в поток горячего газа, чтобы снизить температуру газа не только у стенок, но и в ядре потока.

Величина глубины проникновения струй вторичного воздуха в жаровую трубу камеры рассчитывается по зависимости

,

где – глубина проникновения струи;

– диаметр отверстия;

и – скорость вторичного воздуха в отверстии и скорость сносящего газового потока;

– текущая длина жаровой трубы.

Пусковые воспламенители обеспечивают начальное воспламенение топливо-воздушной смеси при запуске двигателя. Они могут быть выполнены в виде электрической свечи у низковысотных двигатетелей (Д-25В, ТВ3-117) или при малом объеме камеры сгорания (РД-33) или в сочетании с пусковой топливной форсункой (АЛ-7, Р-11). Свечи применяют низковольтные (с рабочим напряжением 1500-2500 В, полупроводниковые, поверхностного разряда). Охлаждение пускового воспламенителя при запуске двигателя – емкостное, за счет нагрева собственной массы. Для облегчения высотного запуска и запуска в зимнее время в воспламенителе может применяться кислородная подпитка от бортовых кислородных баллонов (Р-25).

Дренажные клапаны располагаются в нижней части камеры сгорания и соединяются трубопроводом с дренажной системой двигателя. Они необходимы для слива остатков топлива из камеры при расконсервации двигателя, неудавшемся или ложном запуске.

Пламяперебрасывающие патрубки осуществляют передачу пламени в трубчатых или трубчато-кольцевых камерах сгорания из одной жаровой трубы в другую и несколько выравнивают давление в головках жаровых труб.

Газосборник необходим для плавного перевода потока газа от круглого сечения жаровой трубы трубчатой или трубчато-кольцевой камеры сгорания к кольцевому сечению перед сопловым аппаратом турбины.

В настоящее время в энергетических ГТУ используются различные газообразные и жидкие топлива, основными горючими которых являются углеводороды.

Природные газы состоят главным образом из метана (); в попутных нефтяных газах могут содержаться значительные количества , , , .

Нефтяные жидкие топлива для ГТУ состоят из различных по строению сложных молекул. Обычно массовая доля водорода составляет в них 11 – 13,5, углерода 86 – 87,5%. Во многих случаях в топливах содержатся соединения серы, кислорода, азота, влага и негорючие составляющие: в газообразных , , и др., в жидких – образующие золу соединения металлов.

В энергетических ГТУ используются КС с расположением жаровых труб вокруг вала ГТУ и выносные камеры сгорания. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки.

В трубчато-кольцевых камерах сгорания и индивидуальных камерах сгорания, расположенных концентрически вокруг вала ГТУ, вследствие небольших диаметров жаровых труб струи воздуха, вытекающего из отверстий в их стенках, проникают в ядро факела при приемлемых перепадах давления, обеспечивая быстрое перемешивание с воздухом и полное сгорание топлива без образования сажи в переобогащенных топливом зонах. Высокая турбулентность факела при горении в струях снижает также излучение на стенки. Обеспечить требуемую прочность, жесткость и температурное состояние металла небольших камер сгорания конструктивно проще. На их характеристики легче влиять с помощью тех или иных конструктивных изменений. Все это позволяет интенсифицировать процессы горения, уменьшить массу и габариты КС и всей ГТУ. Имеющиеся при небольших размерах жаровых труб возможности строгого дозирования потоков воздуха позволяет организовать процесс горения с минимальным количеством вредных выбросов (окислов азота, сажи, угарного газа, несгоревших углеводородов) и управлять полем температур на выходе. Жаровые трубы легче обслуживать и заменять для ремонта.

Важным преимуществом трубчато-кольцевых и индивидуальных камер сгорания является возможность отработки и доводки отдельных жаровых труб на стендах при натурных параметрах (давлении) и умеренных, практически доступных расходах воздуха и топлива. Аналогичные исследования крупных выносных камер сгорания возможны только в составе ГТУ,

В выносных камерах сгорания горелки расположены дальше от турбины и отделены от неё трактами с поворотом газового потока. Неравномерность температурного поля на входе в турбину и опасность проскоков пламени и повреждения турбины при неисправности горелок при этом меньше. Потери давления также обычно уменьшаются, так как при больших объемах затраты на перемешивание могут быть уменьшены (скорости движения воздуха меньше).

Вследствие значительного времени пребывания топливовоздушной смеси в зоне горения потери с недожогом и концентрации в продуктах сгорания угарного газа и несгоревших углеводородов могут быть невелики даже при сжигании тяжелых жидких топлив с повышенным содержанием углерода или низкокалорийных газов. При больших размерах факела его коэффициент теплового излучения близок к единице и мало изменяется в зависимости от характеристик жидких топлив. Это также облегчает сжигание их тяжелых сортов.

Рис.15.? Выносная КС ГТ-25-700-2.

1 – наружный корпус; 2 – жаровая труба; 3 – фронтовое устройство; 4 – горелки; 5 – сопла смесителя; 6 – подвод воздуха из КВД.

Выносные камеры создают возможность осмотра и ремонта изнутри их деталей и газового тракта, а также сопловых лопаток I ступени турбины.

Вместе с тем в больших выносных КС труднее организовать смешение и контролировать температуры факела, так чтобы выбросы были минимальными. Такие камеры транспортируются отдельно и присоединяются к турбогруппе при монтаже. Для вывода воздуха и ввода горячих газов в турбомашину необходимы крупногабаритные газоходы, ослабляющие корпус турбомашины. Прочность и газоплотность их внутреннего тракта обеспечить трудно. См.2.2. -2.4.

Несмотря на имеющийся опыт проектирования и отработку конструкций камер сгорания на моделях для обеспечения их работоспособности на промышленных ГТУ приходится выполнять доводку КС в составе ГТУ и вносить в конструкцию существенные изменения.

Из-за возникновения вихрей и зон пониженного давления в кольцевом канале между жаровой трубой и наружным корпусом в выносных КС наблюдались отложения кокса, перегрев и трещины на жаровой трубе, протечки газов через отверстия в ней и вынос кокса на внутреннюю стенку корпуса, а также увеличение неравномерности температур на выходе. Для упорядочения течения воздуха в кольцевом зазоре устанавливаются направляющие лопатки.

Обеспечение требуемого уровня температур и прочности деталей горячего тракта вызывает наибольшие трудности. Причинами трещин и поломок ненагруженных деталей жаровых труб КС часто бывают усталость под действием знакопеременных напряжений, особенно в тех случаях, когда КС работает неустойчиво, или термоусталость в результате теплосмен при пусках и остановах ГТУ. Трещины образуются в местах сварки и у отверстий и щелей в жаровых трубах для прохода воздуха, а также на газосборниках, соединяющих жаровые трубы с проточной частью турбины.

На ГТУ М7001 (Дженерал Электрик), например, из-за акустического резонанса в газосборниках возникали повышенные вибрационные напряжения, приводившие к образованию трещин, а затем щелей и отверстий. Уменьшение расхода воздуха через неисправную ЖТ и попадание отделившихся кусков металла в проточную часть турбины создавали опасность серьезных аварий. Для повышения прочности газосборников было введено гибкое соединение между ними и обоймой сопловых лопаток турбины; выполнены дополнительные отверстия для подвода охлаждающего воздуха и снижены температуры в зоне наибольших напряжений; скорректировано управление ВНА компрессора для изменения резонансных характеристик при частичных нагрузках; толщина стенок газосборников увеличена в 1,5 раза, а форма улучшена. Для уменьшения износа в местах механического контакта введена подвеска газосборников. Качество их изготовления улучшено путем совершенствования технологии и автоматизации сварки, проведения термообработки и рентгеноскопии швов.

На ГТУ М7001 были случаи смятия ЖТ из-за резкого повышения перепадов давления на них (до 130 – 150 кПа) при отключении топлива в момент внезапных остановов ГТУ. Прочность ЖТ была повышена установкой специальных жестких колец и устройством дополнительных решеток для прохода охлаждающего воздуха, облегчавших его доступ в зону горения, а процесс отключения ГТУ был растянут с 5- 10 до 15о мс, чтобы уменьшить перепад давления на ЖТ до 80 кПа. Радикальное снижение температуры и повышение прочности было достигнуто, однако, лишь после изменения конструкции, укорочения ЖТ и использования щелевого охлаждения

Рис.15.?. Модернизированная КС ГТУ М7001.

а) – конструктивная схема; б) – щелевое охлаждение: 1 – наружный корпус индивидуальной КС; 2- жаровая труба; 3- газосборник; 4 - фронтовое устройство; 5 – подвод топлива; 6 – свеча зажигания (одна из двух на 10 индивидуальных КС; 7 – экран; 8 – опора ЖТ; 9 – подвод воздуха из компрессора; 10 – вторичный воздух; 11 – приваренное точечной сваркой и опаянное кольцо; 12 – отверстия для ударного охлаждения; 13 – выходящая из щели непрерывная защитная пелена воздуха.

Перегрев деталей КС может вызывать несимметричность факела пламени. В ГТУ мощностью 35 – 85 МВт фирмы Броун Бовери (типы 9 и 13) с КС, установленной над ГТУ, выгорание металла наблюдалось в нижней части ЖТ при образовании очагов горения на выходящих из смесителя струях воздуха. причинами изменения положения факела в пространстве и соприкосновения его со стенками, вызывающего деформации и прогар ЖТ, могут быть также нарушение работы форсунок (газораздающих насадков), повреждение завихрителей и усталостные ли термоусталостные повреждения ЖТ или газосборников, нарушающие осевую симметрию потоков топлива и воздуха.

Ухудшение качества распыла жидкого топлива или наличие в газообразном топливе горючих конденсатов, в результате которых капли топлива попадают на стенки ЖТ и догорают на них, также могут вызвать перегрев и выгорание металла. Попадание в КС больших количеств газового конденсата приводит к очень тяжелым авариям. Вблизи фронтового устройства происходит переобогащение смеси и срыв факела, а горение стабилизируются на лопатках турбины, которые вследствие этого перегреваются и разрушаются.

Неравномерность температур на выходе из КС определяется конструкцией смесителя и может возрастать при затягивании горения и несимметричности подвода топлива или воздуха. На установке ГТ-100, например, коэффициент неравномерности температур газов и характер полей температуры на выходе из отдельных ЖТ, несимметричны из-за не вполне одинакового их положения относительно статорных элементов, не зависит от режима работы и вида топлива. Снижение неравномерности и благоприятное профилирование температуры по радиусу на входе в проточную часть были достигнуты путем несимметричного расположения и изменения числа и размеров сопл смесителя.

В некоторых выносных КС для выравнивания поля температур на выходе и определения в наладочный период оптимальных сечений сопл смесителя применялось их ручное регулирование с помощью заслонок. В эксплуатационной практике это нецелесообразно. При ограниченной информации о температуре газов изменение их неравномерности свидетельствует о возможном дефекте, который необходимо выявить и устранить, а не скрыть, устранив регулированием смесителя признак его появления.

Выравнивание температур происходит на некоторой длине после смесителя >1 – 2. Наличие поворотов между Кс и турбиной способствует некоторому уменьшению неравномерности температур, в угловых входных патрубках турбин их неравномерность уменьшается в 3 – 5 раз.

Серьезные неполадки могут быть вызваны неудовлетворительной работой форсунок жидкого топлива. На некоторых ГТУ наблюдался износ рабочих каналов форсунок из-за наличия в топливе и распыливающем воздухе твердых частиц. Чтобы избежать его, элементы форсунок выполняют из твердых материалов или упрочняют, топливо и распыливающий воздух фильтруют, а при конструировании трактов избегают повышенной турбулентности и прямого удара потока о стенки. Чтобы избежать неплотностив соединениях и протечек топлива с образованием кокса или даже очагов горения на форсунках, тщательность их изготовления и сборки контролируют на стендах перед установкой на ГТУ.

Перегрев, коксование и повреждения форсунок и горелок при работе предотвращают, охлаждая и защищая их постоянной продувкой воздухом, коксование форсунок после остановов и прекращения подачи топлива - быстро сливая его и продувая внутренние тракты форсунок воздухом для удаления остатков топлива. В ГТУ, предназначенных для работы на двух видах топлива, продувку форсунок жидкого топлива при работе на природном газе производят обычно тем же газом, который очищают от пыли, воды и солей, чтобы избежать забивания и коррозии форсунок.

Изменения, которые вносятся для улучшения процесса горения, охлаждения деталей, уменьшения неравномерности поля температур на выходе из КС и т.д., могут неблагоприятно влиять на другие характеристики камер. Так, например, на ГТУ типа V93 фирмы Крафтверкунион наблюдавшееся первоначально дымление было уменьшено путем повышения скоростей первичного воздуха и увеличения его количества подачей через дополнительные отверстия. Частичное закрытие регулируемых отверстий смесителя, которым сопровождались эти мероприятия, и повышение скоростей в них привели к нарушениям течения газа и вызвали поломки лопаток турбины. Надежная работа КС была обеспечена после переделки смесителя; закрытия регулируемых отверстий и устройства 12 конических сопл для ввода воздуха и 4 отверстий постоянного сечения.

Таблица параметров топлив

Вид топлива	Топливо	Плотность, кг/и3	Стехиометрическое количество воздуха, кг/кг	Низшая теплотворная способность, кДж/кг
Для реактивных двигателей	Т-1 ГОСТ 10227-02		14,78
ТС-1 ГОСТ 10227-02
Т-2 ГОСТ 10227-02
Т-8 ТУ 38-1-257-69
РТ ГОСТ 16564-71
Т-6 ГОСТ 12308-80
Топливо дизельное	Л ГОСТ305-82
З ГОСТ305-82
А ГОСТ305-82
Моторное топливо	ДТ ГОСТ 1667-68
ДМ ГОСТ 1667-68
Для ГТУ	ТГВК ГОСТ 10433-75
ТГ ГОСТ 10433-75
Дистиллят сернистый Ново-Уфимского НПЗ
Дистиллят малосернистый Волгоградского НПЗ
Природный газ	Ставропольское месторождение	0,73	16,72
Саратовское	0,765	16,8
Водород	Жидкий водород		34,2

Дата добавления: 2014-01-07