КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Заявляемое техническое решение относится к области газотурбинных двигателей (ГТД), в частности к камерам сгорания с регулируемым распределением воздуха устанавливаемых на газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов или теплоэлектростанциях.
n
m
x
n
m
x
В настоящее время с ужесточением требований по выбросам вредных веществ ГТД (окиси углерода - СО, несгоревших углеводородов - CH, оксидов азота - NO) возникает необходимость в разработке камер сгорания с малыми выбросами этих веществ. Среди других решений (подача пара или воды в камеру сгорания) применяют перераспределение расхода воздуха по длине камеры сгорания для обеспечения оптимальных условий горения во всем рабочем диапазоне режимов работы ГТД. При этом для предотвращения образования СО и CH на низких режимах и обеспечения нормального запуска камеры сгорания уменьшают расход воздуха в первичную зону, а на высоких режимах для предотвращения образования NO увеличивают расход воздуха в первичную зону.
Известна камера сгорания ГТД с регулируемым распределением воздуха (см. патент ЕР 0100135 А1), содержащая трубу с окнами в ее стенке, перекрываемыми размещенным в месте расположения окон подвижным элементом, соединенным через систему рычагов с приводом. Недостатком данной камеры сгорания является ее низкая надежность, так как при нагреве стенок жаровой трубы поворотные и перемещаемые вдоль нее кольца, пояса или не обеспечивают герметичность (при закрытом положении), что не регламентирует оптимальное распределение воздуха по длине жаровой трубы или (при достаточной герметичности, т.е. при малых зазорах) могут происходить отказы в перемещениях регулирующих элементов из-за коробления жаровой трубы, особенно при ее неравномерном нагреве, и от температурных расширений жаровой трубы и регулируемых элементов.
Так же известна камера сгорания ГТД с регулируемым распределением воздуха (см. патент РФ №2163991) имеющая жаровую трубу с окнами в ее стенке, перекрываемыми размещенным в месте расположения окон подвижным элементом. Подвижный элемент выполнен в виде гибкой ленты, охватывающей жаровую трубу и имеющей не менее одного разреза. С системой рычагов с приводом соединены разрезы ленты, и она обеспечивает радиальное перемещение ленты.
Наличие в известном устройстве подвижного элемента вблизи пламени, выполненного в виде гибкой ленты, может приводить к отказам в перемещениях гибкой ленты, необеспечение герметичности (при закрытом положении) из-за воздействия наплыва воздушного потока на саму ленту, неравномерного нагрева и коробления самой ленты, что снижает надежность работы регулирования распределения воздуха в камере сгорания.
Задачей заявляемого технического решения является снижение количества выбросов вредных веществ на всех режимах, образующихся при горении газообразного топлива в камере сгорания, за счет поддержания оптимального состава смеси в зоне горения регулированием расхода воздуха поступающего в горелки, путем перепуска части воздуха на выход камеры сгорания.
Это достигается тем, что на корпусе наружном заднем камеры сгорания устанавливаются, например два блока перепуска воздуха равнорасположенных по окружности кольцевой камеры сгорания, которые путем поворота внутренней заслонки, перепускают часть воздуха из наружного межстеночного канала камеры сгорания в воздушный коллектор, расположенный на наружном кожухе жаровой трубы, откуда воздух «сливается» через систему отверстий внутрь жаровой трубы перед сопловыми лопатками турбины.
Заслонки блоков перепуска приводятся в движение одновременно, путем поворота переставляющего кольца, с которым они связаны рычагами и талрепами. Переставляющее кольцо, приводимое в движение шаговым электромотором или пневмоцилиндром, движется по кольцевому рельсу, установленному на фланцы блоков перепуска через демпфирующие прокладки, исключающие свободное проскальзывание и виброколебания кольца и рельса.
Настоящее техническое решение более полно описано при помощи нижеследующих чертежей:
На фиг. 1 - представлен продольный разрез камеры сгорания;
На фиг. 2 - представлен продольный разрез перепускного патрубка;
На фиг. 3 - представлен поперечный разрез перепускного патрубка;
На фиг. 4 - представлен перепускной клапан в изометрии;
На фиг. 5 - представлен поперечный разрез системы перепуска;
На фиг. 6 - представлен общий вид компоновки системы регулирования перепуска воздуха на двигателе;
На фиг. 7 - поперечный разрез части переставляющего кольца;
На фиг. 8 - элемент части поперечного разреза переставляющего кольца;
На фиг. 9 - продольный разрез опорного кольца;
На фиг. 10 - продольный разрез по винтам крепления опорного кольца к патрубку перепуска.
Предлагается система из восьми, равнорасположенных по окружности заднего наружного корпуса 2 камеры сгорания, патрубков перепуска 1 с встроенными поворотными заслонками 6, которые через систему рычагов 7 синхронно поворачиваются от общего поворотного переставляющего кольца 8.
Привод перепуска 9, расположенный в нижней (левого борта) части двигателя, через тягу 10 на сферических подшипниках, вращает переставляющее кольцо 8.
Патрубок перепуска 1 представляет собой литой тройник, с выведенными на один опорный фланец входным 11 и двумя выходными каналами 12 вокруг него. Во входном центральном канале 11 патрубка располагается поворотная заслонка 6, а за ней канал делится на две ветви выходных каналов 12.
Осью поворота заслонки 6 является приводной валик 13, который выступами входит в паз заслонки 6 и вращает ее.
Закрытое положение заслонки 6 достигается при ее положении под углом в 10° от перпендикулярного сечения канала 11. Это также предотвращает заклинивание при нагреве - кромка заслонки лишь прикасается в какой-то точке к стенке входного канала 11. Открытое положение заслонки достигается ее поворотом на 80°±5° от положения «закрыто».
На наружном кожухе жаровой трубы 4 организован коллектор перепуска 3 со съемной кольцевой крышкой 14, в которой имеется шестнадцать подвижных втулок 15, выведенных к промежуточным переходным вставкам 16 (вставленным в отверстия заднего наружного корпуса 2 камеры сгорания) прямо под выходными каналами 12 патрубка перепуска 1.
Входной канал 11 патрубка перепуска 1 расположен над крышкой коллектора перепуска 14, что позволяет избежать влияния от изменения направления всасываемого потока воздуха на пояса охлаждения наружного кожуха 4, как в случае если бы входной канал был непосредственно над кожухом. Это могло бы привести либо к прекращению течения воздуха в отверстия, либо даже к обратному течению - из жаровой трубы в межстеночный канал 15, а это уже опасность возникновения зон перегрева или даже прогара стенки из-за поворота (выбивания) пламени наружу.
Во внутренней стенке коллектора перепуска 3, в стенке наружного кожуха 4, выполнены два пояса «сливных» отверстий 5 через которые воздух их коллектора перепуска 3, перераспределяясь и растекаясь по окружности, подается внутрь жаровой трубы, до лопаток соплового аппарата турбины 36.
Для обеспечения герметичности системы один из концов приводного валика 13 заслонки 6 вращается во втулке 17 «глухой» бобышки 18 патрубка перепуска 1. На втором - ведущем конце приводного валика 13 установлены три кольца 19 изготовленные из «металлорезины» (MP), которые обжимаясь крышкой 20, создают аналог «поршневых колец» и этим уплотняют зазоры трех опорных втулок 21 во второй (со сквозным отверстием) бобышке патрубка.
Для выставления положения заслонки 6 относительно входного канала 11 патрубка, а значит предотвращения заклинивания, на обоих концах приводного валика 13 предусмотрены регулировочные шайбы 22.
Заслонки 6 блоков перепуска 1 через приводной валик 13 приводятся в движение одновременно, путем поворота переставляющего кольца 8, с которым они связаны рычагами 7 и регулируемыми по длине тягами (талрепами) 24. Переставляющее кольцо 8, приводимое в движение шаговым электромотором или пневмоцилиндром 9, движется по кольцевому рельсу 25, установленному на фланцы 26 блоков перепуска.
Переставляющее кольцо 8 имеет V - образное сечение и выполнено разрезным, что позволяет, после снятия крепежных планок 27, демонтировать его с двигателя «в эксплуатации».
На переставляющем кольце 8, кроме восьми кронштейнов крепления тяг 24, организованы шесть фланцев для установки демпфирующих вставок 28 из MP. Вставленные в сборе со стаканами 30 в пазы поворотного переставляющего кольца 8 в радиальном направлении (как спицы) вставки поджимаются планками 29 и радиальным усилием давят на опорное кольцо (рельс) 25. При этом возможная энергия колебаний от вибраций двигателя гасится внутренним трением и исключается свободное проскальзывание и виброколебания переставляющего кольца 8.
Вставки 28 вставлены в штампованные из листа «стаканы» 30 для снижения трения скольжения при повороте переставляющего кольца 8, а также для предотвращения износа вставок 28 из MP.
Переставляющее кольцо 8 вращается по рельсу 25 на сорока восьми (расположенных попарно с двух сторон) роликах 31. Ролики не закреплены на осях и могут сдвигаться вдоль осей.
Подвижностью роликов 31 и V-образной, в две опорных «рельсы» на каждый ролик, опорой достигается гарантированный поворот кольца 8 при перекосах, которые возникают от изгибающих моментов от усилий возникающих при повороте рычагов 7.
Всегда, в любом положении каждый ролик 31 контактирует с той или другой опорной поверхностью рельса 25.
Опорное кольцо - рельс 25 также, для возможного демонтажа на двигателе, выполнено разрезным.
Оно имеет опорный фланец 32, которым через восемь парных демпфирующих пакетов 33 крепится к фланцам 26 патрубков перепуска 1. Таким образом фланцы 32 опорных полуколец 25 как бы «плавают» и нечувствительны к колебаниям возможно возникающим от вибраций двигателя. Усилие обжатия демпфирующих пакетов 33 определяется длиной дистанционных втулок 37, стоящих в распор между фланцем 26 патрубка 1 и наружной прижимной пластиной демпфирующего пакета 34.
Таким образом фланец 32 рельса 25 не имеет жесткого контакта ни с одной «жесткой» поверхностью. Еще одним преимуществом применения пакетов MP является независимость от возможного смещения фланцев 26 на перепускающих патрубках 1, которые неизбежно возникают как за счет погрешностей изготовления, так и за счет неровностей монтажа патрубков 1 на задний наружный корпус 2 камеры сгорания.
Работает устройство следующим образом:
В предлагаемом техническом решении перепуска воздуха регулировка состава топливовоздушной смеси в горелках достигается тем, что на корпусе наружном заднем 2 камеры сгорания устанавливаются блоки перепуска 1, которые, путем поворота внутренней заслонки 6, перепускают часть воздуха из наружного межстеночного канала 35 камеры сгорания через два выходных канала 12 и «плавающие» переходники 15 в воздушный коллектор 3, образованный выступами-стенками являющимися элементами наружного кожуха жаровой трубы и съемной кольцевой крышкой 14.
Из воздушного коллектора 3 воздух, через систему отверстий 5, вытекает внутрь жаровой трубы перед сопловыми лопатками турбины 36. Большое количество сливных отверстий в воздушном коллекторе и равномерное расположение блоков перепуска по окружности обеспечивают равномерный по окружности вброс перепускаемого воздуха на периферийный пояс соплового аппарата турбины и не портит окружное поле температур.
При запуске двигателя, заслонки 6 блоков перепуска 1 открыты полностью, перепуская наибольшее количество воздуха. При этом достигается относительное обогащение смеси и, за счет этого, - повышение полноты сгорания и снижение выбросов СО.
При последующем наборе режима работы двигателя, по команде системы управления, привод 9 перемещает переставляющее кольцо 8, которое, посредством рычагов 7, одновременно поворачивает заслонки 6. Заслонки 6 постепенно, или «ступенчато» в два три приема, в зависимости от возможностей привода 9, прикрываются, ограничивая тем самым расход перепускаемого воздуха и забедняя топливо-воздушную смесь в зоне горения. При этом ограничивается рост температуры пламени и выбросов NOx. Величина поворота заслонок 6 управляется, от какого либо параметра двигателя, например по температуре газа за турбиной, измеренной при помощи специального датчика, например термопары, установленной в тракте турбины. При выходе двигателя на номинальный режим заслонки 6 блоков перепуска полностью закрываются и течение воздуха через блок перепуска в воздушный коллектор прекращается. В горелки поступает максимально возможное количество воздуха точно соответствующее оптимальному составу топливовоздушной смеси для максимального режима работы двигателя.
В предложенном способе перепуска воздуха достигается поддержание оптимального состава смеси в горелках и обеспечивается минимальное количество выбросов вредных веществ в атмосферу в широком диапазоне рабочих режимов ГТД. При этом, за счет повышения полноты сгорания, уменьшается расход топлива на промежуточных и малых режимах работы ГТД. Элементы системы перепуска удалены от горячей зоны камеры сгорания и обладают высокой надежностью в работе. Система имеет минимальное количество уплотняемых стыков во внешней части и значит количество утечек воздуха также настолько мало, что не вызывает снижения КПД двигателя и перегрева агрегатов расположенных с внешней стороны двигателя. Система перепуска имеет высокую ремонтопригодность, поскольку большинство деталей легко заменяются в эксплуатации.