Малоэмиссионная камера сгорания с двумя зонами кинетического горения
METHOD FOR BURNING FUEL IN A LOW-EMISSION COMBUSTION CHAMBER

Область использования
Изобретение относится к области энергетического, транспортного и химического машиностроения, где необходимо организовать экологически чистое сжигание топлива, и может быть использовано в газотурбинных двигателях (далее - ГТД) стационарной и транспортной энергетики.
Уровень техники
x
Одной из задач при создании современных ГТД является обеспечение требуемого уровня выбросов оксидов (NO). Оксиды азота при сжигании природного газа преимущественно образуются по «термическому» механизму. Главным фактором, определяющим концентрацию оксидов азота термического происхождения, является высокая локальная температура факела в зоне горения. Локальную температуру факела в зоне горения снижают путем сжигания "бедных" предварительно перемешанных топливовоздушных смесей. Это обеспечивается камерами сгорания с горелками предварительного смешения топлива с закруткой потока воздуха, за которыми формируются зоны стабилизации пламени.
Из уровня техники известна принятая в качестве прототипа заявляемого изобретения камера сгорания ГТД, составленная из модульных элементов, расположенных по окружности концентрично ротору двигателя снаружи по отношению к последним ступеням его компрессора. Причем все модульные элементы помещены в едином силовом корпусе, внутри каждого модульного элемента установлено фронтовое устройство с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения с радиальным лопаточным завихрителем воздуха и системой топливоподвода в основную горелку через выполненный в виде полости внутри ее корпуса кольцевой коллектор, подключенные к нему распределительные каналы по числу лопаток указанного завихрителя воздуха. Причем каждый распределительный канал расположен по длине внутри одной из указанных лопаток, а к каждому из указанных распределительных каналов подключены выпускные каналы из лопатки в межлопаточную полость, при этом полость кольцевого коллектора системы топливоподвода основной горелки разделена сплошными перегородками по меньшей мере на два отсека, к каждому из которых присоединен отдельный подводящий топливопровод, оборудованный расходным регулирующим органом, а к фронтовому устройству примыкает жаровая труба с пламенным и газоотводным участками. Причем между всеми модульными элементами и указанным силовым корпусом предусмотрено свободное межмодульное пространство для прохода воздуха, а теплонапряженные участки каждой жаровой трубы и каждого фронтового устройства всех модульных элементов оборудованы средствами защиты их стенок от термического воздействия, включающими термозащитное покрытие внутренней поверхности и струйное конвективное воздушное наружное охлаждение пламенного участка жаровой трубы. При этом основная горелка фронтового устройства каждого модульного элемента снабжена дополнительной автономной системой топливоподвода со своим кольцевым коллектором, разделенным сплошными перегородками на отсеки и с отдельным для каждого отсека подводящим топливопроводом, оборудованным расходным регулирующим органом. Причем указанный кольцевой коллектор концентрически расположен по отношению к кольцевому коллектору основной системы топливоподвода, с подключенными к нему распределительными каналами и выпускными каналами, причем количество и расположение последних выбраны из условия возможности при автономном или совместном их использовании с выпускными каналами основного топливоподвода в режиме перехода подачи топлива с пилотной на основную горелку регулирования распределения концентрации в потоке топливовоздушной смеси по высоте поперечного сечения на выходе канала предварительного смешения основной горелки (патент RU 155055 U1, опубл. 20.09.2015 г. (далее - [1])).
x
x
x
Известная из [1] камера сгорания ГТД позволяет повысить стабильность процесса горения топлива и снизить образование NO за счет уменьшения неравномерности температуры горения по высоте сечения жаровой трубы каждого из модульных элементов камеры сгорания при температуре пламени в зоне горения до 1400°С. Однако продолжающееся развитие мощных стационарных ГТД связано с дальнейшим увеличением температур рабочего тела (в перспективных ГТД до ~1700°С). При средней температуре в зоне горения выше 1450°С образование NO начинает экспоненциально возрастать. Таким образом, недостатком известной из [1] камеры сгорания является то, что она не позволяет обеспечивать снижение образования NO при средней температуре в зоне горения выше 1400°С.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является расширение диапазона режимов экологически безопасной работы камеры сгорания газотурбинного двигателя, а техническим результатом - обеспечение низкого уровня образования оксидов азота в камере сгорания газотурбинного двигателя при температуре горения топлива выше 1400°С.
Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата обеспечивается тем, что камера сгорания газотурбинного двигателя составлена из модульных элементов, расположенных по окружности концентрично ротору двигателя снаружи по отношению к последним ступеням его компрессора. Причем все модульные элементы помещены в едином силовом корпусе. Внутри каждого модульного элемента установлено: фронтовое устройство с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой с регулируемым топливоподводом и внешней основной горелкой предварительного смешения с радиальным лопаточным завихрителем воздуха и с двумя - главной и корректирующей - независимыми регулируемыми системами топливоподвода, выпускные каналы которых размещены в межлопаточных полостях указанного лопаточного завихрителя воздуха, а также примыкающая к фронтовому устройству жаровая труба с пламенным участком и газоотводным участком. При этом пламенный участок жаровой трубы каждого из модулей разделен на две последовательных зоны горения, причем во второй зоне горения, в которой расположено как минимум одно сквозное отверстие в боковой стенке жаровой трубы для подачи части воздуха из межмодульного пространства, установлены средства подвода топлива, выполненные в виде кольцевого топливного коллектора, имеющего как минимум один подводящий топливный штуцер и как минимум два отводящих топливных штуцера, каждый из которых соединен с распределительными каналами, выполненными внутри каждой лопатки завихрителя направляющего аппарата и имеющими выпускные отверстия из лопаток указанного завихрителя направляющего аппарата в его межлопаточные полости.
Причинно-следственная связь между вышеуказанным техническим результатом и совокупностью существенных признаков формулы заявляемого изобретения заключается в следующем.
x
x
Энергетические газотурбинные установки (далее - ГТУ) работают в широко изменяющихся климатических условиях. В зависимости от температуры наружного воздуха происходят существенные изменения параметров на входе в камеру сгорания ГТД. При этом требование к соблюдению экологических норм не меняется и необходимость получения низких эмиссий NO возникает с 50% нагрузки при любых температурах наружного воздуха. В условиях одной зоны горения в камере сгорания ГТД обеспечить выполнение данного требования не используя регулирование с помощью входного направляющего аппарата ГТД (перепуск воздуха, минуя камеру сгорания ГТД) не представляется возможным. В свою очередь, данные мероприятия приводят к снижению коэффициента полезного действия ГТУ, особенно при глубоком регулировании, которое необходимо при низкой температуре наружного воздуха, например, такой как минус 45°С. Решением такой проблемы, без использования регулирования с помощью входного направляющего аппарата ГТД, может стать использование камеры сгорания ГТД с двумя последовательными зонами горения. В этом случае, даже при низких температурах в зоне горения камеры сгорания ГТД (которые соответствуют минусовым температурам наружного воздуха), можно создать условия в первой зоне горения, а именно подать малое количество воздуха в первую зону горения и все имеющееся на данном режиме топливо, при котором температура в первой зоне горения обеспечит малоэмиссионное сжигание, т.е. позволит сжигать хорошо перемешанную смесь топлива и воздуха при наиболее оптимальной для устойчивого и малоэмиссионного горения температуре. Оставшийся воздух будет поступать после первой зоны горения во вторую зону горения, минуя процесс перемешивания с топливом. Причем оставшийся воздух также выступит как воздух разбавления, при помощи которого будет формироваться поле температуры на входе в турбину ГТД. При плюсовых температурах наружного воздуха наблюдается противоположная крайность. Если подать все топливо в первую зону горения, в которую воздуха поступает мало, так как его количество было подобрано под создание комфортных условий сгорания топливовоздушной смеси при отрицательных температурах наружного воздуха, то в этом случае первая зона горения будет обладать высокой концентрацией топлива в воздухе, что приведет даже при хорошо перемешанной топливовоздушной смеси к высокой температуре горения топлива в силу его завышенных концентраций. Чтобы избежать такого эффекта, часть топлива подается во вторую зону горения через установленные в ней средства подвода топлива и смешивается с воздухом, поступающим через отверстие для подачи части воздуха из межмодульного пространства, который ранее выполнял функции разбавления. Полученная топливовоздушная смесь во второй зоне горения сгорает в потоке горячих газов, поступающих в нее из первой зоны горения. Дожигание топливовоздушной смеси во второй зоне горения происходит при пониженной концентрации кислорода, т.к. часть его уже вступила в реакцию горения в первой зоне горения. При этом сжигание топливовоздушной смеси в горячих газах не требует организации зоны рециркуляции и стабилизации пламени во второй зоне горения, и следовательно, время пребывания реагентов во второй зоне горения будет значительно меньше чем в первой, что приводит к существенному снижению времени на образование NO во второй зоне горения.
x
x
x
Для камер сгорания ГТД с двумя зонами кинетического горения с температурой рабочего тела не более 1400°С на максимальных нагрузках ГТУ температуру горения в первой зоне горения камеры сгорания ГТД можно поддерживать в диапазоне 1200-1300°С, что позволит получать минимальное количество образования NO при сжигании части перемешанного с воздухом топлива, идущего в первую зону горения (кинетическое горение без локальных максимальных температур в зоне горения). Остальная часть перемешанного с воздухом топлива, идущего во вторую зону горения камеры сгорания ГТД, сжигается во второй зоне кинетического горения для поднятия температуры рабочего тела до 1400°С. Снижение эмиссии NO во второй зоне горения происходит за счет отсутствия локальных температур рабочего тела выше 1400°С и недостатка кислорода, который частично участвует в реакции горения топлива в первой зоне горения с образованием NO.
В камерах сгорания ГТД с одной зоной горения с температурой рабочего тела на выходе выше 1400°С приходится подавать весь воздух в фронтовое устройство, что приводит к захолаживанию зоны горения на низких нагрузках ГТУ и, как следствие, ухудшению полноты сгорания топлива. А также отсутствие отверстий для подачи воздуха на разбавление не позволяет формировать необходимую неравномерность газов на выходе камеры сгорания ГТД при сжигании топлива в диффузионном режиме (высокие локальные температуры горения от зажигания до нагрузок когда происходит кинетическое малоэмиссионное сжигание топлива).
x
x
x
При температурах газов на выходе более 1400°С в камере сгорания ГТД с двумя зонами кинетического горения часть топлива, перемешанная с воздухом, поступающим во фронтовое устройство, кинетически сжигается в первой зоне горения со средней температурой ниже 1400°С, а во второй зоне горения кинетически сжигается оставшаяся часть топлива, поступающая через средства подвода топлива во второй зоне горения и перемешанная с воздухом, поступающим через сквозное отверстие в боковой стенке жаровой трубы, со средней температурой горения выше 1400°С. Это приводит к существенному снижению времени на образование NO во второй зоне горения со средней температурой горения выше 1400°С, так как сжигание топливовоздушной смеси во второй зоне горения в горячих газах, поступающих из первой зоны горения, не требует организации зоны рециркуляции и стабилизации пламени во второй зоне горения. При этом большая часть воздуха подается во фронтовое устройство в первую зону горения, а меньшая часть воздуха - через сквозное отверстие в боковой стенке жаровой трубы во вторую зону горения, что также обеспечивает снижение образования NO во второй зоне горения за счет недостатка кислорода в ней для реакций образования NO.
x
Таким образом, разделение пламенного участка жаровой трубы каждого из модулей камеры сгорания на две последовательных зоны горения и установка во второй зоне горения пламенного участка жаровой трубы, в которой расположено как минимум одно сквозное отверстие в боковой стенке жаровой трубы для подачи части воздуха из межмодульного пространства, средств подвода топлива, выполненных в виде кольцевого топливного коллектора, имеющего подводящий топливный штуцер и как минимум два отводящих топливных штуцера, каждый из которых соединен с распределительными каналами, выполненными внутри каждой лопатки завихрителя направляющего аппарата и имеющими выпускные отверстия из лопаток указанного завихрителя направляющего аппарата в его межлопаточные полости, позволяет осуществить последовательное двухзонное сжигание топлива с оптимальным распределением топлива между двумя зонами горения и с пониженным содержанием кислорода во второй зоне горения при температуре горения топлива в ней выше 1400°С, что позволяет снизить скорости протекания химических реакций и уменьшить вследствие этого количество образования NO.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображен общий вид ГТД с камерой сгорания. На фиг.2 представлен модульный элемент камеры сгорания ГТД в продольном разрезе. На фиг.3 представлены средства подвода топлива, установленные во второй зоне горения пламенного участка жаровой трубы модульного элемента.
Описание позиций чертежей
1 - ротор ГТД;
2 - компрессор ГТД;
3 - турбина ГТД;
4 - камера сгорания ГТД;
5 - единый силовой корпус;
10 - фронтовое устройство модульного элемента;
11 - диффузионная пилотная горелка;
12 - основная горелка предварительного смешения;
13 - жаровая труба;
14 - газоотводной участок;
15 - радиальный лопаточный завихритель воздуха;
16 - выпускные каналы;
111 - регулируемый топливоподвод пилотной горелки;
122 - главная независимая регулируемая система топливоподвода основной горелки;
123 - корректирующая независимая регулируемая система топливоподвода основной горелки;
131 - первая зона горения пламенного участка жаровой трубы;
132 - вторая зона горения пламенного участка жаровой трубы;
133 - сквозные отверстия;
141 - кольцевой топливный коллектор;
142 - подводящий топливный штуцер;
143 - отводящий топливный штуцер;
144 - лопатка завихрителя направляющего аппарата;
145 - распределительные каналы;
146 - выпускные отверстия.
Осуществление изобретения
Ниже приведен частный пример конструкции камеры сгорания газотурбинного двигателя и принцип ее работы.
ГТД содержит ротор 1 с компрессором 2, турбиной 3 и окружающую ротор 1 камеру сгорания 4 (фиг.1).
Камера сгорания ГТД 4 состоит в данном примере из двадцати модульных элементов, расположенных по окружности концентрично ротору ГТД 1 снаружи по отношению к последним ступеням компрессора ГТД 2 (фиг.1). Все модульные элементы помещены в едином силовом корпусе 5. Внутри каждого модульного элемента установлено: фронтовое устройство 10 с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой 11 с регулируемым топливоподводом 111 и внешней основной горелкой предварительного смешения 12 с радиальным лопаточным завихрителем воздуха 15 и с двумя - главной и корректирующей - независимыми регулируемыми системами топливоподвода 122 и 123 соответственно, выпускные каналы 16 которых размещены в межлопаточных полостях лопаточного завихрителя воздуха 15, а также примыкающая к фронтовому устройству 10 жаровая труба 13 с газоотводным участком 14 и пламенным участком, который разделен на две последовательных зоны горения - первую зону 131 и вторую зону 132. Причем во второй зоне горения 132, в которой расположены в данном примере два сквозных отверстия 133 в боковой стенке жаровой трубы 13 для подачи части воздуха из межмодульного пространства, установлены средства подвода топлива на одном уровне с двумя отверстиями 133 (фиг.2). Теплонапряженные участки жаровой трубы 13 и фронтового устройства 10 каждого модульного элемента камеры сгорания 4 ГТД оборудованы средствами защиты их стенок от термического воздействия (на фиг.2 не показаны), включающими термозащитное керамическое покрытие внутренних поверхностей и струйное конвективное воздушное наружное охлаждение пламенных участков первой и второй зон горения жаровой трубы 131 и 132 соответственно. Установленные в каждом модульном элементе средства подвода топлива во второй зоне горения 132 пламенного участка жаровой трубы 13 выполнены в виде кольцевого топливного коллектора 141, имеющего подводящий топливный штуцер 142 и в данном примере два отводящих топливных штуцера 143, соединенных с распределительными каналами 145, выполненными внутри каждой лопатки завихрителя направляющего аппарата 144 и имеющими выпускные отверстия 146 из лопаток указанного завихрителя направляющего аппарата 144 в его межлопаточные полости (фиг.3).
Работа камеры сгорания газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.
вых ЖТ
вых ЖТ
x
Для запуска ГТД ротор 1 с компрессором 2 и турбиной 3 приводят во вращение от внешнего пускового привода (на фиг. не показан) для того, чтобы в камеру сгорания ГТД 4 начал поступать воздух, после чего открывают подачу газообразного или жидкого топлива на диффузионную пилотную горелку 11 и включают электрические поджигатели (на фиг. не показаны). После зажигания топливовоздушной смеси на выходе из пилотной горелки 11 и достижения ГТД номинальных оборотов, его синхронизируют с частотой электросети и нагружают до достижения на выходе из жаровой трубы 13 температуры t=1000-1055°C. Затем скачкообразно закрывают подачу топлива в пилотную горелку 11 с одновременным скачкообразным открытием подачи топлива в корректирующую независимую регулируемую систему топливоподвода основной горелки 123. При этом создается повышенная концентрация топлива в топливовоздушной смеси, обогащающая ее в области периферийного слоя кольцевого пламенного завихренного потока на выходе фронтового устройства модульного элемента 10. Дальнейшее нагружение ГТД осуществляют путем постепенной подачи топлива в главную независимую регулируемую систему топливоподвода основной горелки 122 от 0 до 95…99% от общего расхода топлива с постепенным уменьшением подачи топлива через корректирующую независимую регулируемую систему топливоподвода основной горелки 123 от 100 до 5…1% от общего расхода топлива. При достижении на выходе из жаровой трубы 13 t t =1200-1300°C дальнейшее нагружение ГТД до его максимальной нагрузки происходит за счет подачи топлива последовательно через подводящий топливный штуцер 142, дополнительный кольцевой топливный коллектор 141, отводящие топливные штуцера 143, распределительные каналы 145 и выпускные отверстия 146 из лопаток завихрителя направляющего аппарата 144 в его межлопаточные полости, расположенные во второй зоне горения 132. При этом большая часть воздуха поступает во фронтовое устройство 10, а меньшая через сквозные отверстия 133 во второй зоне горения 132. Продукты полного сгорания топлива первой зоны горения 131 с температурой пламени 1300-1400°C поступают во вторую зону горения 132 с пониженным содержанием кислорода, что позволяет снизить скорость протекания химических реакций во второй зоне горения 132, в которой температура пламени выше 1500°C, и уменьшить вследствие этого образование NO.
Промышленная применимость
Камера сгорания газотурбинного двигателя согласно патентуемому изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области теплоэнергетики.