КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЕЁ ЭКСПЛУАТАЦИИ
RING COMBUSTION CHAMBER OF GAS-TURBINE ENGINE AND ITS OPERATION METHOD

Изобретение относится к камерам сгорания (КС), которые применяются преимущественно в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) и стационарных газотурбинных установках (ГТУ), и к способам их эксплуатации.
Для устойчивого сгорания топливовоздушной смеси (ТВС) в горелках таких КС обычно применяют плохообтекаемые тела либо лопаточные завихрители, либо то и другое одновременно. В КС кольцевого типа закрутка потока в одном и том же направлении в отдельных горелках приводит к возникновению соосных кольцевых вихрей, поддержание которых сопровождается потерей давления за счет трения о стенки жаровой трубы. Поэтому такие кольцевые вихри следует считать паразитными. Кроме потери давления, их существование снижает интенсивность горелочных вихрей и устойчивость горения ТВС, так как часть потока, принадлежащая паразитным вихрям, не участвует в горении.
Необходимо также обратить внимание на то, что, если выбрано одинаковое направление закрутки потока во всех горелках, передача пламени от горелок, в которых осуществляется принудительное воспламенение ТВС от внешнего источника, к пассивным горелкам будет существенно затруднена, так как разность скоростей потока в местах соприкосновения локальных вихрей горелок будет максимальной. Эта разность скоростей потока может превысить нормальную скорость распространения пламени и привести к срыву пламени, сопровождающемуся ухудшением температурного поля в зоне горения и на выходе из КС.
Если кольцевая КС содержит одно кольцо горелок с одинаковым направлением закрутки потока в них, то возникает два соосных паразитных кольцевых вихря, вращающихся в разных окружных направлениях, со средними диаметрами соответственно большим и меньшим среднего диаметра, на котором располагаются горелки. Если кольцевая КС содержит два соосных кольца горелок, то возникает три соосных кольцевых вихря, окружные направления движения которых зависят от выбранных направлений закрутки потока в горелках.
Параллельно с вопросами устойчивости горения ТВС необходимо решать и проблему снижения эмиссии оксидов азота (NOx) и окиси углерода (CO), что усложняет задачу создания устойчиво работающих малоэмиссионных КС.
Немаловажное значение при создании малоэмиссионных КС имеют и способы их эксплуатации.
Все эти проблемы обычно только частично решаются в известных КС, поэтому требуют привлечения новых нетривиальных технических решений для комплексного решения этих проблем.
Известна кольцевая КС авиационного ГТД или стационарной ГТУ [1] (патент РФ №2094705, кл. F23R 3/18, 1997 г.), которая содержит два кольца горелок. Количество горелок, выполненных двухканальными (с внутренним каналом - топливным и наружным - воздушным) выбирается по определенной формуле так, что процесс горения становится близким к многофакельному. Причем горелки объединены в блоки из 4 горелок по 2 горелки из каждого кольца. Топливные каналы пусковых горелок объединены в общий пусковой коллектор, а топливные каналы остальных горелок - в основной топливный коллектор.
Задача данного изобретения - снижение эмиссии оксидов азота.
Поставленная задача достигается за счет сокращения длины зоны горения и времени пребывания ТВС в зоне высоких температур.
К недостатку предложенной КС следует отнести диффузионное сжигание топлива в пусковых и основных горелках, характеризуемое широким фронтом и максимально возможными температурами горения ТВС и сопровождающееся значительной эмиссией NOx.
Способ эксплуатации данной КС заключается в следующем.
На запуске и до выхода энергоустановки на режим малого газа топливо подают через пилотирующие горелки наружного кольца, составляющие ¼ всей совокупности горелок. Вблизи режима малого газа топливо подают, кроме того, через остальные пилотируемые горелки наружного и внутреннего колец, которые работают до выхода энергоустановки на номинальный режим.
Основным недостатком способа эксплуатации данной КС является возможность срыва пламени и возникновение значительной неравномерности температурного поля при запуске и выходе энергоустановки на режим малого газа из-за того, что топливо подают через небольшое количество пилотирующих горелок, окруженных большим количеством пилотируемых горелок с «холодным» воздухом, в которые не подается топливо.
2
Недостатки этой КС частично устраняются в КС [2] (патент РФ №2171432, кл. F23R 3/28, 2000 г.) за счет того, что фронтовое устройство имеет оптимальное число горелок - 3 штуки на 100 см площади поперечного (миделева) сечения жаровой трубы.
Также как и в КС [1] в КС [3] (патент РФ №2083926, кл. F23R 3/16, 1997 г.) применяется многогорелочное фронтовое устройство, содержащее кольцевой ряд основных горелок и дежурную горелку с лопаточным завихрителем в центре. Снижение эмиссии оксидов азота обеспечивается за счет дробления факела в многогорелочном фронтовом устройстве на ряд более мелких факелов, а также за счет уменьшения длины высокотемпературной зоны и времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур. Кинетическое горение предварительно подготовленной ТВС при отсутствии высокотемпературных зон в факеле обеспечивается дежурной горелкой. Надежная передача тепла от дежурной горелки к ТВС основных горелок достигается за счет того, что закрутка потока с помощью лопаток завихрителя этой горелки и закрутка потока с помощью основных лопаток внутренней кольцевой полости направлены навстречу друг другу. Поэтому разность скоростей соседних потоков в месте их соприкосновения будет минимальной, ниже срывной скорости пламени.
Известна также кольцевая КС [4] (патент США №5490380, кл. F02C 7/26, 1996 г.) с одним кольцом пусковых горелок с закруткой потока во всех горелках в одном направлении. В такой КС, как отмечалось выше, образуется два соосных кольцевых паразитных вихря, что является ее недостатком.
В работе [5] (Nagashima, Т. et al (2005) Lessons Learnt from the Ultra-Micro Gas Turbine Development at University of Tokyo. In Micro Gas Turbines (pp.14-1 - 14-58). Educational Notes RTO-EN-AVT-131, Paper 14. Neuilly-sur-Seine. France: RTO. Available from: http://www.rto.nato.int/abstracts. asp.) предложена кольцевая КС, работающая на пропане, с 8-мю микрогорелками и исследованы ее термодинамические и экологические характеристики. Внутренний диаметр радиально-лопаточного завихрителя равен 16 мм. Применяются двухканальные горелки (внутренний канал - топливный, а наружный - воздушный) с диффузионным сжиганием топлива.
Для стабилизации горения ТВС применяется закрутка воздушного потока, а для создания благоприятного поля скоростей в зоне горения и удовлетворительного температурного поля на выходе из КС закрутка потока в соседних горелках поочередно меняется на противоположное направление (то по часовой стрелке, то против часовой стрелки). Причем число горелок в каждом кольце такой КС должно быть четным. В ней отсутствуют кольцевые паразитные вихри. Вместо них образуются периодические парные вихри, порождающие радиальные потоки поочередно к центру и от центра КС, что приводит к повышению устойчивости горения ТВС и выравниванию температурных полей в радиальном направлении на выходе из КС.
Известна кольцевая КС [6] (патент ЕПВ №0378505, кл. F23R 3/14, 1979 г.), содержащая совокупность горелок, расположенных в одной плоскости на передней стенке КС, по меньшей мере, двумя кольцами. Причем горелки в пределах одного кольца имеют одинаковое направление закрутки потока, противоположное направлению закрутки потока в горелках соседнего кольца.
Известна также принятая за прототип кольцевая КС [7] (патент РФ №2062408, кл. F23R 3/14, 1996 г.), содержащая горелки, концы которых расположены в одной плоскости. Горелки образуют два соосных кольца. В каждом кольце горелки имеют одинаковые направления закрутки потока, но противоположные направлениям закрутки потока в горелках соседнего кольца. Благодаря такой закрутке образуется три соосных кольцевых вихря: два паразитных вихря (наружный и внутренний) и один промежуточный вихрь. Причем направление закрутки наружного и внутреннего паразитных вихрей совпадает с направлением закрутки потока в горелках наружного кольца. Направление закрутки промежуточного кольцевого вихря в данной КС всегда противоположно направлению закрутки паразитных кольцевых вихрей.
Обычно воспламенение ТВС производится в 2 или 3 горелках, равномерно расположенных по окружности наружного кольца, что создает проблему воспламенения ТВС в остальных горелках этого кольца и ТВС в горелках внутреннего кольца. Образование промежуточного вихря частично решает проблему передачи пламени от горелки к горелке. Причем передача пламени осуществляется поочередно от горелки, принадлежащей одному кольцу, к соседней горелке, принадлежащей другому кольцу, и т.д. Пилотирующие горелки, в которые подается топливо, составляют 5/6 всей совокупности горелок.
Основными недостатками такой КС являются:
- повышенные потери давления из-за возникновения паразитных вихрей;
- нецелесообразность создания «интенсивного поперечного потока вдоль стенок КС и в центре» для надежности передачи пламени от горелки к горелке, так как пилотирующие горелки уже «хорошо окружают пилотируемые горелки» и составляют 5/6 всей совокупности горелок;
- снижение надежности передачи пламени в кольцевой КС в том случае, когда пилотирующие горелки разделены пилотируемыми горелками, в которые не подают топливо;
- снижение теплонапряженности КС, сопровождающееся уменьшением полноты сгорания топлива и частичной потерей устойчивости горения ТВС, из-за увеличения площади фронтовой стенки и объема кольцевой КС, обусловленное поочередным смещением каждых 2 горелок наружу или к центру в каждом кольце.
Способ эксплуатации данной кольцевой КС [7], принятый за прототип, заключается в том, что подачу топлива при запуске КС и увеличении ее нагрузки до (40-55)% осуществляют через пилотирующие горелки, причем в интервале (40-55)% - (65-80)% нагрузки расход топлива не меняют, а при увеличении нагрузки выше (65-80)% вводят в действие пилотируемые горелки.
Известен также способ эксплуатации кольцевой КС [8] (патент ЕПВ №0401529, кл. F23R 3/46, 1990 г.) с совокупностью пилотирующих и пилотируемых горелок, расположенных на передней стенке камеры, в соответствии с которым при запуске и увеличении нагрузки до заданной величины подачу топлива выполняют через пилотирующие горелки, а при последующем увеличении нагрузки топливо подают через пилотируемые горелки.
Основными задачами изобретения являются:
- снижение потерь давления в зоне горения ТВС;
- увеличение надежности передачи пламени от горелки к горелке;
- увеличение устойчивости горения «бедной» ТВС;
- увеличение равномерности температурного поля в радиальном и окружном направлениях на выходе из кольцевой КС;
- снижение эмиссии NOx и СО.
Выполнение поставленных задач обеспечивается с помощью следующих технических решений.
Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая группу горелок, расположенных в одной плоскости на передней стенке камеры сгорания, по меньшей мере, двумя соосными кольцами, при этом в пределах каждого кольца установлено одинаковое и четное число малоэмиссионных горелок, горелки внутреннего кольца смещены в окружном направлении относительно горелок наружного кольца на их полшага, все горелки выполнены двухканальными, причем внутренние каналы горелок служат для подачи в них только пилотного топлива, а наружные каналы горелок - для подачи в них сжатого воздуха из-за компрессора и основного топлива с образованием «бедной» топливовоздушной смеси, наружный канал каждой горелки содержит входной направляющий аппарат, в стенках которого выполнены отверстия для подачи топлива в сносящий поток воздуха, лопаточный завихритель, установленный на выходе из канала, и проницаемый элемент с заданной пористостью, установленный между входным направляющим аппаратом и лопаточным завихрителем, направление закрутки потока в горелках с помощью лопаточных завихрителей чередуется на противоположное при переходе от одной горелки к другой соседней горелке в пределах каждого кольца, каждая горелка содержит, кроме того, кольцевой топливный ресивер, расположенный над входным направляющим аппаратом, внутренние каналы горелок внутреннего и наружного колец объединены соответственно во внутренний и наружный коллектора пилотного топлива, а кольцевые топливные ресиверы горелок внутреннего и наружного колец объединены соответственно во внутренний и наружный коллектора основного топлива, на входе в магистралях пилотного и основного топлива установлено по одному регулятору расхода топлива, перед входами во внутренние коллектора пилотного и основного топлива в подводящих топливных магистралях установлено по одному клапану.
Предпочтительно, что в качестве лопаточного завихрителя используют аксиально-лопаточный завихритель турбинного типа с профилированными лопатками.
Предпочтительно, что закрутку лопаток аксиально-лопаточного завихрителя выполняют по закону
П
где R и R - текущий радиус и радиус лопатки завихрителя на периферии соответственно;
П
φ и φ - текущий угол закрутки и угол закрутки лопаток завихрителя на периферии соответственно;
n - показатель степени, принимающий значения в диапазоне: 0>n>-1.
Предпочтительно, что в качестве проницаемого элемента используют проницаемый элемент, изготовленный на базе металлических микронных сеток.
Предпочтительно, что среднюю скорость потока смеси в микропорах пористого тела проницаемого элемента на номинальном режиме работы камеры сгорания поддерживают в диапазоне 40-60 м/с за счет выбора площади поверхности проницаемого элемента.
Способ эксплуатации кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей группу горелок, расположенных в одной плоскости на передней стенке камеры сгорания, по меньшей мере, двумя соосными кольцами, заключающийся в том, что при запуске и увеличении нагрузки до заданной величины топливо подают через часть из общего числа горелок, а при увеличении нагрузки выше заданной величины вводят в действие остальные горелки путем подачи в них топлива, при этом в пределах каждого кольца установлено одинаковое и четное число малоэмиссионных горелок, горелки внутреннего кольца смещены в окружном направлении относительно горелок наружного кольца на их полшага, все малоэмиссионные горелки выполнены двухканальными, причем внутренние каналы горелок служат для подачи в них только пилотного топлива, а наружные каналы горелок - для подачи в них сжатого воздуха из-за компрессора и основного топлива с образованием «бедной» топливовоздушной смеси, наружный канал каждой горелки содержит входной направляющий аппарат, в стенках которого выполнены отверстия для подачи топлива в сносящий поток воздуха, аксиально-лопаточный завихритель, установленный на выходе из канала, и проницаемый элемент, установленный между входным направляющим аппаратом и аксиально-лопаточным завихрителем, направление закрутки потока в горелках с помощью лопаточных завихрителей чередуется на противоположное при переходе от одной горелки к другой соседней горелке в пределах каждого кольца, каждая горелка содержит, кроме того, кольцевой топливный ресивер, расположенный над входным направляющим аппаратом, внутренние каналы горелок внутреннего и наружного колец объединены соответственно во внутренний и наружный коллектора пилотного топлива, а кольцевые топливные ресиверы горелок внутреннего и наружного колец объединены соответственно во внутренний и наружный коллектора основного топлива, на входе в магистралях пилотного и основного топлива установлено по одному регулятору расхода топлива, перед входами во внутренние коллектора пилотного и основного топлива в подводящих топливных магистралях установлено по одному клапану, при запуске и увеличении нагрузки до нагрузки, близкой к нагрузке режима малого газа (65-70% от номинальной нагрузки), клапаны закрыты, поэтому основное и пилотное топливо подают только в горелки наружного кольца, при достижении нагрузки, близкой к нагрузке режима малого газа и увеличении нагрузки до нагрузки номинального режима, оба клапана открывают и подают основное и пилотное топливо также и в горелки внутреннего кольца.
Предпочтительно, что в горелках наружного и внутреннего колец относительный расход пилотного топлива, определяемый как отношение расхода пилотного топлива к сумме расходов основного и пилотного топлива, уменьшают с помощью регуляторов расхода топлива из условия получения минимальной эмиссии оксидов азота, поддерживая заданный суммарный расход основного и пилотного топлива и заданный суммарный коэффициент избытка воздуха при сохранении устойчивости горения «бедной» топливовоздушной смеси.
Устройство кольцевой КС и способ ее эксплуатации поясняются следующими фигурами.
Фиг.1. Схема кольцевой КС ГТД.
Фиг.2. Вид на кольцевую КС по стрелке А, указанной на изображении фиг.1.
Фиг.3. Форма линий тока на развертке передней стенки жаровой трубы, образующихся при работе кольцевой КС по данным экспериментальных исследований.
Фиг.4. Схема двухканальной малоэмиссионной горелки с применением проницаемого элемента.
Фиг.5. Развертка решетки аксиально-лопаточного завихрителя турбинного типа с профилированными лопатками в сечении А-А, указанном на изображении фиг.4.
Приведем обоснования предложенных технических решений по кольцевой КС ГТД.
1. Применены двухканальные горелки с диффузионным сжиганием пилотного топлива, подаваемого по внутреннему каналу горелки, за счет избытка кислорода в «бедной» ТВС, подаваемой по наружному каналу горелки, с образованием дежурного факела (в зарубежной литературе его называют пилотным факелом).
Если «бедную» ТВС в соседних горелках с помощью лопаточных завихрителей вращать в одном направлении, то разность скоростей в местах соприкосновения локальных вихрей горелок будет максимальной. Эта разность скоростей потока может превысить нормальную скорость распространения пламени и привести к срыву пламени, сопровождающемуся ухудшением температурного поля в зоне горения и на выходе из КС. Чтобы уменьшить разность скоростей в местах соприкосновения локальных вихрей соседних горелок до нуля, применена закрутка потоков в соседних горелках в противоположных направлениях, позволяющая улучшить условия передачи тепла от одной горелки, в которой осуществляется горение ТВС, к другой горелке, где горение ТВС отсутствует, с последующим воспламенением в ней ТВС. Такая закрутка потоков в соседних горелках подобна двум шестерням, находящимся в зацеплении (см. фиг.2).
Для обеспечения регулярности и замыкания такого процесса передачи тепла между горелками, образующих кольцо, число горелок в кольце должно быть четным.
В предлагаемой кольцевой КС отсутствуют паразитные вихри, что снижает потери давления на трение о стенки жаровой трубы. Вместо них образуются периодические парные вихри, порождающие радиальные потоки поочередно к центру и от центра КС, что способствует не только надежной передаче тепла и пламени между горелками, но и выравниванию полей температур, прежде всего, в радиальном направлении (см. фиг.3). Кроме того, при такой закрутке потока число контактирующих горелок, способных передать тепло горелке, где отсутствует горение ТВС, вместо двух, как в известных решениях [7], возрастает до трех. То есть возрастает надежность передачи тепла и пламени между горелками и надежность эксплуатации КС.
2. Из условия согласования работы компрессора и турбины ГТД, прежде всего, на режиме запуска, а также на переходных режимах следует, что коэффициент избытка воздуха существенно растет. Работа КС на этих режимах сопровождается значительным «обеднением» ТВС, ухудшением качества ТВС и устойчивости горения, а также значительным снижением полноты сгорания топлива и увеличением эмиссии CO.
Эффективным средством борьбы с эмиссией CO в данном случае является отключение подачи основного и пилотного топлива в горелки внутреннего кольца, составляющие 50% от общего числа горелок КС. Такое техническое решение позволяет в горелках наружного кольца в 2 раза «обогатить» ТВС, улучшить качество смеси, увеличить устойчивость горения «бедной» ТВС и полноту сгорания топлива и в результате существенно уменьшить эмиссию CO.
Для реализации этого технического решения внутренние каналы горелок внутреннего и наружного колец объединены соответственно во внутренний и наружный коллектора пилотного топлива, а кольцевые ресиверы горелок внутреннего и наружного колец объединены соответственно во внутренний и наружный коллектора основного топлива. В магистралях подачи основного и пилотного топлива перед внутренними коллекторами основного и пилотного топлива соответственно установлено по одному клапану. Закрытие клапанов позволяет отключить, при необходимости, подачу основного и пилотного топлива в горелки внутреннего кольца.
Следует также отметить, что объединение внутренних и наружных каналов горелок в общие топливные коллектора позволяет упростить системы подачи и регулирования основного и пилотного топлива обоих колец и сделать системы подачи топлив в каждое кольцо независимыми друг от друга.
Необходимо также подчеркнуть, что отключение внутреннего кольца горелок с этой целью целесообразней, чем отключение наружного кольца горелок, так как доступ к горелкам наружного кольца при организации воспламенения ТВС более удобный, чем доступ к горелкам внутреннего кольца. Причем проблема передачи тепла и пламени от горелки к горелке в каждом кольце решена с одинаковой степенью надежности за счет применения закрутки потоков в соседних горелках в противоположных направлениях.
3. Известно [9] (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 566 с.) и [10] (Кутыш И.И. Способы и устройства очистки газов энергоустановок. Уч. пособие для вузов. М.: МГОФ «Знание», 2012. 800 с., изд. 2-е, перер. и дополн.), что сжигание предварительно подготовленной «бедной» ТВС позволяет значительно уменьшить эмиссию NOx благодаря тому, что процесс горения «бедной» ТВС удается провести при низкой адиабатической температуре. Поэтому в двухканальных горелках кольцевой КС ГТД сжигается предварительно подготовленная «бедная» ТВС. Особое внимание уделяется качеству «бедной» ТВС.
4. Хорошо известно, что качество смеси, под которым понимается степень однородности концентрации топлива по объему «бедной» ТВС, существенно влияет на эмиссию NOx. Если качество «бедной» ТВС низкое, то возникают локальные зоны «переобедненной» и более «обогащенной» ТВС с более высокой адиабатической температурой горения и повышенной эмиссией NOx. Получить хорошее качество «бедной» ТВС труднее, чем хорошее качество смеси стехиометрического состава. Поэтому при значительном «обеднении» ТВС необходимо применять дополнительные нетривиальные технические решения, способствующие повышению ее качества.
С этой целью между ВНА и аксиально-лопаточным завихрителем (АЛЗ) установлен проницаемый элемент (ПЭ).
В предлагаемой горелке применяется двухступенчатая система подготовки «бедной» ТВС: струйная подача и смешение основного топлива со сносящим потоком воздуха в области входного направляющего аппарата (ВНА) (первая ступень) и дополнительное смешение образовавшейся «бедной» ТВС в микроканалах пористого тела ПЭ во второй ступени за счет турбулентных пульсаций скорости, давления, температуры и концентрации компонентов. Причем такое двухступенчатое смешение компонентов (воздуха и топлива) осуществляется предварительно до подачи «бедной» ТВС в область ее горения.
5. Результаты экспериментальных исследований проницаемых материалов, изготовленных на базе металлических микронных порошков, волокон и сеток [11] (Кутыш И.И., Кутыш А.И. Новые металлокерамические фильтры для очистки газов дизельных двигателей и их гидравлические характеристики. «Конверсия в машиностроении». 2002, №4. С.32-37), [12] (Кутыш И.И., Кутыш Д.И. Экспериментальные исследования коэффициентов сопротивления проницаемых пластин, изготовленных на базе микронных порошков // Материалы XVI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС′ 2009), 25-31 мая 2009 г., Алушта, - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. - С.473-475), [13] (Кутыш И.И., Кутыш А.И., Кутыш Д.И. Результаты экспериментальных исследований коэффициентов сопротивления пакетов металлических микронных сеток // Материалы XVII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС′ 2011), 25-31 мая 2011 г., Алушта, - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011. - С.579-580), [14] (Кутыш И.И., Кутыш Д.И., Кутыш А.И. Результаты экспериментальных исследований коэффициентов сопротивления металлокерамических проницаемых материалов различных типов и их сопоставление // Материалы IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ′ 2012), 25-31 мая 2012 г., Алушта, - М.: Изд-во МАИ, 2011. - С.54-57), показали, что все типы проницаемых материалов обеспечивают высокое качество смеси жидкого или газообразного топлива и воздуха, однако проницаемые материалы, изготовленные на базе металлических микронных сеток обладают минимальным гидравлическим сопротивлением и максимальной прочностью. Причем минимальные потери полного давления при движении смеси в микропорах пористого тела ПЭ и удовлетворительное смешение компонентов достигаются тогда, когда средняя скорость потока смеси не превышает 40-60 м/с.
Эти свойства проницаемых материалов, изготовленных на базе металлических микронных сеток, определяют их преимущества перед другими типами проницаемых материалов при использовании в горелках в качестве ПЭ для предварительной подготовки «бедной» ТВС.
Еще одно важное свойство проницаемых материалов - их компактность, сокращающая путь смешения компонентов по сравнению с их струйным смешением.
6. Лопаточные завихрители широко используются в горелках КС [15] (Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1982, 200 с.). Они создают широкие возможности формирования скоростных полей, отличающихся степенью закрутки потока и характером изменения вращательной скорости по радиусу лопаток. На практике применяются завихрители с плоскими лопатками и завихрители с лопатками в виде изогнутых пластин с углами закрутки от 15° до 60°. Однако решетки с такими лопатками, особенно с плоскими лопатками, не могут обеспечить безотрывное течение в межлопаточном канале, которое сопряжено с повышенными потерями.
Для примера на фиг.5 приведена решетка АЛЗ турбинного типа с профилированными лопатками в произвольном сечении по высоте лопатки. Такие решетки обеспечивают безотрывное течение в межлопаточном канале с минимальными потерями давления, поэтому лишены упомянутых выше недостатков.
Геометрический или конструктивный углы закрутки в выходном сечении АЛЗ отличаются от утла закрутки потока.
Разница между этими углами зависит от числа и хорды лопаток в АЛЗ и уменьшается с увеличением этих параметров.
Закон изменения угла закрутки потока по радиусу лопатки АЛЗ удобно записать в виде зависимости
где u - вращательная составляющая скорости потока на выходе из АЛЗ на радиусе R;
n - показатель степени, принимающий значения -1≤n≤3.
a
Для реализации закона (1) на выходе из АЛЗ его лопатки должны иметь некоторую зависимость конструктивного угла закрутки от радиуса φ=f(R). Наиболее простая зависимость получается из допущения о равномерном распределении осевых скоростей W по высоте лопаток на входе и на выходе из АЛЗ
П
где R - радиус лопатки на периферии проточной части горелки;
П
П
φ - конструктивный угол закрутки на радиусе R;
φ - конструктивный угол закрутки на радиусе R.
Представляет интерес закон закрутки, который обеспечивает возрастающую закрутку потока при увеличении радиуса лопатки АЛЗ. При n=0 закрутка лопаток АЛЗ по их высоте сохраняется. Максимально возрастающая закрутка лопаток АЛЗ по их высоте в соответствии с принятым законом закрутки (2) реализуется при n=-1. Отсюда следует, что показатель степени n имеет только отрицательные значения, которые находятся в диапазоне
Как показали экспериментальные исследования, АЛЗ с таким законом (2) и с учетом выражения (3) обеспечивают устойчивое горение «бедной» ТВС.
7. Экспериментальные исследования экологических характеристик двухканальных горелок с диффузионным сжиганием пилотного топлива показали, что эмиссия NOx существенно зависит от относительного расхода пилотного топлива. Причем чем меньше относительный расход пилотного топлива, при сохранении устойчивости горения «бедной» ТВС, тем меньше эмиссия NOx. Чтобы можно было изменять относительный расход пилотного топлива при сохранении заданной суммы расходов основного и пилотного топлива, в магистралях подачи основного и пилотного топлива установлены соответствующие регуляторы расхода топлива (см. фиг.1).
Приведем обоснования предложенных технических решений по способу эксплуатации кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя.
1. Как уже отмечалось выше на режиме запуска и на переходных режимах при выходе на режим малого газа с нагрузкой, составляющей 65-70% от номинальной нагрузки ГТД, реализуются очень высокие значения коэффициента избытка воздуха, сопровождающиеся нарушением устойчивости горения «бедной» ТВС, ухудшением качества смеси, снижением полноты сгорания топлива и значительной эмиссией СО. Чтобы устранить этот недостаток в работе кольцевой КС, прекращают подачу основного и пилотного топлива в одну часть горелок путем закрытия соответствующих клапанов и все топливо направляют в другую часть горелок. В данном примере, приведенном на фиг.2, отключают половину горелок, принадлежащих внутреннему кольцу КС. При этом коэффициент избытка воздуха уменьшается в 2 раза, что сопровождается увеличением устойчивости горения «бедной» ТВС, ростом адиабатической температуры горения, увеличением полноты сгорания топлива и снижением эмиссии CO.
2. Если на всех режимах работы кольцевой КС обеспечивать регулирование расходов пилотного и основного топлива с помощью соответствующих регуляторов расхода, обеспечивая минимальный относительный расход пилотного топлива при условии сохранения заданного суммарного расхода топлива и устойчивости горения «бедной» ТВС, то, как показывают экспериментальные исследования, можно значительно уменьшить эмиссию NOx. Причиной уменьшения эмиссии NOx является уменьшение объема высокотемпературной зоны диффузионного горения пилотного топлива. Уменьшение расхода пилотного топлива и соответствующее увеличение расхода основного топлива через горелку приводит также к некоторому «обогащению» «бедной» ТВС и повышению ее устойчивости горения.
Предложенная кольцевая КС ГТД, в которой реализуется предложенный способ ее эксплуатации, приведена на рисунках (фиг.1-5).
На передней стенке 3 жаровой трубы 4 кольцевой КС установлены двухканальные горелки 1 наружного кольца C1 и двухканальные горелки 2 внутреннего кольца C2, концы горелок обоих колец находятся в одной вертикальной плоскости (см. изображение на фиг.1). Внутренние каналы 18 горелок 1 наружного кольца C1 и внутренние каналы 17 горелок 2 внутреннего кольца C2 объединены соответственно в наружный кольцевой коллектор пилотного топлива 16 и во внутренний кольцевой коллектор пилотного топлива 15, на входе которого в магистрали подачи пилотного топлива 7 установлен, например, электрический клапан 11. Кольцевые ресиверы 19 горелок 1 наружного кольца C1 и кольцевые ресиверы 20 горелок 2 внутреннего кольца C2 объединены соответственно в наружный кольцевой коллектор основного топлива 14 и во внутренний кольцевой коллектор основного топлива 13, на входе которого в магистрали подачи основного топлива 8 установлен, например, электрический клапан 12. В магистрали подачи основного топлива 8 и в магистрали подачи пилотного топлива 7 установлены регуляторы 5 и 6 расхода основного топлива 9 и пилотного топлива 10 соответственно.
На изображении, приведенном на фиг.2, показана средняя линия E жаровой трубы, разделяющая наружное и внутреннее кольца КС, и схема расположения горелок A1 с закруткой по часовой стрелке и горелок A2 с закруткой против часовой стрелки в наружном кольце C1, а также горелок В1 с закруткой по часовой стрелке и горелок B2 с закруткой против часовой стрелки во внутреннем кольце C2. Серым цветом отмечены горелки наружного кольца, в которые подают основное и пилотное топливо на всех возможных режимах работы КС ГТД. Белым цветом обозначены горелки внутреннего кольца, в которые подают основное и пилотное топливо когда нагрузка становится близкой к нагрузке малого газа, что составляет, примерно, 65-70% от номинальной нагрузки.
На рисунке, приведенном на фиг.3, показана развертка передней стенки 3 жаровой трубы 4, на которой изображена полученная при экспериментальном исследовании схема течения газа. Стрелками показано направление движения газа с образованием периодических парных вихрей, вращающихся в противоположных направлениях и охватывающих две горелки A1 и B1 с одинаковой закруткой потока или A2 и B2 также с одинаковой закруткой потока, но с вращением в обратном направлении. Причем одна горелка A1 или A2 в каждом вихре принадлежит наружному кольцу, а другая B1 или B2 соответственно - внутреннему кольцу.
В местах соприкосновения соседних вихрей разность скоростей потока равна нулю, поэтому реализуется надежная передача тепла и пламени от горелок A1 наружного кольца к горелкам B2 внутреннего кольца или от горелок A2 наружного кольца к горелкам B1 внутреннего кольца на режимах, превышающих режим малого газа, когда основное и пилотное топливо подают не только в горелки наружного кольца C1, но и в горелки внутреннего кольца C2.
Из схемы течения видно (см. рисунок на фиг.3), что каждая горелка КС имеет три связи с соседними горелками, в которых гарантирована надежная передача тепла и пламени, так как разность скоростей потока в местах соприкосновения соседних парных вихрей равна нулю.
На фиг.4 приведена схема двухканальной малоэмиссионной горелки с применением ПЭ.
В соответствии со схемой, приведенной на фиг.4, горелка содержит внутренний канал 10 и наружный канал, ограниченный стенками 5, 10 и 11, и кольцевой топливный ресивер 2.
Внутренний канал завершается полым конусным стабилизатором с вершиной, направленной против потока.
Наружный канал горелки содержит ВНА 8, установленный на входе в наружный канал, АЛЗ 4 турбинного типа с профилированными лопатками, установленный на выходе из наружного канала, и ПЭ 3 с заданными значениями пористости, установленный между ВНА 8 и АЛЗ 4.
На фиг.5 приведена развертка решетки профилей АЛЗ турбинного типа, выполненная в соответствии с кольцевым сечением A-A, которое задано на изображении фиг.4.
Решетка спрофилирована так, что обеспечивается плавное безотрывное возрастание скорости потока в межлопаточном канале от входа в решетку до выхода из нее.
Закрутка лопаток по их высоте выполнена в соответствии с законом (2) с учетом выражения (3).
a
a
<mover accent="true"><mi>W</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>W</mi><mo>→</mo></mover><mi>a</mi></msub></mrow>
На выходе из решетки профилей показан треугольник скоростей, образованный абсолютной скоростью потока W, и ее осевой W и окружной u составляющими соответственно. Вектора
и
скоростей W и W соответственно образуют конструктивный угол закрутки лопаток АЛЗ φ.
Работа кольцевой КС ГТД и реализация предложенного способа ее эксплуатации осуществляется следующим образом.
Во время запуска кольцевой КС ГТД (см. фиг.1) и при увеличении нагрузки до значения, соответствующего режиму малого газа, клапаны 11 и 12 закрыты.
Основное топливо 9 под давлением, превышающим давление в потоке воздуха 22, через регулятор 5 подают только в наружный кольцевой коллектор основного топлива 14. Далее основное топливо из коллектора 14 поступает в кольцевые топливные ресиверы 19 горелок 1, принадлежащих наружному кольцу C1 (см. фиг.2), и через отверстия, выполненные в стенках ВНА, в виде системы струй подают в сносящий поток сжатого воздуха 22, поступающего от компрессора ГТД в наружные каналы горелок 1.
Пилотное топливо 10 под давлением, превышающим давление в потоке воздуха 22, через регулятор 6 подают вначале в наружный кольцевой коллектор пилотного топлива 16, а затем - во внутренние каналы горелок 1 наружного кольца C1.
В отдельных горелках (например, в 2 или 3 горелках) наружного кольца воспламенение ТВС обеспечивается от внешнего источника. На фиг.2 горелки наружного кольца обозначены серым цветом.
Когда основное и пилотное топливо подают только в горелки наружного кольца C1, надежная передача тепла и пламени от горелки к горелке обеспечивается за счет того, что в месте соприкосновения периодических парных вихрей, вращающихся во взаимно противоположных направлениях: то по часовой стрелке, то против часовой стрелки, разность скоростей потоков равна нулю.
При достижении нагрузки, близкой к нагрузке малого газа, одновременно открывают оба клапана 11 и 12. Тогда основное топливо 9 под давлением, превышающим давление в потоке воздуха 22, начинает поступать также и во внутренний кольцевой коллектор основного топлива 13, из которого оно далее поступает во все кольцевые топливные ресиверы 20 горелок 2 внутреннего кольца C2. Затем основное топливо через отверстия, выполненные в стенках ВНА, в виде системы струй подают в сносящий поток сжатого воздуха 22, поступающего также от компрессора ГТД в наружные каналы горелок 2.
Пилотное топливо 10 под давлением, превышающим давление в потоке воздуха 22, подают вначале во внутренний кольцевой коллектор пилотного топлива 15, а затем - во внутренние каналы горелок 2 внутреннего кольца C2 (см. фиг.1 и 2).
Когда нагрузка превышает нагрузку малого газа и основное и пилотное топливо подают во все горелки, надежная передача тепла и пламени к горелкам внутреннего кольца обеспечивается от работающих горелок наружного кольца за счет того, что в месте соприкосновения периодических парных вихрей, вращающихся во взаимно противоположных направлениях, разность скоростей потоков равна нулю. Каждый парный вихрь при работе кольцевой КС на данной нагрузке охватывает две горелки, принадлежащие к обоим кольцам. Причем каждая отдельно взятая горелка соприкасается посредством парных вихрей с 3 соседними горелками, что увеличивает надежность передачи тепла и пламени от горелки к горелке (см. фиг.3). Применение закрутки потока в соседних горелках, принадлежащих обоим кольцам кольцевой КС, приводит к образованию периодических парных вихрей на передней стенке кольцевой КС (см. развертку на фиг.3), способствующих выравниванию температурных полей в радиальном и окружном направлениях как в зоне горения топлива, так на выходе из кольцевой КС.
Регулирование расхода пилотного топлива на всех возможных режимах работы кольцевой КС ГТД с целью снижения эмиссии NOx при сохранении устойчивого горения «бедной» ТВС обеспечивают с помощью регулятора расхода пилотного топлива 6.
Предварительную подготовку качественной «бедной» ТВС производят в горелке (см. фиг.4) за счет двухступенчатого смешения компонентов (сжатого воздуха и основного топлива). В соответствии со схемой малоэмиссионной горелки, приведенной на фиг.4, пилотное топливо 6 подают по внутреннему каналу 10, а затем в зону обратных токов 12, которая локализуется за полым конусным стабилизатором 5.
Сжатый воздух 7 от компрессора поступает только в наружный канал горелки. Основное топливо поступает из кольцевого топливного ресивера 2 через отверстия, выполненные в стенках ВНА 1, в виде системы струй 8 в сносящий поток воздуха 7. Образовавшаяся в струйной ступени «бедная» ТВС затем дополнительно пропускается через микроканалы пористого тела ПЭ, представляющего собой вторую ступень смешения компонентов, где за счет турбулентных пульсаций скорости, давления, температуры и концентраций компонентов достигается высокая концентрационная однородность «бедной» ТВС 9, то есть высокое качество этой смеси.
Площадь поверхности ПЭ 3 для уменьшения потерь полного давления «бедной» ТВС 9, при движении ее в микропорах пористого тела ПЭ 3, выбирают такой (например, в виде двух усеченных конусов), чтобы значение средней скорости потока смеси 9 на номинальном режиме работы КС находилось в диапазоне 40-60 м/с.
Устойчивое диффузионное горение пилотного топлива в дежурном факеле за счет избыточного кислорода «бедной» ТВС 9 обеспечивается путем создания зоны обратных токов 12 за конусным стабилизатором 5, как за плохообтекаемым телом, при обтекании его «бедной» ТВС 9, а устойчивое кинетическое горение «бедной» ТВС 9 обеспечивается за счет подвода тепла от дежурного факела и организации дополнительной зоны обратных токов 13 с помощью АЛЗ 4.
Можно отметить следующие преимущества предложенной кольцевой КС ГТД (фиг.1-5) и предложенного способа ее эксплуатации по сравнению с кольцевой КС и способом ее эксплуатации прототипа:
- надежная передача тепла и пламени между горелками при запуске кольцевой КС и на всех возможных режимах ее эксплуатации;
- пониженные потери полного давления при движении потока смеси на передней стенке жаровой трубы КС;
- пониженные эмиссии оксидов азота и оксида углерода;
- повышенная устойчивости горения «бедной» ТВС на всех возможных режимах работы кольцевой КС;
- увеличение равномерности температурного поля в радиальном и окружном направлениях в зоне горения и на выходе из кольцевой КС.
Эти преимущества достигаются с помощью технических решений, приведенных и обоснованных выше.
Важно подчеркнуть, что все отмеченные выше проблемы в предложенной кольцевой КС ГТД решены комплексно. В приведенных аналогах и прототипе эти проблемы решены или частично, или не решены вовсе.