МАЛОЭМИССИОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использована в газотурбинных двигателях (ГТД) типа ГТД-110 стационарной и транспортной энергетики.
x
х
у
Одной из главных проблем на пути развития энергетического газотурбостроения является снижение эмиссии токсичных выбросов оксидов азота (NO) и продуктов неполного горения (СО, СН), образующихся в камере сгорания (КС) газотурбинного двигателя.
x
x
Образование NO в КС газовой турбины зависит, в основном, от температуры пламени. Для уменьшения эмиссии оксидов азота используется обычно предварительное перемешивание топлива и воздуха с коэффициентом избытка воздуха, при котором температура в зоне горения составляет порядка 1700 К. Достигаемая предварительным перемешиванием гомогенность топливовоздушной смеси обеспечивает отсутствие в зоне горения высокотемпературных зон, являющихся причинами повышенной эмиссии NO. Основной проблемой при создании КС со сжиганием гомогенных смесей является обеспечение устойчивого горения без срывов, проскоков и низкочастотных пульсаций факела на рабочих режимах, а также поддержание высокой полноты сгорания топлива на пусковых и переменных режимах. Это обеспечивается организацией специальной дежурной зоны с диффузионным горением части топлива при высоких температурах. Для разбавления продуктов сгорания до необходимой по условиям работы газовой турбины температуры в объем жаровой трубы за зоной горения подается вторичный воздух.
Известна КС ГТД с выходной электрической мощностью, находящейся в пределах 100-130 МВт, двухопорным жестким ротором, выполненным с консольной барабанной секцией компрессора и сварными барабанно-дисковыми секциями компрессора и турбины, содержащая модульных элемента, количество которых находится в пределах 20-22, расположенных по окружности ротора снаружи по отношению к последним ступеням компрессора, причем каждый модульный элемент камеры сгорания содержит силовой корпус, установленные внутри него по меньшей мере одно фронтовое устройство с концентрически расположенными и снабженными выходными насадками цилиндрическими внутренней пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения, по меньшей мере один электрический поджигатель, а также примыкающую к выходному насадку основной горелки жаровую трубу с пламенным и газоотводным участками, причем входной торец пламенного участка жаровой трубы имеет больший диаметр по отношению к выходному диаметру указанного насадка и соединен с последним посредством кольцевого фланца, между силовым корпусом и всеми фронтовыми устройствами вместе с примыкающими к ним жаровыми трубами предусмотрена кольцевая полость для прохода воздуха, обе - пилотная и основная горелки имеют отдельные кольцевые раздающие коллекторы для подвода топлива и отдельные тракты подвода воздуха с установленными в них лопаточными завихрителями, причем завихритель основной горелки выполнен с радиальным подводом воздуха, а теплонапряженные участки каждой жаровой трубы и каждого фронтового устройства оборудованы средствами защиты их стенок от термического воздействия [1] - ближайший аналог (данный ГТД и КС к нему известны также из патентов [2, 3]).
Данной КС присущи следующие недостатки:
- Обе горелки каждого ее фронтового устройства - основная и пилотная являются горелками предварительного смешения. Однако, как уже отмечалось выше, при сжигании гомогенных смесей без специальных мер не обеспечивается устойчивое горение на рабочих режимах, а также поддержание высокой полноты сгорания топлива на пусковых и переменных режимах. В качестве такой меры в [1] предусмотрено установленное по оси фронтового устройства воздушное сопло. При этом предполагается, с одной стороны, предотвратить проскок пламени в зоны смесеобразования путем оттеснения от этих зон высокотемпературных обратных токов, с другой - обеспечить устойчивое горение за счет подачи в зону горения дополнительного воздуха. Такое техническое решение, однако, существенно затрудняет возможность установки в приосевой зоне фронтового устройства форсунок в случае необходимости сжигания резервного жидкого топлива.
- В КС применено так называемое «пленочное» проникающее воздушное охлаждение жаровой трубы, для реализации которого на ее боковой (цилиндрической) стенке выполнены радиальные отверстия, а под ними со стороны охлаждаемой внутренней поверхности трубы - Г-образные вставки, направляющие проходящий через отверстия воздух тонким слоем (пленкой) вдоль этой поверхности. Как показали проведенные исследования, любое проникающее воздушное охлаждение при сжигании предварительно образованной обедненной топливовоздушной смеси неблагоприятно влияет на эмиссионные характеристики КС и устойчивость горения из-за нарушения однородности смеси и заданного соотношения топливо - воздух.
Достигаемым техническим результатом полезной модели является улучшение эмиссионных характеристик КС, повышение эффективности охлаждения ее теплонапряженных участков, а также обеспечение устойчивости горения и высокой полноты сгорания топлива.
Это обеспечивается тем, что в КС ГТД с выходной электрической мощностью 100-130 МВт, двухопорным жестким ротором, выполненным с консольной барабанной секцией компрессора и сварными барабанно-дисковыми секциями компрессора и турбины, содержащая 20-22 модульных элемента, расположенных по окружности ротора снаружи по отношению к последним ступеням компрессора, причем каждый модульный элемент камеры сгорания содержит силовой корпус, установленные внутри него по меньшей мере одно фронтовое устройство с концентрически расположенными и снабженными выходными насадками цилиндрическими внутренней пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения, по меньшей мере один электрический поджигатель, а также примыкающую к выходному насадку основной горелки жаровую трубу с пламенным и газоотводным участками, причем входной торец пламенного участка жаровой трубы имеет больший диаметр по отношению к выходному диаметру указанного насадка и соединен с последним посредством кольцевого фланца, между силовым корпусом и всеми фронтовыми устройствами вместе с примыкающими к ним жаровыми трубами предусмотрена кольцевая полость для прохода воздуха, обе - пилотная и основная горелки имеют отдельные кольцевые раздающие коллекторы для подвода топлива и отдельные тракты подвода воздуха с установленными в них лопаточными завихрителями, причем завихритель основной горелки выполнен с радиальным подводом воздуха, а тепло-напряженные участки каждой жаровой трубы и каждого фронтового устройства оборудованы средствами защиты их стенок от термического воздействия, согласно полезной модели пилотная горелка выполнена диффузионной, ее завихритель выполнен с осевым подводом воздуха, электрические поджигатели установлены в каждой пилотной горелке, а средство защиты от термического воздействия пламенного участка жаровой трубы включает термозащитное покрытие ее внутренней поверхности и систему струйного конвективного воздушного наружного охлаждения цилиндрической стенки.
При этом полость кольцевого топливораздающего коллектора основной горелки может быть разделена сплошными перегородками по меньшей мере на два отсека, к каждому из которых присоединен отдельный подводящий топливопровод, оборудованный расходным регулирующим органом.
Выполнение пилотной горелки в виде горелки диффузионного типа с осевым подводом воздуха в ее завихритель позволяет добиться в режимах запуска и малых нагрузок ГТУ стабильности горения пилотного потока топлива. Повышенная эмиссия оксидов азота, присущая для диффузионным горелкам, в данном случае не является существенным из-за сравнительно небольшой доли сжигаемого в ней топлива.
Установка электрических поджигателей в каждой пилотной горелке обеспечивает раздельное воспламенение относительно малого объема газообразного топлива в воздушной среде этой горелки с исключением необходимости практикуемой установки пламяперебросных труб между жаровыми трубами КС.
Сочетание струйного воздушного охлаждения наружной цилиндрической стенки и термостойкого покрытия на внутренней стенке пламенного участка жаровой трубы обеспечивает не только надежную защиту ее стенок от высокотемпературного термического воздействия, но и существенно улучшает условия низкотемпературного горения за счет практически полного исключения попадания в пристенную зону горения холодного воздуха.
Разделение полости кольцевого топливораздающего коллектора основной горелки сплошными перегородками по меньшей мере на два отсека, к каждому из которых присоединен отдельный подводящий топливопровод, оборудованный расходным регулирующим органом, позволяет устанавливать немного различающиеся между собой соотношения топливо - воздух в образующихся таким образом смежных сегментах потока топливовоздушной смеси, поступающего из фронтового устройства в жаровую трубу. Как показали исследования, такое решение обеспечивает возможность устранения или значительного уменьшения уровня пульсаций потока продуктов горения в жаровой трубе из-за различий частотных характеристик параллельно движущихся и взаимодействующих составляющих потока.
Следует отметить, что из других источников информации известно использование в КС пилотной горелки диффузионного типа [4], применение струйного охлаждения жаровой трубы [5] и термозащитное покрытие внутренней поверхности жаровой трубы [6]. Однако каждый из перечисленных известных признаков сам по себе не может решить поставленной задачи достижения указанного выше технического эффекта улучшения эмиссионных характеристик КС, повышения эффективности охлаждения ее теплонапряженных участков, а также обеспечения устойчивости горения и высокой полноты сгорания топлива.
На фиг.1 изображен ГТД с КС согласно полезной модели; на фиг.2 - КС согласно полезной модели в продольном разрезе; на фиг.3 - вид с фронта на топливораздающий коллектор основной горелки; на фиг.4 - пилотная горелка фронтового устройства в поперечном разрезе; на фиг.5 - расположение отверстий на перфорированном экране струйного воздушного охлаждения жаровой трубы.
1
2
1
2
2
1
2
1
ГТД (фиг.1) содержит двухопорный ротор 1, выполненный с консольной барабанной секцией 2, сварными барабанно-дисковыми секциями 3, 4 компрессора 5 и барабанно-дисковой секцией 6 турбины 7. ГТУ содержит также КС. Последняя содержит двадцать (в данном примере) равномерно расположенных по окружности модульных элементов 8, каждый из которых содержит силовой корпус 9 (фиг.2) и установленные внутри него восемь (в данном примере) фронтовых устройств 10 (показано одно). В каждом из них концентрически расположены центральная пилотная горелка 11 и периферийная основная горелка 12. Основная горелка 12 предварительного смешения работает на газообразном топливе и содержит радиальный кольцевой лопаточный завихритель 13 воздуха, два топливоподвода 14 (фиг.3), каждый из которых оборудован расходным регулирующим органом (на чертеже не показаны). Оба топливоподвода 14 подключены к кольцевому коллектору 15, разделенному сплошными перегородками 16 соответственно на два отсека 17 и 18 (фиг.3), к которым подключены газораздающие каналы 19, пропущенные в тело каждой лопатки завихрителя 13. Пилотная горелка 11 диффузионного типа может работать на газообразном и жидком топливе, причем последнее внутри топливного тракта горелки может смешиваться с водой. Горелка содержит осевой лопаточный завихритель 20 воздуха, топливоподвод 21 газообразного топлива, подключенный к кольцевому коллектору 22 с расположенными по его окружности в осевом направлении газораздающими трубками 23, а также два топливоподвода 24, 25 жидкого топлива и водоподвод 26 (фиг.4). Для распыла жидкого топлива непосредственно, в смеси с водой или только воды предусмотрена форсунка 27, соединенная осевым каналом 28 с топливоподводом 24 жидкого топлива и через кольцевой коллектор 29 и систему осевых каналов 30 - с кольцевым коллектором 31 (фиг.2 и 4), к которому подключены топливоподвод 25 и водоподвод 26. Внутри пилотной горелки 11 установлены два аксиально расположенных запальных устройства 32 (фиг.2 и 4). Обе - основная и пилотная горелки соответственно 12 и 11 снабжены выходными суживающимися насадками соответственно 33 и 34. К выходному насадку 33 основной горелки 12 примыкает жаровая труба со входным пламенным участком 35 и газоотводным участком 36. Стыковка входного торца диаметров D пламенного участка 35 жаровой трубы с выходным торцом диаметра d насадка 33 основной горелки 12 осуществлена посредством кольцевого фланца 37. Между силовым корпусом 9 и всеми фронтовыми устройствами 10 вместе с примыкающими к ним жаровыми трубами предусмотрена кольцевая полость 38 для прохода воздуха. Каждая жаровая труба и теплонапряженные участки фронтового устройства 10 снабжены средствами защиты их стенок от термического воздействия. При этом средство защиты пламенного участка 35 жаровой трубы от термического воздействия включает термозащитное покрытие 39 ее внутренней поверхности и систему струйного конвективного воздушного наружного охлаждения цилиндрической стенки, выполненную в виде замкнутого по торцам цилиндрического перфорированного по цилиндрической поверхности экрана 40, охватывающего с радиальным кольцевым зазором 41 пламенный участок 35 жаровой трубы и входной участок тракта подвода воздуха в основную горелку 12 фронтового устройства 10. Перфорационные отверстия 42 экрана 40 в зоне ввода воздуха в основную горелку 12 фронтового устройства 10 имеют меньший диаметр d и расположены более тесно, по сравнению с диаметром d перфорационных отверстий 43 экрана 40 в зоне пламенного участка 35 жаровой трубы (фиг.4). Конкретное значение соотношений указанных диаметров и соответствующих шагов s, s между соседними перфорационными отверстиями выбирается при проектировании КС, исходя из требуемого распределения расходов воздуха на горение и разбавление продуктов сгорания (рекомендуемые диапазоны значений d/d=4÷6. s/s=4÷8). В выходной части стенки охваченного экраном 40 пламенного участка 35 жаровой трубы предусмотрены сквозные отверстия 44 для подачи части воздуха из кольцевой полости 38 на разбавление продуктов сгорания. Средства защиты от термического воздействия остальных теплонапряженных участков, в частности, газоотводного участка 36 и кольцевого фланца 37, а также выходного насадка 34 пилотной горелки 11, выполнены каждое в виде системы проникающего эффузионного воздушного охлаждения их стенок через предусмотренные в этих стенках сквозные капиллярные каналы 45.
x
x
КС согласно полезной модели работает следующим образом. Для запуска ГТД ротор 2 турбокомпрессорной группы приводят во вращение от внешнего пускового привода (на чертеже не показан) с тем, чтобы в КС начал поступать воздух, после чего открывают подачу топлива на пилотную горелку 11 и включают электрические поджигатели 32. После выхода ГТД на номинальную частоту вращения, синхронизации электрического генератора (на чертеже не показан), его включения в сеть и набора установленного уровня нагрузки осуществляют подачу топлива в основную горелку 12 через топливоподводы 14 с дальнейшей раздачей его через секции 17, 18 кольцевого коллектора 15 и газораздающие каналы 19 в лопатках завихрителя 13 в межлопаточные каналы указанного завихрителя. Благодаря этому основной поток топлива воспламеняется в жаровой трубе равномерно перемешанным с воздухом и сгорает при температурах, соответствующих минимальной эмиссии NO. Топливо представляет собой природный газ или попутный нефтяной газ. Может быть также использовано жидкое топливо - керосин или дизельное, подаваемое, как уже отмечалось, в форсунку 27 непосредственно или в смеси с водой (рис.4), которая может дозировано подаваться в указанную форсунку от водоподвода 26 через кольцевой коллектор 29, систему осевых каналов 30 (фиг.2 и 4), коллектор 31 и радиальные сверления в теле форсунки. За счет отбора части выделяющегося при горении топлива тепла на подогрев и испарение воды происходит понижение температуры в зоне горения и соответствующее уменьшение эмиссии NO. В основной горелке 12 воздух на смешение с топливом поступает через радиальный лопаточный завихритель 13, а в пилотной горелке 11 - через осевой лопаточный завихритель 20. Предварительное смешение газообразного топлива с воздухом в основной горелке 12 осуществляется в кольцевой камере с конфузорным раструбом 33 для предотвращения проскока пламени из жаровой трубы внутрь зоны смешения. Основная часть воздуха, подаваемого компрессором 6 ГТД (фиг.1) в полость 38 КС (фиг.2), проходит напорными струями через перфорационные отверстия 42, 43 (фиг.5) экрана 40. Воздух, прошедший через отверстия 43, идет на струйное наружное охлаждение цилиндрической части пламенного участка 35 жаровой трубы. Часть его, а также воздух, прошедший через отверстия 42, набегает на радиальные лопатки завихрителя 13, обеспечивая интенсивное перемешивание топлива с воздухом для получения гомогенной топливовоздушной смеси с заданным соотношением топливо - воздух. Другая часть воздуха из кольцевого зазора 41 через отверстия 44 сбрасывается в газоотводящий участок 36 жаровой трубы для разбавления продуктов сгорания до температуры, требуемой по условиям входа в первую ступень газовой турбины. Защита внутренней поверхности пламенного участка жаровой трубы 35 осуществляется с помощью керамического термозащитного покрытия 39. Для защиты от высокотемпературного воздействия насадка 34 пилотной горелки 11, кольцевого фланца 37, пламенного участка 35 и газоотводного участка 36 жаровой трубы предусмотрено эффузионное воздушное охлаждение, описанное выше.
Источники информации:
1. Новый газотурбинный двигатель мощностью 110 МВт для стационарных энергетических установок /Романов В.И. и др. //Теплоэнергетика. 1992. №9, с.15-21.
2. Патент UA №73206, F02C 3/04, 2004.
3. Патент UA №68446, F23R 3/34, 2004.
4. Патент RU №2170391, 7 F23R 3/14, 2000.
5. Междун. заявка WO 159369 А1, 7 F23R 3/28, 14.02.2001, 16.08.2001.
6. Патент RU №2273609, 7 С03С 8/22, 2004.
7. Опубликованная заявка RU №2001101150, 7 F23R 3/04, 2001.