МНОГОГОРЕЛОЧНОЕ ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к газотурбинной области и может быть использована при создании камер сгорания перспективных энергетических и транспортных газотурбинных установок (ГТУ), в том числе при модернизации камер сгорания газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на базе регенеративных ГТУ, которые находятся в длительной эксплуатации на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
Многогорелочные фронтовые устройства, используемые на компрессорных станциях магистральных газопроводов, должны отличаться простотой конструкции и технологичностью в изготовлении, надежностью в работе, высокой энергетической эффективностью, а продукты сжигания должны отвечать нормативным требованиям в отношении эмиссии токсичных веществ: оксидов азота и оксидов углерода.
Многогорелочные фронтовые устройства должны работать в широком диапазоне изменения излишка окислителя, их конструктивные особенности должны обеспечить: минимальный уровень термических ударов при запуске ГТУ, однородную аэродинамическую и термическую структуру протока на входе в лопаточный аппарат турбины, минимальное аэродинамическое и термическое сопротивление камеры сгорания ГТУ.
Известно многогорелочное фронтовое устройство камеры сгорания ГТУ [1, 2], состоящее из фронтальной конической стенки большого диаметра, имеющей семь отверстий меньшего диаметра, расположенных симметрично: одно в центре, а шесть - на периферии, такого же количества цилиндрических патрубков, соединенных торцами с данными отверстиями, семи лопаточных регистров, смонтированных во внутренней части цилиндрических патрубков и газовых труб с форсунками, которые свободно входят во внутреннюю втулку каждого из лопаточных регистров.
При таком конструктивном решении фронтового устройства центральная горелка выполняет функции пусковой и очередной горелки, на которую подается небольшая часть топливного газа при запуске камеры сгорания ГТУ, и после выхода этой горелки на стабильный режим работы начинается подача газа на периферийные горелки, чем обеспечивается плавность режима запуска камеры сгорания без ощутимых тепловых "ударов" и надежная работа камеры сгорания в широком диапазоне изменения излишка окислителя.
Применение периферийных горелок регистрового типа в качестве элементов конструкции многогорелочных фронтовых устройств усложняют конструкцию и технологию изготовления, создают высокую неоднородность аэродинамической и термической структуры потока на выходе из камеры сгорания, что вместе с формированием вихревых аэродинамических структур в зоне горения является причиной высокого аэродинамического и термического сопротивления камеры сгорания. Все это порождает высокий уровень эмиссии токсичных оксидов азота (NOx) и оксида углерода (СО) в продуктах сгорания и дополнительные потери энергии в трактах камеры сгорания, вследствие чего уменьшается коэффициент полезного действия установки.
К этому следует добавить, что образование регистровыми горелками обогащенной топливом зоны обратных токов приводит к обгоранию исходных кромок лопаток регистра и коксованию многосопловой насадки, значительный поперечный размер этой зоны, диаметр которой может превышать диаметр регистра, приводит к затягиванию выгорания топлива и повышению концентрации СО в продуктах сгорания, высокий уровень температур в ней и закручивание основного потока являются причиной дополнительной эмиссии токсичных NOx.
Известно многогорелочное фронтовое устройство камеры сгорания ГТУ [3], состоящее из фронтальной конической стенки большого диаметра, имеющей семь отверстий меньшего диаметра, расположенных симметрично: одно в центре, а шесть - на периферии, такое же количество цилиндрических патрубков, соединенных торцами с данными отверстиями, смонтированных во внутренней части патрубков горелочных секций, каждая из которых состоит из семи горелочных модулей регистрового типа.
Благодаря применению в таком многогорелочном фронтовом устройстве большого количества регистровых модулей (49) достигается дробление первичного потока и повышение однородности его аэродинамической и термической структуры, что является положительным фактором с точки зрения уменьшения эмиссии токсичных NO и СО и снижения потерь давления в камере сгорания ГТУ.
Вместе с тем, компоновочная схема многогорелочного фронтового устройства, которая характеризуется наличием семи горелочных секций, в которых устанавливаются по семь регистровых горелочных модулей меньшего диаметра, каждый из которых имеет отдельную газовую трубу для подведения топлива, значительно усложняет технологию изготовления и конструкцию фронтового устройства, а вихревая аэродинамическая структура за каждым из сорока девяти регистровых горелочных модулей способствует
чрезмерной потере полного давления в камере сгорания ГТУ, что приводит к снижению коэффициента полезного действия ГТУ.
Еще одним недостатком описанной конструкции является то, что при многомодульной схеме довольно не эффективно используется поперечное сечение перерез фронтового устройства, коэффициент раскрытия которого по воздушному потоку составляет не более 5...10%. Это ведет к необходимости при фиксированном миделевом сечении фронтового устройства создания условий для повышения скорости воздушного потока, что является дополнительной причиной потерь полного давления.
Известно многогорелочное фронтовое устройство камеры сгорания ГТУ, выбранное в качестве прототипа [3, 4], состоящее из фронтальной конической стенки большого диаметра, имеющей семь отверстий меньшего диаметра, расположенных симметрично: одно в центре, а шесть на периферии, такого же количества цилиндрических патрубков, соединенных торцами с данными отверстиями, семи горелок струйного типа [5], смонтированных во внутренней части цилиндрических патрубков. Каждая струйная горелка состоит из двух перфорированных конических стенок, одна из которых охлаждаемая, а вторая рабочая, двух втулок: внешней и внутренней, и газовой трубы с форсункой, соединенной с внутренней втулкой.
Особенностью перфорации охлаждаемой стенки является то, что на ней расположены воздушные отверстия одинакового диаметра равномерно по всей поверхности.
Особенностью перфорации рабочей стенки является то, что отверстия для подачи воздуха на ней расположены по касательной на конической поверхности стенки и образуют систему затененных секторов, вдоль которых подается топливо через газовые отверстия форсунки, благодаря чему реализуется устойчивое и эффективное сгорание топлива при высоких и переменных излишках воздуха [5]. При этом в полной мере достигается эффект микродиффузионного горения, когда зона горения состоит из большого количества диффузионных микрофакелов, количество которых определяется количеством воздушных отверстий на поверхности рабочей стенки, что обеспечивает высокий уровень выгорания топлива.
Описанное многогорелочное фронтовое устройство со струйными горелками имеет недостатки, которые обусловлены еще и достаточно высокой потерей полного давления, обусловленной наличием двух последовательно подключенных перфорированных стенок в горелке и подачей воздушных струй под углом к оси камеры сгорания. Кроме того, струйные горелки, как и другие известные конструкции горелок,
имеют круглое поперечное сечение, что не позволяет получить необходимый уровень раскрытия поперечного сечения многогорелочного фронтового устройства.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача усовершенствования многогорелочного фронтового устройства камеры сгорания ГТУ, в котором вследствие применения периферийных горелок с двумя плоскими перфорированными стенками, имеющими в плане лепестковую форму, достигается повышение степени раскрытия поперечного сечения фронтальной конической стенки, благодаря чему уменьшается аэродинамическое и термическое сопротивление камеры сгорания, повышается аэродинамическая и термическая однородность потока, что способствует уменьшению длины факела, достигается снижение эмиссии оксидов азота и оксида углерода, повышается эффективность работы ГТУ.
Поставленная задача решается тем, что в известном многогорелочном фронтовом устройстве камеры сгорания газотурбинной установки (ГТУ), содержащем фронтальную коническую стенку, диаметр которой равен диаметру камеры сгорания, в которой имеются отверстия: одно в центре и шесть на периферии, горелочную секцию, состоящую из центральной конической втулки и периферийного сотового каркаса, которые соединены с торцами отверстий на фронтальной конической стенке, и семь горелок, одна из которых смонтирована в центральной конической втулке, а остальные, состоящие из газовой трубы, двух плоских перфорированных стенок, воздушных трубок и торцевых пластин между ними, установлены в сотах каркаса, а, согласно предложению, периферийные отверстия на фронтальной конической стенке имеют лепестковую форму, ось симметрии которых совпадает с образующей конической фронтальной стенки, а угол между осями симметрии отверстий равен 60°, при этом периферийный сотовый каркас состоит из внешней кольцевой втулки, соединенной с фронтальной конической стенкой, шести симметричных подковообразных вставок, соединенных с торцами периферийных отверстий фронтальной конической стенки и внешней кольцевой втулкой, и вместе образуют посадочные места - соты для периферийных горелок, перфорированные стенки которых имеют лепестковую форму, подобную форме периферийных отверстий на фронтальной конической стенке, а вместе с газовой трубой, воздушными трубками и торцевыми пластинами, соединенными с перфорированными стенками, образуют трубный пучок, междутрубное пространство которого выполняет функцию топливного коллектора для подачи топлива в зону горения через газовые отверстия, расположенные на фронтальной перфорированной стенке, а внутренние каналы воздушных трубок образуют аэродинамическую решетку турбулизатор для подачи воздуха в эту же зону.
2
1
2
1
Особенностью предлагаемого устройства является и то, что воздушные трубки в трубном пучке имеют шахматное размещение, причем существует соотношение между поперечным (t) и продольным (t) шагом трубного пучка в виде t=t·sin(π/3), a топливные отверстия на тыльной стенке горелок размещены по вершинам правильных шестиугольников, причем имеют одинаковое расстояние между смежными топливными отверстиями, расположенными вокруг воздушных трубок, и самих топливных отверстий от центров воздушных каналов.
При этом:
- периферийный сотовый каркас состоит из внешней кольцевой втулки большого диаметра, соединенной с фронтальной конической стенкой, шести симметричных подковообразных вставок, соединенных с торцами периферийных отверстий фронтальной конической стенки и внешней кольцевой втулкой, и вместе образуют посадочные места - соты для монтажа периферийных горелок;
- перфорированные стенки периферийных горелок имеют правильную лепестковую форму, подобную форме периферийных отверстий на фронтальной конической стенке, а вместе с газовой трубой, воздушными трубками и торцевыми пластинами, соединенными с перфорированными стенками, образуют трубный пучок, междутрубное пространство которого выполняет функции топливного коллектора для подачи топлива через газовые отверстия, расположенные на фронтальной перфорированной стенке, которая вместе с каналами воздушных трубок образует аэродинамическую решетку - турбулизатор воздушного потока и интенсификатор горения;
2
1
2
1
1
- воздушные трубки в трубном пучке имеют шахматное размещение, причем соотношение между поперечным (t) и продольным (t) шагом трубного пучка определяется соотношением t=t·sin(π/3), а топливные отверстия на тыльной стенке горелок размещены по вершинам правильных шестиугольников, причем имеют одинаковое расстояние между смежными топливными отверстиями (s), расположенными вокруг воздушных трубок, и самих топливных отверстий от центров воздушных каналов (r), которое равно половине продольного шага (t) трубного пучка.
Выполнение горелочной секции в виде периферийного сотового каркаса, соединенного с фронтальной конической стенкой, и в соты которого свободно вмонтированы периферийные горелки, способствует повышению надежности работы фронтового устройства при переменных режимах эксплуатации камеры сгорания ГТУ, а применение горелок со стенками лепестковой формы позволяет реализовать наиболее
эффективный способ диффузионного горения топлива в направлении реализации микродиффузионного горения, характеризуемого созданием системы локальных факелов, количество которых определяется количеством воздушных каналов, образуемых между перфорированными стенками периферийных горелок, а также применение шахматного компонования воздушных трубок в трубном пучке и газовых отверстий по вершинам правильных шестиугольников вокруг каждого воздушного канала дополнительно обеспечивает повышение надежности работы и энергетических показателей горелки и уменьшения концентрации токсичных компонентов в продуктах сгорания.
Предлагаемое устройство показано на схематических чертежах:
на Фиг.1 - показан общий вид модели многогорелочного фронтового устройства;
на Фиг.2 - продольный разрез периферийной горелки;
на Фиг.3 - вид по стрелке Б на фронтальную часть горелки.
Многогорелочное фронтовое устройство (Фиг.1) имеет фронтальную коническую стенку 1 большого диаметра, которая имеет семь отверстий меньшего диаметра, расположенных симметрично: одно круглого сечения в центре 2, а шесть отверстий 3 лепестковой формы - на периферии, горелочную секцию, состоящую из центральной цилиндрической или конической втулки 4, периферийного сотового каркаса, имеющего внешнее кольцо 5 большего диаметра и шесть подковообразных вставок 6, и семи горелок 7, одна из которых (на схеме не показана) смонтирована в центральной цилиндрической или конической втулке, а другие шесть горелок (Фиг.2 и Фиг.3) свободно установлены в соответствующих сотах каркаса. Каждая из периферийных горелок состоит из газовой трубы 8, двух плоских перфорированных стенок: передней 9 и фронтальной 10, воздушных трубок 11 и девяти торцевых пластин между ними, в том числе (Фиг.3), две из которых криволинейные 12, шесть идентичных плоских 13 и одна 14 корытоподобной формы.
Периферийные отверстия 3 на фронтальной конической стенке имеют правильную лепестковую форму, ось симметрии которых совпадает с образующей конической фронтальной стенки, угол между осями симметрии отверстий (γ) равен 60° (Фиг.1), а периферийный сотовый каркас (Фиг.1) соединен с торцами периферийных отверстий на фронтальной конической стенке и самой фронтальной стенкой и вместе образуют посадочные места - соты для периферийных горелок.
Перфорированные стенки периферийных горелок (Фиг.3) имеют лепестковую форму, подобную форме периферийных отверстий на фронтальной конической стенке, а вместе с газовой трубой 8, воздушными трубками 11 и торцевыми пластинами 12, 13 и 14,
соединенными с перфорированными стенками 9 и 10 (фиг.2), образуют трубный пучок, междутрубное пространство которого 15 выполняет функцию топливного коллектора для подачи топлива в зону горения через газовые отверстия 16, расположенные на фронтальной перфорированной пластине 10, а внутренние каналы воздушных трубок 17 образуют аэродинамическую решетку - турбулизатор потока воздуха и интенсификатор горения.
2
1
2
1
Трубки 11 в трубном пучке (Фиг.3) имеют шахматное размещение, причем существует соотношение между поперечным (t) и продольным (t) шагом трубного пучка в виде t=t·sin(π/3), а топливные отверстия 16 на фронтальной стенке горелок размещены по вершинам правильных шестиугольников (контур a-b-c-d-t-f на Фиг.3) и имеют одинаковое расстояние (s) между смежными топливными отверстиями, расположенными вокруг воздушных трубок 10, и самих топливных отверстий от центров воздушных каналов.
Предлагаемое многогорелочное фронтовое устройство работает следующим образом.
При запуске камеры сгорания ГТУ необходимый для горения воздух подается через все горелки одновременно, а топливо - только на центральную горелку, которая может быть любого типа: регистровая или струйная. После запуска центральной горелки происходит подача топлива на периферийные горелки 6, в которые оно подводится газовой трубой 8 в междутрубное пространство 15, выполняющее функции топливного коллектора, а далее через топливные отверстия 16 на фронтальной стенке происходит подача топлива в зону смесеобразования, где оно смешивается с воздухом, поступающим через воздушные каналы 17. При этом вокруг каждой воздушной струи образуются локальные факелы, совокупность которых определяет общую структуру зоны горения за каждой из периферийных горелок.
При такой схеме включения периферийных горелок от центральной очередной горелки достигается плавный, без термических ударов, запуск камеры сгорания ГТУ.
Применение периферийных горелок лепестковой формы позволяет повысить эффективность использования объема зоны горения, а использование шахматного компонования трубного пучка и циклической схемы размещения топливных отверстий вокруг воздушных трубок позволяет организовать микродиффузионное сжигание топлива в системе однородных локальных факелов, количество которых в каждой периферийной горелке равно количеству воздушных каналов.
Такая система локальных диффузных факелов характеризуется очень высокой устойчивостью и эффективностью горения в широком диапазоне изменений затрат газа.
При такой схеме многогорелочного фронтового устройства камеры сгорания ГТУ решается проблема повышения надежности работы и упрощения технологии его изготовления, достижения высокой энергетической эффективности, соответствия нормативным требованиям в отношении эмиссии токсичных оксидов азота (NOx) и оксида углерода (СО), обеспечения эффективной работы камеры сгорания ГТУ в широком диапазоне изменения излишка окислителя.
Экономическая эффективность полезной модели заключается в уменьшении потерь полного давления и повышении аэродинамической и термической однородности продуктов сгорания перед сопловым аппаратом газовой турбины, что вместе приводит к экономии затрат топлива на собственные потребности при работе многогорелочного фронтовое устройство в составе камер сгорания ГТУ.
Источники информации:
1. Газотурбинные установки. Конструкция и расчет / Справочное пособие под общей редакцией Л.В.Арсеньева и В.Г.Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1978. - 232 с.
2. Vesely S. Prezentace firmy EKOL. - Brno: EKOL, 2004. - 169 s.
3. Струйные горелки / Рекламный проспект. - К.: Облполиграфиздат, 1981. - 4 с.
4. Г.Н.Любчик и др. Разработка и предварительные исследования струйных газогорелочных устройств для многогорелочной камеры сгорания ГТУ / В сб. Энергетическое машиностроение, вып.14. - Харьков: ХГУ. - С.93-100.
5. Христич В.А., Любчик Г.Н. Газогорелочные устройства для сжигания газа при высоких и переменных избытках воздуха. - Г.: ВНИИЭГАЗПРОМ, 1978. - 59 с.