ВИБРОУСТОЙЧИВАЯ МАЛОЭМИССИОННАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Область использования
x
Х
У
Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использована в газотурбинных двигателях (ГТД) типа ГТД-110 стационарной и транспортной энергетики. Одной из главных проблем на пути развития энергетического газотурбостроения является снижение эмиссии токсичных выбросов оксидов азота (NO) и продуктов неполного горения (CO, CH), образующихся в камере сгорания (КС) ГТД.
Уровень техники
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 модульные элементы (МЭ), количество которых находится в пределах 20-22, расположенных по окружности ротора снаружи по отношению к последним ступеням компрессора, причем все МЭ находятся в едином силовом корпусе, с установленным внутри каждого фронтовым устройством (ФУ) с концентрически расположенными цилиндрическими внутренней пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения, по меньшей мере один электрический поджигатель газовоздушной смеси, а также примыкающую к выходу основной горелки жаровую трубу (ЖТ) с пламенным и газоотводным участками, между кожухом ЖТ и ФУ вместе с примыкающими к ним ЖТ предусмотрена кольцевая полость для прохода воздуха, обе - пилотная и основная горелки имеют отдельные кольцевые коллекторы для подвода топлива и отдельные тракты подвода воздуха с установленными в них лопаточными завихрителями воздуха, причем завихритель воздуха основной горелки выполнен с радиальным подводом воздуха, а теплонапряженные участки каждой ЖТ и каждого ФУ оборудованы средствами защиты их стенок от термического воздействия (Новый газотурбинный двигатель мощностью 110 МВт для стационарных энергетических установок / Романов В.И. и др. // Теплоэнергетика. 1992. №9, с. 15-21 [1]) - аналог).
Данной КС присущи следующие недостатки:
- Обе горелки каждого ее ФУ - основная и пилотная являются горелками предварительного смешения. Однако 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 ФУ 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 существенно затрудняет возможность установки в приосевой зоне ФУ форсунок в случае необходимости сжигания резервного жидкого топлива.
- В КС согласно [1] применено так называемое «пленочное» проникающее воздушное охлаждение ЖТ, 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 (ТВС) неблагоприятно влияет на эмиссионные характеристики КС и устойчивость горения из-за нарушения однородности смеси и заданного соотношения топливо - воздух.
Известна КС ГТД, составленная из МЭ, расположенных по окружности концентрично ротору ГТД снаружи по отношению к последним ступеням его компрессора, причем все МЭ помещены в едином силовом корпусе, внутри каждого МЭ установлено ФУ с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения с радиальным лопаточным завихрителем воздуха и системой топливоподвода (СТП) 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 СТП основной горелки разделена сплошными перегородками по меньшей мере на два отсека, к каждому из которых присоединен отдельный подводящий топливопровод (ПТП), оборудованный расходным регулирующим органом, а к ФУ примыкает ЖТ с пламенным и газоотводным участками, причем между всеми МЭ и указанным силовым корпусом предусмотрено свободное пространство для прохода воздуха, а теплонапряженные участки каждой ЖТ и каждого ФУ всех МЭ оборудованы средствами защиты их стенок от термического воздействия, включающими термозащитное покрытие внутренней поверхности и струйное конвективное воздушное наружное охлаждение пламенного участка ЖТ (RU 97479, F23R 3/28, 2010 [2] ближайший аналог). Достигаемым техническим результатом полезной модели [2] является улучшение эмиссионных характеристик КС, повышение эффективности охлаждения ее теплонапряженных участков, а также обеспечение устойчивости горения как в пилотном, так и основном стационарных режимах при высокой полноте сгорания топлива. Вместе с тем, как показали проведенные экспериментальные исследования КС [2], на нестационарных режимах перехода (ление топлива из пилотной горелки в основную) возникает неустойчивость горения (или виброгорение), сопровождающаяся большими амплитудами пульсаций давления в КС. Такие пульсации давления могут приводить к разрушению элементов КС и недопустимы по условиям надежной работы ГТД.
Раскрытие полезной модели
Достигаемым результатом настоящей полезной модели является устойчивая, безвибрационная работа КС на всех режимах, включая перевод топлива с пилотной на основную горелку при высокой полноте сгорания топлива и высоких эмиссионных характеристиках КС на стационарных режимах. Это обеспечивается тем, что в КС ГТД, составленной из МЭ, расположенных по окружности концентрично ротору ГТД снаружи по отношению к последним ступеням его компрессора, причем все МЭ помещены в едином силовом корпусе, внутри каждого МЭ установлено ФУ с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой и внешней основной горелкой предварительного смешения с радиальным лопаточным завихрителем воздуха и системой топливоподвода (СТП) 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 СТП основной горелки разделена сплошными перегородками по меньшей мере на два отсека, к каждому из которых присоединен отдельный подводящий топливопровод (ПТП), оборудованный расходным регулирующим органом, а к ФУ примыкает ЖТ с пламенным и газоотводным участками, причем между всеми МЭ и указанным силовым корпусом предусмотрено свободное межмодульное пространство для прохода воздуха, а теплонапряженные участки каждой ЖТ и каждого ФУ всех МЭ оборудованы средствами защиты их стенок от термического воздействия, включающими термозащитное покрытие внутренней поверхности и струйное конвективное воздушное наружное охлаждение пламенного участка ЖТ, согласно полезной модели основная горелка ФУ каждого МЭ снабжена дополнительной автономной СТП со своим кольцевым коллектором, разделенным сплошными перегородками на отсеки и с отдельным для каждого отсека ПТП, оборудованным расходным регулирующим органом, причем указанный кольцевой коллектор концентрически расположен по отношению к кольцевому коллектору основной СТП, 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 ТВС по высоте поперечного сечения на выходе канала предварительного смешения основной горелки.
При этом кольцевой коллектор дополнительной СТП основной горелки может быть выполнен в виде полости внутри ее корпуса, распределительные каналы дополнительной СТП внутри каждой лопатки завихрителя воздуха разнесены по ширине указанной лопатки относительно распределительных каналов основной системы, а выпускные каналы дополнительной СТП по длине указанной лопатки расположены в дальней по отношению к своему кольцевому коллектору половине соответствующего распределительного канала. Кольцевой коллектор дополнительной СТП основной горелки может быть выполнен сплошным и вынесен за пределы корпуса горелки, а подключенные к нему распределительные каналы также могут быть выполнены сплошными, помещены в межлопаточных полостях завихрителя воздуха и снабжены выпускными отверстиями, расположенными в дальней по отношению к своему кольцевому коллектору половине соответствующего распределительного канала.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками полезной модели и указанным техническим результатом заключается в следующем. В ходе экспериментальных исследований было установлено влияние распределения концентрации топлива в ТВС по высоте поперечного сечения на выходе из канала предварительного смешения основной горелки на устойчивость горения при переходе с пилотного на основной режим работы КС. Оказалось, что в этот относительно краткосрочный период (менее 1 минуты) для предотвращения пульсаций и вибрационного характера горения необходимо поддерживать повышенную концентрацию топлива в верхней части поперечного сечения выходного канала основной горелки, куда плохо доходит поджигающее ТВС пламя расположенной ниже пилотной горелки. При этом на короткое время ухудшаются эмиссионные характеристики КС. После перехода на стационарный режим эти характеристики можно восстановить путем создания равномерного поля концентраций топлива в ТВС по всей высоте выходного канала основной горелки. Наличие дополнительной СТП с независимым регулированием подачи топлива в основную и дополнительную СТП с описанными выше конструктивными особенностями позволяет экспериментальным путем добиться нужного характера распределения концентрации топлива в ТВС на выходе основной горелки, обеспечивая тем самым получение отмеченного выше технического результата.
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 изображен общий вид ГТД с КС согласно полезной модели; на фиг. 2 - модульный элемент указанной КС в продольном разрезе; на фиг. 3 - узел А фиг. 2 с изображением в более крупном масштабе основной горелки с кольцевыми коллекторами основной и дополнительной ТПС, выполненными в виде полостей в ее корпусе; на фиг. 4 - поперечный разрез по Б-Б фиг. 3; на фиг. 5 - другой конструктивный вариант основной горелки с выносными сплошными кольцевым коллектором и распределительными каналами дополнительной СТП.
Перечень условных обозначений
ГТД - газотурбинный двигатель.
ЖТ - жаровая труба.
КС - камера сгорания.
МЭ - модульный элемент.
ПТП - подводящий топливопровод.
СТП - система топливоподвода.
ТВС- топливовоздушная смесь.
ФУ - фронтовое устройство.
Перечень позиций чертежа
1 - ротор ГТД; 2 - компрессор ГТД; 3 - турбина ГТД; 4 - КС ГТД; 5 - силовой корпус КС; 6 - ФУ модульного элемента; 7 - диффузионная пилотная горелка; 8 - основная горелка предварительного смешения; 8.1 - корпус основной горелки; 9 - радиальный лопаточный завихритель основной горелки; 9.1 - лопатка радиального завихрителя основной горелки; 10.1,10.2 - кольцевые коллекторы соответственно основной и дополнительной СТП в основную горелку при их расположении внутри ее корпуса; 10.3 - кольцевой коллектор дополнительной СТП в основную горелку при его расположении вне ее корпуса; 11.1, 11.2 - распределительные каналы основной и дополнительной СТП при их расположении соответственно внутри корпуса горелки и внутри лопаток завихрителя воздуха; 11.3 - распределительные каналы дополнительной СТП при их расположении в межлопаточных полостях завихрителя воздуха; 12.1, 12.2 - выпускные каналы основной и дополнительной СТП при их расположении внутри лопаток завихрителя воздуха; 12.3 - выпускные отверстия из распределительных каналов дополнительной СТП при расположении последних в межлопаточных полостях завихрителя воздуха; 13.1, 13.2 - ПТП к основной и дополнительной СТП основной горелки; 14 - ЖТ; 14.1, 14.2 - пламенный и газоотводной участки ЖТ; 15 - кольцевая полость между силовым корпусом и МЭ для прохода воздуха; 16 - отверстия в ЖТ для подачи части воздуха на разбавление продуктов сгорания.
Подробное описание полезной модели
ГТД (фиг. 1) содержит секционированный ротор 1 с компрессором 2, турбиной 3 и окружающую ротор 1 КС 4. Последняя содержит в данном примере двадцать МЭ, равномерно расположенных по окружности концентрично ротору 1 снаружи по отношению к последним ступеням компрессора 2 (фиг. 2). Все МЭ помещены в едином силовом корпусе 5. Внутри каждого МЭ установлено ФУ 6 с концентрически расположенными внутренней диффузионной пилотной горелкой 7 и внешней основной горелкой 8 предварительного смешения (фиг. 3, 5). Последняя оборудована радиальным лопаточным завихрителем 9 воздуха с лопатками 9.1 (фиг. 4) и двумя - основной и дополнительной СТП. Основная СТП включает в себя кольцевой коллектор 10.1 (фиг. 3), выполненный в виде полости внутри корпуса 8.1 основной горелки 8, и подключенные к коллектору 10.1 распределительные каналы 11.1 по числу лопаток 9.1 завихрителя 9 воздуха. Каждый распределительный канал 11.1 расположен по длине внутри одной из лопаток 9.1 (фиг. 3, 4), а к каждому из распределительных каналов 11.1 подключены равномерно расположенные по длине лопатки 9.1 выпускные каналы 12.1 из каждой лопатки 9.1 в соответствующую межлопаточную полость. К коллекторам 10.1, 10.2 со стороны подачи топлива подключены ПТП соответственно 13.1 и 13.2 (фиг. 2), на каждом из которых установлен расходный регулирующий орган в виде запорно-регулирующего клапана (на чертеже не показаны). Полость кольцевого коллектора 10.1, как и в ближайшем аналоге [2], разделена сплошными перегородками на два отсека (на чертеже не показано), к каждому из которых присоединен отдельный ПТП, оборудованный расходным регулирующим органом (не показано). К ФУ 6 примыкает ЖТ 14 с пламенным и газоотводным участками соответственно 14.1,14.2, причем между всеми МЭ и силовым корпусом 5 предусмотрена межмодульная полость 15 для прохода воздуха. Теплонапряженные участки каждой ЖТ 14 и каждого ФУ 6 всех МЭ оборудованы не показанными на чертеже известными из [2] средствами защиты их стенок от термического воздействия, включающими термозащитное покрытие внутренней поверхности и струйное конвективное воздушное наружное охлаждение пламенного участка 14.1 ЖТ 14. Согласно полезной модели основная горелка 8 каждого МЭ снабжена дополнительной автономной СТП со своим кольцевым коллектором 10.2 (фиг. 3) или 10.3 (фиг. 5), так же, как коллектор 10.1, разделенным сплошными перегородками на отсеки, и с отдельным для каждого отсека ПТП, оборудованным расходным регулирующим органом (не показаны), причем кольцевой коллектор 10.2 концентрически расположен по отношению к кольцевому коллектору 10.1 основной СТП (фиг. 3). К коллектору 10.2 подключены распределительные каналы 11.2, к которым присоединены выпускные каналы 12.2 с другим количеством и расположением, по сравнению с основной СТП, по отношению к распределительным каналам 11.2. В частности, выпускные каналы 12.2 расположены не равномерно по всей длине своего распределительного канала 11.2, а в его дальней половине и во вдвое меньшем количестве, по сравнению с выпускными каналами 12.1 основной СТП. При этом кольцевой коллектор дополнительной СТП основной горелки 8 может быть выполнен в виде полости 10.2 (фиг. 3) внутри ее корпуса 8.1, а распределительные каналы 11.2 внутри каждой лопатки 9.1 завихрителя 9 воздуха - разнесены по ширине указанной лопатки относительно распределительных каналов 11.1 основной ПТП (фиг. 4). По другому конструктивному варианту кольцевой коллектор 10.3 дополнительной СТП может быть выполнен сплошным и вынесен за пределы корпуса 8.1 основной горелки 8 (фиг. 5), а подключенные к нему распределительные каналы 11.3 также выполнены сплошными, помещены в межлопаточных полостях завихрителя 9 воздуха и снабжены выпускными не каналами, а отверстиями 12.3, расположенными в дальней по отношению к своему кольцевому коллектору 10.3 половине распределительного канала 11.3. К коллекторам 10.1, 10.2 или 10.3 со стороны подачи топлива подключены ПТП соответственно 13.1 и 13.2 (фиг. 2), на каждом из которых установлен расходный регулирующий орган в виде запорно-регулирующего клапана (не показаны). Чтобы не затемнять чертеж, на нем не показаны также ПТП ко всем отсекам указанных кольцевых коллекторов. К выходу основной горелки 8 каждого ФУ примыкает ЖТ 14 (фиг. 2) с пламенным участком 14.1 и газоотводным участком 14.2. Между силовым корпусом 5 и всеми МЭ КС 4 предусмотрено свободное межмодульное пространство 15 (фиг. 2) для подвода в КС 4 от компрессора 2 (фиг. 1) сжатого воздуха. Теплонапряженные участки каждой ЖТ 14 оборудованы известными из [2] средствами защиты их стенок от термического воздействия, включающими термозащитное покрытие внутренней поверхности и струйное конвективное воздушное наружное охлаждение пламенного участка 14.1 ЖТ 14 сжатым воздухом, поступающим из межмодульного пространства 15. В выходной части стенки пламенного участка 14.1 ЖТ 14 предусмотрены сквозные отверстия 16 (фиг. 2) для подачи части воздуха из межмодульного пространства 15 на разбавление продуктов сгорания топлива для охлаждения их до температуры, безопасной по условиям работы газовой турбины 3 (фиг. 1).
Описание работы ГТД с КС согласно полезной модели
ГТД с КС 4 согласно полезной модели работает следующим образом. Для запуска ГТД ротор 1 с компрессором 2 и турбиной 3 приводят во вращение от внешнего пускового привода (на чертеже не показан) с тем, чтобы в КС 4 начал поступать воздух, после чего открывают подачу газообразного или жидкого топлива на пилотную горелку 7 и включают электрические поджигатели. После выхода ГТД на номинальную частоту вращения синхронизации электрического генератора (на чертеже не показан), его включения в сеть и набора установленного уровня нагрузки осуществляют перераспределение газообразного топлива из пилотной горелки 7 в основную горелку 8 первоначально через ПТП 13.2 дополнительной СТП с предварительно экспериментально подобранным положением установленного на нем расходного регулирующего органа, исключающим возникновение пульсационного или вибрационного характера горения на выходе из горелки 8. После выхода на стационарный режим, определяемый при наладке работы ГТД по времени от начала запуска основной горелки 8 (обычно - не более 1 минуты) ПТП 13.2 дополнительной СТП отключают полностью или регулируют подачу топлива в основную горелку 8 совместно основной и дополнительной СТП, исходя из показаний по измерению эмиссионных характеристик выхлопных газов ГТД.