КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С ВЫНОСНЫМИ ЖАРОВЫМИ ТРУБАМИ И МАЛОЭМИССИОННЫМ ГОРЕЛОЧНЫМ УСТРОЙСТВОМ
COMBUSTION CHAMBER OF GAS-TURBINE PLANT WITH EXTERNAL FLAME TUBES AND LOW-EMISSION BURNER DEVICE

Изобретение относится к устройствам для сжигания топливного газа в камерах сгорания газотурбинной установки (ГТУ), используемых с целью обеспечения низкой эмиссии вредных веществ в выхлопных газах двигателя. Применение малоэмиссионного горелочного устройства в камерах сгорания ГТУ позволяет обеспечивать жесткие экологические требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.
С целью выполнения современных и перспективных экологических требований по эмиссии выхлопных газов ГТУ разрабатываются малоэмиссионные системы горения, обеспечивающие сжигание бедной гомогенной (предварительно хорошо перемешанной) топливовоздушной смеси при температуре пламени не выше 1850К. В этом случае рабочий процесс горения реализуется, как показывает практика эксплуатации, в камерах сгорания с двухконтурными горелками, содержащими дежурную и основную зоны горения, а также каскадное (групповое) подключение горелок при строго дозированной подаче топлива в горелки по специальной программе в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя и условий окружающей среды.
Ближайшими аналогами заявляемого изобретения является патент на изобретение RU №2468295 от 22.05.2009 F23R 3/14, где устройство сгорания содержит жаровую трубу и горелку с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, а также патент №2310086, 13.02.2006, МПК F02C 3/14, описывающий конструкцию выносной камеры сгорания, содержащую силовой корпус, в стенке которого выполнены отверстия, окантованные фланцами, к которым присоединены кожухи с расположенными внутри них жаровыми трубами, соединенными с газосборниками. По способу розжига и регулирования топливоподачи близким аналогом является патент RU №2258822 от 27.11.2003.
В отличие от указанных аналогов заявленный технический результат в предлагаемой выносной жаровой трубе с малоэмиссионным горелочным устройством достигается с помощью введения в конструкцию головной части жаровой трубы требуемого из условий организации рабочего процесса горения количества двухконтурных горелок с каналами раздельного подвода топлива в дежурную зону в виде центрального тела с отверстиями для подачи топлива и воздуха в основную зону в виде кольцевого канала с завихрителем, на лопатках которого располагаются отверстия подачи топлива в закрученный поток воздуха. При этом малоэмиссионное горелочное устройство с двухконтурными горелками крепится к каждой отдельной секции камеры сгорания. Топливоподача осуществляется через три отдельных коллектора, расположенных на каждой секции жаровой трубы, а розжиг и регулирование выполняется одним дозатором расхода топлива и системой клапанов.
Прямым аналогом указанной двухконтурной горелки служит малоэмиссионная горелка в соответствии с патентом №2442932 от 20.02.2012F34. Отличия используемых двухконтурных горелок в предлагаемом горелочном устройстве заключаются в следующем:
- уменьшена относительная величина попутного уступа-турбулизатора на входе в наружный контур горелки до 10%;
- снижен расход воздуха через наружный контур в основную зону горения за счет высоты наружного канала и уменьшения наружного диаметра горелки;
- уменьшена длина и диаметр камеры смешения за срезом центрального сечения.
Кроме того, в связи с освоением новой передовой технологии изготовления горелок селективным лазерным сплавлением, имеют место следующие дополнительные отличительные признаки:
- изменено конструктивное выполнение самой горелки, характеризуемое наличием лишь 3-х деталей (вместо 6-ти в аналоге) - корпуса, включающего входное устройство с реданом и завихрителем; плохообтекаемое центральное тело с отверстиями подачи воздуха и топлива в дежурную зону, выращиваемых как единое целое по аддитивной технологии; штока подвода топлива и камеры смешения;
- отверстия и каналы подачи топлива основной зоны, каналы подачи топлива дежурной зоны имеют вместо круглой формы каплеобразную форму (из-за особенностей ЗД печати при выращивании);
- ребра воздушного канала дежурной зоны выполнены под углом 45° к оси горелки.
Конструктивные отличия предлагаемого горелочного устройства от горелок патента RU №2258822 заключаются в следующем:
- камера сгорания по патенту RU №2258822 содержит отдельный набор (тип) горелок с предварительным смешением для организации дежурной и отдельный набор горелок основной зоны горения, расположенных в два яруса (наружном и внутреннем);
- в предлагаемом горелочном устройстве содержится один тип двухконтурных горелок предварительного смешения, обеспечивающих работу дежурной и основной зоны горения без ярусного расположения их во фронтовом устройстве жаровой тубы.
Отличия в способе розжига и топливоподачи при наборе мощности ГТУ заключаются в следующем:
В патенте RU №2258822:
1. Запуск осуществляется подачей топлива в дежурную горелку наружного яруса. Выход на режим малого газа - дополнительная подача топлива в дежурные горелки внутреннего яруса;
2. При выходе на режим холостого хода осуществляется подача топлива в горелки основной зоны горения;
3. На номинальном режиме максимальный расход топлива подается в горелки основной зоны при снижении расхода топлива через дежурную зону;
4. В системе топливо-регулирования используются 3 дозатора.
В предлагаемой конструкции для управления мощностью и поддержания требуемой частоты вращения используется один дозатор управления стационарный (ДУС) с 3-мя регулировочными клапанами и байпасной дроссельной шайбой, обеспечивающей постоянный необходимый расход топлива в дежурную зону, либо 3-мя ДУС и байпасной дроссельной шайбой,. Горелочное устройство выносной жаровой трубы камеры сгорания, содержащее двухконтурные горелки с дежурной и основной зонами горения и 3 коллектора системы топливоподачи, обеспечивают розжиг при подаче топлива только в дежурную зону и каскадное (групповое) подключение горелок с целью снижения эмиссии вредных веществ продуктов сгорания на промежуточных и основных режимах работы ГТУ.
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.
На фиг. 1 представлен общий вид выносной жаровой трубы с малоэмиссионным горелочным устройством с коллекторами подвода топлива в дежурную и основную зоны горения, где показано расположение основных элементов конструкции.
Каждая выносная жаровая труба камеры сгорания ГТУ состоит из следующих основных элементов:
- коллектор дежурного контура (1);
- коллектор основного контура 2а (2);
- коллектор основного контура 2б (3);
- малоэмиссионное горелочное устройство (5) с двухконтурными горелками;
- труба жаровая (пламенная) (7);
- наружный кожух (6);
- воспламенитель (зажигающее устройство) (4).
Двухконтурная горелка (фиг. 2) содержит корпус горелки с завихрителем и центральным телом (9); завихритель с полыми лопатками (18) и попутный уступ-турбулизатор (16), расположенный на наружном диаметре воздушного канала на входе перед лопатками завихрителя; шток (8) с каналами (12) и (13) подвода топлива в основную и дежурную зоны соответственно и с отверстиями (17) подачи топлива из кольцевого коллектора (14) в основную зону горения; плохообтекаемое центральное тело (19), являющееся продолжением завихрителя, с отверстиями (21) подачи воздуха в дежурную зону горения и отверстиями (11) подачи топлива в дежурную зону из кольцевого коллектора (15) через центральный канал (20). Плохообтекаемое тело, используемое в данной горелке в качестве стабилизатора пламени, представляет собой цилиндр, переходящий в усеченный конус с углом образующей 5…7° и соотношением диаметра основания конуса к диаметру цилиндра равным 1,35…1,45. На фиг. 3 показан состав деталей, определяющих конструкцию горелки, где (9) - корпус горелки с завихрителем и центральным телом, изготавливаемый как единая деталь по аддитивной технологии, а шток (8) и элемент камеры смешения (10), изготавливаемые механическим способом.
Выносные жаровые трубы камеры сгорания ГТУ работают следующим образом.
Для подачи топлива по специальной программе с целью управления мощностью и поддержания требуемой частоты вращения ротора с учетом климатических условий и теплового состояния ГТУ используются дозаторы топливоподачи, регулировочные клапаны и дроссельные шайбы. Схема топливоподачи каждой секции выносной жаровой трубы, в которой установлены в качестве примера возможного варианта конструкции двухконтурные горелки в количестве 6 штук (частный случай), представлена на фиг. 4.
Работа камеры сгорания с выносными жаровыми трубами ГТУ, оснащенными малоэмиссионными горелочными устройствами, осуществляется следующим образом.
При запуске и раскрутке ротора от общего коллектора дежурной зоны ГТУ топливо подается в дежурный коллектор каждой секции выносной жаровой трубы и дежурный контур всех горелок. Разжигается дежурная зона, назначение которой - поддержка горения гомогенной топливовоздушной смеси основной зоны горения. Горение дежурного топлива происходит диффузионно в обратных токах за центральным телом (19) в закрученной струе воздуха.
По завершении запуска на этапе разгона ротора на выбранной промежуточной частоте вращения в работу включается топливный дозатор, регулирующий подачу топлива в 2а контур основной зоны, состоящий из 3-х горелок и снижающий расход топлива в дежурный контур. При этом топливо через большое число мелких отверстий (17) в стенках полых лопаток (18) впрыскивается в поток воздуха, обтекая попутный уступ-турбулизатор (16). Образуется бедная однородная топливовоздушная смесь основной зоны, выходящая из горелки в виде кольцевой закрученной струи.
Выход на режим холостого хода выполняется при требуемом расходе топлива, подаваемого в основной 2а (либо 2б) контур (работа 3-х горелок одной секции) и дежурный контур всех 6 горелок одной секции. При выбранной частичной нагрузке подключается в работу 2б (либо 2а) контур, т.е. работают все 6 горелок одной секции. Выход на номинальный режим осуществляется при работе 2а и 2б контуров и минимальном постоянном расходе топлива через дежурный контур. Настройка совместной работы клапанов, регулирующих дозировку топлива по контурам 2а и 2б, должна производиться по специальной программе, обеспечивающей приемлемый уровень температур горения и минимально возможные выбросы NOx и СО.
Горение топливовоздушной смеси основного контура в закрученной струе обеспечивается при подводе тепла от горящего дежурного топлива, а также в следе за центральным телом, совместно с дежурным топливом и возвратными продуктами горения. В результате взаимного поддерживающего горения двух зон, обеспечивается устойчивое горение во всем рабочем диапазоне. На номинальном режиме работы двигателя топливовоздушная смесь основного контура сгорает практически без тепловой поддержки дежурной зоны, а уменьшение расхода топлива в дежурную зону обеспечивает минимальный уровень выбросов оксидов азота.