Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинной установки и способ его работы
FRONT DEVICE OF THE ANNULAR COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE INSTALLATION AND THE METHOD FOR ITS OPERATION

Группа изобретений относится к области газовых турбин, а именно к конструкции фронтового устройства камер сгорания газотурбинных установок (ГТУ) и способу его работы.
Фронтовое устройство камер сгорания служит для подготовки и подачи топливовоздушной смеси в зону горения камер сгорания и в значительной степени определяет экологические характеристики камер сгорания ГТУ.
Из известных фронтовых устройств наиболее близким к предложенному является известное из US 4100733, 18.07.1978 фронтовое устройство, содержащее наружную, внутреннюю стенки, а также переднюю, разделительную и огневую стенки, установленные параллельно друг другу и образующие между собой топливную и воздушные полости, и горелочные устройства, закрепленные на передней, разделительной и огневой стенках, при этом наружная стенка фронтового устройства с наружной стенкой корпуса камеры сгорания образует наружный кольцевой канал, а внутренняя стенка фронтового устройства с внутренней стенкой корпуса камеры сгорания образует внутренний кольцевой канал. Такое фронтовое устройство обеспечивает подготовку «бедной» топливовоздушной смеси, сжигание которой дает низкий уровень выбросов оксидов азота NOx окиси углерода СО.
Наиболее близким аналогом предложенного способа работы фронтового устройства камеры сгорания является известный из US 4100733, 18.07.1978 способ, включающий подготовку и подачу топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Согласно известному способу «бедное» газообразное топливо направляют в наружную секцию фронтового устройства камеры сгорания, а оттуда в горелочные устройства 1 и 2 ярусов, в которых топливо смешивают с проходящим через них воздухом. Полученную топливовоздушную смесь направляют из горелочных устройств в зону горения камеры сгорания, где осуществляют ее сжигание. Соотношение топливо/воздух в топливовоздушной смеси, выходящей из горелочных устройств, все время сохраняется достаточным для поддержания устойчивого горения. По мере увеличения мощности установки газообразное топливо подают во внутреннюю секцию фронтового устройства камеры сгорания, а оттуда в 3 и 4 яруса горелочных устройств и далее в зону горения камеры сгорания. Однако на всех уровнях мощности топливо подают из наружной секции камеры в количестве, обеспечивающем локальное соотношение топливо/воздух в смеси, выпускаемой из горелочных устройств 1 и 2 ярусов, достаточное для поддержания устойчивого горения.
Недостатками известного фронтового устройства и способа его работы является использование одноканальных горелочных устройств без закрутки воздушного потока, расположенных на четырех ярусах. Четыре яруса горелочных устройств разделены на две секции по два яруса горелок в каждой секции. Такое большое число ярусов увеличивает диаметральный размер миделевого сечения фронтового устройства и, следовательно, увеличивает объем камеры сгорания. Увеличение габаритов камеры сгорания приводит к росту ее массы и материалоемкости. Увеличение размеров и массы камеры сгорания часто требует существенного изменения конструктивной схемы газотурбинной установки.
Способ работы фронтового устройства с наружной и внутренней секциями позволяет организовать ступенчатое горение на режимах малой и номинальной мощности установки. При этом на режиме малой мощности воздух, поступающий во внутреннюю секцию, участвует в процессе горения частично, что снижает эффективность горения камеры сгорания. Кроме того, одноканальные горелочные устройства без закрутки воздушного потока не обеспечивают надежного запуска и широкого диапазона устойчивого горения камеры сгорания ГТУ. Это связано с тем, что при постоянной геометрии отверстий для подвода топлива в горелочные устройства не достигаются оптимальные характеристики распыла топлива на режимах запуска, минимальной и номинальной мощности. Кроме того, одноканальные горелочные устройства без закрутки потока не обеспечивают эффективного смешения топлива с воздухом, а, следовательно, не позволяет значительно снизить концентрацию оксидов азота NOx и окиси углерода СО.
Техническим результатом, достигаемым при реализации предложенной группы изобретений, является снижение содержания вредных выбросов оксидов азота NOx и окиси углерода СО в продуктах сгорания ГТУ, путем улучшения смешения топлива с воздухом и организации горения «бедной» по составу топливовоздушной смеси, улучшение запуска и расширение диапазона устойчивого горения камер сгорания ГТУ, а также уменьшение размера миделевого сечения фронтового устройства и объема камеры сгорания и использование воздуха, охлаждающего огневую стенку, для подачи в горелочные устройства и создания «бедной» топливовоздушной смеси.
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в известном фронтовом устройстве кольцевой камеры сгорания газотурбинной установки, включающем наружную, внутреннюю стенки, а также переднюю, разделительную и огневую стенки, установленные параллельно друг другу и образующие между собой топливную и воздушную полости и горелочные устройства, закрепленные на передней, разделительной и огневой стенках, при этом наружная стенка фронтового устройства с наружной стенкой корпуса камеры сгорания образует наружный кольцевой канал, а внутренняя стенка фронтового устройства с внутренней стенкой корпуса камеры сгорания образует внутренний кольцевой канал, согласно предложению огневая стенка выполнена в форме усеченного конуса, а в наружной и внутренней стенках закреплены втулки в количестве не менее 1 ряда на каждой стенке и направленные по нормали к конической поверхности огневой стенки, горелочные устройства расположены на наружном и внутреннем ярусах, при этом каждое горелочное устройство включает воздушный канал, снабженный осевым воздушным лопаточным завихрителем и соплом на выходе, при этом внутри воздушного канала коаксиально размещена топливная форсунка, а снаружи воздушного канала расположен топливовоздушный канал, снабженный на входе осевым воздушным лопаточным завихрителем, на втулке которого выполнены радиальные топливоподводящие отверстия, при этом снаружи топливовоздушного канала расположен наружный канал, снабженный осевыми топливопитающими отверстиями и отверстиями для подвода воздуха на входе в наружный канал, при этом выход наружного канала соединен с выходом топливовоздушного канала отверстиями, фронтовое устройство снабжено тремя топливными коллекторами, при этом два топливных коллектора расположены на входе во внутренний кольцевой канал камеры сгорания и закреплены к передней стенке фронтового устройства и соединены трубками с топливными форсунками, при этом к разделительной и наружной стенкам фронтового устройства прикреплены обечайки, а полость между обечайками образует третий топливный коллектор, который сообщен с полостью между передней и разделительными стенками через радиальные отверстия в разделительной стенке, при этом полость между передней и разделительной стенками в свою очередь сообщена с радиальными топливоподводящими отверстиями на втулке осевого воздушного лопаточного завихрителя топливовоздушного канала и осевыми топливопитающими отверстиями наружного канала. На огневой стенке выполнены перфорационные отверстия. Втулки имеют входной торец, расположенный под углом к оси втулки. Горелочные устройства наружного и внутреннего ярусов в поперечном направлении смещены относительно друг друга на / шага.
Указанный технический результат достигается также тем, что в известном способе работы фронтового устройства, включающем подготовку и подачу топливовоздушной смеси в камеру сгорания, согласно предложению из первого и второго топливных коллекторов топливо подают к топливным форсункам горелочных устройств наружного и внутреннего ярусов соответственно и смешивают с воздухом, поступающим через осевой воздушный лопаточный завихритель воздушного канала и полученную топливовоздушную смесь подают в дежурную зону горения камеры сгорания, а из третьего топливного коллектора топливо подают через радиальные отверстия в разделительной стенке в полость между передней и разделительной стенками, из которой топливо через радиальные топливоподводящие отверстия на втулке осевого воздушного лопаточного завихрителя топливовоздушного канала подают в межлопаточные каналы осевого воздушного лопаточного завихрителя топливовоздушного канала, где смешивают с воздухом, поступающим в топливовоздушный канал горелочных устройств из диффузора камеры сгорания, а через осевые топливопитающие отверстия наружного канала топливо из полости между передней и разделительной стенкой подают в наружный канал горелочного устройства, где смешивают с воздухом, поступающим из наружного и внутреннего кольцевого каналов камеры сгорания через втулки, охлаждают коническую поверхность огневой стенки фронтового устройства, и далее из полости, образованной разделительной и огневой стенками, подают через отверстия для подвода воздуха на входе в наружный канал горелочных устройств, откуда топливовоздушную смесь через отверстия на выходе из наружного канала подают в топливовоздушный канал горелочных устройств, из которого топливовоздушную смесь подают в зону основного горения камеры сгорания.
Огневая стенка в форме усеченного конуса имеет более высокую прочность по сравнению с плоской стенкой. Кроме того, коническая форма стенки позволяет реализовать наиболее удачное компоновочное решение и сформировать воздушную полость между огневой и разделительной стенками, а также закрепить на наружной и внутренней стенках фронтового устройства втулки, направленные по нормали к конической поверхности огневой стенки, что позволяет эффективно охлаждать коническую поверхность огневой стенки путем «ударного» натекания струй воздуха из наружного и внутреннего кольцевых каналов, а далее использовать охлаждающий воздух в подготовке топливовоздушной смеси в наружном канале горелочных устройств.
Втулки с плоским торцем, расположенные под углом к оси втулки, позволяют использовать полный скоростной напор воздуха и таким образом повысить эффективность охлаждения стенки.
Перфорационные отверстия на огневой стенке создают воздушную пелену, которая защищает стенку от горячих газов и предупреждает от перегрев и прогара стенки. Кроме того, перфорация снижает пульсацию давления воздуха при горении на «бедных» смесях и расширяет диапазон устойчивого горения камеры сгорания.
1
2
Расположение горелочных устройств на двух ярусах позволяет эффективно использовать поперечное сечение фронтового устройства для подготовки и подачи «бедной» топливовоздушной смеси в зоны горения камеры сгорания. Максимальный эффект использования поперечного пространства фронтового устройства достигается при смещенных относительно друг друга на / шага горелок («шахматное» расположение горелок).
Эффективная подготовка «бедной» топливовоздушной смеси и ее сжигание приводит к значительному снижению вредных выбросов оксидов азота NOx и окиси углерода СО. Уменьшение миделевого сечения фронтового устройства приводит к уменьшению объема камеры сгорания и дополнительному снижению вредных выбросов оксидов азота из-за уменьшения времени пребывания в зоне высоких температур. Кроме того, уменьшение диаметральных размеров и объема камеры дает снижение массы и материалоемкости камеры сгорания.
Воздушный канал с осевым воздушным лопаточным завихрителем с коаксиально размещенной топливной форсункой подает закрученный топливовоздушный поток в дежурную зону горения и обеспечивает надежный запуск и поддерживает устойчивое горение «бедной» топливовоздушной смеси основной зоны горения.
Подвод струй топливовоздушной смеси из наружного в топливовоздушный канал дополнительно увеличивает устойчивость горения за счет стабилизации горения на струях.
Трехколлекторная система подачи топлива в горелочные устройства позволяет обеспечить оптимальные составы топливовоздушных смесей во всем диапазоне работы установки от режима запуска до режима номинальной мощности установки. Запуск осуществляется на 1 коллекторе, режим минимальной мощности на 1 и 2 коллекторах, а основные рабочие режимы на 1, 2, 3 коллекторах. Оптимальный состав топливовоздушной смеси и предварительная подготовка гомогенной (однородной) топливовоздушной смеси позволяет достичь низкие значения вредных выбросов оксидов азота NOx и окиси углерода СО.
На фиг. 1 изображен продольный разрез фронтового устройства кольцевой камеры сгорания.
На фиг. 2 изображено расположение перфорации на огневой стенке фронтового устройства.
На фиг. 3 изображено укрупненное изображение втулки, имеющей входной торец, расположенный под углом к оси втулки.
На фиг. 4 изображено шахматное расположение горелочных устройств.
Фронтовое устройство 1 кольцевой камеры сгорания газотурбинной установки содержит наружную 2, внутреннюю 3 стенки, а также переднюю 4, разделительную 5 и огневую 6 стенки, установленные параллельно друг другу и образующие между собой топливную 7 и воздушную 8 полости и горелочные устройства 9, закрепленные на передней 4, разделительной 5 и огневой 6 стенках, при этом наружная стенка 2 фронтового устройства 1 с наружной стенкой 10 корпуса 11 камеры сгорания образует наружный кольцевой канал 12, а внутренняя стенка 3 фронтового устройства 1 с внутренней стенкой 13 корпуса 11 камеры сгорания образует внутренний кольцевой канал 14, огневая стенка 6 выполнена в форме усеченного конуса, а на наружной 2 и внутренней 3 стенках закреплены втулки 15, направленные по нормали к конической поверхности огневой 6 стенки, горелочные устройства 9 расположены на наружном 16 и внутреннем 17 ярусах, при этом горелочные устройства 9 включают воздушный канал 18, снабженный на входе осевым воздушным лопаточным завихрителем 19 и соплом 20 на выходе, при этом внутри воздушного канала 18 коаксиально размещена топливная форсунка 21, а снаружи воздушного канала 18 расположен топливовоздушный канал 22, снабженный на входе осевым воздушным лопаточным завихрителем 23, на втулке 24 которого выполнены радиальные топливоподводящие отверстия 25, при этом снаружи топливовоздушного канала 22 расположен наружный канал 26, снабженный осевыми топливопитающими отверстиями 27 и отверстиями 28 для подвода воздуха на входе в наружный канал 26, при этом выход наружного канала 26 соединен с выходом топливовоздушного канала 22 отверстиями 29.
Фронтовое устройство 1 снабжено тремя топливными коллекторами 30, 31 и 32, при этом два топливных коллектора 30, 31 расположены на входе в воздушный кольцевой канал 14 камеры сгорания и закреплены к передней стенке 4 фронтового устройства 1 и соединены трубками 33 с топливными форсунками 21, при этом к разделительной 5 и наружной 2 стенкам фронтового устройства 1 прикреплены обечайками 34, 35, а полость 36 между обечайками  образует третий топливный коллектор 32, который сообщен с полостью 7 между передней 4 и разделительной 5 стенками через радиальные отверстия 37 в разделительной стенке 5, при этом полость 7 между передней 4 и разделительной 5 стенками в свою очередь сообщена с радиальными топливопитающими отверстиями 25 на втулке 24 осевого воздушного лопаточного завихрителя 23 топливовоздушного канала 22 и осевыми топливопитающими отверстиями 27 наружного канала 26.
Фронтовое устройство 1 камеры сгорания газотурбинной установки работает следующим образом.
Воздух из-за компрессора поступает в диффузор 38 камеры сгорания, где воздушный поток перед фронтовым устройством 1 разделяют на три составляющие. Первую часть подают в наружный кольцевой канал 12, образованный наружной 2 стенкой фронтового устройства 1 и наружной стенкой 10 корпуса 11 камеры сгорания, вторую часть - в горелочные устройства 9, закрепленные на передней 4, разделительной 5 и огневой 6 стенках, расположенные на наружном 16 и внутреннем 17 ярусах, а третью часть - во внутренний 14 кольцевой канал, образованный внутренней 3 стенкой фронтового устройства 1 и внутренней стенкой 13 корпуса 11 камеры сгорания. Из первого 30 и второго 31 топливных коллекторов, расположенных на входе во внутренний кольцевой канал 14 топливо подают к топливным форсункам 21 горелочных устройств 9 наружного 16 и внутреннего 17 ярусов соответственно, и смешивают в сопле 20 с воздухом, поступающим через осевой воздушный лопаточный завихритель 19 воздушного канала 18 горелочных устройств 9, и далее закрученный топливовоздушный поток из сопла 20 подают в дежурную зону горения 39 камеры сгорания, а из третьего топливного коллектора 32 топливо подводят через радиальные отверстия 37 в полость 7 между передней 4 и разделительной 5 стенками, из которой топливо через радиальные топливоподводящие отверстия 25 во втулке 24 осевого воздушного лопаточного завихрителя 23 топливовоздушного канала 22 подводят в межлопаточные каналы осевого воздушного завихрителя 23, где смешивают с воздухом, поступающим в топливовоздушный канал 22 горелочных устройств 9 и далее закрученный топливовоздушный поток подают на выход топливовоздушного канала 22 и через осевые топливопитающие отверстия 27 наружного канала 26 топливо из полости между передней 4 и разделительной 5 стенкой подводят в наружный канал 26 горелочного устройства 9, где смешивают с воздухом, поступающим из наружного 12 и внутреннего 14 кольцевых каналов камеры сгорания через втулки 15 на охлаждение конической части огневой стенки 6 фронтового устройства 1 и далее из полости 8, образованной разделительной 5 и огневой 6 стенками, воздух подают через отверстия 28 на входе в наружный кольцевой канал 26 горелочных устройств 9, откуда топливовоздушную смесь через отверстия 29 на выходе из наружного канала 26 подают в топливовоздушный канал 22, где смешивают с топливовоздушным закрученным потоком и далее топливовоздушную смесь «бедного» состава подают в основную 40 зону горения камеры сгорания.