ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
GAS TURBINE PLANT

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в газотурбинных установках (ГТУ) и двигателях (ГТД) с камерами сгорания различной формы, работающих на жидком или газообразном топливе.
Известно устройство для сжигания топлива, содержащее камеру сгорания (в том числе для ГТУ), горелку с камерой смешения, каналы подвода топлива и воздуха, диск, установленный вокруг камеры смешения и имеющий осевые отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания, при этом камера смешения горелки выполнена в виде диффузора, на входе которого соосно расположен цилиндрический насадок для подвода топлива, щиток-насадок, расположенный вокруг выходной части камеры смешения и выступающий над ее торцом на величину не менее величины диаметра ее выходной части, при этом осевые отверстия в диске расположены внутри щитка-насадка (Патент РФ №2199698, кл. F23C 11/00, 2003 г.).
Недостатком этого устройства является загромождение щитком-насадком каналов для внедрения вторичного воздуха в зону горения, что при сравнительно «коротких» (небольшой длины проточной части) кольцевых камерах сгорания не позволяет обеспечить качественное перемешивание продуктов сгорания с воздухом, а следовательно, равномерное температурное поле по высоте лопатки турбины из-за малых значений времени пребывания продуктов сгорания в проточной части камеры сгорания и глубины внедрения вторичного воздуха в продукты сгорания.
Известно устройство для сжигания топлива с воздухом, содержащее камеру сгорания с фронтовым устройством (в том числе для ГТУ), горелку с камерой смешения, примыкающую к камере сгорания, каналы подвода топлива и воздуха, при этом горелка снабжена диском, установленным вокруг камеры смешения и имеющим осевые отверстия для подачи воздуха в камеру сгорания, камера смешения по линии течения воздуха выполнена в виде диффузора, на входе которого соосно расположен цилиндрический насадок для подвода топлива, а отверстия для подачи вторичного воздуха в зону горения выполнены на расстоянии, равном 5-8 диаметрам выходного сечения камеры смешения (Патент РФ №2098717, кл. F23С 11/00, 1997).
Недостатком известного решения является то, что при небольшой величине перепада давления между полостями компрессора и камеры сгорания, составляющей 1-1,2% от давления после компрессора, из-за малого внедрения воздуха в продукты сгорания подачей вторичного воздуха на расстоянии 5-8 диаметров выходного сечения камеры смешения, не обеспечивается равномерное температурное поле перед сопловым аппаратом турбины.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является газотурбинная установка, содержащая расположенные на одном валу турбину и компрессор, сообщенная выходом с входом в турбину, а входом с выходом из компрессора камеру сгорания с топливными форсунками, выполненными с каналом течения воздуха в виде диффузора с углом конусности 6-12° и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива, соединенную с форсунками (Патент РФ №2107178, кл. F02С 7/22, 1998 г. - прототип).
Недостатком известного решения является то, что в нем отсутствует возможность организации процесса горения с форсунками (горелками) соплового типа в камерах сгорания различной формы. В результате при модернизации существующих камер сгорания или при создании новых конструкций камер сгорания ГТУ (ГТД) может иметь место высокая неравномерность температурного поля перед турбиной и большая эмиссия вредных выбросов. В указанной геометрии форсунки (горелки) не обеспечивается целостность материальной части (подгорает ее выходная часть) из-за отсутствия защиты выходного торца диффузора от обратных токов. Отсутствует высокая полнота сгорания топлива из-за некачественного перемешивания жидкого топлива с воздухом в диффузоре, так как часть капель попадает на его коническую поверхность, коагулируются и струйкой стекают в камеру сгорания без качественного распыла. Кроме того, данное техническое решение не позволяет организовать работу ГТУ на газообразном топливе.
Технической задачей данного изобретения является совершенствование газотурбинной установки с камерой сгорания различной формы и смесительными элементами соплового типа, работающими как на жидком (форсунки), так и на газообразном (горелки) видах топлива, в части повышения экономичности, создания равномерного температурного поля перед сопловым аппаратом турбины и снижения вредных выбросов по оксидам азота NOx и окислам углерода СО.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемой газотурбинной установке, содержащей турбину и компрессор, расположенные на одном валу, камеру сгорания, сообщенную выходом с входом в турбину и входом с выходом из компрессора и снабженную смесительными элементами, выполненными с каналом течения воздуха в виде диффузора с углом конусности 6-12° и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива, соединенную с цилиндрическими насадками, и систему управления, снабженную запорной арматурой и запальным устройством, согласно изобретению смесительные элементы размещены, как минимум, в два ряда по кольцу кольцевой камеры сгорания или по концентрическим окружностям на камере сгорания трубчато-кольцевой формы, при этом смесительные элементы расположены на расстоянии не более трех диаметров выходной части диффузора, а между ними и вокруг выполнены отверстия для прохода воздуха, причем часть цилиндрических насадков смесительных элементов объединены в отдельные блоки с магистралью подачи топлива в виде коллектора, на входе которых установлены дросселирующие элементы. Как минимум, четыре смесительных элемента смонтированы в отдельные блоки, расположенные по концентрическим окружностям на камере сгорания трубчато-кольцевой формы или по окружности в камере сгорания кольцевой формы, в которой между рядами смесительных элементов от поверхности топливного коллектора блока до поверхности фронтового устройства камеры установлена разделительная перегородка. Блоки со смесительными элементами, имеющие запорную арматуру, расположены последовательно с блоками без запорной арматуры. Дросселирующие элементы магистралей подачи топлива к блокам выполнены при использовании газообразного топлива в виде сопел с критическими параметрами течения в каналах, проходные сечения которых выполнены идентичными, а при использовании жидкого топлива в виде диафрагм, отверстия которых тарированные по гидравлическому сопротивлению для заданного расхода топлива. Запальное устройство смонтировано вблизи блока смесительных элементов без запорной арматуры и снабжено камерой смешения, в которой образуется топливовоздушная смесь, и электрической свечой, установленной после камеры смешения, при этом камера смешения выполнена в виде инжекционной горелки для газообразного топлива или в виде локального пористого объема для жидкого топлива и сообщена со стороны входа непосредственно с полостью после компрессора и через запорный орган с топливным коллектором, а со стороны выхода с полостью камеры сгорания. Диффузор смесительного элемента при подаче топлива в жидком виде выполнен с кольцевой щелью, расположенной на участке с площадью проходного сечения, превышающей в 3-4 раза площадь минимального проходного сечения входной части диффузора и сообщенной с полостью после компрессора. Диффузор смесительного элемента выполнен с пазами, расположенными на наружной поверхности его выходного участка.
2
1
Размещение смесительных элементов по концентрическим окружностям в камере сгорания трубчато-кольцевой формы или, как минимум, в два ряда по кольцу в газотурбинной установке с камерой сгорания кольцевой формы достигнуто равномерное распределение зон горения по сечению камер сгорания различного конструктивного исполнения. Размещение смесительных элементов по концентрическим окружностям может быть по различной схеме, а именно с монтажом элемента на оси камеры и без элемента на оси камеры. Размещение смесительных элементов в рядах может быть как в «шахматном» порядке, так и напротив друг другу. Наиболее эффективно, с точки зрения повышения качества смешения горячих и холодных потоков «шахматное» расположение, но в ряде случаев из-за малых габаритах камеры сгорания и конечного числа блоков это техническое решение приводит к уменьшению расстояния между смесительными элементами, что нежелательно. Указанные компоновки смесительных элементов относительно друг друга, кроме того, обеспечивают симметричность подвода воздуха между смесительными элементами и равномерные тепловые потоки относительно стенок камеры сгорания. Это, в конечном счете, позволяет получить более высокую степень равномерности температурного поля по сечению камеры сгорания перед сопловым аппаратом турбины. Расстояние между смесительными элементами в ряду и между рядами, равное не более трех диаметров их выходной части принято с учетом известной рекомендации для надежного переброса пламени с одного смесительного элемента на другой. Подача воздуха через отверстия между смесительными элементами параллельно горячему потоку организована с целью усиления внедрения вторичного воздуха в продукты сгорания, что обеспечивает более качественный процесс перемешивания холодных и горячих потоков. Объединение смесительных элементов в отдельные блоки и их расположение по концентрическим окружностям в камере сгорания трубчато-кольцевой формы или по окружности в камере сгорания кольцевой формы выполнено с учетом традиционных конструктивных схем камер сгорания и возможной реализации гибкой системы подключения смесительных элементов на режиме запуска. Более того, при больших габаритах камеры сгорания трубчато-кольцевой формы данное техническое решение обеспечивает равномерное распределение зон горения по сечению камеры, а следовательно, равномерное поле температуры перед турбиной. С перегородкой между рядами смесительных элементов обеспечивается лучшее распределение подвода воздуха к смесительным элементам. С целью снижения температуры в зоне горения на номинальном режиме блоки могут быть выполнены с большим количеством смесительных элементов, чем требуется для надежного воспламенения на запуске. В этом случае на запуске ГТУ в момент зажигания или на начальном этапе выхода на основной режим с помощью запорной арматуры топливо необходимо подавать не на все горелки. При этом блоки со смесительными элементами, имеющие запорную арматуру, с целью надежного переброса пламени следует располагать последовательно с блоками без запорной арматуры, а в районе последних устанавливать запальное устройство. Данное техническое решение, как известно, позволяет уменьшить вредные выбросы по оксидам азота NOx и окислам углерода СО за счет организации начала горения на основных режимах работы ГТУ с большим коэффициентом избытка воздуха (с меньшей температурой). Дросселирующие элементы магистралей подачи топлива к блокам обеспечивают равномерное распределение количества топлива по блокам, что улучшает температурную диаграмму по окружности турбины. Для газообразного топлива дросселирующие элементы выполнены в виде сопел с критическими параметрами течения в идентичных каналах, а для жидкого топлива - в виде диафрагм, настроенных на заданный расход. Применение диффузора в качестве устройства распыливания жидкого топлива из-за образования жидкой пленки на стенках диффузора в ряде случаях приводит на определенных режимах работы ГТУ к не совсем желаемым результатам (к снижению полноты сгорания топлива и подгару выходной части диффузора). Для исключения подгара организовано охлаждение путем выполнения на наружной поверхности диффузора пазов для прохода воздуха, а для исключения образования жидкой пленки диффузор выполнен с кольцевой щелью, через которую подается воздух для сдува жидкой пленки с его стенки. Место расположения кольцевой щели при отношении площадей F/F=3-4 выбрано на участке, где имеется достаточная величина скорости воздуха для вторичного распыла жидкости. Система управления, с целью обеспечения надежного воспламенения топливовоздушной смеси на запуске при различных конструктивных решениях смесительных элементов, снабжена автономным запальным устройством, которое для надежного воспламенения расположено вблизи блоков без запорной арматуры. С целью качественного образования топливовоздушной смеси для ее поджига от электрической свечи при разных видах топлива, автономное запальное устройство выполнено с камерой смешения в виде инжекционной горелки для газообразного топлива или в виде локального пористого объема для жидкого топлива. Камера смешения запального устройства сообщена со стороны входа непосредственно с полостью после компрессора и через запорный орган с магистралью подачи топлива, а со стороны выхода с полостью камеры сгорания и с полостью, где установлена электрическая свеча.
Предлагаемая газотурбинная установка изображена отдельными фрагментами на чертежах фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8.
На фиг.1 схематично представлена газотурбинная установка по предложенному техническому решению.
На фиг.2 схематично представлен фрагмент установки для варианта двухрядного монтажа смесительных элементов в кольцевой камере сгорания при кольцевом контуре их расположения.
На фиг.3 схематично представлен фрагмент установки для варианта двухрядного монтажа смесительных элементов в кольцевой камере сгорания, при их монтаже в отдельные блоки и расположении в «шахматном» порядке.
На фиг.4 схематично представлен смесительный элемент соплового типа (форсунка) с двухконтурным распылом жидкого топлива.
На фиг.5 схематично представлен фрагмент установки для варианта расположения отдельных блоков секторами в случае их подключения к магистрале подвода топлива непосредственно и через запорную арматуру.
На фиг.6 представлено конструктивное исполнение запального устройства для газообразного топлива.
На фиг.7 представлена схема размещения отдельных смесительных элементов в камере сгорания трубчато-кольцевой формы небольшого размера.
На фиг.8 представлена схема расположения отдельных блоков смесительных элементов по концентрическим окружностям в камере сгорания трубчато-кольцевой формы большого размера.
1
2
4
3
3
3
1
Газотурбинная установка содержит турбину 2 и компрессор 3, расположенные на одном валу 1, камеру сгорания 4, сообщенную выходом с входом в турбину и входом с выходом из компрессора, топливную магистраль 5 и систему управления 6 (см. фиг.1). Камера сгорания 4 содержит фронтовое устройство 7 и смесительные элементы 8. Смесительный элемент выполнен с каналом течения воздуха в виде диффузора 9 с малой конусностью расширяющейся части 6-12 градусов и расположенным во входной части 10 диффузора цилиндрическим насадком 11 для подвода топлива (жидкого или газообразного) из топливной магистрали 5. Конструктивно диффузоры и каналы подвода топлива и воздуха могут быть выполнены как отдельно, так и в одном корпусе. Смесительные элементы 8 в кольцевой камере сгорания располагаются в два ряда с расстоянием между ними L и рядами L, равным не более трех диаметров выходной части диффузора (см. фиг.2). Вокруг смесительных элементов выполнены отверстия 12 (зачерненные на /) для подачи воздуха параллельными (соосными) струями с топливовоздушной смесью, образованной в диффузоре. В зависимости от конструкции камеры сгорания на стенках камеры сгорания на расстоянии L, как правило, выполняют отверстия 13 для подачи воздуха перпендикулярно топливовоздушным струям, выходящим из диффузора. Расстояние L существенно не влияет на процесс смесеобразования и горения, однако относить эти отверстия далеко от смесительных элементов в предложенном техническом решении нежелательно, так как будет уменьшаться длина перемешивания потоков воздуха и продуктов сгорания, а следовательно, увеличиваться неравномерность температурного поля перед сопловым аппаратом турбины. По результатам экспериментальных работ достаточно иметь минимальную величину L, равную 8-10 диаметрам выходной части диффузора. Каналы подвода топлива могут быть объединены в общий коллектор 14 (см. фиг.1 и 2) или в собственный коллектор 18 (см. фиг.3) при блочном расположении смесительных элементов. Для обеспечения равномерного температурного поля в конце камеры сгорания: смесительные элементы 8 и отверстия между ними расположены симметрично относительно оси 15 проточной части камеры сгорания; магистраль подачи топлива к блокам при использовании газообразного топлива снабжена дросселирующими элементами 16, выполненными в виде сопел с критическими параметрами течения в каналах, проходные сечения которых выполнены идентичными (см. фиг.3), а при использовании жидкого топлива снабжена дросселирующими элементами 16, тарированными по гидравлическому сопротивлению для заданного расхода топлива (см. фиг.2). В зависимости от конструкции корпуса газотурбинной установки, где закрепляются смесительные элементы, последние могут быть объединены по четыре и более в отдельные блоки 17 с собственным топливным коллектором 18 и закрепляться на корпусе 19 газотурбинной установки. Смесительные элементы для жидкого топлива (форсунки) и газообразного топлива (горелки) конструктивно в основном выполняются одинаково. Причем, как показал опыт экспериментальных работ, необходимо на наружной поверхности выходной части диффузоров делать пазы 20 для охлаждения их торцов, а при использовании жидкого топлива и сравнительно низкой температуре воздуха ввести второй контур распыливания 21, позволяющий исключить попадания капель на стенки диффузора и их коагуляции с образованием жидкой топливной пленки (см. фиг.4). Смесительные элементы, как вариант, могут располагаться в «шахматном» порядке для лучшего перемешивания воздуха с продуктами сгорания (см. фиг.3). При этом пространство между рядами смесительных элементов от коллектора до фронтового устройства разделено перегородкой 22. Назначение перегородки - создать равномерный подвод воздуха к соплам смесительных элементов и отверстиям между ними. Необходимость в наличии перегородки и величины расстояния ее от смесительных элементов следует определять и выбирать исходя из конструктивных особенностей фронтового устройства камеры сгорания и конструктивного исполнения выходного устройства компрессора. То есть тогда когда имеет место большой переток воздуха между смесительными элементами на противоположную сторону. Такой характер течения воздуха имеет место из-за подвода воздуха, например, к кольцевой камере сгорания от осевого компрессора только со стороны одной ее стенки, и, как показали экспериментальные работы, значительно изменяет коэффициент расхода через все проходные сечения. Оптимальное решение по месту расположения этой перегородки симметричное ее расположение относительно смесительных элементов. При достаточной ширине фронтового устройства в качестве перегородки может быть установлен дополнительный ряд смесительных элементов. В предлагаемом устройстве может быть реализован также поочередный подвод топлива к смесительным элементам по мере уровня выхода ГТУ на номинальный режим. Конструктивно это новое техническое решение выполняется с помощью запорной арматуры 13 (с ручным, электрическим или пневматическим приводом), установленной на магистрали подвода топлива от коллектора 14 к смесительным элементам, закрепленным на корпусе 19. При этом блоки, которые подключены непосредственно к магистрали или через запорную арматуру, следует располагать последовательно, как показано на фиг.5. Данная схема расположения блоков включает в себя схему расположения запального устройства 23 (см. фиг.6), а именно запальное устройство устанавливается, где блок подключается к магистрали подачи топлива непосредственно (без запорной арматуры). Реализация данного технического решения позволяет организовать надежный запуск ГТУ на меньшем числе смесительных элементов, а на основных режимах работы ГТУ организовать процесс горения с большим их числом, то есть с меньшей температурой сгорания топлива в локальных объемах. Количество смесительных элементов на камере сгорания ограничивается в основном геометрией фронтового устройства и коэффициентом избытка воздуха в смесительных элементах на всех режимах работы ГТУ. С одной стороны, он должен быть больше единицы, а с другой стороны, не должен превышать, например, величины 1,8 для топливовоздушной смеси, образованной компонентами воздух+природный газ, так как с большей величиной «бедная» смесь неустойчиво или вообще не горит. Последовательное подключение смесительных элементов на переходных режимах работы ГТУ позволяет организовать устойчивое горение на максимальном режиме с коэффициентом избытка воздуха вблизи значения 1,8 и обеспечить наиболее эффективный процесс перемешивания горячего потока с воздухом на меньшей длине камеры сгорания, а следовательно, повысить равномерность температурного поля перед сопловым аппаратом турбины. Для надежного зажигания топливовоздушной смеси в камере сгорания любой формы при запуске ГТУ применено специальное автономное запальное устройство 23 (см. фиг.6) с камерой смешения 24, в которой образуется топливовоздушная смесь, и электрической свечой 25, установленной после камеры смешения, при этом камера смешения выполнена для газообразного топлива в виде инжекционной горелки 26, а для жидкого топлива в виде локального пористого объема (на фиг.6 не показано). В качестве пористого материала может быть использована пористая керамика или асбестовый шнур. В свою очередь, камера смешения 24 со стороны входа сообщена непосредственно с полостью 27 подвода воздуха к камере от компрессора и через запорный орган 13 с топливным коллектором 5, а со стороны выхода сообщена с полостью 28 камеры сгорания. При этом в районе выхода топливовоздушной смеси из камеры смешения организована полость, где установлена электрическая свеча 25. Решение использовать в камере смешения пористый объем обусловлен тем, что при очень малых расходах жидкого топлива возможна проблема с его распыливанием и образованием топливовоздушной смеси. В предложенном техническом решении воздух, проходя через смоченную жидким топливом среду, насыщается парами топлива и тем самым образует смесь, готовую к воспламенению.
Газотурбинная установка, выполненная с трубчато-кольцевой камерой сгорания, имеет аналогичные элементы и линии соединения по сравнению с камерой сгорания кольцевой формы. Отличаются они в зависимости от размера камер другой схемой расположения смесительных элементов 8 по сечению камеры сгорания. В трубчато-кольцевой камере сгорания небольшого размера 30 (см. фиг.7) смесительные элементы расположены по концентрическим окружностям 31, а в кольцевой - как минимум, в два ряда. В трубчато-кольцевой камере сгорания большого размера 29 (см. фиг.8) смесительные элементы объедены в отдельные блоки 17, но эти блоки также расположены по концентрическим окружностям 31, а в кольцевой - по окружности.
Газотурбинная установка работает следующим образом.
С помощью пневмо- или электростартеров (на чертежах не показано) производится раскрутка ротора с турбиной и компрессором ГТУ. Воздух после компрессора поступает в камеру сгорания, в том числе через отверстия диффузоров смесительных элементов и камеру смешения запального устройства. При определенной величине давления после компрессора подаются напряжение на свечу 25 запального устройства и топливо в цилиндрические насадки 11 смесительных элементов и в камеру смешения запального устройства. Топливо с воздухом смешивается в камере смешения запального устройства и в диффузоре 9 смесительного элемента в соотношении, обеспечивающем устойчивое надежное воспламенение от свечи и устойчивое горение в камере сгорания. Полученные продукты сгорания поступают к турбине по тракту камеры сгорания 4 спутными струями вместе со струями воздуха из отверстий 12 фронтового устройства. Горячий поток, взаимодействуя со струями воздуха, будет по мере движения охлаждаться. В свою очередь, сбоку через отверстия 13 и другие, выполненные на стенках камеры сгорания, подаются струи воздуха перпендикулярно горячему потоку, что способствует также охлаждению продуктов сгорания. Предложенное техническое решение позволяет исключить локальные объемы, в которых может быть повышенная температура. В свою очередь, это уменьшит вредные выбросы, так как известно, что одним из эффективных методов снижения NOx является снижение температуры в зоне горения за счет организации начала горения «бедной» смеси, то есть с коэффициентом избытка воздуха значительно больше единицы. В предложенном техническом решении это реализуется за счет организации запуска на меньшем количестве смесительных элементов путем отключения остальных запорной арматурой по линии топлива. В этом случае на основных режимах работы ГТУ за счет подключения всех смесительных элементов расход топлива в них уменьшится и коэффициент избытка воздуха увеличится, что приведет к снижению температуры горения, а следовательно, к снижению NOx. Следует отметить то, что, несмотря на обратную пропорциональную зависимость оксидов азота и окислов углерода, последнее при реализации предложенных решений также снижается в основном за счет уменьшения времени пребывания продуктов сгорания с высокой температурой, что достигается предварительным до зоны горения качественным образованием топливовоздушной смеси в локальных объемах (в диффузорах). Различные схемы подключения смесительных элементов к магистралям подвода топлива, группировки их в отдельные блоки и расположения в камерах сгорания разной формы принципиально не влияют на принцип работы ГТУ. Единственным условием во всех вариантах должна быть осуществлена определенная последовательность подключения смесительных элементов в работу при выходе установки на номинальный режим. Выключение газотурбинной установки производится прекращением подачи топлива через все смесительные элементы.
Применение равномерного расположения зон горения сопловыми смесительными элементами относительно осей симметрии камер сгорания различной формы, организация равномерной подачи вторичного воздуха по сечению камеры сгорания, внедрение специального автономного запального устройства и модернизация смесительных элементов позволяют: повысить полноту сгорания топлива; уменьшить неравномерность температурного поля по высоте лопаток и по окружности турбины; снизить образование вредных выбросов по оксидам азота и окислам углерода.