Особенности конструкции и основные типы камер сгорания ГТУ

Конструктивные характеристики, конфигурация и размеры камеры сгорания должны соответствовать требованиям, изложенным в п.2.1. Исходя из элементарных конструктивных соображений можно допустить, что камера сгорания может иметь цилиндрическую форму.

На рис.2.1.а показана схема простейшей камеры сгорания - прямой цилиндрический канал, соединяющий компрессор с турбиной. Такая простая конструкция не удовлетворяет требованию минимальных гидравлических потерь в камере сгорания.

Дело в том, что, при скоростях воздуха на выходе компрессора порядка 100...150 м/с и при квадратичной зависимости потерь на трение от скорости, потери давления могут достигать четвертой части общего повышения давления в компрессоре. Для снижения потерь давления до приемлемого уровня используют диффузор (рис.2.1.б), с помощью которого скорость воздуха уменьшается примерно в 5 раз.

Однако этого недостаточно, так как для предотвращения срыва пламени и поддержания устойчивого процесса горения необходимо с помощью обратных токов создать зону малых скоростей. На рис.2.1.в показано, как этого можно достичь посредством простой пластины. Такое устройство имеет, однако, один недостаток, который заключается в том, что в зоне горения соотношение топливо-воздух существенно превышает предел воспламеняемости смесей углеводородов с воздухом. Указанный недостаток можно устранить, направив часть воздуха в количестве, необходимом для полного сгорания топлива (a=1,2…1,6), в зону горения (рис.2.1.г), а остальную часть в зону смешения для получения приемлемой для турбины температуры продуктов сгорания.

			б)
				г)
		Рис 2.1. Стадии развития схемы традиционной камеры сгорания газотурбинного двигателя

Существующие камеры сгорания можно разделить на следующие основные типы: а) индивидуальные; б) секционные (многотрубчатые); в) кольцевые; г) трубчато-кольцевые.

Кроме того, камеры сгорания делятся на прямоточные и противоточные. В прямоточных камерах охлаждающий (вторичный) воздух движется в кольцевом канале между пламенной трубой и корпусом в том же направлении, что и продукты сгорания, В противоточных камерах поток охлаждающего воздуха направлен навстречу потоку продуктов сгорания в пламенной трубе. Применение противоточных камер в ряде случаев упрощает общую компоновку ГТУ и позволяет сократить длину камеры, но потери давления в них обычно больше, чем в прямоточных камерах.

Индивидуальные камеры, в свою очередь, бывают выносными и встроенными. Выносная камера в отдельно скомпанованном корпусе устанавливается в ГТУ рядом с турбокомпрессором. Применяют эти камеры, в основном, в стационарных и значительно реже в передвижных установках. У встроенных камер корпус опирается непосредственно на общий корпус турбокомпрессора или конструктивно с ним связан.

Существует две разновидности индивидуальных камер сгорания: цилиндрические и угловые. В цилиндрической камере сгорания воздух разделяется на первичный поток и один или насколько вторичных потоков.

В качестве примера рассмотрим камеру сгорания газотурбинного двигателя ГТ 700-5 (рис.2.2.).

Рис. 2.2. Цилиндрическая камера сгорания ГТ-700-5

Весь воздух, поступающий в камеру сгорания с коэффициентом избытка воздуха, равным 7, проходит через головную часть - регистр камеры сгорания, где разделяется на три основных потока. Поток первичного воздуха, предназначенный для сгорания топлива, проходит через центральный и средний завихрители. Центральный завихритель пропускает 10% от общего расхода воздуха и создает поток, вращающийся по часовой стрелке, с углом выхода из завихрителя 45^О.

Средний завихритель пропускает 20% воздуха и создает поток, вращающийся против часовой стрелки, с углом выхода из завихрителя 30^О. Поток вторичного воздуха (70%) проходит через наружный завихритель с углом выхода лопаток 40^О и после него, вращаясь по часовой стрелке, поступает в огневую часть камеры сгорания. Периферийные слои этого потока воздуха, движущегося с большой скоростью по винтовой линии, охлаждают жаровую трубу камеры сгорания, отводя от нее тепло, поступающее от излучения от горячего факела, и предохраняя ее от перегрева. Внутренние слои вторичного воздуха подмешиваются к продуктам сгорания, выходящим из головной части, тем самым активизируя конечные стадии процесса сжигания топлива.

Вторичный воздух служит в основном для охлаждения стенок камеры сгорания и смесителя, а также понижает температуру продуктов сгорания топлива.

Камера сгорания состоит из корпуса 9 с двумя приваренными воротниковыми фланцами, к одному из которых болтами крепится крышка 4, а к другому - переходной патрубок, подводящий продукты сгорания к газовой турбине

Внутри корпуса концентрически вставлены экран 11 и жаровая труба 8, предохраняющие корпус, изготовленный из углеродистой котельной стали, от воздействия высокой температуры факела. Между корпусом и экраном, а также между экраном и жаровой трубой циркулирует в небольшом количестве воздух, который выпускается в конце камеры через отверстия в центрирующем конусе. Экран и жаровая труба опираются друг на друга ребрами и фиксируются относительно корпуса путем двухсторонней приварки передних ребер. В конце жаровой трубы приварен шестилопастной смеситель 10. Лопатки его для жесткости и предохранения от вибрации соединены между собой при помощи двух приваренных колец, а также связаны двумя рядами проволоки. В передней части камеры сгорания расположено фронтовое устройство 6 с центральным 3, средним 5 и наружным 7 завихрителями. Фронтовое устройство подвешивается в корпусе с помощью трех радиальных полых пальцев, распределенных равномерно по окружности. Один из пальцев, расположенных в верхней половине, используется для датчика фотореле, а другой - в качестве глазка для визуального наблюдения за работой.

В крышке корпуса крепится на фланце основная горелка 1 и на овальном фланце запальная (дежурная горелка 2, Для сохранения положения камеры сгорания при ее температурном расширении у корпуса в нижней части предусмотрены две направляющие шпонки.

Надежность работы ГТУ можно увеличить, устанавливая в в цилиндрических камерах не одну, а несколько форсунок. Общая теплонапряженность таких камер составляет 20…30 МВт/м³ при давлении 0,4…0,45 МПа, а тепловая мощность камеры сгорания достигает 3000 кДж/ч, расход воздуха - 250×10³ м³/ч. Так, камера сгорания ГТК-10-4 (рис.2.3.) состоит из шести основных горелок 2, дежурной горелки 1 с воспламенителем, фронтового устройства 4, огневой части 5, секции 7, корпуса камеры 6 и крышки 3.

Газообразное топливо, обще количество которого определяется величиной открытия регулирующего клапана в зависимости от режима работы агрегата, подается в кольцевой коллектор на крышке камеры, откуда попадает в шесть одинаковых по размерам основных горелок, работающих параллельно.

Горелка состоит из изогнутой трубки диаметром 38 мм, приваренного к ней фланца и цилиндрической части, заканчивающейся конической перфорированной головкой. С помощью штуцера трубка горелки соединяется с коллектором, а фланцем крепится к крышке камеры. Цилиндрическая часть горелки вставляется в малый регистр фронтового устройства

Рис. 2.3. Камера сгорания ГТК-10-4

Дежурная горелка и воспламенитель вварены в один общий фланец, соединенный с крышкой камеры. У дежурной горелки головка, цилиндрическая часть и диаметр подводящей трубки такие же, как у основной. Головка ее входит в центральный регистр фронтового устройства.

Дежурная горелка на всех режимах работает при постоянном расходе газа, который устанавливается подбором шайбы и составляет 200…300 кг/ч.

К фланцу дежурной горелки приварен также корпус воспламенителя с воспламеняющей головкой. Внутри корпуса находится запальная электросвеча поверхностного разряда. Через специальное отверстие во фланце и корпусе подводится 10..15 кг/ч газа к воспламеняющей головке, куда подсасывается небольшое количество воздуха.

Фронтальное устройство состоит из шести малых регистров, расположенных по окружности, в которые входят шесть основных горелок. Все семь малых регистров выполнены одинаковыми и имеют однонаправленную закрутку. Шесть малых регистров с помощью малых конусов ввариваются в большой конус, к которому приварен средний регистр.

Первичный воздух подается через все малые регистры и отверстия большого конуса, выполненные для его охлаждения. Один центральный факел разбит на семь малых для сокращения его длины.

Огневая часть камеры сгорания представляет собой цилиндрическую тонкостенную жаровую трубу, в передней части которой (по ходу воздуха) телескопически вставляется фронтовое устройство, а в концевой части расположен смеситель. Концентрично с жаровой трубой соединен экран. Огневая часть вставляется в корпус камеры и опирается на него ребрами.

Вдоль огневой части движутся, почти не смешиваясь, два потока: в центре - имеющие высокую температуру продукты сгорания, а по периферии - закрученный поток вторичного воздуха со сравнительно низкой температурой.

Смеситель предназначен для перемешивания потоков вторичного воздуха с продуктами сгорания и получения на выходе из камеры достаточно равномерного по сечению поля температур. Он состоит из шести изогнутых лопастей, направляющих наружные слои воздуха к центру камеры и тем самым перемешивающих вторичный воздух с продуктами сгорания.

Тонкостенный экран защищает корпус камеры от излучения факела. Детали огневой части выполнены из листовой аустенитной стали.

Корпус камеры представляет собой цилиндрический барабан с двумя фланцами и вваренными в него двумя входными воздушными патрубками. К одному из фланцев корпуса на болтах крепится крышка камеры, а другой служит для соединения с переходным патрубком, связанным с турбиной. Корпус служит для размещения фронтового устройства и огневой части. Выполнен из листовой перлитной стали и воспринимает полное давление, возникающее внутри камеры.

Входные воздушные патрубки с овальным сечением заканчиваются круглыми фланцами. На раму камера сгорания опирается четырьмя лапами. Две продольные шпонки служат для фиксации положения камеры при тепловом ее расширении. Для наблюдения за работой камеры сгорания в корпусе предусмотрено смотровое окно.

Крышка сферической формы служит днищем корпуса, с которым она соединяется одним из своих фланцев. К фланцу, расположенному по оси крышки, крепится дежурная горелка. На крышке расположено смотровое окно для контроля зажигания при запуске и патрубок для крепления датчика фотореле. В передней части днища приварены кольцевой коллектор газового топлива и шесть площадок по окружности для основных горелок. Газ к коллектору подводится через два патрубка, соединенных с помощью фланцев с внешними трубопроводами подачи топлива.

К преимуществам индивидуальных цилиндрических камер сгорания относятся простота конструкции и сравнительно малые потери давления, достигающие 1,5…3,0%. Основным недостатком этих камер являются большие массы и габариты, У газотурбинных установок ГТ-700-5 и ГТК-10-4 габариты камер сгорания соизмеримы с габаритами самих установок. На рис.2.4. для примера показана компоновка ГТ-700-5 в компрессорном цехе.

Секционные (многотрубчатые) камеры сгорания представляют собой конструкцию, в которой объединено несколько (6…16) параллельно работающих цилиндрических камер (секций), часто связанных между собой пламяпередающими патрубками.

Рис. 2.4. Компоновка газотурбинной установки ГТ-700-5 в компрессорном цехе:

1- воздухозаборная камера с фильтром; 2 - регенератор; 3 – воздуховод; 4 - дымовая труба; 5 - коллектор пускового газа; 6 - коллектор топливного газа; 7 -дефлектор;

8 - осевой компрессор; 9-трубопровод орошения кровли; 10 - газовая турбина;

11 - мостовой кран; 12 - кран-балка; 13 -выхлопной трубопровод; 14 - редуктор;

15 - центробежный нагнетатель; 16-камера сгорания.

На рис. 2.5. представлена газотурбинная установка ГТ-6-750. Камера сгорания - блочная, состоит из 10 секций и размещена между осевым компрессором и турбиной в общем корпусе. Жаровые трубы расположены радиально и соединены одна с другой газоперекидными патрубками. Между жаровой трубой и наружным корпусом камеры сгорания расположен экран.

Секционные камеры отличаются компактностью, обеспечивают высокую полноту сгорания топлива и устойчиво работают в различных эксплуатационных условиях.

Недостатком их являются сравнительно большие потери давления (2,5…7,5%). Тепловая мощность отдельной секции составляет в среднем 0,7…1,7 МВт, а иногда достигает 3,5 МВт. Объемная теплонапряженность у камер этого типа высокая - 100…160 МВт/м³.

Рис. 2.5. Газотурбинная установка ГТ-6-750 (продольный разрез)

В кольцевых камерах сгорания (рис.2.6.) зона горения I имеет форму кольцевой полости обычно шириной 150…200 мм, которая образуется цилиндрами 1 и 2. Два других соосно расположенных цилиндров (8 и 9) составляют кожух камеры. Первичный воздух через воздухоподающее устройство 4 поступает в зону горения I.

Рис.2.6. Схема кольцевой камеры сгорания

Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам 6 и 7 к смесительным насадкам 5, через которые поступает в зону II, где смешивается с продуктами сгорания, понижая тем самым температуру. В воздухоподающем устройстве 4, на входе в зону горения I, по всей окружности расположены форсунки 3. За счет этого обеспечивается хорошее перемешивание топлива с воздухом и горение по всему кольцевому пространству. Число форсунок может достигать 10..20, но иногда это бывает одна вращающаяся форсунка.

Объемная теплонапряженность у кольцевых камер примерно такая же, как и у секционных, а потери давления несколько больше (до 10%). По сравнению с секционными камерами они имеют меньший рабочий объем и более равномерное поле температур газа на выходе. Зато кольцевые камеры сложнее в изготовлении и доводке, труднодоступны для осмотра в ходе эксплуатации.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания представляют собой конструктивное совмещение элементов секционной и кольцевой камер. Так же, как и у кольцевой камеры, кожух ее образуется наружным и внутренним соосно расположенными цилиндрами. А в кольцевом пространстве между этими цилиндрами размещается ряд отдельных пламенных труб, снабженных форсунками. Трубы соединяются друг с другом пламяпередающими патрубками, которые предназначены для передачи пламени, зажигания и выравнивания давления между трубами. Они компактнее кольцевых камер и более простая в доводке. Небольшие размеры пламенных труб упрощают их изготовление и разборку.

Для работы на жидком топливе в камерах сгорания обычно применяют центробежные форсунки (рис.2.7.).

Рис. 2.7. Центробежная форсунка с перепуском топлива

Они просты по конструкции, надежны в работе и обеспечивают хорошее распыливание топлива. К форсунке топливо подается насосом 5 под давлением не менее 1,0…1,5 МПа. Поступает оно сначала в кольцевую полость 1, а затем через ряд тангенциально расположенных каналов 2 направляется в вихревую камеру 3, в которой приобретает вращательно-поступательное движение. При выходе из форсунки топливо распыляется под действием центробежных сил.

В центробежных форсунках регулировать расход топлива за счет изменения его давления можно не более чем в 2…2,5 раза. Для обеспечения более широкого диапазона регулирования применяются двухступенчатые форсунки и форсунки с перепуском топлива. У двухступенчатых (двухконтурных) форсунок на малых расходах работает лишь одна первая ступень. Для увеличения расхода топлива к ней подключается вторая ступень. У форсунок с перепуском топлива вихревая камера 3 соединена с регулируемым клапаном 4, который перепускает часть топлива обратно в подводящий трубопровод или же в расходный бак 6.