Особенности конструкции и основные типы камер сгорания ГТУ

Интересно хотя бы вкратце проанализировать соображения, которыми обычно руководствуются при выборе конфигурации и основных размеров традиционных камер сгорания. Такого рода данные позволяет понять, как определяются конструктивные основные характеристики, обеспечивающие работу камеры сгорания.

На рис. 3.2(а) показана схе­ма простейшей камеры сгорания - прямой цилиндрический канал, со­единяющий компрессор с турбиной. К сожалению, такое простое устройство непригодно из-за недопустимо больших потерь давления. Потери давления пропорциональна квадрату скорости воздушного потока. Поскольку скорость воздуха на выходе из компрессора близка к 150 м/с, потери давления при этом могут достигать четвертой части общего повышения давления в компрессоре. Для снижения по­терь давления до приемлемого уровня используют, как показано на рис. 3.2(б) диффузор, с по­мощью которого скорость воздуха уменьшают приблизительно в 5 раз.

Рис. 3.2. Стадии развития схемы традиционной камеры сгорания га­зотурбинного двигателя

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. 3.2(в) показано, как этого можно достичь посредством простой пластины. Такое устройство имеет, однако, один недостаток, кото­рый заключается в том, что необходимое для получения заданной величины повышения температуры отношение топливо-воздух сущест­венно превышает предел воспламеняемости смесей углеводородов с воздухом. В идеальном случае коэффициент избытка воздуха a близок к 1,25, хотя, например, при желании снизить выбросы оки­слов азота, эта величина может быть увеличена до = 1,6. Указанный недостаток может быть устранен, если простой стабилизатор заменить, как показано на рис. 3.2(г), перфорированной жаровой трубой. В жаровой трубе создается зона малых скоростей, в которой процесс горения поддерживается циркуляционным потоком продуктов сгорания, непрерывно поджигающим поступающую в камеру свежую топливовоздушную смесь.

Избыточная (ненужная для горения) часть воздуха вводится в жаровую трубу за зоной горения, где она перемешивается с горячими продуктами сгорания, понижая, таким образом, их температуру до приемлемого для турбины уровня.

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 пламенное трубе. Применение противоточных камер в ряде случаев упрощает общую компоновку ГТУ и поз­воляет сократить длину камеры, но потери давленая в них обычно больше, чем в прямоточных камерах.

Индивидуальные камеры, в свою очередь, бывают выносными во встроенными. Выносная камера в отдельного скомпонованном 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 совмещён.

Существуют две разновидности индивидуальных камер сгорания:

цилиндрические и угловые. В цилиндрической камера сгорания (рис. 3.3) воздух разделяется на два потока: первичный и вторич­ный. Первичный воздух поступает через воздухо-направляющее уст­ройство 1 в пламенную трубу 4, куда через форсунку 2 (или горел­ку) подается топливо. Расход первичного воздуха регулируется в зависимости от расхода топлива поворотом лопаток воздухо-направляющего устройства 1, что осуществляется посредством специальных рычагов управления. Вторичный (охлаждающий) воздух пропускается через кольцевое пространство между пламенной трубой 4 и корпусом 3 камеры сгорания. При движении он интенсивно охлаждает стенки труби и корпуса. Выходя из кольцевого пространства, вторичный воздух попадает в объем А, где он смешивается с продуктами сго­рания, понижая тем самым их температуру до заданного значения.

Для уменьшения закрутка газового потока на выходе из каме­ры и для лучшего перемешивания вторичного воздуха с продуктами сгорания к пламенной трубе приварены лопатки 5, закручивающие поток вторичного воздуха в направлении, обратном тому, которое придается первичному воздуху.

В цилиндрических камерах можно установить не одну, а нес­колько форсунок, что увеличивает надёжность работы и позволяет регулировать тепловую мощность камеры сгорания изменением числа работающих форсунок. Объемная теплонапряженность этих камер со­ставляет (20-30) ^· 10³ кВт/м³ при давлений 0,4-0,45 МПа, а теп­ловая мощность камеры сгорания достигает 3000 кДж/ч, расход воздуха - 2,5 • 10⁵ м³/ч.

Рис. 3.3 Схема цилиндрической камеры сгорания

К преимуществам индивидуальных цилиндрических камер сгора­ния относятся простота конструкции и сравнительно малые потери давления, достигающие 1,5-3,0 %. Основными недостатками этих камер являются большие массы а габариты.

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

Секция многотрубчатой камеры сгорания (рис. 3.4) состоит из пламенной труби и кожуха 8. Пламенная труба включает в себя го­ловку, состоящую из лопаточного завихрителя 3, тарелки 2 и ко­нуса 4, и корпус, состоящий из цилиндрической части 5 и двух ко­нических участков, соединенных между собой конусным кольцом 6.

Рис. 3.4 Секция многотрубчатой камеры сгорания

Первичный воздух поступает через входной кожух 1 в головку пла­менной трубы. Часть его направляется в зону горения через лопа­точный завихритель 3, а оставшаяся часть идет туда через много­численные отверстия в тарелке 2 и конусе 4. Кроме того, на цилиндрической части пламенной труба 5 имеется еще два ряда от­верстий, через которые дополнительно поступает воздух, необхо­димый для горения при полной нагрузке ГТУ. Вторичный воздух идет по кольцевому пространству между пламенное трубой и кожухом 8 и затем поступает в зону смешения через четыре ряда от­верстий в конической части пламенной трубы 7. Наибольшая часть охлаждаемого воздуха входит внутрь пламенной трубы через большое число отверстий малого диаметра в конусном кольце 6.

Секционные камеры сгорания выполняют обычно в виде единого моноблока, в котором все секции заключены в общий корпус. Каж­дая секция имеет одну форсунку, впрыскивающую топливо по направлению потока. Секционные камеры сгорания отличаются компактностью, обеспечивают высокую полноту сгорания топлива и устой­чиво работают в различных эксплуатационных условиях. Недостат­ком их является сравнительно большие потери давления (2,5-7,5%). Тепловая мощность отдельной секции составляет в среднем (0,7-1,7) ^· 10³ кВт, а иногда достигает 3,5 ^· 10³ кВт. Объемная теплонапряженность у камер этого типа высокая - (100-160) ^· 10³ кВт/м³.

В кольцевых камерах сгорания (рис. 3.5) зона горения I имеет форму кольцевой полости обычно шириной 150-200 м, кото­рая образуется цилиндрами 1 в 2. Два других соосно расположенных цилиндра (9 и 8) составляют кожух камеры. Первичный воздух через воздухопроводящее устройство 4 поступает в зону горения I. Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам 6 и 7 к смесительным насадкам 5, через которые поступает в зону II, где смешивается о продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру. В воздухоподводящем 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.

Рис. 3.5 Схема кольцевой камеры сгорания

Трубчато-кольцевая камера сгорания представляет собой кон­структивное совмещение элементов секционной и кольцевой камер. Так же, как и у кольцевой камеры, кожух её 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 передача пламени, зажигания и выравнивания давления между трубами, Трубчато-кольцевые камеры имеют теплонапряженность и потери давления приблизительно такие же, как секционные камеры. Они ком­пактнее кольцевых камер и более просты в доводка. Небольшие раз­меры пламенных труб упрощают их изготовление и разборку.

Для работы на жидком топливе в камерах сгорания обычно при­меняют центробежные форсунки (рис. 3.6). Они просты по конструк­ции, надежны в работе и обеспечивают хорошее распиливание топлива. К форсунке топливо подаётся 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 форсунка 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 применя­ют 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 о регулируемым клапаном 4, который перепускает часть топлива обратно в подводящий трубо­провод или же в расходами бак 6.

Рис. 3.6 Центробежная форсунка с перепуском топлива

Камера сгорания. Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7 Камера сгорания

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происхо­дит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необхо­димо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300...2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который на­зывается вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а осталь­ная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топли­ва, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.