§ 6. Камеры сгорания

В камерах сгорания внутренняя энергия топлива при сжигании преобразуется в потенциальную энергию рабочего тела. В совре­менных ГТУ используется жидкое или газообразное топливо. Для сжигания топлива необходим окислитель, которым служит кисло­род воздуха. Воздух повышенного Давления поступает в камеру сгорания после компрессора.

При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с допол­нительным количеством воздуха. Образующийся горячий газ (ра­бочее тело) направляется в газовую турбину.

Простейшая камера сгорания (рис. 23) состоит из топливораздающего устройства 8, регистра первичного воздуха 2, пламенной трубы 3 и смесителя 4, которые размещаются в корпусе 7. Корпус нагружен давлением изнутри.

Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) <§ по­дает топливо в зону горения 6. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания • процесса горения, поступает через регистр 2 в зону горения. Боль­шая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом 7 и пламенной трубой 3, охлаждая ее. Затем, пройдя через смеситель 4, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания в зоне смешения 5, охлаждая их до заданной температуры.

Конструкция камеры сгорания зависит от назначения и схемы i/ ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива. Вместе с тем существует ряд признаков, по которым можно разделить камеры сгора­ния ГТУ на несколько типов.

Рис. 23. Камера сгорания ГТУ:

/ — подвод топлива, 2 — регистр, 3 — пламенная труба, 4 — смеситель, S — зона смешения, 6 — зона горения, 7 — корпус, 8 — топливораздающее уст­ройство (форсунка)

Так, камеры сгорания бывают вы­носные и встроенные. Выносные располагаются вне корпусов турбины и компрессора и соединяются с ними или регенератором трубопроводами, а" встроенные находятся непосредственно в корпусе.

Выносные камеры сгорания, чаще всего используемые в стационарных ГТУ и реже на транспортных (судовых локомотивных и автомобильных), хорошо компонуются с регенератом*

Рис. 24. Газотурбинные установки с выносной (а) и

встроенными (б) камерами сгорания: / — компрессор, 2 — турбина, 3 — камера сгорания, 4 — ре­генератор

Расположения выносной камеры сгорания в ГТУ с регенерацией теп лоты и встроенной показаны на рис 24 а б генерацией тел­е- По конструктивным признакам встроенные камеры сгорания могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми и секционными _ (рис 25, а—в), а также-индивидуальными (см. рис 23) ^НЫМИ К. Кольцевые камеры сгорания (рис. 25, а) наиболее легки компактны, используются в простой схеме ГТУ и располагаются между компрессором и турбиной вокруг ротора 2.

Горячий газ

Рис. 25. Встроенные камеры сгорания:

а —кольцевая, б — трубчато-кольцевая, а — секционная; 1, 5 — внутренняя и наружная обечайки корпуса, 2 — ротор, 3,4 — внутрен­няя и наружная обечайки плененной трубы, 6 — регистры, 7 — пат­рубки переброски пламени, в — пламенная труба, 9 — корпус

Рабочий объем кольцевой камеры сгорания представляет собой сплошное кольце­вое пространство между внутренней 3 и наружной 4 обечайками пламенной трубы. Кольцевые камеры сгорания, работающие на жидком топливе, применяются преимущественно в авиации, так как при больших размерах они становятся ненадежными. В ста­ционарных ГТУ используются кольцевые микрофакельные камеры сгорания, работающие на газе.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания (рис. 25, б) имеют не­сколько пламенных труб 8, расположенных в общем корпусе во­круг оси турбокомпрессора (обычно их 6—12) и соединенных па­трубками 7 для переброски пламени. Это необходимо при пуске, а также случайном погасании факела в одной из пламенных труб. Вторичный воздух омывает пламенные трубы снаружи. Продукты сгорания попадают в общий кольцевой патрубок, а из него — в газовую турбину.

Секционные камеры сгорания (рис. 25, в) состоят из несколь­ких одинаковых камер сгорания, расположенных вокруг оси тур­бокомпрессора в собственных корпусах 9, соединенных патрубка­ми 7. Продукты сгорания попадают в турбину из общего кольце­вого коллектора. Секционные камеры сгорания самые большие по

Охлаждающий воздух

Рис. 26. Многогорелочная ка­мера сгорания:

/ — корпус пламенной трубы, 2 —

регистры, 3 — каналы для прохода

воздуха

габаритам, однако наиболее удобные при ремонте, так как раз­борки всех камер сгорания в этом случае не требуется.

В настоящее время в стационарных ГТУ, особенно транспорт­ных, все чаще применяются камеры сгорания, объединяющие при­знаки трубчато-кольцевых, секционных и индивидуальных.

Кроме того, камеры сгорания можно разделить по роду сжи­гаемого топлива — жидкого, газообразного, твердого.

Камеры сгорания, в которых сжигают жидкое и газообразное топливо, отличаются размерами горелочных устройств, а для сжигания твердого топлива имеют дополнительные устройства для удаления золы. Пока камеры сгорания- для сжигания твердого топлива находятся в опытной эксплуатации.

По направлению потоков" камеры сгорания подразделяют на прямоточные и противоточные. В прямоточных продукты сгорания и воздух имеют одинаковое направление, а в противоточных их направление встречное.

Камеры сгорания подразде­ляются также по количеству горелок на одной пламенной трубе на одногорелочные и многогорелочные (рис. 26).

Одним из основных элемен­тов любой камеры сгорания является пламенная труба. На рис. 27 показана пламенная труба, состоящая из отдельных обечаек /, вставленных друг в Друга. Между обечайками ос­тается зазор, так как они от­делены друг от друга волнистой лентой, приваренной к наружной обечайке контактной сваркой.

Рис. 27. Пламенная труба из обечаек:

/ — обечайки, 2 т- регистр, 3 — смеситель,

4 — волнистая лента

На рис. 28, а показана двухстенная пламенная труба, а на рис. 28, б —г различные схемы ее охлаждения. Внутренняя стенка 3 (рис. 28, б, в) может иметь ребра 5, на которых держится на­ружная стенка 2, или не иметь их. Внутренняя стенка может быть также гофрированной <{рис. 28, г) и крепится к наружной специ­альными штифтами 7.

Особое внимание обращают на организацию охлаждения пламенной трубы, так как температура среды внутри нее достигает 1500—1800° С. В пламенной трубе, показанной на рис. 27, небольшое количество вторичного воздуха проходит в кольцевые щели между обечайками и образует на ее внутренней поверхности за­щитную пленку, отделяющую стёнку трубы от пламени.

г 3 ч

Рис. 28. Двухстенная пламенная труба (а) и схе­мы ее охлаждения (б, в, г):

1 — регистр, 2, 3 — наружная я внутренняя стенки, 4 — смеситель, 5 — ребра, 6 — отверстия для прохода возду­ха, 7 — штифты, 8 — гофрированная внутренняя стенка

Такой слой создается при любой схеме охлаждения. В стенках двухстенной пламенной трубы (рис. 28, а—-г) выполняются отверстия 6, через которые проходит охлаждающий воздух, создающий защитную пленку. Кроме того, применяют, одновременное охлаждение через кольцевые щели и отверстия.

Теплоту передается к стенкам пламенной трубы в основном от светящегося факела пламени лучеиспусканием. Несмотря на ох­лаждение, стенки пламенных труб имеют высокую температуру и поэтому изготавливаются из жаростойкой стали. v Форсунки предназначены для подачи жидкого топлива в каме­ру сгорания. Эффективность сжигания жидкого топлива в первую очередь зависит от качества распыливания. При плохом распили­вании появляется механический недожог, вызывающий снижение экономичности, закоксовывание камер сгорания и опасность раз­рушения проточной части турбины отрывающимися коксовыми на-< ростами.

Жидкое топливо не горит, горят его пары. Скорость испарения капель пропорциональна их поверхности. Зависимость суммарной площади F, м², поверхности капель 1 кг распыленного топлива от тонкости распыливания (диаметра капель d, мкм) показана на рис. 29. Чем лучше распылено топливо, тем больше площадь его соприкосновения с воздухом и тем быстрее оно испаряется и сго­рает.

1 Форсунки должны обеспечивать высокое качество распыливания при всех возможных режимах работы (расход топлива мо­жет изменяться от 10 до 100%), иметь простую конструкцию и быть взаимозаменяемыми.

Для распыливания жидкого топлива в ГТУ применяют фор­сунки двух типов: механические и пневматические. Преимущест­вом механических форсунок является компактность, малая затрата энергии на распыле­ние и удачное взаимодействие топливного факела с воздухонаправляющим -устройством завихривающего типа. В пнев­матических форсунках топли­во дробится с помощью сжа­того воздуха? или пара, для чего на ГТУ должен иметься их источник. Давление возду­ха или пара должно быть на­много больше давления в ка­мере сгорания, что является основным недостатком пневма­тических форсунок.

Рассмотрим принцип дей­ствия форсунок различных ти­пов.

Простейшая механическая форсунка (рис. 30) имеет рас­пылитель, который выполнен в виде цилиндрического кор­пуса / и вставки 3.

Рис. 30. Механическая форсунка:

/ — корпус, 2 — канал для подвода топли­ва, 3 — вставка, 4— вихревая камера, 5 — тангенциальный канал, 6 — сопло

Жидкое топливо из камеры, расположенной между корпусом и вставкой, попадает в камеру завихрения 4 че­рез тангенциальные каналы 5, закручивается и в виде кольцевой струи вытекает из сопла 6. Сплошная кольцевая струя / (рис. 31), вытекающая из форсунки, неустойчива и при высоких скоростях истечения распадается под действием гидродинамических сил сна­чала на крупные куски пленки //, а затем на мелкие капли ///.

Изменять расходы топлива в простейшей форсунке можно, изменяя давление перед ней. Однако от перепада давлений зави­сит тонкость распыливания. Уменьшение расхода топлива на 60% приводит к увеличению диаметра капли в 1,85 раза. Такое распыливание неудовлетворительно.

Простейшим способом его улучшения является замена односоплового распылителя групповым, состоящим из 3—6 форсунок. При этом изменяют расход в основном отключением отдельных форсу­нок и регулируют давление в каждой из них в узких пределах.

Рис. 31. Схема образова- Рис. 32. Механическая форсунка с изминеным

капель топлива при вытикании сечением тангегнциальных каналов.

из сопла.

/ — корпус, 2 — вставка, 3 поршень, А — тангенциальные каналы, 5 — сопло

Усложнив конструкцию форсунки, можно изменять расход топли­ва, изменяя сечения тангенциальных каналов (рис. 32). Во встав­ке 2 выполнено несколько отверстий 4 разной длины. При переме­щении поршня 3 изменяется площадь их проходного сечения и, следовательно, расход топлива через форсунку.

Применяется также регулирование расхода топлива с помощью обратного слива (рис. 33). В "таких форсунках не все топливо, поступающее в них, попадает в камеру сгорания. Часть его из камеры 4 возвращается обратно на всас топливного насоса (нарециркуляцию).

Топливо

Рис. 33. Механическая форсун­ка с обратным сливом: 1 — корпус, 2 — вставка, 3 — кла­пан, 4 — камера отвода топлива, 5 — «завинхритель, 6 — сопло

Рис. 34. Пневматическая фор­сунка

/ — корпус, 2 — ленточная резьба, 3 — вставка, 4 — отверстия для под­вода топлива, 5 — зазор

Перемещая клапан 3, можно регулировать коли­чество возвращаемого топлива и, следовательно, изменять его расход через сопло 6 в камеру сгорания. Форсунки, основанные на этом принципе действия, просты и надежны, но требуют боль­ших циркуляционных расходов топлива.

В корпусе / пневматической форсунки (рис. 34) расположена вставка 3, на наружной поверхности которой выполнены каналы

ленточной резьбы 2, а внутри — отверстия 4 для подвода топлива. Воздух подается в зазор 5 между корпусом и вставкой под боль­шим давлением. Топливо из отверстия 4 вставки попадает в каж­дый из каналов ленточной резьбы и дробится на капли в струе воздуха. Угол распиливания меняется с изменением угла подъема ленточной резьбой.

Механические форсунки подают топливо в пространство, совпадающее с ко­нусом распыливания (рис. 35, а), а пнев­матические — в .центр факела (рис. 35, б), причем по периферии его располага­ются более мелкие фракции, что являет­ся преимуществом этих форсунок.

Для сжигания газообразного топлива используются горелки. Так как объемные расходы газообразного топлива велики, велики и размеры горелок. На рис. 36, а — в показаны горелки, отличающиеся способом перемешивания газа и воздуха.

Горелки всех типов, имеют, внутреннюю 2 и наружную 3 частя корпуса, в кольцевое пространство .между которыми подается воздух. Газ поступает через полость 1. Выходит воздух из горелок между лопатками 4. В схеме, показанной на рис. 36, а, газ поступает внутрь лопаток, выходит из них через открытую заднюю кромку, и перемешивается с воздухом. В схемах, показанных на рис. 36, б, в, газ соответственно выходит через отверстие в боко­вой поверхности лопаток и через отверстия 8.

Обычно в горелки встраивают форсунки 6, которые позволяют использовать также жидкое топливо.

Рис. 35. Плотность оро­шения механическими (о) и пневматическими (б) форсунками

/ § 7. Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты служат в ГТУ для подогрева и ох­лаждения воздуха и масла. По способу передачи теплоты от од­ного теплоносителя к другому теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплоносители постоянно разделены твердой стенкой, а в регенеративных одни и те же поверхности поочередно омываются горячим и холодным теплоносителем.

Регенераторами ГТУ являются теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева воздуха после компрессора теп­лотой газов,, уходящих из турбины. Регенераторы ГТУ могут быть рекуперативного и регенеративного типов. В настоящее время наиболее часто используют трубчатые и пластинчатые регенерато­ры рекуперативного типа и вращающиеся регенеративного.

В трубчатом противоточном теплообменнике рекуперативного типа (рис. 37) к цилиндрическому корпусу / крепятся трубные доски 3, в которых закреплены трубки 6, образующие трубный пучок.

Выход газа

Вход газа

Рис. 37. Трубчатый регенератор рекуперативного типа:

/ — корпус, 2, 8 — входной и выходной патрубки газа,

3 — трубные доски, 4 — крышки, 5 — компенсатор, 6 — трубки, 7 — разделитель

Трубные доски закрыты крышками 4. Воздух после ком­прессора проходит внутри трубок. Навстречу ему снаружи трубки омывает газ, подаваемый после турбины в регенератор через па­трубок 8. Охлажденный газ выбрасывается в атмосферу через патрубок 2.

Этот регенератор одноходовой как по газу, так и по воздуху. Чтобы не увеличивать гидравлического сопротивления за турбиной, регенераторы ГТУ по газу всегда выполняются одноходовыми.

По воздуху они могут быть двух-, трех- и четырехходовыми. В трехходовом регенераторе (рис. 38) воздух совершает два по­ворота, проходя каждый раз через одну треть трубок. После ре-_v генератора нагретый воздух направляется в камеру сгорания.

В пластинчатых регенераторах в качестве поверхностей, раз­деляющих теплоносители, используются тонкие пластины различ­ной формы, которые собирают в пакеты, имеющие места для под­вода и отвода теплоносителей. Расположение пластин в набивке показано на рис. 39. Газ проходит по двухугольным каналам /, а воздух — волнообразным каналам 2. Пакет, собранный из плас­тин, показан на рис. 40. Каналы между пластинами расположены гак, что газ проходит пакет на­прямую, а воздух совершает два поворота.

В пластинчатом регенераторе (рис. 41) пакеты 1 располагают­ся по три в двух вертикальных колоннах, разделенных камерой 3. Для подвода и отвода воздуха в корпусе 2 регенератора имеют­ся патрубки 4 к 6. Конструкция корпуса такова, что воздух мо­жет попасть из патрубка 4 толь­ко в камеру 3, где он распреде­ляется по всем пакетам. После выхода из пакетов воздух попадает только в патрубок 6.

выход газа'

Выход воздуха

Рис. 38. Трехходовой регенератор ре­куперативного типа: /, 4 — выходной и входной патрубки воз­духа, 2— трубный пучок, 3, в — выходной и входной патрубки газа, 5 — корпус, 7 — трубные доски

Газ входит в набивку с торцовой по­верхности регенератора, образованной пакетами 1. Вход в камеру 3 преграждает обтекатель 7. ^Пластинчатые теплообменники гораз­до компактнее и легче трубчатых.

Вращающиеся регенераторы используются в основном в транс­портных ГТУ. Схема регенератора с вращающимся диском показана на рис. 42. В корпусе У медленно вращается диск 2, состоящий из вала 3, опирающегося на подшипники 4, и набивки, изго­товленной из путаной проволоки.

Воздух

Рис. 39. Расположение пластин в набивке регенератора:

/ — двухугольные каналы, 2 — волно­образные каналы

Вход газа

Выход газа

Рис. 40. Пакет регенератора

Газ и воздух проходят парал­лельно друг другу, разделенные перегородкой 5 в корпусе /. Про­ходя поток воздуха, набивка остывает, а поток газа нагревается. Вращающиеся теплообменники наиболее компактны и легки. Однако они имеют недостаток: невозможно полностью избежать утечек газа и воздуха, так как небольшая часть их вместе с на­бивкой постоянно переносится из одной камеры в другую.

Рис 41. Пластинчатый регенератор:

1-пакет, 2 —корпус. 3 — воздушная камера, 4, 6 — патрубки для входа и выхода воздуха, 5 — перегородка, 7 — обтекатель

Рис 42. Регенератор с вращающим­ся диском:

/ — корпус, 2 — диск с набивкой, 3 — вал, 4 — подшипники, 5 — перегородка

Воздухоохладители предназначены для охлаждения воздуха в процессе сжатия его в компрессоре.

Маслоохладители служат для охлаждения масла, идущего на смазку подшипников турбины и компрессора. Охладителем служит вода, а иногда воздух.

Воздухо- и маслоохладители представляют собой трубчатые теплообменники. Обычно по воздуху они выполняются одноходовыми, по воде — двухходовыми, а по маслу — многоходовыми.