§ 23. Общие сведения о процессе горения

Горение топлива в камере сгорания ГТУ происходит в смеси с воздухом. При этом протекает химическая реакция окисления го­рючих компонентов топлива. Окислителем служит кислород, которого в воздухе при нормальных условиях содержится примерно 21% по объему. При соединении кислорода с углеродом, водоро­дом и серой топлива образуются соответственно углекислый газ, водяной пар и диоксид серы:

С-т-О_а = СО₂; 2Н₂ + О_а = 2Н_аО; S + О₂- SO₂.

Чтобы эти реакции прошли полностью, необходимо определен­ное количество кислорода. Так как топливо в камере сгорания ГТУ смешивается не с чистым кислородом, следует определить количе­ство воздуха, в котором содержится требуемое количество кисло­рода. Необходимое для полного сжигания 1 кг топлива количество воздуха (кг/кг), называемое стехиометрическим количеством, оп­ределяют по формуле

L_o = (1 + 76,8/23,2) (0,01 ■ 2,67С + 0,01 • 8№ + 0,01 S* —0,010?).

При полном окислении всех компонентов и отсутствии потерь горение происходит при наибольшей для данного топлива температуре. Обычно действительная температура горения ниже максимальной, так как воздух в зону горения подается с небольшим избытком, не до конца сгорают отдельные компоненты и из-за процессов диссоциации небольшая часть теплоты не выделяется. С ростом температуры топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, температура горения увеличивается.

Если топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии и тщательно перемешаны, такую смесь называют гомогенной. '/

Если топливо и окислитель находятся в разных фазах (например, жидкость и газ), такую смесь называют гетерогенной. Горение гомогенной и гетерогенной смесей происходит по-разному. Все про­цессы горения, присущие гомогенной смеси, являются частью про­цессов, происходящих в гетерогенной.

Химическая реакция горения идет с вполне определенной ско­ростью. Скоростью гомогенной реакции называют количество ве­щества, реагирующего в единице объема в единицу времени. Так как обеспечить самопроизвольное горение смеси одновременно во всем объеме невозможно, то в камерах сгорания применяют вос­пламенение от постороннего источника.

Слой определенной толщины, в котором происходят процессы, предшествующие химической реакции горения и собственно хими­ческая реакция горения, называют фронтом пламени. В неподвиж­ной гомогенной смеси фронт пламени распространяется с опреде­ленной скоростью, которая, в основном, зависит от скорости хи­мической реакции.

§ 24. Сжигание топлива в камере сгорания

Материалы, из которых изготавливают камеры сгорания стационарных ГТУ, должны быть дешевыми. Кроме того, камеры сго­рания должны обеспечивать возможность работы -на разных топливах (газообразном и жидком, легком и тяжелом) и полной автоматизации ГТУ, а также быть экономичными и надежными. j/* Экономичность камер сгорания оценивается коэффициентом полезного действия т1кс, который зависит от гидравлических потерь и полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива характе­ризуется термическим коэффициентом полезного действия камеры сгорания т]*кс» а гидравлические потери — гидравлическим кпд т)^г_кс-Эти кпд связаны между собой следующим соотношением:

Термический кпд, или коэффициент полноты сгорания,

W = (ft —V»Vft,

где qi — количество теплоты, выделяющееся в единицу времени при полном сгорании топлива без потерь; <?з — потери теплоты.

Потери теплоты в камере сгорания складываются из потерь в окружающую среду и потерь, связанных с несовершенством про­цесса сгорания топлива. Для уменьшения первых-потерь камеры сгорания изолируют. Как правило, эти потери невелики. Вторые потери возникают из-за недожога и они складываются из потерь на физический и химический нёдожог:

,"' Любое топливо горит в газообразном состоянии (жидкое — после так называемой газификации, предшествующей собственно

реакции горения). Одной из причин физического недожога жидко­го топлива является неправильно организованный процесс горе­ния, при котором оно не успевает газифицироваться, перемешать­ся с окислителем и уносится из зоны горения. Другой причиной физического недожога является термическое разложение топлива при недостатке кислорода. В этом случае топливо разлагается на летучие фракции и углерод, образующий¹ вместе с золой твердые частицы.

Физический недожог не только снижает экономичность камер сгорания, но и влияет на их надежность. Наличие твердых несгоревших частиц вызывает эрозию проточной части турбины. При этом липкая зола нарастает на лопатках турбины, в результате чего снижаются ее мощность и кпд, а также появляется небаланс ротора Возникающие иногда отложения в самой камере сгорания приводят к неравномерному нагреву пламенных труб, их коробле­нию и растрескиванию, а отрывы наростов могут повредить про­точную часть турбины.

Химический недожог связан с недостаточным временем пребы­вания газа в зоне горения, т. е. при этом не успевает произойти химическая реакция горения. Химический недожог возникает при недостаточной длине камеры сгорания и переохлаждении ее от­дельных участков, а также при низкой температуре горения и др. " Полнота сгорания топлива зависит от температуры в зоне го­рения и давления в камере сгорания.

При определенной температуре термический кпд достигает максимального значения. Повышение температуры в камере сго­рания увеличивает скорости испарения И'горения топлива и со­кращает период его воспламенения. До определенной температуры термический кпд т)*_кс растет. Дальнейшее повышение температуры снижает его, так как усиливаются процессы диссоциации СО₂ и Н₂О, при которых теплота поглощается. При увеличении давления в камере сгорания термический кпд растет, так как увеличивается скорость горения.

Гидравлический кпд камер сгорания оценивают по потерям полного давления/

где £нс=Ар*/Рв* — относительная потеря полного давления в ка­мере сгорания; р_в* и Ар*=/>„*— рг* — полное давление воздуха на входе в камеру сгорания и на выходе из нее.

Гидравлические потери р_т обусловлены: трением потока о стен­ки камеры сгорания; турбулентными потерями; потерями на сме­шение потоков; потерями давления вследствие подвода теплоты. В среднем для современных камер сгорания |кс=1-т-3%..

Полный кпд камер сгорания колеблется в пределах 0,92—0,98.

Элементы, из которых собирают камеры сгорания, должны иметь достаточный срок службы. Наиболее слабым элементом ка­мер сгорания являются пламенные трубы. Правильная организация процесса горения, выбор материалов и конструкции камер сгорания должны обеспечивать их надежность.

Для надежной работы лопаток газовых турбин распределение температур газа за камерой сгорания должно быть достаточно равномерным. Допускается относительная неравномерность

ЬТ = ^Tmax ~ ^Гш"¹ <0,2-*-0,3,

где Т_тах, Т_т1п и Г_Ср — максимальная, минимальная и средняя тем­пературы газа за камерой сгорания. _г

Допускаемые значения 6 Г зависят от компоновки камер сго­рания и газовых турбин. Так, при наличии длинных и изогнутых газоходов, выравнивающих поток между камерой сгорания и тур­биной, неравномерность температур ЬТ может быть Достаточно большой. При непосредственном соединении газовой турбины с камерой сгорания неравномерность температур должна быть iia- лой.

Помимо высокой экономичности и надежности необходимо, чтобы камеры сгорания были небольших размеров. Габариты ка- мер сгорания зависят от теплонапряженности ее рабочего объема:

где <71=£Фн^рт1*кс (В—расход топлива); V_Kc и рв — рабочий объем -камеры сгорания и давление на входе в нее.

г/ Процесс горения топлива можно разделить на несколько ста-

V дий. При сжигании газообразного топлива это образование смеси, разогрев ее и горение, получение рабочих газов. При сжигании жидкого топлива вначале происходят пирогенное разложение (без доступа кислорода) и испарение капель, а затем процесс горения идет так же, как при использовании газообразного топлива.

До подачи в камеру сгорания топливо соответствующим обра­зом обрабатывают (очищают, подогревают и повышают его дав­ление до необходимого). Затем жидкое топливо через форсунки, а газообразное через горелки подается в камеру сгорания. Время горения топлива определяется временем испарения, смешения,

, /разогрева и протекания химической реакции.

* Для эффективной работы камер сгорания необходимо: разде­ление пространства внутри пламенной трубы на зоны горения и смешения; оптимальное распределение топлива по ее сечению; турбулизация потока в зоне горения; стабилизация фронта пла­мени; организация охлаждения основных элементов. ~— Температура рабочих газов, попадающих в турбину стационар­ных ГТУ,. гораздо ниже температуры горения топлива. Ни одно топливо не будет качественно гореть при низкой температуре из-за неустойчивости процесса горения. Для хорошего горения необхо­димо, чтобы температура в зоне горения была 1600—1-800° С. По­этому рабочий объем камер сгорания условно делят на две зоны — зону горения, куда подаются первичный воздух и топливо, и зону смешения, куда подаются продукты сгорания и вторичный воздух.

Количество подаваемого в зону горения первичного воздуха больше, чем его стехиометрическое количество:

_{где Ql} —величина, называемая коэффициентом избытка первично­го воздуха.

В зависимости от вида топлива и конструкции камер сгорания

Oi= 1,4-7-1,6.

Вблизи от места подачи топлива в пламенную трубу его необходимо перемешивать с первичным воздухом. Для этого поток первичного воздуха делают турбулентным. Турбулизацию, позво­ляющую интенсифицировать процессы массо- и теплообмена, улуч­шить смесеобразование и увеличить скорость горения за счет пе­рехода от ламинарного к турбулентному горению, осуществляют с помощью регистров, плохо обтекаемых тел (конусов), перфори­рованных пластин и др.

Так как в камере сгорания скорость движения потока значи­тельно выше, чем скорости распространения пламени, то для удер­жания пламени в устойчивом положении необходимо иметь источ­ник постоянного зажигания — стабилизатор фронта пламени. В камере сгорания его роль выполняют плохо обтекаемые тела фронтового устройства (завихрители) или дежурные горелки.

Две схемы образования обратных токов показаны на рис. 93, а, б. За конусом (рис. 93, а) создается зона разрежения, в которую из зоны горения подсасываются горячие продукты сгорания. Лопаточный завихритель (рис. 93, б) закручивает поток первич­ного воздуха вокруг оси камеры сгорания. Воздух при этом оттес­няется к стенкам пламенной трубы, а вокруг оси камеры сгорания создается зона разрежения, в которую устремляются горячие про­дукты сгорания.

Топливо подается к внешней границе зоны обратных токов, так как вследствие высокой турбулентности воздушного потока здесь происходит наиболее быстрое перемешивание топлива с пер­вичным воздухом. Горячие продукты сгорания подогревают и ис­паряют свежие порции топлива, а также постоянно поджигают смесь.

Рис. 93. Схемы образования вторичных токов в зоне, горения:

о —с помощью конуса, б — с помощью лопаточного завихрителя (регистра); / — корпус, 2 —

пламенная труба, 3 — регистр