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) 8 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.

К онструкция камеры сгорания зависит от назначения и схемы ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива.

Рис. 23. Камера сгорания ГТУ.1 — подвод топлива, 2 — регистр, 3 — пламенная труба, 4 — смеситель, 5 — зона смешения, 6 — зона горения, 7 — корпус, 8 — топливораздающее устройство (форсунка)

Вместе с тем существует ряд признаков, по которым можно разделить камеры сгорания ГТУ на несколько типов. 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 ГТУ.

Рис. 24. Газотурбинные установки с выносной (а) и встроенными (б) камерами сгорания:1— компрессор, 2 — турбина, 3 — камера сгорания, 4 — регенератор

Выносные камеры сгорания, чаще всего используемые в стационарных ГТУ и реже — на транспортных (судовых, локомотивных и автомобильных), хорошо компонуются с регенераторами. Расположения выносной камеры сгорания в ГТУ с регенерацией теплоты и встроенной показаны на рис. 24, а, б.

По конструктивным признакам встроенные камеры сгорания могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми и секционными (рис. 25, а-в), а также индивидуальными (см. рис. 23).

Кольцевые камеры сгорания (рис. 25, а) наиболее легки, компактны, используются в простой схеме ГТУ и располагаются между компрессором и турбиной вокруг ротора 2. -

Рис. 25. Встроенные камеры сгорания:

а — кольцевая, б — трубчато-кольцевая, в — секционная; 1,5 — внутренняя и наружная обечайки корпуса, 2 — ротор, 3,4 — внутренняя и наружная обечайки пламенной трубы, 6 — регистры, 7 — патрубки переброски пламени, 8 — 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 погасаний 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 габаритам, однако наиболее удобные при ремонте, так как разборки всех камер сгорания в этом случае не требуется.

Рис. 26. Многогорелочная камера сгорания:

1 — корпус пламенной трубы, 2 —регистры, 3 — каналы для прохода воздуха

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.

Рис. 27. Пламенная труба из обечаек: 1 — обечайки, 2 — регистр, 3 — смеситель, 4 — волнистая лента

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 1, вставленных друг в друга. Между обечайками остается зазор, так как они отделены друг от друга волнистой лентой, приваренной к наружной обечайке контактной сваркой. На рис. 28а, 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 стенку трубы от пламени. 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.

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

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

Теплота 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.