Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 6-6-Osobennosti_KS

6.6 - Особенности КС двигателей наземного применения

Несмотря на то, что основные процессы в КС авиационных ГТД и ГТД наземного применения аналогичны, к последним предъявляется ряд специфических требований. Во-первых, КС ГТД наземного применения должны обладать существенно более высоким ресурсом (межремонтный ресурс ≈ 25 000 часов, общетехнический ресурс - 100 000 часов). Во-вторых, поскольку ГТД назем-

ного применения располагаются, как правило, вблизи населенных пунктов (особенно это относится к электростанциям), к ним предъявляются более жесткие экологические ограничения. В-треть- их - наземные ГТД должны иметь возможность работы на жидких и газообразных топливах самых различных сортов. И в-четвертых - наземные ГТД должны обеспечивать повышенное удобство в техническом обслуживании и высокую ремонтопригодность. В то же время масса и габариты для КС ГТД наземного применения не имеют такого боль-

Рисунок 6.64 - Размещение КС на двигателе ПС-90ГП

шого значения как для авиационных. Пример размещения КС на двигателе ПС-90ГП, предназначенном для привода компрессора перекачки газа, приведен на Рис. 6.64.

В зависимости от назначения ГТД наземного применения, вида используемого топлива, параметров рабочего цикла и тепловой схемы, применяются КС различных конструкций. С точки зрения расположения на двигателе КС можно условно разделить на две группы - выносные и встроенные. Выносные КС размещаются в отдельном силовом корпусе с одной жаровой трубой параллельно или под углом к продольной оси ГТД. На Рис. 6.65 представлена усовершенствованная выносная КС двигателя для ГТУ наземного применения фирмы General Electric.

Здесь каждая жаровая труба 1 имеет наружный силовой корпус 2, который легко отсоединяется от общего корпуса КС. Благодаря этому жаровую трубу можно извлечь и осмотреть, а также можно осмотреть сопловой аппарат первой ступени турбины. Жаровая труба телескопически соединена с газосборником 3, который закреплен с помощью опоры 4. Жаровая труба имеет фронтовое устройство 5 с топливной форсункой 6 и свечу зажигания 7. Для обеспечения равномерной подачи воздуха в жаровую трубу и улучшения условий охлаждения ее стенки предусмотрен дефлектор 8. Часть воздуха 9 после компрессора поступает в жаровую тру-

Рисунок 6.65 - Выносная КС фирмы General Electric

1 - жаровая труба; 2 - наружный корпус (отдельный для каждой жаровой трубы); 3 - газосборник; 4 - опора; 5 - фронтовое устройство;

6 - форсунка; 7 - свеча зажигания; 8 - дефлектор; 9 - воздух после компрессора; 10 - охлаждающий воздух

бу в качестве охлаждающего воздуха 10. Выносные КС с отдельными жаровыми трубами удобно обслуживать и ремонтировать, они проще в доводке, удешевляют разработку различных устройств, уменьшающих образование вредных выбросов. Кроме этого, длинные газосборники между жаровыми трубами и турбиной создают хорошие усло-

вия для перемешивания продуктов сгорания. К недостаткам выносных КС можно отнести большие размеры с развитой поверхностью охлаждения и более сложные условия для компенсации тепловых расширений газосборников.

Встроенные КС позволяют уменьшить общие габариты и массу ГТД, снизить количество модулей. Они имеют один общий корпус и также, как на авиационных двигателях, подразделяются на трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые. На Рис. 6.66 дана «диаграмма» применяемости различ- ных типов КС на современных промышленных ГТД. Наиболее распространены трубчато-кольце- вые и кольцевые КС. Такое положение можно объяснить тем, что в последнее время значительно расширилась номенклатура ГТД наземного применения, созданных путем конвертирования авиационных ГТД с частичным сохранением конструктивной схемы. Целесообразность такого подхода обусловлена возможностью использования богато-

Таблица 6.2 Нормируемые вредные выбросы

го опыта разработчиков авиационных ГТД, приспособленностью конвертируемых ГТД к организации централизованного ремонта, а также возможностью использования узлов и деталей двигателей, отработавших летный ресурс, но пригодных для дальнейшей эксплуатации на земле.

Одной из главных задач, решаемых при создании КС ГТД наземного применения, является обеспечение жестких норм на эмиссию вредных выбросов. В таблице 6.2 приведены виды нормируемых вредных выбросов и их уровень в соответствии с действующими в настоящее время в - России стандартами для ГТУ.

В ряде случаев ГТД, укладываясь в нормы ГОСТов, не обеспечивают предельно-допустимые концентрации (ПДК) на местности в рабочей [6.25] и жилой [6.26] зонах по причине, например, большого количества одновременно работающих ГТД, специфики рельефа местности, розы ветров, близости жилого массива и других факторов. Поскольку ПДК на местности являются главными интегрирующими характеристиками экологической совместимости ГТД с окружающей средой, в этом случае, как правило, нормы концентраций на выхлопе ГТД для данного региона ужесточаются с целью выполнения норм ПДК на местности.

При разработке малоэмиссионных КС ГТД наземного применения основной проблемой является обеспечение низкого уровня выбросов окислов азота NОx. В связи с тем, что NОx начинают образовываться при температуре в зоне горения выше ~1800 К и их уровень экспоненциально увеличивается с ростом температуры, практически все известные методы подавления выбросов NОx так или иначе связаны со снижением этой температуры или с уменьшением объема зон с высокой температурой. К этим методам относятся следующие:

-сжигание обедненных предварительно перемешанных ТВС (схема сжигания LPP –Lean Premixed Prevaporized);

-сжигание по схеме «богатое горение - быстрое разбавление – бедное горение» (схема сжигания RQQL – Rich /Quick Quench/ Lean);

-впрыск в КС воды или пара;

-применение генераторов синтез-газа (каталитическое горение).

Технология горения LPP позволяет достичь уровня эмиссии NОx ≤ 50 ìã/íì3. В то же время

хорошо перемешанные ТВС с α = 1,8…2,0 имеют очень узкий диапазон устойчивого горения. Поэтому КС с организацией горения по схеме LPP требуют решения таких сложных проблем как пульсационное горение, «проскок» пламени и самовоспламенение топлива в зоне предварительно-

го перемешивания. Кроме этого, для обеспечения оптимального состава ТВС в зоне горения независимо от нагрузки двигателя и внешних атмосферных условий требуется многоколлекторная подача топлива с перераспределением топлива между коллекторами и перепуск воздуха в зависимости от режима работы двигателя, а также сложная и дорогостоящая система автоматического регулирования работы КС.

Для повышения устойчивости горения в таких камерах, как правило, организуют дежурную зону, где топливо сгорает в диффузионном пламени. Диффузионное пламя устойчиво, но активно генерирует NOx. Поэтому запуск двигателя и выход на установившийся режим выполняется с использованием дежурной зоны. А на установившихся режимах стараются количество топлива, сжигаемого в диффузионном пламени, снизить до предела устойчивого горения. В качестве примера организации горения по схеме LPP можно привести КС двигателя RB-211-535G фирмы Rolls-Royce (см. Рис. 6.67). Здесь был выбран конструктивный вариант с последовательной подачей топлива и воздуха. С целью обеспечения полного выгорания СО

èСН потребовалось увеличить объем КС примерно в 1,8 раза по сравнению с авиационным прототипом двигателя RB-211. Поэтому вместо кольцевой камеры было решено установить девять радиально расположенных выносных жаровых труб 1 с газосборниками 2. Последние обеспечивают равномерный подвод продуктов сгорания к ТВД 3. Фронтовое устройство жаровой трубы выполнено в виде двойного радиального завихрителя 4 с форсункой 5. Розжиг камеры осуществляется с помощью факельных воспламенителей 6, установленных по одному в головке каждой жаровой трубы. КС имеет укороченный диффузор 7 с разделительной перегородкой. Через полость камеры проходят магистрали с воздушными каналами 8.

Более подробно схема устройства модуля жаровой трубы приведена на Рис. 6.68. На запуске

èнизких режимах работы ГТД топливо подается только в дежурную зону 1 с помощью форсунки 2, создающей обычное диффузионное пламя. Процесс горения практически заканчивается внутри дежурной зоны, что не приводит к резкому «захолаживанию» продуктов сгорания, когда в основную зону 3 не подается топливо, и, следовательно, получаются низкие выбросы СО. С повышением режима в дежурную зону начинает подаваться предварительно перемешанная ТВС. Перемешивание топлива (природного газа) с воздухом осуществляется с помощью двух последовательно расположенных радиальных завихрителей 4. В каждом из завихрителей имеется

Рисунок 6.73 - Схема двухконусной горелки EV [6.32] 1 - диффузионная форсунка;

2 - топливо; 3 - воздух; 4 - природный газ; 5 - отверстия; 6 - вихревая зона

нах конуса по всей его высоте внутрь камеры вводится воздух 3, смешанный с природным газом 4, который поступает из двух коллекторов с мелкими отверстиями 5. В результате закрутки потока возникает вихревая зона 6, обеспечивающая хорошее воспламенение ТВС и стабилизацию фронта пламени на всех режимах работы. Кроме основных горелок, для запуска КС и работы на малых нагрузках используются так называемые «пилотные горелки» аналогичной конструкции, но с постоянным расходом топлива. При сбросе нагрузки основные горелки отключаются, а пилотные остаются в работе и создают условия для быстрого восстановления нагрузки. Горелки EV при работе на природном газе обеспечивают уровень NOx < 50 мг/нм3. Подавление выбросов NOx при работе на жидком топливе осуществляется за счет подачи воды в зону горения. Водо-топливная эмульсия распыляется на вершине конуса и перемешивается с воздухом для сжигания, при этом уровень выбросов NOx составляет ~85 мг/нм3.

Фирма Siemens в процессе отработки технологии снижения эмиссии NОx разработала конструкцию так называемой гибридной горелки для ГТУ большой мощности. Данная горелка устанавливается как на КС с двумя выносными жаровыми трубами башенного типа, например, в ГТД Vx4.2(3), V.64, V.84.2(3), V94.2(3), так и на встроенную кольцевую КС - ГТД Vx4.3A, V.84.3A, V.94.3A (по 24 смоделированных горелки). Устройство гибридной горелки показано на Рис. 6.74. В ней имеются три канала для подвода газа: 1 - на диффузионную форсунку, 2 - на гомогенную форсунку и 3 - на работающую с ней дежурную фор-

Рисунок 6.74 - Схема гибридной горелки фирмы Siemens [6.33]

1 - подвод газа на диффузионную форсунку; 2 - подвод газа на гомогенную форсунку; 3 - подвод газа на дежурную форсунку; 4 - подвод жидкого топлива; 5 - форсунка жидкого топлива; 6 - слив жидкого топлива из форсунки; 7 - подвод воды или пара; 8 - насадок для подачи воды; 9 - насадок для подачи пара; 10 - осевой завихритель; 11 - подача газа из

дежурной форсунки; 12 - подача газа из диффузионной форсунки; 13 - подвод воздуха для смешения с топливом; 14 - подготовленная ТВС; 15 - диагональный завихритель

сунку, стабилизирующую факел и расширяющую диапазон устойчивого горения. Имеется так же канал для подвода жидкого топлива 4. Форсунка 5 жидкого топлива установлена в центре горелки и имеет обратный слив 6. С целью снижения образования NОx при работе на жидком топливе или с диффузионной форсункой на газе, в горелке предусмотрен подвод 7 воды или пара, осуществляе-

мый с помощью соответствующих насадок 8 или 9. В центральной части горелки установлен осевой завихритель 10, благодаря которому улучшается перемешивание воздуха с топливным газом, выходящим из дежурной 11 и диффузионной 12 форсунок, и паром (водой). Подвод воздуха 13 для образования предварительно подготовленной ТВС 14 осуществляется через диагональный завихритель 15. Топливный газ для смешения подается с помощью гомогенной форсунки на вход в диагональный завихритель.

В период пуска ГТД работают дежурные форсунки и часть диффузионных, на которые подается повышенное количество топлива. Подключение гомогенных форсунок происходит при относительной нагрузке ≈ 0,43NÍÎÌ. При этом расход топлива в диффузионной форсунке отключается, а в дежурных форсунках поддерживается на минимально возможном уровне. Чем меньше относительный расход топлива в дежурную зону, тем меньше выбросы NОx. На установившихся режимах работы ГТД относительный расход топлива через дежурную форсунку поддерживается на уровне 3…4 %. При появлении неустойчивости горения в дежурную форсунку подается больше топлива (до 25 %). Дополнительным фактором, позволяющим снизить эмиссию NОx и повысить устойчивость горения, является возможность изменения расхода воздуха через горелки с помощью регулируемого входного направляющего аппарата и поворотного кольца, перекрывающего отверстия вторичного воздуха в жаровой трубе (на выносных жаровых трубах). При включении гомогенных форсунок ВНА прикрыт, отверстия вторичного воздуха открыты. При повыше-

нии нагрузки до 0,5NÍÎÌ. Отверстия вторичного воздуха перекрываются, после чего начинается

открытие ВНА, которое заканчивается при полной нагрузке.

Гибридные горелки фирмы Siemens при работе на природном газе позволяют получать выбросы NОx < 50 мг/нм3 è CO < 12 ìã/íì3.

Технология малоэмиссионного горения по схеме RQQL не требует такой сложной системы автоматического управления КС как схема LPP. В основу схемы RQQL положен метод двухступен- чатого сжигания топлива. Для этого в КС конструктивно организовывают три последовательно расположенные зоны (см. Рис. 6.75).

В первой зоне 1 формируется горение «богатой» ТВС с коэффициентом избытка воздуха

αÊÑ = 0,6…0,8. В эту зону подается все топливо 2,

àнеобходимое соотношение топлива к воздуху обеспечивается подачей воздуха 3. Ввиду недостатка свободного кислорода и низкой температуры

Рисунок 6.75 - Схема жаровой трубы, работающей по принципу RQQL

1 - зона «богатого» горения; 2 - пода- ча топлива; 3 - подвод воздуха в «богатую зону»; 4 - подвод воздуха в зону смешения; 5 - зона «бедного» горения; 6 - продукты сгорания

горения, количество окислов азота, образующихся в первой зоне, невелико.

Во второй зоне продукты неполного сгорания топлива из «богатой» зоны интенсивно смешиваются с большим количеством воздуха 4 (зона резкого разбавления). Смешение продуктов неполного сгорания из «богатой» зоны с «холодным» воздухом понижает температуру и увеличивает коэффициент избытка воздуха в смеси, поступающей в зону 5. В этой зоне происходит горение «бедной» ТВС c коэффициентом избытка воздуха α ÊÑ ≈ 2,0 образовавшейся на выходе из зоны резкого разбавления. Концентрация NOx в продуктах сгорания 6 здесь ограничивается невысокой температурой пламени и малым временем пребывания.

Основной источник образования NOx в схеме RQQL– зона резкого разбавления, в которой возможно образование локальных стехиометрических очагов горения. Поэтому очень важно организовать процесс разбавления таким образом, чтобы перемешивание продуктов сгорания «богатой» зоны с воздухом происходило как можно быстрее и равномерно по всему поперечному сечению жаровой трубы.

Достоинствами схемы RQQL является простота системы регулирования, так как для подачи топлива может быть задействован только один коллектор, и хорошая устойчивость горения во всем диапазоне режимов работы ГТД. К недостаткам этой схемы можно отнести то, что на практике она имеет ограниченные возможности по получению