6.5 - Экспериментальная доводка КС

В связи с отсутствием в настоящее время надежных аналитических методик расчета КС из-за сложности протекающих в них рабочих процессов, важная роль в их разработке отводится экспериментальным работам.

Доводка характеристик КС, кроме испытаний на двигателе, производится на специальных стендах

èустановках в модельных и натурных условиях. Существующие экспериментальные стенды

èустановки можно разделить на следующие:

-установки для аэродинамических продувок элементов КС;

-установки для гидравлических проливок топливной аппаратуры;

-установки для огневых испытаний элементов КС.

На установках для аэродинамических продувок определяются расходы воздуха:

-через систему охлаждения жаровых труб

èгазосборников;

-через ФУ жаровых труб;

-через систему охлаждения свечей зажигания

èкожухов обдува топливных форсунок.

На установках для гидравлических проливок определяются:

-гидравлические характеристики топливных форсунок (расходная характеристика, угол конуса распыла, качество распыла, наличие струй в факеле распыла);

-гидравлические характеристики топливной арматуры.

Огневые испытания на одногорелочном отсеке, имитирующем сектор КС с одной горелкой (см. Рис. 6.5_1), позволяют:

-выполнять оценку герметичности форсунок при работе в нагретом состоянии;

-определять пусковые характеристики КС;

-выполнять оценку теплового состояния элементов КС, в том числе жаровых труб с измерением температур как обычными термопарами, так

èс использованием метода термоиндикаторных красок. Последний метод обеспечивает быстрые наглядные показания пиковых температур и изотермического распределения (пример использования термоиндикаторных красок приведен на Рис. 6.5_3);

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 6.6_1 - 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. 6.6_1.

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. 6.6_2 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 6.6_2 - Выносная КС фирмы General Electric [6.9.21]

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

ство; 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. 6.6_3 дана «диаграмма» применяемости различных 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 6.6_1 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 6.6_1 приведены виды нормируемых вредных выбросов и их уровень в соответствии с действующими в настоящее время

âРоссии стандартами для ГТУ.

Âряде случаев ГТД, укладываясь в нормы ГОСТов, не обеспечивают предельно-допустимые концентрации (ПДК) на местности в рабочей [6.9.25] и жилой [6.9.26] 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 (ката-

литическое 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 са-

мовоспламенение топлива в зоне предварительного 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. 6.6_4). 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. 6.6_5. 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 расположен-

По мнению Rolls-Royce, последовательное расположение зон имеет ряд преимуществ по сравнению с параллельным расположением:

-первая по потоку зона (дежурная) обеспечи- вает необходимую огневую поддержку для начала реакции во второй зоне (основной);

-процессы во второй зоне не оказывают отрицательного воздействия на горение в первой;

-за счет поддержания постоянной температуры в первой зоне, обеспечивается устойчивое горение в основной зоне независимо от переходных режимов ГТД и условий на входе в КС.

Примером параллельного расположения зон горения при организации схемы LPP может служить КС двигателя LM-6000 фирмы General Electric, приведенная на Рис.6.6_6. Фронтовое устройство этой камеры состоит из трех кольцевых рядов горелок 1, разделенных кольцевыми перегородками 2. Внешняя 3 и средняя 4 кольцевые зоны имеют по 30 горелок каждая, внутренняя кольцевая зона 5 – 15 горелок. Такое расположение 75 горелок облегчает поэтапную подачу топлива при работе двигателя на режимах частичной нагрузки. Кроме этого, большое число горелок способствует

созданию однородного температурного поля перед первым сопловым аппаратом турбины 6. Горелки каждой зоны имеют собственный канал подачи топливного газа 7. КС имеет укороченный диффузор 8 с разделительными перегородками. Крепление жаровой трубы осуществляется с помощью кронштейна 9. С целью повышения эффективности конвективного съема тепла со стенок жаровой трубы предусмотрены наружный 10 и внутренний 11 дефлекторы. Для удобства сборки и технического обслуживания наружный корпус 12 выполнен разъемным.

Схема горелки приведена на Рис. 6.6_7. Воздух проходит через внутренний 1 (5 лопаток) и внешний 2 (10 лопаток) завихрители, закручивающие его

âпротивоположных направлениях. Получающийся турбулентный поток интенсивно смешивает топливо (природный газ) и воздух. Обратная закрутка делается для устранения возможности формирования зон обратных токов в приосевой зоне горелки. С этой же целью внутри горелки размещается центральное тело 3. Топливо из коллектора подается

âзакрученный воздушный поток через отверстия 4, расположенные на выходной кромке лопаток завих-

Рисунок 6.6_10 - Схема двухконусной горелки EV [6.9.32] 1 - диффузионная форсунка;

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

горения. Через две щели на противоположных сторонах 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. 6.6_11. В ней имеются три канала для подвода газа: 1 - на диффузионную форсунку, 2 - на гомогенную фор-

Рисунок 6.6_11 - Схема гибридной горелки фирмы Siemens [6.9.33]

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 фор-

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

сунку и 3 - на работающую с ней дежурную форсунку, 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 пре-

дусмотрен подвод 7 воды или пара, осуществляемый 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 от-

крыты. При повышении нагрузки до 0,5NÍÎÌ. Отверстия вторичного воздуха перекрываются, пос-

ле 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. 6.6_12).

В первой зоне 1 формируется горение «богатой» ТВС с коэффициентом избытка воздуха αÊÑ = 0,6…0,8. В эту зону подается все топливо 2, а необходимое соотношение топлива к воздуху обеспечивается подачей воздуха 3. Ввиду недостат-

Рисунок 6.6_12 - Схема жаровой трубы, работающей по принципу RQQL

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

ка свободного кислорода и низкой температуры 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 αÊÑ ≈ 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

изменение коэффициента избытка воздуха позволяет обеспечить устойчивое горение во всем рабочем диапазоне ГТД и, в то же время, получить низкие выбросы вредных веществ.

В случае применения воды или пара для снижения уровня выбросов NОx КС должна иметь «запас» по полноте сгорания с тем, чтобы впрыск влаги не привел к недопустимому росту выбросов СО и СН или срыву пламени. Отсюда следует, что впрыск воды (пара) в камеру, работающую на бедной гомогенной смеси по концепции LPP, нецелесообразен. Он применяется, как правило, при сжигании околостехиометрических ТВС в диффузионном режиме. Для получения выбросов NОx на уровне 50 мг/нм3 расход пара должен составлять не менее 100…150 % от расхода топлива. При впрыске воды, в соответствии с тепловым балансом, ее требуется в 1,62 раза больше по сравнению с паром для достижения одинакового эффекта по снижению NОx. Так как впрыск воды или пара подавляет образование NOx по термическому механизму, очень важно для уменьшения расхода воды (пара) подавать ее в область максимальных температур вместе с топливом. Очевидно, что луч- ший способ добиться желаемого – это подготовить

èсжечь водно-топливную эмульсию.

Êнедостаткам способа с впрыском воды (пара) можно отнести:

- снижение ресурса из-за возникающих пульсаций давления в камере и высокого градиента термических нагрузок, особенно при впрыске воды; - усложнение конструкции ГТД (иногда требуются изменения первого соплового аппарата турбины с целью повышения его пропускной способ-

ности); - значительные эксплуатационные расходы,

связанные с качественной подготовкой воды (жесткость не более 0,005 мгэ/л). Дорогостоящая вода затем безвозвратно теряется вместе с выхлопными газами.

Несмотря на указанные недостатки, способ подачи воды или пара в КС широко используется в ГТД многих фирм, особенно за рубежом.

Перспективным направлением в решении проблем по снижению выбросов вредных веществ является разработка каталитических КС. С их помощью можно получить ультранизкие выбросы. Так, на фирме General Electric в стендовых условиях при параметрах, характерных для двигателей серии F были получены выбросы: NОx = 0,5 ppm; CO = 0,8 ppm; HC = 1,7 ppm.

Работы по каталитическим КС проводятся уже длительное время практически на всех фирмах, занимающихся разработкой ГТД. Некоторые

Рисунок 6.6_14 - Экономичность различных методов снижения NОx в промышленных ГТД [6.9.34] 1- каталитическая КС; 2 - впрыск

воды; 3- впрыск пара; 4- сжигание по схеме LPP; 5- сжигание по схеме LPP+селективная каталити- ческая азотоочистка продуктов сгорания

из этих камер находятся в стадии натурных испытаний или опытной эксплуатации (ГТД 501 фирмы Allisson, ГТД Frame-9E (PG9171E) фирмы Pratt&Whitney совместно с фирмой «Catalytic», ГТД M1A-13A фирмы Kawasaki и др). Разработ- чики считают, что применение каталитических систем приведет к уменьшению капитальных

èэксплуатационных затрат (см. Рис. 6.6_14). Использование катализа позволяет получать в натурных условиях выбросы NOx менее 12 мг/нм3, à ÑÎ

èСН - менее 7 мг/нм3. Так как широкое коммер- ческое применение каталитических КС сдерживается их ограниченным ресурсом, то основные работы в настоящее время ведутся по оптимизации конструкции каталитической камеры и по увели- чению ресурса катализатора и повышению температуры его работы. Конструктивная схема каталитической КС и принцип ее работы приведены в разделе 6.3.4.

Проблема высокого ресурса жаровых труб ГТД наземного применения при дефиците воздуха, идущего на охлаждение, решается, как правило, применением высокоэффективных конструкций систем охлаждения с использованием теплозащитного