Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины

 

Изобретение предназначено для сжигания природного газа в камере сгорания энергетической установки. Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины содержит жаровые трубы, каждая из которых соединена с топливной форсункой и с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами. Стенка жаровой трубы на выходе выполнена гофрированной и скреплена с лобовой стенкой, расположенной на выходном торце жаровой трубы и выполненной с фланцем, охватывающим выступы гофрированной стенки. Гофрированной стенкой образованы по периметру чередующиеся в окружном направлении продольные каналы. Вход всех каналов расположен выше по потоку от лобовой стенки, при этом выход одних совпадает с выходным торцом жаровой трубы, а выход других направлен против потока. Лобовая стенка соединена с газосборником с возможностью перемещения вдоль оси жаровой трубы. Продольные каналы в каждой из жаровых труб выполнены с углом закрутки относительно оси жаровой трубы. Такое выполнение камеры сгорания обеспечивает устойчивое горение и уменьшает концентрацию оксидов азота в отработавших газах турбины. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к трубчато-кольцевым камерам сгорания газовых турбин энергетических установок, работающих преимущественно на сжатом природном газе с малой концентрацией оксидов азота в отработавших газах турбины.

Известна камера сгорания со ступенчатым горением, включающая в себя коаксиальную трубчатую конструкцию, состоящую из наружного цилиндра и коаксиально расположенного с ним внутреннего цилиндра, при этом внутренний цилиндр по длине короче наружного и располагается в зоне горения на участке восходящего потока, в осевом направлении, и образует кольцевую зону, ограниченную собственной стенкой и стенкой наружного цилиндра. В стенке наружного цилиндра, которая охватывает внутреннюю кольцевую часть внутреннего цилиндра, выполнен ряд отверстий, а на расстоянии, не меньшем чем диаметр этого наружного цилиндра, располагается еще один ряд воздухоподводящих отверстий в направлении вниз по потоку относительно первых воздухоподводящих отверстий [1] .

Недостатками известной камеры сгорания являются увеличенные осевые габариты жаровой трубы вследствие ступенчатого горения и малый ресурс работы жаровых труб из-за выполнения воздухоподводящих отверстий в ее стенках с втулками. Такое выполнение воздухоподводящих отверстий в стенках жаровых труб, особенно при наличии вращения в набегающем потоке, приводит к увеличенным перепадам статического давления вокруг втулок и обычно способствует более быстрому прогоранию мест крепления, уменьшая ресурс жаровых труб. Известная конструкция предусматривает впрыск воды и предназначена главным образом для выносных камер сгорания газотурбинных установок. Однако в случаях использования авиационных газотурбинных двигателей для наземных энергетических установок существует техническая задача обеспечения устойчивого экономичного горения с минимальной концентрацией оксидов азота в отработавших газах турбины при сжигании природного газа.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция камеры сгорания авиационного двухконтурного турбореактивного двигателя Д-30, состоящая из жаровых труб, соединенных с топливными форсунками и с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами. В известной камере газосборник выполнен в виде отдельных секций, составляющих раздельные в кольцевом направлении полости горения жаровых труб [2].

Известная камера сгорания имеет следующий недостаток. Фронтовое устройство и жаровая труба охлаждаются вторичным воздухом, который проходит далее в жаровую трубу через ряды мелких отверстий и кольцевые щели, расположенные несколькими поясами по длине жаровой трубы. Кольцевые щели более эффективно, чем отверстия, защищают стенки жаровой трубы (сплошной пеленой), однако они пропускают значительное количество воздуха, увеличивая α_г - коэффициент избытка окислителя, равный отношению действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива. Этот воздух снижает температуру зоны горения, не участвуя в окислении топливного газа, так как вблизи стенок жаровой трубы почти нет топливного газа, что снижает полноту сгорания и увеличивает выбросы оксидов азота и углерода. Кроме того, это снижает возможность использования известной камеры сгорания для газотурбинных энергетических установок при сжигании природного газа из-за превышения норм выбросов вредных веществ.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении устойчивого экономичного горения с малой концентрацией оксидов азота в отработавших газах турбины при сжигании природного газа в камере сгорания газотурбинной установки путем достижения полноты его сгорания выше 99% на рабочих режимах.

Сущность технического решения заключается в том, что в трубчато-кольцевой камере сгорания газовой турбины, содержащей жаровые трубы, каждая из которых соединена с топливной форсункой и с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, согласно изобретению стенка жаровой трубы на выходе выполнена гофрированной и скреплена с лобовой стенкой, расположенной на выходном торце жаровой трубы, при этом гофрированной стенкой образованы по периметру чередующиеся в окружном направлении продольные каналы, вход всех каналов расположен выше по потоку от лобовой стенки, при этом выход одних совпадает с выходным торцом жаровой трубы, а выход других направлен против потока, причем лобовая стенка выполнена с фланцем, охватывающим выступы гофрированной стенки жаровой трубы, и соединена с газосборником с возможностью перемещения вдоль оси жаровой трубы. Продольные каналы в каждой из жаровых труб выполнены с углом закрутки относительно оси жаровой трубы..

Принцип организации горения в предлагаемой камере сгорания заключается в том, что при обеспечении лавинной активации горения с возникновением цепных реакций (кинетического горения) предварительно перемешанной обогащенной смеси, концентрация NO_x, CO и HC в продуктах сгорания почти на порядок ниже, чем при горении диффузионного факела, в основе которого лежит теория тепловой активации молекулярных связей. Первичная зона богатого горения ( α_г = 0,5 - 0,7) снижает температуру газов за счет устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках жаровых труб. В зоне продольных каналов, образованных гофрированной стенкой жаровой трубы, смесь резко обедняется и сгорает в зоне торможения и обратных токов, образованных на выходной стороне продольных каналов при α_г = 1,8-2,2 с образованием зон лавинной активации горения, что многократно повышает скорость и температуру зон горения, обеспечивая полноту сгорания до 99,9%. При этом зоны кинетического горения смешиваются с вторичным воздухом в зонах торможения потока смеси, что способствует рециркуляции тепла и стабилизации пламени, а кроме улучшения смешения позволяет также обеспечить снижение температуры на входе в турбину при меньшей длине камеры сгорания за счет увеличения траектории частиц продуктов сгорания.

Выполнение стенки жаровой трубы на выходе гофрированной позволяет образовать по ее периметру продольные каналы для подвода вторичного воздуха и создания зон торможения потока обогащенной смеси первичной зоны богатого горения и одновременно подвода к ней вторичного воздуха. При этом стенки жаровой трубы выполняют одновременно функции смесителя и стабилизатора пламени. Это многократно увеличивает скорость перемешивания продуктов сгорания первичной зоны богатого горения. Гофрированная поверхность жаровой трубы позволяет также увеличить площадь перекрываемого поперечного сечения жаровой трубы камеры сгорания, что улучшает отвод тепла, способствует образованию вихрей, зон торможения первичной зоны богатого горения, рециркуляции тепла и стабилизации пламени. Это снижает выбросы несгоревших компонентов в атмосферу. Возможность предложенной конструкции жаровой трубы обеспечивается пониженной температурой газов (T = 750 K) первичной зоны богатого горения при работе, например, на сжатом природном газе.

Скрепление гофрированной стенки жаровой трубы с лобовой стенкой, расположенной на выходном торце жаровой трубы, позволяет тормозить воздушный поток, охватывающий жаровые трубы по периметру трубчато-кольцевой камеры сгорания, обеспечить дополнительное повышение давления за счет динамического напора и направлять его более эффективно во внутренние полости жаровой трубы для обеспечения протекания разветвляющихся цепных реакций горения топливо-воздушной смеси.

Расположение входа всех чередующихся в окружном направлении продольных каналов выше по потоку от лобовой стенки, а выхода одних совпадающим с выходным торцом жаровой трубы позволяет использовать зону давления, повышенного за счет динамического напора перед лобовой стенкой, для направления большего объема вторичного воздуха в зону торможения первичной зоны богатого горения, что повышает полноту сгорания зоны кинетического горения, а также улучшает смешение и охлаждение зоны кинетического горения с большим объемом вторичного воздуха, что снижает температуру на входе в турбину.

Выполнение в жаровой трубе чередующихся в окружном направлении продольных каналов с выходом против потока, т.е. навстречу фронту диффузионного факела пламени первичной зоны богатого горения α_г= 0,5-0,7), позволяет направить часть воздушного потока навстречу пламени, это инициирует возникновение лавинообразной активации горения с возникновением цепных реакций, что многократно увеличивает скорость горения.

Выполнение лобовой стенки с фланцем, охватывающим выступы гофрированной стенки жаровой трубы, позволяет стабилизировать на выходе из жаровой трубы поток продуктов горения, не допустить проскоков пламени и улучшить технологичность скрепления лобовой стенки и выступов гофрированной стенки жаровой трубы.

Соединение лобовой стенки с газосборником с возможностью перемещения вдоль оси жаровой трубы обеспечивает демпфирование механических напряжений, вызванных термическими деформациями более и менее нагретых частей жаровой трубы и газосборника, что увеличивает ресурс работы камеры сгорания.

Выполнение в каждой из жаровых труб продольных каналов с углом закрутки относительно оси жаровой трубы повышает скорость течения вторичного воздуха в зону торможения и обратных токов, образованную за выходом продольных каналов, что улучшает процесс смешения, а также позволяет многократно увеличивать траекторию частиц продуктов сгорания и вторичного воздуха при закрутке в газосборнике, что снижает выбросы вредных веществ в атмосферу.

На фиг. 1 изображена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания вдоль оси жаровой трубы; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 (гофрированная стенка с продольными каналами); на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2 (продольный канал по потоку и крепление выступов с фланцем и лобовой стенкой); на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 2. (продольный канал против потока и крепление выступов с фланцем и лобовой стенкой).

Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины содержит жаровые трубы 1, каждая из которых соединена с топливной форсункой 2 и с газосборником 3, скрепленным с внешним корпусом 4 и внутренним корпусом 5. Стенка 6 жаровой трубы 1 на выходе 7 выполнена гофрированной и скреплена с лобовой стенкой 8, расположенной на выходном торце 9 жаровой трубы 1. При этом гофрированной стенкой 6 образованы по периметру чередующиеся в окружном направлении продольные каналы 10 и 11. Вход 12 всех каналов 10 и 11 расположен выше по потоку воздуха 13 от лобовой стенки 8 на длине L1. Выход 14 одних каналов, например 10, совпадает с выходным торцом 9 жаровой трубы 1. Выход 15 других каналов, например 11, направлен против потока воздуха 13, навстречу факелу пламени 16 первичной зоны богатого горения. Стрелкой 17 показано направление потока воздуха 13 при прохождении его через канал 11, а поз. 18 - ось жаровой трубы 1. При этом лобовая стенка 8 выполнена с фланцем 19, охватывающим выступы 20 гофрированной стенки 6 жаровой трубы 1 по пояску Д1, и соединена с газосборником 3 с возможностью телескопического перемещения вдоль оси 18 жировой трубы 1 по пояскам Д2 и ДЗ. Кроме того, на фиг. 2 показан вариант соединения лобовых стенок 8 в каждой из жаровых труб 1 между собой по радиальным пазам 21 и 22. Продольные каналы 10 и 11 в каждой из жаровых труб 1 могут быть выполнены с углом закрутки относительно оси 18 жаровой трубы 1, такой вариант на фиг. не показан. Угол закрутки продольных каналов составляет обычно от 30 до 45^o.

Трубчато-кольцевая камера сгорания работает следующим образом.

При запуске энергетической установки сжатый природный газ подается через топливную форсунку 2. Далее смешивается потоком воздуха 13, закрученного лопатками радиального завихрителя, и воспламеняется во внутренней полости жаровой трубы 1, образуя факел 16 диффузионного горения обогащенной (α_г= 0,5 - 0,7) топливо-воздушной смеси. В первичной зоне богатого горения (α_г= 0,5 - 0,7) температура газов пониженная (T = 750 K) за счет устранения подмешивания воздуха на внутренних стенках жаровой трубы 1. При этом другая большая часть воздушного потока 13 направляется на вход 12 каналов 10 и 11, расположенных выше по потоку воздуха 13 от лобовой стенки 8. Струи воздуха 17, вытекающие из каналов 11, направляются навстречу фронту диффузионного факела пламени. 16 и способствуют возникновению лавинообразной активации горения с возникновением цепных реакций. При этом многократно возрастает скорость горения и повышается температура продуктов сгорания (от 750 до 1990 K), а смесь продуктов сгорания резко обедняется до α_г = 1,8 - 2,2 и тормозится воздушным потоком за выходными сечениями каналов 10, образующими зоны смешения и стабилизации зон горения. При этом повышенная температура зон кинетического горения снижается путем интенсивного разбавления продуктов сгорания вторичным воздухом, подаваемым через продольные каналы 10. Лобовые стенки 8 всех жаровых труб при этом имеют возможность телескопического перемещения вдоль осей жаровых труб, т.е. вдоль газосборника 3, устраняя термические напряжения, вдоль продольных осей 18 жаровых труб 1, вызванные различными перемещениями более и менее нагретых частей жаровых труб относительно мест их крепления к внешнему корпусу 4 камеры сгорания. При выполнении продольных каналов 10, 11 в каждой из жаровых труб 1 с углом закрутки относительно оси 18 жаровой трубы 1 многократно увеличивается траектория движения частиц продуктов сгорания. Это дополнительно увеличивает время горения продуктов сгорания и позволяет снизить поле температур до безопасного для турбины значения при разбавлении потока продуктов сгорания вторичным воздухом.

Предлагаемая конструкция камеры сгорания обеспечивает устойчивое экономичное горение с пониженной более чем в 10 раз концентрацией оксидов азота в отработавших газах турбины при сжигании природного газа в газотурбинной энергетической установке.

Формула изобретения

1. Трубчато-кольцевая камера сгорания газовой турбины, содержащая жаровые трубы, каждая из которых соединена с топливной форсункой и газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, отличающаяся тем, что стенка жаровой трубы на выходе выполнена гофрированной и скреплена с лобовой стенкой, расположенной на выходном торце жаровой трубы, при этом гофрированной стенкой образованы по периметру чередующиеся в окружном направлении продольные каналы, вход всех каналов расположен выше по потоку от лобовой стенки, при этом выход одних совпадает с выходным торцом жаровой трубы, а выход других направлен против потока, причем лобовая стенка выполнена с фланцем, охватывающим выступы гофрированной стенки жаровой трубы, и соединена с газосборником с возможностью перемещения вдоль оси жаровой трубы.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что продольные каналы в каждой из жаровых труб выполнены с углом закрутки относительно оси жаровой трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4