Способ регулирования распределения расхода воздуха

 

Способ может быть использован в двигателестроении, а именно в камерах сгорания газотурбинных двигателей. При максимальной нагрузке гидравлическое сопротивление камеры смешения топливовоздушной смеси уменьшают за счет подачи струй топлива по направлению воздушного потока, а при минимальной нагрузке соответственно увеличивают за счет подачи струй топлива против направления воздушного потока. Технический результат - повышение надежности способа регулирования распределения расхода воздуха в камере сгорания. 4 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

Известен способ регулирования распределения расхода воздуха, при котором количество воздуха, поступающего в первичную зону камеры сгорания регулируется режимом работы внешнего вентилятора подключенного к источнику электроэнергии, нагнетающего воздух в горелочное устройство в зависимости от нагрузки газовой турбины, с целью поддержания на всех нагрузках газовой турбины состава смеси в зоне горения обеспечивающие низкие уровни выбросов вредных веществ [1].

К недостаткам этого способа относятся дополнительные затраты электроэнергии на выполнение вентилятором работы по нагнетанию воздуха в первичную зону горения и низкая надежность системы регулирования, содержащей подвижные элементы в проточной части камеры сгорания.

Известен способ регулирования распределения расхода воздуха на первичный и вторичный в камерах сгорания с изменяемой геометрией, при котором регулирование осуществляется осевым перемещением стабилизатора, изменяющим проходное сечение фронтового устройства, в зависимости от нагрузки газотурбинного двигателя [2].

Недостатком этого способа является низкая надежность конструкции поскольку требуется введение исполнительного механизма передающего регулирующее воздействие (электрическое или механическое) на стабилизатор камеры сгорания.

Наиболее близким к изобретению является способ регулирование распределения расхода воздуха по контурам камеры сгорания (первичная зона горения, зона смешения с продуктами сгорания), при котором регулирование осуществляется изменением проходной площади канала трубопровода для направления части сжатого воздуха выходящего из компрессора в горелочное устройство [3]. В трубопроводе установлен клапан, изменяющий проходное сечение трубопровода. На режиме запуска клапан установлен в позицию минимального открытия и минимальное количество воздуха поступает в горелочное устройство. Горелочное устройство работает в диффузионном режиме. При увеличении нагрузки количество воздуха поступающего в первичную зону увеличивается за счет открытия клапана. Контролирующая система регулирует открытие клапана в зависимости от температуры перед турбиной и нагрузки турбины, за счет чего поддерживают заданный диапазон коэффициентов избытка воздуха и температуры в первичной зоне горения. Контролируя эти параметры достигают уменьшения уровня выбросов окиси углерода, окислов азота и несгоревших углеводородов, благодаря поддержанию состава топливо-воздушной смеси в зоне горения обеспечивающего низкие уровни выбросов вредных веществ.

Недостатком этого способа является низкая надежность конструкции поскольку существуют подвижные элементы в проточной части камеры сгорания.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является повышение надежности способа регулирования распределения расхода воздуха в камере сгорания за счет исключения подвижных элементов в проточной части камеры сгорания.

Поставленная задача достигается тем, что в способе регулирования распределения расхода воздуха заключающегося в изменении гидравлического сопротивления воздушного тракта фронтового устройства камеры сгорания в зависимости от нагрузки газовой турбины в отличии от известного прототипа при максимальной нагрузке гидравлическое сопротивление камеры смешения топливовоздушной смеси уменьшают за счет подачи струй топлива по направлению воздушного потока, а при минимальной нагрузке соответственно увеличивают за счет подачи струй топлива против направления воздушного потока. Таким образом применение описываемого способа позволяет эксплуатировать горелочные устройства в узком диапазоне состава смеси в зоне горения регламентированного экологическими требованиями и обеспечивается надежность способа регулирования.

На фиг. 1 изображены результаты расчетов и экспериментальные данные по эмиссии горелочного устройства условиях работы ГПА ГТК-10И.

На фиг. 2 изображена схема камеры сгорания в которой осуществляется описываемый способ.

На фиг. 3 изображен график программы регулирования расхода воздуха в условиях работы ГПА ГТК-10И.

На фиг. 4 изображена схема экспериментальной установки.

Способ осуществляется в камере сгорания, содержащей во фронтовом устройстве одно или несколько горелочных устройств с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси, в смесителе которых должны содержаться два инжектора для подачи газообразного топлива соединенных с независимыми системами подачи топлива, при этом через один инжектор топливо подается по направлению потока воздуха, а через второй инжектор топливо подается против направления воздушного потока, распределение расхода между этими системами осуществляется с помощью топливного клапана, жаровую трубу с отверстиями для подачи разбавляющего воздуха с таким гидравлическим сопротивлением, что бы при подаче топлива по направлению воздушного потока на максимальном режиме работы газовой турбины коэффициент избытка воздуха в первичной зоне горения соответствовал наименьшему возможному коэффициенту избытка воздуха. Работа топливного клапана должна удовлетворять следующему требованию: необходимо обеспечить увеличение гидравлического сопротивления магистрали подвода топливовоздушной смеси при снижении нагрузки газотурбинного двигателя и его уменьшение при повышении нагрузки, причем, при максимальной нагрузке все топливо должно подаваться по направлению воздушного потока, а постепенный переход на подачу топлива против навстречу воздушного потока должен осуществляться в случае понижения нагрузки в момент, когда уровень выброса окиси углерода уже начинает превышать регламентируемый экологическими требованиями уровень.

Пример конкретного применения способа.

Рассмотрим камеру сгорания газоперекачивающего агрегата ГПА ГТК-10И.

Условия работы камеры сгорания: температура на входе в камеру сгорания (Т_в) - 543 K гидравлическое сопротивление камеры сгорания, отнесенное к выходному сечению (ζ_Σ) - 6 давление в камере сгорания (P_Σ) - 0,7 МПа В серийной камере сгорания этого агрегата уровни выбросов окислов азота превышают экологические нормы (NO_x = 232 мг/м³ при 15% O₂), что обусловлено используемой в этой конструкции концепции сжигания топлива в диффузионном режиме. Модернизация камеры сгорания заключается в установке горелочных устройств с предварительным смешением топлива, например, горелочное устройство из работы [4].

Горелочное устройство с аксиальным завихрителем и предварительным смешением топлива состоит из двух труб одна в другой, в межтрубный канал подается воздух, по внутренней трубе поступает газообразное топливо, смешивающееся с воздухом в кольцевом канале.

Подача топлива осуществляется из отверстий, расположенных по и против направления воздушного потока и размещенных на пилонах на внешней поверхности внутренней трубы соответственно.

Закрученный расширяющийся топливо-воздушный поток на выходе из горелки создает устойчивую зону обратных токов за срезом внутренней трубы, за счет которой обеспечивается устойчивость горения предварительно подготовленной топливо воздушной смеси бедного состава.

Система регулирования модернизированной камеры сгорания состоит из двух топливных систем и автоматического клапана, обеспечивающего требуемый расход топлива вдоль и против направления воздушного потока в горелочных устройствах, аналогичных по конструкции и используемых при регулируемой подачи дежурного топлива в камеру сгорания с предварительной подготовкой топливо-воздушной смеси бедного состава. В топливную систему также входят два ряда топливных пилонов для подачи газообразного топлива по и против направления потока воздуха (фиг. 2).

Программа работы системы регулирования для ГТУ ГПА ГТК-10И. При суммарном коэффициенте избытка воздуха от 3,74 до 5,2 производится подача газообразного топлива по направлению воздушного потока, при суммарном коэффициенте избытка воздуха от 5,2 до 5,57 часть топлива подается против направления потока, при суммарном коэффициенте избытка воздуха выше 5,57 все топливо подается против направления потока.

Расчетный анализ показывает, что использование рассматриваемого способа регулирования расхода воздуха в зону предварительной подготовки смеси в зависимости от степени нагрузки агрегата дает возможность обеспечить экологические требования по уровню выбросов CO и NO_x на режимах от 60% до 100% от максимальной нагрузки.

Концентрация окислов азота не превышает при α > 1,5 (α - коэффициент избытка воздуха в первичной зоне) уровней, ограничиваемых экологическими требованиями, и требований к уровню концентрации окиси углерода при α < 2,0. Эти данные приведены для оптимального распределения расхода воздуха по длине камеры сгорания при максимальной нагрузке агрегата ГТК-10И (фиг. 1., расход в зону горения составляет 43% от суммарного расхода воздуха через камеру сгорания).

С учетом особенностей рабочего цикла газотурбинной установки (ГТУ) агрегата ГТК-10И можно принять, что работа, снимаемая со свободной турбины (полезная нагрузка), равна тепловому эффекту сжигания топлива, зависит только от расхода топлива, а следовательно обратно пропорциональна α На максимальном режиме коэффициент избытка воздуха для всей камеры сгорания α = 3,74, с учетом того, что в первичную зону поступает 43% воздуха, на режиме 65% от максимального коэффициент избытка воздуха в первичной зоне будет равен α = 2,451 и как показано на фиг. 1. уровни выбросов окиси углерода для этого режима при отсутствии системы регулирования будут завышенными.

Расчет изменения гидравлического сопротивления в описанном выше способе регулирования количества воздуха, поступающего в первичную зону, основывался на известной методике, предложенной Г.Н. Абрамовичем [5].

Система уравнений включает в себя: закон сохранения массы в виде G₃ = G₁ + G₂ закон сохранения энергии закон сохранения импульса
G₃w₃ + p₃F₃ = G₁w₁, + p₁F₁ + G₂w₂ + p₂F₂,
где параметры воздуха перед смешением с топливом обозначены индексом "1", параметры топлива перед смешением обозначены индексом "2", а параметры топливо-воздушной смеси после смешения - индексом "3"; G - расход, c_p - удельная теплоемкость при постоянном давлении, T -температура, w - скорость, p - давление, F - площадь проходного сечения.

Используя известные газодинамические функции q(λ), z(λ) и коэффициент скорости λ описанные выше уравнения можно привести к безразмерному виду:



где
n = G₂/G₁;

R - газовая постоянная;
k - показатель адиабаты, индекс "*" соответствует параметрам заторможенного потока.

Из полученной системы уравнений, зная параметры потоков на входе в смесительное устройство, можно определить параметры потока на выходе из смесителя, в том числе и величину потерь полного давления в смесительном устройстве Δp^*= p^*₁-p^*₃:

где индекс п обозначает параметры в первичной зоне, индекс о - параметры вторичного воздушного потока, индекс Σ - параметры на входе в камеру сгорания, ρ - - плотность, ζ - - гидравлическое сопротивление, отнесенное к выходной площади элемента.

Диапазон работы горелочного устройства определяется снизу минимальным коэффициентом избытка воздуха α_мин, при котором уже выполняются экологические требования на уровень выбросов окислов азота и сверху - максимальным коэффициентом избытка воздуха α_пр, при котором еще выполняются экологические требования на уровень выбросов окиси углерода. Коэффициент избытка воздуха является функцией расходов воздуха и газа в горелочном устройстве.

Результаты расчетов по этой системе уравнений при T₁ = 543 K, T₂ = 288 K, ζ_Σ = 6, ζ_п = 2, P_Σ = 0,7 МПа, α_{пр u} = 2, α_мин = 1,45 представлены на фиг. 3.

Опытные данные для сравнения с расчетами приведены в таблице. Конструктивная схема экспериментальной установки приведена на фиг. 4.

Таким образом предлагаемый способ позволяет увеличит надежность способа регулирования распределения расхода воздуха.

Источники информации.

1. Патент США N 4992040, кл. F 23 D 14/02, 1985.

2. Канило П.М. Токсичность ГТД и перспективы применения водорода. Киев, Наук. думка, 1982, 140 с.

3. Международная заявка WO 94/00718, кл. F 23 R 3/34, 3/36, F 23 D 17/00, F 23 D 14/26, 1990.

4. Патент Российской Федерации RU 2036383 C1, кл. F 23 D 14/02, 1995.

5. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1991, 600 с.

Формула изобретения

Способ регулирования распределения расхода воздуха, заключающийся в изменении гидравлического сопротивления воздушного тракта фронтового устройства камеры сгорания в зависимости от нагрузки газовой турбины, отличающийся тем, что при максимальной нагрузке гидравлическое сопротивление камеры смешения топливовоздушной смеси уменьшают за счет подачи струй топлива по направлению воздушного потока, а при минимальной нагрузке соответственно увеличивают за счет подачи струй топлива против направления воздушного потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5