Сжигание топлива в камере сгорания газотурбинной установки

Материалы, из которых изготавливают камеры сгорания стационарных ГТУ, должны быть дешевыми. Кроме того, камеры сгорания должны обеспечивать возможность работы на разных топливах (газообразном и жидком, легком и тяжелом) и полной автоматизации ГТУ, а также быть экономичными и надежными. Экономичность камер сгорания оценивается коэффициентом полезного действия, который зависит от гидравлических потерь и полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива характеризуется термическим коэффициентом полезного действия камеры сгорания, а гидравлические потери — гидравлическим кпд.

Потери теплоты в камере сгорания складываются из потерь в окружающую среду и потерь, связанных с несовершенством процесса сгорания топлива. Для уменьшения первых потерь камеры сгорания изолируют. Как правило, эти потери невелики. Вторые потери возникают из-за недожога и они складываются из потерь на физический и химический нёдожог.

Любое топливо горит в газообразном состоянии (жидкое — после так называемой газификации, предшествующей собственно реакции горения). Одной из причин физического недожога жидкого топлива является неправильно организованный процесс горения, при котором оно не успевает газифицироваться, перемешаться с окислителем и уносится из зоны горения. Другой причиной физического недожога является термическое разложение топлива при недостатке кислорода. В этом случае топливо разлагается на летучие фракции и углерод, образующий вместе с золой твердые частицы.

Физический недожог не только снижает экономичность камер сгорания, но и влияет на их надежность. Наличие твердых несгоревших частиц вызывает эрозию проточной части турбины. При этом липкая зола нарастает на лопатках турбины, в результате чего снижаются ее мощность и кпд, а также появляется небаланс ротора Возникающие иногда отложения в самой камере сгорания приводят к неравномерному нагреву пламенных труб, их короблению и растрескиванию, а отрывы наростов могут повредить проточную часть турбины.

Химический недожог связан с недостаточным временем пребывания газа в зоне горения, т. е. при этом не успевает произойти химическая реакция горения. Химический недожог возникает при недостаточной длине камеры сгорания и переохлаждении ее отдельных участков, а также при низкой температуре горения и др. Полнота сгорания топлива зависит от температуры в зоне горения и давления в камере сгорания.

При определенной температуре термический кпд достигает максимального значения. Повышение температуры в камере сгорания увеличивает скорости испарения и горения топлива и сокращает период его воспламенения. До определенной температуры термический кпд растет. Дальнейшее повышение температуры снижает его, так как усиливаются процессы диссоциации СО2 и Н2О, при которых теплота поглощается. При увеличении давления в камере сгорания термический кпд растет, так как увеличивается скорость горения.

Гидравлический кпд камер сгорания оценивают по потерям полного давления.

Гидравлические потери обусловлены: трением потока о стенки камеры сгорания; турбулентными потерями; потерями на смешение потоков; потерями давления вследствие подвода теплоты. В среднем для современных камер сгорания полный кпд камер сгорания колеблется в пределах 0,92−0,98.

Процесс горения топлива можно разделить на несколько стадий. При сжигании газообразного топлива это образование смеси, разогрев ее и горение, получение рабочих газов. При сжигании жидкого топлива вначале происходят пирогенное разложение (без доступа кислорода) и испарение капель, а затем процесс горения идет так же, как при использовании газообразного топлива.

До подачи в камеру сгорания топливо соответствующим образом обрабатывают (очищают, подогревают и повышают его давление до необходимого). Затем жидкое топливо через форсунки, а газообразное через горелки подается в камеру сгорания. Время горения топлива определяется временем испарения, смешения, разогрева и протекания химической реакции.

Для эффективной работы камер сгорания необходимо: разделение пространства внутри пламенной трубы на зоны горения и смешения; оптимальное распределение топлива по ее сечению; турбулизация потока в зоне горения; стабилизация фронта пламени; организация охлаждения основных элементов. Температура рабочих газов, попадающих в турбину стационарных ГТУ гораздо ниже температуры горения топлива. Ни одно топливо не будет качественно гореть при низкой температуре из-за неустойчивости процесса горения. Для хорошего горения необходимо, чтобы температура в зоне горения была 1600—1800°С. Поэтому рабочий объем камер сгорания условно делят на две зоны — зону горения, куда подаются первичный воздух и топливо, и зону смешения, куда подаются продукты сгорания и вторичный воздух.

Количество подаваемого в зону горения первичного воздуха больше, чем его стехиометрическое количество.

Вблизи от места подачи топлива в пламенную трубу его необходимо перемешивать с первичным воздухом. Для этого поток первичного воздуха делают турбулентным. Турбулизацию, позволяющую интенсифицировать процессы массои теплообмена, улучшить смесеобразование и увеличить скорость горения за счет перехода от ламинарного к турбулентному горению, осуществляют с помощью регистров, плохо обтекаемых тел (конусов), перфорированных пластин и др.

Так как в камере сгорания скорость движения потока значительно выше, чем скорости распространения пламени, то для удержания пламени в устойчивом положении необходимо иметь источник постоянного зажигания — стабилизатор фронта пламени. В камере сгорания его роль выполняют плохо обтекаемые тела фронтового устройства (завихрители) или дежурные горелки.

Рис. 4. Схемы образования вторичных токов в зоне горения:

а — с помощью конуса, б — с помощью лопаточного завихрителя (регистра);1 — корпус, 2 — пламенная труба, 3 — регистр Две схемы образования обратных токов показаны на рис. 4,а, б. За конусом (рис. 4,а) создается зона разрежения, в которую из зоны горения подсасываются горячие продукты сгорания. Лопаточный завихритель (рис. 4,б) закручивает поток первичного воздуха вокруг оси камеры сгорания. Воздух при этом оттесняется к стенкам пламенной трубы, а вокруг оси камеры сгорания создается зона разрежения, в которую устремляются горячие продукты сгорания.

Топливо подается к внешней границе зоны обратных токов, так как вследствие высокой турбулентности воздушного потока здесь происходит наиболее быстрое перемешивание топлива с первичным воздухом. Горячие продукты сгорания подогревают и испаряют свежие порции топлива, а также постоянно поджигают смесь.