Багатопальниковий фронтовий пристрій камери згорання газотурбінної установки

1. Багатопальниковий фронтовий пристрій камери згорання газотурбінної установки (ГТУ), що містить фронтальну конічну стінку, діаметр якої дорівнює діаметру камери згорання, у якій розташовані отвори: один у центрі та шість на периферії, пальникову секцію, яка складається з центральної конічної втулки та периферійного чарункового каркаса, які з'єднані з торцями отворів на фронтальній конічній стінці, та сім пальників, один з яких змонтований у центральній конічній втулці, а інші, що складаються з газової труби, двох плоских перфорованих стінок, повітряних трубок та торцевих пластин між ними, встановлені у чар унках каркаса, який відрізняється тим, що периферійні отвори на фронтальній конічній стінці мають пелюсткову форму, вісь симетрії яких співпадає з твірною конічної фронтальної стінки, а кут між осями симетрії отворів дорівнює 60°, при цьо U 2 (11) 1 3 26058 токсичних речовин: оксидів азоту та оксидів вуглецю. Багатопальникові фронтові пристрої повинні працювати у широкому діапазоні зміни надлишку окисника, їхні конструктивні особливості повинні забезпечити: мінімальний рівень термічних ударів при запуску ГТУ, однорідну аеродинамічну та термічну структур у протоку на вході у лопатковий апарат турбіни, мінімальний аеродинамічний та термічний опір камери згорання ГТУ. Відомий багатопальниковий фронтовий пристрій камери згорання ГТУ [1, 2], який складається з фронтальної конічної стінки великого діаметра, яка має сім отворів меншого діаметру, розташованих симетрично: один у центрі, а шість - на периферії, такої ж кількості циліндричних патрубків, що з'єднані торцями з даними отворами, семи лопаткових регістрів, які змонтовані у внутрішній частині циліндричних патрубків та газових труб з форсунками, які вільно входять у вн утрішню втулк у кожного з лопаткових регістрів. При такому конструктивному рішенні фронтового пристрою центральний пальник виконує функції пускового та чергового пальника, на який подається невелика доля паливного газу при запуску камери згорання ГТУ, і після виходу цього пальника на стабільний режим роботи починається подача газу на периферійні пальники, чим забезпечується плавність режиму запуску камери згорання без суттєвих теплових "ударів" та надійна робота камери згорання у широкому діапазоні зміни надлишку окисника. Застосування периферійних пальників регістрового типу як елементів конструкції багатопальникових фронтови х пристроїв ускладнюють конструкцію та технологію виготовлення, створюють високу неоднорідність аеродинамічної та термічної структури потоку на виході з камери згорання, що разом з формуванням вихрових аеродинамічних структур у зоні горіння є причиною високого аеродинамічного та термічного опору камери згорання. Все це породжує високий рівень емісії токсичних оксидів азоту (NOx) та оксиду вуглецю (СО) у продуктах згорання та додаткові втрати енергії у трактах камери згорання в наслідку чого зменшується коефіцієнт корисної дії установки. До цього слід додати, що утворення регістровими пальниками збагаченої паливом зони зворотних токів приводить до обгорання вихідних кромок лопаток регістру та коксування багатосоплового насадка, значний поперечний розмір цієї зони, діаметр якої може перевищува ти діаметр регістру, приводить до затягування вигорання палива та підвищення концентрації СО у продуктах згорання, високий рівень температур у ній та закрутка основного потоку є причиною додаткової емісія токсичних NOx. Все це обумовлює неспроможність багатопальникового пристрою з пальниками регістрового типу вирішити поставлену задачу. Відомий багатопальниковий фронтовий пристрій камери згорання ГТУ [3], який складається з фронтальної конічної стінки великого діаметру, яка має сім отворів меншого діаметру, розташованих симетрично: один у центрі, а шість - на периферії, 4 таку ж кількість циліндричних патрубків, що з'єднані торцями з даними отворами, змонтованих у внутрішній частині патрубків пальникових секцій, кожна з яких складаються з семи пальникових модулів регістрового типу. Завдяки застосуванню у такому багатопальниковому фронтовому пристрої великої кількості регістрових модулів (49) досягається суттєве подрібнення первинної та підвищення однорідності її аеродинамічної та термічної структури, що є позитивними факторами з точки зору зменшення емісії токсичних NO та CO і зниження втрат тиску у камері згорання ГТУ. Разом з тим, компонувальна схема багатопальникового фронтового пристрою, яка характеризується наявністю семи пальникових секцій, у яких встановлюються по сім регістрових пальникових модулів меншого діаметру, кожний з яких має окрему газову тр убу для підведення палива, значно ускладнює технологію виготовлення та конструкцію фронтового пристрою, а вихорева аеродинамічна структура за кожним з 49 регістрових пальникових модулей сприяє надмірній втраті повного тиску у камері згорання ГТУ, що приводить до зниження коефіцієнта корисної дії ГТУ. Додатковим недоліком є те, що при багатомодульній схемі досить не ефективно використовується поперечний переріз фронтового пристрою, коефіцієнт розкриття якого по повітряному потоку складає не більше 5...10%. Це вимагає при фіксованому міделевому перерізі фронтового пристрою застосування підвищених швидкостей повітряного потоку, що є додатковою причиною втрат повного тиску. Багатопальниковий фронтовий пристрій не вирішує поставлену задачу. Відомий багатопальниковий фронтовий пристрій камери згорання ГТУ, що обрано за прототип [3, 4], який складається з фронтальної конічної стінки великого діаметру, яка має сім отворів меншого діаметру, розташованих сіметрічно: один у центрі, а шість на периферії, такої ж кількості циліндричних патрубків, що з'єднані торцями з даними отворами, семи пальників струминного типу [5], які змонтовані у внутрішній частині циліндричних патрубків. Кожний струминний пальник складається з двох перфорованих конічних стінок, одна з яких охолоджувальна, а друга робоча, двох втулок: зовнішньої та внутрішньої та газової труби з форсункою, яка з'єднана з внутрішньою втулкою. Особливістю перфорації охолоджувальної стінки є те, що на ній розташовані повітряні отвори однакового діаметру рівномірно по всій поверхні. Особливістю перфорації робочої стінки є те, що отвори для подачі повітря на ній розташовані по дотичній на конічній поверхні стінки і утворюють систему затінених секторів, вздовж яких подається паливо через газові отвори форсунки, завдяки чому реалізується стійке та ефективне згорання палива при високих та змінних надлишках повітря [5]. При цьому у повній мірі досягається ефект мікродифузійного горіння, коли зона горіння складається з великої кількості дифузійних мікрофакелів, кількість яких визначається кількістю повітряних 5 26058 отворів на поверхні робочої стінки, що забезпечує високий рівень вигорання палива. Багатопальниковий фронтовий пристрій з струминними пальниками має недоліки, які обумовлені ще достатньо високою втратою повного тиску, яка обумовлена наявністю двох послідовно підключених перфорованих стінок у пальнику та подачею повітряних струменів під кутом до осі камери згорання. Крім того, Струминні пальники, які інші відомі конструкції пальників, мають круглий поперечний переріз, що не дозволяє отримати необхідний рівень розкриття поперечного перерізу багатопальнкового фронтового пристрою. Тому багатопальниковий фронтовий пристрій зі струминними пальниками не вирішує поставлену задачу. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення багатопальникового фронтового пристрою камери згорання ГТУ, у якому внаслідок застосування периферійних пальників з двома плоскими перфорованими стінками, які мають у плані пелюсткову форму досягається підвищення ступеня розкриття поперечного перерізу фронтальної конічної стінки, завдяки чому зменшується аеродинамічний та термічний опір камери згорання, підвищується аеродинамічна та термічна однорідність потоку, що сприяє зменшенню довжини факелу, досягається зниження емісії оксидів азоту і оксиду вуглецю, підвищується ефективність роботи ГТУ. Поставлена задача вирішується тим, що у багатопальниковому фронтовому пристрої камери згорання ГТУ, що містить фронтальну конічну стінку великого діаметру, яка має сім отворів меншого діаметру, розташованих симетрично: один у центрі, а шість на периферії, пальникову секцію, яка складається з центральної конічної втулки та периферійного чарункового каркасу, які з'єднані з торцями отворів на фронтальній конічній стінці, та сім пальників, один з яких змонтований у центральній конічній втулці, а інші, що складаються з газової труби, дво х плоских перфорованих стінок, повітряних тр убок та торцевих пластин між ними, змонтовані у чарунках каркасу, новим є те, що периферійні отвори на фронтальній конічній стінці мають пелюсткову форму, вісь симетрії яких співпадає з твірною конічної фронтальної стінки, а кут між осями симетрії отворів дорівнює 60°, при цьому: - периферійний чарунковий каркас складається з зовнішньої кільцевої втулки великого діаметру, яка з'єднана з фронтальною конічною стінкою, шести симетричних підковоподібних вставок, які з'єднані з торцями периферійних отворів фронтальної конічної стінки та зовнішньою кільцевою втулкою, і разом утворюють посадочні місця - чарунки для монтажу периферійних пальників; - перфоровані стінки периферійних пальників мають правильну пелюсткову форму, подібну до форми периферійних отворів на фронтальній конічній стінці, а разом з газовою трубою, повітряними трубками та торцевими пластинами, що з'єднані з перфорованими стінками, утворюють трубний пучок, поміжтрубний простір якого виконує функції паливного колектора для подачі палива через га 6 зові отвори, що розташовані на фронтальній перфорованій стінці, яка разом з каналами повітряних трубок утворює аеродинамічну решітку - турбулізатор повітряного потоку та інтенсифікатор горіння; - повітряні трубки у тр убному пучку мають шахове розміщення, причому співвідношення між поперечним (t2) та поздовжнім (t1) кроком трубного пучка визначається співвідношенням = t1 × sin(p / 3) , а паливні отвори на тильній стінці t2 пальників розміщені по вершинах правильних шестикутників, причому мають однакову відстань між суміжними паливними отворами (s), що розташовані навколо повітряних трубок, та самих паливних отворів від центрів повітряних каналів (r), яка дорівнює половині поздовжнього кроку (t1) трубного пучка. Виконання пальникової секції у вигляді периферійного чарункового каркасу, який з'єднаний з фронтальною конічною стінкою і в чарунки якого вільно вмонтовані периферійні пальники сприяє підвищенню надійності роботи фронтового пристрою при змінних режимах експлуатації камери згорання ГТУ, а застосування пальників зі стінками пелюсткової форми дозволяє реалізувати найбільш ефективний спосіб дифузійного горіння палива в напрямку реалізації мікродифузійного горіння, яке характеризується створенням системи локальних факелів, кількість яких визначається кількістю повітряних каналів, що утворюються між перфорованими стінками периферійних пальників., а також застосування шахового компонування повітряних трубок у тр убному пучку та газових отворів по вершинам правильних шестикутників навколо кожного повітряного каналу додатково забезпечує підвищення надійності роботи і енергетичних показників пальника та зменшення концентрації токсичних компонентів у продуктах згорання. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: Фіг.1 - показано загальний вигляд моделі багатопальникового фронтового пристрою; Фіг.2 - поздовжній розріз периферійного пальника; Фіг.3 - вид по стрілці Б на фронтальну частину пальника. Багатопальниковий фронтовий пристрій (Фіг.1) має фронтальну конічну стінку 1 великого діаметру, яка має сім отворів меншого діаметру, розташованих симетрично: один круглого перерізу у центрі 2, а шість отворів 3 пелюсткової форми - на периферії, пальникову секцію, яка складається з центральної циліндричної або конічної втулки 4, периферійного чарункового каркасу, який має зовнішнє кільце 5 більшого діаметру та шість підковоподібних вставок 6, та семи пальників 7, один з яких (на схемі не показаний) змонтовано у центральній циліндричній або конічній втулці, а інші шість пальників (Фіг.2 та Фіг.3) вільно встановлені у відповідних чарунках каркасу. Кожний з периферійних пальників складається з газової труби 8, двох плоских перфорованих стінок: передньої 9 та фронтальної 10, повітряних трубок 11 та дев'яти торцевих пластин між ними, у тому числі (Фіг.3), дві з яких 7 26058 криволінійні 12, шість ідентичних плоских 13 та одна 14 коритоподібної форми. Периферійні отвори 3 на фронтальній конічній стінці мають правильну пелюсткову форму, вісь симетрії яких співпадає з твірною конічної фронтальної стінки, кут між осями сіметрії отворів (g) дорівнює 60° (Фіг.1), а периферійний чарунковий каркас (Фіг.1) з'єднано з торцями периферійних отворів на фронтальній конічній стінці та самою фронтальною стінкою і разом утворюють посадочні місця - чарунки для периферійних пальників. Перфоровані стінки периферійних пальників (Фіг.3) мають пелюсткову форму, подібну до форми периферійних отворів на фронтальній конічній стінці, а разом з газовою трубою 8, повітряними трубками 11 та торцевими пластинами 12, 13 та 14, що з'єднані з перфорованими стінками 9 та 10 (фіг.2), утворюють трубний пучок, поміжтрубний простір якого 15 виконує функцію паливного колектора для подачі палива у зону горіння через паливні отвори 16, що розташовані на фронтальній перфорованій пластині 10, а внутрішні канали повітряних трубок 17 утворюють аеродинамічну решітку - турбулізатор потоку повітря та інтенсифікатор горіння. Трубки 11 у трубному пучку (Фіг.3) мають шахове розміщення, причому існує співвідношення між поперечним (t2) та поздовжнім (t1) кроком трубного пучка у вигляді t2 = t1 × sin(p / 3) , а паливні отвори 16 на фронтальній стінці пальників розміщені по вершинах правильних шестикутників (контур a-b-c-d-t-f на Фіг.3) і мають однакову відстань (s) між суміжними паливними отворами, що розташовані навколо повітряних трубок 11, та самих паливних отворів від центрів повітряних каналів. Багатопальниковий фронтовий пристрій працює наступним чином. При запуску камери згорання ГТУ необхідне для горіння повітря подається через всі пальники одночасно, а паливо - тільки на центральний пальник, який може бути будь-якого типу: регістровий або струминний. Після запуску центрального пальника відбувається подача палива на периферійні пальники 6, у які воно підводиться газовою трубою 8 у проміжтрубний простір 15, що виконує функції паливного колектора, а далі через паливні отвори 16 на фронтальній стінці відбувається подача палива у зону сумішоутворення, де воно змішується з повітрям, яке поступає через повітряні канали 17. При цьому навколо кожного повітряного струменя утворюються локальні факели, сукупність яких визначає загальну стр уктуру зони горіння за кожним з периферійних пальників. 8 При такій схемі включення периферійних пальників від центрального чергового пальника досягається плавний, без термічних ударів запуск камери згорання ГТУ. Застосування периферійних пальників пелюсткової форми дозволяє підвищити ефективність використання об'єму зони горіння, а використання шахового компонування трубного пучка та циклічної схеми розміщення паливних отворів навколо повітряних тр убок дозволяє організувати мікродифузійне спалювання палива у системі однорідних локальних факелів, кількість яких у кожному периферійному пальнику дорівнює кількості повітряних каналів. Така система локальних дифузійних факелів характеризується дуже високою стійкістю та ефективністю горіння у широкому діапазоні зміні витрат газу. При такій схемі багатопальникового фронтового пристрою камери згорання ГТУ вирішується проблема підвищення надійності роботи і спрощення технології його виготовлення, досягнення високої енергетичної ефективності, відповідності нормативним вимогам щодо емісії токсичних оксидів азоту (NOx) та оксиду вуглецю (CO), забезпечення ефективної роботи камери згорання ГТУ у широкому діапазоні зміни надлишку окисника. Економічна ефективність корисної моделі полягає у зменшенні втрат повного тиску та підвищенні аеродинамічної та термічної однорідності продуктів згорання перед сопловим апаратом газової турбіни, що разом приводить до економії витрат палива на власні потреби при роботі багатопальникового в складі камер згорання ГТУ. Джерела інформації 1. Газотурбинные установки. Конструкция и расчет /Справочное пособие под общей редакцией Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1978. - 232с. 2. Vesely S. Prezentace firmy EKOL. - Bmo: EKOL, 2004. - 169s. 3. Струйные горелки /Рекламный проспект. К.: Облполиграфиздат, 1981. - 4с. 4. Г.Н. Любчик и др. Разработка и предварительные исследования струйных газогорелочных устройств для многогорелочной камеры сгорания ГТУ /В сб. Энергетическое машиностроение, вып. 14. - Харьков: ХГУ. - С.93-100. 5. Христич В.А., Любчик Г.Н. Газогорелочные устройства для сжигания газа при высоких и переменных избытках воздуха. - М.: ВНИИЭГАЗПРОМ, 1978. - 59с. 9 Комп’ютерна в ерстка Г. Паяльніков 26058 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601