Збірний пальниковий пристрій камери згоряння газотурбінної установки

1. Збірний пальниковий пристрій камери згоряння газотурбінної установки, що містить черговий (центральний) та робочі (периферійні) пальники, міжтрубний паливний простір яких виконує 3 з даними отворами, змонтованих у внутрішній частині патрубків пальникових секцій, кожна з яких складаються з семи пальникових модулів регістрового типу. Ще одним вагомим недоліком таких багатопальникових фронтових пристроїв є те, що їх компонувальна схема характеризується наявністю декількох пальникових секцій, у яких встановлюються по сім - десять регістрових пальникових модулів меншого діаметра, кожний з яких має окрему газову трубу для підведення палива, що значно ускладнює технологію виготовлення такого фронтового пристрою, а вихорова аеродинамічна структура за кожним з регістрових пальникових модулей сприяє надмірній втраті повного тиску у камері згоряння ГТУ і призводить до зниження коефіцієнта корисної дії ГТУ. Додатковим недоліком є те, що при багатомодульній пальниковій схемі досить не ефективно використовується поперечний переріз фронтового пристрою, коефіцієнт розкриття якого по повітряному потоку складає не більше 5...10 відсотків. Це вимагає при фіксованому міделевому перерізі фронтового пристрою застосування підвищених швидкостей повітряного потоку, що є додатковою причиною втрат повного тиску. Відомий багатопальниковий фронтовий пристрій камери згоряння ГТУ [Любчик Г. Н. 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], який складається з фронтальної конічної стінки великого діаметра, яка має сім отворів меншого діаметра, розташованих симетрично: один у центрі, а шість на периферії, такої ж кількості циліндричних патрубків, що з'єднані торцями з даними отворами, семи пальників струминного типу, 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 діаметра 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 згоряння палива при високих та змінних надлишках повітря [Христич В. А., Любчик Г. Н. Газогорелочные устройства для сжигания газа при высоких и переменных избытках воздуха. - М.: ВНИИЗГАЗПРОМ, 1978. - 59 с.]. При цьому, повною мірою досягається ефект мікродифузійного горіння, коли зона горіння складається з великої кількості дифузійних мікрофакелів, кількість яких визначається кількістю повітряних отворів на поверхні робочої стінки, що забезпечує високий рівень вигорання палива. Багатопальниковий фронтовий пристрій з струминними пальниками має недоліки, які обумо 63679 4 влені достатньо високою втратою повного тиску, яка пов'язана із наявністю двох послідовно підключених перфорованих стінок у пальнику та подачею повітряних струменів під кутом до осі камери згоряння. Крім того, струминні пальники мають круглий поперечний переріз, що не дозволяє отримати необхідний рівень розкриття поперечного перерізу багатопальникового фронтового пристрою. Відомий багатопальниковий фронтовий пристрій камери згоряння ГТУ [Пат. України на корисну модель № 26058, МПК (2006) F23D 14/02, зареєстрований 27.08.2007 р., бюл. 23, автори Любчик Г. М., Говдяк P. M., Варламов Г. Б., Пужайло О. Ф., Мікулін Г. О., Чабанович Л. Б., Шелковський Б. І.], 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 згоряння, підвищується аеродинамічна та термічна однорідність потоку, що сприяє зменшенню довжини факелу, досягається зниження емісії оксидів азоту і оксиду вуглецю, підвищується ефективність роботи ГТУ. Цей патент прийнятий нами за найближчий аналог. Виконання пальникової секції у вигляді периферійного чарункового каркаса, 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 згоряння 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 трубному 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 згоряння. Недоліком пристрою за згаданим патентом є те, що у фронтальному розрізі вхідної частини у жарову трубу камери згоряння залишаються металеві суцільні зони між отворами пелюсткової форми, які перешкоджають прямоточній схемі руху повітряної суміші, створюють певний аеродинамічний опір потоку і не дозволяють досягти рівномірного поля швидкостей при його входженні у камеру згоряння. Окрім того, вони створюють температурне розшарування потоків у повітряних трубках, недосконалість сумішоутворення і згоряння газоповітряної суміші у жаровій камері згоряння. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення багатопальникового фронтового пристрою камери згоряння ГТУ, у якому внаслідок 5 застосування конструктивних трубчастих елементів по всьому перерізу фронтальної частини камери згоряння створено нероз'ємний пальниковий пристрій з центральною частиною, яка виконує функції чергового пальника і забезпечено якісне змішування паливного газу з повітрям, стійке горіння суміші з мінімальним недопалом (СХНУ) і викидами оксидів азоту й окислів СО у широкому діапазоні навантаження від 10 до 100 %. Поставлена задача вирішується тим, що фронтовий пристрій камери згоряння трубчастого типу з фронтальною конічною стінкою замінено у торцевій частині зі сторони подачі повітря на збірний пальниковий пристрій з периферійною (робочою) і внутрішньою (черговою) частинами, що займає увесь його переріз і конструктивно виконаний з трубок, з'єднаних за допомогою внутрішніх (зі сторони кришки камери згоряння) і зовнішніх (зі сторони жарової труби) трубних дощок у перфоровану для проходження повітря металеву систему з відокремленням у ній за допомогою металевих пластин рівнобічної шестикутної системи - чергового та робочого пальників завдяки ущільненому нероз'ємному з'єднанню їх бокових частин з трубними дошками для відокремлення газового простору чергового пальника від газового простору робочого пальника з подачею у них паливного газу через газопідвідні трубки, що приєднані до внутрішніх трубних дощок. При цьому, черговий пальник має шестигранну форму з довжиною повітряних трубок як і у робочому пальнику і з метою забезпечення стійкого горіння газоповітряної суміші на різних режимах роботи камери згоряння він заглиблений всередину робочого пальника на 50...100 мм від площини зовнішньої трубної дошки робочого пальника, зовнішній діаметр якого дорівнює розміру поперечного перерізу жарової труби. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 зображено фронтальний вигляд збірного пальникового пристрою; на фіг. 2 - фронтальний вигляд чергового пальника; на фіг. 3 - поздовжній розріз збірного пальникового пристрою; на фіг. 4 - загальний вигляд збірного пальникового пристрою. Збірний пальниковий пристрій (Фіг. 3) має чотири трубні дошки: внутрішні 1 та зовнішні 2 у черговому та робочому пальниках, які між собою з'єднані повітряними трубками 3. Внутрішня та зовнішня трубні дошки периферійного робочого пальника в центрі мають отвір у формі шестикутника, в який вставляється із заглибленням на 50...100 мм від площини зовнішньої трубної дошки робочого пальника трубні дошки шестиграної форми 4 чергового пальника (Фіг. 2), які між собою з'єднуються повітряними трубками, а від трубних дощок робочого пальника відокремлюються боковою поверхнею 5 металевою пластиною (Фіг. 3), яка одночасно є поверхнею, що з'єднує нероз'ємним з'єднанням черговий та робочий пальники. Таким чином, зовнішні 1 та внутрішні 2 трубні дошки чергового та робочого пальників за допомогою бокових поверхонь 5 та 6 (Фіг. 3) створюють два відокремлені міжтрубні простори 7 та 8 (Фіг. 3), які виконують функції паливних колекторів відпові 63679 6 дно чергового та периферійного пальників. Шестигранної форми бокова поверхня чергового пальника 5 та циліндричної форми бокова поверхня робочого пальника 6 з'єднуються між собою трубними дошками та шістьма повітронаправляючими пластинами 9 (Фіг. 4). Природний газ подається через паливні трубки 10 та 11 (Фіг. 3) в міжтрубний простір чергового та робочого пальників. Повітряні трубки у трубному пучку на трубних дошках чергового та робочого пальників (Фіг. 3) мають шахове розміщення із відповідним співвідношенням між поперечним та поздовжнім кроком трубного пучка, а паливні отвори 12 на зовнішніх трубних дошках пальників розміщені по вершинах правильних шестикутників і мають однакову відстань (s) між суміжними паливними отворами, що розташовані навколо повітряних трубок 3, та від центрів повітряних трубок. Для створення умов комбінованого (кінетичного та дифузійного) сумішоутворення, якіснішого та екологічно безпечного спалювання суміші у жаровій трубі на боковій поверхні повітряних трубок чергового та робочого пальників на необхідній відстані від внутрішньої трубної дошки розташовані газові отвори 13 (Фіг. 3) необхідного діаметра, форми та необхідної кількості, що забезпечують кінетичне спалювання палива, а газові отвори 12 (Фіг. 1 та Фіг. 3) забезпечують дифузійне спалювання палива. Збірний пальниковий пристрій працює наступним чином. Перед подачею палива на пальник забезпечується подача повітря від осьового компресора (ВК) ГТУ на весь фронтальний переріз жарової труби з боку внутрішніх трубних дощок чергового та робочого пальників камери згоряння. Паливний природний газ спочатку подається на черговий пальник через паливопідвідну трубку 10 (Фіг. 4), що знаходиться у центральній частині збірного пальникового пристрою. За рахунок іскрового займання загоряється газоповітряна суміш у запальнику, що спричиняє загоряння газоповітряної суміші у черговому пальнику 8 (Фіг. 3), який забезпечує прогрівання жарової труби і всього газового тракту ГТУ. Після досягнення у жаровій трубі необхідної температури паливний газ подається на робочий пальник через шість паливопідвідних трубок 11 (Фіг. 4). За рахунок розташування паливних отворів 12 (Фіг. 1) чергового і робочого пальників на незначній відстані один від одного відбувається перекидання полум'я з чергового пальника на робочий пальник, що забезпечує плавний перехід камери згоряння від розігріву до входження у робочий режим. Фактично, в робочому режимі роботи камери згоряння на фронтальному перерізі жарової труби розташовані мікродифузійні локальні факели, кількість яких дорівнює сумарній кількості повітряних трубок чергового і робочого пальників, що забезпечує високоефективне і екологічне безпечне спалювання газоподібної суміші, високого рівня рівномірність температурного поля у поперечному і повздовжньому розрізі жарової труби, незначну величину аеродинамічного опору повітряному потоку, що надходить від ВК, збільшення коефіцієнту 7 надлишку повітря і зниження рівня температур у камері згоряння, на вході в турбіну високого тиску, турбіну низького тиску і у вихлопному колекторі ГТУ. При чому, черговий пальниковий пристрій за рахунок заглиблення всередину робочого пальника та роботі на незмінних витратах палива забезпечує стійкий процес сумішоутворення та спалювання газоповітряної суміші в центральній частині фронтового пристрою незалежно від величини витрат повітря та паливного газу на робочому пальнику, який має своє робоче завантаження. Ці особливості збірного пальникового пристрою трубчастого типу дозволяють підвищити ефективність роботи ГТУ у широкому діапазоні навантажень від 10 до 100 %, отримати економію паливного газу, знизити емісію шкідливих речовин в атмосферне повітря, зменшити загальний рівень температур як в жаровій трубі, так і на лопатках турбіни і у вихлопних колекторах, що подовжує загальний робочий моторесурс ГТУ. При такій конструкції збірного пальникового фронтового пристрою камери згоряння ГТУ відбувається спрощення технології його монтажу у камеру згоряння, вирішується проблема надійності роботи фронтового пристрою і камери згоряння в цілому, забезпечується підвищення ефективної 63679 8 роботи агрегату у широкому діапазоні зміни навантаження, досягається відповідність нормативним вимогам щодо емісії токсичних оксидів азоту (NO х) та оксиду вуглецю (CO). Екологічна ефективність корисної моделі полягає у значному зниженні шкідливих викидів ГТУ, пов'язаних з процесами, що проходять в камері згоряння, одночасно досягається аеродинамічна та термічна однорідність газового потоку перед сопловим апаратом газової турбіни, досягається підвищення надійності процесів спалювання та зменшення витрат паливного газу на власні потреби шляхом зменшення аеродинамічного опору фронтового пристрою в складі камери згоряння ГТУ. Така конструкція збірного пальникового фронтового пристрою камери згоряння ГТУ забезпечить рівномірну подачу палива та стійкість перехідних процесів горіння природного газу при регулюванні його витрати. За рахунок розташування паливних отворів на боковій поверхні паливних трубок досягається комбіноване сумішоутворення, що значно покращує процес спалювання з мінімізацією емісії шкідливих викидів. 9 63679 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 63679 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601