Тема 4 Камеры сгорания

Камера сгорания – устройство, предназначенное для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию рабочего тела путем организации эффективного сгорания топлива в потоке сжатого воздуха.

В ГТУ применяются выносные, кольцевые, трубчато-кольцевые, секционные камеры сгорания.

Выносные камеры сгорания располагаются перпендикулярно или параллельно продольной оси ГТУ, их легче компоновать, обслуживать и ремонтировать. Наличие длинных газоходов между камерой сгорания и газовой турбиной улучшает перемешивание продуктов сгорания с воздухом. Одновременно увеличиваются потери напора, масса и габаритные размеры установки. В последнее время российские и зарубежные производители энергетических ГТУ отказываются от использования выносных камер сгорания.

На рисунке 13 показана газотурбинная установка ГТК-10-4 с выносной камерой сгорания.

Рисунок 13 – Газотурбинная установка ГТК-10-4 с выносной камерой сгорания

На рисунке обозначены: 1 – воздухоподогреватель, 2 – воздушный фильтр, 3 – компрессор, 4 – турбина, 5 – камера сгорания.

Кольцевая камера сгорания отличается компактностью и легкостью конструкции и располагается между осевым компрессором и газовой турбиной вокруг вала ГТУ. Ее рабочий объем представляет собой сплошное кольцевое пространство между внутренними и наружными обечайками пламенных труб. Число форсунок выбирается таким, чтобы фронт пламени полностью заполнял сечение кольцевого пространства пламенной трубы.

В трубчато-кольцевой камере сгорания внутренний и наружный корпусы, как и в кольцевой – общие. Потоки газов, выходящие из пламенных труб объединяются в кольцевом газосборнике непосредственно перед сопловым аппаратом камеры сгорания. Число пламенных труб выбирают в зависимости от сечения передней части газовой турбины в пределах от 6 до 12. Пламенные (жаровые) трубы соединены между собой патрубками для переброски пламени этих труб. При пуске ГТУ переброской пламени от горящего факела пусковых горелок обеспечивается воспламенение топлива во всех пламенных трубах. Эти же патрубки способствуют восстановлению горения при срыве факела в одной из пламенных труб и выравниванию давления газов в них

Секционная камера сгорания состоит из отдельных блоков пламенных труб со своими корпусами и переходниками, подводящими газы к сопловому аппарату газовой турбины. Работа каждого блока автономна, но имеются патрубки для переброски пламени. Число форсунок в каждой секции зависит от габаритных размеров пламенной трубы и ее конструкции.

На рисунке 14 показаны схемы кольцевой, трубчато-кольцевой и секционной камер сгорания.

Рисунок 14 – Схемы кольцевой, трубчато-кольцевой и секционной
камер сгорания

На рисунке обозначены: а – кольцевая камера сгорания, б – трубчато-кольцевая камера сгорания, в – секционная камера сгорания.

В существующих ГТУ коэффициент избытка воздуха составляет 4-5 единиц, в зависимости от уровня допустимой температуры перед турбиной.

Таким образом, в процессе горения должен участвовать далеко не весь воздух, а лишь необходимая его часть (коэффициент избытка воздуха
a=1,1–1,2). Поэтому во всех камерах сгорания используется принцип двухзонности: подвод тепла к рабочему телу путем локализации зоны горения с последующим смешиванием раскаленных газов со вторичным воздухом. На всех режимах работы двигателя обеспечивается a=1,1–1,2, чем создаются благоприятные условия для быстрого, устойчивого и полного сгорания топлива.

Поступающий из компрессора воздух распределяется следующим образом:

«Первичный воздух» (25—30)% через завихрители и стабилизаторы пламени подается в зону горения.

«Вторичный воздух» (50—60)% – через отверстия смесителя для перемешивания с «первичным воздухом» и создания приемлемого поля температур газового потока;

Оставшийся воздух (10—25)% подается на пленочное охлаждение стенок жаровых труб (через щелевые или «терочные» отверстия).

На рисунке 15 показан принцип двухзонности горения.