CC BY
118
УДК 629.7.036.3
А.Н. Маркушин1, А.В. Бакланов2
1OA^O «Казанское моторостроительное производственное объединение» 2Казанский государственный технический университет им. A.H. Туполева «КАЛ»
ЭТАПЫ МОДЕРНИЗАЦИИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД СО СТУПЕНЧАТЫМ ПОДВОДОМ ВОЗДУХА ПО ДЛИНЕ
ЖАРОВОЙ ТРУБЫ
В статье описываются этапы модернизации серийной камеры сгорания газотурбинной установки НК-16СТ. Исследуется влияние конструкции горелочного устройства, перераспределение отверстий по длине жаровой трубы, изменение конструкции жаровой трубы на основные характеристики камеры сгорания. Подавление токсичных выбросов осуществляется «сухим» методом, т.е. без впрыска воды, пара или аммиака в тракт камеры сгорания. Данные мероприятия были проведены с целью улучшения экологических характеристик ГТУ, что позволило значительно снизить уровень выбросов токсичных веществ по сравнению с серийной КС.
Ключевые слова: камера сгорания, токсичность, горелочное устройство, экспериментальное исследование, модернизация, конструкция, газотурбинный двигатель, конвертирование.
Введение
В настоящее время газотурбинные двигатели находят все более широкое применение в качестве силовых установок в энергетике, нефтяной и газовой промышленности, то есть происходит процесс конвертирования авиационных газотурбинных двигателей, отработавших свой летный ресурс, в газотурбинные установки наземного применения.
В целях осуществления политики экологической безопасности, к ГТУ предъявляются все более жесткие требования на уровень выбросов в атмосферу токсичных веществ от сжигания топлива, в виде окиси углерода СО и окислов азота N0^ поэтому проблема снижения выбросов токсичных веществ является актуальной. Токсичные выбросы ГТУ в первую очередь зависят от процессов, происходящих в камере сгорания (КС). Камеры, конструкция которых наследуется, в процессе конвертирования летного двигателя в наземные установки, принято называть традиционными.
Несмотря на большое разнообразие конструктивного выполнения и параметров рабочего процесса таких КС, в основе их работы лежит общий принцип: разделение объема камеры на зону горения и зону смешения. Так как непосредственно для горения топлива необходимо выделить только часть воздуха, проходящего через КС (первичный воздух), обеспечивая условия образования реакционно-способной смеси и высокую температуру процесса. Оставшаяся часть воздуха (вторичный воздух), минуя зону горения, через пат-
рубки смесителей подается в зону смешения, где, смешиваясь с продуктами сгорания, обеспечивает заданный уровень температуры газов перед турбиной (рис. 1).
Рис.1. Конструктивная схема серийной камеры сгорания ГТД НК-16 СТ
К тому же постепенный подвод первичного воздуха по длине зоны горения, это условие которое накладывается обеспечением высокой эффективности процесса горения и, в первую очередь достижением заданного значения коэффициента полноты сгорания. Кроме того, введение струй первого пояса отверстий способствует формированию зоны обратных токов [1].
Этапы модернизации
В данной работе представлены технические решения, реализованные в ходе модернизации конструкции КС ГТУ НК-16СТ мощностью 16 МВт, созданной на базе авиационного газотурбинного двигателя НК-8-2У. Целью данной модернизации явилось снижение уровня эмиссии до значений КОх < 100 мг/м3, а СО < 300 мг/м3.
© А.Н. Маркушин, А.В. Бакланов, 2011
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
Можно выделить основные конструктивные мероприятия, которые были выполнены в процессе модернизации серийной КС (рис.1.):
1. Изменение конструкции горелочного устройства.
2. Перераспределение отверстий по длине жаровой трубы;
3. Сокращение размеров жаровой трубы.
В конструкции фронтового устройства серийной - кольцевой камеры сгорания, вихревые газовые горелки (рис.2) устанавливаются равномерно по окружности между внутренней и наружной стенками жаровой трубы. Топливо, подаваемое газовыми форсунками 1 вдоль оси каждой из горелок, перемешивается в камере смешения 3 с закрученным в завихрителе 2 потоком воздуха. В результате в первичной зоне КС за сопловым насадком 4, каждой из вихревых горелок формируются потоки топливовоздушной смеси, имеющие приосевые циркуляционные области. Наличие таких областей обеспечивает циркуляцию горячих продуктов сгорания и активных центров из зоны горения к корню факела свежей смеси, что создает условия для устойчивого воспламенения и стабилизации пламени.
На первом этапе испытаний изучалось влияние формы насадка горелочного устройства (рис 2 А, Б), на рабочий процесс КС при постоянном законе подвода воздуха по длине жаровой трубы. В работе исследовалось две формы насадка: диффузорный и конфузорный.
Вариант I
Рис.2. Схема горелочных устройств 1- струйная форсунка, 2- завихритель, 3- камера смешения, 4 - сопловой насадок
Исследования, проводимые на одногорелоч-ном отсеке показали, что изменением конструкции горелочного устройства можно реализовать, как приосевое горение (рис. 3 б). В этом случае градиент поперечной скорости топливовоздуш-
ной смеси на выходе из соплового насадка максимален, что обеспечивает полное выгорание топлива на малой длине. Так же и периферийное горение (рис.3 а), которое имеет низкое значение градиента скорости в радиальном направлении на всей длине зоны рециркуляции потока топливовоздушной смеси в первичной зоне камеры сгорания.
щ
а
б
Рис.3. Структура пламени на выходе
из диффузорной (а) и конфузорной (б) горелки
В ходе испытаний полноразмерной камеры сгорания проводилось измерение радиальной и окружной эпюр неравномерности поля температуры газа. Для чего в выходном сечении ЖТ была установлена подвижная в окружном направлении шеститочечная гребенка термопар. Измерения показали, что на выходе из КС с конфузор-ным насадком в районе термопары №5 наблюдается увеличение температуры по сравнению с вариантом камеры, имеющим диффузорный насадок. Это позволяет считать, что конфузорная форма горелочного устройства формирует в ЖТ более горячее ядро потока. Процесс объясняется смыканием вихревого слоя и уменьшением поперечных размеров зоны рециркуляции, что привело к локализации высокотемпературных масс газа в приосевой области горелки [2].
Поэтому, для эффективного уменьшения поверхностей пламени со стехиометрическим составом было реализовано техническое решение, основанное на локальном обеднении смеси в горячей приосевой зоне (рис. 2 вариант II). Данное решение заключается в доработке горелоч-
ного устройства, путем организации между форсункой и завихрителем кольцевого канала. В результате чего была обеспечена на ~15% большая площадь проходного сечения горелочного устройства, чем в исходном серийном варианте. Это мероприятие позволило снизить температуру ядра потока и привести радиальную эпюру в соответствие с нормами ТУ (рис. 4).
Рис. 4. Влияние конструктивного варианта на радиальную эпюру температурного поля в выходном сечении КС.
х-конфузор; □-диффузор; А-конфузор с кольцевым каналом; о-укороченная КС
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
—1= — Г
Г J
.н 4 1 1
-- \ х
Г Базовый вариан г
м< эдер! ШЗИ] зова! тая каме ;ра
Гг-
г рИ
=1—
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Рис.5. Распределение относительных площадей отверстий по длине базовой и модернизированной КС
К тому же, не смотря на существенное уменьшение размеров зоны рециркуляции, камеры сгорания с конфузорными горелками показали весьма высокую полноту сгорания по сравнению с горелками, имеющими диффузорный насадок (рис. 6), что привело к существенному снижению выброса СО. Однако основная цель, уменьшение КОх до заданного уровня, не была
достигнута на данном этапе (рис. 7). Здесь измерения концентрации токсичных веществ были проведены в составе полноразмерного двигателя НК-16СТД на режиме максимальной мощности и приведены к условному содержанию кислорода в выхлопных газах, равному 15%.
Л
а-- ---а
Щэ-5 *-Е )■---4
3 4 5 6 7
99 98 97
Рис.6. Характеристики полноты сгорания топлива на выходе из КС х-конфузор; □-диффузор; А-конфузор с кольцевым каналом; ~-КС с перераспределенным воздухом; о-укороченная КС
Рис. 7. Концентрации СО и N0^ камер с: 1 - диффузором (серийная); 2 - конфузором;
3 -конфузором и кольцевым каналом;
4 - перераспределенным воздухом, 5 - укороченной ЖТ
Второй этап работ основан на доработке жаровой трубы, путем перераспределения отверстий по ее длине, где в зону горения модернизированной КС, было подведено большее количество воздуха по сравнению с базовым вариантом (рис. 5), что осуществлялось за счет уменьшения проходных сечений патрубков смесителей, расположенных в зоне смешения и организации дополнительного ряда отверстий в зоне горения. Дополнительная масса воздуха способствовала уменьшению уровня температур в зоне горения, что так же повлияло на снижение выхода N0^ так как большая их часть формируется в зоне высоких температур. Данное мероприятие не ухудшило температурную неравномерность. Однако несколько снизилась полнота сгорания, так как главным фактором, влияющим на ее показатель, является состав смеси в первичной зоне. Поэтому обеднение смеси и привело к ее
1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011 - 81 -
снижению, и как следствие к повышению выхода СО (рис. 7).
Исходя из полученных данных было принято решение, сохранив последний вариант подвода воздуха и конфузорную горелку с щелевым каналом укоротить жаровую трубу на 40% с 0,575 до 0,347м. Вследствие этого, уменьшить время
пребывания тпр газов в КС с 11мс — базовая
КС до 7 мс — укороченная КС, что способствовало снижению выбросов КОх [3].
Выводы
В результате внедрения указанного комплекса технических решений получен конечный значительный эффект — снижения выбросов NOx с 150 до 88 мг/м3, рис. 7. При этом произошло закономерное ухудшение характеристик устойчивости горения — «срывные характеристики»,
выбросы СО не вышли за планируемые пределы, однако ухудшились по сравнению с вариантами камер, исследуемых на первом этапе.
Перечень ссылок
1. Мингазов Б.Г. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2006. -220 с.
2. Ланский А.М, Лукачев С.В, Матвеев С.Г. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД. Самара: СНЦ РАН, 2009. -335с
3. Маркушин А.Н., Меркушин В.К., Бакланов А.В. Снижение токсичности выхлопных газов в конвертированном авиадвигателе путем модернизации конструкции камеры сгорания// Вестник двигателестроения. Запорожье. —2010. №2. с. 136-140.
Поступила в редакцию 19.06.2011
А.Н. Маркушин, А.В. Бакланов. Етапи модершзацп камери згоряння ГТД 1з стушнчастим щдведенням повггря по довжит жарово! труби
У статт1 описуються етапи модершзацп серйног камери згоряння газотурбтног установки НК-16СТ. Досл^джуеться вплив конструкции пальникового пристрою, перероз-подш отвор1в по довжиш жаровог труби, змта конструкцп жарово1 труби на основы характеристики камери згоряння. Придушення токсичних викид1в здшснюеться «сухим» методом тобто без упорскування води, пари або ам1аку в тракт камери згоряння. Даш заходи були проведеш з метою полтшення еколог^чних характеристик ГТУ, що дозволило значно знизити ревень викид1в токсичних речовин в пор1внянш з сершною КС.
Ключов1 слова: камера згоряння, токсичность, пальниковий пристрш, експериментальне досл^дження, модершзацш, конструкцш, газотурбтний двигун, конвертаця
A.N. Markushin, A.V. Baklanov. Reconstruction steps of gte combustion chamber with stepwise injection of air downstream the flame tube
This article describes improvements made to the NK-16STgas turbine engine main combustor. Different researches results are represented. These results include burner and flame tube design affection on the characteristics of the main combustor and redistribution of the holes alongside flame tube. In order to decrease toxic emission «dry» method is used, that requires no use of water, vapor or ammonium hydrate injection.
Measures listed above allow to reduce toxic emission significantly comparing to the serial main combustor.
Key words: the combustion chamber, toxicity, experimental research, modernisation, a design, gas turbine engine, converting.
