В газотурбинных установках процесс подвода тепла к рабочему телу агрегатно отделен от процессов сжатия и расширения и осуществляется в специальных камерах сгорания, которые предназначены для полного и эффективного сжигания топливного газа в потоке воздуха, поступающего из осевого компрессора или регенератора с целью получения продуктов сгорания с температурой, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины.
Камера сгорания предназначена удовлетворять широкому кругу требований – обеспечение высокой полноты сгорания топлива, надежности и плавности запуска в работу, устойчивости горения в широком диапазоне изменения давления и завершение этого процесса на определенном расстоянии от соплового аппарата газовой турбины, отсутствие значительных пульсаций давления, вызванных процессом горения, равномерности поля температур в поперечном сечении камеры, большим моторесурсом, невысокими гидравлическими сопротивлениями, ремонтопригодностью, т.е. возможностью демонтажа и монтажа в условиях компрессорной станции (в стационарных ГТУ).
В газотурбинных установках большой и средней мощности применяют камеры сгорания главным образом двух типов – выносные и встроенные. Встроенные камеры сгорания –кольцевые, секционные, используемые главным образом в ГТУ авиационного типа, располагаются концентрично между компрессором и газовой турбиной, что позволяет значительно уменьшить габариты и массу установки, повысить блочность конструкции, облегчить ее обустройство на компрессорной станции.
Направление движения потока воздуха во встроенных камерах сгорания может быть различным: прямоточным или противоточным по отношению к направлению потока воздуха в компрессоре. Однако в различие в схемах движения потока воздуха, поступающего в камеру сгорания, практически не меняет рабочий процесс сжигания топлива и величину потерь давления по камере в целом.
Выносные камеры сгорания используются главным образом в ГТУ стационарного типа, чаще в установках с регенерацией теплоты отходящих газов, прежде всего в связи с необходимостью организовать движение потоков воздуха и продуктов сгорания между компрессором и газовой турбиной.
Принципиальная схема камеры сгорания показана на Рис. 4.1. Основными ее элементами являются: корпус 1, жаровая труба 2, горелочное устройство 3, завихритель 4 и смесительные окна 5.
Воздух после компрессора или регенератора поступает в камеру сгорания, где разделяется на два потока. Меньшая его часть Gв1 (первичный воздух) непосредственно поступает в жаровую трубу 2 через завихритель с радиально расположенными лопатками, обеспечивающими его закрутку и служит для сжигания топлива, поступившего в жаровую трубу через газовые горелки. Задача завихрителей, которые в принципе представляют из себя плохо обтекаемые тела, - образовать устойчивую зону обратных токов для обеспечения воспламенения вновь поступающих порций топливного газа в камеру сгорания.
Большая часть воздуха GB11 (вторичный воздух) проходит между корпусом и жаровой трубой, охлаждая их. Часть воздуха через щели и отверстия поступает внутрь жаровой трубы, охлаждает ее внутренние стенки и дополнительно турбулизирует поток продуктов сгорания. Через смесительные окна 5, оставшаяся часть воздуха поступает в жаровую трубу и смешиваясь с продуктами сгорания снижает их температуру до величины обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины.
Рабочий процесс работы камеры сгорания, несмотря на кажущуюся простоту, чрезвычайно сложен. Сам процесс сжигания топлива во многом зависит от качества подготовки топливовоздушной смеси и дальнейшего перемешивания топлива и воздуха. Чтобы процесс горения топлива в камере сгорания был устойчивым, очевидно необходимо, чтобы скорость потока газовоздушной смеси численно равнялась скорости горения. При подаче газовоздушной смеси со скоростью, меньше оптимальной, фронт горения будет смещаться в направлении подачи смеси и произойдет проскок пламени. Если скорость горения смеси будет меньше скорости подачи газовоздушной смеси, то фронт горения смещается в сторону смесительных окон и произойдет отрыв пламени.
Устойчивость горения топлива в камерах сгорания достигается с помощью аэродинамической рециркуляции продуктов сгорания, возникающей в камере за счет установки плохообтекаемых тел-регистров (завихрителей потоков воздуха), что приводит к образованию обратных токов продуктов сгорания, обеспечивающих непрерывное поджигание свежих порций поступающего топлива. Одновременно, с целью обеспечения надежного сжигания топлива в камере сгорания, их горелочное устройство, как правило, снабжается установкой дополнительных дежурных горелок, обеспечивающих постоянное поджигание поступающего топлива.
Обычно, корпуса камер сгорания оборудуются специальными смотровыми окнами, что позволяет обслуживающему персоналу КС дополнительно контролировать устойчивость процесса работы камеры сгорания ГТУ.
Весьма важной характеристикой рабочего процесса камеры сгорания является ее объемная теплонапряженность, под которой понимается количество тепла, вносимое сгоревшим топливом в единицу рабочего объема жаровой трубы в единицу времени и отнесенное к единице давления поступающего в камеру сжатого воздуха [2]:
(4.1)
где UVP – объемная теплонапряженность, кДж/м.ч.Н; В- часовой расход топливного газа, кг/ч; Qнр - низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг; hпс – коэффициент полноты сгорания топлива; Vж – объем огневого пространства жаровой трубы, м3; рв – давление в камере сгорания, Н/м2.
Обычно при проектировании камер сгорания задаются величиной Uvp. Обычно эта величина находится в диапазоне 120-160 кДж/м.ч.Н.
О степени интенсивности работы камеры сгорания свидетельствует также и другой параметр – удельная производительность (UF), представляющая собой отношение количества выделенного при сгорании топлива тепла к площади полного поперечного сечения камеры (F):
(4.2)
где uF – массовая скорость по полному сечению камеры, кг/(м2×ч); a - общий коэффициент избытка воздуха по камере сгорания; L0 - теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг. топлива.
Величина удельной производительности определяет собой гидравлическое сопротивление камеры сгорания. Потери полного напора в камере обычно относят к скоростному напору в каком-либо характерном ее сечении:
(4.3)
где zкс - коэффициент гидравлического сопротивления; rm – средняя плотность газовоздушной смеси.
Тепловая эффективность камеры сгорания оценивается величиной КПД (hкс), учитывающего потери от химической и механической неполноты сгорания (hпс) и потери от теплоотдачи с поверхности камеры сгорания в окружающую среду (DQвн),сек:
(4.4)
Для прямоточных камер сгорания величина hкс численно достаточно высока и находится в пределах 0,97-0,98.
Принципиальной особенностью рабочего процесса камер сгорания современных ГТУ является относительно высокий общий коэффициент избытка воздуха (a). Это непосредственно связано с уровнем термодинамических параметров цикла газотурбинных установок. Существо взаимосвязи состоит в том, что теоретическая температура горения топлива значительно выше той, которая допустима в качестве максимальной температуры цикла перед газовой турбиной. Поэтому необходимо большое количество дополнительного воздуха, подводимого в камеру сгорания через смесительные окна для того, чтобы снизить температуру рабочего тела на выходе из камеры перед поступлением газов на диски и лопатки газовой турбины.
