Файл: В этой концепции реализован принцип сжигания "сверхбедненных" предварительно смешанных воздушнотопливных смесей.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 24
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Аннотация.
Вопросы экологической безопасности являются приоритетными при разработке модернизации авиационных или наземных камер сгорания газотурбинных двигателей. Для снижения выбросов вредных веществ из продуктов сгорания сегодня используется система сжигания с низким уровнем выбросов, которая основана на концепции LPP (Обедненный-предварительно смешанный и предварительно испаренный).
В этой концепции реализован принцип сжигания “сверхбедненных” предварительно смешанных воздушно-топливных смесей.
Опыт эксплуатации камер сгорания разработан в соответствии с указанными концепция показывает, что одной из проблем внедрения является трудность обеспечения хорошего старта. В данной статье представлены результаты настройки рабочего процесса современной камеры сгорания, запуска газотурбинной установки, включая составление алгоритма управления подачей топлива, эксперименты с включением устройств зажигания и перевод газовой турбины в режим холостого хода. Особенностью пусконаладочных работ является отладка рабочего процесса камеры сгорания непосредственно в составе газотурбинной установки, минуя традиционные пилотные испытания на буровой установке.
-
Введение
Перед разработчиками авиационных и наземных газотурбинных двигателей (ГТД) стоит задача радикального улучшения экологических показателей, повышения надежности, экономической эффективности и оперативности. Это требует проведения тщательных исследований закономерностей образования выбросов вредных веществ в продуктах сгорания и их связи с конструкцией не только камер сгорания, но и двигателя в целом. В качестве новой прорывной технологии сегодня мы рассматриваем концепцию создания топлива с низким уровнем выбросов система сжигания, которая основана на концепции LPP (Lean-предварительно смешанная и предварительно испаренная) “бедная, смешанная, испаренная смесь”. В течение нескольких десятилетий этот новый подход развивался в форме разработки системы сгорания с низким уровнем выбросов и нового типа камеры сгорания, которая реализует принцип сжигания "сверхбедненных" предварительно смешанных топливовоздушных смесей. Накопленный в настоящее время положительный опыт создания камер сгорания и горелочных устройств позволил разработать данную систему сгорания для газотурбинной установки (ГТУ) [1]. Системы сжигания с низким уровнем выбросов включают:- разработку многоконтурной камеры сгорания с низким уровнем выбросов; -
разработку программы автоматизированной, строго дозированной подачи топлива в горелки с трехступенчатой системой подключения горелок в зависимости от режимов работы двигателя и атмосферных условий, т.е. автоматической системы управления камерой сгорания.
Практика эксплуатации камеры сгорания с низким уровнем выбросов показала, что когда дело доходит до достижения высокой эксплуатационной надежности, основной проблемой является запуск двигателя. Ниже приведены особенности ввода в эксплуатацию газотурбинной установки с камерой сгорания с низким уровнем выбросов. Особенностью исследования является то, что разработка рабочего процесса, включая пуск, осуществляется непосредственно в составе газовой турбины, исключая традиционную разработку дизайна только на автономной установке.
-
Проектирование камеры сгорания с низким уровнем выбросов
На ОАО “Металлист-Самара” была спроектирована новая низкоэмиссионная камера сгорания, а также разработана низкоэмиссионная система сжигания топлива на основе синтеза не импортированного опыта обеспечения экологической безопасности наземными и авиационными газотурбинными двигателями.
Базовым материалом для конструкции послужила стандартная версия газотурбинного двигателя GT-009M, разработанного группой компаний "Энергомаш". Модернизированный агрегат с низкоэмиссионной камерой сгорания получил название LGT-010. GTU LGT-010 представляет собой одновальный агрегат с осевым выходом газа после турбины и противоточной камерой сгорания, состоящей из восьми внешних жаровых труб, размещенных на корпусе турбины. LGT-010 работает в
два основных режима работы: когенерационный (без регенеративного воздухонагревателя) и регенеративный (с регенеративным воздухонагревателем). Модернизированная камера сгорания с низким уровнем выбросов и ее размещение на корпусе турбины показаны на рис. 1.
Основными конструктивными изменениями, внесенными в модернизированную камеру сгорания с низким уровнем выбросов, являются замена 7 стандартных топливных горелок в горелочном устройстве на 6 универсальных двухконтурных горелок
, обеспечивающих хорошее перемешивание топливовоздушной смеси, многоконтурную подачу топлива в камеру сгорания, а также использование трех коллекторов для подачи топлива с автоматизированной системой управления топливом по протестированной программе. Конструкция жаровой трубы остается стандартной с разумным уменьшением расхода воздуха для охлаждения передней стенки и вторичного воздуха для перемешивания. Уменьшенный поток воздуха для охлаждения стенок жаровой трубы используется для уменьшения состава топливных сборок в горелках с целью снижения выбросов. Модернизированное горелочное устройство камеры сгорания GTU LGT-010 с низким уровнем выбросов показано на рисунке 2.
-
Принятая методология сжигания топлива с низким уровнем выбросов
Для обеспечения экологической безопасности в GTU LGT-010 применяется следующая методология для топлива с низким уровнем выбросов
было принято сжигание:
- гомогенизация и высокоэффективное перемешивание ранее приготовленной “бедной” смеси;
- развитие процесса горения “бедной” смеси при температуре пламени не выше 1800
K во всех режимах работы;
- многоступенчатая схема сжигания с коротким временем пребывания продуктов сгорания при высокой температуре
зона.
Основными компонентами разработанной системы сжигания являются:
- многоконтурная камера сгорания с низким уровнем выбросов на базе унифицированной двухконтурной горелки;
- программа автоматизированной, строго дозированной подачи топлива к горелкам с трехконтурной системой подключения
горелки в зависимости от режимов работы двигателя, то есть автоматическая система управления камерой сгорания [2].
Основным элементом, обеспечивающим работоспособность камеры сгорания с низким уровнем выбросов, является универсальная двухконтурная горелка [3]. На фиг.3 показана модель этой горелки, которая определяет наличие двух отдельных зон горения резервного (пилотного) и основного топлива, имеющих воздушный кольцевой канал с осевым завихрителем (1), в лопастях которого с обеих сторон выполнены отверстия для подачи основного топливного газа (2). На входе в завихрение расположен стимулятор турбулентности (3) для уменьшения влияния неравномерности поля входных скоростей. Основное топливо подается в камеру смешения (4), где в турбулентном закрученном потоке готовится однородная топливная сборка.
4. Алгоритм работы с топливом модернизированной камеры сгорания с низким уровнем выбросов GTU LGT-010
При разработке алгоритма регулирования расхода топлива в модернизированной камере сгорания с низким уровнем выбросов авторы использовали опыт разработки автоматической системы управления камерой сгорания для самолетов и переоборудованных двигателей семейства NK, а также данные тестирования системы подачи топлива GTU LGT-010. Программа управления, используемая в GTU LGT-010, предусматривает подачу топлива в резервную (пилотную) и основную зоны горения с использованием трехконтурной подачи топлива.
На рисунке 4 показана зависимость максимально допустимого расхода топлива (Gt) от мощности, взятая в первом приближении за основу алгоритма дозирования топлива по контурам. Управление работой газовой турбины осуществляется путем ограничения температуры на входе в турбину (TET) в соответствии с корреляционной зависимостью от температуры газов перед турбиной свободной мощности.
Автоматическая система управления камерой сгорания модернизированной камеры сгорания с низким уровнем выбросов использует один стационарный блок управления дозатором (PUCS) с тремя регулирующими клапанами и одной дроссельной заслонкой, которые управляют подачей топлива в три контура: резервный (пилотный) контур, основной контур 2a и основной контур 2b.
Для запуска газовой турбины использовалась ранее протестированная программа со следующим алгоритмом подачи топлива:
1. Во время вращения ротора
вращаясь, топливо подается в резервный контур всех горелок каждой секции сгорания.
камера.
2. Управление зажиганием камеры сгорания с низким уровнем выбросов и запуск газовой турбины контролируются пламенем
управляющие датчики.
3. По завершении запуска, на этапе разгона несущего винта со скоростью вращения около 2350 об/мин,
PUC включен. Распределение топлива по контурам осуществляется клапанами.
4. Работа в режиме холостого хода осуществляется при требуемой норме расхода топлива. Топливо подается в основной контур 2b (основной контур из трех горелок каждой секции камеры сгорания) и резервный (пилотный) контур всех шести горелок каждой секции.
5. Кроме того, при нагрузке около 0,4 от номинального режима включается схема 2a, т.е. основной
контур всех шести горелок каждой секции работает.
6. Работа в номинальном режиме осуществляется при максимальной норме расхода топлива по основным контурам
2a и 2b и с минимальным расходом топлива через резервный (пилотный) контур горелок каждой секции.
Совместная работа клапанов, регулирующих дозировку топлива по контурам 2a и 2b, настроена согласно специальной протестированной программе, которая обеспечивает приемлемый уровень распределения температур горения и минимально возможные выбросы NOx и СО при такой работе.
-
Пуско-наладочные испытания камеры сгорания LGT-010 при переходе в режим холостого хода
Запуск устройств зажигания GTU LGT-010 был выполнен перед пусконаладочными работами (рисунок 7). Устройства зажигания предназначены для первоначального воспламенения топливовоздушной смеси, поступающей в камеру сгорания. По принципу своей работы запальные устройства камеры сгорания LGT-010 относятся к факельным воспламенителям. Устройство зажигания работает по схеме "искра-газ", первоначально на свечу подается напряжение, где образуется мощная искра в виде электрической дуги, после чего подается топливовоздушная смесь для формирования процесса зажигания. Перед устройством зажигания расположен смеситель, в котором за счет топливного газа и воздуха образуются топливные образования смешиваем вместе. Для стабильного воспламенения запального устройства необходимый расход воздуха α должен находиться в пределах 0,9...1,2 на выходе из запального устройства, а расход должен обеспечивать воспламенение без гашения на выходе устройства зажигания Топливовоздушная смесь подается ко всем восьми устройствам зажигания через воздушно-топливный коллектор; на входе в этот коллектор установлено огнезащитное устройство, которое исключает возможность обратного распространения пламени по коллектору к оборудованию впрыска топлива. Линия запуска оборудования для впрыска топлива имеет три линии подачи топлива: первая линия используется для подачи топливного газа в смеситель, вторая линия используется для подачи воздуха в смеситель, по третьей линии готовая топливовоздушная смесь передается из смесителя в распределительный коллектор на устройстве зажигания. Перед редукционным клапаном на газопроводе 1 расположен пусковой запорный клапан, предназначенный для импульсной подачи топливного газа в смеситель.
Подачу топливовоздушной смеси к устройству зажигания регулировали путем установки двух дроссельных шайб TW1, TW2 на первой линии и одной дроссельной шайбы TW3 на второй линии. Во время испытаний на воспламенение устройства зажигания основными изменяемыми параметрами были следующие значения: диаметры проходной части дросселей TW1, TW2, TW3, а также избыточные давления топливных газов и пусковой запорный клапан цикл.