Для хорошего смесеобразования одновременно необходимо правильно сочетать распыливание топлива и движение воздуха в камере сгорания. Это позволит улучшить распределение топлива в камере и осуществить процесс сгорания при наименьшем количестве воздуха.
Форма камеры сгорания должна:
- соответствовать направлению и дальнобойности струи впрыскиваемого топлива;
- обеспечивать организованное движение потока воздуха, интенсивное перемешивание топлива и воздуха, полное сгорание топлива в короткий период при наименьшем количестве воздуха;
- плавное нарастание давления в цилиндре, умеренное максимальное давление при сгорании и минимальные тепловые потери;
- создавать условия для облегченного запуска двигателя.
По конструкции дизельные двигатели разделяются на две основные категории: с неразделенными и разделенными камерами сгорания. Неразделенные камеры имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива. Разделенные камеры разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру.
По способу различают объемное, пленочное и комбинированное смесеобразование.
При объемном смесеобразовании топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой. Объемное смесеобразование осуществляется в неразделенных камерах сгорания.
Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти все топливо направляется в пристеночную зону. В центральную часть камеры сгорания попадает приблизительно 5–10% впрыскиваемого форсункой топлива. Остальная часть топлива распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10–15 мкм). Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно отсутствует движение заряда и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой. При пленочном смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива. Применяют форсунки с одним сопловым отверстием. Давление впрыска топлива не превышает 17–20 МПа. Пленочное смесеобразование по сравнению с объемным обеспечивает лучшие экономические показатели двигателя, упрощает конструкцию топливной аппаратуры. Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего в первоначальном сгорании. Этот недостаток устраняют путем подогрева воздуха на впуске или за счет увеличения количества топлива, участвующего в образовании начального очага сгорания.
Комбинированное смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Другая часть капель топлива располагается во внутреннем объеме заряда. На поверхности камеры оседает примерно 50% топлива. При впуске в камере не создается вращательного движения заряда. Заряд приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, и создается вихрь. Скорость движения заряда достигает 40–45 м/с. Отличительной особенностью от пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме камеры сгорания, и сближает процесс с объемным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий.
Камеры сгорания с непосредственным впрыском. В дизельных двигателях с такими камерами топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания форсункой с рабочим давлением 15–30 МПа, имеющей многодырчатые распылители (5–7 отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0.15–0.32 мм). Столь высокие давления впрыска применяются ввиду того, что в данном случае распыливание топлива и перемешивание его с воздухом достигается главным образом за счет кинетической энергии, сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределения топлива в камере форсунки таких двигателей часто выполняют с несколькими отверстиями.
На рис. 6.4 показаны камеры сгорания двигателей с непосредственным впрыском, обеспечивающие объемное смесеобразование.
Рис. 6.4. Неразделенные камеры сгорания для объемного смесеобразования:
а – полусферическая, б – тороидальная
Камера сгорания двигателя — это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси.
Наряду с обеспечением оптимального смесеобразования ⭐ камеры сгорания должны способствовать получению высоких экономических показателей и хороших пусковых качеств двигателей. В зависимости от конструкции и используемого способа смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:
- неразделенные
- разделенные
Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая, как правило, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность охлаждения, благодаря чему снижаются потери теплоты. Двигатели с такими камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые качества.
Неразделенные камеры сгорания отличаются большим разнообразием форм. Чаще всего они выполняются в днище поршней, иногда частично в днище поршня и частично в головке блока цилиндров, реже - в головке.
На рисунке показаны некоторые конструкции камер сгорания неразделенного типа.
Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а - тороидальная в поршне; б - полусферическая в поршне и головке цилиндра; в - полусферическая в поршне; г - цилиндрическая в поршне; д - цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е - овальная в поршне: ж - шаровая в поршне; з - тороидальная в поршне с горловиной; и - цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенками цилиндра; к - вихревая в поршне; л - трапецеидальная в поршне; м - цилиндрическая в головке под выпускным клапаном
В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а-д качество смесеобразования достигается исключительно путем распыления топлива и согласования формы камер с формой факелов впрыска топлива. В этих камерах чаше всего применяются форсунки с многодырчатыми распылителями и используются высокие давления впрыска. Такие камеры имеют минимальные поверхности охлаждения. Для них характерна низкая степень сжатия.
Камеры сгорания, показанные на рис. е-з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько ухудшает пусковые свойства двигателя. Однако путем вытеснения воздуха из надпоршневого пространства в объем камеры в процессе сжатия удается создать интенсивные вихревые потоки заряда, которые способствуют хорошему перемешиванию топлива с воздухом. При этом обеспечивается высокое качество смесеобразования.
Камеры сгорания, показанные на рисунке, к-м, находят применение в многотопливных двигателях. Для них характерно наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение топлива и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего процесса в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) используется высокая температура выпускного клапана, который является одной из стенок камеры.
Разделенные камеры сгорания
Разделенные камеры сгорания состоят из двух отдельных объемов, соединяющихся между собой одним или несколькими каналами. Поверхность охлаждения таких камер значительно больше, чем у камер неразделенного типа. Поэтому в связи с большими тепловыми потерями двигатели с разделенными камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые качества и, как правило, более высокие степени сжатия.
Однако при разделенных камерах сгорания за счет использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить качественное приготовление топливно-воздушной смеси, благодаря чему достигается достаточно полное сгорание топлива и устраняется дымление на выпуске.
Рис. Камеры сгорания дизелей разделенного типа: а - предкамера; б - вихревая камера в головке; в - вихревая камера в блоке
Кроме того, дросселирующее действие соединительных каналов разделенных камер позволяет значительно уменьшить «жесткость» работы двигателя и снизить максимальные нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некоторое снижение «жесткости» работы двигателей с разделенными камерами сгорания может также обеспечиваться путем повышения температуры отдельных частей камер сгорания.
Если камера сгорания занимает объем над всей поверхностью днища поршня, то возникает слишком большая поверхность охлаждения. Поэтому стремятся создать компактную камеру сгорания в зоне свечи зажигания, а над днищем поршня – образовать зазор между ним и поверхностью головки цилиндра (уже упоминавшуюся ранее зону вытеснителя). Этот зазор выполняет две функции – обеспечивает компактность и малую поверхность камеры сгорания, а к концу хода сжатия способствует созданию интенсивного движения (турбулизации) заряда в ней.
Г. Р. Рикардо определил важность турбулизации заряда уже на начальном этапе развития двигателей внутреннего сгорания . Камера сгорания «Рикардо», примененная в двигателях с боковыми клапанами, значительно улучшила их параметры. Компактная, расположенная над клапанами, она имела небольшую поверхность отвода теплоты к охлаждающей жидкости, а турбулентность, создаваемая вытеснителем, ускоряла сгорание. Завихривание горячего газа около стенок камеры сгорания, хотя и увеличивает отдачу теплоты в них, но при этом позволяет повысить степень сжатия, что с избытком компенсирует некоторый рост тепловых потерь в стенки.
В настоящее время двигатели внутреннего сгорания выполняются с клапанами, расположенными в головке цилиндров, и распределительными валами, размещенными в блоке цилиндров (схема OHV) или в его головке (схема OHC). Камера сгорания при этом образована над днищем поршня. Для упрощения механизма газораспределения клапаны чаще всего располагают на продольной оси двигателя и камера сгорания под ними обычно выполнена ваннообразной. Для облегчения доступа к свече зажигания иногда она расположена сбоку камеры сгорания, а на противоположной свече стороне между поршнем головкой блока цилиндров образован вытеснитель. Заряд, вытесняемый из него в конце сжатия, направлен к свече зажигания и обогащает смесь вблизи нее. Такие ваннообразные (плоскоовальные) камеры сгорания с небольшими изменениями применяют практически у всех современных двигателей.
Так называемая клиновая камера сгорания, полученная из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов, показана на рис. 1. Свеча зажигания в этом случае сдвинута в сторону выпускного клапана, движение заряда в камере направлено к свече. У клинообразной камеры сгорания большая часть ее объема сконцентрирована возле свечи, благодаря чему сначала должно сгорать наибольшее количество заряда, а в самой удаленной от свечи зоне камеры сгорания, где имеется опасность детонации, должно находиться сравнительно небольшое количество переохлажденной смеси в зазоре вытеснителя. Такая камера обеспечивает мягкое сгорание и низкие тепловые потери. Жесткость работы двигателя оценивается скоростью нарастания давления, т. е. повышением давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на Решающее значение имеет участок поворота, соответствующий интервалу между образованием искрового разряда (воспламенение смеси) и ВМТ. Мягким считается процесс сгорания, при котором скорость нарастания давления лежит в пределах 0,2 – 0,6 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала. Уровень шума при работе двигателя зависит также от зазоров между поршнем и цилиндром и между валом и его подшипниками.
Широко применявшаяся ранее полусферическая камера сгорания также претерпевает в настоящее время изменения. Камера такой формы применяется у двигателей спортивных, гоночных автомобилей для достижения высокой удельной мощности. При использовании в головке цилиндра двух распределительных валов и большом угле развала клапанов можно разместить в головке цилиндра клапаны большого диаметра. При этом поверхность камеры сгорания по отношению к ее объему достаточно мала. Обеспечивается также хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, поскольку ему не препятствуют стенки цилиндра или камеры сгорания. Впускной и выпускной каналы имеют небольшую длину и малую поверхность. Двигатели с такой камерой сгорания имеют довольно высокий КПД. На рис. 2 приведен пример классического исполнения полусферической камеры сгорания.
У современных гоночных автомобилей эта камера сгорания значительно изменена. Для уменьшения сил инерции в клапанном механизме применяют четыре клапана в одном цилиндре, что приводит к образованию камеры сгорания так называемой шатровой формы. В ней можно разместить одну свечу зажигания непосредственно на оси цилиндра. Для получения в таких камерах высоких степеней сжатия днище поршня имеет выпуклую форму, и в нем делаются выемки для клапанов. В связи с этим поршень становится достаточно массивным, что при четырехклапанном варианте вызвало переход к шатровой камере сгорания с малым углом – около 20° между рядами клапанов. Использование такой камеры сгорания обеспечивает большое проходное сечение седел клапанов, малую массу деталей механизма газораспределения, пригодного для высоких частот вращения – до 12000 мин -1 , малую поверхность камеры сгорания без больших выемок под клапаны и малую массу поршня. Если при такой конструкции клапан не закроется, то поршень ударит по нему, но не изогнет и, следовательно, не вызовет серьезного повреждения дорогостоящей головки цилиндра.
Для двигателей гоночных автомобилей важным является быстрый процесс сгорания, также обеспечиваемый сильной турбулизацией заряда. При этом ось вращения заряда должна быть параллельна оси коленчатого вала, а ось впускной трубы – максимально возможно приближена к оси впускного клапана. На рис. 3 изображена подобная камера сгорания.
Если применяется полусферическая камера сгорания в двухклапанном исполнении, то оси клапанов не должны пересекаться с осью цилиндра. Чаще всего клапаны слегка отклонены от оси цилиндра, расположены в сферической части камеры и их углубление в поршень в этом случае невелико. Под выпускным клапаном в днище поршня делается небольшая выемка и зазор между поршнем и головкой обеспечивает завихривание заряда, необходимое для мягкой работы двигателя. Классическая же полусферическая камера сгорания характеризуется жесткой работой двигателя.
Для сжигания сильно обедненных смесей было разработано несколько новых видов камер сгорания. Большей частью они характеризуются стремлением достичь в объеме камеры послойного распределения заряда с образованием вблизи свечи зажигания богатой смеси. Часто эти камеры имеют форму тел вращения и располагаются в днище поршня. Пример подобной камеры приведен на рис. 4. Тангенциальное расположение впускного канала относительно цилиндра обеспечивает вращение заряда вокруг оси цилиндра, усиливающегося еще больше в ВМТ после вытеснения заряда с периферии цилиндра в камеру, диаметр которой меньше диаметра цилиндра. Свеча зажигания располагается в зоне камеры, где смесь обогащена. Головка цилиндра выполнена плоской, и выход потока из клапанной щели не тормозится ни стенкой цилиндра, ни стенкой камеры сгорания. Сразу же после открывания клапана его сечение открыто для прохода газового потока, за исключением зоны вблизи стенки цилиндра, однако это не имеет принципиального значения, так как поворот впускного канала не направлен в эту сторону.
Поршень с расположенной в днище камерой сгорания имеет большую массу и его температура выше, чем температура стенки камеры сгорания, размещенной в головке цилиндра. Последнее вызывает ухудшение теплоотдачи от газа к головке цилиндра и уменьшение потерь теплоты в систему охлаждения.
Размер клапана в головке цилиндра обусловлен диаметром цилиндра. Тарелка клапана не должна выступать за окружность цилиндра, так как при этом растет площадь охлаждения и ухудшается очистка цилиндра. Большие размеры клапана, кроме того, непрактичны, так как значительная часть его периметра заслоняется стенкой камеры сгорания.
Увеличения диаметра впускного клапана можно достичь за счет уменьшения диаметра выпускного клапана, который может быть на 15 % меньше, чем впускной. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре достаточно высокое, и хорошая очистка цилиндра может быть обеспечена и при уменьшенном сечении клапана. Кроме того, у выпускного клапана меньшего размера также меньше и деформация седла, и он быстрее охлаждается.
Клапаны наибольших размеров можно получить в полусферической камере сгорания, у которой диаметр впускного клапана может достичь 0,64, а выпускного – 0,54 диаметра цилиндра. При меньшем развале осей клапанов, а также при наличии седел клапанов у алюминиевых головок диаметры клапанов на 10 % меньше приведенных выше величин.
Независимо от конструктивных схем основных камер сгорания, для всех их общими являются следующие конструктивные элементы:
– диффузор;
– жаровая труба;
– стабилизаторы горения (завихрители);
– смесители;
– пусковые воспламенители;
– дренажные клапаны;
– топливные коллекторы с топливными форсунками.
Для трубчатых и трубчато-кольцевых камер, кроме того, используются пламяперебрасывающие патрубки и газосборники.
Диффузор устанавливается на входе в камеру сгорания и служит для понижения скорости воздуха на входе в камеру сгорания со 120…180 м/с до 30…50 м/с для обеспечения устойчивого горения топлива. На диффузоры приходится основная доля гидравлических потерь, поэтому их профилированию уделяется особое внимание.
Возможны несколько конструкций диффузоров: бессрывный, с разделением потоков, с запланированным срывом.
Бессрывный диффузор представляет собой плавный канал с углом раскрытия 18-25 0 и обеспечивает выравнивание потока, безотрывное течение воздуха и небольшие гидравлические потери. Однако он имеет значительный осевой размер, что увеличивает расстояние между опорами ротора и длину всего двигателя.
С целью уменьшения осевых размеров диффузора он может заканчиваться внезапным увеличением площади проходного сечения – запланированным срывом (АЛ-21, ТВ3-117, Р-29). В месте резкого перехода сечений могут устанавливаться специальные гребешки – провокаторы срыва потока.
Возможна также конструкция бессрывного диффузора с большим углом раскрытия (до 35-40 0). Для обеспечения бессрывного течения, поток в таком диффузоре делится на два или три канала, имеющих небольшие углы раскрытия.
Жаровая труба ограничивает зону горения топливо-воздушной смеси. В современных камерах она выполняется вальцовкой и сваркой тонкостенных колец, что снижает температурные напряжения в ее конструкции. Снаружи жаровая труба охлаждается вторичным воздухом, изнутри обеспечивается пленочное заградительное охлаждение.
Жаровая труба для обеспечения свободы температурных деформаций крепится в корпусе камеры как двухопорная балка, при этом обеспечивается ее фиксация только в одном поясе крепления, а во втором поясе – свобода перемещения.
Стабилизаторы горения (завихрители) обеспечивают устойчивость горения топливо-воздушной смеси, создавая зону обратных токов и интенсифицируя процессы смесеобразования путем увеличения турбулентности потока. Находят применение лопаточные (Р-11), струйные (щелевые, терочные – Д-25В, Д-20П) и срывные (АИ-20, АИ-25) стабилизаторы, а также их комбинации.
Смесители осуществляют подвод вторичного воздуха внутрь жаровой трубы для снижения температуры газа перед турбиной до заданного значения. Чтобы холодный воздух не попал в зону обратных токов и не нарушил процесса сгорания топлива из-за местного охлаждения газов, вторичный воздух вводят постепенно через систему отверстий или смесительных патрубков различного сечения. Струи вторичного воздуха должны иметь большую глубину проникания в поток горячего газа, чтобы снизить температуру газа не только у стенок, но и в ядре потока.
Величина глубины проникновения струй вторичного воздуха в жаровую трубу камеры рассчитывается по зависимости
где – глубина проникновения струи;
– диаметр отверстия;
и – скорость вторичного воздуха в отверстии и скорость сносящего газового потока;
– текущая длина жаровой трубы.
Пусковые воспламенители обеспечивают начальное воспламенение топливо-воздушной смеси при запуске двигателя. Они могут быть выполнены в виде электрической свечи у низковысотных двигатетелей (Д-25В, ТВ3-117) или при малом объеме камеры сгорания (РД-33) или в сочетании с пусковой топливной форсункой (АЛ-7, Р-11). Свечи применяют низковольтные (с рабочим напряжением 1500-2500 В, полупроводниковые, поверхностного разряда). Охлаждение пускового воспламенителя при запуске двигателя – емкостное, за счет нагрева собственной массы. Для облегчения высотного запуска и запуска в зимнее время в воспламенителе может применяться кислородная подпитка от бортовых кислородных баллонов (Р-25).
Дренажные клапаны располагаются в нижней части камеры сгорания и соединяются трубопроводом с дренажной системой двигателя. Они необходимы для слива остатков топлива из камеры при расконсервации двигателя, неудавшемся или ложном запуске.
Пламяперебрасывающие патрубки осуществляют передачу пламени в трубчатых или трубчато-кольцевых камерах сгорания из одной жаровой трубы в другую и несколько выравнивают давление в головках жаровых труб.
Газосборник необходим для плавного перевода потока газа от круглого сечения жаровой трубы трубчатой или трубчато-кольцевой камеры сгорания к кольцевому сечению перед сопловым аппаратом турбины.
В настоящее время в энергетических ГТУ используются различные газообразные и жидкие топлива, основными горючими которых являются углеводороды.
Природные газы состоят главным образом из метана (); в попутных нефтяных газах могут содержаться значительные количества , , , .
Нефтяные жидкие топлива для ГТУ состоят из различных по строению сложных молекул. Обычно массовая доля водорода составляет в них 11 – 13,5, углерода 86 – 87,5%. Во многих случаях в топливах содержатся соединения серы, кислорода, азота, влага и негорючие составляющие: в газообразных , , и др., в жидких – образующие золу соединения металлов.
В энергетических ГТУ используются КС с расположением жаровых труб вокруг вала ГТУ и выносные камеры сгорания. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки.
В трубчато-кольцевых камерах сгорания и индивидуальных камерах сгорания, расположенных концентрически вокруг вала ГТУ, вследствие небольших диаметров жаровых труб струи воздуха, вытекающего из отверстий в их стенках, проникают в ядро факела при приемлемых перепадах давления, обеспечивая быстрое перемешивание с воздухом и полное сгорание топлива без образования сажи в переобогащенных топливом зонах. Высокая турбулентность факела при горении в струях снижает также излучение на стенки. Обеспечить требуемую прочность, жесткость и температурное состояние металла небольших камер сгорания конструктивно проще. На их характеристики легче влиять с помощью тех или иных конструктивных изменений. Все это позволяет интенсифицировать процессы горения, уменьшить массу и габариты КС и всей ГТУ. Имеющиеся при небольших размерах жаровых труб возможности строгого дозирования потоков воздуха позволяет организовать процесс горения с минимальным количеством вредных выбросов (окислов азота, сажи, угарного газа, несгоревших углеводородов) и управлять полем температур на выходе. Жаровые трубы легче обслуживать и заменять для ремонта.
Важным преимуществом трубчато-кольцевых и индивидуальных камер сгорания является возможность отработки и доводки отдельных жаровых труб на стендах при натурных параметрах (давлении) и умеренных, практически доступных расходах воздуха и топлива. Аналогичные исследования крупных выносных камер сгорания возможны только в составе ГТУ,
В выносных камерах сгорания горелки расположены дальше от турбины и отделены от неё трактами с поворотом газового потока. Неравномерность температурного поля на входе в турбину и опасность проскоков пламени и повреждения турбины при неисправности горелок при этом меньше. Потери давления также обычно уменьшаются, так как при больших объемах затраты на перемешивание могут быть уменьшены (скорости движения воздуха меньше).
Вследствие значительного времени пребывания топливовоздушной смеси в зоне горения потери с недожогом и концентрации в продуктах сгорания угарного газа и несгоревших углеводородов могут быть невелики даже при сжигании тяжелых жидких топлив с повышенным содержанием углерода или низкокалорийных газов. При больших размерах факела его коэффициент теплового излучения близок к единице и мало изменяется в зависимости от характеристик жидких топлив. Это также облегчает сжигание их тяжелых сортов.
Рис.15.? Выносная КС ГТ-25-700-2.
1 – наружный корпус; 2 – жаровая труба; 3 – фронтовое устройство; 4 – горелки; 5 – сопла смесителя; 6 – подвод воздуха из КВД.
Выносные камеры создают возможность осмотра и ремонта изнутри их деталей и газового тракта, а также сопловых лопаток I ступени турбины.
Вместе с тем в больших выносных КС труднее организовать смешение и контролировать температуры факела, так чтобы выбросы были минимальными. Такие камеры транспортируются отдельно и присоединяются к турбогруппе при монтаже. Для вывода воздуха и ввода горячих газов в турбомашину необходимы крупногабаритные газоходы, ослабляющие корпус турбомашины. Прочность и газоплотность их внутреннего тракта обеспечить трудно. См.2.2. -2.4.
Несмотря на имеющийся опыт проектирования и отработку конструкций камер сгорания на моделях для обеспечения их работоспособности на промышленных ГТУ приходится выполнять доводку КС в составе ГТУ и вносить в конструкцию существенные изменения.
Из-за возникновения вихрей и зон пониженного давления в кольцевом канале между жаровой трубой и наружным корпусом в выносных КС наблюдались отложения кокса, перегрев и трещины на жаровой трубе, протечки газов через отверстия в ней и вынос кокса на внутреннюю стенку корпуса, а также увеличение неравномерности температур на выходе. Для упорядочения течения воздуха в кольцевом зазоре устанавливаются направляющие лопатки.
Обеспечение требуемого уровня температур и прочности деталей горячего тракта вызывает наибольшие трудности. Причинами трещин и поломок ненагруженных деталей жаровых труб КС часто бывают усталость под действием знакопеременных напряжений, особенно в тех случаях, когда КС работает неустойчиво, или термоусталость в результате теплосмен при пусках и остановах ГТУ. Трещины образуются в местах сварки и у отверстий и щелей в жаровых трубах для прохода воздуха, а также на газосборниках, соединяющих жаровые трубы с проточной частью турбины.
На ГТУ М7001 (Дженерал Электрик), например, из-за акустического резонанса в газосборниках возникали повышенные вибрационные напряжения, приводившие к образованию трещин, а затем щелей и отверстий. Уменьшение расхода воздуха через неисправную ЖТ и попадание отделившихся кусков металла в проточную часть турбины создавали опасность серьезных аварий. Для повышения прочности газосборников было введено гибкое соединение между ними и обоймой сопловых лопаток турбины; выполнены дополнительные отверстия для подвода охлаждающего воздуха и снижены температуры в зоне наибольших напряжений; скорректировано управление ВНА компрессора для изменения резонансных характеристик при частичных нагрузках; толщина стенок газосборников увеличена в 1,5 раза, а форма улучшена. Для уменьшения износа в местах механического контакта введена подвеска газосборников. Качество их изготовления улучшено путем совершенствования технологии и автоматизации сварки, проведения термообработки и рентгеноскопии швов.
На ГТУ М7001 были случаи смятия ЖТ из-за резкого повышения перепадов давления на них (до 130 – 150 кПа) при отключении топлива в момент внезапных остановов ГТУ. Прочность ЖТ была повышена установкой специальных жестких колец и устройством дополнительных решеток для прохода охлаждающего воздуха, облегчавших его доступ в зону горения, а процесс отключения ГТУ был растянут с 5- 10 до 15о мс, чтобы уменьшить перепад давления на ЖТ до 80 кПа. Радикальное снижение температуры и повышение прочности было достигнуто, однако, лишь после изменения конструкции, укорочения ЖТ и использования щелевого охлаждения
Рис.15.?. Модернизированная КС ГТУ М7001.
а) – конструктивная схема; б) – щелевое охлаждение: 1 – наружный корпус индивидуальной КС; 2- жаровая труба; 3- газосборник; 4 - фронтовое устройство; 5 – подвод топлива; 6 – свеча зажигания (одна из двух на 10 индивидуальных КС; 7 – экран; 8 – опора ЖТ; 9 – подвод воздуха из компрессора; 10 – вторичный воздух; 11 – приваренное точечной сваркой и опаянное кольцо; 12 – отверстия для ударного охлаждения; 13 – выходящая из щели непрерывная защитная пелена воздуха.
Перегрев деталей КС может вызывать несимметричность факела пламени. В ГТУ мощностью 35 – 85 МВт фирмы Броун Бовери (типы 9 и 13) с КС, установленной над ГТУ, выгорание металла наблюдалось в нижней части ЖТ при образовании очагов горения на выходящих из смесителя струях воздуха. причинами изменения положения факела в пространстве и соприкосновения его со стенками, вызывающего деформации и прогар ЖТ, могут быть также нарушение работы форсунок (газораздающих насадков), повреждение завихрителей и усталостные ли термоусталостные повреждения ЖТ или газосборников, нарушающие осевую симметрию потоков топлива и воздуха.
Ухудшение качества распыла жидкого топлива или наличие в газообразном топливе горючих конденсатов, в результате которых капли топлива попадают на стенки ЖТ и догорают на них, также могут вызвать перегрев и выгорание металла. Попадание в КС больших количеств газового конденсата приводит к очень тяжелым авариям. Вблизи фронтового устройства происходит переобогащение смеси и срыв факела, а горение стабилизируются на лопатках турбины, которые вследствие этого перегреваются и разрушаются.
Неравномерность температур на выходе из КС определяется конструкцией смесителя и может возрастать при затягивании горения и несимметричности подвода топлива или воздуха. На установке ГТ-100, например, коэффициент неравномерности температур газов и характер полей температуры на выходе из отдельных ЖТ, несимметричны из-за не вполне одинакового их положения относительно статорных элементов, не зависит от режима работы и вида топлива. Снижение неравномерности и благоприятное профилирование температуры по радиусу на входе в проточную часть были достигнуты путем несимметричного расположения и изменения числа и размеров сопл смесителя.
В некоторых выносных КС для выравнивания поля температур на выходе и определения в наладочный период оптимальных сечений сопл смесителя применялось их ручное регулирование с помощью заслонок. В эксплуатационной практике это нецелесообразно. При ограниченной информации о температуре газов изменение их неравномерности свидетельствует о возможном дефекте, который необходимо выявить и устранить, а не скрыть, устранив регулированием смесителя признак его появления.
Выравнивание температур происходит на некоторой длине после смесителя >1 – 2. Наличие поворотов между Кс и турбиной способствует некоторому уменьшению неравномерности температур, в угловых входных патрубках турбин их неравномерность уменьшается в 3 – 5 раз.
Серьезные неполадки могут быть вызваны неудовлетворительной работой форсунок жидкого топлива. На некоторых ГТУ наблюдался износ рабочих каналов форсунок из-за наличия в топливе и распыливающем воздухе твердых частиц. Чтобы избежать его, элементы форсунок выполняют из твердых материалов или упрочняют, топливо и распыливающий воздух фильтруют, а при конструировании трактов избегают повышенной турбулентности и прямого удара потока о стенки. Чтобы избежать неплотностив соединениях и протечек топлива с образованием кокса или даже очагов горения на форсунках, тщательность их изготовления и сборки контролируют на стендах перед установкой на ГТУ.
Перегрев, коксование и повреждения форсунок и горелок при работе предотвращают, охлаждая и защищая их постоянной продувкой воздухом, коксование форсунок после остановов и прекращения подачи топлива - быстро сливая его и продувая внутренние тракты форсунок воздухом для удаления остатков топлива. В ГТУ, предназначенных для работы на двух видах топлива, продувку форсунок жидкого топлива при работе на природном газе производят обычно тем же газом, который очищают от пыли, воды и солей, чтобы избежать забивания и коррозии форсунок.
Изменения, которые вносятся для улучшения процесса горения, охлаждения деталей, уменьшения неравномерности поля температур на выходе из КС и т.д., могут неблагоприятно влиять на другие характеристики камер. Так, например, на ГТУ типа V93 фирмы Крафтверкунион наблюдавшееся первоначально дымление было уменьшено путем повышения скоростей первичного воздуха и увеличения его количества подачей через дополнительные отверстия. Частичное закрытие регулируемых отверстий смесителя, которым сопровождались эти мероприятия, и повышение скоростей в них привели к нарушениям течения газа и вызвали поломки лопаток турбины. Надежная работа КС была обеспечена после переделки смесителя; закрытия регулируемых отверстий и устройства 12 конических сопл для ввода воздуха и 4 отверстий постоянного сечения.
Таблица параметров топлив
| Вид топлива | Топливо | Плотность, кг/и3 | Стехиометрическое количество воздуха, кг/кг | Низшая теплотворная способность, кДж/кг |
| Для реактивных двигателей | Т-1 ГОСТ 10227-02 | 14,78 | ||
| ТС-1 ГОСТ 10227-02 | ||||
| Т-2 ГОСТ 10227-02 | ||||
| Т-8 ТУ 38-1-257-69 | ||||
| РТ ГОСТ 16564-71 | ||||
| Т-6 ГОСТ 12308-80 | ||||
| Топливо дизельное | Л ГОСТ305-82 | |||
| З ГОСТ305-82 | ||||
| А ГОСТ305-82 | ||||
| Моторное топливо | ДТ ГОСТ 1667-68 | |||
| ДМ ГОСТ 1667-68 | ||||
| Для ГТУ | ТГВК ГОСТ 10433-75 | |||
| ТГ ГОСТ 10433-75 | ||||
| Дистиллят сернистый Ново-Уфимского НПЗ | ||||
| Дистиллят малосернистый Волгоградского НПЗ | ||||
| Природный газ | Ставропольское месторождение | 0,73 | 16,72 | |
| Саратовское | 0,765 | 16,8 | ||
| Водород | Жидкий водород | 34,2 |