ГАЗОТУРБИННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
GAS-TURBINE TECHNOLOGIES
Статья поступила в редакцию 15.07.13. Ред. рег. № 1724 The article has entered in publishing office 15.07.13. Ed. reg. No. 1724
УДК 547.21; 536.46
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ НИЗКОЭМИССИОННЫХ
КАМЕР СГОРАНИЯ ГТУ
В.С. Арутюнов, В.М. Шмелев, А.Н. Рахметов, О.В. Шаповалова,
А.А. Захаров, А.В. Рощин
ФГБУН Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН 119991, Москва, ул. Косыгина, 4 Тел. +7 (495) 939-7287; факс: (495) 651-2191, e-mail: arutyunov@chph.ras.ru
Заключение совета рецензентов 17.07.13 Заключение совета экспертов 19.07.13 Принято к публикации 22.07.13
Рассмотрена возможность создания принципиально нового типа камеры сгорания (КС) для ГТУ, процесс горения в которой изначально ориентирован на достижение минимального уровня выброса вредных веществ. В качестве прототипа такой камеры сгорания приняты низкоэмиссионные горелочные устройства на основе проницаемых объемных матриц, сочетающие отличные эмиссионные характеристики с высокой эффективностью конверсии различных типов топлива и высоким удельным энерговыделением.
Ключевые слова: газотурбинные установки, камеры сгорания, снижение выбросов, поверхностное горение, объемные проницаемые матричные горелки.
NEW APPROACHES TO DEVELOPMENT OF LOW-EMISSION COMBUSTION CHAMBERS FOR GAS TURBINE ENGINES
V.S. Arutyunov, V.M. Shmelev, A.N. Rakhmetov, O.V. Shapovalova,
A.A. Zakharov, A.V. Roschin
Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences 119991, Moscow, Kosygina, 4 Phone: +7 (495) 9397287, fax: +7 (495) 6512191, e-mail: arutyunov@chph.ras.ru
Referred 17.07.13 Expertise 19.07.13 Accepted 22.07.13
The paper analyzes the possibility to develop principally new type of combustion chambers for gas turbine engines, the combustion process in which is primarily aimed to obtain the minimal emission of detrimental substances. As a prototype of such combustion chamber is chosen low-emission combustor, based on permeable volumetric matrix. Such combustors combine perfect emission characteristics with high efficiency in conversion of different types of fuel and high specific release of energy.
Keywords: gas turbine engines, combustion chambers, decreasing of pollution, surface combustion, volumetric permeable matrixes.
Владимир Сергеевич Арутюнов
Сведения об авторе: доктор химических наук, профессор, заведующий Лабораторией окисления углеводородов ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова, РАН
Сведения об авторе: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий Лабораторией горения ФГБУН Института химической физики им. Н. Н. Семенова, РАН
Владимир Михайлович Шмелев
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Аян Нурумович Рахметов
Сведения об авторе: аспирант ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова, РАН
Оксана Вячеславовна Шаповалова
Сведения об авторе: научный сотрудник ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова, РАН
Сведения об авторе: научный сотрудник ФГБУН Института химической физики им. Н. Н. Семенова, РАН
Александр Алексеевич Захаров
Введение
Газотурбинные двигатели (ГТД) и стационарные газотурбинные установки (ГТУ), благодаря своей компактности, высокой удельной мощности, энергоэффективности, экономичности и
оперативности, стали одним из основных типов энергоприводов для авиации, наземного транспорта и энергетики. В течение десятилетий повышение именно этих качеств было движущей силой прогресса в разработке новых газотурбинных приводов. Сейчас дальнейшее совершенствование ГТУ и, прежде всего, их камер сгорания (КС) связано с необходимостью удовлетворять постоянно возрастающие требования к уровню выброса вредных веществ, а также возможностью использования в ГТУ топлив более низкого качества.
t.'C
d -i in г
1200
I ООО
eoo
600
я
Лнршцпоняые
ггд
I JpOttbUlL'ltKHblf ГТД
f
Сведения об авторе: доктор технических наук, профессор, заместитель директора ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова, РАН
Александр Алексеевич Рощин
Ведущие производители газовых турбин стремятся повысить их характеристики за счет улучшения параметров цикла, совершенствования технологий горения для снижения выбросов оксидов азота и углерода, применения альтернативных видов топлива, внедрения программ улучшения уже созданной продукции. Результаты реализации этих усилий можно проследить по изменению основных параметров ГТУ: температуры газов после камеры сгорания и степени повышения давления (рис. 1). Эти параметры из года в год растут, обеспечивая повышение экономичности установок. Но по мере нарастания экологических проблем и вызванного этим ужесточения норм экологического регулирования, возникла необходимость
кардинального улучшения эмиссионных
характеристик ГТУ.
2rt(Hi I о л
19-40 Ш0 mil 2000 ГОД
Рис. 1. Тенденции изменения параметров ГТУ а - температура газов; б - степень повышения давления Fig. 1. Tendencies in the development of operational characteristics of gas turbine engines a - temperature of gases; b -extent of pressure enhancement
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
В 90-х годах прошлого века основным способом снижения МОх был впрыск пара. Современные ГТД имеют, как правило, «сухие» малоэмиссионные камеры сгорания (КС). Ведутся разработки каталитических преобразователей, но стоимость их очень высока. Таким образом, все предлагавшиеся до сих пор решения проблемы создания малоэмиссионных газовых турбин основывались на различных модификациях процесса горения в камерах сгорания ГТУ, не затрагивая основных принципов его организации.
В данной работе рассмотрена возможность создания принципиально нового типа камеры сгорания для ГТУ, процесс горения в которой изначально ориентирован на достижение минимального уровня вредных выбросов в процессе горения и основан на других принципах, нежели факельное сжигание топлива в традиционных камерах сгорания. Ориентация на создание нового типа камеры сгорания оправдана широким распространением наземных газотурбинных установок, к которым предъявляются требования, существенно отличающиеся от тех, которые характерны для авиационных двигателей. Как показывает практика, коэффициент преемственности конструкции ГТД, конвертированного в ГТУ, редко превышает значение 0,7... 0,8. Причем среди наиболее трудоемких конструктивных изменений, помимо тех, которые направлены на обеспечение выполнения требований по ресурсу, надежности и безопасности эксплуатации, разработка камеры сгорания с необходимыми экологическими характеристиками занимает одно из главных мест. Поэтому разработка специальной низкоэмиссионной КС для энергетических ГТУ представляется уже давно назревшей необходимостью.
Механизм образования вредных выбросов при работе ГТУ
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания (КС) и газовой турбины. Термин ГТУ обычно относят к стационарным машинам, а авиационные и транспортные газотурбинные двигатели называют ГТД. При работе ГТУ забирает компрессором воздух из атмосферы, который затем при повышенном давлении подают в камеру сгорания, куда одновременно подводят жидкое или газообразное топливо, и где происходит его сгорание в изобарических условиях. К выходящим из камеры продуктам сгорания подмешивают дополнительное количество воздуха для снижения их температуры. Получающийся после смешения газ поступает в газовую турбину, в которой, расширяясь, совершает работу, а затем выбрасывается в атмосферу. Развиваемая газовой турбиной мощность частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся
часть является полезной мощностью газотурбинной установки.
При всем многообразии конструкций камер сгорания ГТУ они имеют общие основные узлы и элементы, представленные на рис. 2. Основным несущим элементом камеры является корпус (3), который воспринимает внутреннее давление, а нанесенная на него внешняя изоляция обеспечивает достаточно низкую наружную температуру. Внутри камеры происходит разделение входящего воздуха на два потока. Первый поток поступает во фронтовое устройство с завихрителем (2), расположенное на входе в жаровую (пламенную) трубу (4). Второй поток подводится к жаровой трубе через кольцевые каналы, образованные наружными стенками жаровой трубы и внутренними стенками корпуса, и поступает внутрь жаровой трубы через отверстия (5). Топливоподающее устройство (1) размещается на входной части жаровой трубы.
Рис. 2. Схема камеры сгорания. 1 - топливная форсунка, 2 - воздушный завихритель, 3 - наружный корпус; 4 - жаровая труба, 5 - отверстия в жаровой трубе, 6 - первичная зона, 7 - промежуточная зона, 8 - зона смешения
Fig. 2. Scheme of combustion chamber. 1 - fuel-injection nozzle, 2 - air swirler, 3 - external case, 4 - flue tube, 5 - holes in flue tube, 6 - primary zone, 7 - intermediate zone, 8 - mixing zone
Объем жаровой трубы можно условно разделить на три части: первичную зону горения (6), промежуточную зону (7) и зону смешения (8). В первичной зоне горения должны быть обеспечены условия для стабилизации пламени, а также необходимое время пребывания топливно-воздушной смеси (ТВС), температура продуктов сгорания и интенсивность турбулентности потока. Эти требования определяются необходимостью достижения высокой полноты сгорания топлива. Промежуточная зона (7) предназначена для завершения процесса сгорания топлива. Она является продолжением первичной зоны горения и позволяет увеличить время пребывания газов при высокой температуре. Регулируемый подвод воздуха в зону горения по длине жаровой трубы предотвращает преждевременное охлаждение газа и замораживание химических реакций. Этим обеспечивается достижение максимальной полноты сгорания топлива.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Избыточный воздух, который не участвует в горении топлива и охлаждении стенок, подается в зону сме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.