С. В. Костенников Филиал ОАО «Силовые машины» – «ЛМЗ», г

С. В. Костенников
Филиал ОАО «Силовые машины» – «ЛМЗ», г. Санкт-Петербург
В данном докладе представлены описание конструкции и алгоритмы работы камеры сгорания газовой турбины ГТЭ-65 производства Филиала ОАО
«Силовые машины» «ЛМЗ». Ведущие производители энергетического оборудования уделяют большое внимание проектированию и стендовым испытаниям КС. В связи с постоянно ужесточающимися во всем мире экологическими
требованиями к ГТУ проблема создания малоэмиссионных КС становится все
более актуальной — именно экологические характеристики становятся одним
из основных параметров конкурентоспособности современной газовой турбины.
В ГТЭ-65 применяется кольцевая DLN (Dry Low NOX) камера сгорания
(Рис.1). КС разработана и изготовлена по заказу ОАО «Силовые машины»
на ГП «Ивченко-Прогресс» (г. Запорожье, Украина), обладающем передовыми технологиями производства и опытом разработки КС с эмиссией
NOX ≤ 50 мг/м3 и СО 153-34.17.469-2003 ≤ 100 мг/м3. Целью проекта было
создание КС для современной газовой турбины среднего класса мощности, соответствующей мировым стандартам. В техническом задании ОАО
«Силовые машины» на КС ГТЭ-65 помимо назначения параметров ее работы были представлены следующие основные требования к узлу:
КС должна обладать конструкцией, отвечающей современным концепциям и учитывающей богатый опыт авиадвигателестроения;
КС должна быть технологичной в производстве, в обслуживании и в ремонте;
КС должна обеспечивать низкие выбросы вредных веществ в отработавших газах ГТУ (как минимум соответствовать требованиям ГОСТ 29328-92).
В результате проведенных работ создана кольцевая камера сгорания
ГТЭ-65, представляющая собой компактную конструкцию, которую позволяет экономично расположить между компрессором и турбиной ГТУ
с меньшей потребностью в охлаждающем воздухе и металлоемкостью
в сравнении с другими типами КС. Для обеспечения удобства монтажа/
демонтажа ротора турбокомпрессора и обслуживания КС жаровая труба,
закрепленная посредством кронштейнов к корпусу турбины, имеет горизонтальный разъем. Газосборник также разъемный и соединен с сопловым
аппаратом первой ступени турбины телескопически.
Для обеспечения низких выбросов СО и несгоревших углеводородов
охлаждение жаровой трубы выполнено конвективным, что позволяет избежать образования холодного пристеночного слоя, «замораживающего»
продукты неполного сгорания, которые, попадая в зону разбавления, не
успевают окислиться и выделить тепло. Жаровая труба набрана из сегмен21
тов, имеющих с внутренней по отношению к зоне горения стороны гладкую
поверхность с нанесенным термобарьерным покрытием, с наружной стороны — оребренную поверхность для интенсификации конвективного воздушного охлаждения.
На наружной стенке газосборника расположены окна байпаса воздуха с
шибером, имеющим привод от электродвигателя. Наличие системы байпаса
воздуха позволяет иметь надежный розжиг КС и низкие уровни выбросов СО
и NOX. Также байпас участвует в алгоритме защиты от виброгорения.
Рис. 1. Продольный разрез камеры сгорания ГТЭ-65.
1 — камеры смешения;
2 — лобовое кольцо;
3 — жаровая труба;
4 — патрубок байпаса воздуха;
5 — дежурная горелка;
6 — nрубки подвода топлива;
7 — топливные коллекторы
Лобовое кольцо, соединяющее внутреннюю и наружную стенки жаровой трубы, состоит из сегментов. На лобовом кольце расположены два
ряда камер смешения. Каждый ряд содержит по 60 камер смешения, что
позволяет получить 120 небольших зон обратных токов с высокой скоростью тепловыделения — такое решение положительно влияет на эмиссионные характеристики вследствие уменьшения времени пребывания про22
дуктов сгорания в первичной зоне.
Каждая камера смешения представляет собой масштабированный в
соответствии с требуемой пропускной способностью воздушных каналов
образец разработанного на ГП «Ивченко-Прогресс» горелочного модуля,
который подтвердил свою работоспособность в составе камер сгорания
серии двигателей АИ-336 ОАО «Мотор Сич». Разработка камеры смешения для КС ГТЭ-65 — результат работ ГП «Ивченко-Прогресс» по созданию горелочных устройств для малоэмиссионных КС, проводимых с 1997 г.
Каждая камера смешения имеет форсунку с двумя контурами подвода
топлива. Первый из них подает топливо в центральный («дежурный») канал камеры смешения, второй — во внешний канал, где подготавливается
«бедная» гомогенная топливовоздушная смесь.
Как и все современные DLN камеры сгорания, с целью снижения эмиссий вредных веществ при условии надежной работы КС ГТЭ-65 работает по сложному алгоритму подачи топлива. Форсунки каждого ряда камер
смешения разбиты на четыре группы, каждая из которых может быть включена в работу самостоятельно. Таким образом, система топливопитания
КС состоит из шестнадцати линий подвода топлива, каждая из которых
оснащается электромагнитным клапаном. Также установлены два распределительных клапана, по одному на ряд, позволяющие регулировать распределение топлива по контурам камер смешения.
Алгоритм управления работой камеры сгорания предусматривает розжиг с подачей топлива в камеры смешения первого ряда, с долей расхода
газа в «дежурный» контур 25 %. Набор нагрузки происходит повышением
расхода топлива при попеременном переключении групп камер смешения
первого/второго ряда с одновременным регулированием расхода воздуха
через КС шибером байпаса. На режимах свыше 50 % от номинальной нагрузки работают все группы обоих рядов с долей расхода топлива в диффузионную ступень не более 5 %. Для обеспечения требуемого уровня эмиссии вредных веществ регулирование КС на режимах 50–100 % мощности
проводится по закону α=const (и соответственно при постоянной температуре в зоне горения) путем регулирования положения байпаса воздуха. Для
исполнения этого принципа в систему управления введен коэффициент регулирования системы байпаса воздуха и клапанов распределения топлива,
учитывающий режимные параметры ГТУ и параметры наружного воздуха.
Для отработки конструкции КС и алгоритма ее управления была изготовлена модель — 1/10 натурной жаровой трубы с 10 штатными горелочными устройствами. В ходе испытаний модели на стендах Филиала ОАО
«Силовые машины» «ЛМЗ» и ГП «Ивченко-Прогресс» проверена надежная работа на режимах от розжига до номинального, опробован алгоритм
управления и подтверждены все основные заявленные характеристики
КС. Испытания проходили в соответствии с принципами моделирования,
т. о. получены соответствующие натурной КС температуры и скорости воздуха и газа в сходственных точках, потери давления, температуры металла
жаровой трубы.
23
В настоящее время камера сгорания в составе головного образца
ГТЭ-65 готовится к пусконаладочным работам на объекте эксплуатации —
ТЭЦ-9 ОАО «Мосэнерго», г. Москва.
Вывод
В результате выполненных работ разработана, испытана на модельных
стендах и изготовлена соответствующая современному техническому
уровню камера сгорания с отвечающими современным требованиям экологическими характеристиками.
24