Газогорелочные устройства камер сгорания ГТУ
Назначение газогорелочных устройств состоит в обеспечении образования газовоздушной смеси и надёжного её сжигания во всем диапазоне режимов работы ГТУ.
Газогорелочные устройства классифицируются по главному признаку - смешению газа с воздухом. По этому признаку различают два основных типа горелок.
1) Кинетические горелки, в которых осуществляется предварительное смешение газа с воздухом.
2) Диффузионные горелки, в которых осуществляется раздельная подача воздуха и топлива в зону горения.
Существуют также горелки смешанного, диффузионно-кинетического типа.
В газогорелочных устройствах первого типа горение происходит в кинетической области, то есть происходит выгорание предварительно перемешанной горючей смеси со скоростью турбулентного горения Uт. Кинетические газогорелочные устройства отличаются узким диапазоном работы при изменении режимов ГТУ и поэтому не получили широкого распространения. В современных ГТУ наибольшее распространение получили диффузионные газовые горелки различных типов. По способу подвода воздуха газовые горелки бывают двух типов - с лопаточным завихрителем (регистровые горелки) и струйно-стабилизаторные. Оба типа диффузионных горелок имеют центральную раздачу газа через отверстия в центральной части, которая называется «грибком». Диффузионные газовые горелки отличаются надёжной работой в широком диапазоне режимов. Характеристики газогорелочных устройств в основном зависят от характеристик турбулентности потока, так как смешение происходит в потоке за горелкой, а интенсивность смешения определяется турбулентной диффузией. Обеспечение хорошей работы газовых горелок достигается выбором соответствующей конструкции на основе опыта работы заводов и конструкторских бюро. Чаще всего в камерах сгорания ГТУ применяются диффузионные газовые горелки с подводом воздуха через лопаточный завихрителъ. Такие горелки были установлены на камерах сгорания ГТ-700-5, ГТ-750-6, ГТК-10 (НЗЛ), ГТ-25-700, ГТУ-100-750 (ЛМЗ), ГТ-50-80 (ХТЗ) и на многих других. На рис.4.22 к рис.4.23 показаны газогорелочные устройства камер сгорания установок ГТ-700-5 и ГТ-25-700. Обе горелки регистровые диффузионные. Раздача газа осуществляется в центральной части через отверстия в "грибке" (ГТ-700-5) или через кольцевую щель (δщ = 2 ÷ 3) на втулке лопаточного завихрителя.
Рис.4.20. Газогорелочное устройство камеры сгорания ГТ-700-5 НЗЛ: 1 - свеча; 2 - воспламенитель с запальной свечой; 5 - основная горелка; 4 -головка основной горелки; 5 - головка дежурной горелки; 6 - завихритель дежурной горелки; 7 - дежурная горелка
Рис.4.21. Газогорелочное устройство камеры сгорания ГТ-25-700 ЛМЗ
Дежурная грелка располагается в центре основной горелки. Более надёжной конструкцией газораздаточного устройства являются отверстия, так как при нагреве щель коробится и размеры её могут меняться по окружности. Способы подвода газа и конструктивные особенности горелок видны из рисунков. Схема диффузионной горелки струйно-стабилизаторного типа показана на рис.4.22. Горелка имеет вид шатра, образованного уголковыми стабилизаторами, наклоненными к оси горелки под углом 45°. Газ подаётся через центральный перфорированный конус. Вследствие высокой устойчивости работы струйно-стабилизаторных горелочных устройств они выполняются без пусковых и дежурных форсунок газа. Количество газовых отверстий равно числу уголковых стабилизаторов и расположены они непосредственно за стабилизаторами. При обтекании стабилизаторов воздухом за каждым из них образуются вихревые циркуляционные зон с высоким уровнем турбулентности, поэтому каждая топливная струя, развиваясь вдоль задней стороны уголка, интенсивно перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Общая зона горения представляет собой совокупность факелов за уголковыми стабилизаторами. Струйно-стабилизаторная горелка применялась на ГТУ-9 Калужского завода.
Схема рабочего процесса регистровых горелок аналогична рассмотренной выше схеме работы камеры с лопаточным завихрителем и жидкостной форсункой во втулке. В некоторых газогорелочных устройствах в центральной части втулки устанавливается форсунка для жидкого топлива, что позволяет эксплуатировать ГТУ на различных топливах.
Расчет газогорелочных устройств заключается в выборе конструктивных параметров лопаточного завихрителя (или других стабилизаторов) и определении числа отверстий или ширины щели для подачи газа в зону горения.
Рис 4.22. Схема газогорелочного устройства струйно-стабилизаторного типа:
I - перфорированный конус; 2 - утолок (стабилизатор); 3 - жаровая труба; 4 – свеча
Рис.4.23. Расчётная схема диффузионной горелки с лопаточным завихрителем
В основу расчёта полагалась эмпирическая формула дальнобойности газовой струи в поперечном потоке, полученная Ю.В.Ивановым.
, (4.46)
где y – глубина проникновения газовой струи в поперечный поток воздуха, КS – эмпирический коэффициент (для относительного шага отверстий t/d0 = 4 – 16 и β = 60 - 80° KS = 1,6 – 2,2); - отношение скорости выхода газа из отверстия и воздуха из межлопаточного канала;
- отношение плотностей газа и воздуха.
Опытным путем установлено, что лучшие результаты получаются при относительной глубине проникновения газовой струи y/hл = 0,12 и отношении скоростей wг/wл = 1,2 - 1,8.
Расчет лопаточного завихрителя заключается в выборе угла установки лопаток завихрителя φ, втулочного отношения завихрителя dвт/D, формы и лопаток n
а также площади проходных сечений и скоростей.
Обычно φ = 45 – 72, dвт/D = 0,4 – 0,5; n = 5 – 10.