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 U_т. 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 (δ_щ = 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, К_S – эмпирический коэффициент (для относительного шага отверстий t/d₀ = 4 – 16 и β = 60 - 80^° K_S = 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/h_л = 0,12 и отношении скоростей w_г/w_л = 1,2 - 1,8.

Расчет лопаточного завихрителя заключается в выборе угла установки лопаток завихрителя φ, втулочного отношения завихрителя d_вт/D, формы и лопаток n

а также площади проходных сечений и скоростей.

Обычно φ = 45 – 72, d_вт/D = 0,4 – 0,5; n = 5 – 10.