Способ испытаний двустадийной малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинной установки Российский патент 2024 года по МПК G01M15/14 F23R3/34 

Изобретение относится к энергетике и авиадвигателестроению, а именно, к способам испытания двустадийной малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС) газотурбинной установки и может быть использовано при отработке и доводке двустадийных МЭКС, газотурбинных двигателей и установок.

Особенностью двустадийных МЭКС является последовательное расположение по длине жаровых труб двух рядов малоэмиссионных горелок, что позволяет существенно расширить диапазон малоэмиссионной работы и снизить уровень эмиссии NO_x на наиболее теплонапряженных режимах работы.

При формировании облика двустадийных МЭКС и при их экспериментальной отработке на стендах проводят испытания таких МЭКС на стендах в реальных условиях и особенно на номинальных режимах работы при вариации взаимного расположения горелок зон горения и при выборе оптимального для снижения эмиссионных и других характеристик соотношения расходов топлива в горелках соответствующих зон горения.

Негативной особенностью одностадийных МЭКС с горением бедной, заранее перемешанной топливовоздушной смеси, является их склонность на дроссельных режимах работы к возбуждению режимов виброгорения. При этом обеднение топливовоздушной смеси приводит к снижению температуры пламени, эмиссии окислов азота (NO_x), к снижению скоростей горения и росту эмиссии оксида углерода (СО).

Таким образом, снижение эмиссии NO_х ограничено ростом эмиссии СО и границами неустойчивого горения, приводящего к высоким амплитудам пульсаций давления. Диапазон низкоэмиссионных режимов работы по NO_x и СО достаточно узок и он дополнительно ограничивается наступлением режимов виброгорения. Поскольку газотурбинные двигатели и установки с МЭКС обладают достаточно широким диапазоном режимов по входным параметрам и по составу топливовоздушных смесей, МЭКС с технологией сжигания бедных топливовоздушных смесей требуют для реализации низкоэмиссионного горения во всем диапазоне условий эксплуатации применения специальных методов регулирования и поддержания их оптимального состава.

Известен способ регулирования горения в газовой турбине с низким содержанием NO_x в котором подают воздух в газовую турбину, подают топливо в горелку газовой турбины, а затем поджигают топливо-воздушную смесь и измеряют амплитуду пульсаций давления в жаровой трубе газовой турбины (CN 103410618,2013). В известном техническом решении с помощью системы мониторинга и анализа амплитуды пульсаций давления в жаровой трубе следят за состоянием устойчивости горения в камере сгорания. Когда горение отклоняется от стабильной рабочей точки, либо приближается к пределу воспламенения, или выбросы NO_x превышают норму, то производят регулировку топливовоздушной смеси в газовой турбине.

Недостатком известного способа является необходимость постоянного мониторинга характеристик и корректировки регулирования расходов топлива в горелках, а также невозможность обеспечения достаточного диапазона устойчивого горения в МЭКС в процессе эксплуатации газотурбинной установки.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ испытания двустадийной МЭКС газотурбинной установки, заключающийся в том, что подают в камеру сгорания через основную горелку топливо и воздух, воспламеняют полученную топливо-воздушную смесь восновной зоне горения, увеличивают расход топлива и воздуха через основную горелку до установившегося процесса горения, после этого последовательно подают топливо по крайней мере в одну дополнительную горелку камеры сгорания и увеличивают его расход в дополнительных горелках до достижения номинального режима работы камеры сгорания, в процессе горения определяют уровни пульсаций давления газа в жаровой трубе камеры сгорания, по которым судят о начале режима виброгорения и регулируют расход топлива в основной и дополнительной горелках (JP 2012141078, 2012). В известном техническом решении уровень эмиссионных характеристик определяется расчетным путем по результатам предварительных доводочных испытаний с помощью базы данных, заложенной в системе управления камеры сгорания, а устойчивость горения определяется с помощью датчиков измерения пульсаций давления, установленных на стенках жаровой трубы, амплитуд пульсаций давления.

Недостатком известного способа является ограниченные технические возможности, не обеспечивающие при выходе на режимы работы с максимальной мощностью камеры сгорания ГТУ устойчивого процесса горения.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа испытаний двустадийной МЭКС газотурбинной установки с целью определения оптимальной конструкции камеры сгорания для дальнейших ее испытаний в составе газотурбинной установки.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в разработке способа испытаний двустадийной МЭКС газотурбинной установки, обеспечивающего повышение точности определения эмиссионных характеристик и обеспечения устойчивости горения камеры сгорания газотурбинной установки.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа испытаний двустадийной МЭКС газотурбиннойустановки, заключающегося в том, что подают в камеру сгорания через основную горелку топливо и воздух, воспламеняют полученную топливо-воздушную смесь в основной зоне горения, увеличивают расход топлива и воздуха через основную горелку до установившегося процесса горения, после этого последовательно подают топливо по крайней мере в одну дополнительную горелку камеры сгорания и увеличивают его расход до достижения номинального режима работы камеры сгорания, в процессе горения определяют уровни пульсаций давления газа в жаровой трубе камеры сгорания, по которым судят о начале режима виброгорения и регулируют расход топлива в основной и дополнительных горелках, согласно предложенному изобретению осуществляют серию испытаний, при этом в процессе каждого испытания при достижении номинального режима работы камеры сгорания на выходе камеры сгорания осуществляют газовый анализ продуктов горения в результате которого определяют значения объемных концентраций оксида углерода [СО] и несгоревших углеводородов как эквивалент метана [СН₄], суммарный расход воздуха через камеру сгорания и суммарный расход топлива через основную и дополнительные горелки камеры сгорания, расчетным путем определяют индексы эмиссии оксида углерода EICO, несгоревшего метана ЕIСН₄ и коэффициент η полноты сгорания топлива по соответствующим формулам:

где:

α - суммарный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания;

L - стехиометрический коэффициент для данного топлива;

молярная масса оксида углерода, метана и продуктов сгорания соответственно,

а при достижении полученных значений для каждого коэффициента η полноты сгорания топлива в серии определяют значение эмиссии окислов азота NO_x и полученные значения сравнивают с нормированными предельными значениями.

Существенность отличительных признаков заявляемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих изобретение, достаточна для решения указанной технической проблемы и достижения заявленного технического результата.

Настоящее изобретение поясняется подробным описанием способа испытаний двустадийной МЭКС газотурбинной установки, и иллюстрацией, на которой представлено стендовое устройство для реализации предлагаемого способа.

На чертеже приняты следующие обозначения:

1,2 - системы подачи топлива;

3 - система подачи воздуха;

4 - газоанализатор;

5 - вычислительное устройство;

6 - основная горелка;

7 - дополнительные горелки;

8 - жаровая труба камеры сгорания;

9 - корпус камеры сгорания;

10 - основная зона горения;

11 - дополнительная зона горения.

Стендовое устройство для реализации предлагаемого способа включает систему 1 и систему 2 подачи топлива, систему 3 подачи воздуха, а также газоанализатор 4 и вычислительное устройство 5. При этом система 1 подачи топлива сообщена с основной горелкой 6, система 2 подачи топлива сообщена с дополнительными горелками 7, а система 3 подачи воздуха сообщена сосновной горелкой бис дополнительными горелками 7 жаровой трубы 8 камеры сгорания, расположенной в корпусе 9 камеры сгорания газотурбинной установки.

Способ испытаний двустадийной МЭКС газотурбинной установки реализуется следующим образом.

Осуществляют серию испытаний, при этом в процессе каждого испытания в корпус 9 камеры сгорания газотурбинной установки через основную горелку 6 от системы 1 подачи топлива и системы 3 подачи воздуха подают соответственно топливо и воздух. Полученную в результате смешения топливо - воздушную смесь воспламеняют в основной зоне 10 горения и увеличивают расход топлива и воздуха через основную горелку 6 до установившегося процесса горения. После этого последовательно подают топливо от системы 2 подачи топлива в дополнительные горелки 7, воспламеняют его в дополнительной зоне 11 горения и увеличивают расход топлива через дополнительные горелки 7 до достижения номинального режима работы камеры сгорания. В процессе горения определяют уровни пульсаций давления газа в жаровой трубе 8 камеры сгорания, по которым судят о начале режима виброгорения и регулируют расход топлива в основной горелке 6 и дополнительных горелках 7. Таким образом осуществляют серию испытаний, при этом в процессе каждого испытания при достижении номинального режима работы камеры сгорания на выходе последней осуществляют газовый анализ продуктов горения при помощи газоанализатора 4. В результате газового анализа определяют объемные концентрации оксида углерода [СО] и несгоревших углеводородов как эквивалент метана [СН₄], а также суммарный расход воздуха через жаровую трубу 8 камеры сгорания и суммарный расход топлива через основную горелку 6 и дополнительные горелки 7, и определяют индексы эмиссии оксида углерода EICO, несгоревшего метана EICH₄ и коэффициент η полноты сгорания топлива по соответствующим формулам:

где:

α - суммарный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания;

L - стехиометрический коэффициент для данного топлива;

молярная масса оксида углерода, метана и продуктов сгорания соответственно.

При достижении полученных значений коэффициента η полноты сгорания топлива, равного значению коэффициента полноты сгорания топлива на номинальном режиме работы камеры сгорания определяют значение эмиссии окислов азота NO_x и полученные значения последних сравнивают с нормированными предельными значениями в соответствии с ГОСТ 29328-92. При этом расчет перечисленных параметров, их запись и обработка результатов испытаний осуществляется вычислительным устройством 5.

Параметры испытуемой двухзонной малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинной установки, прошедшей экспериментальную доводку, представлены в таблицах 1 и 2.

На малоэмиссионном режиме N=50% топливо подавалось лишь в основную горелку. Эмиссия NO_x составила 5 ррm, а СО - 55 ррm, СН₄ - 127 ррm. Вычисленный коэффициент полноты сгорания топлива η равен 0,9953.

На малоэмиссионном режиме N=55% топливо начали подавать кроме основной в дополнительные горелки. Эмиссия NO_x составила 11 ррm, а СО - 20 ррm, СН₄ - 66 ррm. Вычисленный коэффициент полноты сгорания топлива 77 равен 0,9979.

На номинальном режиме N=100% расход топлива был максимальным, как в основных, так и в дополнительных горелках. Эмиссия NO_x составила 23ppm, a CO - 10 ppm, CH₄ - 38 ppm. Вычисленный коэффициент полноты сгорания топлива η равен 0,9991.

На всех малоэмиссионных режимах работы эмиссия NO_x соответствовала требованиям ГОСТ 29328-92, а эмиссия СО была меньше нормированного предельного значения в 100 ррm.

Таким образом, осуществление серии испытаний, в процессе каждого из которых при достижении номинального режима работы камеры сгорания на выходе двустадийной МЭКС осуществляют газовый анализ продуктов горения в результате которого определяют значения объемных концентраций оксида углерода [СО] и несгоревших углеводородов как эквивалент метана [СН₄], суммарный расход воздуха через камеру сгорания и суммарный расход топлива через основную и дополнительные горелки камеры сгорания, расчетным путем определяют индексы эмиссии оксида углерода EICO, несгоревшего метана ЕIСН₄ и коэффициент η полноты сгорания топлива по соответствующим формулам и при достижении полученных значений для каждого коэффициента η полноты сгорания топлива в серии определяют значение эмиссии окислов азота NO_x, а полученные значения сравнивают с нормированными предельными значениями, обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в разработке способа испытаний двустадийной МЭКС газотурбинной установки, обеспечивающего повышение точности определения эмиссионных характеристик и обеспечения устойчивости горения камеры сгорания газотурбинной установки.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и авиадвигателестроения и может быть использовано при отработке и доводке малоэмиссионных камер сгорания. Способ заключается в подаче в камеру сгорания через основную горелку топлива и воздуха, воспламенении топливовоздушной смеси, увеличении расхода топлива и воздуха до установившегося процесса горения, последовательной подаче топлива по крайней мере в одну дополнительную горелку камеры сгорания, увеличении его расхода до достижения номинального режима работы и определении уровня пульсаций давления газа в жаровой трубе камеры сгорания, по которым судят о начале режима виброгорения и регулируют расход топлива в горелках. При этом осуществляют серию испытаний, в процессе испытания при достижении номинального режима работы камеры сгорания в дополнительных горелках осуществляют газовый анализ продуктов горения, определяют значения объемных концентраций оксида углерода и несгоревших углеводородов, суммарный расход воздуха через камеру сгорания и суммарный расход топлива через горелки и расчетным путем определяют индексы эмиссии оксида углерода несгоревшего метана и коэффициент полноты сгорания топлива по соответствующим формулам. При достижении полученных значений для каждого коэффициента полноты сгорания топлива определяют значение эмиссии окислов азота и полученные значения сравнивают с нормированными предельными значениями. Технический результат заключается в разработке способа испытаний двустадийной малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинной установки, обеспечивающего повышение точности определения эмиссионных характеристик и обеспечения устойчивости горения камеры сгорания газотурбинной установки. 1 ил., 2 табл.

Способ испытаний двустадийной малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинной установки, заключающийся в том, что подают в камеру сгорания через основную горелку топливо и воздух, воспламеняют полученную топливовоздушную смесь в основной зоне горения, увеличивают расход топлива и воздуха через основную горелку до установившегося процесса горения, после этого последовательно подают топливо по крайней мере в одну дополнительную горелку камеры сгорания и увеличивают его расход до достижения номинального режима работы камеры сгорания, в процессе горения определяют уровни пульсаций давления газа в жаровой трубе камеры сгорания, по которым судят о начале режима виброгорения и регулируют расход топлива в основной и дополнительных горелках, отличающийся тем, что осуществляют серию испытаний, при этом в процессе каждого испытания при достижении номинального режима работы камеры сгорания на выходе камеры сгорания осуществляют газовый анализ продуктов горения, в результате которого определяют значения объемных концентраций оксида углерода [СО] и несгоревших углеводородов как эквивалент метана [СН₄], суммарный расход воздуха через камеру сгорания и суммарный расход топлива через основную и дополнительные горелки камеры сгорания, расчетным путем определяют индексы эмиссии оксида углерода EICO, несгоревшего метана ЕIСН₄ и коэффициент η полноты сгорания топлива по соответствующим формулам:

где α - суммарный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания;

L - стехиометрический коэффициент для данного топлива;

молярная масса оксида углерода, метана и продуктов сгорания соответственно,

а при достижении полученных значений для каждого коэффициента η полноты сгорания топлива в серии определяют значение эмиссии окислов азота NO_x и полученные значения сравнивают с нормированными предельными значениями.