Совершенствование теплового состояния жаровых труб и температурного поля на выходе высокофорсированных камер сгорания энергетических газотурбинных установок

• Автор: Хайрулин, Сергей Масхутович
• Шифр специальности: 05.04.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 158 с. : ил.

Условные обозначения
Глава 1. Современное состояние вопроса
Глава 2. Методика экспериментальных исследований
2.1. Объект исследований
2.2. Моделирование режимов работы камеры сгорания на стенде
2.3. Опытная установка и методика проведения испытаний
2.4. Методика проведения испытаний камеры сгорания
в составе газотурбинной установки ГТЭ
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований
3.1. Полнота сгорания топлива
3.2. Температурное поле газа за камерой сгорания
3.3. Режим зажигания
3.4. Тепловое состояние стенки жаровой трубы
Глава 4. Рекомендации по расчету теплового состояния стенок
жаровых труб камер сгорания ГТУ
Глава 5. Практическое применение рекомендаций по расчету
теплового состояния стенок жаровых труб. Сравнение
результатов расчетов с экспериментальными данными
Заключение
Библиографический список использованной литературы

Согласно прогнозам специалистов [11, 16], в течение всего
наступившего столетия органические виды топлива будут играть определяющую роль в выработке электрической и тепловой энергии во всем мире. При этом зарубежный и российский опыт показывает, что по техникоэкономическим показателям альтернативы использованию топлива в комбинированных парогазовых установках (ПГУ) сегодня нет и в ближайшие 30 лет не предвидится.
По оценке специалистов, газотурбинные установки (ГТУ) отличаются меньшей стоимостью установленной мощности, невысокой себестоимостью получаемой энергии (тепловой и электрической), сокращенными сроками строительства, по сравнению с обычными ТЭС и АЭС, и значительно меньшими, чем на других ТЭС, вредными выбросами в окружающую среду.
Газотурбинные и парогазовые установки обеспечивают более высокую эффективность использования топлива: коэффициент полезного действия (КПД) у ГТУ сегодня составляет 35-38%, а у ПГУ - 52-58,5%. На разрабатываемых ПГУ нового поколения КПД достигнет 60%, а к 2015-2020гг. он может быть увеличен до 62-64%. Нынешний уровень температур газов перед турбинами 1100-1400°С повысится у разрабатываемых ГТУ до 1500°С.
В связи с повышением температуры газа перед турбиной актуальными остаются вопросы обеспечения надежности и заданного ресурса ГТУ, а также снижение вредных выбросов в атмосферу.
Тепловое состояние стенки жаровой трубы (ЖТ) оказывает определяющее влияние на надежность и ресурс камеры сгорания (КС) и ГТУ в целом. Несмотря на то, что в перспективе возможно некоторое повышение допускаемых температур деталей камеры сгорания в результате применения новых жаропрочных материалов, основным условием повышения надежности и ресурса камер сгорания является совершенствование их систем охлаждения.
Температурное поле газов перед турбиной имеет большое значение для надежности работы и ресурса лопаток турбины. Знание характеристик температурного поля необходимо для проектирования оптимальной по надежности, эффективности и экономичности системы охлаждения лопаток. Кроме того, температурное поле на входе в турбину влияет на коэффициент ее полезного действия.
В связи с вышесказанным представляется актуальным разработка методов расчета, позволяющих уже на стадии проектирования ГТУ достаточно точно прогнозировать такие характеристики, как тепловое состояние стенки ЖТ, радиальный профиль и неравномерность температурного поля газа за КС. С помощью таких методик можно значительно сократить трудоемкий и дорогостоящий процесс создания и доводки ГТУ. Кроме того, такие методики можно использовать для совершенствования рабочих характеристик уже работающих ГТУ, повышения их эксплуатационной надежности и ресурса.
Основная цель настоящей работы заключается в улучшении рабочих характеристик (теплового состояния ЖТ и температурного поля газа на выходе) камер сгорания трубчато-кольцевого типа энергетических ГТУ. Достижение поставленной цели связано с выполнением следующих задач:
1. Экспериментальное изучение влияния параметров рабочего процесса и конструктивных особенностей КС, а также вида топлива на тепловое состояние стенки ЖТ и характеристики температурного поля газа за КС.
2. Совершенствование методики расчета теплового состояния стенки ЖТ со струйно-заградительной системой охлаждения.
3. Разработка методики оценки неравномерности температурного поля газа на выходе из КС.
4. Разработка рекомендаций и их практическое применение для совершенствования теплового состояния стенки ЖТ и температурного поля газа на выходе трубчато-кольцевой высокофорсированной КС энергетической

2.3 Опытная установка и методика проведения испытаний
2.3.1 Описание стенда горячих испытаний
Испытания камеры сгорания проводились на стенде горячих испытаний НПО ЦКТИ. Схема стенда представлена на рис. 2.8.
Стенд включает в себя отсек с экспериментальной камерой сгорания 9, топливное хозяйство, систему воздухопроводов и газопроводов, воздухоподогреватель 14, водяной насос 10, глушитель шума 18.
Топливное хозяйство состоит из приемных и мерных баков жидкого топлива, подогревателей, топливных насосов, фильтров, топливопроводов, контрольно-измерительных приборов. Расходный бак 1 заполняют дизельным топливом. Мерный бак 2, установленный на весах, обеспечивает надежное измерение расхода топлива. С помощью насоса 3 топливо поступает в топливный фильтр 4 и далее к форсункам исследуемой камеры сгорания 9. Элементы 7 и 6 аналогичны элементам 1 и 2 и предназначены для работы на газотурбинном топливе. В этом случае требуется подогрев топлива до температуры 70-80 °С. Для этой цели служат змеевики с паровым обогревом в топливных баках и отдельный подогреватель топлива 5.
Воздух для распыливания топлива поступает по трубопроводу от поршневого компрессора 8. Основной воздух поступает на стенд от отдельно стоящей компрессорной станции. Показанная на воздухопроводе арматура позволяет плавно регулировать расход и температуру воздуха, поступающего в КС.
Продукты сгорания из ЖТ направляются в воздухоподогреватель 14, далее- в глушитель шума 18 и в атмосферу.
Водяной насос 10 и водяная форсунка 11 служат для охлаждения продуктов сгорания.
Топливный, воздушный, газовый (продуктов сгорания) тракты и собственно отсек камеры сгорания оснащены контрольно-измерительными