АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ КАМЕР СГОРАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКИХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНВЕРТИРОВАННЫХ ГТУ

 

Владлен Михайлович Борщанский,

ведущий научный сотрудник ЦИАМ

 

От редакции: Статья была уже подготовлена к печати, когда Владлен Михайлович Борщанский, один из старейших сотрудников ЦИАМ, в результате трагической случайности ушел из жизни. Мы скорбим об этом и выражаем соболезнование его близким, друзьям и коллегам.

Отечественное авиационное газотурбинное двигателестроение всегда было отраслью, способной на основе созданных серийных и опытных авиационных ГТД производить большое количество соответствующих мировому уровню конвертированных газотурбинных приводов. Причем, производить их в широком диапазоне единичной мощности: от 0,1 до 30 МВт и самого разнообразного назначения для энергетики, газо/нефтедобывающего комплекса, судостроения и других нужд экономики России.

К наземным газотурбинным установкам (ГТУ), созданным на базе авиационных ГТД, предъявляются требования, отличные от тех, которые характерны для авиационных установок. Поэтому возникает необходимость внесения в конструкцию базового двигателя существенных изменений, что зачастую равнозначно разработке новой машины. Коэффициент преемственности конструкции ГТД конверти рованного в ГТУ редко превышает значение 0,7…0,8. Основные, наиболее трудоемкие доработки связаны с необходимостью:
- изменения конструктивной схемы базового авиадвигателя;
- ввода конструктивных изменений, обеспечивающих выполнение требований к характеристикам установки по ресурсу, надежности и безопасности эксплуатации;
- разработки камеры сгорания с необходимыми экологическими характеристиками, работающей на природном газе и дизельном топливе (ГТД для электростанций), а в газоперекачке
- на природном газе;
- разработки силовой турбины (если ее нет в конструкции базового двигателя и невозможно подобрать из существующих);
- применения редуктора (или его переделки для ГТУ), если частота вращения силовой турбины не соответствует требуемой, например, для электрогенератора или газоподкачивающего компрессора;
- создания принципиально новой системы автоматического управления, отвечающей условиям применения ГТУ;
- разработки системы контроля и диагностики технического состояния ГТУ (обычно встроенной в САУ);
- создания топливной системы, обеспечивающей эксплуатацию ГТУ на заданном заказчиком основном и резервном топливах,
- разработки масляной системы, рассчитанной на длительную непрерывную работу ГТУ.

В настоящей работе приведены результаты анализа конструктивных решений конвертированных ГТД и их камер сгорания, которые могут быть полезны специалистам по камерам сгорания при создании конвертированных стационарных и транспортных ГТУ для обеспечения повышения их эффективности и улучшения экологических характеристик. Представлены продольные разрезы ряда конвертированных ГТД, созданных имеющими наибольший опыт разработчиками на базе авиадвигателей различного типа.

Анализ представленных конструктивных решений узлов газовоздушного тракта конвертированных ГТД показывает, что обычно разработчики стараются максимально использовать узлы и детали газовоздушного тракта базового авиадвигателя. В то же время камеры сгорания, системы управления и подачи топлива всех конвертированных ГТД имеют целый ряд принципиальных отличий от базовых узлов и систем и поэтому требуют проведения значительного объема доработок для следующих вариантов:
- при применении ГТД в системе ГТУ для ГПА в качестве топлива используется природный газ;
- при применении ГТД в системе ГТУ для электростанций в качестве основного топлива обычно используется природный газ и в качестве резервного жидкое топливо (чаще всего дизельное топливо);
- системы управления и подачи топлива при любом из вариантов применяемых топлив отличаются программами управления, номенклатурой регулируемых параметров, перечнем критических и аварийных ситуаций, требующих реагирования САУ.

В литературе камеры сгорания ГТД обычно подразделяют по компоновке на выносные и встроенные в схему ГТД. По конструкции корпусов и жаровых труб - на кольцевые, трубчато-кольцевые и секционные. И, наконец, по количеству горелок в одной жаровой трубе - на одногорелочные и многогорелочные.

Как показывает опыт, в конвертированных ГТД, выполненных на базе авиадвигателей, как правило, не применяются выносные и секционные камеры сгорания. Выносные камеры сгорания применялись на некоторых ГТУ (ГТ-25/700, ГТЭ-35/770, разработанных в российских КБ энергетического машиностроения) и в ГТУ зарубежных фирм (АВВ и Siemens). В последнее время российские и зарубежные производители энергетических ГТУ отказываются от применения выносных камер сгорания по вполне понятным для разработчиков авиадвигателей причинам: из-за увеличения потерь в тракте, массы и габаритов ГТД, а кроме того, из-за общей тенденции повышения температуры газа для повышения эффективности ГТУ. Понятно, что выносная камера усложняет доводку двигателя для обеспечения требуемых параметров потока перед турбиной, а также достижение требуемого ресурса и надежности.

Большинство отечественных и зарубежных авиадвигателей третьего и четвертого поколений (и выполненных на их базе конвертированных ГТД) имеют кольцевые камеры сгорания. Трубчато-кольцевые камеры сгорания традиционно применяет в своих двигателях ОАО "Авиадвигатель", хотя и эта фирма на своих новых авиадвигателях планирует переход на кольцевые камеры сгорания. Трубчато-кольцевые камеры сгорания применяются также на двигателе ГТУ/20С разработки ММПП "Салют" (базовый двигатель АЛ/21Ф).

Доминирующим принципом отечественных и зарубежных разработчиков при создании камер сгорания конвертированных ГТД является стремление обеспечить неизменность габаритов камеры сгорания. Это позволяет сохранить такие технологически сложные узлы как наружный и внутренний корпуса камеры, а, следовательно, и силовую схему двигателя. При этом разработчик, не меняя технологии изготовления корпусов камеры сгорания, для повышения ее прочностных характеристик и эксплуатационной технологичности обычно предусматривает наличие горизонтального разъема наружного корпуса камеры
сгорания или установку на этом корпусе съемных люков.

Основные конструктивные изменения камеры сгорания базового авиадвигателя при создании конвертированных ГТД имеют целью интенсификацию горения, обеспечение длительного ресурса, возможности работы на газовом и жидком топливе (для энергетических установок) и требуемых экологических характеристик.

Как показывает имеющийся опыт, использование дизельного топлива не требует существенных переделок камеры сгорания. Применение в качестве топлива природного газа, который по существующим требованиям является основным топливом для ГТУ в системе газоперекачки, требует разработки практически новой системы топливоподачи и управления. Для решения указанных задач в камере сгорания отечественных конвертированных ГТД предусматривается изменение форсунок, горелок, фронтового устройства (при использовании природного газа). При необходимости проводится переоборудование для питания дизельным топливом. Ни одна из отечественных ГТУ не предусматривает возможности автоматического перехода на другое топливо без остановки. Однако следует отметить, что
разработчики стремятся выполнить одно из основных требований заказчика - обеспечить возможность использования в ГТЭУ двух видов топлив (например, в ОАО "Авиадвигатель").

Учитывая, что диапазоны рабочих режимов ГТУ существенно уже, чем у авиадвигателя, доводка камеры сгорания позволяет получить уровень содержания СО ниже нормированного (300 мг/нм³). Поэтому основные работы по обеспечению эмиссионных характеристик при создании ГТУ в отрасли ведутся с целью снижения содержания в выхлопных газах оксидов азота. Для большинства ГТУ, выполненных на базе авиадвигателей, значения уровней эмиссии оксидов азота соответствуют существующему для ГПА нормативному уровню на эмиссию NO_X (не более 150 мг/нм³), но превышают введенный с 1995 г. для энергетических газотурбинных агрегатов (ЭГТА) нормативный уровень - не более 50 мг/нм³.

Решением проблемы для ЭГТА может быть использование впрыска водяного пара, что позволяет существенно уменьшить эмиссию окислов азота, однако для этого потребуется организовать довольно сложный процесс подготовки воды и установить громоздкое оборудование. Несмотря на дополнительные технологические сложности, этот метод достаточно широко используется в зарубежных ЭГТА.

Известно, что основными факторами, влияющими на концентрацию NO_X, являются температура в зоне реакции и время пребывания топливо-воздушной смеси в области высоких температур. Оксиды азота NOX, основную часть которых составляет окись азота NО, образуются при окислении азота воздуха при
температуре Т*_г > 1750 К.

Для исключения локальных зон повышенных температур необходима гомогенизация смеси, предварительное смешивание топлива с воздухом и организация горения "бедной" топливовоздушной смеси (α < 2). Однако снижение температуры горения ниже 1600 К может привести к повышению концентрации окиси углерода СО и сужению диапазона устойчивого горения бедной смеси. Низкие концентрации оксидов азота NO_x и углерода СО обеспечиваются только при поддержании температуры горения в ограниченном ди апазоне (Т*_г = 1600…1750 К).

Следовательно, малоэмиссионная камера сгорания (МКС) конвертированного ГТД должна удовлетворять ряду противоречивых требований: обеспечивать низкие выбросы NO_X и СО, надежный запуск, устойчивое горение на пониженных режимах работы ГТУ и др.

При создании камер сгорания с низким уровнем эмиссии оксидов азота в настоящее время наиболее часто рассматриваются четыре схемы:
- гомогенная;
- с последовательно или параллельно расположенными зонами горения дежурной (первая зона) и бедной (вторая зона);
- с горелочными устройствами (модулями), обеспечивающими предварительную подготовку смеси;
- каталитическая.

Применение гомогенной камеры сгорания в конвертированном ГТД представляется затруднительным из-за необходимости увеличения длины камеры и внесения существенных конструктивных изменений (переработка силовой схемы и конструкции корпусов, увеличение длины валов и пр.). Дли минимизации объема переделок камеру сгорания можно разместить под углом или применить выносную камеру, но при этом сильно изменяется силовая схема двигателя и появляются дополнительные гидравлические потери на 2…3 % на соответствующем участке газовоздушного тракта. Кроме того, такая схема менее подходит для создания высокотемпературной ГТУ из-за увеличения сложности формирования требуемой эпюры температуры газа перед турбиной. Кроме того, гомогенные камеры сгорания характеризуются узким диапазоном условий устойчивой работы, что усложняет систему регулирования топливоподачи.

Двухзонные камеры сгорания применяет в настоящее время большинство разработчиков. Следует учитывать, что двухзонные камеры сгорания с последовательными зонами, с которых начиналось внедрение камер такого типа, также отличаются увеличенной длиной, что усложняет процесс конвертации. Поэтому применение такой схемы камеры сгорания в "чистом виде" возможно лишь при переделке авиадвигателей второго и третьего поколений. Камеры сгорания с последовательными зонами применены в энергетических ГТУ, созданных на основе газогенератора авиадвигателя третьего поколения Д-30 разработки ОАО "Авиадвигатель". По опубликованным данным такая камера сгорания прошла комплекс испытаний, была внедрена на многих установках и успешно эксплуатируется, а в 2000 г. на энергетические установки ГТУ-2,5П и ГТУ-4П были получены экологические сертификаты соответствия требованиям ГОСТ 29328/92 (NO_X / не более 50 мг/нм³).

При создании ГТУ на базе современных двигателей четвертого поколения с более высокими параметрами цикла и меньшей относительной длиной камеры разработчики ищут конструктивные решения, позволяющие сохранить ее габариты (наружного и внутреннего корпусов). Одним из решений стала разработка МКС с "параллельным" расположением зон. В качестве примера можно привести разработку МКС для ГТУ-16П в ОАО "Авиадвигатель", конструкция которой была основана на сжигании топливного газа в двух зонах: дежурной и основной для обеспечения улучшения экологических характеристик.

Известно, что камера сгорания подобного типа разработана фирмой Rolls-Royce для ряда наземных и морских ГТУ. Можно указать также на необычное решение для конвертированных ГТУ, которое эта фирма реализовала на наземной установке Industrial Trent мощностью до 58 МВт, разработанной на базе авиационного ТРДД с большой степенью двухконтурности Trent 800. Разработчики Rolls-Royce применили редчайший вариант для конвертированных ГТУ, заменив кольцевую камеру сгорания авиационного двигателя на восемь индивидуальных камер с тремя зонами горения и предварительным смешением.

Камеры сгорания с горелочными устройствами (модулями) считаются наиболее перспективными. Примером такой камеры может служить МКС для двигателя АЛ-31СТ, созданного в НТЦ им А.Люльки ОАО "НПО "Сатурн". Кольцевая камера сгорания с предварительной подготовкой и сжиганием "бедных" топливно-воздушных смесей оснащена фронтовым устройством с 56 модулями, расположенными в два яруса. Модули предназначены для смешения природного газа с воздухом. В их состав входят центральные и периферийные горелки, образующие первую и вторую зоны горения. Организация двух
зон горения достигнута путем независимой подачи газа к центральной и периферийной горелкам модулей камеры сгорания. Первая зона работает на запуске и переходных режимах работы ГТУ, вторая
(совместно с первой) - на основных режимах. Многомодульная система камеры сгорания и интенсификация процессов подготовки и сжигания топливно-воздушной смеси обеспечили снижение выбросов оксидов азота NO_X (до уровня 35 ррm), уменьшение эмиссии окиси углерода, надежный запуск ГТУ и достаточно широкий диапазон устойчивого горения по "бедной" смеси.

Как показали проведенные в ЦИАМ исследования, применение каталитической камеры сгорания связано с целым рядом ограничений, среди которых рабочий диапазон температуры среды, в которой может работать имеющийся материал катализатора (в проведенной работе диапазон на входе не ниже 750 К и не выше 850 К с максимальной температурой газа, не превышающей 1200 К на выходе из камеры сгорания), необходимость применения камеры большой длины и др. Выяснилось, что базовый ГТД придется переделывать в ГТУ регенеративного цикла (ГТУР), т.е. осуществить коренные конструктивные изменения корпусов, валов, каналов газовоздушного тракта и пр. Ограничение параметров ГТУР величиной Т*_г = 1200 К приводит к заведомо низким удельным параметрам, таким как удельная мощность и к.п.д. Очевидно, что подобные установки будут иметь существенно худшие характеристики по экономичности. Анализ показывает, что повышение температуры газа до Т*_г = 1300 К позволил бы повысить к.п.д. ГТУР на 7,3 % и при равной мощности снизить на эту величину расход топлива.

Учитывая, что современные малоэмиссионные камеры сгорания (по зарубежным данным) обеспечивают достижение уровня эмиссии 10…15 ppm на "сухой" камере при Т*_г = 1700…1770 К, можно считать, что ГТУР с каталитической КС будет конкурентоспособной только при применении в элитных пригородных районах, санаторных комплексах и прочих аналогичных поселениях с особожесткими требованиями заказчика к наличию вредных веществ в выхлопных газах ГТУ. Что касается центральных густонаселенных районов городов, то вредные выхлопы от современных ГТУ и ГТУР с обычными камерами сгорания составляют весьма малую часть от уровня загрязнения, создаваемого автотранспортом.

Для обеспечения повышения конкурентоспособности ГТУР с каталитической КС необходимо проведение дальнейших исследований и разработок, связанных с освоением более высоких температур газа перед турбиной.