Сжигание топлива в камере сгорания

Топливо для газотурбинного привода

Топливом для газотурбинного привода обычно служат жидкие и газообразные углеводороды (авиационный керосин, природный и нефтяной газы).

Топливо характеризуется низшей и высшей теплотой сгорания.

Высшая теплота сгорания топлива получается при таком его сжигании, когда образующаяся в результате реакции окисления вода находится в жидком (сконденсированном) состоянии.

Низшая теплота сгорания топлива получается при горении топлива с получением воды в парообразном состоянии.

На практике обычно реализуется способ сжигания топлива с получением низшей теплоты его сгорания.

Величины высшей и низшей теплоты сгорания топлива связаны между собой соотношением

(277)

В соотношении (277)

высшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

«скрытая» теплота парообразования,2512 кДж/кг;

количество водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, кг;

количество водяных паров, образующихся при испарении влаги из одного килограмма топлива, кг;

9количество водяных паров, образующихся при сжигании водорода, содержащегося в 1 кг топлива, кг.

Для расчета низшей теплоты (кДж/кг) сгорания любого вида топлива применяется формула Д.И.Менделеева

(278)

вода

число атомов углерода;

число атомов водорода;

число атомов кислорода;

число атомов серы.

Необходимое количество воздуха для сжигания топлива рассчитывается по формуле

, кг /кг; (279)

коэффициент избытка воздуха, он принимается равным 1,4 – 1,6 в зависимости от конструкции камеры сгорания.

При полном сгорании жидкого топлива образуется 16 – 16,5% СО₂, твердого топлива – 12 – 13,5% СО_2.

Количество подаваемого в зону горения первичного воздуха рассчитывается по формуле

(280)

Экономичность камеры сгорания оценивается её КПД

(281)

величина которого зависит от гидравлического КПД , термического КПД или коэффициента полного сгорания топлива

(282)

количество тепла, выделяющегося в единицу времени при полном сгорании топлива без потерь, Дж/с

(283)

потери тепла, Дж/ с.

Потери тепла в камере сгорания складываются из потерь в окружающую среду и потерь, связанных с несовершенством процесса горения топлива. Для уменьшения потерь в окружающую среду камеру смешения изолируют. В связи с этим потери в окружающую среду невелики. Потери, связанные с несовершенством горения топлива, возникают от его недожога.

(284)

Недожог включает в себя - физический недожог, который образуется из-за неправильно организованного процесса горения. При неправильно организованном процессе сжигания жидкое топливо не успевает газифицироваться, перемешаться с окислителем и уносится из зоны горения. Кроме того, топливо термически разлагается (процесс пиролиза) при недостатке кислорода. В этом случае образуются твердые частицы углерода. Наличие твердых частиц вызывает эрозию проточной части турбины При этом за счет сил адгезии (прилипания) углерод нарастает на лопатках турбины, что приводит к дисбалансу ротора и снижению её КПД. Возникающие отложения в самой камере сгорания приводят к неравномерному нагреву пламенных труб, их колебанию и растрескиванию, а отрывы наростов повреждают проточную часть турбины.

Химический недожогсвязан с недостатком времени пребывания топлива в зоне горения, и при этом не успевает произойти химическая реакция горения. Химический недожог возникает при недостаточной длине камеры сгорания и переохлаждении её отдельных участков, а также при низкой температуре горения топлива.

Гидравлический КПД камеры сгорания зависит от относительных в ней потерь полного давления

(285)

(286)

полное давление на входе в камеру сгорания и давление, при котором происходит сгорание топлива.

Гидравлические потери обуславливаются трением потока о стенки камеры сгорания, потерями на смешение потоков топлива и окислителя. Относительные гидравлические потери составляют 1 – 3%, КПД камеры смешения

Для надежной работы турбины должно быть равномерное распределение температур за камерой смешения. Допускается относительная неравномерность

(287)

Помимо высокой экономичности и надежности необходимо, чтобы камера сгорания была небольших размеров. Габариты камеры сгорания зависят от теплонапряженности её рабочего объема

(288)

Процесс горения топлива можно разделить на несколько стадий в зависимости от сжигания газообразного или жидкого видов топлива. При сжигании газообразного топлива это: образование горючей смеси, разогрев её, горение, получение горючих газов. При сжигании жидкого топлива вначале происходит пиролизное разложение топлива и испарение капель, а затем процесс горения идет также как при использовании газообразного топлива.

С целью эффективной работы камеры сгорания в её конструкции предусматривают:

- разделение пространства внутри пламенной трубы горения и зоны смешения ;

- оптимальное распределение топлива по её сечению;

- турбулизацию потока в зоне горения;

- стабилизацию фронта пламени;

- организацию охлаждения основных элементов конструкции.

Для хорошего сжигания топлива необходимо, чтобы температура в зоне горения была 1600 –1800⁰С. Поэтому рабочий объем камеры сгорания условно делят на две зоны – зону горения, в которую подается смесь воздуха и топлива, и зону смешения, в которую подаются продукты сгорания и вторичный воздух.

Вблизи от места подачи топлива в пламенную трубу его перемешивают с первичным воздухом. Для чего поток первичного воздуха турбулизируют и тем самым интенсифицируют процессы тепло - и массообмена.

В связи с тем, что в камере сгорания скорость движения потока значительно выше скорости распространения пламени, то удержания последнего в конструкции камеры сгорания предусматривается источник постоянного зажигания – стабилизатор фронта пламени. Его роль выполняют плохо обтекаемые тела фронтового устройства (завихрители) или дежурные горелки. Завихрители выполняются различных конструкций: конусообразные, лопаточные, диафрагменные и пр. Топливо подается к внешней границе обратных токов, т.к. вследствие высокой турбулизации здесь происходит быстрое перемешивание топлива с первичным воздухом. Горячие продукты сгорания подогревают и испаряют свежие порции топлива, а также постоянно поджигают смесь.