Результаты модельной доводки двухтопливной камеры сгорания ГТУ

Н. А. Андрюков, А. И. Булатов, А. В. Медведев, А. П. Пеков – ОАО «Авиадвигатель»

Рынок газотурбинного энергетического оборудования остро нуждается в двигателях, способных работать на двух видах топлива: природном газе (основном) и дизельном (резервном). При этом технико-эксплуатационные и экологические требования к двухтопливным машинам остаются высокими. Создание подобных двигателей усложняет конструкцию камеры сгорания (КС) и выявляет ряд проблем, связанных с процессом горения и продуктами сгорания.

В настоящее время в ОАО «Авиадвигатель» разрабатываются газотурбинные установки номинальной мощностью 4 и 6 МВт, способные работать на двух видах топлива – газообразном и жидком. ГТУ создаются на базе газогенератора авиационного двигателя Д-30 III серии, имеющего более чем 30-летний опыт эксплуатации. Они являются продолжением ряда энергоустановок малой мощности (вслед за ГТУ-2,5П и ГТУ-4П), работающих на природном газе и предназначенных для выработки электроэнергии для нужд нефте- и газодобывающих предприятий, муниципальных и промышленных объектов.
Прототипом двухтопливного варианта камеры сгорания является серийная КС установки ГТУ-4П, работающая на природном газе. С целью наибольшей унификации сохранены конструкция корпусов КС, число жаровых труб и их габариты. Отличительной особенностью разрабатываемой камеры сгорания является наличие двухтопливной форсунки и радиально-осевого воздушного завихрителя с наружным и внутренним коническими соплами.
На стадии предварительной доводки двухтопливной КС применяются сменные топливные форсунки. На газообразном топливе использовалась серийная одноканальная форсунка ГТУ-4П, имеющая распылитель для подачи в жаровую трубу газообразного топлива, на жидком топливе – серийная двухконтурная форсунка КС двигателя Д-30, специально доработанная для жаровой трубы ГТУ-4П. В окончательном варианте камеры сгорания применена трехканальная двухтопливная форсунка: один канал служит для подачи газообразного топлива, два других – для подачи жидкого топлива через два контура.
Двухтопливная камера сгорания ГТУ-4П предназначена для попеременной работы на газообразном и жидком топливе, в том числе возможна кратковременная работа на обоих видах топлива при переходе с одного на другой в процессе эксплуатации без остановки ГТУ. По предварительной оценке, данный процесс перехода будет происходить примерно в течение пяти минут.
Для выполнения ресурсных и экологических требований в двухтопливном варианте КС выбрана технология «богато-бедного» горения (RQL), в данном случае как наиболее эффективная по сравнению с другими технологиями малоэмиссионного горения.
Двухтопливная камера сгорания ГТУ-4П работает по следующему принципу. Воздух из компрессора поступает в кольцевой диффузор с плавным расширением, в котором скорость воздуха снижается перед жаровыми трубами. Через радиально-осевой завихритель часть воздуха смешивается с топливом и поступает в зону горения («богатая» зона). Потоки воздуха от радиального и осевого завихрителей разделены внутренним коническим соплом, образующим вместе с наружным соплом конфузорный канал за радиальным завихрителем.
Топливо, распыленное жидкостной двухконтурной форсункой (или поданное через отверстия распылителя газовой форсунки), сначала попадает в воздушный поток, закрученный осевым завихрителем. Затем топливовоздушная смесь смешивается с воздушным потоком, поступающим по конфузорному каналу за радиальным завихрителем. Другая часть воздуха, поступающая в жаровую трубу через отверстия зоны горения, разбавляет топливовоздушную смесь, подаваемую из фронтового устройства. Оставшийся воздух, поступающий в жаровую трубу через ряд отверстий зоны смешения, формирует требуемое поле температур перед турбиной. При этом часть воздуха расходуется на создание пленочно-заградительного охлаждения секции жаровой трубы и газосборника.
Модельная доводка камеры сгорания газотурбинной установки ГТУ-4П проводилась на природном газе и жидком топливе марки «керосин-РТ» в одногорелочном отсеке. В процессе доводки измерялись экологические характеристики, поля температур, характеристики «бедного» срыва и характеристики розжига.
Испытания показали следующие результаты:
1.    При работе на жидком топливе камера сгорания достаточно устойчива к «бедному» срыву. Это важно для обеспечения устойчивого горения на режимах холостого хода и сбросов / набросов нагрузки (коэффициенты избытка воздуха при «бедном» срыве, зафиксированные в процессе испытания, находились в диапазоне 29,95…33,36).
2.    Концентрация NOx при работе на жидком топливе выше, чем на газообразном, в 2,5 раза. На номинальном режиме (мощность 4 МВт, αкс = 4) она составила на газообразном топливе 50 мг/м3, на жидком – 104 мг/м3.
3.    При работе КС на обоих видах топлива концентрация угарного газа и кислорода незначительно отличаются друг от друга на разных режимах работы одногорелочного отсека. На номинальном режиме средняя концентрация CO составила 40 мг/м3, измеренного O2 – 15,3 %.
4.    На номинальном режиме работы ГТУ концентрация NOx, приведенная к 15 % О2, составила 54,1 мг/м3 для газообразного топлива и 110,3 мг/м3 – для жидкого (при нормах ГОСТ 29328 не более 50 мг/м3 для газообразного и 100 мг/м3 для жидкого топлива). Концентрация CO, приведенная к 15 % О2, при работе на обоих видах топлива составила 65,8 мг/м3.
5.    Эпюры радиальной и окружной неравномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания θсред и θmax двухтопливного варианта при работе на обоих видах топлива имеют достаточно равномерный характер (на природном газе θсред= 1,097, θmax= 1,254; на жидком топливе θсред= 1,055, θmax= 1,233).
6.    По сравнению с серийным вариантом камеры сгорания авиадвигателя-прототипа Д-30 III серии, двухтопливный вариант КС при работе на жидком топливе имеет более равномерные эпюры температур газа на выходе из отсека. Так, θсред у этого варианта изменяется в диапазоне от 0,889 до 1,055 (у двигателя Д-30 III серии – 0,836…1,088), θmax – в диапазоне от 1,126 до 1,233 (у Д-30 – 1,079…1,377).
Следует отметить, что при работе на обоих видах топлива двухтопливный вариант отличался устойчивостью. Однако были отмечены случаи нестабильного розжига на газообразном топливе. Для устранения этого явления в настоящий момент разработаны мероприятия, позволяющие более надежно транспортировать топливовоздушную смесь требуемого состава в район свечи зажигания, – более короткое внутреннее сопло и видоизмененный распылитель на газовой форсунке.
Кроме этого, для снижения концентрации выбросов вредных веществ в выхлопных газах, с целью обеспечения требований ГОСТ 29328, на данный момент в КБ предприятия разработан модифицированный вариант двухтопливного фронтового устройства. В ближайшее время он будет изготовлен и проверен в процессе модельных испытаний непосредственно на дизельном топливе. Турбины и Дизели