Уплотнение газовых турбин

В целях исключения протекания рабочего тела (газа) в машинное отделение между валом и корпусом газовой турбины ставят уплотнения так называемые лабиринтовые. Они представляют собой ряд сужений, образуемых вокруг вала, например, зачеканенными в корпусе пластинами и усиками на валу. Газ, протекая через узкую щель, по обе стороны которой создается перепад давлений, сразу за щелью теряет свою скорость, то есть дросселируется. Таким образом, давление в уплотнении падает от камеры к камере, а скорость за каждым сужением гасится.

На Рис. 37 показаны некоторые конструктивные формы лабиринтовых уплотнений.

Рис. 37. Некоторые конструктивные формы лабиринтовых уплотнений:

1 - корпус; 2 - элемент уплотнения с усиками; 3 - вал; 4 - плоская пружина;

5 - керамическое кольцо.

Элементы с усиками выполняются в виде отдельных сегментов (Рис. 37, а), которые вводятся в специальные фасонные пазы корпуса или диафрагмы.

Лабиринтовые уплотнения (Рис. 37, 6) крепятся на болтах к соответствующим элементам статора.

Уплотнение (Рис. 37, в) выполнено с керамическими вставками для уменьшения протечек газа.

Уплотнения (Рис. 37, г, д), а также радиальное типа (Рис. 37, е) имеют сравнительно небольшие коэффициенты расхода рабочего те­ла.

Протечки газа из турбин в машинное отделение крайне нежела­тельны. Поэтому выходные части вала уплотняют воздухом. Воздух подается в камеру переднего концевого уплотнения при давлении, несколько превышающем давление за соплами первой ступени.

Камеры сгорания

Камеры сгорания предназначены для создания газового потока

заданной температуры за счет сжигания топлива. Схематично камера сгорания показана на Рис. 38.

Рис.38. Схема камеры сгорания

Камера сгорания состоит из корпуса 5, жаровой трубы 4, топливной форсунки 1, и блока зажигания 3. Весь воздух, поступающий в камеру сгорания, делится на первичный и вто­ричный. Первичный проходит внутрь жаровой трубы через воэдухо-направляющее устройство 2, перемешивается с топливом и принимает участие в горении как окислитель. Температура газа в зоне горения достигает 1800°С. Для снижения температуры газа до приемлемой величины предназначен вторичный воздух. Он поступает внутрь жаровой трубы через сопла или отверстия смесителя 6 и перемешивается с горячими газами. Эта зона жаровой трубы называется зоной смешения. Проходя по кольцевому каналу между корпусом и жаровой трубой, вторичный воздух охлаждает ее. Форсунка подает топливо в зону горения в мелко распыленном состоянии. Блок зажигания предназначен для пуска камеры сгорания. В его состав входит пусковая топливная форсунка и электроискровая свеча. По конструктивным особенностям камеры сгорания можно классифицировать:

- по типу - трубчатые, многотрубчатые (секционные), кольцевые, трубчато-кольцевые;

- по числу форсунок- на одно-, двух- и многорегистровые (горелочные);

- по направлению движения потока - на прямоточные и петлевые (с поворотом потока на 180°);

- по направлению распыления топлива - с распыливанием топлива вдоль оси камеры сгорания (потока воздуха и газов) и поперек оси.

Трубчатая камера сгорания схематично представлена на Рис. 39.

Рис.39. Трубчатая камера сгорания

а) - поперечное сечение индивидуальной трубчатой камеры;

б) - трубчатая камера сгорания

1 - завихритель; 2 - форсунка; 3 - запальное устройство; 4 - наружный корпус;

5 - кожух жаровой трубы; 6 - кожух зоны смешения.

Трубчатые камеры сгорания выполняются как одно-, так и многорегистровыми прямоточными и петлевыми, с распыливанием топлива вдоль оси камеры сгорания. На поперечных сечениях камер огневое пространство заштриховано.

Кольцевые камеры сгорания характеризуются единым огневым пространством Рис. 40, Рис. 41. Пламенная труба имеет вид кольцевой полости с многорегистровым фронтовым устройством и расположена между наружным кожухом и внутренним корпусом.

Рис.40. Кольцевая камера сгорания

а) - поперечное сечение кольцевой камеры сгорания; б) - кольцевая камера сгорания

1 - форсунка; 2 - запальное устройство; 3 - наружный корпус; 4 - наружный кожух жаровой трубы; 5 - внутренний кожух жаровой трубы; 6 - внутренний корпус; 7 - коническая головка; 8 - диффузор; 9 - лопаточный завихритель.

Рис. 41. Кольцевая камера сгорания

1 - запальное устройство; 2 - наружный корпус; 3 - наружный кожух жаровой трубы;

4 - внутренний кожух жаровой трубы; 5 - диффузор; 6 - лопаточный завихритель;

7- форсунка.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания состоят из нескольких пламенных труб по окружности двигателя (Рис. 42). Все камеры идентичны, имеют малые массы и габариты и соединены между собой пламепередающими патрубками, которые служат для выравнивания давления и распространения пламени при запуске по всем жаровым трубам. Блоки зажигания устанавливают в двух-трех камерах. Попе­речное сечение огневых камер заштрихованы.

Рис. 42. Трубчато-кольцевая камера сгорания - поперечное сечение

Многотрубчатые (секционные камеры сгорания, поперечное се­чение представлено на Рис. 43) состоят из нескольких трубчатых, расположенных по окружности газотурбинного двигателя.

Рис. 43. Многотрубчатая (секционная) камера сгорания

Рабочий процесс в камере сгорания газотурбинного двигателя очень сложен и представляет собой совокупность многообразных физико-химических явлений.

Организация рабочего процесса и характеристики камеры сго­рания существенно отличают ее от других топливо сжигающих уст­ройств. В камерах сгорания выделяется большое количество теплоты в малом объеме. Весь процесс, происходящий в камере, можно раз­делить на ряд этапов.

Первый этап - первичное смесеобразование, подготовка топливо- воздушной смеси к сгоранию. Вначале происходит подача топлива в зону горения, его распыление и дробление на мельчайшие капли. Затем следует испарение капель и диффузное перемешивание паров топлива с воздухом. Далее эта топливо - воздушная смесь нагревается до температуры воспламенения.

Второй этап - горение топлива. Наиболее полно и быстро реакция горения происходит в диапазонах температур от 900 до 1800⁰С. Наивысшая температура факела может быть достигнута при сжигании топлива с необходимым количеством воздуха, так называемой стехиометрической смеси.

Третий этап - вторичное смесеобразование вторичного воздуха с продуктами сгорания в зоне смешения, которое влияет на образова­ние заданного температурного поля за камерой сгорания и таким об­разом оказывает влияние на ресурс газовой турбины и двигателя в целом.

Обеспечение качественного сгорания топлива в камерах сгорания осуществляется с помощью форсунок. Наибольшее распространение в современных ГТУ получили центробежные форсунки. Механический распыл осуществляется в них за счет завихрения струи топлива в специальной вихревой камере под действием высокого давления, которое на входе в форсунку достигает 8,0...10,0МПа. Пример центробежных форсунок с механическим распылом показан на Рис. 44.

На Рис. 44, а) показана схема простейшей одноконтурной цен­тробежной форсунки. Из кольцевой полости топливо по тангенциаль­ным каналам 2, число которых колеблется от двух до шести, поступает в камеру закручивания 3, где получает вращательное движение с большой скоростью, и выходит через сопло 4. При выходе из сопла топливо под действием центробежных сил распадается на мельчайшие частицы, образуя полый конус распыла. Такую конструкцию имеют пусковые форсунки блоков зажигания камер сгорания. Расход топлива в подобных форсунках регулируется изменением давления топлива.

Рис.44 Схемы одноконтурной (а) и двухконтурной (б)центробежных форсунок

На Рис. 44, б представлена двухконтурная форсунка, которая представляет собой блок из двух соосных форсунок. Сопло 5 первой ступени расположено внутри сопла 6 второй ступени. Каждая ступень имеет свои тангенциальные каналы и камеры закручивания. Ко второй ступени топливо подводится через специальный клапан, в котором под действием переменного давления топлив перемещается плунжер и изменяет проходное сечение каналов для топлива второго контура. Двухконтурные форсунки могут быть с одним соплом, с одной камерой, закручивания, но с разными тангенциальными каналами для первой и второй ступени. Через форсунку подводится также воздух для охлаждения и обдува торцовой части форсунки с целью уменьшения нагарообразования.