Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М., страница 65

После доводки рабочего процесса н выявления форм и размеров других элементов конструкции, можно перейти к натурному образцу, подобному доведенной на стенде модели. 262 й 20. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КАМЕР СГОРАНИЯ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ Б НИХ МАТЕРИАЛЫ Отдельные неудачные решения, принимаемые прп расчете и проектировании камер сгорания и их элементов, прн выборе вида рабочего топлива, неоправданные упрощения и возможные погрешности расчетов конструкции обычно приводят к дефектам и неисправностям в работе как камер сгорапня, так и двигателя. Некоторые моменты бывает трудно предусмотреть до опытной проверки работы конструкции на стенде или в рабочих условиях на двигателе.

Накопленный практикой опыт доводки и эксплуатации ГТ2Т и их камер сгорания позволяет выделить ряд характерных примеров ненормальной работы камер сгорания. Коррозия деталей и отложения золы при использовании тяжелых жидких топлив. Г!ри сгорании тяжелого жидкого топлива золообразующпе вещества дают оксиды различных металлов: железа, кальция, ванадия, натрия, оксиды кремния, серы, а также сульфаты и другие соединения, которые могут отлагаться на элементах проточной части турбины и вызывать интенсивную коррозию.

Твердые частички, особенно крупные, способны вызывать эрозию деталей турбины, прежде всего лопаток. Коррозия лопаток и других элементов турбины резко интенсифпцируется с ростом температуры. Известно, что газотурбинная установка мощностью 13 кВт па электростанции в Бецнау (Швейцария) работая па мазуте с температурой газа 920 К, регулярно останавливалась через 300 — 400 ч работы для промывки проточной части с целью удаления отложений, резко увеличивзвших сопротивление турбины.

Экспериментальная ГТУ мощностью 370 кВт, работающая на мазуте, через 7 — 10 ч значительно уменьшила мощность из-за интенсивных вольных отложений. На рпс. 130 показана зависимость образования отложений в проточной части турбины ГТУ-500-1,5 от продолжительности работы на различных топливах. Как установлено, образование отложений зависит от составляющих золы топлива и пх количества. В наибольшей мере отложениям способствует Ма,О, 74а,ЬО,, а также Ч,О, и особенно нх сумма. Процесс вольных отложений зависит от формы и состояния (например, шероховатости) поверхности деталей прогочной части ГТУ, состояния самой золы (твердое, вязкое. парообразное), от интенсивности и характера движения газового потока. Существенное влияние оказывают режим работы установки и качество рабочего процесса камеры сгорания, например, характер распыливапия мазута и степень полноты его выгорания.

Как известно, достаточно крупные капли мазута размером 100 мкм и более при ограниченном количестве воздуха в зоне горения дают сравнительно крупные (до 30 — 40 мкм) твердые частицы в продуктах сгорания. Они состоят более чем на 95 % из углерода и, проходя по туроине, могут не только сбивать золовые отложения, но и вызывать эрозийный износ лопаток. 2БЗ 20 10 0 00 1ОО 150 2005,У О, 5 Рис.

130. Уменьшение площади а проходных сечении ~горбины ГТУ-600-1,5 1в %) во времени прн использовании различных топлив: 1 — мазут М.ее; 2 — мазут М-40, 3 н 4 — мазут М-40 с различны» содерманнем наоннпа; 5 — моторное топзнво дт-1 Рис.

131а Уменьшение массы Л образца, выголненного из разных материалов, вследствие коррозии при использовании мазута ев-5. 1 — г„= евз к; г — г„= 1озз к; з — г„— ~отз к: 1 — зтх~знзгзмфв; п — хптзт Коррозия, потеря массы па единице поверхности детали резко растут с увеличением температуры, причем у сплавов на никелевой основе в меньшей мере, чем у сплавов на железной основе. Опыты показали (рис. 131), что при прочих равных условиях коррозия наиболее интенсивно протекает в начальный период времени. С появлением отложений на деталях коррозионный процесс интенсифицируется, разрушая иногда лопатки турбины за несколько десятков часов.

Это, естественно, усложняет проблему использования тяжелого топлива в ГТД, особенно если зола его содержит значительное количество вредных элементов ванадия и натрия. Большое значение имеет и абсолютное, н относительное пх количество. Нежелательным компонентом в топливе является и сера. Правда, одна она без ванадия и натрия неприятных последствий не вызывает.

Для предотвращения или уменьшения коррозии используют конструкционные материалы, стойкие к ванадиевой коррозии, например, легированные хромоникелевые сплавы вместо простых аустенитных сталей. Чтобы избежать вредных воздействий золы тяжелого, жидкого топлива, содержание ванадия и натрия в ней не должно превышать 0,0001 — 0,0005 % и как максимум может быть не более 0,00! %.

Содержание серы в топливе обычно не превьппает 2 — 3 %, воды и механических примесей соответственно 0,4 и 0,5 %. Отложения нагара. При испочьзовании любого топлива возможны отложения нагара на стенках жаровой трубы в виде слоя сажи и кокса, а иногда и толстых коксошлаковых наростов. Наиболее мощное нагаро- и коксообразование наблюдается при сжигании тяжелых жидких и твердых топлив.

Главная причина появления нагара — это неполное сгорание топлива вследствие недостатка воздуха в отдельных частях объема зоны горения. Переохлаждение отдельных участков избыточным количеством воздуха также приводит к недожогу топлива. Кроме того, нагарообразованне возможно 3)1 вследствие попадания топлива на стенки жаровой трубы, плохого смесеобразования.

наличия застойных зон и вихревых токов в рабочем объеме и др. Все эти причины и главная — неудовлетворительное распределение воздуха по длине зоны горения — выясняются и устраняются при экспериментальных доводочных работах. Интересен первый опыт доводки на стенде Коломенского тепловозостроительного завода камеры сгорания газотурбовозов, при работе ее на мазутах Ф-12 и ФС-5. Образец камеры типа представленной на рис. 71, хорошо работавшей на дизельном топливе, был переведен на мазут Ф-!2.

Камера отработала !00 ч. Выяснилось, что заметно снизился (на 3 — 5 эге) коэффициент полноты сгорания топлива Ч„(см. рис. 70), повысилась степень неравномерности полн температуры газов за камерой и возросла температура стенки жаровой трубы в среднем на 50 — 70 К. На жаровой трубе четко видны контуры цвета побежалости и элементы коробления. Слой кокса толщиной до 3 — 5 л1м появился на стенках жаровой трубы в первые же часы работы. Далее его толщина то уменьшалась, то опять унеличиваласьь свидетельствуя о выгорании кокса на отдельных режимах нагрузки (75 и 100 96), что сопровождалось местными перегревами степки.

Очевидно, что наросты кокса изменяли аэродииаыику потоков и тепловой режим в зоне горения. При выгорании кокса помимо перегрева стенки появлялось искреняе в потоке газов за камерой, определяемое уносом частиц сажи н кусочков кокса. Периодически местные перегревы приводили к короблениям и растрескиванию стенки жаровой трубы и фронтового устройства камеры сгорания. При просмотре отложений нагара на стенках и фронтовом уст. ройстве жаровой трубы одной из моделей камеры до начала специальных работ на мазуте было установлено несколько причин нагарообразования; неоптимальное распределение воздуха по длине зоны горения и каналам системы охлаждения; изменение качества и характера распыливания мазута двухканальной центробежной форсункой; недостаточная надежность работы отсечных и регулировочных клапанов топливной системы и др.

Было устранено подтекание клапанов, приводившее к прогрессирующему нагарообразованию па фронтовом устройстве. Уменьшение угла распыливания р, позволило исключить попадание топлива на стенку жаровой трубы. Кроме того, потребовалось улучшить качество распыливания мазута на режимах холостого хода и малой нагрузки. Перепад давлений Лр, = 0,2 †; 0,5 МПа на мазуте не обеспечивал хорошего качества работы, особенно заметного в моменты включения второй ступени, подключенной к работе с самых малых нагрузок. Момент включения ее был отодвинут на режимы выше 28 е4-ной полной нагрузки, при повышенном Лр.

На малых нагрузках во избежание застывания мазута в каналах второй ступени через нее подавался сжатый воздух. Существенные трудности вызвал подбор оптимального закона распределения первичного и охлаждающего воздуха. Выяснилось значительное влияние формы фронтового устройства и количества воздуха, идущего через него. Результаты большой серии опытов позволили определить оптимальное распределение воздуха, когда в частности сьж. „— — 0,2, а сь„.= 2 при средней скорости воздуха на входе 88 м/с. В итоге был создан вариант жаровой трубы, обеспечивший полноту сгорания топлива т)„= 0,985 в камере при прак- 255 тическом отсутствии нагара на всех режимах работы.

Этот вариант конструкции стал прототипом рабочей камеры ГТД газотурбовоза, показанной на рис. б7. Нагарообразование даже в виде отдельных пятен тонкого слоя способно вызывать неприятные последствия. При изменении тепловых потоков от факела к стенке жаровой трубы нагрев ее становится неравномерным, вызывающий короблеиие обечаек, растрескивание сварных швов и стенок особенно в месте концентрации напряжений, например, у краев отверстий; возможен и прогар материала.