Топлива для газотурбинных установок
И их характеристики
Топливом называют вещества, способные в процессе химических превращений (горения) выделять определенное количество тепловой энергии.
Основными горючими элементами топлива являются углерод и водород. Эти элементы в топливе не в свободном состоянии, а в виде различных соединений углерода с водородом, кислородом, азотом, серой и другими элементами.
Сжигание газообразного топлива в камерах сгорания ГТУ осуществляется более просто и качественно, чем жидкого и твердого. Природные горючие газы представляют собой в основном смеси различных углеводородов. Содержание метана доходит до 90%, что определяет высокое значение выделяемого при сжигании тепла.
Наряду с природным газообразным топливом широко применяется искусственное газообразное топливо, получаемое в газогенераторах, исходным топливом которых служит, как правило, уголь, а в качества окислителя используется воздушное, паровое или паровоздушное дутье. Получаемый в процессе газификации газ по своим свойствам уступает природному.
Важнейшими характеристиками топлив с точки зрения использования их в ГТУ являются: состав топлива, теплота сгорания и характер изменения состава топлива в процессе сгорания.
Элементным составом характеризуется содержание в процентах по весу основных компонентов топлива: углерода С, водорода Н, кислорода O, азота N,серы S, минеральных включений А (зольность) и влаги W. Все виды топлива имеют один и тот же элементарный состав:
C + H + O + N + S + A + W =100%.
Элементный состав позволяет провести расчет необходимых данных для использования топлива в камерах сгорания (КС), таких как количество участвующих в горении веществ, состав продуктов сгорания.
Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплотой сгорания называется количество тепла, выделяющегося при полном сгорании единицы массы топлива. Теплота сгорания определяет удельный расход топлива установкой. Различают высшую QВ и низшую QH теплоту сгорания. Низшая теплота сгорания не учитывает тепло, затрачиваемое на конденсацию паров воды. Разница между высшей и низшей теплотой сгорания может достигать 5 – 10 %.
Теплота сгорания зависит от элементного состава топлива. Высокая теплота сгорания жидких и газообразных топлив объясняется высоким содержанием в них водорода, углерода и малой зольностью. Входящие в состав топлива кислород, азот, вода и зола снижают теплоту сгорания.
В качестве характеристики топлива используется низшая теплота сгорания 
, которая характеризуется рабочей массой топлива:
CP + HP + OP + NP+ S P+ AP + WP =100%.
Зная элементный состав топлива, по Формуле Менделеева можно определить теплоту сгорания:
,кДж/кг (4.1)
Доя сжигания 1 кг топлива заданного состава потребуется кислорода в количестве
LO2 = 0,0266CP + 0,8HP + 0,01S P – 0,01OP , кг/кг (4,2)
Так как в воздухе содержится азот, то количество воздуха, необходимое для окисления 1 кг топлива, так называемое стехиометрическое количество, определится по формуле
LO = 0,1149CP + 0,3448HP + 0,0431(S P – OP ), кг/кг (4.3)
В объемных единицах это количество воздуха выразится, как
, м3 /кг (4.4)
Обычно для сгорания топлива подают большее количество воздуха, чем теоретически необходимое. Отношение L/ LO = α называется коэффициентом избытка воздуха.
Теоретическое количество образующихся продуктов сгорания на I кг топлива определится по формуле:
для трехатомных газов
GRO2 = 0,0371(CP + 0,375 S P ), кг/кг (4.5)
водяных паров
GH2O = 0,09HP + 0,01WP + 0,0161LO , кг/кг (4.6)
азота
GN2 = NP + 0,768LO ,кг/кг(4.7)
Суммарное количество газов равно
GГ = GRO2 + GH2O + GN2 , кг/кг (4.8)
Камеры сгорания ГТУ
Камера сгорания ГТУ (КС) – это устройство, предназначенное для сжигания топлива и повышения энергии рабочего тела с целью использования ее в проточной части турбины.
На рис 4.1 приведена схема камеры сгорания ГТУ. Поток воздуха после компрессора, поступающий в КС, разделяется на первичный воздух GВ1 и вторичный – GВ2. Первичный воздух, подаваемый в количестве не менее стехиометрического, служит для полного сгорания топлива, а вторичный – для снижения температуры продуктов сгорания до требуемого уровня. Весь объем камеры сгорания делится на зоны горения и смешения.
Рис. 4.1 Конструкция камеры сгорания.
Воздухонаправляющее устройство (регистр) I служит для распределения и турбулизации первичного воздуха с целью улучшения смесеобразования для создания условий устойчивого процесса горения.
Запальное устройство 2 служит для зажигания топлива в камере сгорания в момент пуска.
Горелочное устройство 3 предназначено для подачи топлива в КС и равномерного распределения по объему зоны горения.
Пламенная (жаровая) труба 4 служит для ограничения огневого пространства и восприятия тепловых нагрузок.
Силовой корпус 5 воспринимает нагрузки внутреннего давления в камере сгорания.
Смесители 6 перемешивают вторичный воздух с продуктами сгорания с целью получения на выходе заданного температурного поля.
Устойчивое горение топлива в КС обеспечивается следующими факторами: 1) подачей воздуха в количестве, необходимом для создания смеси нужного состава; 2) созданием нужного температурного режима; 3) наличием зоны стабилизации фронта пламени. Для обеспечения необходимого уровня температур и поля скоростей организуется зона обратных токов.