При создании конкурентоспособных энергетических ГТУ к камерам сгорания предъявляется ряд жестких требований, в числе которых:

  • низкий уровень эмиссии NOx (не более 50 мг/нм3);
  • большой ресурс (25 000...100 000 часов).

Создание камеры сгорания предполагает сбалансированное решение проблем, связанных с экологической безопасностью, эксплутационной надежностью и экономической целесообразностью конструкции.

В настоящее время существуют основные способы обеспечения требуемой эмиссии NOx :

  • «сухой» способ организации процесса горения - «богато-бедное» горение (RQQL);
  • «сухой» способ организации процесса горения - «бедное» горение предварительно перемешанной топливо-воздушной смеси (LPP);
  • каталитическое горение в дополнительных блочных генераторах синтез-газа;
  • подавление эмиссии NOx с помощью катализаторов на выходе из ГТУ;
  • понижение эмиссии NOx с помощью дополнительного впрыска в камеру сгорания воды или подачи перегретого пара.

С учетом низкого уровня параметров воздуха на входе в камеру сгорания (температура 510...580 К, давление 6,1...8,8 кгс/см2) с целью обеспечения эксплутационной надежности ГТУ при конвертировании авиационного двигателя Д-30 основной акцент был сделан на «сухой» способ организации процесса горения - «богато-бедное» горение (RQQL).

RQQL предполагает две зоны (стадии) горения - «богатую» с aгор=0,6...0,7(непосредственно за фронтовым устройством) и «бедную» с aгор=1,8...2,2 (после основных отверстий для подвода вторичного воздуха) с «быстрым» переходом по времени и объему из одной зоны (стадии) горения в другую.

 

 

В ходе работ для получения максимального эффекта по достижению требуемой концентрации NOx разработчикам удалось добиться:

  • качественного перемешивания (до определенного уровня) топливо-воздушной смеси во фронтовом устройстве;
  • качественного, быстрого и равномерного разбавления топливо-воздушной смеси первой зоны воздухом, вытекающим из основных отверстий.

Для реализации этих требований в процессе создания камеры сгорания были разработаны, изготовлены и сравнительно проверены модельными испытаниями на одногорелочном отсеке в разных сочетаниях:

  • варианты фронтовых устройств (завихрителей и форсунок) с вариацией проходного сечения завихрителя, количества и диаметра отверстий для истечения газа из форсунок, степени гомогенизации фронтового устройства (степени перемешивания топлива и воздуха во фронтовом устройстве)
  • варианты основных отверстий для подачи вторичного воздуха с вариацией их диаметра, количества и расположения по длине жаровой трубы.

    В результате выполненной модельной доводки был выбран оптимальный вариант жаровой трубы (см. рис.), который впоследствии был проверен натурными испытаниями в составе ГТУ и дал положительный результат по совокупности характеристик (эмиссионные характеристики, розжиги, устойчивость работы на стационарных и переменных режимах, поля температур и тепловое состояние камеры сгорания).

При испытании ГТУ-4П №33-03 на ГТЭС-4 (п. Сысерть, ООО «Уралтрансгаз») концентрация выбросов NOx на местности не превысила 10% от нормы ПДК для населенных мест и 0,5 % от нормы ПДК для рабочей зоны.

В 2000 году на энергетические установки ГТУ-2,5П и ГТУ-4П были получены экологические сертификаты соответствия требованиям ГОСТ 29328-92 (NOx - не более 50 мг/нм3) по концентрации NOx в отработавших газах, которые успешно подтверждаются периодическими проверками в течение 4 лет.

В настоящее время в эксплуатации находится более 120 газотурбинных установок мощностью 2,5...6 МВт, которые при максимальной наработке более 35000 часов (ГТУ-2,5П) и более 26000 часов (ГТУ-4П) не имеют дефектов камеры сгорания и соответствуют современным экологическим требованиям по выбросу NOx.
 

А.В. СЕРОВ,
начальник бригады отдела камер сгорания «ОАО «Авиадвигатель»
А.И. БУЛАТОВ,
ведущий инженер отдела камер сгорания «ОАО «Авиадвигатель»