диплом. Охлаждения газотурбинной установки (гту)
 Скачать 429.62 Kb.
|
|
http://www.gigavat.com/gtu_cooling.php Охлаждение газотурбинных установок Система охлаждения газотурбинной установки (ГТУ) С ростом начальной температуры газов растет тепловая экономичность цикла ГТУ и уменьшается расход воздуха. Вместе с тем рост начальной температуры ограничен допускаемыми напряжениями в рабочих лопатках. В результате в ГТУ начальные температуры газа значительно ниже теоретически возможных, т.е. температур сжигания топлива с минимальным избытком воздуха, необходимым только для его окисления. Охлаждение наиболее горячих элементов газовых турбин позволяет снизить их температуру при достаточно высокой температуре газа. Однако применение охлаждения уменьшает полезную работу ГТУ, так как часть теплоты, отбираемая охлаждающей средой от газа, не может быть преобразована в механическую работу, В некоторых случаях, если используется теплота охлаждающей среды, возможно частичное уменьшение этих потерь. Снижение температуры элементов газовой турбины в результате охлаждения позволяет поднять термодинамический потенциал цикла ГТУ за счет увеличения начальной температуры рабочего газа. Охлаждение целесообразно применять в том случае, когда выигрыш в кпд от возможного повышения начальных параметров рабочего газа больше потерь, вызываемых охлаждением. Система охлаждения ГТУ должна удовлетворять следующим требованиям:
Кроме того, система охлаждения газотурбинной установки не должна чрезмерно усложнять конструкцию турбины и схему ГТУ и, как следствие, повышать ее стоимость, требовать вмешательства обслуживающего персонала при эксплуатации ГТУ и должна надежно работать при пусках, остановках и на переходных режимах. В качестве примера рассмотрим систему воздушного охлаждения мощной газовой турбины, работающей при температуре около 900°С (рис.1).  Рис.1. Схема системы охлаждения мощной газовой турбины Воздух для охлаждения отбирается после компрессора и за двенадцатой и девятой его ступенями. Для охлаждения деталей турбины, работающих при высоких температурах, воздух подводится четырьмя потоками:
Такая система охлаждения обеспечивает работу установки в режиме, при котором температура металла ротора не превышает 315°С. Охлаждение корпуса газовой турбины Охлаждение позволяет снизить температуру корпуса газовой турбины и изготавливать его из относительно дешевых металлов. Для снижения температуры корпуса используют не только воздушное охлаждение, но и с помощью специальных элементов конструкции (рис.2) уменьшают к нему поток теплоты от газа. Для этого на корпусе 1 выполняют ребра 4, на которых крепят разрезные обоймы 7 для установки сопловых лопаток 8.  Рис.2. Схема охлаждения корпуса газовой турбины: 1 - корпус, 2,5 - теплоизоляция, 3 - отверстие для подвода охлаждающего воздуха, 4 - ребра, 5 - сегменты, 7 - обойма, 8 - сопловая лопатка Корпус и обоймы внутри покрыты теплоизоляцией 2. В обоймах крепятся сегменты 6, образующие стенку под рабочими лопатками. Между сегментами и ребрами корпуса уложена теплоизоляция 5. Чтобы еще больше уменьшить приток теплоты к корпусу, в образовавшиеся в нем полости через отверстия 3 поступает охлаждающий ребра и сегменты воздух, который через зазоры выбрасывается в проточную часть турбины.  Рис.3. Охлаждаемая обойма: 1 - отверстия для подвода охлаждающего воздуха, 2 - обойма, 3 - корпус турбины, 4 - сегменты сопловых лопаток, 5 - сопловые лопатки Для уменьшения притока теплоты к корпусу 3 турбины (рис.3) в него устанавливают охлаждаемую обойму 2 с несколькими рядами сопловых лопаток 5, сегменты 4 которых крепятся в обойме. Охлаждающий воздух, проходя через отверстия 1 в сегментах, охлаждает их. Часть охлаждающего воздуха сбрасывается в проточную часть турбины через щели и создает охлаждающую пленку у торцовых поверхностей сопловых каналов и под рабочими лопатками. Входные и выходные патрубки корпуса обычно внутри защищают теплоизоляцией. Между слоем изоляции и корпусом также продувается воздух. Особое внимание уделяют охлаждению внутренних (встроенных) подшипников, которые снаружи окружены воздухом после компрессора или горячим газом, имеющим высокие давление и температуру. Так как нагрев подшипников ГТУ до этой температуры, а также попадание горячего газа недопустимы, их помещают в корпус специальной конструкции.  Рис.4. Охлаждение встроенного подшипника: 1 - камера подвода воздуха к уплотнениям турбин, 2 - камера отсоса воздуха от уплотнений турбин, 3,7 - наружный силовой и масляный корпуса, 4 - канал для подвода охлаждающего воздуха, 5 - труба отвода воздуха, 6,10 - роторы турбины и компрессора, 8,9 - опорные подшипники Охлаждение встроенного подшипника, расположенного между турбинами высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления показано на рис.4. Подшипники роторов ТВД и ТНД заключены во внутренний масляный корпус 7 и наружный силовой корпус 3, покрытый внутри теплоизоляцией. Охлаждающий воздух через канал 4 поступает в камеру между силовым и масляным корпусами. Часть воздуха проходит в масляный корпус и выбрасывается в атмосферу через трубу 5, а оставшийся поступает через лабиринтовые уплотнения в камеры 2, которые также соединены с атмосферой. Чтобы полностью предотвратить попадание горячих газов в подшипники, в камеру 1 со стороны ротора ТВД подается воздух после компрессора, а в такую же камеру со стороны ТНД поступает воздух из системы охлаждения ротора. Охлаждение ротора газовой турбины  Рис.5. Охлаждение ротора турбины продувкой воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток: 1 - ротор, 2 - канал для подвода охлаждающего воздуха, 3 - корпус турбины, 4 - дефлектор, 5 - рабочие лопатки, 6 - хвостовики лопаток, 7 - диски В настоящее время широко используются различные схемы охлаждения роторов газовых турбин. Схема охлаждения ротора турбины продувкой воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток показана на рис.5. Охлаждающий воздух подается через каналы 2 и, проходя между дефлектором (покрывным диском) 4 и диском 7, попадает в зазоры хвостовиков 6 рабочих лопаток 5. Охлаждая хвостовики рабочих лопаток, воздух препятствует поступлению теплоты к ротору. Если ротор состоит из дисков с большим полотном, такая система охлаждения оказывается недостаточной. Наибольшее распространение получили три схемы охлаждения дисков: с радиальным обдувом, струйное и комбинированное струйно-радиальное. Радиальное течение охлаждающей среды в зазоре между корпусом и боковыми поверхностями дисковых или барабанных роторов возникает во многих конструкциях газовых турбин. Такое течение может быть направлено как от оси вращения ротора к периферии дисков, так и в противоположную сторону. Пять типичных режимов течения охлаждающей среды, возникающих при радиальном обдуве, показаны на рис.6,а—д. Возникновение обратных течений возможно, если расход охлаждающей среды мал.  Рис.6. Схемы радиального течения охлаждающей среды в зазоре между диском и корпусом турбины Вследствие закрутки потока возникает радиальный перепад давлений, вызывающий в пограничном слое на корпусе течение от периферии диска к центру. Возникновению обратных токов препятствует расходное течение. Увеличение расхода среды уменьшает закрутку потока и снижает перепад давлений. Характер течения в зазоре между диском и корпусом зависит от значения кинематического фактора.  Рис.7. Охлаждение диска с дефлектором: 1 — уплотнение, 2 — корпус, 3 — дефлектор, 4 — диск Разновидностью охлаждения радиальным обдувом является охлаждение с помощью специального покрывного диска — дефлектора (рис.7). Такая схема охлаждения позволяет быть уверенным, что даже если в зазор между диском и корпусом проникнут горячие газы, то они не будут перемешиваться с охлаждающим воздухом и, следовательно, нагревать диск. Как правило, охлаждающий воздух после дефлекторa проходит через зазоры между хвостовиками рабочих лопаток и пазами диска, отводя часть теплоты, поступающей к диску, через перо рабочей лопатки. Струйное охлаждение применяют для резкого усиления теплообмена на ограниченной поверхности. В газовых турбинах обычно возникает необходимость охладить периферию диска (наиболее нагретую его часть). Струйное охлаждение позволяет, не повышая расхода охлаждающей среды, увеличить скорость ее натекания на поверхность диска. Для этого охлаждающую среду подают через узкий кольцевой канал либо отдельными струями, вытекающими из расположенных на одной окружности круглых или прямоугольных сопл (рис.8,а-г). В зоне, расположенной между осью вращения ротора и местом подвода воздуха, возникает циркуляционное течение, в которое, как правило, вовлекаются горячие газы из проточной части турбины. Следовательно, при струйном охлаждении необходимо тщательно уплотнять приторцовую полость диска, отделяя ее от проточной части турбины.  Рис.8. Формы каналов (а,б,в) и схема течения воздуха (г) при струйном охлаждении диска: 1 — корпус, 2 — каналы для подвода охлаждающего воздуха, 3 — диск В большинстве случаев как по условиям распределения температур в диске турбины, так и по чисто конструктивным соображениям нельзя применять чисто струйное охлаждение. Поэтому используют комбинированное струйное охлаждение периферии диска и радиальный обдув его внутренней части (рис.9). Такая схема охлаждения позволяет отбирать основное количество теплоты от диска в наиболее нагретой его части — местах крепления хвостовиков рабочих лопаток.  Рис.9. Комбинированное струйно-радиальное охлаждение диска: 1,3 - каналы подвода охлаждающего воздуха, 2 - корпус, 4 - диск Подбором расхода воздуха на радиальный обдув можно предотвратить или резко снизить приток горячих газов из проточной части турбины в зазор между диском и корпусом. Кроме того, соответствующее соотношение расходов воздуха на струйное и радиальное охлаждение обеспечивает необходимое распределение температур в диске. Охлаждение сопловых и рабочих лопаток газотурбинной установки Сопловые и рабочие лопатки, непосредственно омываемые горячими газами, практически нагреваются до температуры торможения газа. При охлаждении лопаток их температура становится меньше температуры газа. Количество теплоты, поступающего газа к лопатке, зависит от разницы их температур и коэффициента теплоотдачи. Поступающая к лопатке теплота должна быть отведена охлаждающей средой, в качестве которой чаще всего используют воздух после компрессора. Охлаждающий воздух, проходя через специальные каналы в лопатках, нагревается, отбирая теплоту от лопатки. Нагрев воздуха зависит от его расхода, теплоемкости и количества отбираемой теплоты. Охлаждение должно обеспечивать необходимую температуру металла лопаток и ее постоянство по их поверхности. Схемы охлаждения лопаток газовых турбин классифицируют по конструктивным признакам, термодинамическим свойствам, виду теплоносителя и др. Однако ни одна классификация не является универсальной. Для наружного охлаждения рабочих лопаток используют три схемы. При парциальном подводе охладитель продувается через несколько сопловых каналов и рабочие лопатки охлаждаются, проходя через его поток. Охладитель можно также подводить внутри сопловых лопаток и впрыскивать в поток газа через щель в их выходной кромке. При индивидуальном наружном охлаждении рабочих лопаток, охладитель через специальные каналы впрыскивается на поверхность каждой лопатки. При заградительном охлаждении на поверхности лопаток создается защитная пленка охладителя. Такая пленка может создаваться двумя способами: подачей охладителя через щели или отверстия либо продавливанием (эффузией) через пористое тело лопатки, изготовляемой по специальной технологии. Кроме того, для уменьшения потока теплоты в лопатку на нее наносят твердое покрытие низкой теплопроводности. Эти способы снижения потока теплоты используют как для рабочих, так и для сопловых лопаток. Виды внутреннего воздушного проточного охлаждения определяются прежде всего конструкцией самих лопаток и направлением движения охладителя. В лопатке с дефлектором — полой тонкостенной вставкой образуются каналы для прохода охладителя, который течет в том же направлении, что и горячий газ, и выбрасывается через щель в выходной кромке лопатки. В лопатке с наружной тонкостенной гильзой также образуются каналы для прохода охладителя, который сбрасывается через выходную кромку. В монолитной лопатке, внутри которой вблизи поверхности выполнены для прохода охладителя каналы, идущие от ее корня к вершине, охладитель течет в каналах между дефлектором и телом лопатки. В местах наибольших значений коэффициента теплоотдачи от газа к лопатке охладитель выводится на ее поверхность и создает тонкую пленку. https://sibac.info/conf/tech/xxxviii/39279 Аппараты воздушного охлаждения (АВО) широко используются в газотранспортной отрасли со времен начала ее активного развития. На компрессорных станциях магистральных газопроводов (КС МГ) АВО используются для охлаждения перекачиваемого природного газа и масла системы смазки газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Данная работа посвящена повышению эффективности работы аппарата воздушного охлаждения масла (АВОм) за счет модернизации воздушного тракта. Модернизация заключается в установке в подсекционное пространство АВОм специально разработанного направляющего аппарата (НА), равномерно распределяющего поток воздуха перед входом в оребрение, благодаря чему создаются более оптимальные условия для теплообмена. В качестве объекта исследования и последующей модернизации выбран АВОм венгерского производства с типом теплообменной секции 06—10. Данный АВОм массово эксплуатируется на компрессорных станциях магистральных газопроводов (КС МГ) для охлаждения масла смазки ГПА на базе газотурбинной установки ГТН-16. Теплообменник имеет горизонтально расположенный трубный пучок, над которым установлены два вентилятора, вытягивающие воздушный поток наверх. Воздух к оребрению подводится с боков аппарата через систему жалюзи (рис. 1). Вследствие бокового подвода воздуха было сделано предположение, что поток воздуха перед входом в оребрение распределяется неравномерно. Неравномерность подвода воздуха, особенно при повышении его температуры в летний период, может являться причиной недостаточной глубины охлаждения масла [1], что влечет за собой уменьшение вязкости масла и как следствие — снижение толщины масляного клина в подшипниках турбоагрегата.  Рисунок 1. Аппарат воздушного охлаждения: 1 — крыльчатка вентилятора; 2 — трубный пучок, 3 — жалюзи, 4 — направление движения воздушного потока Для проверки предположения было проведено численное моделирование аэродинамики АВОм. Конструкция теплообменника симметрична относительно продольной и поперечной вертикальных плоскостей, поэтому для расчета была создана модель четверти маслоохладителя. Моделирование было произведено в программе конечно-элементного анализа процессов гидрогазодинамики STAR-CCM+. Все элементы АВОм, за исключением густо оребренного трубного пучка были смоделированы в явном виде. Трубный пучок был заменен пористым телом с эквивалентным гидравлическими характеристиками. Использование пористого тела не требующего высокого разрешения расчетной сетки (в отличие от мелкого оребрения, моделируемого в явном виде), позволило многократно сократить количество конечных элементов модели и дало саму возможность произвести расчет. Результаты численного моделирования аэродинамики АВОм подтвердили, что пройдя систему жалюзи и совершив поворот на 90˚, воздух на входе в оребрение распределяется неравномерно с образованием зон с низкими скоростями потока по краям и в середине трубного пучка. Для верификации численной модели было произведено экспериментальное исследование аэродинамики АВОм в условиях эксплуатации на КС МГ. Со средним отклонением порядка 15 % результаты эксперимента согласуются с результатами моделирования (рис. 2). Минимальные и максимальные значения скоростей воздуха для различных участков секции аппарата различаются в 3,5—4 раза. В начале теплообменной секции была отмечена «застойная» зона со скоростями потока 0,3—0,9 м/с. В ядре потока расположенном под вентилятором скорость изменялась в пределах 2,8—3,2 м/с [2].  Рисунок 2. Поля скоростей воздуха на входе в теплообменную секцию АВОм: a — результат моделирования; b — результат измерения Хорошее качественное и количественное совпадение результатов, позволило верифицировать численную модель и оправданно использовать ее для проведения расчетов по поиску более рациональной системы подвода воздуха с целью ее модернизации. В качестве решения поставленной задачи было предложено спроектировать направляющий аппарат (НА), позволяющий более равномерно распределить воздушный поток на входе в теплообменную секцию. Поиск оптимальной геометрии поверхностей НА производился посредством вариантных расчетов на верифицированной модели [3]. К направляющему аппарату было выдвинуто требование «максимальное снижение неравномерности поля скоростей на входе в оребрение, при условии минимальных гидравлических потерь, простоты и технологичности изготовления конструкции». В итоге была выбрана конструкция, состоящая из пяти направляющих, спрофилированных по потоку, и одной поперечной разделяющей перегородки, цель которой — оттеснение части потока к периферии трубного пучка. Геометрия полученных направляющих хорошо описывается при помощи полиномов четвертой степени. Спроектированный и изготовленный НА прошел испытания в условиях эксплуатации на АВОм Карпинского ЛПУ МГ (ООО «Газпром трансгаз Югорск»). Экспериментальная конструкции направляющего аппарата (рис. 3) была выполнена из сотового поликарбоната. Эффективность работы НА оценивалась по теплосъему секции АВОм до и после установки экспериментальной конструкции.  Рисунок 3. Направляющий аппарат (половина) смонтированный в подсекционном пространстве АВОм Измеренное поле скоростей после установки направляющего аппарата, как качественно так и количественно соответствует данным полученным при моделировании (рис. 4). После установки НА ядро потока разделяется на 4 (5 — при моделировании) составляющие, градиент скорости по фронту оребрения снижается. На внутреннем радиусе, сразу за жалюзи, средняя скорость воздуха в застойной зоне повышается до 1,3 м/с. Средние скорости воздуха в отдельных субядрах остаются на уровне 2,55—2,65 м/с (рис. 4,b). По сравнению с экспериментом моделирование показало больший градиент скорости. В частности, в ядре потока средняя модельная скорость больше экспериментальной на 12 % и 19 % (до и после установки НА соответственно).  Рисунок 4. Поле скоростей воздуха на входе в теплообменную секцию с установленным направляющим аппаратом: a — результат моделирования; b — результат измерения С установленным направляющим аппаратом удельный теплосъем секции увеличился на 4—9 % (в зависимости от температуры начальных температур теплоносителей) по сравнению со значением, полученным без направляющего аппарата (рис. 5). В первом измерении температура воздуха составляла -0,2 °С, температура масла - +47,5 °С, во втором 2,6 °С и 40,2 °С соответственно.  Рисунок 7. Удельный теплосъем секции АВОм: 1 — результат измерения до установки направляющего аппарата; 2 — результат измерения после установки направляющего аппарата,  =2,6°С,  =40,2°С; 3 — результат измерения после установки направляющего аппарата, =-0,2°С, =47,5°С; линией показано значение теплосъема согласно паспортным данным АВОм [4]Заключение 1. Установлено, что использование сравнительно простой конструкции направляющего аппарата, выравнивающего поток на входе в теплообменную секцию, способствует повышению надежности эксплуатации газотурбинной установки за счет увеличения эффективности работы маслоохладителя. 2. Сопоставление результатов экспериментального и расчетного исследований показало их хорошее совпадение, что позволяет рассматривать методику численного моделирования АВО, как верифицированную и дает возможность ее обоснованного применения на аппаратах воздушного охлаждения другого типа. 3. По нашему мнению, применение направляющего аппарата в воздушном тракте АВОм в летний период эксплуатации можно рекомендовать и для АВО другого типа, в первую очередь для АВО газа с вентиляторами, работающими в режиме нагнетания. Список литературы: 1.Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). М.: Машиностроение, 1983. — С. 38. 2.Неволин А.М., Плотников П.Н. Исследование эффективности работы аппаратов воздушного охлаждения масла ГТУ // Тяжелое машиностроение. — 2012. — № 4. — С. 26—29. 3.Неволин А.М., Плотников П.Н. Совершенствование аэродинамики аппаратов воздушного охлаждения масла ГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы науки. Т. 2. Материалы VIII Международного симпозиума. М.: РАН, 2013. — С. 46—50. 4.Техническое описание и инструкция по монтажу, эксплуатации и уходу за группой маслоохладителей зимнего исполнения типа 06-10 Будапешт: Институт Энергетики 1979 г. Пожалуйста, не забудьте правильно оформить цитату: Неволин А.М., Плотников П.Н. МОДЕРНИЗАЦИЯ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА АППАРАТА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛА ГТУ // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. XXXVIII междунар. науч.-практ. конф. № 9(34). – Новосибирск: СибАК, 2014. http://lib.knigi-x.ru/23tehnicheskie/746677-1-povishenie-effektivnosti-apparatov-vozdushnogo-ohlazhdeniya-masla-gazoturbinnih-ustanovok.php https://helpiks.org/3-88101.html http://www.findpatent.ru/patent/231/2315880.html http://www.findpatent.ru/patent/231/2312240.html http://vdvizhke.ru/sudovye-gazovye-turbiny/osnovnye-detali-gazoturbinnoj-ustanovki-gtu/sistemy-obsluzhivajuwie-gazoturbinnuju-ustanovku.html/[p------------------------------87 Система охлаждения. Система охлаждения газовых турбин может быть водяной и воздушной.  На рис. 119 показана принципи альная схема воздушно-водяного охлаждения ГТУ судна «Париж ская коммуна». Корпус турбины высокого давления 2 охлажда ется дистиллированной водой, подаваемой центробежным насо сом 5 через спаренный фильтр 6. После охлаждения корпуса ТВД дистиллированная вода через поверхностный водоохладитель 7 воз вращается в цистерну 4. Охлаждение дисков турбины низкого дав ления 1 производится воздухом, который отбирается из промежу точной ступени компрессора 3, а охлаждение диска турбины вы сокого давления 2 — воздухом, отбираемым из последней ступени компрессора. Реверсивные устройства ГТУ. Реверс в ГТУ может быть осу ществлен с помощью ТЗХ, винтов регулируемого шага (ВРШ), гидрореверсивных устройств, электропередач и реверсивно-планетарных передач. Однако в трубокомпрессорных ГТУ в связи со значительным конечным давлением газа (около 1 бара), а следо вательно ростом потерь мощности на вращение турбин обратного хода и сложностью конструкций переключающего устройства ТЗХ не нашла широкого применения. В ГТУ с СПГГ объемный расход газа и его температура перед турбиной значительно меньше, чем в турбокомпрессорных ГТУ, и это уменьшает размеры переклю чающих органов. Для осуществления реверса в ГТУ с СПГГ при меняют ТЗХ. Применение ВРШ повышает маневренность судна, упрощает ГТУ и улучшает ее работу на нерасчетных режимах. Гидрореверсивные устройства и реверсивно-планетарные пере дачи обладают компактностью, малым весом и хорошими манев ренными характеристиками. Этот тип реверсивных устройств для установок большой мощности находится в стадии освоения. Электропередача, обладая хорошими маневренными качест вами, имеет значительные (для судов) весо-габаритные показатели и невысокий к. п. д. |