Выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата

Изобретение относится к конструкциям авиационных газотурбинных двигателей, в частности к конструкциям узлов для отвода горячих газов. Выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата содержит элементы, состоящие, в свою очередь, из четырех стенок. Все стенки состоят из несущей горячей части и ненесущей холодной части, соединенных между собой. Несущая горячая часть и ненесущая холодная часть соединены между собой жестким соединением в одной точке соединения и компенсаторами в нескольких местах. Достигается устранение температурных деформаций. 3 з.п. ф-лы, 14 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к конструкциям авиационных газотурбинных двигателей, в частности, к конструкциям узлов, предназначенных для отвода горячих газов и продуктов горения газотурбинных двигателей, используемых в газоперекачивающих агрегатах - ГПА, в окружающее пространство.

Для отвода в окружающую среду горячих газов и продуктов горения газотурбинных двигателей, при их наземном использовании, на газоперекачивающих агрегатах применяются выхлопные устройства. В газовой отрасли применяются следующие типы газоперекачивающих агрегатов: стационарные, авиационные, судовые.

Известно выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата по патенту РФ на изобретение №2504665, МПК F01D 25/30, опубл. 20.01.2014 г.

Это выхлопное устройство турбомашины содержит корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие и дополнительную перегородку. Диффузор включает осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины. Дополнительная перегородка выполнена внутри корпуса устройства в плоскости, перпендикулярной оси вращения турбины, с периметром равным периметру параллельных ей стенок корпуса устройства. В дополнительной перегородке выполнено коаксиально оси вращения турбины отверстие, диаметр которого равен максимальному диаметру наружной трактовой стенки радиальной части диффузора.

Недостатки: потеря прочности и деформация стенок из-за воздействия высоких температур.

Известно выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата по патенту РФ на полезную модель №151473, МПК F0C 7/00, опубл. 10.04.2015 г.

Это выхлопное устройство энергетической установки содержит корпус, преобразующий горизонтальное движение потока выхлопных газов в вертикальное, вертикальную шахту и шумоглушитель, установленный в ней, при этом шумоглушитель одновременно выполняет функцию нейтрализатора выхлопных газов, при этом шумоглушитель выполнен в виде установленных радиально кассет, содержащих пустотелый корпус, стенки которого перфорированы отверстиями, полость кассет частично заполнена катализатором.

Недостаток: не предусмотрены меры по снижению температуры внешней стенки выхлопного устройства.

Известно выхлопное устройство газотурбинной установки по патенту РФ на изобретение №2313030 С2, МПК F16L 59/00, опубл. 20.12.2007 г., прототип.

Это выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата содержит элементы, состоящие, в свою очередь, из четырех стенок, все стенки состоят из несущей горячей части и ненесущей холодной части, соединенных между собой.

К недостаткам прототипа и большинства эксплуатируемых выхлопных шахт в составе газоперекачивающих агрегатов на газопроводах следует отнести:

- высокую температуру на наружной обшивке стенок выхлопных шахт, в связи с чем, становится невозможным производить осмотр и обслуживание выхлопных шахт в зоне возможного контакта обслуживающего персонала;

- деформацию и разрушение листов наружной обшивки (образование продольных и поперечных трещин) выхлопных шахт в процессе эксплуатации по причине неравномерности прогрева каркасов стенок элементов выхлопной шахты, которые приводят к несогласованным деформациям жестко связанных деталей (внутренней и наружной обшивки стенки) в результате чего появляются трещины в сварных швах и листах обшивки;

- разрушение лакокрасочного покрытия и образование очагов коррозии наружной обшивки выхлопной шахты по причине резкого перепада температуры при работе газоперекачивающего агрегата на границе зон с низкой температурой и локальными зонами с повышенной температурой;

- низкую циклическую прочность элементов каркасов выхлопных шахт по причине отсутствия в них температурных развязок и наличию узлов с жестко связанными деталями, что приводит к образованию значительных внутренних напряжений в сварных соединениях несущих элементов;

- несоответствие допустимому уровню звукового давления в октавных полосах частот и уровней звука в рабочих зонах по причине применения теплоизоляции не устойчивой к вибрации в процессе эксплуатации, а также частичного разрушения листов внутренней обшивки и вследствие чего - выдувания теплоизоляции из внутренних полостей элементов выхлопной шахты.

- перетекание выхлопных газов газотурбинного двигателя (ГТД) из внутренней полости шахты наружу по причине возникновения при работе газоперекачивающего агрегата внутренних напряжений, которые способствуют отклонению от плоскостности фланцевых соединений.

Задача создания изобретения: исключить деформацию и разрушение листов наружной обшивки выхлопных шахт в процессе эксплуатации за счет компенсации температурного расширения металла в вертикальной и горизонтальной плоскостях при работе ГПА.

Достигнутый технический результат: устранение температурных деформаций.

Решение указанной задачи достигнуто в выхлопном устройстве газоперекачивающего агрегата, содержащем элементы, состоящие, в свою очередь, из четырех стенок, тем, что все стенки состоят из несущей горячей части и ненесущей холодной части, соединенных между собой, при этом несущая горячая часть и ненесущая холодная часть соединены между собой жестким соединением в одной точке соединения и компенсаторами в нескольких местах.

Несущая горячая часть секции может состоять из силового каркаса, выполненного из фасонного силового проката и листов внутренней обшивки, а ненесущая холодная часть секции состоит из облегченного каркаса, выполненного из фасонного облегченного проката относительно меньшего поперечного сечения и листов наружной обшивки относительно меньшей толщины.

Толщина листа внутренней обшивки может быть выполнена из соотношения:

δ₁=(2,0÷4,0)δ₂,

где: δ₁ - толщина листа внутренней обшивки,

δ₂ - толщина листа наружной обшивки.

Площадь поперечного сечения фасонного силового проката силового каркаса может быть выполнена из соотношения:

S₁=(1,5÷2,0)S₂,

где: S₁ - площадь поперечного сечения фасонного силового проката силового каркаса,

S₂ - площадь поперечного сечения фасонного облегченного проката.

Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг. 1-14), где:

- на фиг. 1 приведена схема газоперекачивающего агрегата - ГПА,

- на фиг. 2 приведена схема выхлопного устройства,

- на фиг. 3 представлена конструктивная схема температурной развязки стенок элементов выхлопных шахт,

- на фиг. 4 приведена горячая несущая часть,

- на фиг. 5 приведен разрез В-В, первый вариант,

- на фиг. 6 приведен разрез В-В, второй вариант,

- на фиг. 7 приведена холодная ненесущая часть,

- на фиг. 8 приведен разрез С-С, первый вариант,

- на фиг. 9 приведен разрез С-С, второй вариант,

- на фиг. 10 приведена схема установки компенсатора,

- на фиг. 11 приведен один из вариантов компенсатора,

- на фиг. 12 приведено соединение горячей и холодной частей,

- на фиг. 13 приведена схема теплоизоляции, разрез А-А на фиг. 2.

- на фиг. 14 приведена схема расположения компенсаторов разных видов.

Газоперекачивающий агрегат 1 (фиг. 1) оборудован воздухозаборным устройством 2 и выхлопным устройством 3. Выхлопное устройство 3 выполнено из отдельных элементов 4, состоящих, в свою очередь из четырех стенок 5. Элементы 4 выхлопного устройства соединены между собой через фланцы 6, соединенные шпилечными (болтовыми) соединениями 7.

Все стенки 5 состоят из несущей горячей части 8 (фиг. 4...6) и ненесущей холодной части 9 (фиг. 7…9).

Несущая горячая часть 8 (фиг. 4…6) стенки 5 состоит из силового каркаса 10, выполненного из фасонного силового проката 11 и листов внутренней обшивки 12, имеющих толщину - δ₁ (фиг. 5 и 6), соединенных сварочными швами 13.

Рекомендуемая толщина листов внутренней обшивки 12:

δ₁=4-8 мм.

Ненесущая холодная часть 9 (фиг. 7…9) стенки 5 состоит из облегченного каркаса 14, выполненного из фасонного облегченного проката 15 относительно меньшего поперечного сечения и листов наружной обшивки 16 относительно меньшей толщины δ₂, соединенных сварочными швами 17.

Рекомендуемая толщина листов наружной обшивки 16 (фиг. 8 и 9):

δ₂=1-4 мм.

Толщина листа внутренней обшивки 12 может быть выполнена из соотношения:

δ₁=(2,0÷4,0)⋅δ₂,

где: δ₁ - толщина листа внутренней обшивки 12,

δ₂ - толщина листа наружной обшивки 16.

В качестве фасонного проката 11 и 15 могут быть использованы уголки, швеллер, двутавр или любой прокат, выпускаемый промышленностью.

В табл. 1 приведены основные параметры некоторых уголков.

Из табл. 1 видно, что при увеличении ширины полки в в 2 раза площадь его поперечного сечения S увеличивается примерно в 3 раза, а момент инерции J более, чем в 10 раз.

В табл. 2 приведены основные параметры некоторых швеллеров.

Из табл. 2 видно, что при увеличении высоты профиля швеллера h в 2 раза площадь его поперечного сечения S увеличивается примерно в 2 раза, а момент инерции J почти в 8 раз.

Поэтому площадь поперечного сечения фасонного проката силового каркаса должна быть выполнена из соотношения:

S₁=(1,5÷2,0)⋅S₂,

где: S₁ - площадь поперечного сечения фасонного силового проката силового каркаса,

S₂ - площадь поперечного сечения фасонного облегченного проката.

Между холодной и горячей частями 8 и 9 располагаются два слоя теплоизоляции: первый 18 и второй 19 (фиг. 3, 11 и 13).

Толщина первого слоя теплоизоляции 18 - δ₃, а второго слоя теплоизоляции 19 - δ₄ (фиг. 13).

Оптимальные толщины изоляционных слоев:

δ₃=δ₄=50-70 мм.

Такая толщина теплоизоляционных слоев 18 и 19 обеспечивает снижение температуры на 300-400°С.

В конкретном примере при температуре выхлопных газов 400°C, температура ненесущей холодной части составляет 40-70°C. В то же время у прототипа она составила 150-200°C. В качестве материала для обоих слоев теплоизоляции 18 и 19 могут быть использованы базальтовые маты.

Холодная и горячая части 8 и 9 стенок 5 могут быть соединены в одной точке жестким соединением 20, например, посредством сварки (фиг. 12).

Во всех остальных точках соединение горячей и холодной частей должно быть выполнен при помощи компенсаторов 21…23 (фиг. 14), то есть таким образом, чтобы компенсировать расчетные температурные расширения, возникающую деформацию несущей горячей части 8 стенок 5 и нести на себе собственный вес и вес холодной части 9, и дополнительные нагрузки, вызванные вибрацией при работе ГПА и от воздействия ветра.

При этом возможно применение трех видов компенсаторов (фиг. 14).

- компенсатор, компенсирующий только вертикальные перемещения 21,

- компенсатор, компенсирующий только горизонтальные перемещения 22,

- компенсатор, компенсирующий и горизонтальные, и вертикальные перемещения 23.

На фиг. 10 и 11 изображен компенсатор 22, компенсирующий только горизонтальные перемещения.

Этот компенсатор 22 (фиг. 10 и 11) может быть выполнен в виде двух ребер 24 с приваренными сухарями 25, между которыми установлены стойки 26 и все это стягивается болтами 27 (шпильками) с гайками 28, проходящим через отверстия 29 (фиг. 10) в ребрах 24.

Между ребрами 24 и стойкой 26 облегченного каркаса 14 ненесущей холодной части 9. должны быть предусмотрены компенсационные зазоры δ_к. Стойки 26 выполнены на наружной обшивке 16.

При этом необходимо обеспечить компенсационные зазоры между несущей частью 8 и стойкой 26 и ненесущей холодной частью 9 и стойкой 26 (фиг. 11):

δ_к=5-20 мм,

где: δ_к - компенсационный зазор.

РАБОТА УСТРОЙСТВА

При работе ГПА 1 (фиг. 1) воздух всасывается воздухозаборным устройством 2 и используется для сжигания топлива, поступающего в газотурбинный двигатель в составе ГПА 1 (газотурбинный двигатель на фиг. 1-14 не показан).

Продукты сгорания, имеющие высокую температуру достигающую 500°С-600°С, выбрасываются в атмосферу выхлопным устройством 3.

При этом значительно нагревается несущая горячая часть 8 стенок 5, в том числе силовой каркас 10, выполненный из фасонного силового проката 11 и листов внутренней обшивки 12.

Однако, учитывая (фиг. 5-8), что фасонный силовой прокат 11 выполнен из профиля относительно большого поперечного сечения S₁ и листов внутренней обшивки 12, имеющих относительно большую толщину δ₁ можно утверждать, что прочность несущей горячей части достаточно велика для обеспечения работоспособности выхлопного устройства в течение заявленного ресурса.

Ненесущая холодная часть 9 стенок 5 состоит из облегченного каркаса 14, выполненного из фасонного облегченного проката 15 относительно меньшего поперечного сечения и листов наружной обшивки 16 относительно большой толщины δ₂, и прогревается значительно меньше, учитывая наличие двух теплоизоляционных слоев 18 и 19 (13).

Ненесущая холодная часть 9 имеет покрытие 29 (фиг. 10 и 13) для исключения воздействия атмосферных осадков в виде термостойкой эмали.

Применение предложенной конструктивной схемы температурной развязки стенок элементов выхлопных шахт позволило:

1. Исключить деформацию и разрушение листов наружной обшивки выхлопных шахт в процессе эксплуатации за счет компенсации температурного расширения металла при работе ГПА в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

2. Применение в конструкции стенок горячего и холодного контура позволило во время пуска, работы и останова агрегата равномерно прогревать несущую «горячую» часть каркаса стенки элементов выхлопной шахты. Холодная часть стенки, в свою очередь, компенсируя температурные расширения металла вторым контуром теплоизоляции создает в конструкции стенки эффект термоса. Это позволяет исключить неравномерность прогрева каркаса и, в свою очередь, исключает несогласованные деформации жестко связанных деталей (внутренней и наружной обшивки стенки), которые могут привести к появлениям трещин в сварных швах при запуске и при останове ГПА из-за резкого перепада температур.

3. Исключить разрушение лакокрасочного покрытия и образование очагов коррозии путем уменьшения температуры на наружной обшивке и исключением локальных зон с повышенной температурой.

4. Появилась возможность на холодную часть стенок элементов выхлопных шахт данной конструкции дополнительно устанавливать профилированный оцинкованный окрашенный лист, который не представлялось возможным применять на элементы выхлопной шахты с высокой температурой на наружной обшивке из-за отсутствия стойкости к повышенным температурам. Данное покрытие на профилированном оцинкованном окрашенном листе имеет стойкость к ультрафиолетовому излучению, обладает хорошими грязеотталкивающими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, стойкостью к резким колебаниям температур, что позволяет исключить эксплуатационные затраты по покраске в процессе заявленного срока службы выхлопной шахты.

5. Исключить неравномерность прогрева каркаса и появления внутренних напряжений, деформаций во время пуска, работы и останова ГПА.

6. Исключить несоответствие допустимому уровню звукового давления в октавных полосах частот и уровней звука в рабочих зонах.

7. Обеспечить снижение уровня шума за счет увеличения толщины теплоизоляционного слоя, а применение виброустойчивого теплоизоляционного материала позволило повысить срок службы выхлопной шахты газоперекачивающего агрегата.

1. Выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата, содержащее элементы, состоящие, в свою очередь, из четырех стенок, отличающееся тем, что все стенки состоят из несущей горячей части и ненесущей холодной части, соединенных между собой, при этом несущая горячая часть и ненесущая холодная часть соединены между собой жестким соединением в одной точке соединения и компенсаторами в нескольких местах.

2. Выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата по п. 1, отличающееся тем, что несущая горячая часть стенки состоит из силового каркаса, выполненного из фасонного проката и листов внутренней обшивки, а ненесущая холодная часть стенки состоит из облегченного каркаса, выполненного из фасонного проката относительно меньшего поперечного сечения и листов наружной обшивки относительно меньшей толщины.

3. Выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата по п. 2, отличающееся тем, что толщина листа внутренней обшивки выполнена из соотношения:

δ₁=(2,0÷4,0)δ₂,

где: δ₁ - толщина листа внутренней обшивки,

δ₂ - толщина листа наружной обшивки.

4. Выхлопное устройство газоперекачивающего агрегата по п. 2, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения фасонного проката силового каркаса выполнена из соотношения:

S₁=(1,5÷2,0)S₂,

где: S₁ - площадь поперечного сечения фасонного проката силового каркаса,

S₂ - площадь поперечного сечения фасонного проката облегченного каркаса.