Газоперекачивающий агрегат (гпа), способ охлаждения газотурбинного двигателя (гтд) гпа и система охлаждения гтд гпа, работающая этим способом, направляющий аппарат системы охлаждения гтд гпа
Владельцы патента RU 2675729:
Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") (RU)
Группа изобретений относится к нефтегазовой области. В способе охлаждения ГТД ГПА двигатель снабжают защитным кожухом, к которому подводят нагнетающий и отводящий воздуховоды. Воздух забирают из атмосферы через воздухозаборник и подают снизу в кожух. Через распределительный короб до 20% подаваемого воздуха подают за улиточное пространство газоотвода ГТУ ГПА. Остальную часть воздуха подают непосредственно под корпус двигателя. Отклонения струй воздуха, подаваемых на боковые участки корпуса двигателя, производят направляющим аппаратом с наклоненными неподвижными в процессе охлаждения двигателя створками. Створки выполнены с аэродинамическим профилем и регулируемо закреплены на силовом элементе. Количество створок принято не менее двух с каждой стороны двигателя. Створки попарно устанавливают в пределах каждой группы однонаправленно отклоненными с зеркальной симметрией наклона ответной группы створок. Процесс регулирования положения створок осуществляют шаговым изменением угла αа.с.. атаки. Для чего в поперечном сечении створки выделяют две точки. Одну точку наделяют функцией шарнира вращения с ограниченным углом поворота в пределах принятого диапазона угловых положений створки. Через другую точку проводят радиальный индикатор угла атаки, численно определяемого по шкале с заданным шагом угловых положений створки. Затем выставляют остальные створки, включают воздушный поток и производят равномерное охлаждение работающего двигателя. Технический результат, достигаемый группой изобретений, состоит в снижении окружной неравномерности температуры поверхности двигателя, повышении ресурса и надежности на всех режимах работы ГТД в составе ГПА. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.
Группа изобретений относится к области двигателестроения, а именно, к конструкциям и способам охлаждения газотурбинного двигателя (ГТД) авиационного типа в составе газотурбинных установок (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и может быть использовано на компрессорных станциях нефтегазовой и энергетической промышленности.
Из существующего уровня техники известен газоперекачивающий агрегат, содержащий газотурбинный двигатель, включающий газогенератор и турбину, расположенные на общей подмоторной раме. ГТД заключен в защитный кожух. ГПА содержит тракт всасывания воздуха, включающий воздухоочистительное устройство (КВОУ) с воздуховодами и камерой всасывания воздуха, входного устройства в ГТД, выхлопную систему с трактом выхлопа для удаления продуктов сгорания. Выхлопная система выполнена с возможностью установки утилизационного теплообменника. Система охлаждения газотурбинной установки выполнена с возможностью принудительной подачи атмосферного воздуха под защитный кожух (RU 2403416 С1, опубл. 10.11.2010).
Из существующего уровня техники известен газоперекачивающий агрегат, содержащий ГТД и центробежный компрессор для сжатия газа, КВОУ, выхлопную систему с выхлопной шахтой для удаления продуктов сгорания и шумоглушители. ГТД вместе с всасывающим и выхлопным устройствами расположены на общей фундаментной раме. ГТД заключен в защитный кожух. Система охлаждения ГТД выполнена с возможностью обеспечения регулирования количества охлаждающего воздуха, поступающего под защитный кожух. Выхлопная шахта выполнена с возможностью установки утилизационного теплообменника и оснащена погодным колпаком (зонтом) (RU 115843 U1, опубл. 10.05.2012).
Известны система охлаждения ГТД, содержащая воздухозаборник, осевой вентилятор и направляющий аппарат в виде приводной заслонки с поворотными жалюзями (RU 2267019 С1, опубл. 27.02.2005).
Известна система подачи охлаждающего воздуха в ГТД, расположенный в кожухе, содержащая воздухозаборник, воздуховод, осевой вентилятор, соединенный входной частью с воздухозаборником, а выходной частью с воздуховодом. Система снабжена опорной рамной конструкцией (RU 168906 U1, опубл. 28.02.2017).
Недостатком известных решений является относительно невысокая надежность и долговечность работы ГПА, неадаптированность конкретно к техническим решениям двухвального, двухконтурного ГТД, сложность получения компромиссного сочетания повышенных значений КПД и ресурса двигателя и ГПА в целом за счет недостаточной проработанности системы охлаждения двигателя и относительно невысокой эффективности работы системы охлаждения за счет неравномерного, несимметричного подвода охлаждающего воздуха к двигателю, что приводит к повышенному износу трущихся деталей рабочих узлов, в частности, к обрыву лопаток ТВД вследствие коробления двигателя, а также снижению надежности работы и КПД двигателя в целом в процессе эксплуатации.
Задача, решаемая группой изобретений, заключается в улучшении системы охлаждения стационарного ГТД авиационного типа, повышении надежности и долговечности работы двигателя в составе газоперекачивающих агрегатов для транспортировки газа или газотурбинной электростанции.
Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего модуль газогенератора (ГТ), включающий в качестве функциональных узлов компрессоры низкого и высокого давления (КНД и КВД), камеру сгорания, турбины низкого и высокого давления (ТНД и ТВД), а также модуль силовой турбины (СТ), входящего в состав газотурбинной установки (ГТУ) газоперекачивающего агрегата (ГПА), согласно изобретению, двигатель снабжают защитным кожухом, к которому подводят вентиляционные нагнетающий с распределительным коробом и отводящий воздуховоды, воздух для охлаждения двигателя забирают из атмосферы через воздухозаборник и посредством, по меньшей мере, одного нагнетающего вентилятора подают снизу в кожух и через распределительный короб меньшую часть подаваемого воздуха, составляющую до 20%, подают за улиточное пространство газоотвода ГТУ ГПА, а большую часть воздуха до 80% от общего потока нагнетания подают непосредственно под корпус двигателя в направляющий аппарат системы охлаждения двигателя, при этом охлаждающий поток воздуха разделяют на три части, меньшая из которых поступает непосредственно под нижнюю часть опоясывающего теплового пятна, соответствующего зоне расположения камеры сгорания и частично примыкающих к ней кольцевых участков корпусов КВД и ТВД двигателя, а две остальные боковые части охлаждающего потока воздуха отклоняют вправо и влево и подают на боковые участки корпуса двигателя настильно тангенциальными струями, при этом отклонения струй воздуха производят направляющим аппаратом с наклоненными неподвижными в процессе охлаждения двигателя створками, выполненными с аэродинамическим профилем поперечного сечения, продольно ориентированными параллельно оси двигателя и регулируемо закрепленными не менее чем на одном силовом элементе, установленном нормально к вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя над решеткой распределительного короба в зоне охлаждения двигателя, причем количество створок в направляющем аппарате принимают одинаковым не менее двух с каждой стороны двигателя и попарно устанавливают в пределах каждой группы однонаправленно отклоненными с зеркальной симметрией наклона ответной группы створок относительно вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя, а угол αа.с. атаки, характеризующий отклонение створки от вертикальной плоскости симметрии двигателя, принимают в диапазоне значений αа.с.=(21,6÷41,4)°, при этом кинематический процесс регулирования пространственного положения створок осуществляют шаговым изменением угла атаки относительно вертикальной плоскости симметрии двигателя, для чего в поперечном сечении створки выделяют две точки, через одну из которых проводят условную ось, параллельную оси двигателя, и наделяют ее функцией шарнира вращения с ограниченным углом поворота в пределах принятого диапазона угловых положений створки в направляющем аппарате системы охлаждения двигателя, а через другую точку, смещенную во внешнюю сторону от условной продольной плоскости симметрии двигателя, как через центр, проводят радиальный индикатор угла атаки, численно определяемого по шкале, предварительно отградуированной с заданным шагом угловых положений створки, связанной, по меньшей мере, с одним силовым элементом направляющего аппарата, затем аналогично с соблюдением условий настоящего изобретения выставляют остальные створки направляющего аппарата, включают воздушный поток и производят равномерное охлаждение работающего двигателя.
При этом работу системы охлаждения двигателя могут осуществлять по командам системы автоматического управления и регулирования (САУиР) ГПА, при этом для контроля параметров температуры воздуха под защитным кожухом и на корпусе двигателя устанавливают датчики температуры, результаты измерений по которым используют для коррекции работы системы охлаждения, также устанавливают датчик давления, кроме того в отводящем воздуховоде устанавливают кран противопожарный, который закрывают при возникновении пожара под защитным кожухом по команде САУиР.
По меньшей мере, часть нагретого воздуха системы охлаждения двигателя при необходимости могут подавать для подогрева внутреннего объема машзала компрессорной станции.
Створки направляющего аппарата могут устанавливать на силовом элементе типа поперечной балки, включающей пластины, стянутые по вертикали хомутами, при этом створки крепят на пластинах с возможностью углового и поступательного перемещения створок относительно рисок шкалы в вертикальной плоскости симметрии двигателя, для чего в пластинах выполнены отверстия с возможностью образования шарнира вращения для ограниченных поворотов в пределах принятого диапазона угловых положений створки и пазы для индикации и дискретного фиксирования, по меньшей мере, трех, в том числе двух крайних и среднего положения углов атаки створки, а условную ось, параллельную оси двигателя, наделенную функцией шарнира вращения створки, проводят через точку створки, расположенную на линии миделя поперечного сечения, нормальную к касательной к вершине спинки профиля, параллельную хорде, соединяющей лобовую точку с точкой схода аэродинамического профиля створки.
Поставленная задача в части системы охлаждения газотурбинного двигателя ГТУ ГПА, имеющего модуль газогенератора с компрессорами КНД и КВД, камерой сгорания, турбинами ТНД и ТВД и модуль силовой турбины, при этом двигатель снабжен защитным кожухом, решается тем, что система охлаждения двигателя, согласно изобретению, выполнена с возможностью равномерного охлаждения двигателя посредством регулирования распределения потока охлаждающего воздуха и включает воздухозаборник, по меньшей мере, один нагнетающий вентилятор, нагнетающий с распределительным коробом и отводящий воздуховоды, а также направляющий аппарат с наклоненными неподвижными в процессе охлаждения двигателя створками и электрические коммуникации системы охлаждения, при этом равномерное охлаждение двигателя осуществляют описанным выше способом.
Поставленная задача в части направляющего аппарата системы охлаждения газотурбинного двигателя ГТУ ГПА, имеющего модуль газогенератора с КНД и КВД, камерой сгорания, ТНД и ТВД, а также модуль силовой турбины и снабженного защитным кожухом, решается тем, что направляющий аппарат, согласно изобретению, выполнен с возможностью регулирования распределения потока охлаждающего воздуха для равномерного охлаждения двигателя и включает наклоненные неподвижные в процессе охлаждения двигателя створки, продольно ориентированные параллельно оси двигателя и регулируемо закрепленные не менее чем на одном силовом элементе, установленной нормально к вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя, причем створки выполнены с аэродинамическим профилем поперечного сечения, имеющем, по меньшей мере, выпуклую спинку, обращенную под углом к вертикальной плоскости симметрии двигателя, при этом хорду дуги выпуклой спинки створки принимают длиной Lх.а.с, определенной в диапазоне значений
Lx.a.c=(0,57÷0,8)⋅Rк.д.[м],
где Rк.д. - радиус корпуса двигателя в осевом диапазоне расположения камеры сгорания; Смах - максимальное относительное расстояние от хорды, соединяющей концы дуги спинки створки до параллельной хорде касательной к вершине дуги выпуклой спинки, принятой в диапазоне значений Cмах/Lx.a.c=(0,085÷0,12); причем количество створок в направляющем аппарате выполнено одинаковым не менее двух с каждой стороны двигателя, при этом створки в пределах каждой группы установлены попарно, однонаправленно отклоненными с зеркальной симметрией наклона ответной группы створок относительно вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя, а угол αа.с. атаки, характеризующий отклонение хорды спинки профиля створки от вертикальной плоскости симметрии двигателя, определен в диапазоне значений αа.с.=(21,6÷41,4)°.
При этом створки могут быть установлены на силовом элементе типа поперечной балки, включающей коробчатый элемент, состоящий из сомкнутых полками швеллеров, на которых размещен горизонтальный внутренний швеллер, обрамленный наружными пластинами, раскрепленными горизонтальной планкой и стянутой по вертикали хомутами, при этом для пошагового углового и поступательного перемещений створок параллельно оси двигателя в пластинах выполнены дискретные отверстия с возможностью образования шарнира вращения для ограниченных поворотов в пределах принятого диапазона угловых положений створки в направляющем аппарате, и пазы для индикации относительно вертикальной плоскости симметрии двигателя и дискретного фиксирования, по меньшей мере, трех, в том числе двух крайних и среднего положения углов атаки створки, кроме того для индикации углового перемещения створок в верхней части пластин балки выполнены углубления в виде рисок.
Поставленная задача в части ГПА компрессорной станции (КС) решается тем, что газоперекачивающий агрегат ГПА, согласно изобретению, содержит последовательно сообщенные по рабочему телу: тракт всасывания воздуха, включающий комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ), воздуховод и камеру всасывания воздуха; газотурбинную установку (ГТУ) с входным устройством (ВУ) в виде соосной с осью двигателя трубы с лемнискатным входом для подачи воздуха из камеры всасывания на вход газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего модули газогенератора (ГГ) и силовой турбины (СТ), а также соединенный с модулем СТ газоотвод, выполненный в виде улитки; тракт выхлопа отработанных газов, сообщенный газоходом на входе по потоку рабочего тела из СТ с газоотводом и на выходе с завершающей тракт выхлопа выхлопной трубой ГПА, которая в свою очередь сообщена с теплообменником утилизатора теплоты с автономной выхлопной трубой; газовый компрессор, сообщенный по крутящему моменту с валом СТ ГТД посредством трансмиссии, включающей промежуточный вал, а также по рабочему телу - перекачиваемому газу с подводящим газопроводом на входе и с отводящим на выходе; при этом двигатель установлен в защитном кожухе и снабжен системой охлаждения ГТД, включающей воздухозаборник, по меньшей мере, один нагнетающий вентилятор, нагнетающий с распределительным коробом и отводящий воздуховоды, а также направляющий аппарат, выполненный с возможностью регулирования распределения потока охлаждающего воздуха для равномерного охлаждения двигателя, который включает наклоненные неподвижные в процессе охлаждения двигателя створки, продольно ориентированные параллельно оси двигателя и регулируемо закрепленные не менее чем на одном силовом элементе, установленном нормально к вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя над решеткой распределительного короба в зоне охлаждения двигателя; причем створки выполнены с аэродинамическим профилем поперечного сечения, имеющем, по меньшей мере, выпуклую спинку, обращенную под углом к вертикальной плоскости симметрии двигателя, при этом хорду дуги выпуклой спинки створки принимают длиной Lх.а.с, определенной в диапазоне значений
Lх.а.с=(0,57÷0,8)⋅Rк.д.[м],
где Rк.д. - радиус корпуса двигателя в осевом диапазоне расположения камеры сгорания; Смах - максимальное относительное расстояние от хорды, соединяющей концы дуги спинки створки до параллельной хорде касательной к вершине дуги выпуклой спинки, принятой в диапазоне значений Cмах/Lx.a.c=(0,085÷0,12); причем количество створок в направляющем аппарате выполнено одинаковым не менее двух с каждой стороны двигателя, при этом створки в пределах каждой группы установлены попарно, однонаправленно отклоненными с зеркальной симметрией наклона ответной группы створок относительно вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя, а угол атаки αа.с., характеризующий отклонение хорды спинки профиля створки от плоскости симметрии двигателя, определен в диапазоне значений αа.с.=(21,6÷41,4)°.
При этом створки направляющего аппарата могут быть установлены на силовом элементе типа поперечной балки, включающей коробчатый элемент, состоящий из сомкнутых полками швеллеров, на которых размещен горизонтальный внутренний швеллер, обрамленный наружными пластинами, раскрепленными горизонтальной планкой и стянутой по вертикали хомутами, при этом для пошагового углового и поступательного перемещений створок параллельно оси двигателя в пластинах выполнены дискретные отверстия с возможностью образования шарнира вращения для ограниченных поворотов в пределах принятого диапазона угловых положений створки в направляющем аппарате, и пазы для индикации относительно вертикальной плоскости симметрии двигателя и дискретного фиксирования, по меньшей мере, трех, в том числе двух крайних и среднего положения углов атаки створки, кроме того для индикации углового перемещения створок в верхней части пластин балки выполнены углубления в виде рисок.
Защитный кожух может быть выполнен модульной конструкции в виде короба из панелей и перекрытий, установленных на рамы под ГТД и газоотвод ГПА, и снабжен лестницами для схода внутрь технического персонала и площадками обслуживания для выполнения работ в верхней части ГТД, причем геометрические параметры кожуха выполнены с возможностью ремонтного извлечения и/или замены агрегатов ГТД через трансформируемое покрытие, кроме того в отделении защитного кожуха под газоотводом выполнен проем для выхода улитки, а сверху над проемом выхода улитки выполнено отверстие для вывода отводящего воздуховода системы охлаждения двигателя с возможностью подогрева и циркуляции охлаждающего воздуха внутри машзала.
Технический результат, достигаемый группой изобретений, объединенных единым творческим замыслом, состоит в проработке способа и системы охлаждения ГТД ГПА с улучшенными эксплуатационными характеристиками и конструктивными параметрами направляющего аппарата, снабженного створками, позволяющими регулируемо отклонять часть охлаждающего воздуха, подаваемого под двигатель, и обеспечивать снижение окружной неравномерности температуры поверхности двигателя на всех режимах работы, избегая выборки радиальных зазоров между корпусом двигателя и лопатками ТВД и отрыва лопаток в результате возникновения нештатных нагрузок в процессе эксплуатации двигателя в составе ГТУ ГПА, а также облегчение проведения монтажа направляющего аппарата без демонтажа двигателя и снижению материало- и трудоемкости при проведении ремонтных работ за счет сокращения сборочных операций.
Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена ГПА и система охлаждения двигателя ГПА, вид сверху;
на фиг. 2 - направляющий аппарат системы охлаждения двигателя, вид спереди;
на фиг. 3 - направляющий аппарат системы охлаждения двигателя, вид сверху;
на фиг. 4 - узел направляющего аппарата системы охлаждения двигателя с зеркально симметрично установленными наклонными створками, вид по А на фиг. 3;
на фиг. 5 - разрез по Б-Б на фиг. 4;
на фиг. 6 - разрез по В-В на фиг. 4.
Газоперекачивающий агрегат компрессорной станции содержит последовательно сообщенные по рабочему телу:
- тракт всасывания воздуха, включающий функциональные узлы - комплексное воздухоочистительное устройство КВОУ-1, всасывающий воздуховод 2 и камеру 3 всасывания воздуха;
- газотурбинную установку ГПА с входным устройством ВУ-4 в виде соосной с осью двигателя трубы с лемнискатным входом для подачи воздуха из камеры всасывания на вход газотурбинного двигателя 5, имеющего модули газогенератора ГТ-6 и силовой турбины СТ-7, а также соединенный с модулем СТ газоотвод 8, выполненный в виде улитки;
- тракт выхлопа отработанных газов, сообщенный газоходом 9 на входе по потоку рабочего тела из СТ-7 с газоотводом 8 и на выходе с завершающей тракт выхлопа выхлопной трубой 10 ГПА, которая в свою очередь сообщена с теплообменником 11 утилизатора теплоты с автономной выхлопной трубой 12;
- газовый компрессор 13 - нагнетатель центробежного типа, сообщенный по крутящему моменту с валом СТ-7 посредством трансмиссии, включающей промежуточный вал, а также по рабочему телу - перекачиваемому газу с подводящим газопроводом на входе и с отводящим на выходе.
В предлагаемом способе охлаждения ГДТ двигатель 5 снабжают защитным кожухом 14. К защитному кожуху 14 подводят вентиляционные подводят вентиляционные нагнетающий воздуховод 15 с распределительным коробом 16 и отводящий воздуховод 17.
Система охлаждения (фиг. 1) газотурбинного двигателя ГТУ ГПА выполнена с возможностью равномерного охлаждения двигателя посредством регулирования распределения потока охлаждающего воздуха. Воздух для охлаждения двигателя забирают из атмосферы через воздухозаборник 18. Далее посредством, по меньшей мере, одного нагнетающего вентилятора 19 (основного или резервного) воздух подают снизу в защитный кожух 14. При этом меньшую часть подаваемого воздуха, составляющую до 20%, через распределительный короб 16 подают за улиточное пространство газоотвода 8 ГПА. Большую часть воздуха до 80% от общего потока нагнетания подают непосредственно под корпус двигателя 5 в направляющий аппарат 20 (фиг. 2 и фиг. 3) системы охлаждения двигателя, и разделяют на три части. Меньшая часть поступает непосредственно под нижнюю часть опоясывающего теплового пятна, соответствующего зоне расположения камеры сгорания и частично примыкающих к ней кольцевых участков корпусов КВД и ТВД. Две остальные боковые части охлаждающего потока воздуха отклоняют вправо и влево и подают на боковые участки корпуса двигателя 5 настильно тангенциальными струями.
Отклонения струй воздуха производят направляющим аппаратом 20 (фиг. 4). Для чего направляющий аппарат 20 содержит наклоненные неподвижные в процессе охлаждения двигателя створками 21. Створки 21 продольно ориентированы параллельно оси двигателя 5 и регулируемо закреплены на силовом элементе 22, установленном нормально к вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя 5 над решеткой 23 распределительного короба 16 в зоне охлаждения двигателя.
Количество створок 21 в направляющем аппарате 20 принимают одинаковым не менее двух с каждой стороны двигателя 5. Створки 21 устанавливают в пределах каждой группы попарно, однонаправленно отклоненными с зеркальной симметрией наклона ответной группы створок относительно вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя. Угол αа.с., атаки, характеризующий отклонение створки 21 от вертикальной плоскости симметрии двигателя 5, принимают в диапазоне значений αа.с.=(21,6÷41,4)°.
Кинематический процесс регулирования пространственного положения створок 10 осуществляют шаговым изменением угла αа.с.. атаки αа.с.. относительно вертикальной плоскости симметрии двигателя. Для чего в поперечном сечении створки 21 выделяют две точки. Через одну точку 24 проводят условную ось, параллельную оси двигателя, и наделяют ее функцией шарнира вращения с ограниченным углом поворота в пределах принятого диапазона угловых положений створки 21 в направляющем аппарате 20. Через другую точку 25, смещенную во внешнюю сторону от условной продольной плоскости симметрии двигателя, как через центр, проводят радиальный индикатор угла αа.с. атаки, численно определяемого по шкале, которая предварительно отградуирована с заданным шагом угловых положений створки 21 - рисок 26, связанной, по меньшей мере, с одним силовым элементом 22 направляющего аппарата 20. Затем аналогично с соблюдением условий настоящего изобретения выставляют остальные створки 21, включают воздушный поток и производят равномерное охлаждение работающего двигателя 5.
Работу системы охлаждения двигателя 1 осуществляют по командам САУиР ГПА. Для контроля параметров температуры воздуха под защитным кожухом 14 и на корпусе двигателя 5 устанавливают датчики 27 температуры и датчик 28 давления Метран. Результаты измерений используют для коррекции работы системы охлаждения. В отводящем воздуховоде 5 устанавливают кран противопожарный (на чертежах не показан), который закрывают при возникновении пожара под защитным кожухом 14 по команде САУиР.
Защитный кожух 14 (на чертежах не показан) выполнен модульной конструкции в виде короба из панелей и перекрытий, установленных на рамы под ГТД и газоотвод ГПА. Защитный кожух 14 снабжен лестницами для схода внутрь технического персонала и площадками обслуживания для выполнения работ в верхней части ГТД. Геометрические параметры кожуха выполнены с возможностью ремонтного извлечения и/или замены агрегатов ГТД через трансформируемое покрытие. В отделении кожуха 14 под газоотводом 8 выполнен проем для выхода улитки, а сверху над проемом выхода улитки выполнено отверстие для вывода отводящего воздуховода системы охлаждения двигателя с возможностью подогрева и циркуляции нагретого воздуха внутри машзала.
Система охлаждения газотурбинного двигателя ГТУ ГПА выполнена с возможностью равномерного охлаждения двигателя посредством регулирования распределения потока охлаждающего воздуха. При этом равномерное охлаждение двигателя осуществляют описанным выше способом.
Направляющий аппарат системы охлаждения двигателя выполнен с возможностью регулирования распределения потока охлаждающего воздуха для равномерного охлаждения двигателя и включает наклоненные неподвижные в процессе охлаждения двигателя створки 21.
Створки 21 (фиг. 4) выполнены с аэродинамическим профилем поперечного сечения, имеющем, по меньшей мере, выпуклую спинку 29, обращенную под углом к вертикальной плоскости симметрии двигателя.
Хорду 30 дуги выпуклой спинки 29 створки 21 принимают длиной Lх.а.с, определенной в диапазоне значений
Lx.a.c=(0,57÷0,8)⋅Rк.д.[м],
где Rк.д. - радиус корпуса двигателя в осевом диапазоне расположения камеры сгорания;
Сиах - максимальное относительное расстояние от хорды, соединяющей концы дуги спинки створки до параллельной хорде касательной к вершине дуги выпуклой спинки, принятой в диапазоне значений Cмах/Lх.а.с=(0,085÷0,12).
Створки 21 установлены на силовом элементе 22 типа поперечной балки, включающей коробчатый элемент, состоящий из швеллеров 31, сомкнутых полками 32. На полках 32 швеллеров 31 размещен горизонтальный внутренний швеллер 33, обрамленный наружными пластинами 34. Пластины 34 раскреплены горизонтальной планкой 35 и стянуты по вертикали хомутами 36.
При этом для пошагового углового и поступательного перемещения створок 21 параллельно оси двигателя в пластинах 34 выполнены дискретные отверстия 37 и пазы 38. Отверстия 37 выполнены с возможностью образования шарнира вращения для ограниченных поворотов в пределах принятого диапазона угловых положений створки 21 в направляющем аппарате. Пазы 38 выполнены для индикации относительно вертикальной плоскости симметрии двигателя и дискретного фиксирования, по меньшей мере, трех, в том числе двух крайних и среднего положения углов атаки створки 21. Также для индикации углового перемещения створок 21 в верхней части пластин 34 выполнены углубления в виде рисок 26 шкалы.
Наделенную функцией шарнира вращения створки 21 условную ось, параллельную оси двигателя, проводят через точку 24 створки 21, расположенную на линии миделя поперечного сечения, нормальную к касательной к вершине спинки 39 профиля, параллельную хорде, соединяющей лобовую точку с точкой схода аэродинамического профиля створки 21.
Неравномерность охлаждения двигателя влияет на дефект «обрыв лопаток ТВД», вследствие коробления двигателя, выборки радиальных зазоров между корпусом и лопатками и отрывом лопаток в результате возникновения нештатных нагрузок. Возникновение трещин в корневом сечении лопаток обусловлено большим термическим перепадом между спинкой и корытом лопатки, что вызывает термоциклические усталостные трещины, развивающиеся с внутренней стороны стенки лопатки с первоначальными очагами на ребрах вихревой матрицы. Предлагаемые в группе изобретений, объединенных единым творческим замыслом, способ и система охлаждения двигателя за счет конструкции створок 21 направляющего аппарата 20 позволяет отклонять часть охлаждающего воздуха, подаваемого через распределительный короб 16 под двигатель 1, обеспечивая тем самым снижение окружной неравномерности температуры поверхности двигателя. При этом конструкция створок 21 позволяет устанавливать их без демонтажа двигателя.
Монтаж створок 21 направляющего аппарата 20 и доработку системы охлаждения осуществляют следующим образом. На швеллеры 31, 33 силового элемента 22 устанавливают пластины 34. Пластины 34 стягивают по вертикали хомутами 36 и раскрепляют горизонтальными планками 35, гайками 39 с шайбами. Створки 21 крепят к пластинам 34 гайками 40 с шайбами. При этом угловое перемещение створок 21 относительно рисок 26 шкалы индикаторов угловых положений створок в вертикальной плоскости симметрии двигателя производят при ослаблении закрутки гаек 40. Перемещение створок 21 по пластинам 35 производят перестановкой в соответствующие требуемому положению створок 21 отверстия 37 и пазы 38, выполненных в пластинах 35 силового элемента 22.
В ходе опытной отработки створки 21 устанавливают в различные угловые положения и переставляют в различные положения по ширине канала пазов 38. Замеряют температуру поверхности двигателя. Измерение температур поверхности двигателя производят контактным термометром в диапазоне измерений (-75…+1200)°С и оптическими пирометрами в труднодоступных местах. Для обеспечения идентичности результатов измерения двигатель условно разделяют на шесть поперечных сечений и в восьми точках с шагом в 45° измеряют окружную температуру поверхности. Результаты измерений при неэффективном положении створок 21, либо их отсутствии характерны большим перепадом температур в сечениях двигателя. В ходе работ термометрирование проводят до пяти раз с различными положениями створок 21. При этом один раз термометрирование проведят с одним и тем же положением створок для проверки стабильности результатов, а для сравнения результатов один раз термометрирование проводят на соседнем ГПА без створок. Данные заносят в таблицы.
Пример таблицы измеренных температур.
В ходе анализа графиков перепада (неравномерности) температур по сечениям выбирают оптимальное положение створок 21, эффективно снижающее окружную неравномерность температуры поверхности двигателя. Настройку створок с контролем поля температур осуществляют индивидуально, т.к. разнообразие полей температур не позволяет однозначно определить ориентацию створок для всех ГПА.
Таким образом, за счет улучшения конструктивных и аэродинамических параметров створок направляющего аппарата обеспечивают отклонение под двигатель части подаваемого охлаждающего воздуха и снижение окружной неравномерность охлаждения двигателя, обеспечивая тем самым улучшенную работу системы охлаждения двигателя и силовой турбины, повышение безопасной работы и ресурса функциональных узлов двигателя - компрессора и турбины в процессе эксплуатации ГТД в составе газоперекачивающих агрегатов для транспортировки газа или газотурбинной электростанции.
1. Способ охлаждения газотурбинного двигателя (ГТД), имеющего модуль газогенератора (ГГ), включающий в качестве функциональных узлов компрессоры низкого и высокого давления (КНД и КВД), камеру сгорания, турбины низкого и высокого давления (ТНД и ТВД), а также модуль силовой турбины (СТ), входящего в состав газотурбинной установки (ГТУ) газоперекачивающего агрегата (ГПА), характеризующийся тем, что двигатель снабжают защитным кожухом, к которому подводят вентиляционные нагнетающий с распределительным коробом и отводящий воздуховоды, воздух для охлаждения двигателя забирают из атмосферы через воздухозаборник и посредством по меньшей мере одного нагнетающего вентилятора подают снизу в кожух и через распределительный короб меньшую часть подаваемого воздуха, составляющую до 20%, подают за улиточное пространство газоотвода ГТУ ГПА, а большую часть воздуха, до 80% от общего потока нагнетания, подают непосредственно под корпус двигателя в направляющий аппарат системы охлаждения двигателя, при этом охлаждающий поток воздуха разделяют на три части, меньшая из которых поступает непосредственно под нижнюю часть опоясывающего теплового пятна, соответствующего зоне расположения камеры сгорания и частично примыкающих к ней кольцевых участков корпусов КВД и ТВД двигателя, а две остальные боковые части охлаждающего потока воздуха отклоняют вправо и влево и подают на боковые участки корпуса двигателя настильно тангенциальными струями, при этом отклонения струй воздуха производят направляющим аппаратом с наклоненными неподвижными в процессе охлаждения двигателя створками, выполненными с аэродинамическим профилем поперечного сечения, продольно ориентированными параллельно оси двигателя и регулируемо закрепленными не менее чем на одном силовом элементе, установленном нормально к вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя над решеткой распределительного короба в зоне охлаждения двигателя, причем количество створок в направляющем аппарате принимают одинаковым, не менее двух с каждой стороны двигателя, и попарно устанавливают в пределах каждой группы однонаправленно отклоненными с зеркальной симметрией наклона ответной группы створок относительно вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя, а угол αа.с. атаки, характеризующий отклонение створки от вертикальной плоскости симметрии двигателя, принимают в диапазоне значений αа.с.=(21,6÷41,4)°, при этом кинематический процесс регулирования пространственного положения створок осуществляют шаговым изменением угла атаки относительно вертикальной плоскости симметрии двигателя, для чего в поперечном сечении створки выделяют две точки, через одну из которых проводят условную ось, параллельную оси двигателя, и наделяют ее функцией шарнира вращения с ограниченным углом поворота в пределах принятого диапазона угловых положений створки в направляющем аппарате системы охлаждения двигателя, а через другую точку, смещенную во внешнюю сторону от условной продольной плоскости симметрии двигателя, как через центр проводят радиальный индикатор угла атаки, численно определяемого по шкале, предварительно отградуированной с заданным шагом угловых положений створки, связанной по меньшей мере с одним силовым элементом направляющего аппарата, затем аналогично с соблюдением условий настоящего изобретения выставляют остальные створки направляющего аппарата, включают воздушный поток и производят равномерное охлаждение работающего двигателя.
2. Способ охлаждения ГТД по п. 1, отличающийся тем, что работу системы охлаждения двигателя осуществляют по командам системы автоматического управления и регулирования (САУиР) ГПА, при этом для контроля параметров температуры воздуха под защитным кожухом и на корпусе двигателя устанавливают датчики температуры, результаты измерений по которым используют для коррекции работы системы охлаждения, также устанавливают датчик давления, кроме того, в отводящем воздуховоде устанавливают кран противопожарный, который закрывают при возникновении пожара под защитным кожухом по команде САУиР.
3. Способ охлаждения ГТД по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть нагретого воздуха системы охлаждения двигателя при необходимости подают для подогрева внутреннего объема машзала компрессорной станции.
4. Способ охлаждения ГТД по п. 1, отличающийся тем, что створки направляющего аппарата устанавливают на силовом элементе типа поперечной балки, включающей пластины, стянутые по вертикали хомутами, при этом створки крепят на пластинах с возможностью углового и поступательного перемещения створок относительно рисок шкалы в вертикальной плоскости симметрии двигателя, для чего в пластинах выполнены отверстия с возможностью образования шарнира вращения для ограниченных поворотов в пределах принятого диапазона угловых положений створки и пазы для индикации и дискретного фиксирования по меньшей мере трех, в том числе двух крайних и среднего, положений углов атаки створки, а условную ось, параллельную оси двигателя, наделенную функцией шарнира вращения створки, проводят через точку створки, расположенную на линии миделя поперечного сечения, нормальную к касательной к вершине спинки профиля, параллельную хорде, соединяющей лобовую точку с точкой схода аэродинамического профиля створки.
5. Система охлаждения газотурбинного двигателя ГТУ ГПА, имеющего модуль газогенератора с компрессорами КНД и КВД, камерой сгорания, турбинами ТНД и ТВД и модуль силовой турбины, при этом двигатель снабжен защитным кожухом, характеризующаяся тем, что выполнена с возможностью равномерного охлаждения двигателя посредством регулирования распределения потока охлаждающего воздуха и включает воздухозаборник, по меньшей мере один нагнетающий вентилятор, нагнетающий с распределительным коробом и отводящий воздуховоды, а также направляющий аппарат с наклоненными неподвижными в процессе охлаждения двигателя створками и электрические коммуникации системы охлаждения, при этом равномерное охлаждение двигателя осуществляют описанным выше способом по любому из пп. 1-4.
6. Направляющий аппарат системы охлаждения газотурбинного двигателя ГТУ ГПА, имеющего модуль газогенератора с КНД и КВД, камерой сгорания, ТНД и ТВД, а также модуль силовой турбины и снабженного защитным кожухом, характеризующийся тем, что выполнен с возможностью регулирования распределения потока охлаждающего воздуха для равномерного охлаждения двигателя и включает наклоненные неподвижные в процессе охлаждения двигателя створки, продольно ориентированные параллельно оси двигателя и регулируемо закрепленные не менее чем на одном силовом элементе, установленной нормально к вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя, причем створки выполнены с аэродинамическим профилем поперечного сечения, имеющем, по меньшей мере, выпуклую спинку, обращенную под углом к вертикальной плоскости симметрии двигателя, при этом хорду дуги выпуклой спинки створки принимают длиной Lx.a.c, определенной в диапазоне значений
Lx.a.с=(0,57÷0,8)⋅Rк.д.[м],
где Rк.д. - радиус корпуса двигателя в осевом диапазоне расположения камеры сгорания; Смах - максимальное относительное расстояние от хорды, соединяющей концы дуги спинки створки до параллельной хорде касательной к вершине дуги выпуклой спинки, принятой в диапазоне значений Смах/Lx.a.c=(0,085÷0,12); причем количество створок в направляющем аппарате выполнено одинаковым, не менее двух с каждой стороны двигателя, при этом створки в пределах каждой группы установлены попарно однонаправленно отклоненными с зеркальной симметрией наклона ответной группы створок относительно вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя, а угол αа.с. атаки, характеризующий отклонение хорды спинки профиля створки от вертикальной плоскости симметрии двигателя, определен в диапазоне значений αа.с.=(21,6÷41,4)°.
7. Направляющий аппарат системы охлаждения ГТД по п. 6, отличающий тем, что створки установлены на силовом элементе типа поперечной балки, включающей коробчатый элемент, состоящий из сомкнутых полками швеллеров, на которых размещен горизонтальный внутренний швеллер, обрамленный наружными пластинами, раскрепленными горизонтальной планкой и стянутой по вертикали хомутами, при этом для пошагового углового и поступательного перемещений створок параллельно оси двигателя в пластинах выполнены дискретные отверстия с возможностью образования шарнира вращения для ограниченных поворотов в пределах принятого диапазона угловых положений створки в направляющем аппарате и пазы для индикации относительно вертикальной плоскости симметрии двигателя и дискретного фиксирования по меньшей мере трех, в том числе двух крайних и среднего, положений углов атаки створки, кроме того, для индикации углового перемещения створок в верхней части пластин балки выполнены углубления в виде рисок.
8. Газоперекачивающий агрегат компрессорной станции (КС), характеризующийся тем, что содержит последовательно сообщенные по рабочему телу: тракт всасывания воздуха, включающий комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ), воздуховод и камеру всасывания воздуха; газотурбинную установку (ГТУ) с входным устройством (ВУ) в виде соосной с осью двигателя трубы с лемнискатным входом для подачи воздуха из камеры всасывания на вход ГТД, имеющего модули газогенератора и силовой турбины, а также соединенный с модулем СТ газоотвод, выполненный в виде улитки; тракт выхлопа отработанных газов, сообщенный газоходом на входе по потоку рабочего тела из СТ с газоотводом и на выходе с завершающей тракт выхлопа выхлопной трубой ГПА, которая в свою очередь сообщена с теплообменником утилизатора теплоты с автономной выхлопной трубой; газовый компрессор, сообщенный по крутящему моменту с валом СТ ГТД посредством трансмиссии, включающей промежуточный вал, а также по рабочему телу - перекачиваемому газу - с подводящим газопроводом на входе и с отводящим на выходе; при этом двигатель установлен в защитном кожухе и снабжен системой охлаждения ГТД, включающей воздухозаборник, по меньшей мере один нагнетающий вентилятор, нагнетающий с распределительным коробом и отводящий воздуховоды, а также направляющий аппарат, выполненный с возможностью регулирования распределения потока охлаждающего воздуха для равномерного охлаждения двигателя, который включает наклоненные неподвижные в процессе охлаждения двигателя створки, продольно ориентированные параллельно оси двигателя и регулируемо закрепленные не менее чем на одном силовом элементе, установленном нормально к вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя над решеткой распределительного короба в зоне охлаждения двигателя; причем створки выполнены с аэродинамическим профилем поперечного сечения, имеющем, по меньшей мере, выпуклую спинку, обращенную под углом к вертикальной плоскости симметрии двигателя, при этом хорду дуги выпуклой спинки створки принимают длиной Lx.а.с, определенной в диапазоне значений
Lx.а.с=(0,57÷0,8)⋅Rк.д.[м],
где Rк.д. - радиус корпуса двигателя в осевом диапазоне расположения камеры сгорания; Смах - максимальное относительное расстояние от хорды, соединяющей концы дуги спинки створки, до параллельной хорде касательной к вершине дуги выпуклой спинки, принятой в диапазоне значений Смах/Lx.а.с=(0,085÷0,12); причем количество створок в направляющем аппарате выполнено одинаковым, не менее двух с каждой стороны двигателя, при этом створки в пределах каждой группы установлены попарно однонаправленно отклоненными с зеркальной симметрией наклона ответной группы створок относительно вертикальной осевой плоскости симметрии двигателя, а угол атаки αa.c., характеризующий отклонение хорды спинки профиля створки от плоскости симметрии двигателя, определен в диапазоне значений αa.c.=(21,6÷41,4)°.
9. Газоперекачивающий агрегат по п. 8, отличающийся тем, что створки направляющего аппарата установлены на силовом элементе типа поперечной балки, включающей коробчатый элемент, состоящий из сомкнутых полками швеллеров, на которых размещен горизонтальный внутренний швеллер, обрамленный наружными пластинами, раскрепленными горизонтальной планкой и стянутой по вертикали хомутами, при этом для пошагового углового и поступательного перемещений створок параллельно оси двигателя в пластинах выполнены дискретные отверстия с возможностью образования шарнира вращения для ограниченных поворотов в пределах принятого диапазона угловых положений створки в направляющем аппарате и пазы для индикации относительно вертикальной плоскости симметрии двигателя и дискретного фиксирования по меньшей мере трех, в том числе двух крайних и среднего, положений углов атаки створки, кроме того, для индикации углового перемещения створок в верхней части пластин балки выполнены углубления в виде рисок.
10. Газоперекачивающий агрегат по п. 8, отличающийся тем, что защитный кожух выполнен модульной конструкции в виде короба из панелей и перекрытий, установленных на рамы под ГТД и газоотвод ГПА, и снабжен лестницами для схода внутрь технического персонала и площадками обслуживания для выполнения работ в верхней части ГТД, причем геометрические параметры кожуха выполнены с возможностью ремонтного извлечения и/или замены агрегатов ГТД через трансформируемое покрытие, кроме того, в отделении защитного кожуха под газоотводом выполнен проем для выхода улитки, а сверху над проемом выхода улитки выполнено отверстие для вывода отводящего воздуховода системы охлаждения двигателя с возможностью подогрева и циркуляции охлаждающего воздуха внутри машзала.
