ВОЗДУХОВОД, СОЕДИНЯЮЩИЙ КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С КОМПРЕССОРОМ

Полезная модель относится к газотурбинным установкам, используемым на компрессорных станциях в качестве газоперекачивающего агрегата, в частности, к конструкции воздуховодов, устанавливаемых на тракте всаса компрессора, но может быть использована в бытовой и технических отраслях промышленности, например, вентиляционных системах или насосных станциях и монтаже другого оборудования, где требуется согласование скоростей входных и выходных потоков.
Газотурбинная установка состоит из комплексного воздухоочистительного устройства, компрессора и турбины, которые соединены между собой воздуховодами различной конструкции, но основной задачей их является согласование скоростей на входе и выходе каждого блока.
Комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ), устанавливаемое на входе компрессора, имеет целевое назначение. Оно предназначено для очистки циклового воздуха, борьбы с обледенением и состоит из нескольких последовательно соединенных блоков, каждый из которых решает свою функциональную задачу.
Как правило, КВОУ для газотурбинных установок состоит из последовательно соединенных между собой следующих блоков: воздухоприемного блока, снабженного защитным козырьком и устройством подогрева атмосферного воздуха, для предотвращения обледенения, блока грубой очистки с вентиляторами для отсоса пыли, блоком тонкой очитки воздуха - фильтр тонкой очистки, блока шумоглушения, средства контроля и управления работой КВОУ.
Очищенный воздух из блока шумоглушения поступает в воздуховод, соединяющий КВОУ с входом компрессора. Конструкция воздуховода довольно сложна и протяженна, т.к. они расположены на разных высотах и достаточно больших расстояниях друг от друга. В зависимости от взаимного расположения КВОУ и компрессора, воздуховод, как правило, выполняется из отдельных секций, имеющих различную форму и площадь сечения, состыкованных между собой и иногда имеет несколько поворотов.
Воздуховод предназначен для решения важной задачи - уменьшить гидравлические потери и обеспечить на входе входного патрубка компрессора определенную скорость воздушного потока, которая в несколько раз должна быть выше, чем на выходе из КВОУ, что создает возможность работы с номинальными параметрами, соответствующими техническим условиям на ГТУ.
Поэтому к КВОУ предъявляются жесткие требования по гидравлическому сопротивлению, которое суммарно не должно превышать 100 мм. вод. ст. (оптимально - 80 мм. вод. ст.) и уровню шума, поэтому скорость потока на выходе из КВОУ не может превышать 8-10 м\с, а на входе в компрессор должна быть не ниже 25-40 м/с.
Известен тракт всаса газотурбинной установки, в которой ступень грубой очистки, выполненная в виде циклонных блоков, установлена непосредственно после блока шумоглушения, а ступень тонкой очистки, выполнена в виде комплекта фильтрующих элементов, устанавливаемых на вертикальные стенки камеры всаса, причем ступень тонкой очистки соединена с выходными окнами циклонных блоков воздуховодами (Патент РФ №2172417).
Такое исполнение позволяет несколько уменьшить габариты газоперекачивающего агрегата, но значительно повышает аэродинамическое сопротивление на всасе в компрессор и усложняет конструкцию всасывающего воздуховода.
В патенте РФ 2198719 комплексное воздухоочистительное устройство выполнено традиционно, но в камеру всасывания, также на стенках устанавливают дополнительное воздухоочистительное устройства. Это позволяет повысить степень очистки воздуха и повысить безопасность работы компрессора, но не исключает приведенных ниже недостатков.
Известно техническое решение (Е.И.Михайлов, В.А.Резник и А.А.Кринский, «Комплексное воздухоподготовтельное устройство для энергетических установок». Л.. «Машиностроение», Лен. Отделение, 1978 г. и А.С. №1553766), в которых на выходе блока шумоглушения установлен конфузор с углом сужения конфузорной части 60-65 градусов при отношении длины конфузорной части к диаметру цилиндрической части, с которой он стыкуется равным 1/d=0,6-0,7. Далее на следующем повороте цилиндрическая часть стыкуется с участком прямоугольным несколько расширяясь, а поворот перед патрубком компрессора снова выполняется цилиндрическим, но с большей площадью сечения, т.к. скорость на входе этого участка превышает допустимую.
Недостатком известной конструкции воздуховода следует отнести, что после конфузора скорость воздушного потока резко возрастает (до 50 м/с и более), на поворотах она несколько снижается, но незначительно, что не позволяет выполнить требований нормативных документов к величине аэродинамических потерь.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является конструкция воздуховода, соединяющая выход КВОУ с входным патрубком компрессора в ГТУ выпускаемых ОАО «Невский завод». Он состоит из нескольких участков, выполненных с переменой площадью сечения, причем наиболее протяженный наклонный участок выполнен по углом более 30 градусов. Далее следует поворот, переходящий в прямой цилиндрический участок, переходящий в прямоугольный участок и стыковка его с входным патрубком компрессора. При этом скорость на наклонном участке увеличивается с 8,2 м/с до 30-40 м/с, на повороте несколько снижается и затем стабилизируется только на входе в компрессор.
Такая конструкция позволяет уменьшить металлоемкость воздуховода, но не позволяет снизить аэродинамические потери и обеспечить оптимальное изменение скорости воздушного потока до регламентного значения.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение аэродинамических потерь на тракте всаса компрессора и упрощение его конструкции, позволяющей стабилизировать скорость нарастания воздушного потока от выхода из блока шумоглушения до входного патрубка компрессора.
Технический результат достигается за счет того, что в известную конструкцию воздуховода, соединяющего выход комплексного воздухоочистительного устройства с входным патрубком компрессора, состоящую из нескольких состыкованных участков переменного сечения внесены изменения, а именно:
- воздуховод на всем протяжении выполнен прямоугольным;
- дополнительно введен буферный участок для стабилизации скорости воздушного потока на выходе блока шумоглушения КВОУ;
- каждый последующий участок воздуховода выполнен с меньшим или равным сечением, чем предыдущий, причем соотношение площадей сечения составляет 1:(1,0-2,5).
Прямоугольная форма сечения воздуховода упрощает стыковку отдельных участков воздуховода и делает конструкцию более технологичной.
Наличие буферного участка позволяет стабилизировать скорость на выходе блока шумоглушения, т.к. на выходе блока шумоглушения он неравномерный. Это объясняется тем, что блок состоит из отдельных пластин, образующие каналы, при этом скорость на выходе каждого канала может отличаться в меньшую или большую сторону.
Конструкция воздуховода приведена на фиг.1 На фиг.1 показаны основные блоки комплексного воздухоочистительного устройства, включающего: защитный козырек 1, воздухоприемный блок 2, блок грубой очистки 3, блок тонкой очистки 4, блок
шумоглушения 5, буферный участок воздуховода 6, прямой наклонный участок 7, наклонный поворот 8, горизонтальный участок 9, поворот к входному патрубку компрессора 10.
Более подробно конструкцию воздуховода и его работу рассмотрим на примере реализации на ГТНР-16 (приводная газотурбинная установка с рекуператором, мощностью 16 МВт). Атмосферный воздух поступает на вход комплексного воздухоочистительного устройство под козырек 1.
Козырек 1 служит для предотвращения прямого попадания на всас осевого компрессора ГТУ атмосферных осадков и находящихся в воздухе аэрозольных частиц, а также для дополнительного (к блоку шумоглушения 5) снижению уровня звукового давления всаса компрессора. Далее воздушный поток проходит в приемный блок 2 КВОУ.
Воздухоприемный блок 2 состоит из трех функциональных узлов: устройства воздухоподогрева (антиобледенительный блок), жалюзийной решетки поворотных лопаток и сеток предварительной очистки. Жалюзийная решетка конструктивно выполнена в виде трех секций поворотных лопаток, приводимых в движение исполнительньм механизмом, который установлен на консольной площадке, на наружной боковой стенке корпуса воздухоприемного блока, справа по ходу воздуха в КВОУ.
Сетки предварительной очистки служат для предотвращения попадания в проточную часть КВОУ и, прежде всего, в циклонные пылеуловители крупных предметов, способных вызвать засорение каналов жалюзийной решетки прямоточных циклонов. Устройство располагается за жалюзийной решеткой поворотных лопаток и состоит из нескольких сетчатых фильтров.
Блок 3 инерционной очистки состоит из панели прямоточных циклонов, а блок 4 фильтров тонкой очистки - из панели воздушных тканевых фильтров с развитой поверхностью.
Каждый циклон имеет цилиндрический корпус, закручивающий аппарат типа розетки из восьми лопаток и выходное устройство, выполненное в виде конусной жалюзийной решетки с шириной каналов s=3,0 мм.
Конструктивно блок инерционной очистки представляет собой металлический короб прямоугольного сечения и снабжен дверью для обслуживания его. Система отсоса пыли служит для создания разряжения в пространстве между циклонными досками, отвода уловленной циклонами пыли и выбрасывания ее в атмосферу и установлена ниже инерционного блока.
Панель воздушных тканевых фильтров образована n-ым количеством вертикальных рам, каждая из которых содержит по четыре ячейки для установки кассет воздушных фильтров. Кассеты представляют собой металлические проволочные рамки обтянутые нетканым
клееным объемным фильтровальным полотном. Полотно закреплено на рамке и пришито капроновой нитью. Сами фильтры крепятся в квадратных ячейках рамок.
Блок 5 шумоглушения предназначен для снижения звукового давления, обеспечивая наибольшее снижение по высоким и средним частотам, желательно до санитарной нормы равной 80 дБ.
2
Конструктивно блок шумоглушения выполнен в виде металлического прямоугольного короба. Блок состоит из корпуса и заданного количества рядов сдвоенных пластин шумоглушения, Изнутри по боковым стенкам и потолку блок обшит просечно - вытяжным листом. Пространство между внутренними и наружными стенками выполнено в виде кассет, заполненных современным теплозвукоизолирующим материалом, защищенным от выдувания стеклотканью. Выходное сечение блока шумоглушения равно 11,9 м.
Воздуховод служит соединительным элементом между блоком шумоглушения КВОУ и участком всасывающего воздуховода осевого компрессора газотурбинного двигателя (ГТУ). В стыковочном участке происходит выравнивание аэродинамических потоков за пластинами шумоглушения. Стыковка КВОУ и всасывающего воздуховода производится по месту. По окончании монтажа переходный участок снаружи закрывают слоем шумозащитной изоляции, аналогичной изоляции всасывающего воздуховода ГТУ.
Конструктивно он выполнен из нескольких отдельных участков, имеющих прямоугольную форму.
2
2
2
2
Буферный участок 6 выполняется с равным сечением имеет протяженность 0,3-0,4 ми после выравнивания воздушного потока скорость его составляет 7,0 м/с. Наклонный участок 7 имеет наклон с углом 30 градусов, а площадь его составляет 10,3 м, а скорость возрастает до 8,1 м\с. Протяженность его - 12 м. Конфузорный участок 8 имеет сечение на входе равное 10,3 м, а на выходе 5,5 м, соответственно скорость воздушного потока на этом участке увеличивается с 8,1 м/с до 15,0 м/с. Далее следует прямоугольный участок 9, сечение которого составляет 2,5 м и затем сечение прямого участка постепенно уменьшается до 1,95 м до поворота. Скорость воздушного потока на этом участке возрастает до 21,5 м\с. Перед входом в компрессор сечение участка 10 уменьшается до 1.25 м, а скорость воздушного потока увеличивается до 34 м/с, т.е. в пределах нормативного значения.
Площади изменяющихся сечений воздуховода каждого предыдущего участка к последующему соотносятся как: 1:1,15; 1:1,87; 1:1,25; 1:1,56, а скорость постепенно увеличивается от 7 до 34 м/с, что позволяет резко снизить аэродинамические потери и увеличить КПД перекачивающего агрегата.
Для наглядности, чтобы сравнить аэродинамические потери на каждом из участков, на фиг.1 пунктиром показана известная конструкция (ранее выполняемая конструкция
воздуховода). После конфуpзора скорость на наклонном участке составляет 36,5 м/.с, а на входе в компрессор - 34,2 м/с
В результате выполненного расчета потерь на каждом отдельном участке предлагаемого технического решения и ранее реализованного установлено, что суммарные аэродинамические потери полезной модели составят 15,8-16,0 мм. вод. ст. а в прототипе - 50 мм. вод. ст., т.е. в три раза больше. Это позволяет увеличить КПД газотурбинной установки не менее, чем на 0,4%.
На величину аэродинамических потерь решающее влияние оказывают скорости воздушного потока, поворот на 90 градусов, неравномерность потока и места стыковок, причем при переходе с прямоугольного на круглое и обратно они несколько выше, чем при только прямоугольном сечении.
Для сравнения приводим некоторые величины аэродинамических потерь на основных участках воздуховода: на повороте - 12,2 и 24,8 мм. вод. ст.; на наклонной части - 0,2 и 3,1 мм. вод. ст.мм; переход с прямоугольной на круглую форму участка - 6,8 мм. вод. ст.
Кроме того, из-за неравномерности воздушного потока в прототипе все потери увеличиваются на 20%, у полезной же модели поток стабилизируется на буферном участке.
Можно сделать однозначный вывод, что металлоемкость предлагаемого технического решения больше, чем у известного, однако технико-экономические показатели предлагаемой полезной модели значительно выше.
Это объясняется тем, что металлоемкость понятие единовременное, а аэродинамические потери, которые пропорциональны квадрату скорости воздушного потока, влияющие на КПД газотурбинной установки, постоянны на весь период эксплуатации ГТУ, который превышает более 20 лет.
В настоящее время конструктивные принципы, являющиеся сутью полезной модели реализуются при модернизации ГТУ и создании новых установок.