ВЫХЛОПНОЕ УСТРОЙСТВО ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к выхлопным устройствам ГТУ газотурбинных установок (ГТУ), имеющим выход трансмиссионного вала со стороны газовой турбины, предназначенным для поворота выхлопных газов в колене на 90° в вертикальной или горизонтальной плоскости. Для уменьшения стоимости изготовления и снижения металлоемкости газоотвод выполнен литьм в виде профилированного газового канала с равными входным и выходным диаметрами и центральным вытеснителем для прохода вала и обслуживания соединения вала ГТУ с валом трансмиссии. Газоотвод устанавливается на отдельной раме на боковых и нижней опорах, обеспечивая разворот потока в горизонтальной или вертикальной плоскости.
Выхлопное устройство по расходу выхлопного газа оптимизировано для ГТУ мощностью 25 Мвт и может применяться на двигателях меньшей мощности с использованием съемных насадков.
Оптимизация формы центрального вытеснителя выполняется из условия обеспечения снаружи доступа для затяжки крепежа трансмиссии и муфты вала и установки приспособления для измерения перекоса осей трансмиссии, минимизации потерь полного давления в выходном устройстве и получения однородной скорости в выходном сечении колена. При этом площадь на выходе из колена только на 30…40% превышает кольцевую площадь на входе в газоотвод..
Выполнение требований по уменьшению стоимости изготовления выхлопного устройства и снижению потерь полного давления в выходном тракте двигателя является одной из актуальных проблем создания современной высокоэффективной ГТУ.
Известны выхлопные устройства, выполненные в виде улитки, которые имеют относительно небольшие длинновые размеры и, поэтому удобны для обслуживания трансмиссионного вала, но вследствие больших скоростей для получения приемлемых потерь полного давления в них необходимо, чтобы площадь выходного сечения примерно в 3,5 раз превышала площадь на входе в устройство. Отсюда следуют большие поперечные габаритные размеры и, следовательно, металлоемкость и большие трудозатраты при изготовлении.
Такие выхлопные устройства имеют в настоящее время наиболее широкое распространение, поэтому результаты расчетов по оптимизации потерь полного давления предлагаемой модели выхлопного устройства (см. таблица 1, 2, 3) приведен именно с таким вариантом («базой»).
Известно выхлопное устройство ГТУ по пат.JP №2010509534, опубл. 25.03.2010 г, которое содержит цилиндрический корпус с цилиндрическим вытеснителем внутри и состыкованную с ними под углом 90° камеру большого объема.
Недостаток такой схемы большие потери давления, возникающие при внезапном расширении с одновременным поворотом газового потока на 90° при его выходе из кольцевого канала в большой объем.
Известным примером применения выхлопного устройства с коленообразными отводами являются устройство по пат. RU №2226610, МПК F01D 25/30, опубл. 10.04.2004 г. (прототип). Это устройство содержит колено, обеспечивающее поворот потока на 90° и вытеснитель осесимметричной формы, выполненный соосно с продольной осью газотурбинного двигателя, входящего в состав ГТУ (газотурбинный двигатель не показан).
1
Недостатком указанного выхлопного устройства является не оптимизированный газовый тракт: центральный вытеснитель выполнен в виде сложного профиля, что затрудняет обслуживание трансмиссии и муфты вала ГТУ, а потери полного давления в устройстве также велики. Для коротких газоотводов с радиусом поворота R меньшим входного диаметра колена D основные потери полного давления определяются аэродинамическими потерями из-за отрыв потока от стенки газового тракта по малому радиусу и при обтекании центрального тела.
Задачей создания предлагаемой полезной модели (техническим результатом) является снижение потерь полного давления в выхлопном устройстве, улучшение условий монтажа и обслуживания трансмиссионного вала и снижение трудоемкости и металлоемкости при изготовлении.
Решение указанных задач в выхлопном устройстве газотурбинной установки, имеющее возможность осуществления выхлопа в горизонтальной или вертикальной плоскостях, содержащее профилированный газоотводный канал в виде колена, имеющего входное и выходное сечения круглой формы, с поворотом потока на 90° с вытеснителем, предназначенным для прохода вала трансмиссии, установленным концентрично входному сечению колена, достигнуто тем, что, вытеснитель выполнен в виде двух сопряженных частей: цилиндрической и конической, сопряженной с коленом. Цилиндрическая часть, имеет относительную длину 0,3…0,5 от входного диаметра колена. Коническая часть выполнена с углом при вершине 25…40°. Выходной диаметр колена может быть выполнен равным его входному диаметру. Выходной диаметр колена может быть выполнен большим или меньшим, чем его входной диаметр. Радиус колена выполнен меньшим, чем его входной диаметр. Сопряжение внутренней поверхности вытеснителя с внутренней поверхностью колена может быть выполнено радиусом. Сопряжение внутренней поверхности вытеснителя с внутренней поверхностью колена выполнено с относительным радиусом не более 0,08 от входного диаметра колена.
Сущность предполагаемой полезной модели поясняется на чертежах фиг, 1 и 2, где:
1
2
на фиг.1 схематично показано сечение устройства в плоскости поворота колена, на фиг.2 приведен вид А - сопряжение конической части вытеснителя с коленом. Устройство содержит колено 1, выполненное с поворотом потока на 90° и имеющее входной диаметр D и выходной диаметр D, вытеснитель 2, имеющий цилиндрическую часть 3 и сопряженную с ним коническую часть 4.
1
2
Как наиболее оптимальный вариант устройства имеет D=D, при этом устройство имеет небольшую диффузорность, но достаточную для того, чтобы уменьшить скорость потока выхлопных газов и одновременно исключить отрыв потока от стенок диффузора. Возможно выполнение выходного диаметра колена несколько большим, чем его входной диаметр для увеличения диффузорности канала и уменьшения аэродинамических потерь.
1
1
Оптимальная относительная длина цилиндрической части 3 составляет 0,3…0,5 от входного диаметра колена D L=(0,3…0,5)D, где: L - длина цилиндрической части 3,
1
D - входной диаметр колена 1.
1
1
При L/D<0,3 обеспечивается удобство обслуживания трансмиссии, но резко возрастают гидравлические потери давления при обтекании большой конической части, загромождающей проходное сечение газовода. При L/D>0,3 возникают трудности с монтажом приспособления для измерения перекосов осей трансмиссии. Доказательство оптимальности соотношения приведено в табл.1.
Табл.1
Доказательство оптимальности длины цилиндрической части 3 вытеснителя 2
№
L/D<sub>1</sub>
0,01
0,16
0,3
0,4
0,5
0,8
1
Изменение потерь давления в улитке сравнительно с базой
0,92
0,43
0,47
0,43
0,4
0,37
2
Удобство работы*
Да
Да
Да
Да
Да
Нет
* - Удобство работы - возможность монтажа и обслуживания трансмиссии (доступность).
Коническая часть 4 имеет угол а при вершине равным 25…40°. При угле а менее 25° ухудшается доступ к валу и муфте, а при угле а более 40° увеличиваются потери давления в выхлопном устройстве, см. табл.2.
Табл.2
Выбор оптимального угла а при вершине конической части
№
Угол α°
10
20
25
40
50
1
Изменение потерь давления в улитке сравнительно с базой
0,33
0,39
0.41
0.45
0.44
2
Удобство работы *
Нет
Нет
Да
Да
Да
* -Удобство работы - возможность монтажа и обслуживания трансмиссии (доступа).
1
Сопряжение внешней поверхности 5 вытеснителя 2 с внутренней поверхностью 6 колена 1 может быть выполнено радиусом r, не превышающим величины 0,08 от входного диаметра колена D Увеличение радиуса r>0,08 требует снижения длины цилиндрической части вытеснителя, что нарушает оптимальность выбора по табл.1.
Оптимальность выбора радиуса сопряжения приведена в табл.3.
Табл.3
Доказательство оптимальности радиуса сопряжения -r
№
L/D<sub>1</sub>
0,01
0,03
0,06
0,08
0,12
1
Изменение потерь давления сравнительно с базой
0,45
0,43
0,43
0,45
0,54
Устройство работает следующим образом. Отработанные газы из двигателя (на фиг.1 и 2 двигатель не показан) поступают в выхлопное устройство через кольцевое сечение, образованное коленом 1 и цилиндрической частью 3 вытеснителя 2. Одна часть газового потока разворачивается вдоль малого радиуса колена с потерями полного давления, зависящими от отношения радиуса поворота к входному диаметру колена, другая часть, движущаяся вдоль большого радиуса, при повороте обтекает вытеснитель 2, что обусловливает дополнительные потери давления в выхлопном устройстве. Применение для этой части потока вытеснителя 2 его конической части 4 проводит к некоторому увеличению угла атаки потока при обтекании вытеснителя, что незначительно увеличивает гидравлические потери, но из-за уменьшения угла между вектором выходной скорости и образующей конуса уменьшается зона отрыва за центральным телом (за конической частью 4), что в итоге снижает суммарные потери при обтекании центрального тела. При этом заполнение газоотводного канала конической частью 4 вытеснителя 2 так же уменьшает зону отрыва потока вдоль малого радиуса, что в совокупности приводит к снижению гидравлических потерь в выхлопном устройстве. На выходе из колена 1 получена достаточная хорошая однородность скорости потока, что благоприятно для работы последующих устройств газового тракта, например, шумоглушителя.
Все относительные размеры устройства, приведенные выше, обеспечивают минимальные потери давления при прохождении через него выхлопных газов.
Применение полезной модели позволяет:
1. Разработать выхлопное устройстве. ГТУ имеющее минимальные потери полного давления по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения.
2. Обеспечить равномерное поле скоростей в выходном сечении колена.
3. Обеспечить удобство сборки и ремонтопригодность устройства. Коническая часть центрального вытеснителя и выполнение достаточно большого угла при вершине облегчило проведение работ при соединении вала ГТУ с трансмиссионным валом, муфтой и их регулировке.
4. Упростить конструкцию устройства.
5. Снизить трудоемкость и металлоемкость конструкции.
6. Обеспечить технологичность изготовления устройства.