Система охлаждения газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата
COOLING SYSTEM OF THE GAS TURBINE ENGINE OF THE GAS PUMPING UNIT

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к системам охлаждения газотурбинного двигателя (ГТД) в составе газотурбинной установки (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов (ГПА), и может быть использовано для повышения энергоэффективности и надежности работы ГТД в составе ГПА.
Известна система охлаждения ГТД, которая содержит воздухозаборник, осевой вентилятор, приводную заслонку с поворотными жалюзи. В заслонке жалюзи насажены на валы несимметрично относительно осей их вращения и установлены таким образом, что их части меньшей длины направлены в сторону воздухозаборника. За счет несимметричного расположения жалюзи на валу вращения при прохождении воздуха создается превышение момента сил на открытие жалюзи над моментом сил, стремящегося закрыть их, что исключает перекрытие проходного сечения заслонки при прохождении воздуха, тем самым обеспечивается подача воздуха для охлаждения газотурбинного двигателя (см. патент РФ на изобретение №2267019, опубл. 27.12.2005).
Недостатками данной системы являются: применение электропривода для изменения положения заслонки создающее риски для работы ГТД, так как в результате неисправности электропривода и несанкционированном закрытии заслонки обдува ГТД, произойдет аварийный останов ГПА в кратчайшее время по одной из уставок по температуре воздуха под шумотеплоизолирующим кожухом ГТД; невозможность поддержания оптимальной температуры, рекомендуемой заводом-изготовителем под кожухом ГТД в холодное время года, что повышает риск отказа оборудования.
Известен ГПА с газотурбинной установкой ГТУ-16С с системой охлаждения ГТД (см. фиг. 1) включающей в себя два электроприводных вентилятора охлаждения двигателя (ВОД) 1, мощностью 11 кВт каждый, при частоте выходного напряжения 50 Гц, которые расположены на крыше отсека газотурбинного двигателя 6, и нагнетают воздух охлаждения из атмосферы, который проходя через жалюзийный аппарат 7, распределительного короба 2, устремляется через воздуховод 3, под шумотеплоизолирующий кожух газотурбинного двигателя 5, в верхней точке кожуха, и далее, после совершения работы по охлаждению ГТД отводиться в атмосферу (на схеме показано стрелкой), при этом, в штатном режиме работы вентиляторов охлаждения двигателя один из них является основным, а второй резервным. (см. Установка газоперекачивающая ГПУ16С/76-1,5 (Инструкция по эксплуатации), Казань, - 1994, КПИ, АО "СМНПО им. М.В. Фрунзе" с. 36-38).
Недостатком данного технического решения является то, что большую часть времени, при штатном режиме, в работе должен находиться один ВОД, но его ресурса не хватает для эффективного охлаждения ГТД и в работу подключается второй ВОД, при этом внутри распределительного короба 2, ввиду несовершенства конструкции обтекателя 8 (см. фиг. 2), формируется ударный встречный поток воздуха, нагнетаемый в результате одновременной работы двух ВОД, при этом возникает сопротивление встречных воздушных потоков, что в итоге заметно снижает эффективность обдува газотурбинного двигателя из-за неравномерности поступления воздушных потоков и, как следствие, снижает надежность работы ГТД, особенно в холодное время года, когда при работе вентиляторов охлаждения двигателя под шумотеплоизолирующим кожухом ГТД возникают отрицательные температуры в районе осевого компрессора, что повышает риск отказа оборудования ГТД.
Задачей заявленного изобретения является усовершенствование системы охлаждения газотурбинного двигателя ГПУ-16С, улучшение аэродинамических параметров системы для обеспечения равномерного охлаждения поверхности газотурбинного двигателя, позволяющего повысить надежность его работы.
Технический результат, достигаемый при применении заявленного изобретения, заключается в повышении надежности газотурбинного двигателя ГПУ-16С путем поддержания оптимальной температуры охлаждающего воздуха, снижения потребления электроэнергии для охлаждения ГТД, а также сохранение ресурса коммутационной аппаратуры и подшипников электродвигателей вентиляторов системы охлаждения.
Поставленная задача и указанный технический результат соответственно решается и достигается тем, что была усовершенствована система охлаждения газотурбинного двигателя в части конструкции распределительного короба, в который поступает воздух охлаждения, отбираемый из атмосферы двумя электроприводными вентиляторами охлаждения двигателя. Новый распределительный короб увеличен в длину, из-за чего удлинился и сам воздушный тракт, увеличена и высота короба, что позволило добавить гребенки направляющих лопаток, которые направляют центробежные воздушные потоки, поступающие от вентиляторов охлаждения двигателя и направляют их на обтекатель распределительного короба, который в результате модернизации получил улучшенный аэродинамический профиль по сравнению с предыдущей конструкцией. Таким образом, при работе вентилятора охлаждения двигателя возникает безударный поток воздуха, формирующийся в распределительном коробе и устремляющийся под шумотеплоизолирующий кожух ГТД. Данная конструкция распределительного короба позволяет включать в работу один вентилятор охлаждения двигателя без необходимости использовать второй - резервный, а включение в работу одновременно двух вентиляторов охлаждения двигателя значительно повышается эффективность охлаждения ГТД, так как благодаря новой конструкции обтекателя, поток воздуха от работы двух вентиляторов охлаждения двигателя стал более равномерным, стабильным и достаточным для выполнения задачи по охлаждению газотурбинного двигателя, что ведет к повышению надежности работы ГПА в целом, так как при эксплуатации ГПА могут возникнуть нештатные ситуации, требующие повышенного охлаждения газотурбинного двигателя от двух вентиляторов охлаждения одновременно.
Поставленная задача и указанный технический результат соответственно решается и достигается тем, что на основной вентилятор охлаждения двигателя был установлен частотный регулятор для соблюдения необходимого температурного диапазона внутри системы охлаждения газотурбинного двигателя.
Поставленная задача и указанный технический результат соответственно решается и достигается тем, что в систему охлаждения газотурбинного двигателя в воздуховод после распределительного короба был установлен сигнализатор наличия напора воздуха, который подтверждает правильную работу вентилятора охлаждения двигателя.
Заявленное изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена предлагаемая система охлаждения газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата, на фиг. 3 представлена схема распределительного короба новой конструкции, при этом для сравнения фиг. 2 представляет схему распределительного короба старого образца, где:
1 - вентилятор охлаждения двигателя;
2 - распределительный короб;
3 - воздуховод;
4 - газотурбинный двигатель;
5 - шумотеплоизолирующий кожух газотурбинного двигателя;
6 - отсек газотурбинного двигателя;
7 - жалюзийный аппарат распределительного короба;
8 - обтекатель распределительного короба старого образца;
9 - фланец подсоединения к воздуховоду;
10 - патрубок подсоединения вентилятора охлаждения двигателя;
11 - обтекатель распределительного короба новой конструкции;
12 - гребенки направляющих лопаток.
При этом система охлаждения газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата состоит из двух электроприводных вентиляторов охлаждения двигателя (ВОД) 1, распределительного короба 2, расположенных на крыше отсека газотурбинного двигателя 6, при этом вентиляторы охлаждения двигателя соединены с распределительным коробом при помощи патрубков подсоединения ВОД 10, далее расположен жалюзийный аппарат распределительного короба 7, который открывается напором воздуха охлаждения, который минуя гребенки направляющих лопаток 12 попадает на обтекатель распределительного короба 11, соединенный с распределительным коробом при помощи фланца подсоединения 9, и устремляется вниз через воздуховод 3, под шумотеплоизолирующий кожух газотурбинного двигателя 5, где совершает работу по охлаждению газотурбинного двигателя и отводится в атмосферу. При этом новая конструкция короба 2 стала длиннее, за счет чего удлинился и сам воздушный тракт, увеличилась при этом и высота короба, что позволило добавить гребенки направляющих лопаток 12 и поменять конструкцию обтекателя распределительного короба 11, в результате улучшился аэродинамический профиль обтекателя по сравнению с предыдущей конструкцией, теперь при работе вентиляторов охлаждения двигателя 1 возникает безударный поток воздуха, формирующийся в распределительном коробе 2 и устремляющийся под шумотеплоизолирующий кожух газотурбинного двигателя 5. Данная конструкция распределительного короба 2 позволяет включать в работу один вентилятор охлаждения двигателя - основной, без необходимости использовать второй - резервный, а включение в работу одновременно двух вентиляторов охлаждения двигателя значительно повышается эффективность охлаждения ГТД, так как благодаря новой конструкции обтекателя 11, поток воздуха от работы двух вентиляторов охлаждения двигателя стал более равномерным, стабильным и достаточным для выполнения задачи по охлаждению газотурбинного двигателя, что ведет к повышению надежности работы ГПА в целом, так как при эксплуатации ГПА могут возникнуть нештатные ситуации, требующие повышенного охлаждения газотурбинного двигателя от двух вентиляторов охлаждения одновременно. Для повышения энергоэффективности системы и соблюдения под шумотеплоизолирующим кожухом газотурбинного двигателя 5 температурного диапазона, рекомендуемого заводом изготовителем на основной вентилятор охлаждения двигателя 1 был установлен частотный регулятор. Эксплуатация ГПА в зимнее время показала, что ВОД работает в среднем с частотой 20-28 Гц, что позволяет эксплуатировать ГТД с допустимыми и оптимальными значениями температуры под кожухом (+35°С) и снизить энергетические затраты на эксплуатацию ГПА. При средней частоте в 25 Гц потребляемая мощность электродвигателя составляет 1,5 кВт, в то время как при максимальной частоте 50 Гц потребляемая мощность достигает 11 кВт. Также, благодаря частотному регулированию запуск и останов электродвигателя ВОД происходит плавно без возникновения больших пусковых токов и вибраций, что сохраняет ресурс коммутационной аппаратуры и подшипников электродвигателей ВОД. Для повышения надежности работы ГТД в воздуховод 3 после распределительного короба 2 был установлен сигнализатор наличия напора воздуха, который подтверждает правильную работу ВОД. В целях поддержания равномерной наработки двух ВОД, ВОД без частотного регулирования работает в летнее время, в остальное время в работе ВОД с возможностью частотного регулирования.
Система охлаждения газотурбинного двигателя газоперекачивающего агрегата, представленная заявленным изобретением, была применена на действующей компрессорной станции для газоперекачивающего агрегата с газотурбинным приводом ГТК-10-4 в условиях его эксплуатации при различных параметрах атмосферы и режимах работы.