ТРУБЧАТЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ ГТД Российский патент 2000 года по МПК F28D7/06 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в теплообменном оборудовании транспортной энергетики.

В качестве воздухоподогревателей (ВП) стационарных ГТД, например газоперекачивающих агрегатов (ГПА) компрессорных станций, широко используют компактные и легкие пластинчатые теплообменные аппараты (ТА), матрица которых изготовляется из профильных листов нержавеющей стали. Описание конструкции таких ТА, входящих в состав действующих в настоящее время ГПА, подробно изложено в работе Кузнецова Е.Ф., Ивахненко В.В. "Расчет и конструкция теплообменников ГТУ из профильных листов" (Турбо- и компрессоростроение. Л.: Машиностроение, 1970, с. 138...164).

Эти ВП рассчитаны на максимальную температуру газа t'_г = 500...510^oC и давление воздуха на входе P'_в = 0.40...0.46 мПа.

Матрица ВП состоит из совокупности параллельных пакетов, сваренных из профильных стальных листов. Воздух движется внутри пакетов, а газ - противотоком между пакетами.

В условиях переменных режимов эксплуатации в таких ВП возможны деформации и коробление деталей вследствие неодинаковости темпов их прогрева. Разности температур, возникающие при этом, могут приводить к появлению значительных термических напряжений, что вызывает разрушение более слабых деталей, нарушение плотности соединений, утечки сжатого воздуха.

Известно, что утечки воздуха, составляющие всего 1% его расхода, снижают КПД ГТД на 1.5% (Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки. М., Высшая школа, 1979, с...). По данным Кузнецова Е.Ф., Ивахненко В.В. (стр. 164) при относительном расходе утечек воздуха, равном 0.5%, мощность ГТД падает на 0.7%.

Особенно велики температурные напряжения в условиях пуска и остановки ГТД в критических узлах ТА. Это, как правило, зоны соединения (сварки или пайки) тонкостенных элементов с деталями большей толщины. Например, зона присоединения листа к коллектору. Применение компенсаторов, размещенных на корпусе ТА (Карасев С. А. и др. Повышение термоэластичности пластинчатого воздухоподогревателя ГТД. Турбины и компрессоры, 1997, N 3, с.20...26), позволяет снизить термические напряжения в деталях, сократить время пуска ГТД.

Однако имеющиеся промышленные способы соединения сваркой или пайкой рельефных листов в их многочисленных дискретно рассредоточенных зонах, как правило, нерентабельны и не обеспечивают необходимой надежности соединений.

Высокой эксплуатационной надежностью обладают трубчатые ВП (Арсеньев Л. B. и др. Справочник "Стационарные ГТУ". Л.: Машиностроение, 1989, с. 300). Матрица таких ВП состоит из прямых труб, вваренных в трубные доски, и системы поперечных перегородок типа "диск-кольцо", обеспечивающих поперечное омывание трубок внешним теплоносителем. Внутри труб движутся дымовые газы, а в межтрубном пространстве - сжатый воздух. Разность температурных расширений трубной системы и корпуса воспринимается компенсатором, размещенным на корпусе. Полная осесимметричность ВП обеспечивает симметричное распределение температур в трубной матрице и нагруженном давлением корпусе как в стационарных, так и переходных режимах. Поэтому детали ВП работают без существенных термических напряжений.

Сравнительно низкая теплоотдача, особенно в газовом тракте теплообменника, приводит к тому, что ВП имеют значительную массу и габариты, которые в 3...4 раза выше, чем у пластинчатых ВП.

Искусственная турбулизация потока газа внутри труб позволяет на 15...25% улучшить массогабаритные характеристики ВП (Soudarev A.V. et al. On Feasibility of Upgrating of Mass-size Characteristics for GTU Tube Recuperators at Compressor Stations Through Heat Exchange Intensification in a Gas Path. Int. Seminar Heat Transfer Enhancement in Pover Machinery. 26-30 May 1995, Moscow, Russia).

Однако компактность трубчатых ВП остается низкой, а металлоемкость - высокой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является рекуперативный трубчатый ВП типа LV100 энергетической ГТУ боевого танка (Wilson RA, Kupratis D. B. Future Vehecular Recuperator Technology Projections. The ASME Paper 94-GT-395, 21p.). Матрица прототипа выполнена из U-образных профильных труб, закрепленных в трубной доске воздушного коллектора. U-образные трубы разного радиуса гиба, продольные оси которых расположены в одной плоскости, формируют трубчатую панель. Трубы имеют малый гидравлический диаметр и плотную компоновку в пучке. Поэтому режимы течения теплоносителей в трактах находятся в ламинарно-переходной зоне, где теплоотдача тем выше, чем меньше гидравлический диаметр канала (Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. Л., ЛО, Энергия, 1989, с. 7, рис. 1.1, табл. 1.1).

В этом теплообменнике среда высокого давления - сжатый воздух - движется внутри труб, а продукты сгорания (газы) омывают трубки снаружи, двигаясь в щелевых каналах между панелями. Несмотря на высокое давление во внутреннем тракте для изготовления матрицы использованы тонкостенные трубки, что существенно снизило ее массу. Этому способствовал малый диаметр примененных труб (Антикайн П. А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов. М., Энергия, 1980, с.339, ф.5-1).

Принятое размещение рабочих сред позволило уменьшить и массу корпуса ВП, так как последний практически разгружен от механического воздействия давления внешнего теплоносителя. Продукты сгорания имеют давление, близкое к атмосферному. Поэтому и обшивка корпуса изготовлена из тонколистового материала. Естественная эластичность U-образной конструкции труб матрицы исключает необходимость в использовании компенсатора температурных расширений на корпусе теплообменника.

Вместе с тем плотная компоновка труб приводит к уменьшению расстояния (шага) между отверстиями в трубной доске коллектора, что в свою очередь снижает ее прочность (Антикайн П.А., с. 363, ф.5-27) и, как следствие, требует утолщения стенки воздушных коллекторов, приводит к увеличению их массы и массы матрицы в целом. Кроме того, при малых шагах между отверстиями затруднен технологический процесс закрепления труб в трубной решетке коллектора и контроля качества полученного соединения. Это может снизить надежность наиболее напряженного узла теплообменника, поэтому ограничивает компактность его матрицы.

Целью изобретения является повышение компактности и снижение металлоемкости трубчатого ВП ГТД.

Указанная цель достигается тем, что в трубчатом ВП, содержащем корпус, коллектора подвода (отвода) воздуха, патрубки подвода (отвода) газа и трубчатую матрицу, состоящую по меньшей мере из двух кассет, включающих в себя трубные доски и панели, образованные U-образными трубками, каждая панель одной кассеты размещена в промежутке между панелями другой. В зоне совместного размещения панелей обеих кассет U-образные трубки имеют плоскоовальное поперечное сечение с расположением большей оси овала по ходу движения внешнего теплоносителя.

Для уменьшения гидравлического сопротивления внутреннего тракта, выравнивания раздачи среды во внешнем тракте и исключения брака при изготовлении трубчатых панелей высота внутреннего плоскоовального канала в зоне криволинейного участка на 20-30% больше, чем на прямом участке U-образной трубки.

Между геометрическими характеристиками трубного пучка матрицы и трубок панелей имеется следующая связь:

где S₁; S₂ - поперечный и продольный шаги труб в пучке, образованном трубками обеих кассет;
d₁; δ - внутренний диаметр и толщина стенки трубки;
δ_вн - высота внутреннего плоскоовального канала трубки;
δ_н - высота щели между боковыми стенками труб смежных панелей в пучке.

Для исключения вибрации труб и обеспечения равномерности раздачи внешнего теплоносителя в зазорах между панелями кассет размещены дистанционирующие элементы, оси которых расположены вдоль хода газов.

Предложенное конструктивное выполнение ВП позволяет повысить компактность теплообменника за счет уменьшения расстояния между панелями труб в пучке при обеспечении высокого коэффициента прочности трубной доски каждой кассеты. Так как при такой компоновке расстояние (шаг) между отверстиями для крепления труб примерно вдовое больше, чем для прототипа при аналогичном шаге труб в пучке. Рост коэффициента прочности трубной решетки не только позволяет уменьшить ее массу, но и дает возможность обеспечить надежное крепление труб, контроль качества этого крепления, а в необходимых случаях - ремонт.

Повышению компактности пучка и теплообменника в целом способствует применение сплющенных (плоскоовальных) труб. Это позволяет уменьшить расстояние между панелями обеих кассет. Меньшее сплющивание труб в зоне U-образного поворота дает возможность исключить образование гофр, особенно из труб малого радиуса гиба, а также несколько снижает внутреннее гидравлическое сопротивление труб и выравнивает раздачу внешнего теплоносителя по ширине газохода, что уменьшает гидравлическое сопротивление наружного тракта ВП.

Более равномерному распределению внешнего теплоносителя способствует установка дистанционирующих продольных элементов, расположенных между панелями смежных кассет. Эти элементы фиксируют зазоры в пучке, не препятствуют линейному расширению труб, исключают их возможную вибрацию, связанную как с периодическим изменением давления газового потока при его движении по щелевым каналам с переменным поперечным сечением, так и с резонансными колебаниями, обусловленными совпадением собственных колебаний с колебаниями других элементов установки.

Взаимосвязь (формула 1) между высотами δ_н, δ_вн, каналов для прохода рабочих сред дает возможность оптимизировать теплообменник, обеспечив максимальный теплосъем при допустимых потерях давления в его трактах и заданных массогабаритных ограничениях.

Предлагаемое изобретение существенно отличается от прототипа тем, что заявляемый ВП состоит по меньшей мере из двух кассет, трубчатые панели одной из которых размещены между панелями другой. Это дает возможность повысить компактность теплообменника без снижения прочности трубной доски матрицы и технологичности изготовления узлов крепления труб в трубной доске.

Заявляемый ВП существенно отличается от прототипа тем, что U-образные трубки панелей имеют различную высоту внутреннего канала. Площадь живого сечения канала трубки на участке гиба выше, чем на прямом участке. Это позволяет увеличить энергетическую эффективность теплообменника и исключить образование гофр на трубках малого радиуса гиба.

Заявленный ВП существенно отличается от прототипа тем, что содержит продольные дистанционирующие элементы, выравнивающие газовый поток и исключающие вибрацию труб в пучке.

Сравнение заявленного ВП с прототипом позволило установить его соответствие критерию "новизна".

При сравнении заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".

Заявленная конструкция ВП в дальнейшем может быть усовершенствована за счет использования известных методов интенсификации во внутреннем и внешнем трактах.

Например, повысить теплоотдачу во внутреннем тракте можно за счет использования:
- специальных форм поверхности теплообмена, приводящих к образованию вторичных течений, и применения развитых поверхностей нагрева;
- гофрирования трубчатых панелей, вызывающего образование волнистых труб, в которых вторичные течения формируются под действием центробежных сил на криволинейных участках. Увеличение коэффициента теплоотдачи по сравнению с прямотрубным участком тем больше, чем выше кривизна поверхности (Будов В. М. , Дмитриев С. М. Форсированные теплообменники ЛЭУ. М., Энергоатомиздат, 1989, с.46);
- чередования гофрированных участков труб с прямыми, что еще более повышает энергетическую эффективность поверхности теплообмена;
- полусферических лунок на плоских поверхностях трубок. Лунки формируют цепочку выступов, интенсифицирующих теплоотдачу внутри труб (Кузнецов Е.Ф. Интенсификация теплообмена в каналах воздухоподогревателей ГТУ. Тяжелое машиностроение, 1991, N 6, С.8...10).

В щелевых каналах между панелями коэффициент теплоотдачи может быть увеличен за счет образования вихревых течений при обтекании лунок (Кикнадзе Г. И. и др. Исследование процессов массотеплообмена при обтекании потоками воды и воздуха трехмерных вогнутостей в виде сферических лунок на исходно гладких поверхностях. Отчет N 10774 от 18.10.86, ИАЭ, ЦИАМ, КНПО "Труд", стр. 139, 141).

Оребрение трубок панелей с помощью гладких или гофрированных тонкостенных пластин, размещенных по меньшей мере с одной стороны панели, также приводит к увеличению теплообменной поверхности, т.е. к росту компактности ВП.

Могут быть использованы и другие способы интенсификации, применяемые в настоящее время в системах теплообмена.

На фиг. 1 изображен вид сбоку на ВП со снятой боковой стенкой, на фиг. 2 - вид сверху на кассеты, панели одной из которых помещены между панелями другой, на фиг. 3 - трубчатая панель, на фиг. 4, 5 - поперечные сечения трубок на прямом участке и в зоне гиба, на фиг. 6, 7 - расположение отверстий на трубной доске и трубок в пучке; на фиг. 8, 9 - узел I на фиг. 2.

Трубчатый ВП содержит корпус 1, коллектора 2, 3 подвода (отвода) воздуха, патрубки 4, 5 подвода (отвода) газа и трубчатую матрицу 6, состоящую по меньшей мере из двух кассет 7, включающих в себя трубные доски 8 и панели 9, 10, образованные U-образными трубками 11. Каждая панель 9 одной кассеты размещена между панелями 10 другой. В зоне совместного размещения панелей трубки обеих кассет имеют плоскоовальное поперечное сечение с расположением большей оси овала по ходу движения внешнего теплоносителя (фиг. 6, 7). Причем в зоне криволинейного участка трубки высота внутреннего канала на 20-30% больше, чем на прямом участке U-образной трубки. Между геометрическими характеристиками трубного пучка матрицы и трубок панелей имеется следующая связь:
δ_н= S₁-δ_вн-2δ,
S₂≥ (1,57d₁-0,57δ_вн-2δ),
где S₁; S₂ - поперечный и продольный шаги труб в пучке;
d₁, δ - внутренний диаметр и толщина стенки трубки;
δ_вн - высота внутреннего плоскоовального канала трубки;
δ_н - высота щели между боковыми стенками труб смежных панелей в пучке.

В щелевых зазорах пучка труб установлены продольные дистанционирующие элементы 12, демпфирующие возможные колебания труб в пучке.

При работе теплообменника продукты сгорания поступают в приемный патрубок 4 и движутся в узких щелевых каналах между трубными панелями 9, 10 кассет 7, омывая внешнюю поверхность U-образных труб 11 и продольных дистанционирующих элементов 12, и удаляются через выпускной патрубок 5.

Воздух направляется двумя потоками к раздаточным коллекторам 2 кассет 7, где распределяется по U-образным трубкам 11 панелей 9, 10, двигаясь по внутренним плоскоовальным каналам трубок, поступает к сборным коллекторам кассет, а затем отводится из теплообменника.

Заявленное техническое решение экспериментально проверено на модели. Испытания выполнены при натурных режимных параметрах, что гарантирует достоверность полученных результатов.

Испытания показали, что опытные результаты близки к расчетным характеристикам BП. В настоящее время ведется подготовка к серийному внедрению ВП.

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению. Для повышения компактности и снижения металлоемкости трубчатого воздухоподогревателя ГТД кассетного типа панели из U-образных труб одной кассеты размещены в промежутках между аналогичными панелями другой, при этом трубки кассет могут иметь плоскоовальное поперечное сечение с указанными размерами, а между панелями могут быть размещены продольные дистанционирующие элементы. 4 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Трубчатый воздухоподогреватель ГТД, содержащий корпус, коллектора подвода (отвода) воздуха, патрубки подвода (отвода) газа и трубчатую матрицу, состоящую, по меньшей мере, из двух кассет, включающих в себя трубные доски и панели, образованные U-образными трубками, отличающийся тем, что каждая панель одной кассеты размещена в промежутке между панелями другой. 2. Трубчатый воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что в зоне совместного размещения панелей обеих кассет U-образные трубки имеют плоскоовальное поперечное сечение с расположением большей оси овала по ходу движения внешнего теплоносителя. 3. Трубчатый воздухоподогреватель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что высота внутреннего плоскоовального канала трубки в зоне криволинейного участка на 20 - 30% больше, чем на ее прямом участке. 4. Трубчатый воздухоподогреватель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что между геометрическими характеристиками трубного пучка матрицы и трубок панелей имеется следующая связь:

где S₁; S₂ - поперечный и продольный шаги труб в пучке;
d₁; δ - внутренний диаметр и толщина стенки трубки;
δ_вн - высота внутреннего плоскоовального канала трубки;
δ_н - высота щели между боковыми стенками труб смежных панелей в пучке. 5. Трубчатый воздухоподогреватель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что между панелями кассет установлены продольные дистанционирующие элементы.