КОМПЛЕКСНОЕ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2011 года по МПК F02C7/52 

Изобретение относится к области машиностроения для газотурбинных технологий и может быть использовано при создании и реконструкции новых действующих установок и машинных комплексов, где в качестве силового привода применяются газотурбинные двигатели авиационного или другого типа, например газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций на магистральных газопроводах, электростанций и других энергетических систем.

Изобретение может быть использовано для очистки и подготовки атмосферного воздуха перед подачей его в газотурбинную установку, работающую в различных климатических условиях.

Как известно, находящиеся в атмосферном воздухе частицы промышленной или природной пыли, попадая в проточную часть компрессора газотурбинного двигателя (газотурбинной установки), способствуют образованию отложений в газовоздушном тракте и, как следствие, эрозию проточной части двигателя. Вследствие этого происходит износ деталей двигателя, в частности рабочих лопаток, в несколько раз уменьшающий ресурс их работы, что снижает эффективность работы энергоустановки.

Известно воздухоочистительное устройство широко используемых газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц-16 и ГПА - Ц-6,3, состоящее из устройства очистки воздуха и шумоглушителя пластинчато-щелевого типа, соединенных последовательно и пристыкованных к камере всасывания газотурбинного двигателя (А.И.Апанасенко и др. «Монтаж, испытания и эксплуатация газоперекачивающих агрегатов в блочно-контейнерном исполнении, Ленинград, Недра, 1991 г., рис.5, 6, 10, 11) - аналог.

Известное устройство имеет большие габариты, значительную металлоемкость и неудобно в обслуживании из-за значительной высоты воздухоочистительного устройства, практически сравнимой с высотой шахты выхлопной системы.

Известно комплексное воздухоочистительное устройство, содержащее последовательно установленные камеру с элементами воздухоочистки, шахту с элементами шумоглушения, камеру всасывания (патент РФ №2198719, В01D 45/00, опубл. 20.02.03 г.) - аналог.

Недостатком данного устройства является низкая степень очистки воздуха из-за попадания на вход воздухозаборника газотурбинной установки абразивных частиц с нижней части камеры всасывания из зоны, не охваченной фильтрами, а также повышенное гидравлическое сопротивление устройства, вызванное особенностями компоновки, что снижает надежность работы газотурбинной установки и ее кпд.

Известно комплексное воздухоочистительное устройство для очистки циклового воздуха газотурбинной установки, содержащее последовательно установленные по ходу всасывания воздушного потока погодозащитный козырек, блок тонкой очистки, содержащий воздушные фильтры и блок шумоглушения, связанный с газотурбинным двигателем и расположенный вне шахты комплексного воздухоочистительного устройства (патент РФ №2344302, F02С 7/052, опубл. 2008.07.20) - прототип.

Недостатком известного решения является то, что поворот воздуха в нижней части вертикальной шахты осуществляется под углом 90°, что приводит к повышению аэродинамического и гидравлического сопротивлений потока, и как следствие, к снижению кпд устройства и, кроме того, как следует из прототипа, для достижения технического результата известного решения, необходимо, чтобы блок шумоглушения располагался строго параллельно нижней части вертикальной шахты, что приводит к значительному усложнению конструкции комплексного воздухоочистительного устройства и всего агрегата в целом.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение кпд газотурбинной установки и газоперекачивающего агрегата в целом путем уменьшения аэродинамических потерь в комплексном воздухоочистительном устройстве и повышение надежности работы агрегата при одновременном упрощении конструкции комплексного воздухоочистительного устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что комплексное воздухоочистительное устройство шахтного типа для очистки циклового воздуха газотурбинной установки содержит последовательно установленные по ходу всасывания воздушного потока погодозащитный козырек, блок тонкой очистки, содержащий воздушные фильтры, и связанный с газотурбинным двигателем и расположенный вне шахты блок шумоглушения, причем оно снабжено расположенной перед блоком тонкой очистки ступенью очистки воздуха через блоки мультициклонов, воздушные фильтры расположены в шахте по ее высоте, что позволяет увеличить их количество и понизить скорость фильтрации, а блок шумоглушения состоит из модулей пластинчато-щелевого типа, установленных, по меньшей мере, в два яруса, причем последний по ходу всасывания воздушного потока модуль верхнего яруса имеет в вертикальном сечении форму треугольника.

В устройстве блок тонкой очистки и блок шумоглушения могут быть установлены с возможностью обеспечения натекания из блока шумоглушения, по меньшей мере, части прошедшего через фильтры тонкой очистки воздуха под максимальным углом к продольной оси газотурбинного двигателя газотурбинной установки не более 50°.

В устройстве высота блоков фильтров тонкой очистки в шахте может выбираться в зависимости от количества ярусов блока шумоглушения.

В устройстве воздушные фильтры блока тонкой очистки могут быть расположены не менее чем на 2/3 высоты шахты.

В устройстве воздушные фильтры блока тонкой очистки могут быть расположены по всей высоте шахты.

Устройство, характеризующееся тем, что количество модулей блока шумоглушения каждого последующего яруса не меньше, чем предыдущего, считая от основания шахты.

В устройстве последний по ходу всасывания воздушного потока модуль верхнего яруса может иметь в вертикальном сечении форму треугольника.

Заявляемое устройство проиллюстрировано на фиг.1-6, где на фиг.1 показан продольный разрез комплексного воздухоочистительного устройства с двумя ярусами блоков, на фиг.2 - сечение по А-А, а на фиг.3 - вариант размещения фильтров тонкой очистки, на фиг.4 - продольный разрез комплексного воздухоочистительного устройства с тремя ярусами блоков, на фиг.5 - продольный разрез комплексного воздухоочистительного устройства с четырьмя ярусами блоков, на фиг.6 - продольный разрез комплексного воздухоочистительного устройства с воздушными фильтрами, расположенными на части высоты шахты.

Заявляемое устройство состоит из защитного козырька 1, воздухоприемного блока 2 шахты 3 с размещенными в ней блоками мультициклонов 4 и блоком тонкой очистки 5, состоящим из воздушных фильтров 6, байпасного устройства 7, блока шумоглушения, образованного модулями 8, 9 и 10, камеры смешения 11 проводного воздуховода, связанного с патрубком всасывающей камеры компрессора газотурбинного двигателя 12, и элементов обслуживания устройства 13.

Как известно, рациональная организация течения рабочих сред во входных и выходных элементах проточной части газотурбинного двигателя существенно влияет на его характеристики, в данном случае под рациональной организацией течения подразумевается организация течения, при котором минимизируется неравномерность потока (потери) на входе в двигатель и, следовательно, повышается кпд газотурбинной установки и всего агрегата в целом и его надежность.

Для достижения заявленного технического результата заявитель предлагает конструкцию, которая обеспечивает натекание воздуха, прошедшего через модули 8, 9 и 10 блока шумоглушения, в камеру смешения проводного воздуховода 11 под суммарным углом не более 50° к продольной оси газотурбинного двигателя газотурбинной установки (оптимальный вариант).

Данное условие обеспечивается в заявляемом устройстве, которое отличается от известных из уровня техники воздухоочистительных устройств, в том числе и от прототипа, следующим:

- увеличением площади контакта фильтров тонкой очистки и проходящего через шахту воздухозаборного устройства воздуха и, как следствие, уменьшением неравномерности потока и его закручивания (организация ламинарного потока), а следовательно, и потерь;

- размещением шумоглушителя, выполненного в виде модуля (модулей) пластинчато-щелевого типа, вне шахты, по меньшей мере, в два яруса, причем последний по ходу всасывания воздушного потока модуль верхнего яруса имеет в вертикальном сечении форму, отличную от прямоугольника, что обеспечивает уменьшение суммарного угла натекания потока в камеру смешения после прохождения им блока шумоглушения, состоящего из двух и более ярусов, т.е. формируется менее закрученный поток на входе в газотурбинный двигатель. Оптимальное значение кпд достигается при компоновке устройства, позволяющей обеспечить суммарный угол натекания потока в камеру смешения под углом к продольной оси двигателя до 50°.

Нижний ярус модулей (модуля) блока шумоглушения 8 может размещаться известным образом, т.е. чтобы в вертикальном сечении его ось симметрии совпадала с продольной осью газотубинного двигателя, как показано на фиг.1. Однако возможно и другое конструктивное выполнение, которое зависит от размеров модулей блока шумоглушения, от количества ярусов устройства, от высоты вертикальной шахты и т.д.

В каждом конкретном случае вопрос количества ярусов модулей блока шумоглушения, количества модулей и т.д. решается индивидуально и зависит от параметров двигателя и газотурбинной установки, однако главными условиями, которые необходимы для достижения заявленного технического результата, являются - использование заявляемой многоярусной конструкции блока шумоглушения, расположенного вне вертикальной шахты, и дополнительная стабилизация потока воздуха на входе в блок шумоглушения, что обеспечивается размещением фильтров блока тонкой очистки в шахте по ее высоте. В данном случае высота размещения фильтров тонкой очистки также определяется для каждого конкретного агрегата, так как это связано с высотой шахты, количеством модулей блока шумоглушения, климатическими условиями, в которых работает устройство, загрязненностью воздуха и т.д.

Еще одним преимуществом заявляемого устройства является возможность большего разнесения по высоте шахты воздухоочистительного и трубы выхлопного устройств, что также стало возможным благодаря возможности расположения фильтров блока тонкой очистки на большей высоте вертикальной шахты, а не в ее отдельном отсеке, как в известных решениях. Это позволяет в необходимых случаях уменьшить высоту шахты воздухоочистительного устройства и исключить возможность попадания на его вход воздуха, выбрасываемого из выхлопного устройства.

В части, относящейся к фильтрам циклонного блока очистки и блока тонкой очистки, варианты их использования напрямую зависят от условий, в которых эксплуатируется агрегат, однако предпочтительно использовать фильтры, обеспечивающие очистку по классу Евростандарта EN-779-94-F7-F-9 с эффективностью работы 99,7%.

Устройство работает следующим образом.

Атмосферный воздух с находящимися в нем примесями поступает на погодозащитный козырек 1, затем воздух попадает на блок мультициклонов 4, далее воздух поступает в шахту 3 и проходит через блок тонкой очистки 5. Далее воздух попадает на модули блока шумоглушения 8, 9 и 10, проходит их с формированием потока на выходе блока шумоглушения с заданными параметрами, который через проводной воздуховод под заданным углом попадает на вход газотурбинного двигателя 12.

Заявляемое конструктивное исполнение комплексного воздухоочистительного устройства позволяет повысить кпд газотурбинной установки на 0,4-0,6%.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1.

Комплексное воздухоочистительное устройство (КВОУ) предназначено для работы в условиях сильной запыленности.

Двигатель 16 МВт, расход воздуха через КВОУ - 60 кг/с, высота шахты - 7,5 м; блок шумоглушения состоит из 2 ярусов, занимающих 5 м от высоты шахты, причем в верхней части шахты функцию блоков шумоглушения выполняют блоки мультициклонов. Скорость фильтрации уменьшается в 2 раза, аэродинамическое сопротивление уменьшается в 4 раза и, следовательно, увеличивается кпд на 0,4%.

Пример 2.

Двигатель 25 МВт, расход воздуха через КВОУ - 90 кг/с, высота шахты - 10,0 м; блок шумоглушения состоит из 3 ярусов, занимающих всю высоту шахты. Скорость фильтрации уменьшается, аэродинамическое сопротивление уменьшается и, следовательно, увеличивается кпд на 0,5%.

Пример 3.

Двигатель 32 МВт, расход воздуха через КВОУ - 120 кг/с, высота шахты - 12,0 м; блок шумоглушения состоит из 4 ярусов, занимающих всю высоту шахты. Скорость фильтрации уменьшается в 2 раза, аэродинамическое сопротивление уменьшается в 4 раза и, следовательно, увеличивается кпд на 0,6%.

Комплексное воздухоочистительное устройство шахтного типа для очистки циклового воздуха газотурбинной установки, содержащее последовательно установленные по ходу всасывания воздушного потока погодозащитный козырек (1), блок тонкой очистки (5), содержащий воздушные фильтры, и связанный с газотурбинным двигателем и расположенный вне шахты (3) блок шумоглушения, отличающееся тем, что оно снабжено расположенной перед блоком тонкой очистки ступенью очистки воздуха через блоки мультициклонов (4), воздушные фильтры расположены в шахте по ее высоте, блок шумоглушения состоит из модулей (8, 9, 10) пластинчато-щелевого типа, установленных, по меньшей мере, в два яруса, причем последний по ходу всасывания воздушного потока модуль верхнего яруса (10) имеет в вертикальном сечении форму треугольника. Достигается повышение кпд газотурбинной установки путем уменьшения гидравлических и аэродинамических потерь в комплексном воздухоочистительном устройстве и повышение надежности работы при одновременном упрощении конструкции комплексного воздухоочистительного устройства. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Комплексное воздухоочистительное устройство шахтного типа для очистки циклового воздуха газотурбинной установки, содержащее последовательно установленные по ходу всасывания воздушного потока погодозащитный козырек, блок тонкой очистки, содержащий воздушные фильтры и связанный с газотурбинным двигателем и расположенный вне шахты блок шумоглушения, отличающееся тем, что оно снабжено расположенной перед блоком тонкой очистки ступенью очистки воздуха через блоки мультициклонов, воздушные фильтры расположены в шахте по ее высоте, блок шумоглушения состоит из модулей пластинчато-щелевого типа, установленных, по меньшей мере, в два яруса, причем последний по ходу всасывания воздушного потока модуль верхнего яруса имеет в вертикальном сечении форму треугольника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высота блока фильтров тонкой очистки в шахте выбирается в зависимости от количества ярусов блока шумоглушения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что воздушные фильтры блока тонкой очистки расположены по всей высоте шахты.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что воздушные фильтры блока тонкой очистки расположены не менее чем на 2/3 высоты шахты.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество модулей блока шумоглушения каждого последующего яруса не меньше чем предыдущего, считая от основания шахты.