Стенд для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов Российский патент 2023 года по МПК G01M15/14 

Изобретение относится к стендам для испытаний газотурбинных установок (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов, и может быть использовано в газодобывающей, авиадвигателестроительной, машиностроительной отраслях промышленности при проведении испытаний газотурбинных установок и других аналогичных энергомашин.

В качестве прототипа принято изобретение “Стенд для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов” - патент RU №2508529 от 27.02.2014 по МПК G01M 15/14.

Названный стенд включает в себя испытательный станок с установленной на нём платформой ГТУ, выхлопное устройство, выполненное в виде выпускного вертикально расположенного газохода, который включает в себя пристыкованный к выходу испытуемой ГТУ выпускной коллектор, расположенный выше него и присоединённый к нему термокомпенсирующий и виброгасящий блок, пристыкованный к термокомпенсирующему и виброгасящему блоку переходный канал, присоединённую к переходному каналу выхлопную трубу, при этом выхлопная труба выполнена из двух секций - нижней и верхней, нижняя из которых расположена внутри каркасной конструкции и опирается на её нижнюю часть, а сама каркасная конструкция подвешена к крыше стенда, при этом верхняя часть нижней секции выхлопной трубы проходит через крышу стенда и свободно размещена в нижней части верхней секции, которая установлена на крыше стенда.

Признаки известного стенда, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии испытательного станка с установленной на нём платформой ГТУ, выхлопного устройства, выполненного в виде выпускного вертикально расположенного газохода, который включает в себя пристыкованный к выходу испытуемой ГТУ выпускной коллектор, расположенный выше него и присоединённый к нему термокомпенсирующий и виброгасящий блок, пристыкованный к термокомпенсирующему и виброгасящему блоку переходный канал, присоединённую к переходному каналу выхлопную трубу, при этом выхлопная труба выполнена из двух секций - нижней и верхней, нижняя из которых расположена внутри каркасной конструкции и опирается на её нижнюю часть, а сама каркасная конструкция подвешена к крыше стенда, при этом верхняя часть нижней секции выхлопной трубы проходит через крышу стенда и свободно размещена в нижней части верхней секции, которая установлена на крыше стенда.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в том, что в выхлопном устройстве стенда выхлопная труба в процессе проведения огневого испытания ГТУ чрезмерно нагревается высокотемпературными выхлопными газами из-за отсутствия организованного её охлаждения, что может привести к её преждевременному выходу из строя, и при этом отсутствует организованное управление выхлопом отработанных газов стенда в атмосферу и организованное управление вентилированием рабочего пространства испытательного бокса, что в целом снижает эффективность работы стенда для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение состоит в повышении эффективности работы названного стенда.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, заключается в повышении эффективности работы выхлопного устройства названного стенда.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят в том, что на заявляемом стенде для испытаний газотурбинных установок (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов, включающем в себя испытательный станок с установленной на нём платформой ГТУ, выхлопное устройство, выполненное в виде выпускного вертикально расположенного газохода, который включает в себя пристыкованный к выходу испытуемой ГТУ выпускной коллектор, расположенный выше него и присоединённый к нему термокомпенсирующий и виброгасящий блок, пристыкованный к термокомпенсирующему и виброгасящему блоку переходный канал, присоединённую к переходному каналу выхлопную трубу, при этом выхлопная труба выполнена из двух секций - нижней и верхней, нижняя из которых расположена внутри каркасной конструкции и опирается на её нижнюю часть, а сама каркасная конструкция подвешена к крыше стенда, при этом верхняя часть нижней секции выхлопной трубы проходит через крышу стенда и свободно размещена в нижней части верхней секции, которая установлена на крыше стенда, а в отличие от известного стенда, во-первых, на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы смонтировано с возможностью подсоса воздуха из полости каркасной конструкции эжектирующее устройство в виде кольцевой конструкции с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру нижней секции выхлопной трубы, и с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра верхней секции выхлопной трубы.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, во-вторых, на заявляемом стенде наружный диаметр кольцевой конструкции равен наружному диаметру верхней части нижней секции выхлопной трубы.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-третьих, на заявляемом стенде эжектирующее устройство в виде кольцевой конструкции смонтировано на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы как быстросъёмное, а наружная поверхность кольцевой конструкции выполнена профилированной.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-четвёртых, на заявляемом стенде в варианте “в-третьих” на наружной поверхности кольцевой конструкции дополнительно выполнены каналы в виде проточек с возможностью придания закрутки всасываемому воздуху.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-пятых, на заявляемом стенде, выполненном по любому из названных выше вариантов (во-первых - в-четвёртых), на выходном торце верхней секции выхлопной трубы установлен насадок в виде трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру верхней секции выхлопной трубы и со скосом верхнего торца насадка под углом 30°±15°.

Достигается технический результат техническими средствами, которые состоят также и в том, что, в-шестых, на заявляемом стенде во всех названных выше вариантах на выходном торце верхней секции выхлопной трубы насадок установлен как быстросъёмный с возможностью его переустановки в новое положение с разворотом его на любой угол вокруг вертикальной оси выхлопной трубы.

Новые признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что на стенде для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов - на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы смонтировано с возможностью подсоса воздуха из полости каркасной конструкции эжектирующее устройство в виде кольцевой конструкции с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру нижней секции выхлопной трубы, и с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра верхней секции выхлопной трубы.

При этом на стенде для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов как вариант:

- наружный диаметр кольцевой конструкции равен наружному диаметру верхней части нижней секции выхлопной трубы;

- эжектирующее устройство в виде кольцевой конструкции смонтировано на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы как быстросъёмное, а наружная поверхность кольцевой конструкции выполнена профилированной;

- на наружной поверхности кольцевой конструкции дополнительно выполнены каналы в виде проточек с возможностью придания закрутки всасываемому воздуху;

- на выходном торце верхней секции выхлопной трубы дополнительно установлен насадок в виде трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру верхней секции выхлопной трубы и со скосом верхнего торца насадка под углом 30°±15°;

- на выходном торце верхней секции выхлопной трубы насадок дополнительно установлен как быстросъёмный с возможностью его переустановки в новое положение с разворотом его на любой угол вокруг вертикальной оси выхлопной трубы.

Описанные выше созданные технические средства в составе заявляемого стенда для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении эффективности работы выхлопного устройства за счёт того, что,

- наличие на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы эжектирующего устройства в виде кольцевой конструкции с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру нижней секции выхлопной трубы, и с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра верхней секции выхлопной трубы обеспечивает возможность эжектирования (возможность подсоса) холодного воздуха из полости каркасной конструкции вообще, а также и с возможностью регулирования характеристик этого процесса;

- выполнение наружного диаметра кольцевой конструкции, равным наружному диаметру верхней части нижней секции выхлопной трубы обеспечивает возможность создания площади проходного сечения кольцевого канала в максимальном размере, что приводит к увеличению расхода подсасываемого воздуха, идущего на охлаждение верхней секции трубы со стороны ее внутренней поверхности;

- выполнение монтажа эжектирующего устройства в виде кольцевой конструкции на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы как быстросъемным, и при этом выполнение его наружной поверхности профилированной обеспечивает получение оптимального эжектирующего эффекта в каждой испытательной программе с широкой номенклатурой режимов испытаний за счет подбора нужного профиля наружной поверхности кольцевой конструкции, а значит, осуществления оптимального режима охлаждения верхней секции трубы со стороны ее внутренней поверхности;

- выполнение на наружной поверхности кольцевой конструкции каналов в виде проточек с возможностью придания закрутки эжектируемому (подсасываемому) воздуху придает потоку этого воздуха упорядоченное вращательное движение вдоль внутренней поверхности верхней секции трубы, прижимая его к этой поверхности и тем самым препятствуя проникновению горячего выхлопного газа испытуемой ГТУ к внутренней поверхности верхней секции выхлопной трубы, что в итоге еще более защищает эту секцию от нагрева;

- наличие на выходном торце верхней секции выхлопной трубы насадка в виде трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру верхней секции выхлопной трубы и со скосом верхнего торца насадка под углом 30°±15° обеспечивает направление выхлопных газов ГТУ в заданном испытательной программой направлении и тем самым предотвращает попадание горячих и химически активных и вредных выхлопных газов на функциональные устройства стендовой системы, например, в воздушно-всасывающее (входное) устройство испытательного стенда;

- установка на выходном торце верхней секции выхлопной трубы насадка, как быстросъемного с возможностью его переустановки в новое положение с разворотом его на любой угол вокруг вертикальной оси выхлопной трубы, обеспечивает маневренность и оперативность в управлении направлением выброса выхлопных газов в зависимости от фактической ситуации околостендового пространства, складывающейся в предиспытательный период, например, роза ветров в этот период или ведение внеплановых работ на пристендовой территории.

Все описанные выше технические средства повышают эффективность работы выхлопного устройства стенда, а именно:

- каждое по отдельности и в совокупности обеспечивают предохранение от перегрева и организованное охлаждение верхней секции выхлопной трубы выхлопного устройства стенда в оптимальном режиме с возможностью учета параметров конкретной программы испытаний конкретной ГТУ;

- каждое по отдельности и в совокупности повышают эффективность вентилирования испытательного бокса в режиме вытяжки (подсасывания) воздуха из пространства испытательного бокса через полость каркасной конструкции и далее к верхней секции выхлопной трубы (этот процесс идет попутно, одновременно с организацией охлаждения верхней секции выхлопной трубы выхлопного устройства стенда, о чем сказано выше, и это не требует никаких дополнительных материальных и иных затрат);

- каждое по отдельности и в совокупности повышают эффективность работы выхлопного устройства в части возможности ограждения, защиты окружающего стенд пространства и систем самого стенда от вредного воздействия отработанных выхлопных газов испытуемой ГТУ.

Изобретение иллюстрируется рисунками (фиг. 1 - фиг. 6), где представлен стенд для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов в общем виде и с фрагментами.

Фиг. 1 - общий вид стенда с выхлопным устройством, в составе которого показана кольцевая конструкция.

Фиг. 2 - фрагмент выхлопного устройства с кольцевой конструкцией на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы, имеющей непрофилированную наружную поверхность (конический и цилиндрический участки наружной поверхности).

Фиг. 3 - фрагмент выхлопного устройства с кольцевой конструкцией на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы, имеющей профилированную наружную поверхность, например, поверхность с радиусом R_к.к., плавно переходящая в цилиндрическую.

Фиг. 4 - кольцевая конструкция, на наружной поверхности которой выполнены каналы в виде проточек с возможностью придания закрутки всасываемому воздуху (вид сбоку).

Фиг. 5 - кольцевая конструкция, на наружной поверхности которой выполнены каналы в виде проточек с возможностью придания закрутки всасываемому воздуху (вид сверху в разрезе).

Фиг. 6 - общий вид стенда с выхлопным устройством с установленным на выходном торце верхней секции выхлопной трубы насадком в виде трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру верхней секции выхлопной трубы, и со скосом верхнего торца насадка под углом 30°±15°.

Стенд для испытаний газотурбинных установок (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов включает в себя (фиг. 1):

- испытательный станок 1 с установленной на нем платформой 2 с подготовленной к испытаниям ГТУ 3;

- выхлопное устройство, выполненное в виде выпускного вертикально расположенного газохода, который включает в себя пристыкованный к выходу испытуемой ГТУ 3 выпускной коллектор 4;

- расположенный выше него и присоединенный к нему термокомпенсирующий и виброгасящий блок 5;

- пристыкованный к термокомпенсирующему и виброгасящему блоку переходный канал 6;

- присоединенную к переходному каналу 6 выхлопную трубу, при этом выхлопная труба выполнена из двух секций нижней 7 и верхней 8, нижняя 7 из которых расположена внутри каркасной конструкции 9 и опирается на ее нижнюю часть, а сама каркасная конструкция 9 подвешена к крыше стенда 10, при этом верхняя часть нижней секции 7 выхлопной трубы проходит через крышу стенда 10 и свободно размещена в нижней части верхней секции 8, которая установлена на крыше стенда 10;

- на торце верхней части нижней секции 7 выхлопной трубы смонтировано с возможностью подсоса через кольцевой зазор Δd (фиг. 2) воздуха из полости каркасной конструкции 9 (фиг. 1) эжектирующее устройство в виде кольцевой конструкции 11 с внутренним диаметром d_к.к. (фиг. 2), равным внутреннему диаметру d_н.с. нижней секции 7 выхлопной трубы, и с наружным диаметром D_к.к., меньшим внутреннего диаметра d_в.с. верхней секции 8 выхлопной трубы, и высотой кольцевой конструкции H_к.к., при этом наружная поверхность кольцевой конструкции в нижней своей части имеет форму конуса высотой h₁, а в верхней своей части имеет форму цилиндра высотой h₂, при этом h₁=h₂.

В описанном стенде для испытаний газотурбинных установок (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов также выполнено следующее:

- наружный диаметр D_к.к. (фиг. 2) кольцевой конструкции 11 равен наружному диаметру D_н.с. верхней части нижней секции 7 выхлопной трубы;

- эжектирующее устройство в виде кольцевой конструкции 11 (фиг. 3) смонтировано на торце верхней части нижней секции 7 выхлопной трубы как быстросъемное, а наружная поверхность кольцевой конструкции 11 выполнена профилированной (как вариант с радиусом R_к.к.) с возможностью обеспечения оптимального эжектирующего эффекта в каждой испытательной программе с широкой номенклатурой режимов испытаний;

- на наружной поверхности кольцевой конструкции 11 (фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5) дополнительно выполнены каналы в виде проточек шириной b и глубиной l под углом α (например, равным 45°±5°) по отношению к оси кольцевой конструкции 11 с возможностью придания закрутки эжектируемому воздуху;

- на выходном торце верхней секции 8 (фиг. 6) выхлопной трубы установлен насадок 12 в виде трубы с внутренним диаметром d_н., равным внутреннему диаметру d_в.с. верхней секции 8 (фиг. 6 и фиг. 2) выхлопной трубы и со скосом верхнего торца насадка 12 (фиг. 6), под углом β равным 30°±15°;

- на выходном торце верхней секции 8 (фиг. 6) выхлопной трубы насадок 12 установлен как быстросъемный с возможностью его переустановки в новое положение с разворотом его на любой угол вокруг вертикальной оси выхлопной трубы.

Стенд для испытаний газотурбинных установок (ГТУ) газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов с выхлопным устройством работает следующим образом.

Запускается в работу ГТУ 3 (фиг. 1), и отработанные высокотемпературные (~600°C) газы из ГТУ 3 выбрасываются в выпускной коллектор 4, далее они проходят через термокомпенсирующий и виброгасящий блок 5, переходный канал 6, нижнюю секцию 7 выхлопной трубы с кольцевой конструкцией 11 на ее торце, верхнюю секцию 8 выхлопной трубы и через насадок 12 (фиг. 6) выбрасываются в атмосферу.

При выходе (при истечении) отработанных газов через кольцевую конструкцию 11 (фиг. 2) создается эжектирующий эффект в зоне кольцевого зазора Δd, что приводит к подсасыванию холодного воздуха через этот зазор из полости каркасной конструкции 9 (фиг. 1) и к движению его вдоль внутренней поверхности верхней секции 8 (фиг. 1 и фиг. 2) выхлопной трубы. Ориентировочные размеры кольцевого зазора Δd могут варьироваться в диапазоне от 3 до 8 мм при внутреннем диаметре d_в.с. (фиг. 2) верхней секции выхлопной трубы 8 примерно 1000 мм.

Холодный воздух при движении вдоль внутренней поверхности верхней секции 8 (фиг. 1 и фиг. 2) выхлопной трубы защищает ее от прямого воздействия со стороны отработанных высокотемпературных газов и тем, что препятствует попаданию их непосредственно на внутреннюю поверхность верхней секции 8 выхлопной трубы, и тем, что перемешивается с этими газами по мере движения этого совместного потока по верхней секции 8 выхлопной трубы.

Технические средства, описанные выше, обеспечивают возможность управлять потоком холодного воздуха через кольцевой зазор Δd (фиг. 2 и фиг. 3) по расходу, и по скорости, и по направлению истечения из этого зазора (например, с закруткой), что предоставляет испытателям широкий диапазон средств для организации надежного охлаждения верхней секции 8 (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3) выхлопной трубы выхлопного устройства стенда при различных испытательных программах различных типов ГТУ (фиг. 1), в частности, отличающихся по расходам и температурам отработанных газов.

При этом, при использовании этих же технических средств в работе выхлопного устройства стенда происходит попутно без дополнительных материальных и иных затрат вентилирование пространства испытательного бокса путем уже имеющейся вытяжки (подсасывания) воздуха через полость каркасной конструкции 9 (фиг. 1).

Дополнительно, техническое средство с использованием насадка 12 (фиг. 6) с косым срезом под углом 30°±15° и возможностью быстрой переустановки этого насадка с поворотом на любой угол вокруг оси выхлопной трубы, обеспечивает повышение эффективности работы выхлопного устройства в части возможности ограждения, защиты окружающего стенд пространства и систем самого стенда от вредного воздействия отработанных выхлопных газов испытуемой ГТУ (фиг. 1 и фиг. 6).

На основе выше сказанного следует вывод, что техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения "Стенд для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов" обеспечивает решение задачи изобретения - повышение эффективности работы названного стенда - за счет получения технического результата, а именно, повышения эффективности работы выхлопного устройства названного стенда.

Изобретение может быть использовано в стендах для испытаний газотурбинных установок. Стенд для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов включает в себя испытательный станок (1) с установленной на нём платформой (2) газотурбинной установки (ГТУ) (3) и выхлопное устройство. Выхлопное устройство выполнено в виде выпускного вертикально расположенного газохода, который включает в себя пристыкованный к выходу испытуемой ГТУ (3) выпускной коллектор (4). Термокомпенсирующий и виброгасящий блок (5) расположен выше выпускного коллектора (4) и присоединён к нему. Переходный канал (6) пристыкован к термокомпенсирующему и виброгасящему блоку (5). Выхлопная труба присоединена к переходному каналу (6). Выхлопная труба выполнена из двух секций (7) и (8), нижней и верхней. Нижняя секция (7) расположена внутри каркасной конструкции (9) и опирается на её нижнюю часть. Сама каркасная конструкция (9) подвешена к крыше (10) стенда. Верхняя часть нижней секции (7) выхлопной трубы проходит через крышу (10) стенда и свободно размещена в нижней части верхней секции (8), которая установлена на крыше (10) стенда. На торце верхней части нижней секции (7) выхлопной трубы смонтировано с возможностью подсоса воздуха из полости каркасной конструкции (9) эжектирующее устройство. Эжектирующее устройство выполнено в виде кольцевой конструкции (11) с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру нижней секции (7) выхлопной трубы. Наружный диаметр кольцевой конструкции (11) меньше внутреннего диаметра верхней секции (8) выхлопной трубы. Технический результат заключается в уменьшении нагрева выхлопной трубы в процессе проведения огневого испытания ГТУ. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Стенд для испытаний газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов, включающий в себя испытательный станок с установленной на нём платформой газотурбинной установки (ГТУ), выхлопное устройство, выполненное в виде выпускного вертикально расположенного газохода, который включает в себя пристыкованный к выходу испытуемой ГТУ выпускной коллектор, расположенный выше него и присоединённый к нему термокомпенсирующий и виброгасящий блок, пристыкованный к термокомпенсирующему и виброгасящему блоку переходный канал, присоединённую к переходному каналу выхлопную трубу, при этом выхлопная труба выполнена из двух секций - нижней и верхней, нижняя из которых расположена внутри каркасной конструкции и опирается на её нижнюю часть, а сама каркасная конструкция подвешена к крыше стенда, при этом верхняя часть нижней секции выхлопной трубы проходит через крышу стенда и свободно размещена в нижней части верхней секции, которая установлена на крыше стенда, отличающийся тем, что на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы смонтировано с возможностью подсоса воздуха из полости каркасной конструкции эжектирующее устройство в виде кольцевой конструкции с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру нижней секции выхлопной трубы, и с наружным диаметром, меньшим внутреннего диаметра верхней секции выхлопной трубы.

2. Стенд для испытаний газотурбинных установок по п. 1, отличающийся тем, что наружный диаметр кольцевой конструкции равен наружному диаметру верхней части нижней секции выхлопной трубы.

3. Стенд для испытаний газотурбинных установок по п. 1, отличающийся тем, что эжектирующее устройство в виде кольцевой конструкции смонтировано на торце верхней части нижней секции выхлопной трубы как быстросъёмное, а наружная поверхность кольцевой конструкции выполнена профилированной.

4. Стенд для испытаний газотурбинных установок по п. 3, отличающийся тем, что на наружной поверхности кольцевой конструкции дополнительно выполнены каналы в виде проточек с возможностью придания закрутки эжектируемому воздуху.

5. Стенд для испытаний газотурбинных установок по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что на выходном торце верхней секции выхлопной трубы установлен насадок в виде трубы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру верхней секции выхлопной трубы, и со скосом верхнего торца насадка под углом 30°±15°.

6. Стенд для испытаний газотурбинных установок по п. 5, отличающийся тем, что на выходном торце верхней секции выхлопной трубы насадок установлен как быстросъёмный с возможностью его переустановки в новое положение с разворотом его на любой угол вокруг оси выхлопной трубы.