СИСТЕМА ПОДОГРЕВА ЦИКЛОВОГО ВОЗДУХА В ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ Российский патент 2023 года по МПК F02C7/47 

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

Известно воздухоочистительное устройство в системах воздухообеспечения газотурбинных двигателей привода ГПА, содержащее сгруппированные в блоки и закрепленные на внешних гранях несущего корпуса перпендикулярно ему в несколько ярусов фильтры первой ступени, состоящие из мультициклонов, приемных камер и пылесборников; блоки воздушных фильтров второй ступени, размещенные внутри корпуса; средство защиты фильтров от прямого попадания атмосферных осадков в виде козырька; систему предупреждения обледенения, а также систему удаления пыли, накапливающейся в пылесборниках фильтров (В. Будусов и др. "Высокоэффективные воздухоочистительные устройства для ГТУ", ж-л Газотурбинные технологии, №4, 2000 г., с. 39).

Недостатком известного воздухоочистительного устройства является то, что проточная часть имеет призматическую форму, которая при практически равномерном поступлении воздуха в проточную часть по ее высоте не обеспечивает оптимальных аэродинамических характеристик проточной части. Кроме того, известное воздухоочистительное устройство имеет большие габариты и массу, обуславливающие высокую трудоемкость и стоимость изготовления, затраты на транспортировку к месту применения, материалоемкость, трудоемкость и стоимость строительства опорных конструкций, фундаментов под них и стоимость монтажа.

Защита фильтров от атмосферных осадков с помощью козырьков при работе их в потоке забираемого воздуха или просто при ветре является малоэффективной, так как скорость потока зависит от количества воздуха, проходящего через площадь сечения воздухозабора. Это отрицательно сказывается на долговечности фильтрующих элементов, увеличивает склонность к обледенению элементов проточной части устройства.

Система предупреждения обледенения известного воздухоочистительного устройства в силу своей разветвленности и условий работы в неорганизованном воздушном потоке для обеспечения выполнения своих функций требует значительного количества горячего воздуха, отбираемого от компрессора газотурбинного двигателя, что заметно сказывается на его КПД, а следовательно, на экономичности работы ГПА.

Известно воздухоочистительное устройство по патенту РФ на изобретение №2263806, МПК F02C 7/052, опубл. 10.11.2005 г.

Это воздухоочистительное устройство содержит сгруппированные в модули и закрепленные в верхнем модуле блоки воздушных фильтров, средство защиты воздушных фильтров от прямого попадания атмосферных осадков, в виде защитного колпака шатрового типа,

Недостатки:

- нетехнологичность конструкции,

- большой вес и металлоемкость из-за большой толщины листов,

- наличие шумоглушителя в газовоздушном тракте, детали которого при разрушении попадают на вход в ГТД (газотурбинный двигатель) и разрушают вентилятор.

Известно воздухоочистительное устройство, по патенту РФ на изобретение №2727735, МПК F02C 7/152, опубл. 23.07.2020 г., прототип.

Это устройство содержит сгруппированные в модули и закрепленные в верхнем модуле блоки воздушных фильтров, средство защиты воздушных фильтров от прямого попадания атмосферных осадков, в виде защитного колпака шатрового типа, все модули выполнены в виде прямоугольных призм, содержащих боковые стенки с внутренней и внешней обшивками, собранные на прямоугольных каркасах. Вход очищенного воздуха осуществляется в чистую камеру через фильтрующие элементы.

Недостатки:

Неравномерное поступление воздуха из чистой камеру воздухоочистительного устройства на вход в ГТД при боковом ветре или при загрязнении части фильтрующих элементов, приводящее к снижению КПД (коэффициента полезного действия) ГТД.

Повышение аэродинамических потерь давление воздуха на входе в ГТД из-за закручивания отдельных струй при встрече с противоположными более активными струями воздуха и снижение вследствие этого КПД ГТД.

Задача создания изобретения: исключение обледенения фильтрующих элементов при подаче воздуха на вход в ГТД для увеличения его КПД.

Достигнутый технический результат: исключение обледенения фильтрующих элементов при подаче воздуха на вход в ГТД для увеличения его КПД.

Решение указанной задачи достигнуто в системе подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве, содержащей верхний модуль с защитным колпаком шатрового типа с фильтрующими элементами, установленными в стойках с противоположных сторон и образующими чистую камеру и систему подачи подогретого воздуха, тем, что система подачи нагреваемого воздуха в воздухоочистительном устройстве содержит общий трубопровод, тройник, шумоглушители, коллекторы и вертикальные стойки подачи подогретого воздуха, расположенные внутри каждой камеры обслуживания.

Чистая камера может быть разделена на две равные части перегородкой, идущей параллельно фильтрующим элементам.

Вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха могут быть расположены против каждой группы вертикальных рядов фильтрующих элементов.

Вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха могут быть расположены против каждого вертикального ряда фильтрующих элементов.

Вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха могут содержать форсунки в виде отверстий, расположенных против каждого фильтрующего элемента по его центру.

Вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха могут содержать форсунки в виде отверстий, расположенных между фильтрующими элементами.

Вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха могут содержать форсунки в виде отверстий, расположенных между группами фильтрующих элементов.

Вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха могут содержать форсунки, выполненные с возможностью распыла под углом от 30 до 90° и расположены против каждого фильтрующего элемента по его центру.

Вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха могут содержать форсунки, выполненные с возможностью распыла под углом от 30 до 90° и расположены между фильтрующими элементами.

Вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха могут содержать форсунки, выполненные с возможностью распыла под углом от 30 до 90° и расположены между группами фильтрующих элементов.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1…9), где;

- на фиг. 1 - приведен общий вид воздухоочистительного устройства, с его чистой камерой,

- на фиг. 2 - приведен разрез А-А воздухоочистительного устройства, первый вариант без перегородки,

- на фиг. 3 - приведен разрез А-А воздухоочистительного устройства, с его чистой камерой, второй вариант с перегородкой,

- на фиг. 4 - приведено предложенное воздухоочистительное устройство с вертикальными стойками и отверстиями-распылителями,

- на фиг. 5 приведено предложенное воздухоочистительное устройство с вертикальными стойками и форсунками,

- на фиг. 6 приведен вариант с подачей подогретого воздуха между фильтрующими элементами,

- на фиг. 7 приведен вариант с подачей нагреваемого воздуха между группами фильтрующих элементов.

Чертежи потерь давления на фильтрах 8 после прогрева при установке форсунок против форсунок (фиг. 8) или между ними (фиг. 9).

В описании приняты следующие условные обозначения:

модуль 1,

нижний модуль 2,

воздухозаборное отверстие 3,

газотурбинный двигатель 4,

верхний модуль 5,

защитный колпак шатрового типа 6,

чистая камера 7,

фильтрующий элемент 8,

рама 9,

камера обслуживания 10,

система подачи нагреваемого воздуха 11,

общий трубопровод 12,

тройник 13,

коллекторы - 14,

вертикальные стойки 15,

шумоглушитель 16,

перегородка 17,

форсунки в виде отверстий - распылителей 18,

форсунки-распылители 19,

линия распыла 20.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…9.

На фиг. 1 приведен внешний вид воздухоочистительного устройства сверху. На фиг. 2 приведен первый вариант системы. В первом варианте система содержит модуль 1, нижний модуль 2, воздухозаборное отверстие 3, газотурбинный двигатель 4, верхний модуль 5, защитным колпак шатрового типа 6, чистую камеру 7, фильтрующие элементы 8, установленные в раме 9.

Между защитным колпаком шатрового типа 6 и чистой камерой 7 с обеих сторон выполнены камеры обслуживания 10, в которых размещены некоторые элементы системы подачи нагреваемого воздуха 11 с вертикальными стойками 15.

На фиг. 3 приведена система, в которой в чистой камере 7 установлена перегородка 17 для уменьшения аэродинамических потерь в воздухоочистительном устройстве.

В вертикальных стойках 15 выполнены форсунки в виде отверстий распылителей 18 (фиг. 4-7) или форсунки - распылители с углом распыла ϕ=30-90° (фиг. 4-7).

Одной из важнейших характеристик сжатого воздуха, используемого в промышленности, пищевой индустрии, медицине и других отраслях, является влажность.

Самое общее определение таково: влажность - это мера, характеризующая содержание водяных паров в воздухе (или другом газе). Данное определение, разумеется, не претендует на "наукоемкость", зато дает физическое понятие влажности.

Для количественной оценки "влажности" газов наиболее часто используют следующие характеристики:

• парциальное давление водяного пара (р) - давление, которое имел бы водяной пар, входящий в состав атмосферного или сжатого воздуха, если бы он один занимал объем, равный объему воздуха при той же температуре. Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных составляющих этой смеси,

• относительная влажность - определяется как отношение действительной влажности воздуха к его максимально возможной влажности, т.е. относительная влажность показывает, сколько еще влаги не хватает, чтобы при данных условиях окружающей среды началась конденсация. Более «научной» является такая формулировка: относительная влажность это величина определяемая как отношение парциального давления водяного пара (р) к давлению насыщенного пара при данной температуре, выраженное в процентах,

• температура точки росы (инея), определяется как температура, при которой парциальное давление насыщенного относительно воды (льда) пара равно парциальному давлению водяного пара в характеризуемом газе. Т.е. это температура, при которой начинается процесс конденсации влаги. Практическое значение точки росы заключается в том, что оно показывает, какое максимальное количество влаги может содержаться в воздухе при указанной температуре. Действительно, фактическое количество воды, которое может удерживаться в постоянном объеме воздуха, зависит только от температуры. Понятие точки росы является наиболее удобным техническим параметром. Зная значение точки росы, можно смело утверждать, что количество влаги в заданном объеме воздуха не превысит определенного значения,

• абсолютная влажность, определяемая как массовое содержание воды в единице объема газа, это величина, показывающая, какое количество паров воды содержится в заданном объеме воздуха, это самое общее понятие, оно выражается в г/м3. При очень низкой влажности газа используется такой параметр как влагосодержание, единица измерения которого ppm (parts per million - частей на миллион). Это абсолютная величина, которая характеризует число молекул воды на миллион молекул всей смеси. Она не зависит ни от температуры, ни от давления. Это и понятно количество молекул воды не может увеличиваться или уменьшаться при изменениях давления и температуры.

Расчеты по включению системы подачи циклового воздуха 11 могут быть сделаны по следующей методике.

Зависимости давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда от температуры, полученные теоретически на основании уравнения Клаузиуса - Клапейрона и сверенные с экспериментальными данными многих исследователей, рекомендованы для метеорологической практики Всемирной метеорологической организацией (ВМО):

где p_sw - давление насыщенного пара над плоской поверхностью воды (Па); p_si - давление насыщенного пара над плоской поверхностью льда (Па); Т - температура (К).

Приведенные формулы справедливы для температур от 0 до 100°С (для p_sw) и от -0 до -100°С (для p_si). В то же время ВМО рекомендует первую формулу и для отрицательных температур для переохлажденной воды (до -50°С).

Очевидно, что эти формулы достаточно громоздки и неудобны для практической работы, поэтому в расчетах намного удобнее пользоваться готовыми данными, сведенными в специальные таблицы. Ниже приведена одна из этих таблиц.

РАБОТА СИСТЕМЫ ПОДОГРЕВА ЦИКЛОВОГО ВОЗДУХА В ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ

При включении ГПА (газоперекачивающего агрегата ГТД) привода (фиг. 2), воздух поступает в ГТД 4 (фиг. 1 и 2) из атмосферы.

Возможен вариант с применением перегородки 17 (Фиг. 3).

После сгорания топлива в ГТД 4 и срабатывания на турбине ГТД 4 (не показана) выхлопные газы выбрасываются в атмосферу.

На фиг. 4-7 показаны варианты с четырьмя рядами фильтрующих элементов в различных проекциях.

При температурах ниже 0°С измеряют эти же показатели и при отличии этих показателей при отрицательных температурах окружающей среды более, чем на 5% включают подачу нагреваемого воздуха и увеличивают его расход регулятором подачи до совпадения этих показателей.

Применение изобретения позволило:

- обеспечить равномерную подачу воздуха на вход в ГТД в зимнее время путем предотвращения обмерзания фильтрующих элементов и, тем самым повысить его КПД и КПД газоперекачивающего агрегата,

- упростить сборку и ремонт воздухоочистительного устройства,

- уменьшить вес и металлоемкость модулей газоперекачивающего агрегата и его прочность от воздействия внешних нагрузок.

- уменьшить расход подогретого воздуха до минимума, тем самым повысить КПД ГТД.

Изобретение относится к области машиностроения для газотурбинных технологий и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих установок и машинных комплексов, где в качестве силового привода применяются газотурбинные двигатели (ГТД) авиационного или другого типа, например газоперекачивающих агрегатов (ГПА) компрессорных станций на магистральных газопроводах. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве, содержит верхний модуль с защитным колпаком шатрового типа с фильтрующими элементами, установленными в стойках с противоположных сторон и образующими чистую камеру и систему подачи подогретого воздуха. Система подачи нагреваемого воздуха в воздухоочистительном устройстве содержит общий трубопровод, тройник, шумоглушители, коллекторы и вертикальные стойки устройства подачи подогретого воздуха, расположенные внутри каждой камеры обслуживания. Достигнутый технический результат: исключение обледенения фильтрующих элементов при подаче воздуха на вход в ГТД для увеличения его КПД. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве, содержащая верхний модуль с защитным колпаком шатрового типа с фильтрующими элементами, установленными в стойках с противоположных сторон и образующими чистую камеру и систему подачи подогретого воздуха, отличающаяся тем, что система подачи нагреваемого воздуха в воздухоочистительном устройстве содержит общий трубопровод, тройник, шумоглушители, коллектора и вертикальные стойки устройства подачи подогретого воздуха, расположенные внутри каждой камеры обслуживания.

2. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что чистая камера разделена на две равные части перегородкой, идущей параллельно фильтрующим элементам.

3. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха расположены против каждой группы вертикальных рядов фильтрующих элементов.

4. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха расположены против каждого вертикального ряда фильтрующих элементов.

5. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха содержат форсунки в виде отверстий, расположенных против каждого фильтрующего элемента по его центру.

6. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха содержат форсунки в виде отверстий, расположенных между фильтрующими элементами.

7. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха содержат форсунки в виде отверстий, расположенных между группами фильтрующих элементов.

8. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха содержат форсунки, выполненные с возможностью распыла под углом от 30 до 90° и расположенные против каждого фильтрующего элемента по его центру.

9. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха содержат форсунки, выполненные с возможностью распыла под углом от 30 до 90° и расположенные между фильтрующими элементами.

10. Система подогрева циклового воздуха в воздухоочистительном устройстве по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные стойки системы подачи нагреваемого воздуха содержат форсунки, выполненные с возможностью распыла под углом от 30 до 90° и расположенные между группами фильтрующих элементов.