RU224962U1 - Рекуперативный воздухоподогреватель для газотурбинной установки - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована в теплообменном оборудовании стационарной и транспортной энергетики, в частности при изготовлении и эксплуатации рекуперативных воздухоподогревателей газотурбинных установок. Рекуперативный воздухоподогреватель для газотурбинной установки, установленный между турбиной и котлом-утилизатором, связанный воздуховодами с зоной выхода сжатого воздуха за осевым компрессором и с зоной подачи воздуха в камеру сгорания, состоящий из однотипных модулей, содержащих теплообменные матрицы, выполненные из разделенных перегородками змеевиков, соединенных с впускным и выпускным воздушными коллекторами, в котором, по меньшей мере, один конец змеевика выполнен с увеличением его диаметра в месте его соединения с соответствующим ему впускным или выпускным коллектором. Технический результат заключается в повышении прочностных характеристик соединения змеевик-коллектор рекуперативного воздухоподогревателя газотурбинной установки и, как следствие, увеличение ресурса бесперебойной работы рекуперативного воздухоподогревателя газотурбинной установки в целом. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Предложенное к защите патентом РФ на полезную модель техническое решение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в теплообменном оборудовании стационарной и транспортной энергетике, в частности, при изготовлении и эксплуатации рекуперативных воздухоподогревателей газотурбинных установок, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии.

Известен теплообменник, содержащий корпус, патрубки подвода (отвода) внешнего теплоносителя, коллекторы подвода (отвода) внутреннего теплоносителя и матрицу, состоящую из теплообменного пакета и коллекторов сбора и раздачи внешнего теплоносителя (RU №21951, U1, от 17.10.2001 г., 27.02.2002 г., МПК F28F 13/08).

Известен регенеративный воздухоподогреватель, содержащий собранные в пакеты пучки трубок, соединенные с коллекторами ввода и вывода воздуха, одноименные патрубки которых соединены между собой (RU №31838, U1, от 03.12.2002, опубл. 03.12.2002, МПК F23L 15/04).

В перечисленных технических решения конструкциях воздушные входные и выходные патрубки или коллектора подвода или отвода теплоносителя расположены по одну сторону конструкции и жестко соединены между собой перемычками, что приводит к невозможности температурной самокомпенсации тепловых удлинений патрубков (коллекторов). Разность температур между входными и выходными патрубками (коллекторами ввода и вывода) может превышать 250°С, что приводит к возникновению значительных добавочных величин напряжений в перемычках между патрубками (коллекторами) в зонах их приварки с перемычками. Численные расчеты показали, что напряжения в этих зонах могут достигать значений в 200-300 МПа на уровне температур, вызывающих ползучесть. Кроме того, невозможно обеспечить качественные сварные швы приварки тонких перемычек к коллекторам, а применение труб W-образной формы приводит к необходимости размещения патрубков ввода и вывода теплоносителя (воздушных коллекторов ввода и вывода) по одну сторону конструкции с соединением их между собой перемычками.

Также известно техническое решение - воздухоподогреватель ГТД, выполненный, по меньшей мере, из двух однотипных модулей, содержащих теплообменную матрицу, сообщенную с впускным и выпускным воздушными коллекторами, имеющий общий клинообразный газовый раздаточный коллектор, сборные газовые коллектора клинообразной формы, выпускные воздушные коллектора установлены на входе газового потока в раздаточный газовый коллектор, теплообменная матрица выполнена из разделенных перегородками плоских змеевиков W-образной формы, концы труб которых закреплены в воздушных коллекторах (RU №30425, U1, от 31.05.2002, опубл. 27.06.2003, МПК F28D 7/00).

Недостатком данного решения является также невозможность температурной самокомпенсации тепловых удлинений впускных и выпускных воздушных коллекторов. Разность температур между впускными и выпускными воздушными коллекторами также может превышать 250°С, вследствие чего возникают значительные добавочные величины напряжений в перемычках между коллекторами в зонах их приварки, достигающих значений в 200-300 МПа на уровне температур, вызывающих ползучесть. Кроме того, невозможно обеспечить качественные сварные швы приварки тонких перемычек к коллекторам, а применение труб W-образной формы приводит к необходимости размещения входных и выходных патрубков по одну сторону конструкции с соединением их между собой перемычками.

Также известен воздухоподогреватель для ГТУ, выполненный, по меньшей мере, из двух однотипных модулей, содержащих теплообменные матрицы, выполненных из разделенных перегородками змеевиков, сообщенных с впускным и выпускным воздушными коллекторами, общий газовый раздаточный коллектор, сборные газовые коллектора, дополнительно, воздухоподогреватель снабжен общим впускным воздушным коллектором, расположенным в газовом коллекторе выхода продуктов сгорания, при этом змеевики теплообменных матриц выполнены из труб S-образной формы (RU 56992, F28F 13/08, 27.09.2006 г.) (ближайший аналог).

Недостаток указанного выше решения состоит в сравнительно непрочном соединении змеевиков и коллекторов (как входного, так и выходного), работающих в среде высоких и колеблющихся периодически температур, из-за чего упомянутые соединения выходят из строя (разрушаются) преждевременно, что негативным образом сказывается на долговечной и бесперебойной работе рекуперативного воздухоподогревателя газотурбинной установки. Данный факт чрезвычайно актуален для газотурбинных установок, выполненных на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании, содержащим, входной патрубок, осевой компрессор, трубчатокольцевую камеру сгорания, двухступенчатую осевую турбину, ротор с магнитными опорно-упорными подшипниками, диффузор турбины и рекуператор, что важно - установленный в газоходе между турбиной и котлом утилизатором.

Задача настоящего решения состоит в устранении указанного выше недостатка рекуперативных воздухоподогревателей газотурбинных установок описанного типа, имеющими свою историю эксплуатации и преждевременного выхода из строя элементов рекуперативных воздухоподогревателей, обусловленных недостаточной прочностью их соединений между собой, а также расположением воздухоподогревателей в газотурбинной установке и находящимися рядом с ними элементами установки (цикличные перепады рабочих температур и давления).

Технический результат заключается в повышении прочностных характеристик соединения змеевик - коллектор рекуперативного воздухоподогревателя газотурбинной установки и увеличение ресурса бесперебойной работы рекуперативного воздухоподогревателя газотурбинной установки и самой газотурбинной установки в целом.

Указанная задача достигается следующим образом.

В рекуперативном воздухоподогревателе для газотурбинной установки (ГТУ), установленный между турбиной и котлом-утилизатором, связанный воздуховодами с зоной выхода сжатого воздуха за осевым компрессором и с зоной подачи воздуха в камеру сгорания, состоящий из однотипных модулей, содержащих теплообменные матрицы, выполненные из разделенных перегородками змеевиков, соединенных с впускным и выпускным воздушными коллекторами, согласно заявленному решению, по меньшей мере, один конец (конечная часть) змеевика выполнен с увеличением его диаметра в месте его соединения с соответствующим ему впускным или выпускным коллектором.

При этом каждый конец (конечная часть) каждого змеевика может быть выполнен(а) с увеличением его диаметра в месте его соединения с соответствующим ему впускным или выпускным коллектором.

Кроме того, в зависимости от формы сечения змеевика конец (конечная часть) змеевика увеличенного диаметра может быть выполнен с увеличением его продольного и/или поперечного диаметра.

При этом длина участка конца (конечной части) змеевика с увеличенным диаметром может соответствовать толщине стенки соответствующего ему впускного или выпускного коллектора в месте присоединения змеевика к соответствующему ему впускному или выпускному коллектору.

В дополнение - стенки конца (конечной части) змеевика могут выполнены увеличенной толщины по отношению к основной толщине стенок змеевика.

А также стенки конца (конечной части) змеевика выполнены равной или различной толщины.

На фиг. 1 - схематичное изображение соединения стенки коллектора (любого, впускного или выпускного):

1 - змеевик,

2 - коллектор,

3 - конец (конечная часть) змеевика,

4 - место соединения конца (конечной части) змеевика и коллектора,

5 - диаметр основной (срединной) части змеевика,

6 - диаметр конечной части змеевика,

7 - толщина стенки змеевика в срединной (рабочей) части змеевика,

8 - толщина стенки конца змеевика в конечной (рабочей) части змеевика,

9, 10 - участки стенок конечной части змеевика, выполненные различной толщины (показаны для примера).

Как видно из изложенного, в рекуперативном воздухоподогревателе для одновальной газотурбинной установки (ГТУ), установленном что важно для указанного выше типа газотурбинных установок - между турбиной и котлом-утилизатором, связанным с воздуховодами с зоной выхода сжатого воздуха за осевым компрессором и с зоной подачи воздуха в камеру сгорания, состоящем из однотипных модулей, содержащих теплообменные матрицы, выполненные из разделенных перегородками змеевиков, соединенных с впускным и выпускным воздушными коллекторами, согласно заявленному решению, по меньшей мере, один конец (конечная часть) (3) змеевика (1) выполнен с увеличением его диаметра (6) в месте его соединения (4) с соответствующим ему впускным или выпускным коллектором (2).

Увеличение диаметра (6) конечной части (3) змеевика (1) ведет к увеличению площади соприкасаемых поверхностей змеевика (1) и коллектора (2), что при соединении данных элементов известными методами - сварка, пайка и пр. дает создаваемой таким образом конструкции большую прочность, и, как следствие, надежность, долговечность конструкции в целом.

При этом допускается, что каждый конец (конечная часть) каждого змеевика может быть выполнен(а) с увеличением его диаметра в месте его соединения с соответствующим ему впускным или выпускным коллектором, что обеспечить кратное повышение прочностных характеристик соединения змеевик - коллектор рекуперативного воздухоподогревателя газотурбинной установки.

Увеличение количества змеевиков (1) воздухоподогревателя, присоединенных к коллекторам (2) описанным способом, приводит к повышению прочностных характеристик системы в целом.

Как известно, существуют различные по форме сечения змеевики, например «0»-образные (овальные) или «о»-образные и др. Для них - в зависимости от формы сечения змеевика конец (конечная часть) змеевика увеличенного диаметра может быть выполнен с увеличением продольного и/или поперечного диаметра.

Выполнение соединения конечной части (3) змеевика (1) в т.н. «заподлицо» со стенкой коллектора (2), в месте их соединения (4), способствует улучшению качества соединения - т.н. плотности посадки и пр., для этого длина участка конца (конечной части) (3) змеевика (1) с увеличенным диаметром (6) может соответствовать толщине стенки соответствующего ему впускного или выпускного коллектора (2) в месте (4) присоединения змеевика (1) к соответствующему ему впускному или выпускному коллектору (2),

Улучшению прочностных характеристик, также способствует то, что стенки (8) конца (конечной части) (3) змеевика (1) могут быть выполнены увеличенной толщины по отношению к основной толщине стенок (7) змеевика (1), при этом стенки конца (конечной части) (3) змеевика (1) могут быть выполнены равной (8) или различной (9 и 10) толщины - что позволяет технологически варьировать выбор формы конечной части (3) змеевика (1) при выполнении соединения змеевик - коллектор для повышения прочности их соединения.

Выполнение указанной формы конечной части змеевика позволяет существенно расширить варианты их прочного и, как следствие, долговечного соединения, выполняемого с использованием стандартного для таких случаев оборудования, режима его работы, используемых дополнительных материалов для создания (выполнения) соединения и пр.

После изготовления воздухоподогревателя упомянутой формы осуществляется его работы в стандартном для такого случае режиме.

Приведем пример работы рекуперативного воздухоподогревателя для газотурбинной установки, выполненной на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании, содержащей, входной патрубок, осевой компрессор, трубчатокольцевую камеру сгорания, двухступенчатую осевую турбину, ротор с магнитными опорно-упорными подшипниками, диффузор турбины, а также, рекуператор, установленный в газоходе между турбиной и котлом утилизатором. Режимы работы установки - при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5850 оборотов в минуту до 6250 оборотов в минуту, с преимущественным значением вращения вала 6150 оборотов в минуту.

При работе воздухоподогревателя воздух поступает на вход впускного коллектора и попадает в теплообменные трубы матриц. Пройдя по трубам, выполненных, например, S-образной формы, воздух в трубах нагревается и выходит через выпускные воздушные коллекторы модулей.

Нагрев воздуха в теплообменных трубах происходит за счет поступления отработанного горячего газа в виде продуктов сгорания из патрубка газовой турбины, который поступает на вход в газовый коллектор, где установлены выпускные воздушные коллекторы.

Продукты сгорания из газотурбинной установки попадают в пространство между выпускными воздушными коллекторами и далее в модули на теплообменные матрицы. Проходя между теплообменными трубами, закрепленных в перегородках, нагревают проходящий внутри теплообменных труб воздух. Затем уже охлажденные продукты сгорания выходят через газовые коллекторы.

За счет того, что указанные выше элементы рекуперативного воздухоподогревателя соединены по новой технологии - достигается технический результат - повышение прочностных характеристик соединения змеевик - коллектор рекуперативного воздухоподогревателя газотурбинной установки и, как следствие, увеличение ресурса бесперебойной работы рекуперативного воздухоподогревателя газотурбинной установки и газотурбинной установки в целом.

Claims (7)

1. Рекуперативный воздухоподогреватель для газотурбинной установки (ГТУ), установленный между турбиной и котлом-утилизатором, связанный воздуховодами с зоной выхода сжатого воздуха за осевым компрессором и с зоной подачи воздуха в камеру сгорания, состоящий из однотипных модулей, содержащих теплообменные матрицы, выполненные из разделенных перегородками змеевиков, соединенных с впускным и выпускным воздушными коллекторами, в котором, по меньшей мере, один конец змеевика выполнен с увеличением его диаметра в месте его соединения с соответствующим ему впускным или выпускным коллектором.

2. Воздухоподогреватель по п. 1, отличающийся тем, что каждый конец каждого змеевика выполнен с увеличением его диаметра в месте его соединения с соответствующим ему впускным или выпускным коллектором.

3. Воздухоподогреватель по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что конец увеличенного диаметра выполнен в зависимости от формы сечения змеевика.

4. Воздухоподогреватель по п. 1, отличающийся тем, что длина участка конца змеевика с увеличенным диаметром соответствует толщине стенки соответствующего ему впускного или выпускного коллектора в месте присоединения змеевика к соответствующему ему впускному или выпускному коллектору.

5. Воздухоподогреватель по п. 1, отличающийся тем, что стенки конца змеевика выполнены увеличенной толщины по отношению к основной толщине стенок змеевика.

6. Воздухоподогреватель по п. 1, отличающийся тем, что стенки конца змеевика выполнены равной толщины.

7. Воздухоподогреватель по п. 1, отличающийся тем, что стенки конца змеевика выполнены различной толщины.

Images