МОДЕРНИЗАЦИЯ  ВОЗДУШНОГО  ТРАКТА  АППАРАТА  ВОЗДУШНОГО  ОХЛАЖДЕНИЯ  МАСЛА  ГТУ

Неволин  Александр  Михайлович

аспирант  кафедры  «Турбины  и  двигатели»  Уральского  федерального  университета  им.  первого  Президента  России  Б.Н.  Ельцина,  РФ,  г.  Екатеринбург

E -mail: 

Плотников  Петр  Николаевич

д-р  техн.  наук,  профессор  кафедры  «Турбины  и  двигатели»  Уральского  федерального  университета  им.  первого  Президента  России  Б.Н.  Ельцина,  РФ,  г.  Екатеринбург

E-mail: 

MODERNIZATION  OF  AIR  CIRCUIT  OF  GAS-TURBINE  UNIT  OIL  AIR  COOLER

Alexandr  Nevolin

postgraduate  student  of  Turbins  and  Engines  department  of  Ural  Federal  University  named  after  the  first  President  of  Russia  B.N.  Yeltsin,  Russia,  Yekaterinburg

Petr  Plotnikov

D.E.,  professor  of  Turbins  and  Engines  department  of  Ural  Federal  University  named  after  the  first  President  of  Russia  B.N.  Yeltsin ,  Russia,  Yekaterinburg

АННОТАЦИЯ

В  работе  представлены  результаты  численного  расчета  и  экспериментального  исследования  аппарата  воздушного  охлаждения  масла  до  и  после  модернизации  его  воздушного  тракта.  Модернизация  заключалась  в  установке  выравнивающего  устройства,  равномерно  распределяющего  поток  воздуха  перед  трубным  пучком.  Приведены  примеры  полей  скоростей  потока  воздуха  на  входе  в  теплообменную  секцию  до  и  после  модернизации.  Показано  повышение  удельного  теплосъема  секции  маслоохладителя  после  выравнивания  поля  скоростей  воздуха.

ABSTRACT

The  article  deals  with  the  results  of  numerical  research  and  experimental  studies  of  gas-turbine  unit  oil  air  cooler  before  and  after  its  air  circuit  modernization.  Modernization  was  to  install  a  leveling  apparatus  that  distributes  the  air  flow  uniformly  in  front  of  the  tube  bank.  The  author  is  giving  the  examples  of  the  air  flow  velocity  field  in  front  of  the  finning  before  and  after  modernization.  The  article  state  the  enhancement  of  the  oil  cooler  heat  flux  after  the  air  flow  velocity  field  leveling.

Ключевые  слова:   направляющий  аппарат;  маслоохладитель  ГТУ;  аппарат  воздушного  охлаждения;  аэродинамика;  распределение  потока  теплоносителя.

Keywords:   guide  apparatus;  gas-turbine  unit  oil  cooler;  air  cooler;  aerodynamics;  heat  carrier  flow  distribution.

Аппараты  воздушного  охлаждения  (АВО)  широко  используются  в  газотранспортной  отрасли  со  времен  начала  ее  активного  развития.  На  компрессорных  станциях  магистральных  газопроводов  (КС  МГ)  АВО  используются  для  охлаждения  перекачиваемого  природного  газа  и  масла  системы  смазки  газоперекачивающих  агрегатов  (ГПА).

Данная  работа  посвящена  повышению  эффективности  работы  аппарата  воздушного  охлаждения  масла  (АВОм)  за  счет  модернизации  воздушного  тракта.  Модернизация  заключается  в  установке  в  подсекционное  пространство  АВОм  специально  разработанного  направляющего  аппарата  (НА),  равномерно  распределяющего  поток  воздуха  перед  входом  в  оребрение,  благодаря  чему  создаются  более  оптимальные  условия  для  теплообмена.

В  качестве  объекта  исследования  и  последующей  модернизации  выбран  АВОм  венгерского  производства  с  типом  теплообменной  секции  06—10.  Данный  АВОм  массово  эксплуатируется  на  компрессорных  станциях  магистральных  газопроводов  (КС  МГ)  для  охлаждения  масла  смазки  ГПА  на  базе  газотурбинной  установки  ГТН-16.  Теплообменник  имеет  горизонтально  расположенный  трубный  пучок,  над  которым  установлены  два  вентилятора,  вытягивающие  воздушный  поток  наверх.  Воздух  к  оребрению  подводится  с  боков  аппарата  через  систему  жалюзи  (рис.  1).  Вследствие  бокового  подвода  воздуха  было  сделано  предположение,  что  поток  воздуха  перед  входом  в  оребрение  распределяется  неравномерно.  Неравномерность  подвода  воздуха,  особенно  при  повышении  его  температуры  в  летний  период,  может  являться  причиной  недостаточной  глубины  охлаждения  масла  [1],  что  влечет  за  собой  уменьшение  вязкости  масла  и  как  следствие  —  снижение  толщины  масляного  клина  в  подшипниках  турбоагрегата.

Рисунок  1.  Аппарат  воздушного  охлаждения:  1  —  крыльчатка  вентилятора;  2  —  трубный  пучок,  3  —  жалюзи,  4  —  направление  движения  воздушного  потока

Для  проверки  предположения  было  проведено  численное  моделирование  аэродинамики  АВОм.  Конструкция  теплообменника  симметрична  относительно  продольной  и  поперечной  вертикальных  плоскостей,  поэтому  для  расчета  была  создана  модель  четверти  маслоохладителя.  Моделирование  было  произведено  в  программе  конечно-элементного  анализа  процессов  гидрогазодинамики  STAR-CCM+.  Все  элементы  АВОм,  за  исключением  густо  оребренного  трубного  пучка  были  смоделированы  в  явном  виде.  Трубный  пучок  был  заменен  пористым  телом  с  эквивалентным  гидравлическими  характеристиками.  Использование  пористого  тела  не  требующего  высокого  разрешения  расчетной  сетки  (в  отличие  от  мелкого  оребрения,  моделируемого  в  явном  виде),  позволило  многократно  сократить  количество  конечных  элементов  модели  и  дало  саму  возможность  произвести  расчет.

Результаты  численного  моделирования  аэродинамики  АВОм  подтвердили,  что  пройдя  систему  жалюзи  и  совершив  поворот  на  90˚,  воздух  на  входе  в  оребрение  распределяется  неравномерно  с  образованием  зон  с  низкими  скоростями  потока  по  краям  и  в  середине  трубного  пучка.

Для  верификации  численной  модели  было  произведено  экспериментальное  исследование  аэродинамики  АВОм  в  условиях  эксплуатации  на  КС  МГ.  Со  средним  отклонением  порядка  15  %  результаты  эксперимента  согласуются  с  результатами  моделирования  (рис.  2).  Минимальные  и  максимальные  значения  скоростей  воздуха  для  различных  участков  секции  аппарата  различаются  в  3,5—4  раза.  В  начале  теплообменной  секции  была  отмечена  «застойная»  зона  со  скоростями  потока  0,3—0,9  м/с.  В  ядре  потока  расположенном  под  вентилятором  скорость  изменялась  в  пределах  2,8—3,2  м/с  [2].

Рисунок  2.  Поля  скоростей  воздуха  на  входе  в  теплообменную  секцию  АВОм:  a  —  результат  моделирования;  b  —  результат  измерения

Хорошее  качественное  и  количественное  совпадение  результатов,  позволило  верифицировать  численную  модель  и  оправданно  использовать  ее  для  проведения  расчетов  по  поиску  более  рациональной  системы  подвода  воздуха  с  целью  ее  модернизации.

В  качестве  решения  поставленной  задачи  было  предложено  спроектировать  направляющий  аппарат  (НА),  позволяющий  более  равномерно  распределить  воздушный  поток  на  входе  в  теплообменную  секцию.

Поиск  оптимальной  геометрии  поверхностей  НА  производился  посредством  вариантных  расчетов  на  верифицированной  модели  [3].  К  направляющему  аппарату  было  выдвинуто  требование  «максимальное  снижение  неравномерности  поля  скоростей  на  входе  в  оребрение,  при  условии  минимальных  гидравлических  потерь,  простоты  и  технологичности  изготовления  конструкции».  В  итоге  была  выбрана  конструкция,  состоящая  из  пяти  направляющих,  спрофилированных  по  потоку,  и  одной  поперечной  разделяющей  перегородки,  цель  которой  —  оттеснение  части  потока  к  периферии  трубного  пучка.  Геометрия  полученных  направляющих  хорошо  описывается  при  помощи  полиномов  четвертой  степени.

Спроектированный  и  изготовленный  НА  прошел  испытания  в  условиях  эксплуатации  на  АВОм  Карпинского  ЛПУ  МГ  (ООО  «Газпром  трансгаз  Югорск»).  Экспериментальная  конструкции  направляющего  аппарата  (рис.  3)  была  выполнена  из  сотового  поликарбоната.  Эффективность  работы  НА  оценивалась  по  теплосъему  секции  АВОм  до  и  после  установки  экспериментальной  конструкции.

Рисунок  3.  Направляющий  аппарат  (половина)  смонтированный  в  подсекционном  пространстве  АВОм

Измеренное  поле  скоростей  после  установки  направляющего  аппарата,  как  качественно  так  и  количественно  соответствует  данным  полученным  при  моделировании  (рис.  4).  После  установки  НА  ядро  потока  разделяется  на  4  (5  —  при  моделировании)  составляющие,  градиент  скорости  по  фронту  оребрения  снижается.  На  внутреннем  радиусе,  сразу  за  жалюзи,  средняя  скорость  воздуха  в  застойной  зоне  повышается  до  1,3  м/с.  Средние  скорости  воздуха  в  отдельных  субядрах  остаются  на  уровне  2,55—2,65  м/с  (рис.  4,b).  По  сравнению  с  экспериментом  моделирование  показало  больший  градиент  скорости.  В  частности,  в  ядре  потока  средняя  модельная  скорость  больше  экспериментальной  на  12  %  и  19  %  (до  и  после  установки  НА  соответственно).

Рисунок  4.  Поле  скоростей  воздуха  на  входе  в  теплообменную  секцию  с  установленным  направляющим  аппаратом:  a  —  результат  моделирования;  b  —  результат  измерения

С  установленным  направляющим  аппаратом  удельный  теплосъем  секции  увеличился  на  4—9  %  (в  зависимости  от  температуры  начальных  температур  теплоносителей)  по  сравнению  со  значением,  полученным  без  направляющего  аппарата  (рис.  5).  В  первом  измерении  температура  воздуха  составляла  -0,2  °С,  температура  масла  -  +47,5  °С,  во  втором  2,6  °С  и  40,2  °С  соответственно. 

Рисунок  7.  Удельный  теплосъем  секции  АВОм:  1  —  результат  измерения  до  установки  направляющего  аппарата;  2  —  результат  измерения  после  установки  направляющего  аппарата,  =2,6°С,  =40,2°С;  3  —  результат  измерения  после  установки  направляющего  аппарата,  =-0,2°С,  =47,5°С;  линией  показано  значение  теплосъема  согласно  паспортным  данным  АВОм  [4]

Заключение

1.  Установлено,  что  использование  сравнительно  простой  конструкции  направляющего  аппарата,  выравнивающего  поток  на  входе  в  теплообменную  секцию,  способствует  повышению  надежности  эксплуатации  газотурбинной  установки  за  счет  увеличения  эффективности  работы  маслоохладителя.

2.  Сопоставление  результатов  экспериментального  и  расчетного  исследований  показало  их  хорошее  совпадение,  что  позволяет  рассматривать  методику  численного  моделирования  АВО,  как  верифицированную  и  дает  возможность  ее  обоснованного  применения  на  аппаратах  воздушного  охлаждения  другого  типа.

3.  По  нашему  мнению,  применение  направляющего  аппарата  в  воздушном  тракте  АВОм  в  летний  период  эксплуатации  можно  рекомендовать  и  для  АВО  другого  типа,  в  первую  очередь  для  АВО  газа  с  вентиляторами,  работающими  в  режиме  нагнетания.

Список  литературы:

1.Идельчик  И.Е.  Аэрогидродинамика  технологических  аппаратов.  (Подвод,  отвод  и  распределение  потока  по  сечению  аппаратов).  М.:  Машиностроение,  1983.  —  С.  38.

2.Неволин  А.М.,  Плотников  П.Н.  Исследование  эффективности  работы  аппаратов  воздушного  охлаждения  масла  ГТУ  //  Тяжелое  машиностроение.  —  2012.  —  №  4.  —  С.  26—29.

3.Неволин  А.М.,  Плотников  П.Н.  Совершенствование  аэродинамики  аппаратов  воздушного  охлаждения  масла  ГТУ.  Фундаментальные  и  прикладные  проблемы  науки.  Т.  2.  Материалы  VIII  Международного  симпозиума.  М.:  РАН,  2013.  —  С.  46—50.

4.Техническое  описание  и  инструкция  по  монтажу,  эксплуатации  и  уходу  за  группой  маслоохладителей  зимнего  исполнения  типа  06-10  Будапешт:  Институт  Энергетики  1979  г.