CC BY
124
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: alexandr_nevolin@mail. ru 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: plot24@mail. ru
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.
5100
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 8ТЛЯ-ССМ+. 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; Ь — 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,Ь). 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: а — результат моделирования;
Ь — 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.
