Способ предотвращения коксования масла в опоре турбины газотурбинного двигателя, работающего в составе газоперекачивающего агрегата, либо энергоустановки для привода электрогенератора

 

Способ может быть использован для предотвращения коксования масла на элементах опоры ГТД при аварийных внезапных выключениях двигателя. Подача холодного воздуха после аварийного выключения двигателя происходит в результате холодной прокрутки ротора. Воздух подают через трубы сброса воздуха, надувающего уплотнения масляной турбины, в предмаслянную поддувающую полость от внешнего энергоисточника. Воздух подают с температурой ниже 100^oC в течение времени, определяемого математическим выражением, приведенным в формуле изобретения. По истечении указанного интервала времени температура элементов турбины, контактирующих в процессе работы с маслом, снижается до величины, исключающей коксование масла. Дальше продолжают нормальную эксплуатацию двигателя. 3 ил.

Изобретение относится к охлаждаемым и неохлаждаемым газовым турбинам ГТД, используемым в качестве привода газоперекачивающего агрегата или энергоустановки и предназначено для предотвращения коксования масла на элементах опоры турбины ГТД при аварийных (внезапных) выключениях двигателя (АВД).

Как показал опыт эксплуатации ГТД НК-16СТ (созданного на базе двигателя НК-8-2У), наработавшего в составе газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16 около 10 млн.ч, у отдельных ГТД имеет место по несколько десятков АВД. Причем они зачастую происходят по причинам, не связанным с нарушениями работоспособности двигателя (например из-за отказов газового компрессора, загазованности двигательного отсека и др.). АВД производятся автоматически по программе, предусмотренной системой защиты ГПА или энергоустановки.

Указанные АВД являются причиной интенсивного коксования масла на стенках масляной полости опоры турбины, подшипниках, трубопроводах подачи и откачки масла, в каналах суфлирования. Коксование происходит из-за резко повышающейся после АВД температуры указанных элементов вследствие резко увеличивающейся теплопередачи от нагретых до значительно более высокой температуры лопаток, дисков, проставок, стоек опоры турбины и пр. в вышеперечисленные детали, имеющие в момент выключения двигателя сравнительно низкую температуру. Повышение уровня температуры деталей, контактирующих с маслом, после АВД может достигать Δt t=150-200^oC и более относительно исходного рабочего уровня, имевшего место перед АВД.

Разработка двигателей и осмотр элементов опоры турбины показали, что образующийся кокс забивает каналы подвода масла к подшипнику, ухудшает чистоту поверхности их беговых дорожек, уменьшает пропускную способность системы суфлирования, что в ряде случаев приводит к необходимости досрочного снятия и проведения ремонта двигателя для восстановления деталей опоры турбины.

После аварийного (внезапного) выключения ГТД температура опоры турбины сразу же начинает повышаться. Например, для вновь создаваемого высокотемпературного двигателя НК-36СТ, работающего на более качественном масле ИПМ-10, чем двигатель НК-16СТ, - на масле ТП-22 (см. технический отчет нашего предприятия 001. 11010), эта температура через 30-70 мин достигает уровня 345^oC, в то время как допустимой для данного масла является величина температуры деталей масляной полости не более 280^oC.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что в случает АВД НК-36СТ высокий (более 280^oC) уровень температуры сохраняется в течение 2 ч стоянки двигателя НК-36СТ после АВД. Поэтому неизбежно будет происходить отложение кокса в опоре турбины этого двигателя, если не принять специальных мер. Следует отметить, что отложение кокса в таких условиях будет происходить при использовании любого масла, т.к. даже для наиболее термостабильных товарных масел диапазон температур 300-400^oC является зоной их термического разложения, сопровождающегося выделением масла из смолистых веществ и коксообразования.

Известен способ предотвращения коксования масла в опоре турбины ГТД, работающего в составе ГПА или энергоустановки (технический отчет нашего предприятия 001.9702) в случае аварийных выключений, когда масляная полость опоры турбины теплоизолируется от теплоотдающих деталей турбины (лопаток, дисков, проставок и др.), например, с помощью экранов из минеральной ваты, снижающих, как показали экспериментальные испытания, температуру стенок маслополости на 30^oC для условий двигателя НК-16СТ.

Недостатком способа теплоизоляции маслополости является ее низкая эффективность ( ≈30^oC для двигателя НК-16СТ) и вследствие этого, как показал эксперимент, сохраняющийся после аварийных (внезапных) выключений ГТД недопустимо высокой (выше, чем по техническим условиям) уровень температур стенок маслополости - в течение 1,5 ч вместо 1 ч без дополнительной теплоизоляции маслополости. Это объясняется увеличением тепловой инерционности опоры, вызванной дополнительной аккумуляцией тепла самими экранами из минеральной ваты, а также менее интенсивной теплопередачей от нагретой маслополости в режиме ее охлаждения.

Известен способ предотвращения коксования масла в опоре турбины ГТД, работающего в составе газоперекачивающего агрегата или энергоустановки (технический отчет нашего предприятия 001.10676 для двигателя-прототипа с тем же газогенератором, что и двигатель НК-36СТ), при котором на двигателе после АВД проводят "холодные" прокрутки его роторов от турбостартера (без розжига сгорания) для охлаждения опоры и других деталей турбины, передающих тепло в масляную полость. Охлаждение опоры и других деталей турбины (лопаток, дисков, проставок и др.) происходит в этом случае за счет принудительного протока атмосферного воздуха через газовый тракт и через воздушные полости турбины. Как показали экспериментальные испытания, выполнение холодных прокруток после аварийных (внезапных) выключений двигателя снижает уровень температуры деталей маслополости до температуры, указанной в технических условиях двигателя и исключающей коксование масла.

Однако, как показано экспериментальные испытания, проведение холодных прокруток после АВД в отдельных случаях может приводить к резким всплескам температур (до 870^oC) с междиафрагменной полости опоры турбины (см. фиг. 1, а), в отличие от обычного изменения температуры деталей опоры турбины после АВД без технологических мероприятий по охлаждению деталей опоры (фиг. 1,б). Это связано с утечками масла из масляной полости опоры турбины на холодных прокрутках и его возгоранием в междиафрагменной полости. Утечки масла происходят вследствие неэффективной работы насосов откачки масла из опоры турбины на малых оборотах роторов в процессе холодных прокруток, а также из-за отсутствия достаточных перепадов давлений на уплотнениях опоры турбины на этих режимах.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы деталей опоры турбины ГТД, работающего в составе газоперекачивающего агрегата или энергоустановки для привода электрогенератора за счет снижения уровня экстремальных тепловых нагрузок на ее элементы.

Цель достигается тем, что после аварийных выключений ГТД, работающего в составе ГПА или энергоустановки, охлаждают детали масляной полости опоры турбины продувкой воздухом от внешнего (стендового) источника через трубы сброса воздуха, наддувающего полость перед уплотнениями (см. фиг. 2) в течение времени, по истечении которого температура элементов турбины, контактирующих в процессе работы с маслом, снижается до величины, исключающей его коксование, после чего продолжают нормальную эксплуатацию ГТД.

Отличительных признаков в других объектах техники не обнаружено.

Сущность способа заключается в обеспечении "щадящего" теплового состояния опоры турбины, исключающего возможность коксования масла на элементах турбины ГТД, контактирующих с маслом, после аварийных выключений двигателя, работающего в составе ГПА или энергоустановки, охлаждением деталей маслополости и ее стенок путем подачи охладителя через трубы сброса воздуха, наддувающего лабиринтные или радиально-торцевые контактные уплотнения, в наддувающую полость перед уплотнениями.

Достоинством предлагаемого способа является то, что для его реализации не требуется существенных затрат на изменение конструкции двигателя, необходима лишь прокладка в ГПА специальных трубопроводов от источника сжатого до P=1,4 кг/см² воздуха, исполнительного и управляющего механизмов.

Результаты экспериментальных исследований по определению потребного времени принудительного охлаждения основных элементов опоры (стоек, диафрагм, корпусов подшипников, крышек уплотнений и др.) при продувке их воздухом, выполненные при экспериментальных доводочных стендовых испытаниях ГТД-НК-16СТ, НК-36СТ с точностью ±10%, обобщались эмпирической зависимостью где t_нач[^oC] - начальная температура элементов опоры турбины, контактирующих с маслом в момент АВД; t_i[^oC] - текущая температура элементов опоры турбины, контактирующих с маслом при продувке их воздухом от внешнего энергоисточника; G_охл[кг/с] - расход охлаждающего воздуха, подаваемого в опору после АВД; G_баз=0,1 кг/с - расход охлаждающего воздуха в базовом эксперименте; τ [сек] - необходимое время продувки от начала подачи охлаждающего воздуха; t_возд[^oC] температура охлаждающего воздуха от источника сжатого воздуха на входе в трубы сброса (по результатам экспериментальных стендовых исследований t_возд ≅ 100^oC).

Формула (I) позволяет с достаточной для практики точностью выбирать расходы охлаждающего воздуха для принудительного охлаждения опоры после АВД и назначать необходимое время продувки. При этом следует учитывать, что в случае продувки масловоздушной полости в течение τ <55-60 мин с момента АВД, после ее прекращения происходит некоторое (на 30-50^oC) увеливение температуры элементов опоры турбины.

На фиг. 3 изображен пример графика зависимости температуры элементов опоры турбины (t_i), контактирующих с маслом, от времени продувки охлаждающим воздухом масловоздушной полости ( τ ) при подаче его от внешнего энергоисточника через воздушные магистрали (трубы сброса воздуха) для двигателя НК-36СТ.

Как видно из фиг. 3, при подаче охлаждающего воздуха через трубы сброса воздуха, наддувающего уплотнения масляной полости опоры турбины, в наддувающую полость перед уплотнениями после АВД значительно снижается температура элементов опоры турбины по сравнению со случает без его подачи, например при G_охл.= 0,082 кг/с от Δt=2-3^oC при τ =6 до Δt =288^o при τ =65-68' для корпуса подшипников опоры турбины двигателя НК-36СТ. В случае отсутствия подачи охлаждающего воздуха (кривая I - t_{корп.оп.}=f( τ ) температура корпуса подшипников опоры турбины повышается через 30 мин после АВД до t_{корп.подш.}=345^oC при допустимой температуре деталей масляной полости не более 280^oC, определяемой термоокислительной стабильностью синтетического масла ИПМ-10.

Формула изобретения

Способ предотвращения коксования масла в опоре турбины газотурбинного двигателя, работающего в составе газоперекачивающего агрегата либо энергоустановки для привода электрогенератора, заключающийся в том, что после аварийных выключений двигателя с основного эксплуатационного режима осуществляют холодную прокрутку ротора и подачу воздуха, проходящего через газовый тракт и воздушные полости турбины для охлаждения опоры и других деталей турбины двигателя, отдающих тепло в масляную полость турбины, отличающийся тем, что подачу воздуха осуществляют через трубы сброса воздуха, наддувающего уплотнения масляной полости турбины, в предмасляную наддувающую полость от внешнего энергоисточника с температурой t_возд ≅ 100^oС в течение такого интервала времени
по истечении которого температура элементов турбины, контактирующих в процессе работы с маслом, снижается до величины, исключающей коксование масла, после чего продолжают нормальную эксплуатацию двигателя,
где t_нач начальная температура элементов опоры турбины, контактирующих с маслом в момент аварийного выключения двигателя;
t_i текущая температура этих элементов при продувке их воздухом от внешнего энергоисточника;
G_охл расход охлаждающего воздуха, подаваемого в опору после аварийного выключения двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3