RU2576601C2 - Система снабжения маслом для стационарной турбомашины - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системе снабжения маслом для стационарной газовой турбины, в которой на основании нового соединения компонентов системы снабжения маслом, таких как масляный бак, насосы и теплообменник, а также системы трубопроводов, обеспечивается возможность надежной работы газовой турбины даже при возникающих в течение нескольких часов окружающих температурах до 60°С, без необходимости выполнения этих компонентов для более высоких рабочих температур. Для этого предусмотрено, что масляный бак имеет две расположенные горизонтально друг над другом зоны для хранения масла, при этом обе зоны отделены друг от друга большей частью или полностью с помощью разделительного элемента. Технический результат изобретения - обеспечение возможности достаточного охлаждения масла без необходимости более мощных компонентов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к системе снабжения маслом для стационарной турбомашины, содержащей масляный бак, по меньшей мере один насос, теплообменник для охлаждения масла и соединяющую эти компоненты систему трубопроводов. Кроме того, изобретение относится к стационарной газовой турбине, которая содержит подобную систему снабжения маслом.

Известные из уровня техники системы снабжения маслом применяются, например, для смазки радиальных и осевых подшипников газовых турбин. В подшипниках газовой турбины установлен ротор газовой турбины, который обычно вращается со скоростью вращения 3000 об/мин, соответственно, 3900 об/мин во время работы газовой турбины. Соединенный с ротором генератор затем преобразует подаваемую в газовую турбину в ископаемом топливе энергию в электрическую энергию. При этом подшипники имеют, как правило, систему приподнимающего масла и систему смазочного масла. Приподнимающее масло требуется в радиальных подшипниках с целью обеспечения возможности пуска, соответственно, остановки газовой турбины за счет гидростатической смазки при сравнительно небольшой скорости вращения ротора, без возникновения повреждений в подшипниках и на роторе. Система смазочного масла служит для снабжения подшипников в номинальном режиме, т.е. при более высоких скоростях вращения, которые обеспечивают возможность гидростатической смазки. Часто система приподнимающего масла и система смазочного масла имеют общий масляный бак, в которых хранится возвращаемое из подшипников масло. Хранящееся после использования в масляном баке масло имеет на основании трения, которому оно подвергается в подшипнике, и на основании окружения, в котором оно находится, в большинстве случаев температуру от 80°C до 90°C. Масляный бак имеет, как правило, такие размеры, что возвращаемое количество смазочного масла может оставаться в нем так долго, что может выходить растворенный в нем воздух в достаточном количестве, прежде чем масло снова подается в систему приподнимающего масла, соответственно, смазочного масла.

В подводящем трубопроводе системы смазочного масла дополнительно предусмотрен теплообменник, с целью охлаждения извлекаемого из масляного бака с температурой примерно 70°C смазочного масла до предварительной температуры примерно 40-50°C. Теплообменник выполнен, например, в виде охлаждаемого воздухом или охлаждаемого водой теплообменника, который при необходимости снабжен охлаждающим вентилятором. Такая система известна, например, из DE 4304482 A1.

Однако недостатком является то, что при очень высокой окружающей температуре примерно 50°C и в редких случаях еще выше, не может быть обеспечена возможность охлаждения смазочного масла до 50°C, максимально допустимой предварительной температуры, с помощью охлаждаемого воздухом теплообменника, а охлаждаемый водой теплообменник, как правило, отсутствует на электростанциях лишь с газовыми турбинами. В таких случаях предварительную температуру смазочного масла можно понижать до значения 50°C (или ниже) лишь за счет того, что дополнительно к охлаждаемому воздухом теплообменнику в подводящем трубопроводе используется компрессионная холодильная машина. Однако такое переоснащение сопровождается повышением стоимости и ухудшает общий коэффициент полезного действия установки за счет повышенного расхода энергии на основании применения компрессора холодильной машины. Кроме того, применение дополнительного компонента, т.е. компрессорной холодильной машины, создает опасность для готовности газовой турбины. Дополнительно к этому, другим ограничивающим краевым условием является то, что предусмотренный в контуре циркуляции приподнимающего масла насос для приподнимающего масла не должен работать с температурой масла 73°C или выше. Это обуславливается тем, что превышение температуры масла приводит к слишком низкой вязкости масла (например, меньше 10 сантистокс), что больше не обеспечивает возможность безопасной и надежной работы насоса приподнимающего масла. Хотя существует возможность применения для этого подходящих насосов, однако они значительно дороже.

Кроме того, при превышении температуры масла примерно 75°C существует опасность того, что во время работы подшипники больше не достаточно охлаждаются. Это также создает опасность для надежной работы газовой турбины.

Кроме того, из US 4105093 известно применение в системах смазочного масла находящихся под давлением резервуаров. Это обеспечивается с помощью насоса и теплообменника с охлаждаемым гидравлическим средством. Недостатком этого варианта выполнения является то, что насосы расположены в более теплой зоне бака, так что и там могут возникать указанные выше проблемы относительно вязкости. Дополнительно к этому, в US 5611411 раскрыта не охлаждаемая система смазочного масла для турбинного генератора, вертикально разделенный бак которого обеспечивает возможность выравнивания смазочного средства через заслонку.

Поэтому задачей изобретения является создание системы снабжения маслом для стационарной турбомашины, которая также при очень высоких окружающих температурах, между 50°C и 70°C, обеспечивает возможность достаточного охлаждения масла системы снабжения маслом без необходимости более мощных компонентов или компонентов с более высокими допустимыми рабочими температурами.

Положенная в основу изобретения задача решена с помощью системы снабжения маслом с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения системы снабжения маслом указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению предусмотрено, что указанная в начале система снабжения маслом имеет масляный бак с двумя горизонтально расположенными друг над другом зонами для хранения масла, при этом обе зоны большей частью или полностью отделены друг от друга с помощью разделительного элемента. Пространственное разделение осуществляется с целью хранения масла с двумя различными уровнями температуры в лежащих друг над другом зонах. Одновременно должно максимально или полностью предотвращаться беспрепятственное смешивание теплого и холодного масла. При этом предпочтительно предусмотрено, что нагретое за счет смазки масло из возвратного трубопровода направляется в верхнюю зону масляного бака. На основании еще сравнительно высокой температуры и достаточного времени пребывания смазочного масла в верхней зоне масляного бака, может выходить растворенный в возвращаемом масле воздух. Лишенное воздуха масло всасывается с помощью предусмотренного в трубопроводе рециркуляции рециркуляционного насоса и направляется через включенный последовательно охлаждаемый воздухом теплообменник, в котором оно охлаждается до температуры, которая лежит слегка выше окружающей температуры. Таким образом, масло в худшем случае охлаждается до температуры примерно 60°C. Затем охлажденное масло подается в нижнюю зону масляного бака. Там оно хранится для использования в указанных выше целях. Для обеспечения возможности снабжения насоса приподнимающего масла всегда достаточно холодным маслом, соединение трубопровода приподнимающего масла расположено на масляном баке вблизи зоны входа рециркуляционного трубопровода. При наличии, основной, вспомогательный и/или аварийный насос всасывают масло из нижней температурной зоны масляного бака.

За счет перемещения теплообменника системы снабжения маслом в рециркуляционный трубопровод, т.е. перед насосами приподнимающего масла и смазочного масла, обеспечивается возможность повышения предварительной температуры смазочного масла примерно до окружающей температуры, без одновременного превышения максимальной температуры всасывания 73°C для работы насоса приподнимающего масла, поскольку максимально невероятно, что в месте установки турбомашины длительно возникают такие высокие окружающие температуры. За счет повышения предварительной температуры и тем самым также возвратной температуры по сравнению с температурами, согласно уровню техники, даже при очень высоких окружающих температурах примерно 60°C на основании повышаемой охлаждающей мощности (большего понижения Δt температуры), которую может обеспечивать в этом случае охлаждаемый воздухом теплообменник, можно отводить внесенное из смазочного масла тепло без дополнительной компрессорной холодильной машины.

Не совсем полное разделение обеих зон обеспечивает, что в нижней зоне всегда может храниться достаточно масла, и она тем самым при отказе не может полностью опустошаться. За счет этого также не возникает разрежение в нижней зоне масляного бака, когда масло с помощью насосов извлекается из масляного бака и одновременно в насосе рециркуляции не транспортируется масло.

В противоположность этому, полное разделение обеих зон обеспечивает, что в контур циркуляции масла всегда всасывается лишь охлажденное масло. При необходимости, в этом случае также нижняя зона масляного бака может иметь собственную вентиляцию.

Система трубопроводов содержит рециркуляционный трубопровод, в котором предусмотрены рециркуляционный насос и охлаждаемый воздухом теплообменник и который соединяет друг с другом с возможностью прохождения текучей среды обе зоны масляного бака снаружи масляного бака так, что с помощью рециркуляционного насоса обеспечивается возможность транспортировки масла из верхней зоны масляного бака в нижнюю зону масляного бака. Кроме того, система трубопроводов содержит трубопровод приподнимающего масла, первый конец которого для извлечения приподнимающего масла из масляного бака расположен в нижней зоне масляного бака, при этом в трубопроводе приподнимающего масла предусмотрен насос приподнимающего масла в качестве по меньшей мере одного насоса.

Предпочтительно, входящие в нижнюю зону концы рециркуляционного трубопровода и трубопровода приподнимающего масла расположены на одной и той же стороне масляного бака. Согласно другому предпочтительному варианту выполнения система трубопроводов содержит по меньшей мере один трубопровод смазочного масла, первый конец которого для извлечения смазочного масла из масляного бака расположен в нижней зоне масляного бака и в котором расположен насос смазочного масла в качестве по меньшей мере одного насоса. Предпочтительно, система трубопроводов имеет в качестве возврата трубопровод для обратной подачи масла для возврата масла из турбомашины в масляный бак, который входит в верхнюю зону масляного бака.

Кроме того, выходящий в нижнюю зону конец трубопровода приподнимающего масла и входящий в верхнюю зону трубопровод возврата масла предпочтительно расположены на противоположных сторонах масляного бака. Дополнительно или в качестве альтернативного решения, предпочтительно предусмотрено, что расположенное в верхней зоне соединение рециркуляционного трубопровода и входящий в верхнюю зону трубопровод возврата масла расположены на противоположных сторонах масляного бака. Другими словами, соединение подающего в масляный бак более теплое масло в направлении потока масла внутри масляного бака трубопровода удалено возможно дальше от соединений извлекающих из масляного бака приподнимающее масло трубопроводов, с целью предотвращения преждевременного всасывания и повторного применения, соответственно, подачи еще слишком теплого и/или еще содержащего воздух масла.

Другие преимущества и признаки изобретения поясняются ниже на примере выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором схематично изображено:

единственная фигура - система снабжения маслом стационарной турбомашины.

На единственной фигуре схематично показана система 10 снабжения маслом не изображенной турбомашины. Предпочтительно, турбомашина выполнена в виде стационарной газовой турбины. Система 10 снабжения маслом содержит масляный бак 12 для хранения масла, которое требуется для смазки газовой турбины и приподнимания ротора газовой турбины в соответствующих подшипниках. Кроме того, система 10 снабжения маслом содержит систему 13 приподнимающего масла с насосом 14 приподнимающего масла, который расположен в трубопроводе 16 приподнимающего масла. Нижний по потоку конец трубопровода 16 приподнимающего масла заканчивается у подшипников газовой турбины, с целью подачи этого приподнимающего масла. При этом насос 14 приподнимающего масла выполнен в виде насоса высокого давления.

Согласно показанному на единственной фигуре примеру выполнения система 17 смазочного масла содержит три трубопровода 22, 24, 26 смазочного масла, в каждом из которых расположен соответствующий насос 18, 20, 22 в качестве основного, вспомогательного или аварийного насоса смазочного масла. Трубопроводы 22, 24 смазочного масла соединяются в общий трубопровод 23 смазочного масла, в котором предусмотрена установка 28 фильтрации масла. После установки 28 фильтрации масла трубопровод 23 смазочного масла и трубопровод 26 смазочного масла соединяются в другой трубопровод 30 смазочного масла, нижний по потоку конец которого заканчивается у подшипников газовой турбины, с целью подачи в них смазочного масла.

Текущее обратно из подшипников масло, будь то приподнимающее масло или смазочное масло, подается через трубопровод 32 возврата масла в масляный бак 12, за счет чего как система 13 приподнимающего масла, так и система 17 смазочного масла имеют замкнутый контур циркуляции масла.

Масляный бак 12 снабжен разделительным элементом 34. Разделительный элемент 34 выполнен, например, в виде проходящего горизонтально в масляном баке 12 металлического листа и разделяет масляный бак 12 на две горизонтально лежащие друг над другом зоны 36, 38. Первая зона 36 лежит под разделительным элементом 34, а вторая зона 38 масляного бака 12 лежит над разделительным элементом 34. Первая зона 36 называется нижней зоной, а вторая зона 38 - верхней зоной.

Для предотвращения использования большого масляного бака 12, соответственно, использования большого количества масла, возможно, что разделительный элемент 34 выполнен в виде разделительного элемента с отверстиями. Количество отверстий 41 разделительного элемента сравнительно небольшое и их диаметр скорее невелик, так что лишь небольшая доля обычно хранящегося в верхней зоне 38 более горячего масла может попадать через отверстия 41 в нижнюю зону 36 масляного бака 12, что удерживает температуру масла там на более низком уровне.

При этом трубопровод 32 возврата масла входит в верхнюю зону 38 масляного бака 12. На противоположной концу трубопровода 32 возврата масла стороне масляного бака 12 с верхней зоной 38 соединен рециркуляционный трубопровод 37. В этот рециркуляционный трубопровод 37 включены последовательно рециркуляционный насос 39, а также теплообменник 40. Рециркуляционный трубопровод 37 заканчивается в нижней зоне масляного бака 12. С помощью рециркуляционного трубопровода 37 обеспечивается возможность транспортировки масла из верхней зоны 38 масляного бака 12 в нижнюю зону 36 масляного бака.

В стационарном режиме работы газовой турбины нагретое масло, например, с температурой примерно 80°C, попадает через трубопровод 32 возврата масла в верхнюю зону 38 масляного бака 12. Таким образом, в верхней зоне 38 масляного бака 12 хранится сравнительно теплое масло. На основании еще сравнительно высокой температуры и достаточного времени пребывания, может улетучиваться еще растворенный в масле воздух. После этого масло транспортируется из верхней зоны 38 через рециркуляционный трубопровод 37 с помощью рециркуляционного насоса 39 в нижнюю зону 36 масляного бака 12. Одновременно транспортируемое масло проходит через теплообменник 40, который охлаждает масло до более низкой температуры. Предпочтительно, теплообменник 40 является охлаждаемым воздухом теплообменником с охлаждающим вентилятором 42, за счет чего он может работать особенно эффективно. С помощью охлаждаемого воздухом теплообменника 40 рециркулируемое масло охлаждается примерно до окружающей температуры или слегка выше. Поскольку в местах установки стационарных газовых турбин окружающие температуры 55°C в течение продолжительного времени являются очень редкими, то в принципе можно исключить, что масло после охлаждения имеет температуру свыше 60°C. Тем самым в нижней зоне 36 масляного бака 12 всегда находится масло с температурой максимально 60°C.

Как трубопровод 16 приподнимающего масла, так и трубопроводы 22, 24, 26 смазочного масла соединены по текучей среде с нижней зоной 36. За счет этого обеспечивается, что каждый из этих трубопроводов 16, 22, 24, 26 всегда всасывает масло, и каждый насос 14, 18, 20, 22 системы 17 смазочного масла и системы 13 приподнимающего масла всегда транспортирует масло к подшипникам газовой турбины, температура которого составляет максимально 60°C. Тем самым обеспечивается, что насос 14 приподнимающего масла всасывает масло с температурой, которая лежит намного ниже критической температуры всасывания 73°C. Это исключает необходимость применения более мощного насоса приподнимающего масла, соответственно, применения насоса приподнимающего масла с более высокой допустимой рабочей температурой, чем 73°C, с которой вязкость масла может быть слишком малой для работы насоса.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что для регулирования предварительной температуры смазочного масла в трубопроводах 22, 23, 24, 26, 30 больше не требуется обводного переключения. Регулирование осуществляется, например, посредством понижения, соответственно, повышения объема транспортировки рециркуляционного насоса 39 или посредством регулирования скорости вращения охлаждающего вентилятора 42.

Применение рециркуляционного насоса 39 не является обязательно необходимым. Согласно одному альтернативному, однако не изображенному варианту выполнения рециркуляционный насос 39 может без замены отсутствовать. В этом случае должен быть соответствующим образом выполнен масляный бак 12 с полностью разделяющим обе зоны 36, 38 разделительным элементом 34. Рециркуляционный трубопровод 37 подключен в этом случае так, что масло всегда может стекать через теплообменник из верхней зоны 38 в нижнюю зону 36 самостоятельно, соответственно, с помощью насосов.

В целом, с помощью изобретения создана система 10 снабжения маслом для стационарной газовой турбины, в которой на основании нового соединения компонентов системы снабжения маслом, таких как масляный бак 12, насосы 14, 18, 20, 22 и теплообменник 40, а также системы трубопроводов обеспечивается возможность надежной работы газовой турбины даже при возникающих в течение нескольких часов окружающих температурах до 60°C, без необходимости выполнения этих компонентов для более высоких рабочих температур. Для этого согласно изобретению предусмотрено, что масляный бак 12 имеет две расположенные горизонтально друг над другом зоны 36, 38 для хранения масла, при этом обе зоны 36, 38 отделены друг от друга большей частью или полностью с помощью разделительного элемента 34.

Claims (8)

1. Система (10) снабжения маслом для стационарной турбомашины, содержащая масляный бак (12), по меньшей мере один насос, теплообменник (40) для охлаждения масла и систему трубопроводов, отличающаяся тем, что
масляный бак (12) имеет две расположенные горизонтально друг над другом зоны (36, 38) для хранения масла, при этом обе зоны (36, 38) отделены друг от друга большей частью или полностью с помощью разделительного элемента (34), и
система трубопроводов содержит рециркуляционный трубопровод (37), в котором предусмотрены теплообменник (40) и рециркуляционный насос (39) и который соединяет друг с другом с возможностью прохождения текучей среды обе зоны (36, 38) так, что с помощью рециркуляционного насоса (39) обеспечивается возможность транспортировки масла из верхней зоны (38) масляного бака (12) в нижнюю зону (36), и
система трубопроводов содержит трубопровод (16) приподнимающего масла, первый конец которого для извлечения приподнимающего масла расположен в нижней зоне (36) масляного бака (12), при этом в трубопроводе (16) приподнимающего масла предусмотрен насос (14) приподнимающего масла в качестве одного из упомянутого по меньшей мере одного насоса.

2. Система (10) снабжения маслом по п. 1, в которой входящие в нижнюю зону (36) концы рециркуляционного трубопровода (37) и трубопровода (16) приподнимающего масла расположены на одной и той же стороне масляного бака (12).

3. Система (10) снабжения маслом по любому из пп. 1 или 2, в которой система трубопроводов содержит по меньшей мере один трубопровод (22, 24, 26) смазочного масла, первый конец которого для извлечения смазочного масла расположен в нижней зоне (36) масляного бака (12) и в котором предусмотрен соответствующий насос (18, 20, 22) смазочного масла в качестве по меньшей мере одного насоса.

4. Система (10) снабжения маслом по п. 1 или 2, в которой система трубопроводов имеет в качестве возврата трубопровод возврата масла для возврата масла из турбомашины в масляный бак (12), который входит в верхнюю зону (38) масляного бака (12).

5. Система (10) снабжения маслом по п. 3, в которой система трубопроводов имеет в качестве возврата трубопровод возврата масла для возврата масла из турбомашины в масляный бак (12), который входит в верхнюю зону (38) масляного бака (12).

6. Система снабжения маслом по п. 4, в которой выходящий в нижней зоне (36) конец трубопровода (16) приподнимающего масла и/или расположенное в верхней зоне соединение рециркуляционного трубопровода (37) и входящий в верхнюю зону (38) трубопровод (32) возврата масла расположены на противоположных сторонах масляного бака (12).

7. Система снабжения маслом по п. 5, в которой выходящий в нижней зоне (36) конец трубопровода (16) приподнимающего масла и/или расположенное в верхней зоне соединение рециркуляционного трубопровода (37) и входящий в верхнюю зону (38) трубопровод (32) возврата масла расположены на противоположных сторонах масляного бака (12).

8. Стационарная газовая турбина, содержащая систему (10) снабжения маслом по любому из пп. 1-7.

Images