ОСЕВОЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области энергетики, в частности к газотурбинному двигателестроению, и может быть использована в других отраслях народного хозяйства, где применяются устройства для сжатия и подачи воздуха, например, в области авиационного двигателестроения.
Известны осевые многоступенчатые компрессоры, содержащие корпус с внутренней полостью, в которой размещен лопаточный аппарат со ступенями, каждая из которых включает рабочую и направляющую лопатки. Перед лопаточным аппаратом установлены полые стойки с отверстиями или форсунки для впрыска воды, соединенные трубопроводом с емкостью с водой через насос и коллектор. [«Результаты испытаний компрессора установки МЭС-60 с впрыском воды в проточную часть»; Беляев В.Е., Середа С.О., Гельмедов Ф.Ш., Мунтянов И.Г., Мунтянов Г.Л., Газотурбинные технологии, 2005, N 4, с.16-20.]. Впрыск воды перед лопаточным аппаратом уменьшает мощность, затрачиваемую на привод компрессора, на 2...4%.
Однако заполнение потока воздуха каплями воды происходит неравномерно по его объему, а из-за сепарации воды на корпус компрессора количество испарившейся воды по отношению к расходу впрыснутой воды уменьшается. В результате процесс сжатия основного количества воздуха в компрессоре происходит без достаточного его испарительного охлаждения, что отрицательно сказывается на рост кпд компрессора. Кроме того, впрыск перед лопаточным аппаратом не позволяет полностью промыть от отложений поверхность всех лопаток компрессора. Одновременно при этом возрастает эрозионная и вибрационная опасность для лопаток компрессора.
Известен впрыскивающий пароохладитель [патент RU №2206822, F22G 5/12, опубликован 20.06.03], предназначенный для охлаждения потока пара впрыском в него воды. Впрыск осуществляется с помощью водоподводящего насадка с форсункой на выходном конце, пропущенного
через отверстие в стенке корпуса паропровода на минимальную величину из условия возможности размещения форсунки. Форсунка ориентирована в спутном направлении под углом к потоку пара. Вода распиливается форсункой и попадает в поток пара, охлаждая его до нужной температуры.
Использование указанного устройства в компрессоре не позволит равномерно заполнить поток воздуха каплями воды, в результате чего ухудшится ее испаряемость и, соответственно, кпд компрессора. Также из-за неравномерности распределения воды в потоке воздуха не может быть полностью промыта поверхность лопаток компрессора от отложений и появляется опасность появления эрозии и вибрации лопаток вследствие чрезмерной локальной концентрации воды.
Известен компрессор [патент RU №2261351, F02C 9/00, опубликован 2005.09.27], во входном канале которого равномерно по его окружности установлены форсунки, к которым через коллектор по трубопроводам из бака подводят воду. Необходимое давление воды и ее расход создаются насосом. Количество впрыскиваемой воды находится в пределах 1...3% от расхода воздуха через компрессор.
Впрыск воды в поток воздуха во входном канале этого компрессора увеличивает степень повышения давления. Однако при установке форсунок перед лопаточным аппаратом компрессора капли воды не проникают в поток воздуха на достаточную глубину, вследствие чего впрыскиваемая вода распределяется неравномерно в потоке воздуха и хуже испаряется. В результате затраты энергии на привод компрессора увеличиваются и кпд компрессора уменьшается.
Наиболее близким к предлагаемому компрессору является многоступенчатый осевой лопаточный компрессор [патент RU №2055997, F02875/12, F02G 3/00, F02B 37/00, опубликован 10.03.96], снабженный средствами для впрыска и распыления воды, установленными во входном канале и между ступенями компрессора. Распыл воды производится прямоструйными или центробежными форсунками до мелкодисперсного
состояния, из-за чего сжатие осуществляется изотермически. Тонкий распыл обеспечивается высоким давлением (20...50 МПа) воды, создаваемым насосом, и небольшим проходным сечением отверстий форсунок (0,1...0,8 мм). Для надежной и экономичной работы ступеней компрессора необходимо производить многоразовый впрыск воды в ступени при сохранении удельного расхода воды для сжатия неизменным.
К недостаткам известного компрессора можно отнести следующее. Во-первых, при установке форсунок перед ступенью компрессора вода сразу попадает на вращающиеся рабочие лопатки, сепарирует на них и центробежными силами отбрасывается на корпус компрессора. В результате капли впрыскиваемой воды не могут равномерно распределиться в потоке воздуха. Во-вторых, при мелкодисперсном распыле воды капли малого размера быстро приобретают скорость, близкую к скорости потока воздуха, и не проникают в поток воздуха на достаточную глубину.
Из-за неравномерности заполнения потока воздуха каплями воды не происходит роста кпд компрессора, а их чрезмерная локальная концентрация является причиной эрозии и вибрации лопаток, а также неполной промывки поверхности лопаток от отложений.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка простой в изготовлении конструкции осевого многоступенчатого компрессора, обладающего повышенным кпд за счет обеспечения равномерного распределения воды в потоке воздуха. При этом также достигается полная промывка поверхности лопаток компрессора от отложений и солей.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Осевой многоступенчатый компрессор содержит корпус с размещенным в нем лопаточным аппаратом, состоящим из ступеней, каждая из которых включает рабочие и направляющие лопатки. Аналогично прототипу, компрессор снабжен средствами для впрыска воды. В отличие от прототипа, по периметру корпуса компрессора за рабочими лопатками перед каналами, образованными
смежными направляющими лопатками, по меньшей мере, одной ступени радиально установлены не менее чем два средства для струйного впрыска воды в поток воздуха. Каждое из средств для впрыска воды имеет проточный канал и расположенный под углом от 110 до 180 градусов к нему сообщающийся с ним выпускной канал, ориентированный в спутном к потоку воздуха направлении, задаваемом расположением и формой направляющих лопаток. Проточный канал соединен с емкостью с водой и насосом через коллектор с трубопроводом и запорной арматурой. При этом расход воды и угол ориентации выпускного канала, разный для каждого из средств для впрыска воды, расположенных в одной ступени, в совокупности должны обеспечивать по существу равномерное распределение воды по высоте рабочих лопаток следующей ступени.
В частном случае реализации компрессора средства для впрыска воды могут быть также установлены перед лопаточным аппаратом.
Средства для струйного впрыска воды устанавливают в корпус компрессора таким образом, что они могут выступать внутрь корпуса на минимальную величину из условия возможности их размещения с необходимой ориентацией выпускного канала с целью недопущения аэродинамических возмущений потока воздуха при работе компрессора.
Предлагаемая конструкция компрессора позволяет оптимизировать впрыск воды в компрессор, то есть дает возможность впрыскивать воду одновременно в несколько ступеней. Оптимизированный впрыск повышает кпд компрессора в значительно большей мере, чем впрыск в одну ступень. При таком впрыске вода в ступени компрессора добавляется по мере испарения ее в потоке воздуха, в результате чего увеличивается количество испарившейся воды и уменьшаются потери энергии на продвижение воды в лопаточном аппарате компрессора.
Струйный впрыск воды осуществляется с целью проникновения струй в поток воздуха на достаточную для равномерного распределения воды глубину.
При установке средств для впрыска воды за рабочими лопатками перед каналами, образованными смежными направляющими лопатками, после впрыска струи воды проходят по потоку воздуха между направляющими лопатками ступени и соударяются с рабочими лопатками следующей ступени. Струи воды образуют на этих лопатках пленку воды, которая движется под действием потока воздуха. За время течения пленки по поверхности рабочих лопаток в результате вращения последних вода распределяется равномерно в окружном направлении. Эта равномерность способствует интенсивному испарению воды, большему охлаждению воздуха, и, как следствие, увеличению кпд. Устранение неравномерности распределения влаги в потоке снижает опасность эрозии лопаток и их вибрации. Более полная промывка поверхности лопаток уменьшает потери трения потока о лопатки.
Для равномерного заполнения потока воздуха водой по высоте лопаток необходимо использовать не менее двух средств для струйного впрыска воды,
отличающихся углом ориентации выпускного канала относительно проточного. При этом средства целесообразно установить по периметру
корпуса компрессора на некотором расстоянии друг от друга в окружном направлении, тогда соударение рабочих лопаток со струями будет происходить не одновременно, в результате чего вибрационная опасность для лопаток уменьшится.
Подвод воды к каждому средству для струйного впрыска воды через коллектор и наличие запорной арматуры дает возможность регулирования общего расхода воды, впрыскиваемой в ступень компрессора, в зависимости от количества включенных средств для впрыска воды.
Угол ориентации выпускного канала каждого средства для впрыска воды рассчитывается из условия, что вытекающая из него струя достигает рабочей лопатки следующей ступени на некоторой ее высоте, причем расход воды обеспечивает равномерность распределения воды по поверхности лопатки. Расход воды регулируется с помощью запорной арматуры в зависимости от количества средств для впрыска воды и от диаметра канала. Соотношения
между глубиной проникновения струй воды в поток воздуха, углом ориентации струи, скоростью воздуха и воды, диаметром струи известны и могут быть рассчитаны, например, по формулам, приведенным в книге «Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей». Авторы: Раушенбах и др. М.,<Машиностроение>, 1964., 526.
По расчетам при угле ориентации выпускного канала средства для впрыска воды относительно ориентированного радиально проточного канала меньше 110 градусов вода практически не проникает вглубь потока воздуха, в результате чего снижается кпд компрессора. Максимальная глубина проникновения впрыскиваемой воды в поток воздуха достигается при 180 градусов, то есть перпендикулярно корпусу компрессора. При вытекании струи навстречу потоку воздуха, то есть если угол больше 180 градусов, капли воды будут попадать на рабочие лопатки ступени, разбиваться ими, и не проникнут вглубь потока воздуха.
Поскольку под действием центробежных сил происходит сепарация воды на корпус компрессора, то могут образовываться зоны, где вода отсутствует. Обычно эти зоны расположены в корневых сечениях лопаток. Предлагаемая конструкция компрессора позволяет осуществлять дополнительный впрыск воды в такие зоны из средств впрыска воды, выпускные каналы которых ориентированы на корневые сечения лопаток. При этом удается избежать ввода избыточного количества воды в ступень, промыть поверхность лопаток от отложений и солей и повысить кпд.
Полная промывка поверхности лопаток компрессора от отложений и солей повышает кпд компрессора за счет уменьшения аэродинамического сопротивления потоку воздуха.
Сущность полезной модели поясняется следующими графическими материалами, на которых изображены:
Фиг.1 - общий вид компрессора с двумя средствами впрыска воды перед лопаточным аппаратом и с четырьмя средствами впрыска воды в третьей ступени - частный случай реализации предлагаемой полезной модели;
Фиг.2 - поперечный разрез А-А компрессора;
Фиг.3 - схема размещения средства для впрыска воды в корпусе компрессора;
Фиг.4 - траектории струй по высоте лопаток для частного случая реализации предлагаемой полезной модели при установке четырех средств для впрыска воды в 3 ступень компрессора газотурбинной установки ГТК-10-4.
В частном случае реализации компрессор (фиг.1) содержит корпус 1, с размещенным в нем лопаточным аппаратом 2, состоящим из четырех ступеней 3, 4, 5, 6, каждая из которых включает вращающиеся рабочие лопатки 7 и закрепленные на корпусе 1 неподвижные направляющие лопатки 8. По периметру корпуса 1 перед лопаточным аппаратом 2 радиально установлены два средства для впрыска воды 9, 10, а за рабочими лопатками 7 перед направляющими лопатками 8 третьей ступени 5 радиально установлены четыре средства 11, 12, 13, 14 для струйного впрыска воды в поток воздуха (фиг.2). Для этого в корпусе 1 выполнены отверстия напротив каналов, образованных смежными направляющими лопатками 8. Каждое из средств 11, 12, 13, 14 для подачи воды имеет проточный канал 15 и выпускной канал 16. Ось канала 16 расположена для каждого средства 11, 12, 13, 14 под разными углами β в диапазоне от 110 до 180 градусов к оси проточного канала 15 и ориентирована в спутном к потоку воздуха направлении, которое задается смежными направляющими лопатками 8 (фиг.3). Средства 11, 12, 13, 14 устанавливаются внутрь корпуса 1 компрессора (фиг.3) на минимальную величину из условия возможности их размещения, а именно на величину, необходимую для ориентации выпускного канала. В частном случае реализации компрессора в средстве 11 выполнен канал 16 под углом 110 градусов, в средстве 12 - под углом 135 градусов, в средстве 13 - под углом 165 градусов, в средстве 14 - под углом 180 градусов. Каждое из средств 11, 12, 13, 14 соединено с емкостью
17 с водой и насосом 18 через коллектор 19 с трубопроводом 20 и запорной арматурой 21 для возможности регулирования расхода воды в зависимости от количества включенных с помощью запорной арматуры 21 средств 11, 12, 13, 14 для обеспечения по существу равномерного распределения воды по высоте рабочих лопаток 7 ступени 6.
Компрессор работает следующим образом.
Воздух поступает в корпус 1 компрессора для сжатия (фиг.1). Поток воздуха в каждой ступени 3,4, 5, 6 вначале проходит через рабочие лопатки 7 и затем через направляющие лопатки 8. По трубопроводам 20 (фиг.2) вода подводится к средствам 9, 10, 11, 12, 13, 14. Струи воды, вытекающие из каналов 16, попадают в поток воздуха между направляющими лопатками 8 и движутся вдоль поверхности направляющих лопаток 8. Струи проходят вдоль по потоку воздуха до соударения их с рабочими лопатками 7 следующей ступени 6 компрессора. Вследствие сепарации струй воды на рабочие лопатки 7 и вращения последних осуществляется равномерное распределение воды в окружном направлении. При использовании средств 9, 10, 11, 12, 13, 14 с разными углами ориентации выпускных каналов происходит равномерное распределение воды в целом, по всему потоку воздуха в компрессоре, что значительно повышает кпд. Кроме того, из-за распределения нескольких средств для впрыска воды в одной ступени в разных местах по окружности корпуса компрессора соударение воды с рабочими лопатками происходит менее жестко, в результате чего уменьшается вибрационная опасность их работы.
Предлагаемый компрессор имеет большее значение кпд, что обусловлено возможностью равномерного по объему потока воздуха впрыска воды в различные ступени компрессора. Полезная модель сравнительно просто и в короткие сроки может быть реализована в обычно применяемых компрессорах.
В соответствии с заявляемой конструкцией на базе компрессора газотурбинной установки ГТК-10-4 был выполнен рабочий проект
предлагаемого компрессора. Средства для впрыска воды были установлены в корпус компрессора перед лопаточным аппаратом и перед направляющими лопатками третьей и седьмой ступеней, по 4 средства в каждом случае. Значения углов β были выбраны равными соответственно 110, 135, 165 и 180 градусам. При этом струи воды при прохождении ими расстояния между направляющими лопатками достигали последующих рабочих лопаток равномерно по их высоте. На фиг.4 показаны траектории струй при впрыске воды в третью ступень компрессора газотурбинной установки ГТК-10-4. Координата Х направлена по направлению движения потока воздуха, координата Y - по высоте лопаток. Траектории струй, вытекающих из средств 11, 12, 13, 14 обозначены на фиг.4 цифрами, соответствующими этим средствам.
В результате использования предлагаемой полезной модели кпд компрессора по сравнению с исходным компрессором, увеличился на 3,2%. При этом полезная мощность и кпд установки ГТК-10-4 возросли на 16% и на 3,5% относительных соответственно.