ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР С СИСТЕМОЙ ВПРЫСКА МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ВОДЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области энергетического газотурбостроения и компрессоростроения и может быть использована для повышения надежности и устойчивости работы компрессоров, их маневренности, а также снижения мощности, потребляемой компрессором, и повышения его коэффициента полезного действия.
Известны конструкции компрессоров, в которых для повышения устойчивости их работы, снижения работы сжатия и увеличения удельной мощности энергетических установок с такими компрессорами установлены системы впрыска воды на вход в компрессор и/или в его промежуточные ступени (А.Л.Беркович, Е.Е.Розеноэр. Форсировка ГТУ впрыском воды в компрессор. Обзор. Энергетическое машиностроение. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1989, Сер. 3, вып.4). Вместе с тем, в реальных условиях, повышение указанных характеристик во многом зависит от эффективности ввода воды в воздушный тракт и интенсивности ее испарения в контуре компрессора, которая, как правило, оказывается недостаточной. Это связано с недостаточно высокой дисперсностью воды, впрыскиваемой через центробежные механические и пневматические форсунки, когда размер капель превышает 15 мкм. В результате уже на первых ступенях компрессора за сечением впрыска под действием центробежных сил происходит интенсивная сепарация капель воды на лопатках рабочего аппарата и на корпусе компрессора. Неполное испарение воды в тракте компрессора, дополнительные потери энергии на ускорение капель, а также на трение жидких пленок о поверхности лопаток и корпуса снижают внутренний КПД компрессора. Это может свести к нулю положительный эффект от ввода воды в него и уменьшения теоретической работы сжатия.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является патент №US 6,453,659 В 1 от 24 сентября 2002 г (прототип). В нем для получения тонкодисперсного распыла воды во входном устройстве компрессора установлена система центробежных форсунок, через которые впрыскивается вода, перегретая до 150-250°С, объемное вскипание которой дает спектр капель с преобладанием фракций размером менее 3 мкм.
Однако, предложенная система впрыска перегретой воды имеет существенный недостаток: в ней тонкий распыл жидкости сочетается с отрицательным побочным эффектом - шнурованием выходящего из форсунки факела капель, приобретающего под действием сносящего потока охлаждаемого воздуха вытянутую форму с утлом раскрытия 20-25 градусов. Причиной шнурования является малая инерционность мелких капель, их следование за линиями тока охлаждаемого воздуха. Сравнительно большие размеры центробежных форсунок препятствуют реализации оптимальной компоновки системы впрыска с учетом шнурования и организации однородного распределения капель в потоке воздуха, особенно в стесненном пространстве промежуточных ступеней компрессора.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу получения тонкого распыла воды с равномерным распределением мелких капель в потоке воздуха в промежуточных ступенях компрессора.
В предлагаемой полезной модели поставленная техническая задача решается тем, что в осевом компрессоре с входным устройством и многоступенчатым лопаточным аппаратом с впрыском воды через форсунки устанавлена система прямоточных струйных форсунок с диаметром цилиндрических сопел менее 0,4 мм и длиной сопел 0,6-1,0 мм для ввода перегретой до 200-250°С воды, расположенных перпендикулярно потоку сжимаемого в компрессоре воздуха и пространственно распределенных с шагом не более 100 мм в нескольких последовательно расположенных промежуточных ступенях лопаточного аппарата компрессора и/или на входе в компрессор с возможностью получения однородного воздушно-капельного потока с преобладанием капель размером менее 2,5 мкм.
Впрыск через форсунки перегретой до 200-250°С воды дает тонкий распыл воды с диаметром капель менее 2,5 мкм, при котором капли благодаря их малой инерционности следуют за воздушным потоком и обтекают лопатки, не осаждаясь на них. Одновременно возрастают суммарная поверхность испарения капель и интенсивность теплообмена капель с потоком воздуха, что обеспечивает почти полное испарение капель в тракте компрессора. Равномерное распределение капель малого размера в воздушном потоке в промежуточных ступенях компрессора обеспечивается использованием малогабаритных прямоточных струйных форсунок, их оптимальной компоновкой в корпусе и спрямляющих лопатках компрессора с требуемым шагом.
Подогрев воды до требуемой температуры осуществляется отработанными газами газотурбинного двигателя, либо подогретая вода отбирается из контура котла-утилизатора парогазовой установки (ЛГУ) за водяным экономайзером.
В случае установки устройств тонкого распыла воды взрывным вскипанием на входе в компрессор, струйные форсунки также расположены поперек потока воздуха несколькими рядами с подачей потока капель из соседних рядов навстречу друг другу, при этом оси форсунок соседних рядов смещены относительно друг друга.
На фиг.1 приведена схема предлагаемой полезной модели
В промежуточных ступенях 1 компрессора 2, содержащего вращающиеся рабочие лопатки 3 и неподвижные лопатки спрямляющего аппарата 4, установлена система прямоточных струйных форсунок 5 с диаметром отверстий менее 0,4 мм. Форсунки установлены перпендикулярно потоку охлаждаемого воздуха в корпусе компрессора с заданным шагом по окружности. Дополнительные струйные форсунки установлены с заданным шагом по высоте в лопатках спрямляющего аппарата компрессора. Форсунки расположены в двух или трех последовательных ступенях компрессора. Шаг установки форсунок не более 100 мм обеспечивает полное заполнение мелкими каплями проходного сечения проточной части компрессора. Струйные форсунки могут быть также размещены во входной камере компрессора 6 с соответствующим шагом с помощью совокупности кольцевых и радиальных коллекторов 7. Перегретая относительно температуры насыщения вода (ее рабочая температура 200-250°С) подается из коллектора 8, в который она поступает либо от выходного коллектора экономайзера котла-утилизатора парогазовой установки, либо из специального подогревателя, использующего тепло отработанных газов газовой турбины.
В процессе работы компрессора с системой впрыска подогретая вода, имеющая температуру 200-250°С и давление 8-10 МПа, поступает из напорного коллектора 8, распределяется между прямоточными струйными форсунками 5, установленными в корпусе и лопатках 4 спрямляющих аппаратов промежуточных ступеней компрессора 2, и впрыскивается через цилиндрические сопла прямоточных струйных форсунок в поток сжимаемого воздуха, охлаждаемого благодаря испарению капель. Вследствие резкого падения давления с 8-10 до 0,1-0,15 МПа при течении воды в сопле диаметром менее 0,4 мм струйной форсунки на ее выходе происходит резкое вскипание воды, сопровождающееся тонкодисперсным распылом ее и получением капель размером менее 2,5 мкм в количестве до 70% по массе от вводимого количества воды. Расположение струйных форсунок, обладающих повышенной дальнобойностью, поперек сносящего воздушного потока с выбранным шагом по периферии канала и по высоте лопаток спрямляющего аппарата компрессора позволяет исключить неравномерность распределения влаги по сечению воздушного потока, свойственную шнурующимся потокам мелких капель. Этому же способствуют малые размеры и простота конструкции струйных форсунок, облегчающие компоновку системы впрыска в ограниченном пространстве промежуточных ступеней компрессора.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет эффективно решить техническую задачу получения тонкого распыла воды и равномерного распределения мелких капель в потоке воздуха в промежуточных ступенях компрессора.