СИСТЕМА ВПРЫСКА ВОДЫ ОСЕВОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА
WATER INJECTION SYSTEM OF AXIAL MULTISTAGE COMPRESSOR

Изобретение относится к стационарным газотурбинным установкам (СГТУ), имеющим в своем составе осевой многоступенчатый компрессор, и может быть использовано в теплоэнергетике, газоперекачивающих станциях, наземных и судовых транспортных средствах.
p
к
из
Потребляемая компрессором мощность прямо пропорциональна расходу G, начальной температуре Т и теплоемкости C воздуха, зависит также от степени сжатия π, показателя изоэнтропического сжатия k и изоэнтропического КПД η.
Известны системы впрыска воды осевого многоступенчатого компрессора (Середа С.О., Гильмедов Ф.Ш., Сачкова Н.Г. Расчетные оценки изменения характеристик многоступенчатого осевого компрессора под влиянием испарения воды в его проточной части // Теплоэнергетика. 2004. №1, с.60-65; Середа C.O., Гильмедов Ф.Ш., Мунтянов И.Г. Экспериментальное исследование влияния впрыска воды во входной канал многоступенчатого компрессора на его характеристики // Теплоэнергетика, 2004, №5, с.66-71). Хотя изменение основных характеристик (мощности, степени сжатия, КПД компрессора, удельного расхода топлива) СГТУ было неоднозначным, ожидалось, что мощность и полезная мощность газотурбинной установки будут расти. За счет снижения температуры среды (паровоздушной смеси) при определенных расходах воды мощность на привод компрессора могла снижаться, это естественно приводило бы к увеличению полезной мощности СГТУ для совершения механической работы. Дополнительно, снижение температуры на входе в компрессор должно вызвать увеличение плотности среды, что (аналогично влиянию температуры окружающей среды) приводит к росту общей мощности СГТУ.
В работе (Григорьяни P.P., Залкинд В.И., Зайгарник Ю.А., Иванов П.П., Мурахин С.А., Низовский В.Л. Особенности поведения жидкой фазы в высокооборотных компрессорах конверсионных газотурбинных установок, их влияние на характеристики и эффективность «влажного» сжатия // Теплоэнергетика. 2007. №4, с.55-62) экспериментально установлено, что впрыскиваемая во входном сечении компрессора вода выпадает при сжатии в ступенях в осадок, которая, увлекаясь во вращательное движение в межлопаточных каналах компрессора, испытывая действие центробежных сил, образует слой жидкой пленки в радиальных зазорах рабочих лопаток компрессора.
Жидкая сплошная пленка имеет небольшую площадь поверхности раздела фаз. В этих условиях даже при благоприятных условиях (повышение температуры в процессе сжатия) дальнейшее испарение воды будет затруднено. За характерные времена пребывания паровоздушной смеси в тракте многоступенчатого компрессора полное испарение образовавшейся пленки воды не происходит. По этой причине системы впрыска воды в ступенях среднего и высокого давления (Ануров Ю.М., Пеганов А.Ю., Скворцов А.В., Беркович А.Л., Полищук В.Г. Расчетное исследование влияния впрыска воды на характеристики компрессора газотурбиной установки ГТ-009 // Теплоэнергетика. 2006. №12, с.13-24) заслуживают особого внимания.
Известна система впрыска мелкодисперсной воды осевого многоступенчатого компрессора по патенту РФ на полезную модель №95764, МПК F04D 19/02, F04D 29/00, 10.07.2010.
Впрыск мелкодисперсной воды предлагается проводить через систему струйных форсунок, вынесенных в поток, установленных перпендикулярно потоку с шагом не более 100 мм.
Авторы известной системы впрыска воды считают, что максимального испарения воды можно добиться при равномерном заполнении всего объема среды мелкодисперсными каплями, и дают оценочные рекомендации по выбору температуры (200…250°C) впрыскиваемой воды, при этом температура воды не увязана с местным давлением и температурой среды.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является система впрыска мелкодисперсной воды осевого многоступенчатого компрессора по патенту РФ на полезную модель №72514, МПК F04D 19/02, F04D 29/00, 20.04.2008, имеющая трубки и выпускные каналы.
Впрыск мелкодисперсной воды производят через систему струйных форсунок, вынесенных в поток, причем для обеспечения равномерного заполнения проходного сечения концентрацией капель воды по высоте лопаток предлагается угол впрыска менять в интервале от 110 до 180 град.
Основным недостатком известных технических решений является то, что конструктивные элементы системы впрыска воды, расположенные в потоке, вызывают дополнительные гидравлические потери, а также являются источниками волновых потерь в лопаточных венцах следующих ступеней ниже по потоку.
Недостатком известной системы впрыска является также повышенное требование к степени очистки воды.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка системы впрыска воды осевого многоступенчатого компрессора, не вызывающей дополнительные гидравлические и волновые потери, а также не требующей высокой степени очистки воды.
Технический результат достигается тем, что система впрыска воды осевого многоступенчатого компрессора, имеющая трубки и выпускные каналы, согласно заявляемому изобретению дополнительно содержит обтекатель, при этом обтекатель расположен в области передней кромки каждой лопатки направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора с возможностью образования щелевого канала, каждая трубка расположена в продольной полости, выполненной в области передней кромки указанной лопатки, и имеет отверстия, выполненные по высоте лопатки с возможностью обеспечения равномерного расхода паров по сечению потока воздуха, а выпускные каналы выполнены на передней кромке каждой указанной лопатки, при этом щелевой канал и выпускные каналы выполнены в каждой лопатке направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора с возможностью обеспечения безотрывного течения воды и потока воздуха. При этом каждая трубка имеет теплозащитный материал.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображена предлагаемая система впрыска воды осевого многоступенчатого компрессора.
На фиг.1 цифрами обозначены:
1 - обтекатель лопатки направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора,
2 - выпускные каналы на передней кромке лопатки направляющего аппарата,
3 - щелевой канал,
4 - трубка для подачи воды,
5 - теплозащитный материал,
6 - продольная полость лопатки направляющего аппарата,
7 - отверстия, выполненные в трубке по высоте лопатки.
Система впрыска воды осевого многоступенчатого компрессора имеет трубки 4 для подачи воды и выпускные каналы 2.
Отличием предлагаемой системы впрыска воды является то, что она дополнительно содержит обтекатель 1, при этом обтекатель расположен в области передней кромки каждой лопатки направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора (неподвижной или поворотной направляющей лопатки ступеней многоступенчатого компрессора) с возможностью образования щелевого канала 3.
Каждая трубка 4 расположена в продольной полости 6, выполненной в области передней кромки указанной лопатки.
Каждая трубка 4 имеет отверстия 7, выполненные по высоте лопатки с возможностью обеспечения равномерного расхода паров по сечению потока воздуха.
Каждая трубка 4 имеет теплозащитный материал 5.
Выпускные каналы 2 выполнены на передней кромке каждой указанной лопатки.
Щелевой канал 3 и выпускные каналы 2 выполнены в каждой лопатке направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора (неподвижной или поворотной направляющей лопатки ступеней многоступенчатого компрессора) с возможностью обеспечения безотрывного течения воды и потока воздуха.
Впрыск воды осуществляется следующим образом.
Подачу перегретой воды осуществляют по трубке 4, расположенной в продольной полости 6 по высоте лопатки направляющего аппарата.
Для снижения количества подведенной теплоты в элементы конструкции лопатки направляющего аппарата поверхность трубки 4 может быть покрыта теплозащитным материалом 5.
Трубка 4 по высоте лопатки направляющего аппарата имеет ряд отверстий 7. Отверстия 7 обеспечивают равномерный расход паров по сечению потока воздуха (в этом случае исключается продольное перетекание пароводяной смеси в продольной полости 6 по высоте лопатки направляющего аппарата, а также образовавшейся паровоздушной смеси в межлопаточных каналах).
Суммарное сечение отверстий 7 в сотни раз меньше общего сечения отверстий выпускных каналов 2, а также сечений щелевых каналов 3, образованных поверхностями профиля (передней кромкой) лопаток направляющего аппарата и обтекателей 1. Поэтому основной перепад давления реализуется на отверстиях 7 трубки 4.
j
Пространство между трубкой 4 и продольной полостью 6 заполняется двухфазной пароводяной смесью с давлением, практически равным локальному значению давления среды p. Полного испарения перегретой воды не происходит по причине резкого снижения температуры среды, при этом теплота воды расходуется на испарение - фазовый переход части воды в режиме взрывного кипения. Температура образовавшейся пароводяной смеси существенно ниже местной температуры воздушного потока. Перегретая вода на выходе из выпускных каналов 2 к поверхности лопаток направляющего аппарата мгновенно испаряется, равномерное перемешивание паров воды с основным потоком происходит на малых расстояниях в турбулентном потоке.
Истечение пароводяной смеси происходит по щелевым каналам 3 с небольшим перепадом, следовательно, с небольшой скоростью касательно к поверхностям лопатки направляющего аппарата.
Тем самим исключается отрыв вдуваемого потока, достигается устойчивость газодинамической пленки. При этих условиях за счет снижения коэффициента трения обеспечиваются минимальные гидравлические потери.
Итак, для снижения мощности на сжатие воздуха, потребляемой осевым многоступенчатым компрессором, необходимо:
- подачу перегретой воды в воздушный поток проводить на передней кромке лопаток направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора;
- впрыск воды следует проводить при температуре насыщения, соответствующей сумме локальных значений давления и перепада давления в форсунках впрыска, роль которых в предлагаемой системе впрыска выполняет система отверстий 7 трубки 4, подводящей перегретую воду;
- подачу перегретой воды следует проводить по трубке 4, расположенной в продольной полости 6, выполненной по высоте лопаток и имеющей наружное теплозащитное покрытие 5.
j
За счет частичного испарения перегретой воды пространство между трубкой 4 и стенками продольной полости 6, заполняется двухфазной пароводяной смесью с давлением, практически равным локальному значению давления среды p, с температурой существенно ниже локальной температуры воздушного потока, за счет чего реализуются благоприятные условия для снижения рабочей (паровоздушной) среды компрессора.
Подача пароводяной смеси, имеющей температуру ниже температуры воздушного потока, происходит по щелевому каналу 3, образованному между поверхностью профиля (передней кромкой) лопаток направляющего аппарата и обтекателя 1, под небольшим перепадом, за счет чего достигается устойчивость завесы, снижаются гидравлические потери, в турбулентном потоке последующей ступени происходит полное перемешивание пароводяной завесы с основным (воздушным) потоком с образованием паровоздушного потока с более низкой температурой.
Таким образом, в предлагаемой системе впрыска воды осевого многоступенчатого компрессора отсутствуют конструктивные элементы, расположенные в потоке, что не вызывает дополнительных гидравлических и волновых потерь, при этом снижается потребляемая компрессором мощность на сжатие воздуха. Кроме этого, в предлагаемой системе впрыска не требуется высокая степень очистки воды.