СПОСОБ ПОДАЧИ СРЕДЫ ЧЕРЕЗ КОНФУЗОР ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2007 года по МПК F04D29/40 

Изобретение относится к аэродинамике, в частности к способам передачи рабочей среды к компрессорам, газотурбинным установкам, насосам.

Известен способ, направленный на снижение уровня колебаний давления в потоке вокруг объекта. Способ заключается в том, что при помощи упругой оболочки создают динамический гаситель колебаний жидкости в потоке, обтекающем объект в виде упругоинерционной системы с изменяемыми параметрами колебаний объема упругой оболочки. Для этого в оболочку помещают эластичное вещество, в котором создают газовую полость. При появлении колебаний давления жидкости в вышеупомянутом потоке возникают вынужденные колебания объема оболочки в противофазе колебаниям давления жидкости в потоке. Затем изменяют частоту и амплитуду колебаний объема оболочки до совпадения инициируемых ею колебаний давления окружающей оболочку жидкости с частотой и амплитудой колебаний давления жидкости в потоке, чем снижают уровень колебаний (патент РФ №2196699, МПК В 63 В 1/32, опубл. 20.01.2003 г.).

Известен способ создания силы управляемого приложения и устройство для его реализации. Способ предусматривает, что на вращающееся роторное сопло, через плоские сопла подают касательно и противоположно вращению первую часть основного потока рабочего тела, а через микросопла роторного сопла подают предварительно закрученную на лопатках вторую часть рабочего тела - активные струи, при этом торможение основного потока на активных струях в области вращающего пограничного слоя создает зону локального повышения давления и, как результат, силу управляемого приложения (Заявка РФ №94029334, МПК В 63 Н 9/02, опубл. 27.06.1996 г.).

Известен способ преобразования энергии потока текучей среды, заключающийся в формировании конфузором с направляющим каналом воздушного потока и замыкание его по фронту, по крайней мере, одной первой лопастью конвейерно-лопастного преобразователя с наклонными и соосным потоку участками (патент РФ №2064080, МПК В 63 Н 9/02, опубл. 20.07.1996 г.) - прототип.

Недостатком вышеуказанного способа является то, что он не обеспечивает возможности снижения перепада давления на конфузоре и его регулирования.

Технической задачей заявляемого изобретения является снижение перепада давления в рабочей зоне конфузора и его регулирование, например, в случаях изменения характеристик газовой среды или при износе протчной части турбокомпрессора.

Техническая задача достигается тем, что в отличие от известного способа подачи среды через конфузор, путем забора газа и формирования конфузором газового потока, проводится измерение давления на выходе из конфузора с последующим определением и поддержанием заданного значения разности давления в конфузоре, причем в стенках рабочей зоны конфузора выполнены направляющие каналы, через которые дополнительно подают газ из зоны забора газа. Направляющие каналы конфузора могут быть выполнены в виде круглых, конусных отверстий или в виде щелевых отверстий, или отверстий иной известной формы, причем отверстия могут быть выполнены под определенным углом к поверхности конфузора, или под разными углами, например, для закручивания потока газа, создания встречного потока, а также они могут быть соединены с зоной забора байпасной линией.

Подача газа обеспечивается за счет разности давлений «до конфузора» и в «конфузоре», или путем принудительной подачи из зоны забора. Количество подаваемого газа регулируется любыми известными способами.

Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:

- измеряют давление на выходе из конфузора с последующим определением и поддержанием заданного значения;

- в стенках рабочей зоны конфузора выполнены направляющие каналы, через которые дополнительно подают газ из зоны забора газа;

- газ подается за счет разности давлений «до конфузора» и в «конфузоре», или принудительно;

- количество подаваемого газа регулируется.

Сопоставительный анализ заявляемого решения позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Как известно, в рабочей зоне конфузора существуют потери, обусловленные изменением геометрии конфузора, и потери, пропорциональные длине потока. Последние обусловлены силами трения между газом и поверхностью конфузора. Эти потери, в целом, составляют потери напора в конфузоре при увеличении скорости воздушного потока. Заявляемый способ позволяет частично снизить потери напора, путем введения в сформированный конфузором поток дополнительного потока, который подают из зоны забора воздуха конфузора в рабочую зону конфузора. Заявляемый прием снижения перепада давления в рабочей зоне конфузора является неочевидным для специалиста в этой области, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».

Изучение научно-технической и патентной литературы не позволило выявить совокупность признаков, которая бы обеспечивала получение указанного результата, а именно снижение потери напора.

На Фиг.1 показана принципиальная схема проведенных измерений, где места измерений обозначены - О, t - температура, р - давление, Δр - разность давлений, n - число оборотов.

Условные обозначения на Фиг.1:

КВОУ - комплексное воздухоочистительное устройство;

OK - осевой компрессор;

КС - камера сгорания;

ТВД - турбина высокого давления;

СТ - силовая турбина;

ЦБН - центробежный нагнетатель;

Р - регенератор;

Д - диафрагма.

На Фиг.2 схематично показана установка, в которой реализован способ подачи газовой среды через конфузор, на Фиг.3 приведен график зависимости мощностного параметра от степени расширения турбины, где 1 - эксплутационная характеристика агрегата, 2 - характеристика агрегата по заявляемому способу. На Фиг.4 приведен график эксплутационного номинального кпд, где 1 - паспортная характеристика ГТУ, 2 - эксплутационная характеристика (с обычным конфузором), 3 - эксплутационная характеристика по заявляемому способу, - номинальная паспортная мощность, - эксплутационная номинальная мощность, Δ - номинальный (паспортный) кпд, О - эксплутационный номинальный кпд. На Фиг.5 приведен график определения технического состояния ГТУ по мощности, где 1 - паспортная характеристика ГТУ, 2 - эксплутационная характеристика, 3 - эксплутационная характеристика по заявляемому способу, - номинальная паспортная мощность, - эксплутационная номинальная мощность, - предельная температура за СТ. На Фиг.6 показана установка, в которой направляющие каналы соединены с зоной забора байпасной линией 7.

Установка (Фиг.2) содержит воздухозаборное устройство 1 с воздуховодом 2, который переходит в конфузор 3. В рабочей зоне конфузора, его образующих стенках имеются (направляющие каналы) отверстия 4, к которым газ подается из зоны забора через регулирующее устройство 5. В качестве регулирующего устройства 5 может быть использована заслонка. Конфузор 3 присоединен к компрессорной установке 6. Направляющие каналы 4 конфузора могут быть выполнены в виде отверстий или в виде щелевых отверстий, причем отверстия могут быть выполнены под определенным углом или под разными углами, например, для закручивания потока газа, создания встречного потока, а также они могут быть соединены с зоной забора байпасной линией 7 (Фиг.6).

Способ осуществляется следующим образом.

Сначала в рабочей зоне конфузора 3 подготавливают (направляющие каналы) отверстия 4, причем отверстия могут быть выполнены круглыми, конусными или щелевыми, или другой известной формы. Отверстия могут быть расположены под углом к поверхности конфузора. Форма отверстий и их расположение определяются в зависимости от того, какой нужно создать поток - встречный, закрученный, тангентальный и т.д. Направляющие каналы 4 могут быть соединены с зоной забора байпасной линией 7 (Фиг.6). После этого, газ подается в рабочую зону конфузора 3, из зоны забора газа через воздухозаборное устройство 1, как через сам конфузор, так и через направляющие каналы за счет разности давлений «до конфузора» и «в конфузоре». Газ может подаваться в зону забора принудительно. При этом измеряют давление газа на выходе из конфузора и поддерживают заданное значение любыми известными методами, путем регулирования газового потока.

В установке был использован конфузор осевого компрессора газовой турбины ГТК 10-4 производства НЗЛ с наработкой 90987 часов (Невский завод им. Ленина), в рабочей зоне конфузора были выполнены направляющие каналы в виде отверстий ⊘150 мм в количестве 14 шт. Измерения проводились по утвержденным методикам теплотехнических измерений для компрессоров газотурбинных установок (Методика определения мощности и технического состояния агрегатов ГТ-750-6, ГТК-10, ГТК-10М по измеренным параметрам газа, утвержденным Начальником Управления по транспортировке газа и газового конденсата ОАО «ГАЗПРОМ» от 23.11.2004 г., Методика определения эффективной мощности газотурбинной установки типа ГТК-10 в эксплутационных условиях, утвержденной Директором по НИиКР - генеральным конструктором ОАО «Невский завод» от 18.11.2004 г.

Результаты измерений приведены в Таблице 1

Таблица 1Наименование способаПерепад давлений в рабочей зоне конфузора мм вод. столбаМассовый расход, т/часМассовый расход, %Мощностная характеристика ГПА при степени расширения в турбине 3,0Эксплутационный КПД при 7 мВт мощностиПриведенная температура за силовой турбиной при 7 мВт приведенной мощностиСпособ подачи 3701001770.275514среды с обычным конфузором1500     Способ подачи  1061960.286494среды с заявляемым конфузором800390    

Как видно из данных, представленных на Фиг.3-5, использование заявляемого способа позволяет обеспечить приближение к паспортным характеристикам ГТУ без значительного конструктивного вмешательства в устройство ГТУ.

Использование предлагаемого способа позволяет снизить температуру за турбиной низкого давления ГТК-10 на 10°С, что в свою очередь обеспечивает возможность дополнительно производить до 500 кВт.час. Использование способа также повышает кпд ГТК на 0,4-1% без модернизации самой конструкции ГТК.

Заявляемый способ при его использовании в промышленности позволяет провести модернизацию ГТУ без значительных затрат, связанных с реконструкцией ГТУ, это позволяет восстановить эксплутационные характеристики ГТУ, приближенные к паспортным характеристикам новой ГТУ. При проектировании компрессорных установок использование заявленного способа позволит улучшить характеристики газозаборных устройств и в целом характеристики проточной части компрессоров.

Изобретение относится к аэродинамике, в частности к способам передачи рабочей среды к компрессорам, газотурбинным установкам, насосам, позволяет снизить перепад давления в рабочей зоне конфузора и обеспечить его регулирование, например, в случаях измерения характеристик газовой среды или при износе проточной части турбокомпрессора. Для этого проводится измерение давления на выходе из конфузора с последующим определением и поддержанием заданного значения разности давления в конфузоре, причем в стенках рабочей зоны конфузора выполнены направляющие каналы, через которые дополнительно подают газ из зоны забора газа. 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ подачи среды через конфузор осевого компрессора путем забора газа и формирования конфузором газового потока, отличающийся тем, что измеряют давление на выходе из конфузора с последующим определением и поддержанием заданного значения разности давлений в конфузоре путем дополнительной подачи газа из зоны забора газа в рабочую зону конфузора через направляющие каналы, сформированные в стенках рабочей зоны конфузора.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ подают в рабочую зону за счет разности давлений «до конфузора» и «в конфузоре».3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ подается в рабочую зону принудительно.4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что количество дополнительно подаваемого газа регулируется.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что направляющие каналы выполнены в виде круглых или конусных отверстий.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что направляющие каналы выполнены в виде щелевых отверстий.7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что направляющие каналы выполнены под углом к поверхности конфузора.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что направляющие каналы соединены с зоной забора байпасной линией.