СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОСЕВОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2014 года по МПК F04D29/58 F02C7/143 F02C3/30 

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в теплоэнергетике, газоперекачивающих станциях, наземных и судовых транспортных средствах в стационарных газотурбинных установках (СГТУ), имеющих в своем составе осевой многоступенчатый компрессор.

Потребляемая компрессором мощность прямо пропорциональна расходу G, начальной температуре Т и теплоемкости С_р воздуха, зависит также от степени сжатия π_К, показателя изоэнтропического сжатия k и изоэнтропического КПД η_ИЗ.

Известны способы повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды для снижения температуры воздуха (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 С.О., Гильмедов Ф.Ш., Мунтянов И.Г. Экспериментальное исследование 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 полезная мощность газотурбинной установки будет 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 и 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.

Известен способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора, реализуемый системой впрыска воды по патенту РФ на полезную модель №72514, МПК F04D 19/02, F04D 29/00, 20.04.2008.

Впрыск 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.

Известен способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора, реализуемый системой впрыска воды по патенту РФ на полезную модель №95764, МПК F04D 19/02, F04D 29/00, 10.07.2010.

Впрыск воды предлагается проводить через систему струйных форсунок, вынесенных в поток, установленных перпендикулярно потоку с шагом не более 100 мм.

Авторы известной система 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.

Общим недостатком известных способов повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды 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 известных способов является также повышенное требование к степени очистки воды.

Известно диссертационное исследование (Скворцов А.В. Повышение параметров газотурбинных установок путем впрыска воды в проточную часть и оптимизации рабочего процесса в компрессоре. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург. 2010), выполненное на хорошем научном уровне и основанное на расчете аэродинамики движения капель воды с учетом испарения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды по патенту РФ №2359160, МПК F04D 19/02, 20.06.2009, в котором для оптимизации расходов воды по ступеням (i-тая ступень) предложено экспериментальное определение изменения КПД компрессора η_i от расхода впрыскиваемой воды в ступенях G_i на предварительной стадии исследований, нахождение оптимальных значений η_i/G_i, затем, с учетом впрыска в предыдущих ступенях, определение расхода воды в последующих ступенях и в компрессоре в целом.

Недостатком известного способа повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды является то, что он не позволяет определить место и параметры впрыскиваемой воды, при которых следует организовать впрыск воды в проточную часть компрессора для снижения температуры воздуха и уменьшения потребляемой компрессором мощности.

Недостатком известного способа является также необходимость получения экспериментальных зависимостей оптимальных значений η_i/G_i, которые не являются обобщенными характеристиками для различного класса и типов компрессоров, а также трудоемкость и высокая стоимость экспериментальных исследований, при этом полученные характеристики смещаются при изменении условий работы СГТУ (температуры, давления, влажности окружающего воздуха).

Задачей, на решение которой направлена настоящее изобретение, является разработка способа повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды, обеспечивающего уменьшение потребляемой компрессором мощности, за счет определения оптимальных места и параметров впрыскиваемой воды в проточную часть многоступенчатого компрессора.

Технический результат достигается тем, что в способе повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды, согласно настоящему изобретению, воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы, выполненные на поверхности лопаток направляющего аппарата, при этом впрыск воды проводят при температуре насыщения, соответствующей сумме локального давления в ступенях компрессора и перепада давления в указанных выпускных каналах, причем впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура среды становится выше температуры насыщения воды при локальном давлении в ступенях компрессора.

Воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы, выполненные с возможностью обеспечения безотрывного течения воды и потока воздуха, причем количество выпускных каналов и размеры их проходных сечений выбираются из условия равномерного распределения концентрации воды по высоте лопаток.

Таким образом, технический результат достигается тем, что впрыск воды следует проводить в направляющих аппаратах ступеней компрессора (на выходе из ступней), где температура T_j среды становится выше температуры Т_нj насыщения воды при локальном давлении р_j в ступенях компрессора, при этом воду необходимо подать при температуре насыщения, соответствующей давлению подачи с учетом перепада давления в форсуночных элементах (р_воды=p_j+Δp_ф, где p_j - локальное давление воздуха в ступенях, Δр_ф - перепад давления на форсуночных элементах), причем форсуночные элементы выполнены на поверхности лопаток направляющего аппарата в виде калиброванных выпускных каналов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображена лопатка направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора с калиброванными выпускными каналами системы впрыска воды, реализующей предлагаемый способ;

на фиг.2 представлена зависимость основных параметров воздуха: температуры, давления и температуры насыщенных паров на выходе из ступеней компрессора;

на фиг.3 показаны оптимальные значения расходов воды в ступенях компрессора;

на фиг.4 показан прирост полезной мощности ГТУ за счет снижения потребной мощности на привод компрессора.

Пример конкретного выполнения

Настоящее изобретение восполняет имеющиеся пробелы с выбором характерных параметров (давления и температуры) осевого многоступенчатого компрессора и подаваемого хладоагента в компрессор. В качестве хладоагента рассматривается вода, хотя подача газообразных веществ не должна отбрасываться из поля зрения. Теоретически возможна подача газообразных горючих компонентов при условии исключения воспламенения смеси в тракте компрессора в последующем использовании газообразного хладоагента в процессе сгорания в камере.

На чертеже (фиг.1) цифрами обозначены:

1 - лопатка направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора,

2 - полость лопатки направляющего аппарата,

3 - выпускные каналы на поверхности лопатки направляющего аппарата.

Способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора может быть реализован системой впрыска воды, имеющей калиброванные выпускные каналы 3.

Воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы 3, которые являются форсуночными элементами, выполненными на поверхности лопаток 1 направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора.

Воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы 3, выполненные с возможностью обеспечения безотрывного течения воды и потока воздуха.

Количество калиброванных выпускных каналов 3 и размеры их проходных сечений выбираются из условия равномерного распределения концентрации воды по высоте лопаток.

Впрыск воды проводят при температуре насыщения, соответствующей сумме локального давления и перепада давления в калиброванных выпускных каналах 3 (р_воды=p_j+Δp_ф, где p_j - локальное давление воздуха в ступенях, Δр_ф - перепад давления на форсуночных элементах, роль которых выполняют калиброванные выпускные каналы 3), причем впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура T_j среды становится выше температуры Т_нj. насыщения воды при локальном давлении р_j в ступенях компрессора.

Впрыск воды осуществляется следующим образом.

Подачу перегретой воды необходимо проводить через полости 2, выполненные по длине лопаток 1 направляющего аппарата осевого многоступенчатого компрессора.

Направление калиброванных выпускных каналов 3 должно быть выполнено максимально прижатыми к поверхностям лопаток (касательными к поверхностям), чтобы обеспечить безотрывное течение вдуваемых паров воды и основного потока воздуха.

При этих условиях за счет снижения коэффициента трения обеспечиваются минимальные гидравлические потери.

Количество калиброванных выпускных каналов 3 и размеры их проходных сечений выбираются из условия равномерного распределения концентрации воды по высоте лопаток 1. Перегретая вода на выходе из калиброванных выпускных каналов 3 к поверхности лопаток 1 мгновенно испаряется, равномерное перемешивание паров воды с основным потоком происходит на малых расстояниях в турбулентном потоке.

В качестве примера рассмотрим изменение указанных параметров (давления и температуры) среды (воздуха) в тракте многоступенчатого компрессора ГТУ ГТЭ-150, полученные расчетным путем в одномерном приближении (фиг.2). Начальные параметры воздуха в расчетах приняты стандартными, соответствующими ISO 2314 (ГОСТ 20440): Т₀=288,15 К и р₀=0,101325 МПа. Напомним основные параметры ГТУ ГТЭ-150: расход воздуха G_в=630 кг/с, степень сжатия в компрессоре π_К=13.

Как видно из графиков на фиг.2, выполнение условия (впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура T_j среды становится выше температуры Т_нj насыщения воды при локальном давлении воздуха в ступенях компрессора) для данного компрессора появляется только после седьмой ступени (p₇=0,314 МПа; Т₇=443,09 и Т_н7=408,15 К).

Если впрыск выполнить раньше по тракту имеется большая опасность выпадения впрыскиваемой воды (паров) в осадок с появлением описанных выше нежелательных явлений.

Для седьмой ступени разность ΔТ=Т_j-Т_нj очень мала, количество впрыскиваемой воды для охлаждения воздуха будет небольшое.

Как будет показано ниже, начало впрыска в седьмой ступени соответствует оптимальным параметрам процесса.

Расход впрыскиваемой воды целесообразно определить вариантными расчетами по следующей последовательности:

1) рассчитываем массовые доли воды $$g_{\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}\widehat{u}}=G_{\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}/G_{\tilde{n}{}^{‵}i}$$ и воздуха g_возд=G_возд/G_см, где расход смеси равен $$G_{\tilde{n}{}^{‵}i}=G_{\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}+G_{\widehat{a}\widehat{i}c\ddot{a}}$$ ; 2) определяем температуру $$T_{c{}^{‵}i}=[G_{\widehat{a}\widehat{i}c\ddot{a}}{C}_{\cancel{\partial }.\widehat{a}\widehat{i}c\ddot{a}}{T}_{\tilde{n}\cancel{\partial }}+G_{\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}{C}_{\cancel{\partial }.\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}{T}_{\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}-G_{\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}(i"-i\text{'})]/G_{\tilde{n}{}^{‵}i}{C}_{\cancel{\partial }\tilde{n}{}^{‵}i}$$ влажного воздуха, где теплоемкость воздуха принимается при локальной температуре воздуха. Теплоемкости воды, воздуха и теплоту фазового перехода i”-i' (здесь i” и i' - удельные энтальпии сухого насыщенного пара и кипящей воды) находим по табулированным значениям (Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. Справочник ГСССД Р-776-98. М:, Издательство МЭИ, 1999) при давлении подачи воды, теплоемкость смеси $${\tilde{N}}_{\cancel{\partial }\tilde{n}{}^{‵}i}=\Sigma g_j{\tilde{N}}_{\cancel{\partial }j}=g_{\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}{\tilde{N}}_{\cancel{\partial }.\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}+g_{\widehat{a}\widehat{i}c\ddot{a}}{\tilde{N}}_{\cancel{\partial }.\widehat{a}\widehat{i}c\ddot{a}}$$ .

Вариантные расчеты по пп.1) и 2) выполняют до достижения равенства Т_см=Т_нj, разумеется, можно при этом использовать графоаналитический подход.

Для седьмой ступени условие Т_см=Т_нj достигается при $$G_{\widehat{a}\widehat{i}\ddot{a}}=\mathrm{7,9}\text{ кг/с}$$ .

На температуру пароводяной смеси основное влияние оказывает теплота испарения воды, влияние температуры впрыскиваемой воды незначительно. В то же время процессы испарения интенсифицируются при подаче в воздушную среду перегретой воды.

Эти факторы явились определяющими при выборе параметров воды В расчетах давление подачи воды перед калиброванными выпускными каналами выбиралось с учетом перепада давления: р_воды=p_j+Δр_ф, где p_j - локальное давление воздуха в ступенях, Δр_ф - перепад давления на форсуночных элементах, роль которых выполняют калиброванные выпускные каналы 3, принимался постоянным и равным 0,2 МПа. Температура воды принята равной температуре насыщения при данном давлении.

Чтобы оценить эффект термодинамического цикла от впрыска воды, необходимо рассчитать возможный выигрыш или проигрыш в мощности, а также изменение удельных параметров ГТУ.

Вопрос этот не однозначный, в зависимости от количества впрыскиваемой воды в некоторых случаях может наблюдаться рост потребной мощности на привод компрессора. Это возникает в случаях, когда снижение температуры среды не компенсируется ростом расхода рабочего тела компрессора за счет испарившейся воды.

В расчетах весьма желательно учитывать изменение термодинамических свойств среды - паровоздушной смеси, они могут быть определены в приближении идеальности смеси и компонентов рабочей среды. При изменении термодинамических свойств неизбежно некоторое изменение энергетических показателей процессов сжатия в ступенях (КПД - η_из.ст, степени сжатия - π_ст и др.).

Эти вопросы в настоящее время изучены недостаточно полно, поэтому авторами приняты некоторые допущения о процессах сжатия в ступенях. Принято, что степень сжатия π_ст и изоэнтропический коэффициент сжатия в ступенях η_из.ст при впрыске воды остаются неизменными.

Расчет термодинамических параметров паровоздушной смеси проводился в следующей последовательности: 1) рассчитывалась газовая постоянная R_см=g_водR_вод+g_воздR_возд; 2) теплоемкость при постоянном объеме C_{ν cм}=C_{p cм}-R_cм; 3) показатель изоэнтропических процессов сжатия k=C_рем/С_νсм; 4) температура пароводяной смеси на выходе из ступени $$T_7{}_{\tilde{n}{}^{‵}i}=T_6({\pi }_{\tilde{n}{}^{‵}o}^{(k-1)/k}-1)/{\eta }_{{}^{‵}ec.\tilde{n}{}^{‵}o}$$ . Затем оценивалась эффективность процесса впрыска воды в ступени по снижению потребной мощности на сжатие $$\Delta L=L_{\tilde{n}{}^{‵}o}-L_{\tilde{n}{}^{‵}o.\tilde{n}{}^{‵}i.}$$ , где $$L_{\tilde{n}{}^{‵}o}=G_{\widehat{a}\widehat{i}c\ddot{a}}{\tilde{N}}_{p.\widehat{a}\widehat{i}c\ddot{a}}(T_7-T_6)/{\eta }_{{}^{‵}ec.\tilde{n}{}^{‵}o.}$$ ; $$L_{\tilde{n}{}^{‵}o.\tilde{n}{}^{‵}i}=G_{\tilde{n}{}^{‵}i}{\tilde{N}}_{\cancel{\partial }\tilde{n}{}^{‵}i}(T_{7\tilde{n}{}^{‵}i}-T_6)/{\eta }_{{}^{‵}ec.\tilde{n}{}^{‵}o}$$ . Снижение потребной мощности на сжатие в ступени составило ΔL=1624,61 кВт.

Параметры потока и термодинамические свойства среды следующей, восьмой ступени, определялись по изложенному выше методу. Единственным отличием явилось то, что параметры пароводяной смеси определялись с учетом впрыска воды в предыдущей седьмой ступени.

Расход воды равняется 5,7 кг/с, что, как будет показано ниже, существенно меньше по сравнению с расходом воды в отсутствии впрыска в предыдущей ступени.

Работа сжатия в ступени без впрыска, но с учетом параметров предыдущей ступени, выполненных с учетом впрыска, равнялась бы $$L_{\tilde{n}{}^{‵}o}=\mathrm{19916,01}\text{ кВт}$$ , с учетом впрыска в ступени $$L_{\tilde{n}{}^{‵}o.\tilde{n}{}^{‵}i}=\mathrm{5991,79}\text{ кВт}$$ . Следовательно, на сжатие при впрыске воды, в количестве, обеспечивающем равенство Т_см=Т_нj, затрачивается работа на 3924,21 кВт меньше.

Оптимальное количество воды для впрыска на девятой ступени равно 5,0 кг/с, соответственно количество работы $$L_{\tilde{n}{}^{‵}o}=\mathrm{19927,75}\text{ кВт}$$ ; $$L_{\tilde{n}{}^{‵}o.\tilde{n}{}^{‵}i}=\mathrm{15240,1}\text{ кВт}$$ и снижение работы в ступени составляет ΔL=4687,64 кВт.

Таким образом, подачу воды необходимо организовать в направляющих аппаратах ступеней осевого многоступенчатого компрессора. При обеспечении оптимальных параметров подаваемой воды (впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура T_j среды становится выше температуры Т_нj насыщения воды при локальном давлении р_j в ступенях компрессора) расход от ступени к ступени снижается (фиг.3), выигрыш за счет снижения потребного количества работы в ступенях компрессора возрастает (фиг.4). Темп изменения ΔL снижается несмотря на прирост эффективности процессов впрыска воды от ступени к ступени. Снижение потребной мощности компрессора представляет рост полезной мощности ГТУ.

Если подачу воды в ступени начать с восьмой ступени, расход воды составил бы 14,9 кг/с, снижение потребной мощности на сжатие в ступени равнялось ΔL=3668,93 кВт, что существенно ниже выигрыша при оптимальной организации процесса впрыска воды в ступенях многоступенчатого компрессора.

К тому же при начале впрыска воды с восьмой ступени расход воды увеличивается почти в 2 раза, что может оказаться неприемлемым для нормальной работы ГТУ.

Использование настоящего изобретения позволит уменьшить потребляемую компрессором мощность за счет определения оптимальных места (в лопатках направляющего аппарата ступеней осевого многоступенчатого компрессора) и параметров впрыскиваемой воды в проточную часть осевого многоступенчатого компрессора (впрыск воды проводят при температуре насыщения, соответствующей сумме локального давления и перепада давления в калиброванных выпускных каналах: р_воды=p_j+Δр_ф, где p_j - локальное давление воздуха в ступенях, Δр_ф - перепад давления на форсуночных элементах, роль которых выполняют калиброванные выпускные каналы, впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура T_j среды становится выше температуры Т_нj насыщения воды при локальном давлении p_j в ступенях компрессора).

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в теплоэнергетике, газоперекачивающих станциях, наземных и судовых транспортных средствах в стационарных газотурбинных установках, имеющих в своем составе осевой многоступенчатый компрессор. Способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора осуществляется путем впрыска воды. Воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы, выполненные на поверхности лопаток направляющего аппарата. Впрыск воды проводят при температуре насыщения, соответствующей сумме локального давления в ступенях компрессора и перепада давления в указанных выпускных каналах. Впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура среды становится выше температуры насыщения воды при локальном давлении в ступенях компрессора. Достигается уменьшение потребляемой компрессором мощности за счет определения оптимальных места и параметров впрыскиваемой воды в проточную часть многоступенчатого компрессора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды, отличающийся тем, что воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы, выполненные на поверхности лопаток направляющего аппарата, при этом впрыск воды проводят при температуре насыщения, соответствующей сумме локального давления и перепада давления в указанных выпускных каналах, причем впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура среды становится выше температуры насыщения воды при локальном давлении в ступенях компрессора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы, выполненные с возможностью обеспечения безотрывного течения воды и потока воздуха, причем количество выпускных каналов и размеры их проходных сечений выбираются из условия равномерного распределения концентрации воды по высоте лопаток.