Осевой многоступенчатый компрессор с впрыском воды в его проточную часть Российский патент 2021 года по МПК F04D19/02 

Область использования

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности, к энергетическим газотурбинным установкам (далее - ГТУ) с осевыми многоступенчатыми компрессорами для сжатия атмосферного циклового воздуха.

Уровень техники

Мощность ГТУ пропорциональна, в основном, расходу воздуха в компрессоре и соответствует номинальному значению при стандартных внешних условиях: температуре наружного воздуха t_HB=+15°C, барометрическому давлению 101,3 кПа и относительной влажности ϕ=60%. Энергетические ГТУ могут работать в интервале температур t_HB от -40°C до +40°C и их мощность при t_HB<15°C больше, а при t_HB>15°C меньше номинального значения. Например, при умеренно повышенной температуре воздуха 25÷30°C мощность ГТУ снижается на 7÷10%. Одновальные прямоприводные энергетические ГТУ с расходом воздуха 500÷900 кг/с применяются в составе высокоэкономичных парогазовых установок (далее - ПТУ) с мощностью энергоблоков 350÷750 МВт и такое летнее снижение мощности одного энергоблока исчисляется несколькими десятками МВт. Использование экономичных ГТУ и ПТУ в энергетике расширяется, и даже при продолжительности летнего периода 3÷4 месяца экономические потери от сокращенной выработки электроэнергии с самым низким удельным расходом топлива оказываются весьма значительными. Эти потери отмечаются при прохождении максимумов нагрузки энергосистемы с неизменным участием маневренных ПТУ на природном газе. Стабилизировать номинальную мощность современных ГТУ при t_HB>15°C за счет повышения температуры газов нецелесообразно из-за ускоренного исчерпания долговечности дорогостоящих охлаждаемых деталей горячего тракта. Без таких последствий форсировать мощность ГТУ в часы пик способен энергетический ввод пара. Однако, в условиях ПТУ прирост ее мощности на 1% вводимого пара в 1,5÷2,0 раза меньше, чем для автономной ГТУ с паровым котлом-утилизатором отработавших газов, но без паровой турбины.

Поддерживать номинальную мощность ГТУ в теплое время года позволяет контактно-испарительное водяное охлаждение циклового воздуха. Полезное уменьшение его температуры перед сжатием зависит от влагопоглощающей способности наружного воздуха и будет наибольшим, если воздух является не только горячим, но и сухим. В частности, t_HB=35÷40°C, ϕ=25÷30%. После испарения в воздухо-заборном тракте до компрессора 6÷8 г воды на 1 кг такого воздуха его температура уменьшается на 15÷20°C или до 20°C при конечном влагосодержании 15,2 г/кг в состоянии насыщения (ϕ=100%). Предварительное охлаждение воздуха до такого состояния повышает мощность современной одновальной ГТУ на 8÷10%, что несколько меньше ее исходного снижения на 13÷15% при t_HB=35÷40°C.

Если воздух горячий и влажный (ϕ=80÷90%) или умеренно теплый и влажный (20÷25°C и ϕ=50÷70%), то из-за ограничения влагопоглощающей способности эффективность его предохлаждения уменьшается в несколько раз и повышение мощности ГТУ оказывается малозначительным.

Влагопоглощающая способность воздуха быстро растет по мере повышения его температуры при сжатии уже в начальных ступенях осевого компрессора. В последующих ступенях термодинамические условия для охлаждения воздуха в контакте с водой улучшаются. Поэтому ее обозначенный выше расход в воздухозаборном тракте не уменьшают, а увеличивают в расчете на полное испарение воды в проточной части компрессора, охлаждение воздуха в процессе сжатия и дальнейшее повышение мощности ГТУ до ее номинального значения. Этот результат термодинамически обоснован в широком интервале изменения положительных температур и относительной влажности наружного воздуха.

У одновальных прямоприводных ГТУ очищенный воздух подводится к компрессору в радиальном направлении по прямоугольному коробу со скоростью 30÷40 м/с. Здесь воздух может быть избыточно увлажнен форсуночным впрыском мелкодисперсной влаги. Далее с плавным поворотом на 90° воздух поступает в кольцевой конфузор внутри корпуса переднего подшипника, где поток ускоряется до 100÷120 м/с. Соответственно понижается статическое давление воздуха, парциальное давление водяных паров и точка росы. Воздух проходит через входной направляющий аппарат (ВНА) и захватывается рабочими лопатками первой ступени компрессора. Они вращаются со средней окружной скоростью 250÷300 м/с. Общая поверхность кольцевого конфузора, ограничивающего поток воздуха, зависит от его расхода, и при его значении 500 кг/с уже превышает 10 м².

Форсуночный впрыск воды рассредоточен в поперечном сечении входного короба, где поток воздуха избыточно увлажняется каплями воды, которая полностью не испаряется до компрессора. Вся поверхность конфузора смачивается этими каплями. Если воздух обладает влагопоглощающей способностью, то испарение капель происходит не только в его движущемся объеме, но и на смоченной ими поверхности входного тракта. Из-за изменения внешних условий в теплое время года влагопоглощающая способность воздуха может периодически сокращаться. Например, ежесуточно или более продолжительно при пасмурной погоде. Тогда смачивание поверхности каплями приведет к образованию на ней тонкой пленки жидкости, которая будет перемещаться по направлению потока воздуха, утолщаться, обрываться и подхватываться ускоряющимся потоком. Пленки жидкости фрагментируются в более крупные капли, чем первоначальные размером 20÷40 мкм. Повторная фрагментация жидкости происходят и при срыве ее пленок с поверхности каждой лопатки ВНА непосредственно перед вращающимися рабочими лопатками. До них крупные капли могут ускоряться вместе с основным потоком и с учетом относительного движения скорость столкновения лопаток с каплями увеличивается до эрозионно-опасной. Применение специального антиэрозионного покрытия для наиболее длинных рабочих лопаток первой ступени компрессора значительно увеличивает их стоимость.

Следует отметить, что часть крупных капель остается во взвешенном состоянии и вносится потоком воздуха вместе с остальными каплями в межлопаточные каналы первой ступени компрессора. Здесь в условиях вращения начинается процесс сжатия воздуха и испарения капель, которые одновременно под действием центробежных сил смещаются к периферии этих каналов. В этом же направлении перемещаются пленки жидкости на смоченной ее каплями поверхности рабочих лопаток. Скорость испарения крупных капель меньше, а смещение к периферии больше, чем мелких. Значительная часть крупных капель образуется после срыва пленок жидкости с кольцевых поверхностей конфузора до ВНА. Поверхность конфузора по наружному диаметру при рассматриваемых расходах воздуха в 1,7÷2,0 раза больше, чем по внутреннему. Соответственно, увеличивается количество крупных капель, которые через ВНА вносятся на периферию межлопаточных каналов, где капли подвергаются воздействию максимальных центробежных сил. Уже в первой ступени крупные капли сепарируются на поверхность корпуса компрессора. В последующих ступенях на эту поверхность начнут осаждаться и капли меньшего размера, не успевшие испариться в периферийных сечениях межлопаточных каналов, а также пленки жидкости с поверхности рабочих лопаток. Поступенчато все капли консолидируются на поверхности корпуса в тонкий слой жидкости, перемещающийся по направлению воздушного потока. Поверхность испарения этого слоя в сотни раз меньше, чем поверхность всех осажденных капель. Жидкость на корпусе компрессора полностью не испаряется, несмотря на непрерывное повышение температуры сжимаемого воздуха в присутствии остальных испаряющихся капель. На поверхности корпуса компрессора после 5-й ступени расположены отверстия для промежуточного отбора воздуха на охлаждение турбины. Слой жидкости отводится в этот отбор и как охладитель циклового воздуха теряется. Если сепарация не испарившихся капель из вращающихся межлопаточных каналов продолжится и на поверхности корпуса слой жидкости возобновится, то в последующем промежуточном отборе воздуха за 10-й ступенью окажется и его значительная часть.

Отмеченные негативные последствия препятствуют применению контактно-испарительного водяного охлаждения циклового воздуха ГТУ, которые эксплуатируются в умеренно-теплом климате. Исключить повторную вредную фрагментацию охлаждающей воды во входном тракте компрессора возможно двумя путями:

- переменным расходом воды для предохлаждения воздуха в зависимости от изменения его наружной температуры и относительной влажности;

- подводом охлаждающей воды в проточную часть компрессора.

В первом случае при значении ϕ≥80% впрыск воды для предохлаждения воздуха прекращается и при t_HB>15°C максимальная мощность ГТУ оказывается ниже номинальной. Такое изменение мощности всегда нежелательно для энергетической ГТУ во время прохождения максимумов нагрузки энергосистемы. Во втором случае выбывающее предохлаждение воздуха компенсируется возможностью его влажного сжатия. Вопрос заключается только в том, чтобы эффективно организовать впрыск воды во 2-й или 3-й ступени компрессора, а затем полностью, без потерь, испарить воду в последующих (числом от 12 до 22) его ступенях.

Из уровня техники известен способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды, заключающийся в том, 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 (патент RU 2529289 С1, опубл. 27.09.2014 г.) (далее - [1]). Вода впрыскивается с температурой насыщения, соответствующей сумме локального давления воздушного потока на поверхности лопатки и перепада давления в указанных выпускных каналах. При этом впрыск воды начинают в той ступени, где температура воздушного потока становится выше температуры насыщения, определяемой по локальному давлению этого потока. Калиброванные выпускные каналы выполняют с возможностью безотрывного течения воды и воздуха на поверхности лопаток, а количество этих каналов и проходное сечение каждого из них выбираются из условия равномерно распределяемой концентрации воды по длине лопаток. Размещение выпускных каналов показано в поперечном сечении лопатки с продольной полостью для подвода и распределения охлаждающей воды в эти каналы.

Известно, что при сжатии атмосферного воздуха температура насыщения воды в полости лопатки согласно [1] уже не менее 100°C, а его температура в проточной части компрессора к началу впрыска охлаждающей воды еще выше. Проведен примерный расчет 15-и ступенчатого компрессора энергетической ГТЭ-150 с расходом воздуха 630 кг/с и степенью сжатия 13,1. Показано, что для стандартных внешних условий температура охлаждающей воды и воздуха сближаются на уровне 125°C в 6-й ступени при давлении последнего 0,26 МПа. Впрыск воды с принятым перепадом давления в выпускных каналах 0,2 МПа начинают в 7-й ступени, где температура воздуха после сжатия до 0,314 МПа уже оказывается больше на 20°C, чем воды. Настолько же понижают температуру воздуха в этой ступени впрыском 7,3 кг/с или 1,25% перегретой выше насыщения воды. Для понижения возрастающей температуры сжимаемого далее воздуха до слабо увеличивающейся температуры насыщения воды ее впрыск повторяют в следующих 8-й и 9-й ступенях с расходом соответственно 0,9% и 0,8%. От охлаждения воздуха мощность каждой этой ступени снижается и составляет в целом 10,236 МВт или 4,5% мощности компрессора с затратой 2,95% горячей воды. Для сравнения: равномерное по 15-й ступеням полное испарение такого относительного количества воды с комнатной температурой снижает мощность компрессора на 6%.

Следует отметить, что расчеты проведены в предположении полного мгновенного испарения воды в каждой ступени и их неизменном КПД в компрессоре ГТЭ-150. Ускоренному испарению воды способствует ее впрыск с температурой выше насыщения, поскольку давление воды в выпускных каналах снижается повсеместно на 0,2 МПа, что соответствует перегреву на 16÷18°C. Избыточная теплота выделяется в объеме жидкости в виде пара, который диспергирует остальную ее часть в мелкие капли. К тому же в 7-й и двух предыдущих ступенях разность температуры воздуха и испаряющихся капель в несколько раз больше, чем в начальных ступенях, а впрыск воды в поток воздуха распространен между всеми направляющими лопатками. Однако, время пребывания капель воды в решетке этих лопаток недостаточно для полного испарения. При условии равномерной концентрации впрыска воды по длине лопаток неиспарившиеся капли поступят в смежную решетку вращающихся рабочих лопаток 8-й ступени, где под действием центробежных сил начнут сепарироваться прежде всего из периферийных сечений на внутреннюю поверхность корпуса компрессора. Два последующих впрыска воды с неизменно равномерной концентрацией по длине направляющих лопаток 8-й и 9-й ступеней будут сопровождаться нарастающим выделением неиспарившейся жидкости из потока воздуха в решетках рабочих лопаток как минимум 9-й и 10-й ступеней.

Также следует отметить, что, согласно [1], в 15-и ступенчатом компрессоре мощность 6-и начальных ступеней не изменяется, а в каждой из 6-и других ступеней - от 10-й до 15-й - предстоит сжимать, кроме воздуха, и наибольший расход пара, равный общему расходу впрыскиваемой воды. Ее испарение приводит к сокращению затрат на сжатие в средних (7, 8, 9) ступенях компрессора, которые, как известно, исходно самые экономичные, но теряют это преимущество из-за отмеченных ранее потерь. Поэтому рекомендуемый выбор промежуточной ступени для начала охлаждения воздуха не обеспечивает наибольшего сокращения затрат на его сжатие. К тому же впрыск воды почти в середине проточной части многоступенчатого компрессора значительно уменьшает продолжительность пребывания испаряющихся капель жидкости в потоке воздуха.

Недостаток известного из [1] технического решения заключается в том, что в нем не обеспечивается заявленная безотрывность течения. При назначенной потере давления в выпускных каналах 0,2 МПа скорость пароводяной струи превышает 10 м/с, ее массовая скорость - не менее 10000 кг/м²⋅с. Это значение на порядок больше массовой скорости потока воздуха между направляющими лопатками. При таком соотношении или числе вдува даже при минимальном угле наклона оси выпускных каналов к поверхности лопатки пароводяные струи будут отрываться от этой поверхности. Компрессорные лопатки обтекаются потоком с переменной скоростью при положительном градиенте давления, в условиях которого рассредоточенный выпуск отрывающихся струй охладителя с большой вероятностью нарушит исходное течение воздуха на поверхности лопаток. Нарушение обтекания не только уменьшит КПД части (3-х) ступеней, но и чревато снижением порога устойчивой работы компрессора.

Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа заявляемого изобретения осевой многоступенчатый компрессор, содержащий корпус с размещенным в нем лопаточным аппаратом со ступенями, каждая из которых включает рабочие и направляющие лопатки, по периметру корпуса 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 которых имеет проточный канал и расположенный под углом от 110 до 180° к нему сообщающийся с ним выпускной канал, ориентированный в спутном к потоку воздуха направлении, 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 (патент RU 72514 U1, опубл. 20.04.2008 г.) (далее - [2]).

Недостаток ближайшего аналога [2] заключается в том, что к потоку воздуха охлаждающая вода подмешивается в виде консолидированных жидкостных струй. Отмечается, что «…вода соударяется с рабочими лопатками…». Это значит, что между направляющими лопатками струи жидкости не ускоряются до скорости потока воздуха, превышающей 100 м/с, и не диспергируются по большей части в капли размером менее 100 мкм, способные, как известно, испариться в проточной части осевого компрессора. До рабочих лопаток жидкость дробится, в основном, на значительно более крупные фрагменты. Две или четыре таких фрагментированных струи содержат почти весь исходный расход воды, испарение которой малозначительно и практически не влияет на охлаждение потока воздуха в решетке направляющих лопаток. Эти струи соударяются с вращающимися рабочими лопатками от двух до четырех раз за один оборот или от 100 до 200 раз в секунду при частоте вращения 50 Гц. Периодическое ударное воздействие плотных водяных струй является фактором вибрационного возбуждения тонких удлиненных рабочих лопаток, а также их эрозии при длительной эксплуатации. Поверхность контакта потока воздуха со струями жидкости и с ее пленкой на части поверхности рабочих лопаток недостаточна для полного ее испарения с расходом не менее 1% от расхода воздуха не только в начальных, но и в последующих ступенях компрессора. Если учитывать влияние центробежных сил, то вскоре - возможно уже в 3-й или 4-й ступени - находящиеся в потоке воздуха крупные не испарившиеся капли воды начнут сепарироваться на корпус компрессора, где окажутся практически бесполезными для охлаждения воздуха.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение термодинамически эффективного впрыска воды в единичную ступень осевого многоступенчатого компрессора, а техническими результатами - обеспечение диспергирования охлаждающей жидкости с использованием факторов высокоскоростного вращения ротора компрессора; сокращение газодинамических потерь от подмешивания мелкодисперсной влаги к сжимаемому воздуху; увеличение продолжительности пребывания всех образующихся капель жидкости в потоке поступенчато сжимаемого воздуха; а также обеспечение полного испарения охлаждающей воды в проточной части компрессора ГТУ при расходе жидкости, достаточном для стабилизации мощности ГТУ на номинальном уровне при повышении начальной температуры сжимаемого воздуха от +15 до +40°C.

Решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов обеспечивается тем, что осевой многоступенчатый компрессор содержит корпус с размещенным внутри него лопаточным аппаратом со ступенями, каждая из которых включает рабочие и направляющие лопатки. При этом каждая из как минимум двух его направляющих лопаток имеет сквозную продольную полость и установлена одним концом в корпусе, а другим - в кольцевом бандаже с промежуточным уплотнением, которое ограничивает кольцевую пазуху в ободе несущего диска со стороны его внешней боковой поверхности. Причем к каждой сквозной продольной полости в как минимум двух вышеуказанных направляющих лопатках со стороны корпуса подведен трубопровод охлаждающей воды, а со стороны кольцевого бандажа - струйная форсунка, которая прикреплена к бандажному кольцу, помещена в кольцевую пазуху в ободе несущего диска и обращена под острым углом к радиусу обода несущего диска в сторону дна кольцевой пазухи. При этом над кольцевой пазухой в ободе несущего диска имеется сообщающаяся с ней кольцевая выемка и как минимум два радиальных канала, которые сообщают кольцевую выемку с объемом между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью обода диска. Причем как минимум две направляющих лопатки, каждая из которых имеет сквозную продольную полость, расположены симметрично по периметру внешней поверхности обода несущего диска относительно его оси в начальной - не далее третьей - ступени, при этом их количество составляет не более половины от общего числа направляющих лопаток в вышеуказанной ступени. Причем как минимум два радиальных канала в вышеуказанной ступени расположены равномерно по периметру внешней поверхности обода диска между рабочими лопатками.

Причинно-следственная связь между указанными техническими результатами и совокупностью существенных признаков формулы заключается в следующем.

Охлаждающая вода через направляющие полые лопатки, расположенные в начальной - не далее третьей - ступени компрессора, поступает в струйные форсунки, закрепленные на бандажном кольце, и струйно осаждается под острым углом к радиусу обода несущего диска на дне кольцевой пазухи в его ободе на максимальном удалении от внутренней поверхности его наружного корпуса. При вращении обода диска струи воды консолидируются в кольцевой выемке, вода приобретает окружную скорость вращения обода несущего диска и под действием центробежных сил выбрасывается через равномерно расположенные по периметру внешней поверхности обода диска радиальные каналы в объем между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью обода диска, в котором размещены рабочие и направляющие лопатки (проточную часть осевого компрессора), и затем благодаря ее высокой кинетической энергии диспергируется в мелкие капли, которые подхватываются и испаряются в движущемся потоке воздуха, уже нагретого при сжатии в предыдущей ступени. При этом часть капель точечно смачивают внешнюю поверхность полых направляющих лопаток вблизи бандажного кольца и испаряются на ней. Аналогично смачиваются в условиях вращения прикорневая часть вогнутой поверхности рабочих лопаток последующей ступени, где в межлопаточных каналах под действием центробежных сил все капли начинают смещаться в потоке воздуха к периферии проточной части осевого компрессора. Соответственно удаляется от кольцевого бандажа смачиваемый каплями участок поверхности направляющих лопаток в каждой последующей ступени. Известно, что испарение воды в воздухе происходит при температуре, зависящей от парциального давления ее паров. Это давление повышается по мере увеличения степени сжатия воздуха и его влагосодержания. Однако повышение температуры воздуха при сжатии опережает рост парциального давления водяных паров. Поэтому температурный напор при испарении жидкости поступенчато увеличивается одновременно с влагопоглощающей способностью воздуха. В результате при умеренном расходе охлаждающей воды, равном 1,5÷1,7%, возможно ее полное испарение в проточной части компрессора ГТУ с однокаскадным сжатием воздуха до давления в 12÷25 раз выше атмосферного. Такой расход воды достаточен, чтобы стабилизировать мощность ГТУ на номинальном уровне при повышении начальной температуры наружного воздуха от +15 до +40°C. Промежуточный отбор воздуха на охлаждение турбины осуществляется из отверстия в стенке корпуса компрессора после его пятой ступени. При этом большинство мелких капель охлаждающей воды остаются в проточной части компрессора в качестве охладителя циклового воздуха, поскольку их ввод осуществляется на максимальном удалении от внутренней поверхности его корпуса.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена проточная часть осевого многоступенчатого компрессора ГТУ. На фиг. 2 изображена компрессорная ступень с впрыском воды (узел А на фиг. 1).

Описание позиций чертежей

1 - корпус переднего подшипника;

2 - входной суживающийся канал;

3 - поворотный входной направляющий аппарат;

4 - рабочие лопатки;

5 - полые направляющие лопатки;

6 - корпус;

7 - отбор охлаждающего воздуха;

8 - направление подвода воздуха;

9 - обод несущего диска;

10 - бандажное кольцо;

11 - промежуточное лабиринтное уплотнение;

12 - кольцевая пазуха;

13 - струйная форсунка;

14 - кольцевая выемка;

15 - радиальный канал;

16 - трубопровод охлаждающей воды;

17 - сквозная продольная полость;

18 - ось симметрии;

β - угол между осью симметрии струйной форсунки и радиусом обода несущего диска R.

Осуществление изобретения

Далее приведен частный пример конструкции осевого многоступенчатого компрессора и принцип его работы.

На фиг. 1 изображена проточная часть осевого многоступенчатого компрессора для однокаскадного сжатия воздуха с присоединенным корпусом переднего подшипника 1, выполненным внутри него входным суживающимся каналом 2 и последующим входным поворотным направляющим аппаратом 3.

На фиг. 2 изображена вторая компрессорная ступень с впрыском воды (узел А на фиг. 1), которая состоит из установленных на ободе несущего диска 9 вращающихся рабочих лопаток 4, направляющих лопаток (на фиг. 2 не показаны) и двух неподвижных полых направляющих лопаток 5, каждая из которых имеет сквозную продольную полость 17 и с одной стороны закреплена в корпусе 6 во второй ступени компрессора. С другой стороны полые направляющие лопатки 5 объединены путем их закрепления на бандажном кольце 10 симметрично по периметру внешней поверхности обода несущего диска 9 относительно его оси симметрии 18. При этом бандажное кольцо 10 с промежуточным лабиринтным уплотнением 11 ограничивает кольцевую пазуху 12 обода несущего диска 9 со стороны его внешней боковой поверхности. Причем в кольцевой пазухе 12 находятся две струйные форсунки 13, каждая из которых сообщается со сквозной продольной полостью 17 в одной из двух полых направляющих лопаток 5. При этом две струйные форсунки 13 приварены к бандажному кольцу 10 и размещены в кольцевой пазухе 12 обода несущего диска 9 под острым углом β между осями их симметрии и радиусом R обода несущего диска 9 в сторону дна кольцевой пазухи 12. Под ободом несущего диска 9 над кольцевой пазухой 12 выполнена кольцевая выемка 14, которая сообщается с объемом между внутренней поверхностью корпуса 6 и внешней поверхностью обода несущего диска 9 с помощью двух радиальных каналов 15, равномерно расположенных по периметру внешней поверхности обода диска 9 между рабочими лопатками 4. При этом к каждой из сквозных продольных полостей 17 в полых направляющих лопатках 5 подведен трубопровод охлаждающей воды 16, закрепленный в отверстии в корпусе 6.

Работа осевого многоступенчатого компрессора осуществляется следующим образом.

Сначала воздух поступает в корпус переднего подшипника 1 и затем, проходит через воздушный суживающийся канал 2 и поворотный входной направляющий аппарат 3, после чего поступает в проточную часть осевого компрессора в корпус 6, внутри которого расположены вращающиеся рабочие лопатки 4 и неподвижные полые направляющие лопатки 5.

При этом охлаждающая вода поступает по трубопроводу 16 через полые направляющие лопатки 5, расположенные во второй ступени компрессора, в струйные форсунки 13, после чего она струйно осаждается под острым углом β к радиусу R обода несущего диска 9 по направлению его вращения на дне его кольцевой пазухи 12. При вращении обода диска 9 струи воды консолидируются в кольцевой выемке 14, вода под действием центробежных сил выбрасывается через радиальные каналы 15 в проточную часть компрессора и диспергируется в мелкие капли, которые подхватываются и испаряются в движущемся потоке сжимаемого воздуха. Часть капель точечно смачивают внешнюю поверхность полых направляющих лопаток 5 вблизи бандажного кольца 10 и испаряются на ней. Аналогично смачиваются в условиях вращения прикорневая часть вогнутой поверхности рабочих лопаток 4 последующей ступени, где в межлопаточных каналах под действием центробежных сил все капли начинают смещаться в потоке воздуха к периферии проточной части. Соответственно удаляется от бандажного кольца 10 смачиваемый каплями участок поверхности полых направляющих лопаток 5 в каждой последующей ступени. Промежуточный отбор воздуха на охлаждение турбины осуществляется из отбора охлаждающего воздуха 7, который расположен после пятой ступени компрессора в стенке корпуса 6. При этом большинство мелких капель охлаждающей воды остаются в проточной части компрессора в качестве охладителя циклового воздуха, поскольку их ввод осуществляется на максимальном удалении от внутренней поверхности корпуса 6.

При умеренном расходе охлаждающей воды, равном 1,5÷1,7%, происходит ее полное испарение в проточной части компрессора ГТУ с однокаскадным сжатием воздуха до давления в 12÷25 раз выше атмосферного, что позволяет при вышеуказанном расходе воды стабилизировать мощность ГТУ на номинальном уровне при повышении начальной температуры наружного воздуха от +15 до +40°C.

Предлагаемый компрессор позволяет стабилизировать верхнюю границу регулировочного диапазона энергетической ГТУ, что особенно эффективно при прохождении максимумов нагрузки энергосистемы.

Промышленная применимость

Осевой многоступенчатый компрессор согласно патентуемому изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области теплоэнергетики.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к энергетическим газотурбинным установкам (далее - ГТУ) с осевыми многоступенчатыми компрессорами для сжатия атмосферного циклового воздуха. Осевой многоступенчатый компрессор содержит корпус с размещенным внутри него лопаточным аппаратом со ступенями, каждая из которых включает рабочие и направляющие лопатки. При этом каждая из как минимум двух его направляющих лопаток имеет сквозную продольную полость и установлена одним концом в корпусе, а другим - в кольцевом бандаже с промежуточным уплотнением, которое ограничивает кольцевую пазуху в ободе несущего диска со стороны его внешней боковой поверхности. Причем к каждой сквозной продольной полости в как минимум двух вышеуказанных направляющих лопатках со стороны корпуса подведен трубопровод охлаждающей воды, а со стороны кольцевого бандажа - струйная форсунка, которая прикреплена к бандажному кольцу, помещена в кольцевую пазуху в ободе несущего диска и обращена под острым углом к радиусу обода несущего диска в сторону дна кольцевой пазухи. При этом над кольцевой пазухой в ободе несущего диска имеется сообщающаяся с ней кольцевая выемка и как минимум два радиальных канала, которые сообщают кольцевую выемку с объемом между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью обода несущего диска. Технические результаты - обеспечение диспергирования охлаждающей жидкости с использованием факторов высокоскоростного вращения ротора компрессора; сокращение газодинамических потерь от подмешивания мелкодисперсной влаги к сжимаемому воздуху; увеличение продолжительности пребывания всех образующихся капель жидкости в потоке поступенчато сжимаемого воздуха; а также обеспечение полного испарения охлаждающей воды в проточной части компрессора ГТУ при расходе жидкости, достаточном для стабилизации мощности ГТУ на номинальном уровне при повышении начальной температуры сжимаемого воздуха от +15 до +40°C. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Осевой многоступенчатый компрессор, содержащий корпус с размещенным внутри него лопаточным аппаратом со ступенями, каждая из которых включает рабочие и направляющие лопатки, отличающийся тем, что каждая из как минимум двух его направляющих лопаток имеет сквозную продольную полость и установлена одним концом в корпусе, а другим - в кольцевом бандаже с промежуточным уплотнением, которое ограничивает кольцевую пазуху в ободе несущего диска со стороны его внешней боковой поверхности; причем к каждой сквозной продольной полости в как минимум двух вышеуказанных направляющих лопатках со стороны корпуса подведен трубопровод охлаждающей воды, а со стороны кольцевого бандажа - струйная форсунка, которая прикреплена к бандажному кольцу, помещена в кольцевую пазуху в ободе несущего диска и обращена под острым углом к радиусу обода несущего диска в сторону дна кольцевой пазухи; при этом над кольцевой пазухой в ободе несущего диска имеется сообщающаяся с ней кольцевая выемка и как минимум два радиальных канала, которые сообщают кольцевую выемку с объемом между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью обода несущего диска.

2. Осевой многоступенчатый компрессор по п. 1, отличающийся тем, что как минимум две направляющих лопатки, каждая из которых имеет сквозную продольную полость, расположены симметрично по периметру внешней поверхности обода несущего диска относительно его оси в начальной - не далее третьей - ступени.

3. Осевой многоступенчатый компрессор по п. 2, отличающийся тем, что количество направляющих лопаток, имеющих сквозную продольную полость и расположенных симметрично по периметру внешней поверхности обода несущего диска относительно его оси в начальной - не далее третьей - ступени, составляет не более половины от общего числа направляющих лопаток в вышеуказанной ступени; причем как минимум два радиальных канала в вышеуказанной ступени расположены равномерно по периметру внешней поверхности обода несущего диска между рабочими лопатками.