CN102628449B - 湿气压缩机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及湿气压缩机系统。本申请提供一种湿气压缩机系统(100)。湿气压缩机系统(100)可包括具有入口区段(110)的湿气压缩机(10)。可将变横截面喷嘴(130)定位在入口区段(110)的周围。

Description

湿气压缩机系统
技术领域
本申请大体涉及湿气压缩机系统，并且更具体而言，涉及这样的湿气压缩机，它在其中具有变横截面流调节喷嘴，以便减少湿气中的液滴导致的腐蚀和其它损害。
背景技术
天然气和其它类型的液体燃料可在其中包括液体成分。这样的“湿”气可具有大量液体体积分数。在传统压缩机中，在这样的湿气中的液滴可对叶轮片造成腐蚀或脆化及这造成的转子失衡。具体而言，在液滴和压缩机表面(例如叶轮片、端壁、密封件等)之间的不良相互作用可为显著的。已知腐蚀实质上随液滴撞击到压缩机表面上的期间的相对速度、液滴质量大小以及撞击角而变化。腐蚀可导致性能退化、可靠性问题、减少的压缩机寿命和增加的维护要求。
因而，当前的湿气压缩机一般从气体流中分离出液滴，以便限制液滴造成的腐蚀和其它损害的影响或至少使该影响限于局部。但是，这些已知的液体分离系统和技术趋向于稍微有点复杂，而且在总体上同样可对压缩机增加另外的可靠性和维护问题。
因而，存在对一种改进的湿气压缩系统和方法的期望。优选地，这样的系统和方法可最大程度地减小湿气中的液滴造成的腐蚀和其它损害的影响，同时避免对液体-气体分离器等的需要。
发明内容
因而，本申请提供一种湿气压缩机系统。本文描述的湿气压缩机系统可包括具有入口区段的湿气压缩机。可将变横截面喷嘴定位在入口区段的周围。
本申请进一步提供一种在其中具有许多液滴的气体流进入压缩机中之前对该气体流进行流调节的方法。该方法可包括以下步骤：使气体流流到横截面积递减的会聚区段中，以及使气体流流到横截面积递增的扩张区段中。气体流在会聚区段和扩张区段中加速，使得液滴从第一大小破碎成第二大小。该方法进一步包括这样的步骤：使气体流流过激波(shock)点，使得液滴破碎成第三大小。
本申请进一步提供一种湿气压缩机系统。该湿气压缩机系统可包括具有入口区段和许多级的湿气压缩机。可将一个或多个会聚-扩张喷嘴定位在入口区段的周围，或者定位在各级之间中。具有许多液滴的气体流可穿过其中。液滴可在会聚-扩张喷嘴的上游具有第一大小，而在会聚-扩张喷嘴的下游具有第二大小。第二大小可小于第一大小。
在审阅结合若干附图和所附权利要求得到的以下详细描述之后，本申请的这些和其它特征与改进对本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是具有管道区段的一部分的已知湿气压缩机的示意图。
图2是已知的变横截面喷嘴的一个实例的示意图。
图3是如可在本文中描述的流调节喷嘴的示意图。
图4是如可在本文中描述的、定位在湿气压缩机的径向入口的周围的变横截面喷嘴的局部示意图。
图5是如可在本文中描述的、定位在湿气压缩机的径向入口的周围的变横截面喷嘴的局部示意图。
图6A是如可在本文中使用的喷嘴构造的平面图。
图6B是如可在本文中使用的喷嘴构造的平面图。
图7是定位在连续的级之间的变截面装置的局部示意图。
部件列表
10湿气压缩机
20叶轮片
30轴
40入口区段
50入口涡管
60管道区段
70变横截面喷嘴
75会聚区段
80喉部区段
85扩张区段
90激波点
95气体流
100湿气压缩机系统
110入口区段
120流调节喷嘴
130变横截面喷嘴
140会聚区段
150喉部区段
160扩张区段
170激波点
180气体流
190液滴
200第一大小
210第二大小
220第三大小
250湿气压缩机
260径向入口区段
270湿气压缩机
280轴向入口区段
300喷嘴构造
310喷嘴构造
320多级布置
330额外的会聚区段
具体实施方式
现在参照附图，其中，相同标号在若干视图中指示相同元件，图1显示了已知湿气压缩机10的一个实例。湿气压缩机10可为传统的设计，并且可包括许多级，其具有定位在轴30上以随之旋转的许多叶轮片20以及许多定子。湿气压缩机10还可包括入口区段40。入口区段40可为定位在叶轮片20的周围的入口涡管50等。其它类型和构造的湿气压缩机10可为已知的。管道区段60可与湿气压缩机10的入口区段40处于连通。管道区段60可为任何期望的大小、形状或长度。可在本文中使用任何数量的管道区段60。
图2显示了已知的变横截面喷嘴70。变横截面喷嘴70可为会聚-扩张喷嘴(也称为de Laval喷嘴)等。从大体上描述，变横截面喷嘴70可包括具有横截面积递减的会聚区段75。会聚区段75可通往横截面积基本恒定的喉部区段80。喉部区段80大体具有一定长度，这与为仅仅直径最小的点相反。喉部区段80又通往横截面积递增的扩张区段85。激波点90可在喉部区段80的下游定位在扩张区段85内。区段75、80、85的长度以及递增和递减的横截面积的角度可有所改变。变横截面喷嘴70包括提供流加速和/或减速的一系列区段，以促进在气相和液相之间有非零相对速度。区段75、80、85可为对称或不对称的。可在本文中使用其它构造。
从大体上描述，气体流95在会聚区段75的周围进入变横截面喷嘴70。气体流95的速度在这个点处很大程度上可为亚音速的。气体流95的速度在会聚区段75的递减的横截面积中将提高。然后气体流95可膨胀，并且可在激波点90处附近在扩张区段85中提高到超音速。因而，可紧密地指引离开变横截面喷嘴70的气体流95的动能。其它类型的变横截面喷嘴设计可为已知的。例如，在没有使用一定长度的喉部区段80的情况下，气体流95可能或不可能提高到超音速，并且可能或不可能产生激波点。
图3显示了如可在本文中描述的湿气压缩机系统100的一部分。湿气压缩机系统100可包括上面描述的湿气压缩机10或类似类型的压缩机。同样，湿气压缩机10可与管道区段60或类似类型的导管处于连通。
湿气压缩机系统100可包括入口区段110。入口区段110可定位在湿气压缩机10的叶轮片20的周围。入口区段110可在其中包括一个或多个流调节喷嘴120。流调节喷嘴120可采取类似于上面描述的那个的会聚-扩张喷嘴或变横截面喷嘴130的形式。具体而言，变横截面喷嘴130可包括会聚区段140、喉部区段150、扩张区段160和激波点170中的一些或全部。相应的区段140、150、160的相对大小、长度和角度可有所改变。同上，区段140、150、160的长度以及递增和递减的横截面积的角度可有所改变。区段140、150、160可为对称或不对称的。变横截面喷嘴130很大程度上可为圆的和轴线对称的或准二维的。可在本文中使用其它构造。流调节喷嘴120可用于由于其中的许多液滴190的原因而具有高的液体体积分数的气体流180。
不是区段140、150、160中的全部都必须在本文中共同使用。例如，变横截面喷嘴130不需要包括任何长度的喉部区段150。因而，在没有这种喉部区段150的情况下，气体流180可能或不可能达到超音速。在亚音速的情况下，在扩张区段160中的下游将不会产生激波点170。此外，变横截面喷嘴130的几乎全部可只是会聚区段140。
在湿气压缩机10的周围使用流调节喷嘴120优选可最大程度地减小液滴190和叶轮片20以及湿气压缩机10的其它表面之间的相互作用。具体而言，由于变横截面喷嘴130的形状的原因，通过气体流180的速度的迅速变化，流调节喷嘴120可为第二液滴190提供二次雾化。
具体而言，气体流180和液滴190之间的滑移(slip)速度可超过液滴破碎所需的临界值。变横截面喷嘴130的区段140、150、160的大小和设计可控制其中的加速或减速的速率以及激波强度以引起破碎，以及控制破碎的类型或模式。例如，在本文中可引起袋型破碎、剪切型破碎等。因而，扩张区段160可具有较小的角度，以便最大程度地降低气体加速的速率，以及因此降低滑移速度，以便防止过早的袋型破碎，以及促进激波点170的下游的剪切型破碎。袋型破碎可使液滴190的大小减小至大约1/3.5至1(即不减小)，而剪切型破碎可使液滴190的大小减小至大约1/10至1。可在本文中使用其它类型的破碎模式。例如，也可使用多模式破碎(介于袋破碎和剪切破碎之间)和突变破碎。
液滴190的大小趋向于随着会聚区段140的横截面积减小而减小，即正滑移。同样，随着扩张区段160的横截面积增大，液滴190的大小可继续减小，但不那么陡，即再次正滑移。可预期预计液滴190的大小在激波点170的周围会急剧减小，即瞬时滑移反向。此后液滴190的大小可保持基本恒定，即负滑移。鉴于此，液滴190可在进入流调节喷嘴时具有第一大小200，在穿过会聚区段140、喉部150和进入扩张区段160时具有更小的第二大小或许多更小的第二大小210，以及在激波点170的下游具有第三大小220。
液滴190可发生不止一次破碎。例如，气体流180在会聚区段140中迅速加速可引起液滴190的第一轮破碎。气体流180在穿过激波点170和扩张区段160时的迅速减速可实现第二轮破碎。各轮破碎均可具有相同或不同的破碎模式。
因而，气体流180可通过一个或多个流调节喷嘴120来加速，使得其中的液滴190破碎一次或多次，直到可实现期望的液滴大小为止。流调节喷嘴120可为亚音速的和超音速的两者，这取决于液滴破碎所需的加速量，以及实现具体的液滴大小可能需要多少破碎步骤。对于亚音速喷嘴，可借助于使通过其中的流加速来引起液滴破碎。对于超音速喷嘴，在液滴穿过单个或一系列的正向激波或斜激波时也可引起破碎。流调节喷嘴120还可与恰当地成形的导叶一起使用，以便在气体流180中引起预旋，以便降低叶轮片20和液滴190之间的相对速度。
通过允许气体流180在其中包含液滴190，在气体流180到达湿气压缩机10时，液滴190可在压缩期间为气体流180提供中间冷却。具体而言，因而，如上面描述的那样减小液滴190的大小可最大程度地增加中间冷却益处。同样，还可通过最大程度地减小液滴190的大小来加强促进液滴190在多级压缩机中蒸发。足够小的液滴190可趋向于遵从气体流180的流线型，以便减小与湿气压缩机10的表面的总体相互作用。具体而言，较小的液滴190可导致有较有利的冲击角，在撞击期间的减小的动量，以及增强的蒸发，同时最大程度地提高中间冷却和减小液体体积分数。
因而，对于给定量的气体流而在该液体体积分数方面，可提高压缩机10的总寿命和可靠性。此外，也可增加压缩机10在某些边界条件下可容忍的液体的量，而不损害总寿命和可靠性。重要地，流调节喷嘴120在没有任何运动部件的情况下提供这些益处。
流体调节喷嘴120不需要是单独的元件。相反，变横截面喷嘴130的形状可在入口涡管50内、在管道区段60内，或者通过设置诸如护罩壁、毂壁等的任何类型的端壁的形状来实现。可使用一个大型流调节喷嘴120，或者可沿周向将许多较小的喷嘴布置在入口涡管50、管道区段60等内。
图4和5显示了在具有不同构造的入口区段40的湿气压缩机10的周围使用变横截面喷嘴130。例如，图4显示了具有径向入口区段260的湿气压缩机250。因而，可沿径向方向定位变横截面喷嘴130。同样，图5显示了具有轴向入口区段280的湿气压缩机270。因而，变横截面喷嘴130可具有轴向位置。可在本文中使用湿气压缩机的其它位置和其它类型。例如，变横截面喷嘴130可用于外悬式压缩机、梁式压缩机等。可在本文中使用其它构造。
图6A和6B显示了用于本文描述的变横截面喷嘴的两个可行的喷嘴构造300、310。图7显示了多级布置320，其中可在连续的级之间应用额外的会聚区段330。喷嘴构造300和310也可与径向入口区段260等结合起来使用。
应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的某些实施例，并且本领域普通技术人员可在本文中作出许多改变和修改，而不偏离由所附权利要求及其等效方案限定的本发明的大体精神和范围。

Claims (13)

1.一种湿气压缩机系统(100)，包括：
湿气压缩机(10)；
所述湿气压缩机包括入口区段(110)；
布置在所述入口区段的下游的多个叶轮片(20)；以及
定位在所述入口区段(110)的周围且位于叶轮片(20)上游的变横截面喷嘴(130)，其中所述变横截面喷嘴设置成将气体流中的多个液滴(190)破碎成期望大小，这样破碎的液滴允许包含在所述气体流进入所述湿气压缩机。
2.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述入口区段(110)包括径向入口区段(260)或轴向入口区段(280)。
3.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述变横截面喷嘴(130)包括喉部区段(150)。
4.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述变横截面喷嘴(130)包括扩张区段(160)。
5.根据权利要求4所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述扩张区段(160)包括激波点(170)。
6.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述湿气压缩机系统(100)进一步包括多个变横截面喷嘴(130)。
7.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述入口区段(110)包括入口涡管(50)。
8.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述入口区段(110)包括管道区段(60)。
9.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述气体流(180)包括亚音速。
10.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述气体流(180)包括超音速。
11.根据权利要求1所述的湿气压缩机系统(100)，其特征在于，所述多个液滴(190)在所述变横截面喷嘴(130)的上游包括第一大小(200)，而在所述变横截面喷嘴(130)的下游包括第二大小(210)，并且其中，所述第二大小(210)小于所述第一大小(200)。
12.一种在其中具有多个液滴(190)的气体流(180)进入压缩机(10)中之前对所述气体流(180)进行流调节的方法，包括：
使所述气体流(180)流到横截面积递减的会聚区段(140)中；
使所述气体流(180)流到横截面积递增的扩张区段(160)中；
其中，所述气体流(180)在所述会聚区段(140)和所述扩张区段(160)中加速，使得所述多个液滴(190)从第一大小(200)破碎成第二大小(210)；以及
使所述气体流(180)流过激波点(170)，使得所述多个液滴(190)破碎成第三大小(220)；
将包含破碎的液滴的所述气体流输供给到所述压缩机。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二大小(210)小于所述第一大小(200)，并且其中所述第三大小(220)小于所述第二大小(210)。
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