CN103967615A - 燃气轮机的压气机加湿结构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供燃气轮机的压气机加湿结构，压气机包括动叶、静叶、蜗壳，动叶和静叶安装在蜗壳里，动叶之间周向布置形成动叶叶轮，静叶之间周向布置形成静叶叶栅，动叶叶轮与连接轴相连，静叶叶栅与蜗壳固连，一组动叶叶轮和一组静叶叶栅组成一级增压结构，在一级增压结构中，动叶叶轮位于静叶叶栅的前方，静叶包括喷水叶片和普通叶片，喷水叶片包括叶片体，叶片体里设置内腔，内腔里安装水管，叶片体尾缘加工劈缝，叶片体尾缘处设置喷嘴，喷嘴分别与内腔和水管相连通，水泵连通喷水叶片的水管，压气机设置第一出口和第二出口，第一出口连通燃烧室，第二出口连通喷水叶片的内腔。本发明能够简化现有的雾化喷嘴结构，实现更好的雾化效果。

Description

燃气轮机的压气机加湿结构

技术领域

本发明涉及的是一种加湿结构，具体地说是燃气轮机的加湿结构。

背景技术

燃气轮机湿压缩技术通过设置喷水装置，改变压缩工质的含水量，利用液滴的蒸发潜热降低工质的压缩温度，从而减小压气机耗功，提高燃气轮机的输出功率。同时，湿度的增加可以改善燃烧室的工作环境，降低燃烧室氮氧化物的排放，达到节能减排的目的。工业燃气轮机湿压缩技术主要采用的加湿方式是在高、低压压气机的进口设置加湿装置(雾化器)，使压缩工质在进入压气机前就携带大量的小雾滴。这种加湿方式的关键在于雾化器的雾化效果，务必保证液滴的随流性(研究表明，5μm左右的液滴其随流性较好，可以实现很好的湿压缩效果)，因此往往需要复杂的液滴雾化系统。目前的加湿方式只能使压气机前面某些级有较好的加湿效果，而到后面温度、压力较高的级液滴蒸发殆尽，加湿效果不明显。从压气机内指定位置叶片表面对压缩工质进行加湿能够很好的解决这个问题，改善加湿效果，然而同样面临着水滴的雾化问题，从叶片表面加湿不适合安装复杂的喷嘴结构。

转/静干涉的非定常效应是压气机内流场所固有的属性，是由于转子与静子之间的周期性相对运动造成的。转/静干涉主要由无粘的势流干扰和粘性尾迹干扰组成，对于可压缩流动而言，势流干扰随着马赫数的增加能够沿轴向传播很远，并受到叶列间轴向间隙大小的影响，在轴向间隙小于10％叶片弦长的情况下，势流干扰与尾迹干扰保持在相同的量级水平上。粘性尾迹干扰相对能够传播更远的距离，一般能够达到1～1.5倍弦长以上。由于转/静干涉现象以及尾迹的传播，在叶片表面会产生具有一定强度的周期性压力脉动，其脉动频率由压气机转子自身的转速与叶片数决定，对于燃气轮机的压缩系统，高频脉动频率能够接近10KHz左右。转/静干涉现象是压气机气动噪声的一个重要来源，同时也是造成叶片高周疲劳的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于提供能实现从压气机内指定叶片表面位置对压缩工质进行加湿，从而取得比现有加湿方式更好的加湿效果的燃气轮机的压气机加湿结构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明燃气轮机的压气机加湿结构，包括燃烧室、压气机、涡轮，压气机和涡轮通过连接轴相连，压气机和涡轮均与燃烧室相连，其特征是：还包括水泵，压气机包括动叶、静叶、蜗壳，动叶和静叶安装在蜗壳里，动叶之间周向布置形成动叶叶轮，静叶之间周向布置形成静叶叶栅，动叶叶轮与连接轴相连，静叶叶栅与蜗壳固连，一组动叶叶轮和一组静叶叶栅组成一级增压结构，在一级增压结构中，动叶叶轮位于静叶叶栅的前方，静叶包括喷水叶片和普通叶片，喷水叶片包括叶片体，叶片体里设置内腔，内腔里安装水管，叶片体尾缘加工劈缝，叶片体尾缘处设置喷嘴，喷嘴分别与内腔和水管相连通，水泵连通喷水叶片的水管，压气机设置第一出口和第二出口，第一出口连通燃烧室，第二出口连通喷水叶片的内腔。

本发明还可以包括：

1、每个喷水叶片至少设置两个喷嘴。

2、每级增压结构的喷水叶片至少有两个，喷水叶片与普通叶片交替布置。

3、所述的增压结构至少有两级，前一级增压结构的静叶叶栅与后一级增压结构的动叶叶轮相邻。

本发明的优势在于：

1)相比现有的加湿技术，本发明通过在指定叶片表面位置喷射水滴或湿空气，可以实现任意指定级的加湿，使湿压缩在整个压缩过程中都得以应用，进一步减少压气机的耗功。

2)利用压气机内固有的转/静干涉产生的压力脉动能量对喷入压气机叶栅内的水滴进行雾化，不需要复杂的雾化系统，简化了结构，能够取得更好的雾化效果。

3)在叶片尾缘附近吸力面加湿，在加湿的同时，相当于对压气机附面层损失采取了主动控制，有利于减少压气机叶型损失，提高压气机负荷。

4)水滴的雾化过程能够消耗掉部分转/静干涉产生的扰动能量，降低压力波动幅值。对由于转/静干涉引起的气动噪声能够起到一定的抑制作用。

附图说明

图1为平面叶栅示意图；

图2a为图1中I-I位置的轴向截面，图2b为图2a中观测点压力脉动信号的频域分布情况；

图3为本发明的喷水叶片结构示意图；

图4a为喷水叶片剖面图，图4b为喷水叶片剖面局部放大图；

图5为压气机三维组合效果图；

图6为本发明总体布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，安装喷雾装置的叶片需增加一定的厚度，以便在叶片内部布置内腔1，内腔内安装水管2。叶片尾缘加工劈缝3，以便安装喷嘴4，喷嘴类似于雾化喷嘴，外层为气，内层为水，气体高速喷出，能将管内喷出的水雾化。沿叶片径向根据总体需要可以布置多个喷嘴。如图3，沿周向可均匀布置多个改装的叶片。

根据总体热力参数，需要确定喷雾装置所安装的级数、周向布置喷雾装置的个数、每个叶片喷嘴的个数以及引气的级数。其次，根据叶栅通道的几何参数，如叶片弦长、转折角和稠度以及压气机的转速、叶片数等参数，确定动静干涉产生的压力扰动的频率和强度，并确定动静干涉效应的作用范围。根据动静干涉效应作用的范围，在叶片尾缘布置喷雾装置。将高压级引出的高压气体通入到叶片的内腔中，通过尾缘劈缝布置的喷嘴高速喷出，由于喷嘴结构为雾化喷嘴结构，因此可以将水初步雾化，初步雾化的水滴进入到流道中，受到动静干涉的压力扰动的影响，水滴得到进一步的打碎雾化。

本发明是利用压气机内转子与静子之间的非定常干涉作用在叶片表面及附近空间产生的高频压力脉动对从叶片表面喷入压气机叶栅内的水滴进行雾化，实现从压气机内指定叶片表面位置对压缩工质进行加湿，从而取得比现有加湿方式更好的加湿效果。

本发明的技术解决方案：

利用压气机内动/静干涉效应产生的高频压力扰动使喷入压气机流道内的水滴雾化实现湿压缩，其特点在于：

1、根据叶栅通道的几何参数以及压气机转速，确定动静干涉产生的压力扰动的频率和强度，并确定动静干涉效应的作用范围。

2、根据叶片表面压力脉动强度的分布情况，确定叶片表面加湿位置。

3、加湿工质选择纯净水或者带有液滴的湿空气。

4、从多级压气机出口高压端引气，将经过软化的无杂质的水或湿空气从叶片表面喷出。

喷水口为圆形，直径在0.25mm-0.5mm之间。

喷水流量为压气机主流流量的0.5-1.5％之间

压气机转速为7000-10000n/min之间。

本发明的原理：

燃气轮机湿压缩技术以向压缩工质中喷入水滴的形式、利用水滴的蒸发潜热，有效的减小压气机的压缩功，提高燃气轮机输出功率，液滴雾化是湿压缩的关键技术之一，需要复杂的雾化装置。动/静干涉现象(动叶和静叶之间的相对运动)普遍存在于压气机叶栅流道内，当压气机转速较高，叶片数较多时，其可以在叶片表面附近空间产生具有一定强度的，频率超过10kHz以上的高频压力扰动，这种压力扰动的强度主要与动叶和静叶片之间的相对距离有关，扰动频率与压气机转速、叶片数等有关。本发明就是利用压气机内固有的超声波-高频压力脉动现象对从指定叶片表面位置喷射的液滴进行二次雾化，并基于此原理实现对多级压气机内指定位置的加湿。

本发明包括燃烧室10、压气机12、涡轮13，带有加湿结构静叶栅是具有渐缩型叶栅，应用于采用湿压缩技术设计的压气机；压气机静叶轮盘中若干个带有加湿结构的叶片应具有相对较大的叶片厚度，在静叶片尾缘吸力面带有方形劈缝结构，叶片上的喷嘴和劈缝结构离散分布于叶片高度方向上；喷嘴和劈缝的尺寸根据空气流量、加湿量以及叶片尺寸确定；压气机静叶片加湿结构能够简化压气机加湿时的高压水泵11以及喷嘴结构，实现更好的雾化效果。

带有加湿结构静叶栅是具有渐缩型叶栅，应用于采用湿压缩技术设计的压气机。

压气机静叶轮盘中若干个带有加湿结构的叶片具有相对较大的叶片厚度，在静叶片尾缘吸力面带有方形劈缝结构，叶片上的喷嘴和劈缝结构离散分布于叶片高度方向上。

压气机静叶片能够简化压气机加湿时的高压水泵11以及喷嘴结构，实现更好的雾化效果。

Claims (5)

1.燃气轮机的压气机加湿结构，包括燃烧室、压气机、涡轮，压气机和涡轮通过连接轴相连，压气机和涡轮均与燃烧室相连，其特征是：还包括水泵，压气机包括动叶、静叶、蜗壳，动叶和静叶安装在蜗壳里，动叶之间周向布置形成动叶叶轮，静叶之间周向布置形成静叶叶栅，动叶叶轮与连接轴相连，静叶叶栅与蜗壳固连，一组动叶叶轮和一组静叶叶栅组成一级增压结构，在一级增压结构中，动叶叶轮位于静叶叶栅的前方，静叶包括喷水叶片和普通叶片，喷水叶片包括叶片体，叶片体里设置内腔，内腔里安装水管，叶片体尾缘加工劈缝，叶片体尾缘处设置喷嘴，喷嘴分别与内腔和水管相连通，水泵连通喷水叶片的水管，压气机设置第一出口和第二出口，第一出口连通燃烧室，第二出口连通喷水叶片的内腔。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机的压气机加湿结构，其特征是：每个喷水叶片至少设置两个喷嘴。

3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机的压气机加湿结构，其特征是：每级增压结构的喷水叶片至少有两个，喷水叶片与普通叶片交替布置。

4.根据权利要求1或2所述的燃气轮机的压气机加湿结构，其特征是：所述的增压结构至少有两级，前一级增压结构的静叶叶栅与后一级增压结构的动叶叶轮相邻。

5.根据权利要求3所述的燃气轮机的压气机加湿结构，其特征是：所述的增压结构至少有两级，前一级增压结构的静叶叶栅与后一级增压结构的动叶叶轮相邻。