DE112006001149T5

DE112006001149T5 - Verfahren und Vorrichtung für die Nasskompression

Info

Publication number: DE112006001149T5
Application number: DE200611001149
Authority: DE
Inventors: David L. Goshen Hagen
Original assignee: Vast Power Portfolio LLC
Current assignee: Vast Power Portfolio LLC
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2006-05-02
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-05-03
Also published as: CA2823766A1; DE112006001149B4; US8262343B2; CA2823766C; CA2606756A1; CA2606756C; WO2006119409A2; US8613598B2; US20080247885A1; WO2006119409A3; US20120298215A1

Abstract

Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren eines gasförmigen Fluids, mit:
– einem Kompressor mit einer Einlassöffnung für ein gasförmiges Fluid,
– wenigstens zwei Kompressionsstufen, welche entlang eines krummlinigen Strömungsflussweges angeordnet sind,
– einer Auslassöffnung für ein komprimiertes Fluid, und
– eine Abgabevorrichtung zum Einbringen eines Kühlfluides in das gasförmige Fluid,
wobei das Kühlfluid eine verdampfbare Flüssigkeit umfasst;
wobei eine Einbringrate des Kühlfluids in einen gasförmigen Fluidfluss in Richtung des Strömungsflusses über die wenigstens zwei Kompressionsstufen zunehmend gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Gebiete des Kühlens gasförmiger Fluide während der Kompression und der abgeschwächten Verbrennung.
Hintergrund der Erfindung
Bei herkömmlichen Energieerzeugungssystemen kommt es, insbesondere unter Spitzenlast im Sommer, zu einem erheblichen Abfall der Kompressorkapazität und der Nettoenergie bei gleichzeitigem Anstieg der Umgebungstemperatur. Vor dem Kompressor kommt es zu einer gewissen Vorkühlung oder einem "Wassersprühnebel" (fogging) in der Ansaugluft. Im Fachgebiet wird weiterer Wasser-Overspray dazu verwendet, Wassertröpfchen in der Ansaugluft des Kompressors mitzureißen, um die zu komprimierende Luft abzukühlen. In einigen Systemen wird Wechselkühlung zwischen Niederdruck- und Hochdruckkompressoren unter Verwendung von Sprühnebeln einer Kühlflüssigkeit (oder eines flüssigen Verdünnungsmittels) bereitgestellt. Eine bekannte Technik bedient sich der Flashverdampfung und/oder es werden Wirbeldüsen verwendet, um die Tröpfchengröße im Sprühnebel zu verkleinern.
Bei bekannten Wassersprüh-, Overspray- und Wechselkühltechniken treten aufgrund von betrieblichen Begrenzungen innerhalb des Kompressors, wie plötzlicher Druckanstieg, Zusetzen und unerwarteter Stillstand, sowie von Problemen mit Schaufelerosion Begrenzungen bezüglich der Menge an verdampftem und/oder in den Kompressor mitgerissenem Wasser auf. Es wurde beobachtet, dass ein nicht gleichmäßiger Wassersprühnebel oder Wasser-Overspray die räumliche Temperaturverteilung der nachgeordneten Verbrennung in Axialturbinen beeinflusst. Dadurch wiederum verschlechtert sich die erwünschte nachgeordnete transversale Temperaturverteilung am Eintritt der Turbine. Derartige Abweichungen von der Auslegung können die Lebenszeit der Flügel der Turbine verkürzen und/oder eine Senkung der Durchschnittstemperatur verlangen, wodurch der Wirkungsgrad des Systems herabgesetzt wird.
Bekannte Anstrengungen, eine vollständige Verdampfung des Wassers vor dem Erreichen der Flügel des Kompressors und/oder mit einem geringen Ausmaß relativer Vermischung zu bewirken, verhindert insbesondere am hinteren Ende des Kompressors, dass die Verdampfungskühlung einen großen Teil des zu komprimierenden Fluidstroms erreicht oder sättigt. Einige bekannte Schriften schlagen vor, den größten Teil der Wassereinsprühung näher am vorderen Ende des Kompressors vorzunehmen, um den Gesamtnutzen des Kühlflusses zu erhöhen.
Zusammenfassung der Erfindung
Demgemäß kann eine Ausführungsform der Erfindung eine Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren bzw. Verdichten eines gasförmigen Fluids aufweisen. In einer derartigen Ausführungsform kann der Kompressor mit einer Einlassöffnung für ein gasförmiges Fluid versehen sein und kann wenigstens zwei Kompressionsstufen enthalten, welche entlang eines krummlinigen Strömungsflussweges angeordnet sind. Der Kompressor kann ebenfalls eine Auslassöffnung für ein komprimiertes Fluid und eine Abgabevorrichtung zum Einbringen bzw. Einspritzen eines Kühlfluids in das gasförmige Fluid enthalten, wobei das Kühlfluid eine verdampfbare Flüssigkeit umfasst. In dieser Ausführungsform ist der Kompressor dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringrate des Kühlfluids in den Fluss eines gasförmigen Fluids in Richtung des Strömungsflusses über die wenigstens zwei Kompressionsstufen zunimmt.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist eine Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren eines gasförmigen Fluids einen Kompressor mit einer Einlassöffnung für ein gasförmiges Fluid in einem krummlinigen Kompressionskanal auf. Wenigstens eine Kompressorstufe befindet sich innerhalb des Kanals. Der Kompressor verfingt über wenigstens ein rotierendes Bauteil. Das rotierende Bauteil weist einen krummlinigen Strömungsflussweg auf. Eine krummlinige transversale Richtung ist von dem krummlinigen Strömungsflussweg verschieden und ist von einer ersten Wand und einer zweiten Wand begrenzt. Weiterhin enthält der Kompressor eine Auslassöffnung für ein komprimiertes Fluid und eine Abgabevorrichtung zum Einbringen eines Kühlfluids bzw. einer Kühlflüssigkeit in das gasförmige Fluid. Der Kompressor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabevorrichtung Kühlfluid mit einer verdampfbaren Flüssigkeit durch Öffnungen einbringen kann, die über wenigstens 50 % des Abstands gemessen in der krummlinigen transversalen Richtung zwischen der ersten Wand der Kompressorstufe und der zweiten Wand der Kompressorstufe für wenigstens eine Kompressorstufe verteilt sind, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass die transversale Verteilung der Kühlfluidabgabe nicht-linear entlang der transversalen Richtung ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Kühlen eines gasförmigen Fluids, welches in wenigstens einem entlang eines krummlinigen Strömungsflussweges verteilten Kompressorbereich komprimiert wird. In dieser Ausführungsform kann das Verfahren das Abgeben eines verdampfbaren Kühlfluids in den Kompressorbereich entlang einer krummlinigen transversalen Linie umfassen, die verschieden von der Richtung des krummlinigen Strömungsflussweges und mittels einer ersten Wand und einer zweiten Wand begrenzt ist, wobei die transversale Linie einen näher an dem Zentrum des Strömungsflusses angeordneten Bereich und einen näher an der ersten Wand oder der zweiten Wand angeordneten Bereich umfasst. Das Verfahren kann auch das Verdampfen eines Anteils des in beide Bereiche abgegebenen Kühlfluids umfassen, wobei eine Kühlrate, welche in dem näher an dem Zentrum des Strömungsflusses angeordneten Bereich induziert ist, größer ist als eine Kühlrate in dem näher an der ersten Wand oder der zweiten Wand angeordneten Bereich und wobei das Kühlen die Heizrate durch Kompression reduziert.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Komprimieren und Kühlen eines gasförmigen Fluids, welches entlang eines krummlinigen Strömungsflusses durch wenigstens drei Kompressorstufen mit einem Rotor oder einem Stator und einem Rotor verteilt ist. Das Verfahren umfasst das Konfigurieren einer axialen Verteilung von jeweiligen Druckverhältnissen für die wenigstens drei Kompressorstufen; das Konfigurieren einer axialen Verteilung, um verdampfbares Kühlfluid abzugeben; das Komprimieren des gasförmigen Fluids; und das Abgeben des verdampfbaren Kühlfluids in das zu komprimierende gasförmige Fluid, derart, dass eine Verdampfung des verdampfbaren Kühlfluids wenigstens eine 50%ige Sättigung des gasförmigen Fluids bewirkt, welches die Kompressorstufen verlässt.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zur akustischen Schalldämpfung beim Komprimieren eines Gases mit einer Flüssigkeit bzw. Fluid, um ein Komprimierungsgeräusch um mindestens 2 dB relativ zu einer äquivalenten Kompression ohne Flüssigkeit zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass ein schalldampfendes Fluid mit einer Flüssigkeit in ein gasförmiges Fluid durch mehrere Öffnungen eingebracht wird, wobei die Öffnungen an wenigstens einem Element aus der folgenden Gruppe angeordnet sind: ein stationärer den Fluss des gasförmigen Fluids lenkender Flügel, ein stromlinienförmiges Rohr, welches über dem Fluss des gasförmigen Fluids angeordnet ist, ein rotierender Flügel, welcher den Fluss des gasförmigen Fluids komprimiert, eine Kanalwand, welche das gasförmige Fluid beschränkt, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Geräusch im Verhältnis zu dem stufengewichteten Massenflussverhältnis von nicht verdampftem schalldampfendem Fluid zu gasförmigem Fluid relativ zu einer äquivalenten gasförmigen Fluidkompression ohne das schalldampfende Fluid reduziert wird.
Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Kühlkompression eines gasförmigen Fluids, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Konfigurieren des BETA- Toleranzverhältnisses einer Kombination aus wenigstens einem Kompressorkanal und einer Kompressorstufe mit einem Rotorflügel und fakultativ einem Statorflügel, Komprimieren eines gasförmigen Fluids in der Kompressorstufe bzw. Kompressionsstufe und Abgeben einer Kühlflüssigkeit durch wenigstens ein Element der Gruppe aus wenigstens einer Kühlpassage innerhalb der Wand des Kanals für das gasförmige Fluid, wenigstens einer Kühlpassage innerhalb des wenigstens einen Flügels und der zahlreichen Öffnungen, die auf dem wenigstens einen Flügel angeordnet sind, zwischen der wenigstens einen Kühlpassage und dem zu komprimierenden gasförmigen Fluid; wobei der operationelle Spalt zwischen dem Rotorflügel und dem Kompressorkanal auf wenigstens mehr als eine vorgeschriebene relative Rotorstörungstoleranz beschränkt ist und wobei das BETA-Toleranzverhältnis des Kompressors wenigstens 30 % höher ist als das BETA-Toleranzverhältnis eines äquivalenten Kompressors ohne die Abgabe von Kühlflüssigkeit.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 einen Kompressorflügel mit typischen Bereichen für die Abgabe von Kühlfluid in einigen Konfigurationen,
2 Öffnungen für Kühlfluid in einer V-Wand entlang einer Flügelkante,
3 ein perforiertes Rohr, das einen Kühlkanal mit Öffnungen entlang einer Kante eines Flügels bildet,
4 einen Verteiler, der in einen Kompressorflügel mit Öffnungen durch die Flügeloberfläche gebohrt wurde,
5 zwei Abschnitte eines Flügels, die unter der Bildung eines Fluidkanals mit Öffnungen miteinander verbunden sind,
6 ein perforiertes Rohr, das einen Verteiler mit Öffnungen innerhalb eines Fillgels bildet,
7 einen perforierten Verteiler zwischen massiven und hohlen Abschnitten eines Flügels,
8 einen axialen Nasskompressor, an dem äußere Flussverenger angeordnet sind,
9 einen axialen Nasskompressor mit nachgeordnetem Verdünnungsmittel, an dem äußere Flussverenger angeordnet sind,
10 einen axialen Nasskompressor, an dem äußere und innere Flussverenger angeordnet sind,
11 einen axialen Nasskompressor mit einigen verstellbaren Leitschaufeln, an dem äußere und innere Flussverenger angeordnet sind,
12 einen axialen Nasskompressor mit verstellbaren Leitschaufeln, an dem innere Flussverenger angeordnet sind,
13 ein Diagramm mit relativen transversalen Gasflüssen und Einbringraten der Kühlflüssigkeit,
14 ein Diagramm des Temperaturanstiegs bei Nass- und Trockenkompression und dem Verhältnis des Temperaturanstiegs unter nassen und trockenen Bedingungen,
15 ein Diagramm des relativen Volumenflusses und der Druckverhältnisse unter nassen und trockenen Bedingungen unter Angabe der Kompressorstufe,
16 eine Konfigurationskurve der Wasserabgabe und der axialen Durchflussfläche des Kompressors in Abhängigkeit vom natürlichen Logarithmus des Druckverhältnisses BETA,
17 einen schematischen Zentrifugalkompressor mit Kühlflüssigkeitsabgabe und modifiziertem Rotor,
Tabelle 1 eine fortschreitende Nasskompression in Stufen mit gleichem Druckverhältnis,
Tabelle 2 eine Trockenkompression im Vergleich zu fortschreitender gesättigter sowie Overspray-Nasskompression,
Tabelle 3 ein spezifisches Volumen bei der Trockenkompression im Vergleich zur fortschreitenden Naßkompression und
Tabelle 4 Polynomkoeffizienten für "1-W/D" in Abhängigkeit von "LN BETA".
Die Erfindung offenbart Verfahren für die "Nasskompression" oder die quasi- oder pseudoisothermische Kompression eines gasförmigen Fluids, das heißt für die Abgabe eines verdampfbaren flüssigen Verdünnungsmittels in ein zu komprimierendes Gas oder Dampf enthaltendes Fluid, zum Beispiel durch Einsprühen von Wasser in Luft, die komprimiert wird, um die Pumparbeit für die Kompression zu mindern. Das flüssige Verdünnungsmittel wird in erster Linie durch zahlreiche Öffnungen innerhalb eines Gas enthaltenden Fluidkompressors abgegeben, um Wärme aus der Kompressionsarbeit zu absorbieren. Einige Verdünnungsmittel sind vorzugsweise in das Fluid, das in den Kompressor eintritt, eingeschlossen. Die Abgabe des Verdünnungsmittels transversal zum Strömungsfluss ist vorzugsweise nicht-linear, um Spitzenwerten für den Fluss des gasförmigen Fluids und den unterschiedlichen Einschluss von Resten an Tröpfchen aufgrund der Verdampfung Rechnung zu tragen.
Einige der Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung sind:

– Kühlung der Kompression;
– Verringerung der spezifischen Arbeit zum Komprimieren eines gasförmigen Fluids;
– Erhöhung der Nettoenergie, die sich in einem Energieerzeugungssystem mit einem komprimierten Fluid erzeugen lässt;
– Verbesserung der Steuerung der Zusammensetzung des transversalen Fluids innerhalb eines Kompressors und beim Austreten;
– Erhöhung des Anteils an verdampfbarem Verdünnungsmittel in vorhandenen Kompressoren;
– Steuerung des Anteils an verdampftem und fakultativ flüssigem Verdünnungsmittel in einem komprimierten Fluid;
– Verringerung der Menge an Verdünnungsmittel, die nach dem Kompressor verdampft wird;
– Verbesserung der Kompressorreinigung unter Begrenzung der Tröpfchenerosion und Verbesserung der Haltbarkeit der Kompressorbauteile;
– Reduzierung der Lärmerzeugung beim Komprimieren eines Fluids;
– Reduzierung der Lärmerzeugung durch das Komprimieren eines Fluids und die Komprimierungsarbeit;
– Mögliche Durchführung von erwünschten Kompressorbetriebsabläufen mit hoher Abgabe von Verdünnungsmittel;
– Bereitstellung hoher, sättigender oder Overspray-Flüsse des Verdünnungsmittels in Zentrifugalkompressoren;
– Kühlen der Kompressorbauteile;
– Überdruckverbrennung – Bilden eines heißen druckbeaufschlagten Fluids:
– 13 Verringerung der spezifischen Arbeit bei der Erzeugung eines heißen verdünnten druckbeaufschlagten Fluids;
– 14 Erhöhung des Anteils an Verdünnungsmittel in einem verdünnten druckbeaufschlagten Fluid;
– 15 Verringerung der relativen tatsächlichen und erwünschten Veränderlichkeit des Verdünnungsmittels in einem komprimierten Fluid;
– Hochdruck-Energieerzeugungssysteme mit gekühlter Nasskompression:
– 16 Steigerung des Wirkungsgrads bei der Erzeugung mechanischer und elektrischer Energie;
– 17 Erhöhung der Nettoenergie, die pro Massenflusseinheit durch eine Expandiervorrichtung erreichbar ist;
– Steuerung der Kompression:
– 18 Konfiguration von Kompressoren mit den gewünschten Verhältnissen von Verdünnungsmittel zu Fluss des zu komprimierenden Fluids;
– 19 Konfiguration von Kompressoren für die gewünschte Zusammensetzung der komprimierten Fluide in Energieerzeugungssystemen;
– 20 Ermöglichung einer Veränderung des Ausgangsverhältnisses von Verdünnungsmittel zu zu komprimierendem Fluid;
– 21 Ermöglichung einer Veränderung des Flusses des zu komprimierenden primären gasförmigen Fluids;
– 22 Ermöglichung einer Veränderung des Verhältnisses des abgegebenen Verdünnungsmittels während und nach der Kompression.

Weiterer Aufgaben und Vorteile ergeben sich aus dem Studium der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung.
Verdünnungsmittel kann nach dem Kompressor und vor einer anschließenden Fluidverengung, wie einer nachgeordneten Gasturbine, in das komprimierte Fluid abgegeben werden. Der Kompressor komprimiert das gasförmige Fluid in mindestens einer und vorzugsweise einer Reihe von Kompressorstufen, die ein Druckverhältnis beta(i) von Auslassdruck zu Einlassdruck der i. Kompressorstufen haben. Das gasförmige Fluid wird zu einem kumulativen Kompressionsverhältnis BETA von Auslassdruck zu Einlassdruck des Kompressors komprimiert, wobei das Produkt der beta(i)-Werte der einzelnen Kompressorstufen erfasst ist. Bei der Verdampfung des Verdünnungsmittels absorbiert es latente Wärme und häufig fühlbare Wärme, wodurch das umgebende Fluid abgekühlt und die Pumparbeit für die Kompression verringert wird. Durch Kühlen des komprimierten Verdünnungsmittels nach dem Kompressor wird der Volumenfluss des Fluids durch die nachgeordnete Fluidverengung reduziert. Dadurch wird auch die Druck-Volumen-Arbeit der Fluidkompression gesenkt.
Das gasförmige Fluid kann jedes Fluid sein, das ein Gas umfasst. Es weist in der Regel ein gasförmiges Reaktionsmittel oder Co-Reaktionsmittel auf, zum Beispiel einen gasförmigen Kohlenwasserstoffkraftstoff und/oder ein Oxidationsmittel, wie Luft. Die verdampfbare Flüssigkeit kann jede beliebige Flüssigkeit sein, die sich innerhalb des Kompressionsverfahrens verdampfen lässt. Die verdampfbare Flüssigkeit umfasst vorzugsweise Wasser. Die verdampfbare Flüssigkeit kann, je nach Wunsch, eine anorganische Flüssigkeit, wie Kohlendi oxid, einen verdampfbaren mit Sauerstoff angereicherten Kohlenwasserstoff, wie Methanol oder Ethanol, einen verdampfbaren Kohlenwasserstoff, wie Propan oder einen anderen Kohlenwasserstoff, oder ein verdampfbares flüssiges Reaktionsmittel umfassen.
Der Kompressor wird vorzugsweise derart gesteuert und/oder umkonfiguriert, dass die gewünschten Veränderungen des durchschnittlichen Durchflusses in einer Kompressorstufe bezogen auf den herkömmlichen Luftdurchfluss wirksam durchgeführt werden. Kompressoren können umgerüstet werden, um die gewünschten Flussänderungen durchzuführen. Zur Erhöhung der Nettoenergie wird die Durchflussrate in einem Nasskompressor gesenkt (bezogen auf den Durchfluss in der Expandiervorrichtung und/oder den ähnlichen Durchfluss im Trockenluftkompressor herkömmlicher Auslegung). Darüber hinaus wird die durchschnittliche Strömungsflussfläche des Kompressors vorzugsweise nicht einheitlich reduziert. Zum Beispiel durch eine proportional größere Verkleinerung der Fläche hinten anstatt vorne im Vergleich zu einem herkömmlichen "Trockenkompressor". Ebenso kann das Profil der Durchflussfläche des vorgeordneten Axialkompressors gegenüber der Trockenkompression erhöht werden. Derartige Maßnahmen berücksichtigen die Verringerung des molaren spezifischen Volumens aufgrund der fortschreitenden zunehmenden Strömungskühlung.
Die Erfindung schließt durch Bezugnahme die US-Patentanmeldung Nr. 10/686,191, "Method and apparatus for mixing fluids" von David L. Hagen et al., eingereicht am 15. Oktober 2003, veröffentlicht am 17. März 2005, Veröffentlichungsnr. 20050056313, (nachstehend bezeichnet als VAST.001-Technik) ein. Die VAST.001-Technik verteilter Kontaktoren, die durch Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart Verfahren zur Verbesserung der Konfiguration und Steuerung der transversalen Verteilung der Verdünnungsmittelabgabe. Sie offenbart darüber hinaus Verfahren zur Steuerung der transversalen Verteilung des Verhältnisses verdünnter/komprimierter Durchfluss, was erhebliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bietet. Dazu gehört die Verteilung der Verdünnungsmittelabgabe vor dem Kompressor, zwischen Kompressoren und zwischen Kompressor und Turbine. Weiterhin lehrte sie die Verteilung der Abgabe innerhalb des Kompressors.
Nasskompression: Unter Bezugnahme auf 84 der VAST.001-Technik, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist, wird vorzugsweise wenigstens einen perforierten direkten Kontaktor für die "Intrakompressionströpfchenabgabe innerhalb eines Kompressors" "407" verwendet, welcher zum Beaufschlagen oder Komprimieren des gasförmigen Fluids oder "zweiten Fluids 904" verwendet wird. Verdampfbare Kühlflüssigkeit oder erstes Fluid wird vorzugsweise in die Ansaugluft des Kompressors abgegeben. Ferner ist die Abgabe von Kühlflu id zwischen Kompressoren und die Abgabe vor und nach dem Kompressor beschrieben. 84 der VAST.001-Technik zeigt eine Brennkammer 424, die dem Kompressor 407 nachgeordnet ist, und eine Expandiervorrichtung 440, die der Brennkammer 424 nachgeordnet ist.
Stromlinienförmiger direkter Kontaktor: Unter Bezugnahme auf 35, 48, 49 der VAST.001-Technik kann der perforierte Kontaktor in einem Kompressor rund sein. Der Kontaktor ist vorzugsweise stromlinienförmig mit wenigstens einem elliptischen Querschnitt. In 36, 40, 46 der VAST.001-Technik ist der perforierte direkte Kontaktor in einem Kompressor vorzugsweise noch stromlinienförmiger, wobei der hintere Abschnitt schmaler ist als der vordere Abschnitt.
Flügel mit Fluidpassage und Öffnung: Unter Bezugnahme auf 47 der VAST.001-Technik ist der perforierte direkte Kontaktor mehr bevorzugt wie ein Flügel geformt. Der direkte Kontaktor kann "entlang Kompressorschaufeln" oder "entlang Kompressorblättern" angeordnet sein oder kann "in Schaufel- oder Blattformen inkorporiert werden, wobei Öffnungen an der Oberfläche von Schaufel oder Blatt vorhanden sind". Derartige direkte Kontaktoren weisen wenigstens eine Fluidpassage auf, über die Fluid von einem Verteiler für Kühlfluid in und durch das Statorlaufrad oder das Rotorblatt abgegeben wird und diese durch wenigstens eine Öffnung und vorzugsweise durch zahlreiche Öffnungen, die an der Schaufel und/oder dem Blatt angeordnet sind, wieder verlässt.
Verteiler: Bei der VAST.001-Technik wird das Kühlfluid vorzugsweise durch einen Anschluss in einer Kanalwand oder einem Druckgefäß abgegeben und über den Verteiler, der sich radial innen zur Außenfläche des Kanals oder des Druckgefäßes befindet, verteilt. Zum Beispiel wie in 1, 16, 17, 68, 52, 53, 60, 62 und 68 dargestellt. In diesem Fall kann der Verteiler im Druckgefäß oder in der Kanalwand ausgebildet sein und mit Fluidanschlüssen zur Bereitstellung des Fluidaustausches mit dem Flügel der Turbopumpe versehen sein. Zum Beispiel mit einer Statorschaufel.
Transversale Abgabeverteilung: Unter Bezugnahme auf 18 der VAST.001-Technik wird das erste Fluid oder das Kühlfluid 901 in der transversal zum Strömungsfluss gelegenen Richtung vorzugsweise durch den perforierten direkten Kontaktor mit einer nicht-linearen Verteilung abgegeben. Mehr bevorzugt ist die Fluidabgabe derart konfiguriert, dass zwischen dem inneren und dem äußeren Radius der Turbopumpe oder des Kompressors transversal zu der Richtung des Strömungsflusses ein Strahlpenetrationsprofil vorgegeben ist.
Verdampfungsabstand: 19 der VAST.001-Technik lehrt die Konfiguration der transversalen Verteilung der Kühlfluidabgabe zur Bereitstellung einer vorgeschriebenen maximalen Tröpfchengröße und eines maximalen Verdampfungsabstand und/oder einer maximalen Verdampfungszeit.
Unter Bezugnahme auf 20 der VAST.001-Technik ist die Kühlfluidabgabe vorzugsweise derart konfiguriert, dass die Druckverteilung bei der Abgabe von Kühlfluid entlang eines Fluidkanals innerhalb des Flügels berücksichtigt ist. Der Abstand der Öffnungen und der Durchmesser der Öffnungen sind vorzugsweise derart konfiguriert, dass eine transversale Verteilung des gewünschten Durchflussverhältnisses von gasförmigem zweitem Fluid zu erstem Kühlfluid bereitgestellt wird.
Fluidabgabe senkrecht zum Flügel: Ferner ist die Verteilung der Kühlfluidabgabe vorzugsweise in eine Richtung, die sich vom Strömungsflussweg unterscheidet, und in der Richtung transversal zum Strömungsflussweg, vorzugsweise senkrecht zum Flügel, konfiguriert. 23 der VAST.001-Technik zeigt Öffnungen, die an dem direkten Kontaktor angeordnet sind, der Sprühnebel zu unterschiedlichen Positionen im Strömungsfluss des gasförmigen Fluids bereitstellt. 24 bis 33 der VAST.001-Technik zeigt weitere Möglichkeiten zur Verteilung des Kühlfluids in dem umgebenden Fluss des gasförmigen Fluids. Ferner zeigt 60 der VAST.001-Technik mehrere direkte Kontaktoren, die radial innerhalb des Fluidkanals angeordnet sind und Kühlfluid in Umfangsrichtung in das gasförmige Fluid sprühen. 61 der VAST.001-Technik zeigt eine schematische Darstellung einer Nasskompressorvorrichtung, die ein Fluidabgabesystem für das zweite gasförmige Fluid und für das erste Fluid, die Kühlflüssigkeit, aufweist.
Diese Erfindung schließt weiterhin die US-Patentanmeldung Nr. 10/763,047 "Trifluid Reactor" von David L. Hagen et al., eingereicht am 22. Januar 2004, veröffentlicht am 4. November 2004, Veröffentlichungsar. 20040219079, (nachstehend bezeichnet als VAST.002-Trifluidreaktortechnik) durch Bezugnahme ein. 2 der durch Bezugnahme eingeschlossenen VAST.002-Trifluidreaktortechnik offenbart Verfahren zur Verbesserung der Steuerung der transversalen Verdünnungsmittelabgabe in einer Brennkammer, die dem Kompressor nachgeordnet und einer Expandiervorrichtung vorgeordnet ist. Ferner zeigen 14, 16, 18 und 19 der VAST.002-Technik die Verdünnungsmittelabgabe innerhalb eines Diffusors, der dem Kompressor nachgeordnet und der Brennkammer vorgeordnet ist. 38 der VAST.002-Technik zeigt einen Kontaktor mit mehreren Fluidpassagen.
Die Erfindung schließt ferner die US-Patentanmeldung Nr. 10/763,057 "Thermodynamic cycles using thermal diluent" von David L. Hagen et al., eingereicht am 22. Januar 2004, veröffentlicht am 2. Dezember 2004, Veröffentlichungsar. 20040238654, (nachstehend bezeichnet als VAST.003-Energieerzeugungssystemtechnik) durch Bezugnahme ein. Hier wird eine Nasskompressor, eine Nassbrennkammer, eine Expandiervorrichtung und ein Wärmetauschersystem, das ein thermisches Verdünnungsmittel aus Abwärme gewinnt, offenbart. Sie lehrt ferner die Rückgewinnung von Wärme aus dem Fluid nach dem Kompressor unter Gewinnung eines thermischen Verdünnungsmittels und die Abgabe des erwärmten verdünnten Fluids stromaufwärts in den Kompressor, um das zu komprimierende oxidierende Fluid zu kühlen.
In der Erfindung sind die Verfahren weiterentwickelt, um die Umkonfiguration von Kompressoren für die Nasskompression zu berücksichtigen. Sie sind verbessert, um wünschenswertere Verdampfungsraten des Verdünnungsmittels bereitzustellen. Außerdem ist die Verdünnungsmittelabgabe verbessert, um die gewünschten transversalen Verdampfungsraten für mehrere Kompressorstufen oder an mehreren Positionen in Strömungsrichtung zu berücksichtigen.
Bei der Verbrennung oder chemischen Reaktion ermöglichen derartige Verfahren die zweckmäßige Verschiebung eines wesentlichen Anteils der gesamten Verdünnungsmittelabgabe von der Brennkammer zu einer Abgabe stromaufwärts innerhalb des "Nasskompressors". Derartige Verfahren können die Energie der Nasskompression wesentlich verringern. Die Abgabe von Anteilen des gewünschten Verdünnungsmittels innerhalb des Kompressors senkt den Bedarf an Befeuchtungstürmen und/oder Ausrüstung zur Verdünnungsmittelabgabe, die dem Kompressor nachgeordnet sind, oder eliminiert diesen.
Es wird vorzugsweise flüssiges Verdünnungsmittel abgegeben, um die gewünschte Verteilung der Verdampfungsrate in transversaler Richtung und in Richtung des Strömungsflusses bereitzustellen. Dies wird dadurch erreicht, dass flüssiges Verdünnungsmittel (zum Beispiel Wasser) vorzugsweise mit einer Rate abgegeben wird, die nicht gleichmäßig in Richtung des Strömungsflusses schwankt. Zum Beispiel durch allgemeines Erhöhen der Verdünnungsmittelabgabe mit zunehmender Kompressorstufe in Strömungsrichtung. Die transversale Verteilung der Wasserabgaberate ist vorzugsweise derart ist eingestellt, dass sie nicht-linear und im Vergleich zu den zunehmenden Spitzenwerten der transversalen Verteilung des Flusses des komprimierten Fluids zunehmend nicht-linear ist. Die Wassertemperatur und die Abgaberate können derart konfiguriert sein, dass die gewünschte und unterschiedliche Verteilung der Verdampfungsrate innerhalb des Luftstroms erreicht wird. Die Verfahren für die Verdün nungsmittelabgabe können Veränderungen der Größe und des Durchmessers der Öffnungen, der räumlichen Dichte der Öffnungen und unterschiedliche Ausströmdrücke nutzen.
Weiterhin sind Verfahren zur zweckmäßigeren Abgabe des Verdünnungsmittels durch eine oder mehrere Elemente der Gruppe aus perforierten direkten Kontaktoren, stationären Flügeln (Statoren) und/oder beweglichen Flügeln (Schaufeln) offenbart. Auch werden Verfahren zur Bereitstellung fühlbarer Kühlung der Kompressorbauteile zusätzlich zu der Verdünnungsmittelabgabe in das zu komprimierenden Fluid offenbart.
Eine derartige Konfiguration der Nasskompression und der erneuten Bemessung oder Umrüstung von Kompressoren zur Ermöglichung von feuchten oder nassen Energieerzeugungszyklen mit einer wesentlichen Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung und/oder von spezifischer Energieerzeugung mit entsprechenden Vorteilen für die thermoökonomische Leistung. Derartige wesentlichen Verlangsamungen des zu komprimierenden Flusses ermöglichen eine wesentliche Dämpfung des erzeugten akustischen Lärms. Weiterhin sind Verfahren offenbart, die zur Dämpfung des akustischen Lärms zusammen mit der Abgabe von Verdünnungsmittel in einem Nasskompressor verwendet werden können.
In einigen Ausführungsformen besteht ein bevorzugtes Verfahren zur Flüssigkeitskühlung während der Kompression des Gases darin, Kriterien für die Abgabe der Kühlflüssigkeit auszuarbeiten, die gewünschten durchschnittlichen Durchflusswerte durch den Kompressor zu erreichen und Mittel zur Abgabe der Kühlflüssigkeit, wie hier dargelegt, bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 1 wird in einer Ausführungsform der Erfindung eine Fluidkompressionsvorrichtung mit einem Kompressor für gasförmiges Fluid mit mehreren Flügeln 630 verwendet. Der Kompressor weist einen Fluideinlass für ein gasförmiges Fluid mit einem Gas, einen Kompressionskanal zur fortschreitenden Kompression des gasförmigen Fluids entlang einer axialen oder krummlinigen Richtung des Strömungsflusses auf. Derartiger Vorrichtungen sind ausführlich in den durch Bezugnahme eingeschlossenen Techniken VAST.001 direkter Kontaktoren, VAST.002 Trifluidreaktor und VAST.003 thermische Zyklen beschrieben.
Die Fluidkompressionsvorrichtung umfasst ferner ein Fluidsystem für Kühlflüssigkeit innerhalb des Kompressors oder dem Kompressor nachgeordnet, das stromaufwärts für den Fluidaustausch mit dem gasförmigen Fluid in Verbindung steht. Das Kühlfluidsystem umfasst wenigstens eine Flüssigkeitspumpe und ein Abgabesystem für das Kühlmittel mit zahlreichen Öffnungen. Die Pumpe gibt Kühlflüssigkeit durch eine oder mehrere Fluidpassagen 670 innerhalb des Flügels 630 ab. Die Fluidpassagen 670 stehen für den Fluidaustausch mit den zahlreichen Öffnungen 80 in Verbindung. Kühlflüssigkeit wird unter Bildung von Flüssigkeitströpfchen, die sich mit dem umgebenden zu komprimierenden gasförmigen Fluid vermischen und damit Wärme austauschen, durch die Öffnungen 80 abgegeben.
Die Fluidkompressionsvorrichtung umfasst einen Kompressorauslass und einen Kanal mit einem Auslass zum Abgeben eines gekühlten komprimierten Fluids mit komprimiertem gasförmigem Fluid und einem oder beiden Elementen der Gruppe aus Kühlflüssigkeitsdampf und/oder Kühlflüssigkeitströpfchen. Diese Kompressionsvorrichtung ist in der Regel Teil eines Systems mit einer nachgeordneten Fluidflussverengung, die einen Gegendruck im Kompressor erzeugt. Zum Beispiel eine Gasturbine mit einem "Hals" oder einer Durchflussverengung, die durch stationäre und/oder rotierende Flügel gebildet wird.
Beispielhaft sei ein herkömmliches Energieerzeugungssystem mit Gasturbine genannt, das einen mehrstufigen Kompressor, eine Brennkammer und eine Expandiervorrichtung aufweist. Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 ist der Kompressor in einer Ausführungsform mit zehn gleichen Kompressionsstufen zum Komprimieren von Luft auf ein kumulatives Druckverhältnis BETA von etwa zwanzig konfiguriert. Unter Bezugnahme auf Tabelle 2 und 14 wird durch Komprimieren von normaler trockener Luft mit den herkömmlichen Bedingungen von einer Atmosphäre bei 15 °C und 60 % Feuchtigkeit auf zwanzig Atmosphären die Auslasstemperatur auf 455 °C (850 °F) erhöht. (Berechnung unter Verwendung von Thermofiex Ver. 14.)

Der Kompressor ist vorzugsweise auf Nasskompression umkonfiguriert, um denselben Luftstrom am Einlass und das Gesamtkompressionsverhältnis zu bewältigen. Vorzugsweise wird filtriertes oder gereinigtes Kühlwasser entlang des mehrstufigen Kompressionsweges gesprüht, um so die Luft, die auf dem Weg durch den Kompressor fortschreitend komprimiert wird, wirksam zu sättigen. Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 wird angenommen, dass das in jeder Stufe abgegebene und verdampfte Wasser am Einlass zu jeder Stufe mit rotierendem Kompressionsblatt abgegeben wird.

Tabelle 1 Fortschreitende Nasskompression in Stufen mit gleichem Druckverhältnis
Stufe Nr.	Kumulatives BETA	Wasser/Stufe kg/s (lb/s)	Kumulatives Wasser kg/s (lb/s)	Wasser/Luft % in Stufe Nr.	Anstieg/Stufe W/L	Wasser/Luft, kumulativ, %
1	1,35	0,15 (0,32)	0,15 (0,32)	0,175 %		0,18 %
2	1,82	0,50 (1,10)	0,65 (1,42)	0,602 %	0,427 %	0,78 %
3	2,46	0,59 (1,29)	1,24 (2,71)	0,706 %	0,104 %	1,49 %
4	3,31	0,65 (1,44)	1,89 (4,15)	0,788 %	0,082 %	2,28 %
5	4,47	0,71 (1,56)	2,60 (5,71)	0,854 %	0,066 %	3,13 %
6	6,03	0,75 (1,66)	3,35 (7,37)	0,909 %	0,055 %	4,04 %
7	8,14	0,79 (1,75)	4,14 (9,12)	0,958 %	0,049 %	5,00 %
8	10,99	0,82 (1,81)	4,96 (10,93)	0,991 %	0,033 %	5,99 %
9	14,82	0,85 (1,88)	5,81 (12,81)	1,029 %	0,038 %	7,02 %
10	20,00	0,90 (1,99)	6,71 (14,80)	1,089 %	0,060 %	8,11 %
Annahmen: Luftstrom 82,87 kg/s, 182,7 lb/s. Zehn Stufenmit mit gleichem Druckverhältnis, 10. Wurzel aus 20.

In dieser Ausführungsform wird vorzugsweise zumindest ein geringer Anteil Wasser (0,175 Massen-% bezogen auf Luft) vor oder am Kompressoreinlass und/oder in der ersten Stufe zugegeben, um den Strom mit 60 % relativer Feuchtigkeit nominell zu sättigen. Danach wird vorzugsweise fortschreitend eine ausreichende Menge Wassersprühnebel entlang des Strömungsflussweges im Kompressor zugegeben, um den Durchfluss, der von Stufe zu Stufe und mit zunehmendem kumulativem Druckverhältnis BETA fortschreitend warmer wird, no minell zu sättigen. (Bei diesem vereinfachten Modell wird eine kontinuierliche Sättigung angenommen.) Bei Kompressorstufen mit gleichem Druckverhältnis nimmt eine derartige Abgabe des flüssigen Verdünnungsmittels pro Stufe vorzugsweise nicht-linear in Abhängigkeit von der Kompressorstufe oder dem kumulativen Druckverhältnis BETA in dem zu komprimierenden Fluid zu. Zum Beispiel ein pro Stufe verdampfter Wassersprühnebel, der sich von etwa 0,602 Massen-% des Luftstroms in der zweiten Kompressorstufe auf etwa 1,089 Massen-% des Luftstroms in der zehnten Stufe verändert.
Überraschenderweise nimmt der Anstieg der Wasserabgabe pro Stufe in dieser Konfiguration nach dem anfänglichen Ausgleich der Feuchtigkeit am Einlass bis nahe des Auslasses vorzugsweise axial entlang des Kompressors ab, obwohl das kollektive Druckverhältnis und die Temperatur schneller als linear ansteigen. Zum Beispiel in dieser Konfiguration von etwa 0,104 % des Luftstroms zwischen der 2. und 3. Stufe auf 0,033 % zwischen der 7. und 8. Stufe, wonach wieder ein Anstieg auf 0,060 % erfolgt. In anderen Konfigurationen wird die fortschreitende Abgabe von Kühlfluid vorzugsweise derart eingestellt, dass niedrigere und höhere Temperaturen und/oder unterschiedliche Verdampfungsraten, die mit anderen Fluiden beobachtet werden, und/oder niedrigere und höhere Druck Kompressoren, insbesondere in nachgeordneten Stufen, ausgeglichen werden.
Overspray: In einigen Ausführungsformen wird Kühlflüssigkeit, wie Wasser, an zahlreichen Positionen im Kompressionsverfahren am Kompressor und entlang des Kompressors bereitgestellt, um fortschreitend ein Overspray aus kleinen Tröpfchen zu bilden. Die Bereitstellung des Überschussnebels in dem zu komprimierenden Fluid (zum Beispiel Luft), das durch die Kompressionsblattstufen geführt wird, verdampft zweckmäßig und sättigt die Luft gründlicher. Der Overspray absorbiert außerdem fühlbare Wärme aus dem zu komprimierenden gasförmigen Fluid. Durch Bereitstellung einer vorgegebenen Menge an Overspray-Nebel am Einlass zu jeder Kompressionsstufe, womit die zu komprimierende Luft weiter auf einen gewünschten Sättigungsgrad für diese Stufe befeuchtet wird, kann ein Modell erstellt werden. Der Overspray ermöglicht außerdem fühlbare Kühlung durch direkten Kontakt, indem das zu komprimierende Fluid dem Overspray aus flüssigem Verdünnungsmittel ausgesetzt ist.
In der in Tabelle 1 dargestellten Konfiguration erhöht sich das kumulative verdampfte Wasser 1 von etwa 0,18 % in der ersten Stufe auf etwa 8,11 Massen-% des Luftstroms am Kompressorauslass, wobei das Druckverhältnis BETA 20 beträgt. Die gesamte kumulative Wasserabgabe beträgt mehr als das Vierfache des Overspray am Einlass von etwa 1 bis 2 Massen-% herkömmlicher Kompression mit Overspray am Einlass. (Bei herkömmlichen Luftkompressoren ist die gewünschte Verdünnungsmittelabgabe aufgrund von betrieblichen Problemen, wie plötzlichem Druckanstieg und Zusetzen, begrenzt)
Fortschreitender Wärmeaustausch: Allgemeiner ausgedrückt erhöht sich der Druck des gasförmigen Fluids bei der Kompression gasförmiger Fluide in einem Kompressor im Strömungsfluss fortschreitend und es wird wärmer. Vorzugsweise wird das gasförmige Fluid zusätzlich einem Wärmeaustausch, Abkühlen oder der Zugabe einer verdampfbaren Flüssigkeit ausgesetzt, um das Fluid während des Kompressionsverfahrens zu kühlen. Das heißt vor, im oder nach dem Kompressor. Die Kühlflüssigkeit verdampft vorzugsweise und absorbiert latente Wärme aus dem gasförmigen Fluid. Sie kann fühlbare Wärme und/oder Strahlung zu oder von einem oder mehreren der Elemente der Gruppe aus Fluid, Kompressorflügeln und/oder Kompressorkanal übertragen. Die Flüssigkeit kann mit dem gasförmigen Fluid endotherm oder exotherm reagieren. Zum Beispiel durch Absorbieren oder Freigeben von Wärme bei chemischen Reaktionen.
Gewünschte Fluidkühlraten: Die Kühlflüssigkeit wird dem zu komprimierenden gasförmigen Fluid vorzugsweise an zahlreichen Positionen innerhalb der Kompressionsvorrichtung mit vorgegebenen Raten zugegeben. Die Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise fortschreitend an zahlreichen Öffnungen abgegeben, um die zahlreichen Abgaberaten in Strömungsrichtung zu steuern. Die Abgaberaten für Kühlflüssigkeit sind derart konfiguriert und/oder gesteuert, dass die gewünschten Kühlraten in Strömungsrichtung des zu komprimierenden gasförmigen Fluids an mehreren Positionen in Strömungsrichtung bereitgestellt werden. Zum Beispiel durch Steuerung bei mehreren und vorzugsweise allen Kompressorstufen. Mehr bevorzugt sind die Abgaberaten für Kühlflüssigkeit durch zahlreiche Öffnungen für wenigstens einige Flügel und vorzugsweise alle Stator- und Rotorflügel konfiguriert. Die Abgabe der Kühlflüssigkeit ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass eine gewünschte Verteilung der Kühlraten des gasförmigen Fluids in Strömungsrichtung erreicht wird.
Kompressionsstufen sind im Allgemeinen mit unterschiedlichen Druckverhältnissen entlang eines krummlinigen Strömungsweges konfiguriert. Die gewünschten Kühlraten können als ein gewünschtes Verhältnis der Raten für die Kompressionserwärmung des gasförmigen Fluids konfiguriert werden. Mehr bevorzugt werden die gewünschten Kühlraten als eine allgemeine nicht-lineare räumliche Verteilung der Kühlraten entlang des krummlinigen Kompressionsweges eines bestimmten Kompressors vorgegeben.
Sättigungsgrad: In einigen Konfigurationen kann diese Kühlrate als die Kühlung vorgegeben werden, die mit einem vorgegebenen Sättigungsgrad des gasförmigen Fluids durch die Kühlflüssigkeit an einer Folge von Positionen entlang des krummlinigen Kompressorweges erreicht wird. Der Kompressor kann beispielsweise als eine Folge von Druckstufen mit entsprechenden Druckverhältnissen beschrieben werden. Die Verteilung der Kühlrate kann als die Menge an Verdampfung der Kühlflüssigkeit beschrieben werden, die in jeder dieser Druckstufen erwünscht ist. Zum Beispiel kann der Verdampfungsgrad einen Sättigungsgrad von mindestens 50 % bereitstellen.
Axiale Verteilung des Sättigungsgrads: Die Verteilung der Kühlrate ist vorzugsweise als eine detaillierte diskrete Verteilung oder als eine pseudokontinuierliche räumliche Verteilung der Fraktion des Sättigungsgrads des gasförmigen Fluids beschrieben, die in Verbindung mit dem Kühlfluid entlang des Kompressionsweges in Strömungsrichtung erwünscht ist. Die gewünschte axiale Verteilung des Sättigungsgrads oder der Sättigungsfraktion ist vorzugsweise als eine axiale krummlinige Verteilung angegeben. Zum Beispiel als ein in der Praxis erreichbarer Anteil der allgemeinen nicht-linearen axialen Verteilung des Unsättigungsgrads der komprimierten Luft.
Beispielsweise ist die Verteilung des oberen und unteren Grenzwerts des Sättigungsgrads vorzugsweise für jede Kompressorstufe vorgegeben. Die Öffnungen für die Fluidabgabe sind vorzugsweise derart konfiguriert und das Kühlfluid wird vorzugsweise derart in das gasförmige Fluid abgegeben, dass wenigstens der vorgegebene untere Sättigungsgrad erreicht wird. Die Öffnungen für die Fluidabgabe und die Abgabe des Kühlfluids sind ferner derart konfiguriert, dass ein Sättigungsgrad bereitgestellt wird, der niedriger ist als der vorgegebene obere Grenzwert für die Sättigung. Eine entsprechende axiale Verteilung der Querschnittsdurchflussflächen der Kompressorstufen ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass der mittlere Sättigungsgrad als Mittelwert des oberen und unteren Grenzwertes jeder Stufe erhalten wird.
Gleiche Kompressorstufen: Unter erneuter Bezugnahme auf Tabelle 1 wird eine Konfiguration eines mehrstufigen Kompressors mit zehn nominell gleichen Kompressionsstufen, was das Kompressionsverhältnis betrifft, dargestellt, was ein Gesamtdruckverhältnis von etwa 20 ergibt. Luft wird nominell unter Standardbedingungen von einer Atmosphäre, 15 °C (59 °F) und 60 % relativer Luftfeuchtigkeit in den Kompressor abgegeben. Kühlwasser mit nominell einer Umgebungstemperatur von 15 °C wird in den Luftstrom eingebracht. Der Anteil der gewünschten Wasserverdampfung für die wirksame Sättigung des Durchflusses nimmt mit zunehmender Kompression entlang des Strömungsflusses erheblich zu. Die Wasserverdampfung nimmt außerdem selbst in gleichen Kompressionsstufen in Strömungsflussrichtung nicht-linear zu.
In diesem Beispiel mit zehn Kompressorstufen, wobei in jeder die Luft mit dem gleichen Druckverhältnis komprimiert wird, nimmt die gewünschte Wasserverdampfung von etwa 0,60 Massen-% des Luftstroms zur Sättigung der Luft zwischen Stufe 2 und 3 auf etwas 1,09 Massen-% des Luftstroms zur Sättigung der Luft zwischen Stufe 10 und dem Kompressorauslass nicht-linear erheblich zu. In der Praxis lässt sich die theoretische Sättigung mit Verdampfungskühlung gewöhnlich näherungsweise, aber nicht vollständig erreichen. Somit wird vorzugsweise ein praktisch gewünschter Sättigungsgrad verwendet.
Sättigungsgrad Sigma: Zur Modellierung der partiellen Sättigung wird für Nasskompressionsvorrichtungen vorzugsweise ein Sättigungsparameter Sigma einbezogen. Zum Beispiel Sigma = tatsächlicher Wasserfluss geteilt durch die Menge an Wasser zur Sättigung des Durchflusses bei adiabatischer Kompression auf dasselbe Druckverhältnis. Zum Beispiel kann ein Sättigungsgrad Sigma mit zunehmenden Öffnungen und Sprühnebeln etwa 40 % oder mehr, vorzugsweise 67 % oder mehr, mehr bevorzugt etwa 90 % oder mehr, weiterhin bevorzugt etwa 95 % oder noch mehr weiterhin bevorzugt etwa 97 % und am meisten bevorzugt etwa 99 % der Sättigung an dieser axialen Position sein.
Fühlbares Abkühlen durch direkten Kontakt: Die Fluidkühlung mittels Verdampfung wird vorzugsweise durch zusätzliche fühlbare Kühlung durch einen zusätzlichen feinen Wassernebel erhöht Dieser zusätzliche Kühlflüssigkeitsnebel oder Overspray kann dazu verwendet werden, das gasförmige Fluid durch Wärmeaustausch durch direkten Kontakt mit einer Oberfläche mit großer Kontaktfläche fühlbar zu kühlen.
In einigen Konfigurationen ist der gewünschte Gesamtanteil an Kühlflüssigkeit, die als Verdünnungsmittel in dem größeren Energieverbrauchssystem zugegeben werden sollen, höher als die Menge, die während der Nasskompression verdampft. Selbst nach Erreichen eines hohen Sättigungsgrads wird vorzugsweise weiteres flüssiges Kühlmittel als Overspray abgegeben, um weitere Vorteile aus dem weiteren Kühlen innerhalb des Kompressors anstatt an einer nachgeordneten Position zu erzielen.
Der zusätzliche Overspray aus feinem Nebel kühlt das gasförmige Fluid in der Kompressionsvorrichtung weiter und verringert so weiter die Pumparbeit zum Komprimieren des gasförmigen Fluids. Die Beschleunigung des Kühlnebels unter Verwendung des Kompressors verlangt jedoch Energie. Mit der Abgabe weiteren Kühlflüssigkeitsnebels kann sich die Pumparbeit des Kompressors in einigen Konfigurationen letztendlich erhöhen. Die Bereitstellung eines Kühl-Oversprays innerhalb des Kompressors kann jedoch zu einem gewissen Rückgang der Pumparbeit für die Abgabe von Kühlflüssigkeit nach dem Kompressor führen. Die spezifische Nettogesamtarbeit kann weiterhin abnehmen. Das heißt die Arbeit für die Gaskompression und die Pumparbeit für die Flüssigkeit pro kombinierte Massenflusseinheit aus gasförmigem Fluid und Kühlfluid.
Die Rate für die Abgabe einer derartigen zusätzlichen Kühlflüssigkeit als Nebel oder Overspray wird vorzugsweise erhöht, bis eine zunehmende Menge an Kühlflüssigkeit die kombinierte Bruttoarbeit für die Kompression des gasförmigen Fluids und die Abgabe des gesamten Verdünnungsmittels in ein oder mehrere Elemente der Gruppe aus Kompressor und nachgeordneten Bauteilen zu verringern beginnt. Zum Beispiel bis ein geringerer Wirkungsgrad der Kompression aufgrund einer Zunahme von Gasturbulenzen, Strömungswiderstand der Flüssigkeit entlang der Kanalwände, Ungleichgewicht, der Erosion von Bauteilen, Ermü dungserscheinungen aufgrund von Ungleichgewicht usw. die Vorteile einer weiteren Abgabe von Kühlflüssigkeit aufhebt.
Verdampfungskühlung nahe der Sättigung und Overspray-Kühlung
Trockenkompression: Unter Bezugnahme auf 14 und Tabelle 2 wird Luft im Fachgebiet unter nominell Standardbedingungen von etwa einer Atmosphäre bei 60 % relativer Luftfeuchtigkeit und 15 °C zu einem kumulativen Druckverhältnis BETA von etwa 20 komprimiert. In diesem Beispiel wird die Luft in den zehn Stufen mit einem etwa gleichen Druckverhältnis komprimiert.
Kühle sättigende Nasskompression: In einer Konfiguration für die Flüssigkeitskühlung oder "Nasskompression" ist das zu komprimierende gasförmige Fluid oder die zu komprimierende Luft in jeder Kompressorstufe nominell ungefähr mit Wasser gesättigt. 8 zeigt beispielsweise eine Turbopumpe oder einen Kompressor mit sechs Stufen, die jeweils einen Statorflügel und einen Rotorfltigel umfassen. In einer ähnlichen Konfiguration kann ein Nasskompressor zehn Stufen mit gleichem Kompressionsverhältnis aufweisen. Für eine erste Modellierung sei angenommen, dass Wasser ungefähr am Einlass jeder Kompressorstufe abgegeben und verdampft wird, zum Beispiel wird bei einer Nasskompressionskonfiguration, bei der zu komprimierender Luftstrom fortschreitend gesättigt wird, ein kumulativer kühler Wasser sprühnebel von 15 °C (59 °F) und 8,09 % Massenverhältnis mit einem kumulativen Kompressionsverhältnis BETA von 20 am Kompressorauslass an den Luftstrom abgegeben.
Die fortschreitende Nasskompression bis ungefähr zur Sättigung ist Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellt. Sie reduziert die Temperatur der feuchten komprimierten Luft am Kompressorauslass von etwa 455 °C (850 °F) auf 155 °C (312 °F), wobei eine kontinuierliche Sättigung mit kühlem Wasser von 15 °C vorausgesetzt ist.

14 zeigt schematisch die Konfiguration für die kühle Nasskompression aus Tabelle 1 und Tabelle 2. Die Kurve TEMPERATUR, TROCKEN zeigt, dass die Temperatur von Luft, die durch bekannte Trockenkompression komprimiert wird, von 15 °C (59 °F) um 440 °C (791 °F) auf etwa 455 °C (850 °F) ansteigt. Die Kurve TEMPERATUR, NASS zeigt die Temperatur, die sich bei fortschreitender Nasskompression ergibt. Dadurch wird der Temperaturanstieg des Fluids um 68,1 % auf etwa 140 °C (253 °F) gesenkt. D. h., um eine Temperatur am Auslass von etwa 155,3 °C (320 °F) für nominell sättigende Nasskompression mit einem kumulativen Druckverhältnis BETA von 20 zu erreichen.

Tabelle 2 Trockenkompression im Vergleich zu fortschreiten der gesättigter sowie Overspray-Nasskompression
		Trocken	Nasskompression
Temperatur des Kühlwassers			15 °C 59 °F	65,6 °C 150 °F	15 °C 59 °F	65,6 °C 150 °F
Trocken, gesättigt oder 2% Overspray			Gesättigt	Gesättigt	2 % Over	2 % Over
Gesamtenergie	kW	38 364	30 223	30 592	30 637	30 985
Gesamtenergie/Massenfluss	kW s/kg	463,0	337,3	339,3	335,3	336,9
Gesamtenergie/Massenfluss	kW s/lb	210,0	153,0	153,9	152,1	152,8
Verhältnis Energie/Massenflusseinheit, Trocken		100 %	72,85 %	73,28 %	72,42 %	72,76 %
Gesamtrate, eingebrachte Wassermasse	kg/s	–	6,70	7,30	8,52	9,13
Gesamtrate, eingebrachte Wassermasse	lb/s	–	14,78	16,09	18,78	20,13
Massenverhältnis Wasser zu Luft am Einlass	m/m	–	8,09 %	8,81 %	10,28 %	11,02 %
Gesamtmassenfluss am Auslass	kg/s	82,87	89,59	90,17	91,39	92,00
Gesamtmassenfluss am Auslass	lb/s	182,7	197,5	198,8	201,5	202,8
Absolute Temperatur am Auslass	Kelvin	727,9	428,4	431,4	404,4	406,8
Absolute Temperatur am Auslass	Rankine	1309,8	771,2	776,6	727,9	732,2
Absolutes Temperaturverhältnis Tnass/Ttrock.	k/k	100 %	58,88 %	59,29 %	55,57 %	55,90 %
Anstieg der Temperatur am Auslass	Kelvin	439,5	140,3	143,3	116,2	118,6
Anstieg der Temperatur am Auslass	Rankine	791,2	252,5	257,9	209,2	213,5
Absolutes Temperaturverhältnis	Taus/Tein	252,5 %	148,7 %	149,7 %	140,3 %	141,2 %
Absolutes Temperaturverhältnis im Vergleich zum Fall Trocken	k/k	100 %	58,88 %	59,29 %	55,57 %	55,90 %
Temperaturanstieg im Vergleich zum Fall Trocken	k/k	100 %	31,92 %	32,50 %	26,45 %	26,99 %
Zehn Stufen mit gleichem Kompressionsverhältnis auf BETA20. Luft am Einlass 15°C, 60 % RH. Wasserabgabe und -verdampfung am Einlassder Stufe.

Verringerung der Arbeit bei kühler Nasskompression: In 14 zeigt die Kurve VERHÄLTNIS NASS:TROCKEN das Verhältnis der absoluten Temperatur des gasförmigen Fluids am Auslass während der fortschreitenden Nasskompression zur "trockenen" Kompression mit zunehmender Kompressorstufe in Strömungsrichtung (zum Beispiel unter der Annahme eines gleichbleibenden Anstiegs des Druckverhältnisses von Stufe zu Stufe).
Diese Rate des fortschreitenden Einbringen von kühlem Wasser zur Bereitstellung einer nominellen Sättigung senkt die Gastemperatur am Ausgang bei der Trockenkompression von etwa 727,9 K (455 °C, 850 °F) auf etwa 428,4 K (155,3 °C, 327,1 °F), wobei die Temperatur am Kompressoreinlass bei 20 atm 288,2 K (15 °C, 59 °F) beträgt, d. h., das Verhältnis von Auslasstemperatur zu Einlasstemperatur fällt von einem 252,5 %igen Anstieg der absoluten Temperatur bei der Trockenkompression auf einen 148,7 %igen Anstieg bei der fortschreitenden Nasskompression. Bei einer solchen fortschreitenden Nasskompression wird die absolute Temperatur am Auslass um etwa 41,1 % auf 58,87 % des Anstiegs der absoluten Temperatur am Auslass bei der Trockenkompression gesenkt.
Die Kühlung der Kompressionsarbeit und die Minderung des Anstiegs der absoluten Temperaturen (ihren zu einer entsprechenden Senkung der absoluten Energie pro Massenflusseinheit (spezifische Energie) von etwa 27,1 %. Zum Beispiel in diesem Beispiel eine Verringerung der Kompressionsarbeit um 8,2 MW von 38,4 MW (100 %) bei der Trockenkompression auf etwa 30,2 MW (72,9 %) bei der sättigenden fortschreitenden Nasskompression.
Ein großer Kompressor kann 65 % der Bruttoenergie für die Expansion zur Kompression des Durchflusses nutzen, sodass die Nettoenergie nur 35 % beträgt. Die Verringerung der Arbeit bei Nasskompression beträgt in diesem Beispiel etwa 17 % der Bruttoenergie für die Expansion oder etwa 50 % deren Nettoenergie, das heißt, mit fortschreitender Nasskompression kann die Nettoleistung der Expansion in einem Energieerzeugungssystem um etwa 50 % erhöht werden. Dadurch werden die Investitionskosten in ein Energieerzeugungssystem mit Nasskompressor gesenkt.
Ein typischer Wirkungsgrad für einen Kompressor von 90 % bedeutet Kompressorverluste von 10 %. Einsparungen bei der Kompressorarbeit von 27 % entsprechen etwa 270 % der Kompressorverluste. Derartige Verbesserungen des Zykluswirkungsgrads können Einsparungen in Verbindung mit dem Lebenszyklus eines Systems ermöglichen, die den Kosten des Kompressors entsprechen oder höher sind. Es ist offensichtlich sehr viel einfacher, den Wirkungsgrad eines Kompressors durch Nasskompression zu verbessern als durch eine weitere Erhöhung des mechanischen Wirkungsgrads des Kompressors.
Kühler Overspray: Unter erneuter Bezugnahme auf Tabelle 2 wird in einer ähnlichen Konfiguration ausreichend flüssiges Verdünnungsmittel (zum Beispiel Wasser) vorzugsweise fortschreitend zugegeben, um einen fortschreitenden Overspray von etwa 2 % des Gesamtflusses zu bilden und aufrechtzuerhalten. Die Öffnungen sind vorzugsweise derart konfiguriert, dass die Overspray-Verteilung so verbessert wird, dass das gesamte zu komprimierende Fluid innerhalb des Kompressors mit Overspray versorgt wird. Ein solcher fortschreitender Overspray unterstützt auf vorteilhafte Weise eine kontinuierliche Sättigung und Kühlung des zu komprimierenden Flusses. Er ermöglicht außerdem vorteilhaft fühlbare Kühlung durch direkten Kontakt zwischen dem flüssigen Verdünnungsmittel und dem zu komprimierenden Fluid.
In einigen Konfigurationen können Öffnungen beispielsweise in direkten Kontaktoren oder vorzugsweise in einem oder mehreren Flügeln angeordnet sein, um Oversprays in der Nähe des Einlasses mehrerer Kompressorstufen, und vorzugsweise jeder Kompressorstufe, bereitzustellen. Der fortschreitende Overspray wird vorzugsweise an mindestens drei Statorflügeln bereitgestellt und mehr bevorzugt auch an den entsprechenden Rotorflügeln.
Unter Bezugnahme auf Tabelle 2 werden in einer Konfiguration zahlreiche kleine Öffnungen bereitgestellt, die sehr kleine Tröpfchen bilden. Der zu komprimierende Gasfluss wird nominell als am Kompressor und entlang des Kompressors kontinuierlich gesättigt modelliert. In der Praxis wird der gewünschte Sättigungsgrad vorzugsweise für jede Stufe angegeben. Zum Beispiel ein Sättigungsgrad von 80 %, 90 %, 95 % oder 98 %.
Die Zugabe eines Kühlflüssigkeitssprühnebels zur Aufrechterhaltung eines 2 %igen Overspray-Nebels in jeder Stufe lässt die Temperatur der feuchten komprimierten Luft, die am Kompressorauslass austritt, im Vergleich zu einzig einer Sättigung des Durchflusses um 24 °C sinken, das heißt ein Abfall von etwa 455 °C (850,2 °F) bei der Trockenkompression auf etwa 131 °C (268,5 °F) bei der Nasskompression. Der fortschreitende 2 %ige Overspray-Nebel ermöglicht einen Anstieg der erreichten Kühlung von 5,6 %. ZUM BEISPIEL durch die Senkung des absoluten Temperaturanstiegs bei der Trockenkompression von 58,88 % bei Kühlung mit Sättigung auf 55,57 % bei Overspray. Der fortschreitende bereitgestellte Overspray kann mehr als 0 % (Sättigung), vorzugsweise 1 % und mehr bevorzugt wenigstens 2 Massen-% des zu komprimierenden Fluids betragen. Dies kann im Vergleich zur Verdampfungskühlung mit Sättigung eine zusätzliche 2 %ige fühlbare Kühlung, vorzugsweise 4 %ige fühlbare Kühlung und mindestens 8 %ige fühlbare Kühlung ermöglichen.
Warmer sättigender Sprühnebel und Wärmerückgewinnung: Die Kühlflüssigkeit kann in einigen Ausführungsformen auch zur Rückgewinnung von Wärme von anderen Positionen verwendet werden. Zum Beispiel aus anderen Teilen der Kompressionsvorrichtung, aus einer nachgeordneten Brennkammer oder einem nachgeordneten chemischen Reaktionssystem und/oder aus einem Energieerzeugungssystem. Hierzu können das Kühlen erwärmter Bauteile, wie Kompressorflügel oder -kanäle, Wände und Bauteile der Brennkammer, der Kanal oder die Übergangszone zu einer Turbine oder die stationären oder rotierenden Flügel, der Kanal oder die Nabe einer Turbine usw. gehören. Eine solche erwärmte Kühlflüssigkeit kann zweckmäßig zum Kühlen eines wärmeren komprimierten gasförmigen Fluids im nachgeordneten Teil des Kompressors verwendet werden.
Wenn sowohl erwärmte als auch kühlere Flüssigkeiten verwendet werden, ist es für eine größere fühlbare Kühlung durch direkten Kontakt im Allgemeinen bevorzugt, die kühlere Flüssigkeit stromaufwärts und die wärmere Flüssigkeit stromabwärts zu verwenden. Unter bestimmten Umständen ist die Bildung von kleinen Tröpfchen und die schnelle Verdampfung einer ausreichenden Menge kühlerer Flüssigkeit zu schwierig, um den gewünschten Grad an Verdampfungskühlung zu erreichen, insbesondere in vorgeordneten Teilen des Kompressors.
Die Kinetik der Tröpfchenbildung, ihrer Fragmentierung, der fühlbaren Wärmeübertragung und der Verdampfung wird vorzugsweise berücksichtigt, um die gewünschte Rate, Temperatur und Verfahren zum Abgeben von Kühlflüssigkeit in das gasförmige Fluid zusammen mit I anderen thermodynamischen Faktoren zu beurteilen. Demgemäß wird ein Anteil der wärmeren Kühlflüssigkeit vorzugsweise stromaufwärts abgegeben, um in einigen Konfigurationen schneller Tröpfchen zu bilden und um eine schnellere Verdampfung zu ermöglichen.
Sättigende fortschreitende Nasskompression mit heißem Wasser: Unter erneuter Bezugnahme auf Tabelle 2 umfasst eine Konfiguration die Erhöhung der Abgabetemperatur von Wasser für die fortschreitende Kompression von etwa 15 °C (59 °F) auf heißes Wasser von etwa 65,6 °C (150 °F). Eine solche Kühlflüssigkeit mit höherer Temperatur unterstützt die Fragmentierung größerer Tröpfchen zu kleinen Tröpfchen mittels Flashverdampfung, was die Verdampfung fördert. Bei dieser Konfiguration wird Wärme vorzugsweise aus den Abgasen der nachgeordneten Turbine zurückgewonnen, um das Kühlwasser auf diese höhere Temperatur zu erwär men. Dies wird auch in der VAST.003-Technik der thermodynamischen Zyklen gelehrt.
Fortschreitend oder kontinuierlich sättigende Wassersprühnebel bilden für ein kumulatives Kompressionsverhältnis BETA von 20 bei Luft mit 65,6 °C (150 °F) ein Massenverhältnis von Wasser zu Luftstrom am Auslass des Kompressors von etwa 8,81 %. Es ist anzunehmen, dass ein vollständiges Modell mit dynamischem Durchfluss, Fragmentierung der Sprühnebel und Verdampfung für eine solche Flashverdampfung im Vergleich zur Abgabe eines kühlen flüssigen Verdünnungsmittels vorteilhaft ist.
Diese höhere Temperatur schwächt den direkten Vorteil einer Temperatursenkung bei Nasskompression um lediglich etwa 0,4 Prozentpunkte (ausschließlich Wärmerückgewinnung) ab, das heißt von einer absoluten Temperatur von etwa 727,9 K (454,8 °C) bei der Trockenkompression auf 431,4 K (158,3 °C) bei der fortschreitenden Nasskompression unter Verwendung von 65,6 °C (150 °F) warmem Wasser. Dies ergibt eine Verringerung des Verhältnisses der absoluten Temperatur am Auslass/Einlass von 252,5 % auf 149,7 % oder eine relative Änderung der absoluten Temperatur von 100 % auf 59,29 %. Die Verwendung eines solchen Kühlwassers mit höheren Temperaturen verringert den Nutzen der Nasskompression bei der Kompressionsarbeit um 0,4 Prozentpunkte auf 73,3 % bei der Trockenkompression, ermöglicht aber eine bessere Wärmerückgewinnung aus den Abgasen. Es kann jedoch auch ebenso Wasser mit höherer Temperatur verwendet werden.
Fortschreitender Overspray mit kühlem Wasser: Unter erneuter Bezugnahme auf Tabelle 2 umfasst eine weitere Konfiguration die fortschreitende Nasskompression unter Verwendung eines fortschreitenden Oversprays aus kühlem Kühlwasser, zum Beispiel etwa 2 % unter Verwendung von Kühlwasser von etwa 15 °C (59 °F). Damit wird die kumulative Wasserabgabe am Auslass bei einem BETA von etwa 20 auf etwa 10,28 % erhöht. In dieser Konfiguration wird die Erhöhung der Temperatur am Kompressorauslass bei der Trockenkompression um etwa 44,71 % auf 55,29 % des Anstiegs der absoluten Temperatur bei Trockenkompression gesenkt, zum Beispiel von 727,9 K auf 404,4 K.
In dieser Konfiguration wird die spezifische Kompressionsarbeit bezogen auf die nominell sättigenden progressive Nasskompression um zusätzlich etwa 0,43 Prozentpunkte verringert. Zum Beispiel von etwa 72,86 % der Arbeit bei der Trockenkompression auf etwa 72,43 % der Arbeit bei der Trockenkompression (mit 15 °C kaltem Wasser bei einem kumulativen Kompressionsverhältnis BETA von 20).
Fortschreitender Overspray mit heißem Wasser: Unter erneuter Bezugnahme auf Tabelle 2 umfasst eine weitere Konfiguration die fortschreitende Nasskompression unter Verwendung eines fortschreitenden Oversprays mit heißem Kühlwasser. Zum Beispiel die Abgabe eines fortschreitenden 2 %igen Oversprays unter Verwendung von heißem Kühlwasser von 65,6 °C (150 °F). Damit wird die kumulative Wasserabgabe am Auslass bei einem kumulativen Druckverhältnis BETA von etwa 20 auf etwa 11,02 % erhöht. In dieser Konfiguration wird die Erhöhung der Temperatur am Kompressorauslass bei der Trockenkompression um etwa 44,1 % auf 55,9 % gesenkt, zum Beispiel von 727,7 K auf 406,8 K.
Bei dieser Konfiguration wird die Kompressionsarbeit pro Massenflusseinheit bezogen auf die nominell sättigende progressive Nasskompression um 0,54 Prozentpunkte verringert. Zum Beispiel von etwa 73,29 % der Arbeit der Trockenkompression bei fortschreitender sättigender Nasskompression auf etwa 72,76 % der Arbeit der Trockenkompression bei fortschreitender Nasskompression mit 2 % Overspray mit 65,6 °C (150 °F) warmer Wasser bei einem kumulativen Kompressionsverhältnis BETA von 20.
Weitere Konfigurationen: Bei der Anwendung der hier beschriebenen Verfahren ist das Massenverhältnis von Kühlfluid zu gasförmigem Fluid, die den Kompressor verlassen, dividiert durch das kumulative Druckverhältnis beta in einer Konfiguration größer als 0,0015. Zum Beispiel 0,03/20. In einer anderen Konfiguration ist das Massenverhältnis von Kühlfluid zu gasförmigem Fluid, die den Kompressor verlassen, dividiert durch das Druckverhältnis größer als 0,0025. Zum Beispiel 0,05/20. In einer anderen Konfiguration ist das Verhältnis des durchschnittlichen Temperaturanstiegs in Grad Celsius zum kumulativen Druckverhältnis BETA des komprimierten gasförmigen Fluids, das die Vorrichtung verlässt, wenigstens 5 °C niedriger als das Verhältnis des Temperaturanstiegs zu BETA, das nach einer adiabatischen Trockenkompression mit demselben BETA erreicht worden wäre. Zum Beispiel 100 °Celsius/20.
In einer anderen Konfiguration ist das Verhältnis des durchschnittlichen Temperaturanstiegs in Grad Celsius zum Druckverhältnis des Fluids, das die Vorrichtung verlässt, wenigstens 100 °C niedriger als das Verhältnis des Temperaturanstiegs zum natürlichen Logarithmus von BETA ("LN BETA") bei der äquivalenten adiabatischen Trockenkompression mit demselben BETA. Zum Beispiel 300 °C/(LN(20)).
Anpassung an Umgebungsbedingungen: Unter bestimmten Umgebungsbedingungen können Wassersprühnebel und das Sprühen von Wasser vor dem Kompressor zu Eisbildung mit reduziertem Luftstrom und möglicher Beschädigung des Kompressors führen. In derartigen Konfigurationen werden die Positionen für das flüssige Verdünnungsmittel oder für die Wasserabgabe derart gewählt, dass eine Abgabe an stromaufwärts gelegenen Positionen, an denen die Bildung von gefrierendem Verdünnungsmittel (und/oder Vereisung) auftreten könnte, vermieden wird. Wasser kann weiterhin weiter stromabwärts abgegeben werden, wo die Kompressionserwärmung der Luft die Temperatur über einen Wert erhöht, bei dem Vereisungen auftreten können. In anderen Konfigurationen wird vorzugsweise heißeres Wasser zur Kühlung der Luft an mehr stromaufwärts gelegenen Positionen verwendet, um eine Verdampfungskühlung zu ermöglichen und gleichzeitig ein Vereisen, das durch kühleres Wasser verursacht werden könnte, zu vermeiden.
Oberflächenkühlung: In einigen Konfigurationen kann zusätzlich eine Kühlung von stationären und/oder rotierenden Kompressorflügeln oder vom Kompressorkanal vorgenommen werden. Dadurch werden zweckmäßig die Flügel gekühlt und eine Expansion der Flügel reduziert. Dadurch wird außerdem die Kühlrate des gasförmigen Fluids erhöht, das an dem Kompressorflügel vorbei und/oder durch den Kanal strömt. Zum Beispiel kann Wasser zum Kühlen eines oder mehrerer dieser Bauteile verwendet werden. Die erwärmte Flüssigkeit kann außerdem an einer oder mehreren Positionen innerhalb der Kompressionsvorrichtung in das gasförmige Fluid abgegeben werden oder sie kann stromabwärts in das in das komprimierte Fluid abgegeben werden.

Spezifisches Volumen und Durchflussfläche: Tabelle 3 zeigt das kumulative Druckverhältnis BETA, das massenbezogene spezifische Volumen und das molare spezifische Volumen der hier in 14 sowie Tabelle 1 und 2 beschriebenen Konfigurationen. Es zeigt sich, dass das kumulative Druckverhältnis "kum BETA" über zehn Stufen mit gleichem Kompressionsverhältnis multiplikativ mit dem Druckverhältnis der einzelnen Stufen von eins auf zwanzig ansteigt. Tabelle 3 gibt das massenbezogene spezifische Volumen (m^3/kg) und das molare spezifische Volumen (m^3/kmol) entsprechend der Konfigurationen aus Tabelle 2 an.

Tabelle 3 Spezifisches Vkompressionolumen bei der Trockenkompression im Vergleich zur fortschreitenden Nass
	Trocken	Fortschreitende Nasskompression
Wassertemperatur		15 °C	65,6 °C	15 °C	65,5 °C
Gesättigt, Overspray		Gesättigt	Gesättigt	2 % darüber (over)	2 % darüber (over)

Stufe, Ausl.	kum BETA	Ln (kum BETA)	m^3/kg	m^3/kmol	m^3/kg	m^3/kmol	m^3/kg	m^3/kmol	m^3/kg	m^3/kmol	m^3/kg	m^3/kmol
0	1,00	0,000	0,818	23,59	0,818	23,59	0,818	23,59	0,818	23,59	0,818	23,59
1	1,35	0,300	0,666	19,22	0,657	18,94	0,658	18,95	0,635	18,10	0,637	18,13
2	1,82	0,599	0,543	15,66	0,512	14,70	0,513	14,73	0,492	13,96	0,493	14,00
3	2,46	0,900	0,442	12,76	0,397	11,34	0,398	11,37	0,379	10,73	0,381	10,76
4	3,31	1,197	0,360	10,39	0,306	8,721	0,308	8,750	0,292	8,225	0,294	8,256
5	4,47	1,497	0,293	8,458	0,236	6,689	0,237	6,714	0,225	6,300	0,226	6,327
6	6,03	1,797	0,238	6,879	0,182	5,124	0,183	5,144	0,173	4,824	0,174	4,846
7	8,14	2,097	0,194	5,591	0,140	3,921	0,141	3,941	0,133	3,693	0,134	3,711
8	10,99	2,397	0,157	4,540	0,108	3,000	0,108	3,014	0,102	2,826	0,103	2,841
9	14,82	2,696	0,128	3,682	0,083	2,298	0,083	2,311	0,078	2,165	0,079	2,177
10	20,00	2,996	0,103	2,978	0,064	1,753	0,064	1,766	0,061	1,655	0,061	1,665

Das spezifische Volumen der "Trockenkompression" von Luft mit 60 % relativer Luftfeuchtigkeit wird am Kompressoreinlass bestimmt. In den folgenden Stufen wird das massenbezogene spezifische Volumen am Ende jeder Stufe bestimmt. Die "Nasskompression" zeigt die Ergebnisse einer nominell fortschreitenden "Sättigung" und eines 2%igen Oversprays, "2 % Over", mit Wasser bezogen auf die Masse der Luft. Bei "2 % Over" wird angenommen, dass der Overspray in Massenprozent mitgerissen wird und einen vollständigen Wärmeaustausch durch direkten Kontakt mit dem zu komprimierenden Fluid vornimmt. bei diesen vorläufigen Modellen wird davon ausgegangen, dass das gesamte sättigende Wasser eingebracht und zu Beginn jeder Stufe verdampft wird, wobei die Ergebnisse als spezifisches Volumen am Ende jeder Stufe dargestellt sind.
Die relativen Ergebnisse des vierten Falls der heißen Nasskompression sind in 15 in Abhängigkeit von der Kompressorstufe dargestellt. Daraus geht hervor, dass das kumulative Druckverhältnis "BETA" von Stufe zu Stufe geometrisch ansteigt. Der natürliche Logarithmus des Druckverhältnisses "LN BETA" nimmt, wie dargestellt, von Stufe zu Stufe linear zu, das heißt, in diesem Beispiel haben die Stufen das gleiche Druckverhältnis.
Laut Tabelle 3 wird das molare spezifische Volumen, das den Kompressor verlässt, in der ersten Konfiguration der Nasskompression durch die sättigende kühle fortschreitende Nasskompression (Wasser von etwa 15 °C) um etwa 41,1 % verglichen mit der Trockenkompression (das heißtvon 2,978 m^3/kmol mit trockener Luft auf 1,753 m^3/kmol) verringert. In der vierten Konfiguration der Nasskompression mit heißem Overspray (zum Beispiel "65,6 °C 2 % Over") wiederum wird das molare spezifische Volumen um etwa 44,1 % verglichen mit der Trockenkompression verringert.
Das relative molare spezifische Volumen der vierten Konfiguration der Nasskompression wird vorzugsweise mit dem molaren spezifischen Volumen der Trockenkompression in Ver hältnis gesetzt ("N/T"). Das Verhältnis wird dann vorzugsweise auf "N/T" am Kompressoreinlass normalisiert, was das in 15 dargestellte normalisierte relative spezifische Volumen "N/T/EIN" ergibt. Die Kurve "N/T/EIN" zeigt, wie das normalisierte relative spezifische molare Volumen des zu komprimierenden Flusses durch die fortschreitende Nasskompression mit heißem Overspray erheblich um etwa 44,1 % verringert wird. Zum Beispiel von 1,0 am Kompressoreinlass auf etwa 0,559 am Kompressorauslass.
Ebenso ergibt das Normalisieren der Daten für das molare spezifische Volumen nass zu trocken "N/T" mit dem relativen molaren spezifischen Volumen am Auslass die Kurve "N/T/AUS" in 15. Diese zeigt, dass die Nasskompression unter der Annahme einer gleichbleibenden Durchflussgeschwindigkeit im gesamten Kompressor bei gleichem spezifischem mo larem Volumen am Kompressorauslass zu einer sehr wesentlich höheren Kapazität des spezifischen Volumens am Einlass von etwa 78,9 % fühlt, das heißt, "N/T/AUS" fällt beim Passieren der Stufen 0 bis 10 von etwa 1,789 auf 1,0.
Axiale Verteilung der Bemessungsdurchflussfläche des Kompressors: Um die gewünschten ähnlichen Geschwindigkeiten durch den gesamten Kompressor zu verwenden, wird die Ver teilung der Bemessungsquerschnittsdurchflussfläche mit axialem Abstand bei der Nasskompression vorzugsweise proportional zu dieser Kurve "N/T/EIN" gemindert, wenn dieselbe Einlassfläche erwünscht ist. Zum Beispiel wird der fortschreitende Flussweg im Nasskom pressor bei gleichbleibendem Luftstrom am Einlass für BETA = 20 vorzugsweise fortschreitend von 100 % am Einlass auf etwa 55,9 % der äquivalenten Durchflussfläche bei Trockenkompression am Kompressorauslass VERKÜRZT, das heißt eine fortschreitende VERKLEINERUNG der Querschnittsfläche auf etwa 44,1 % bei einem ANSTIEG von etwa 8,09 % des Massenflusses aufgrund der Wassereinbringung.
Auf diese Weise werden die Betriebsprobleme der Nasskompression, die in der Regel bei der fortschreitenden ZUGABE von Wasser in einem für die Trockenkompression ausgelegten Kompressor beobachtet werden, durch die fortschreitende VERKLEINERUNG der Querschnittsfläche des Flussweges im Kompressor mit axialem Abstand im Vergleich zum Trockenkompressor gelöst (zum Beispiel Lösung des unerwarteten Stillstands). Diese Lösung erscheint anfangs allem Verständnis zuwiderzulaufen.
Ebenso wird die axiale Verteilung der Bemessungsquerschnittsdurchflussfläche bezogen auf die Auslassfläche proportional zur Kurve "N/T/AUS" angepasst, wenn im Nasskompressor derselbe molare spezifische Volumenfluss am Auslass wie bei einem Trockenkompressor gewünscht ist. Die vorstehend genannte 44,1 %ige relative Verkleinerung wird hier zur VERGRÖSSERUNG der Durchflussfläche am Kompressoreinlass auf 178,9 % am Einlass im Verhältnis zu 100 % am Auslass bezogen auf den äquivalenten Trockenkompressor verwendet. Bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur wird so derselbe Druck erreicht. Dieses Verfahren zur VERGRÖSSERUNG des Kompressoreinlasses bezogen auf den Auslass zur Lösung von Betriebsproblemen durch ZUGABE von Wasser erscheint wiederum zunächst allem Verständnis zuwiderzulaufen.
Dank dieser betrieblichen Vorteile der Nasskompression wird das Kompressionsverhältnis pro Stufe während des Betriebs vorzugsweise um etwa 20 % oder mehr und mehr bevorzugt um etwa 40 % oder mehr im Vergleich zu einer gleichwertigen "Trockenkompressionsvorrichtung" ohne Kühlflüssigkeit als Verdünnungsmittel erhöht. Dadurch lassen sich vorteilhaft die Anzahl an Stufen und die Kosten für den Kompressor herabsetzen.
Axiale Konfiguration des Kompressors für die kühlende Kompression: Unter Bezugnahme auf 15 schwankt der gewünschte relative molare spezifische Volumenfluss "Nass/Trocken/EIN" der Nasskompressorkonfiguration ausgesprochen nicht-linear in Abhängigkeit von dem kumulativen Druckverhältnis BETA. Der Parameter "Nass/Trocken/EIN" der Kompressorkonfiguration wird vorzugsweise generell proportional zum Anstieg des natürlichen Logarithmus des kumulativen Druckverhältnisses BETA "LN BETA" kleiner.
Dieses gewünschte Konfigurationsverfahren ist in 16, in der die Konfigurationen aus Tabelle 2 dargestellt sind, deutlicher zu erkennen. Die beiden sättigenden Durchflösse sind um die untere Kurve gruppiert und die Overspray-Durchflösse um die obere Kurve. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit verursacht nur einen kleinen Unterschied. Zum Beispiel liegen die Kurven für die Abgabe des mit 65,6 °C heißeren Wassers etwas unterhalb der Kurven für die Abgabe des mit 15 °C kühleren Wassers.
Die proportionale Veränderung des relativen molaren spezifischen Volumenflusses "N/T/EIN" wird durch Subtrahieren dieses Werts von den Bedingungen am Einlass erhalten und ist als "1-N/T" angegeben. Die axiale Verteilung der Wasserabgabe und die axiale Durchflussfläche des Kompressors werden vorzugsweise gemeinsam durch primäre Korrelation mit dem kumulativen Druckverhältnis BETA konfiguriert, wie in 16 dargestellt. Zum Beispiel die Proportionalität der relativen normalisierten Flussänderung "1-N/T" gegen den natürlichen Logarithmus des kumulativen Druckverhältnisses BETA "LN BETA."
In einigen Konfigurationen beträgt die relative Verkleinerung des normalisierten Verhältnisses Nasstemperatur/Trockentemperatur ("1-N/T") zum natürlichen Logarithmus des Druckverhältnisses (LN BETA) wenigstens 0,01, zum Beispiel eine Verkleinerung von 0,03/LN(20.)
Die relative Wasserabgabe und die relative axiale Durchflussfläche des Kompressors werden vorzugsweise entsprechend des gewünschten Oversprays eingestellt, wie durch die nach oben gerichtete vertikale Verschiebung der Kurve "1-N/T" in Abhängigkeit von "LN BETA" mit zunehmendem Overspray dargestellt. Das heißt durch Subtrahieren der Abgabe von nicht verdampfter Kühlflüssigkeit-Overspray "Os" von der abgegebenen sättigenden Kühlflüssigkeit W, zum Beispiel durch Subtrahieren des relativen Overspray-Parameters "Os/D" vom relativen molaren spezifischen sättigenden Fluss "N/T" oder durch Addieren von "Os/D" zur Änderung des relativen molaren spezifischen Flusses "1-N/T." Die weiteren kleinen Auswirkungen der relativen Feuchtigkeit der Einlassluft, insbesondere zwischen dem Kompressoreinlass und dem Auslass der ersten Stufe, lassen sich ausgleichen.
Durch die Konfigurationen der relativen Wasserabgabe und des axialen Durchflusses des Kompressors wird vorzugsweise die Krümmung der Kurve "1-N/T" mit zunehmendem kumulativem Druckverhältnis BETA ausgeglichen. Zum Beispiel durch Berücksichtigung der zunehmenden Abweichung der Ist-Parameter des Gases von der Soll-Situation mit zunehmendem Druck.
Der effektive Sättigungsgrad, der bei der Ist-Nasskompression erreicht wird, kann dadurch berücksichtigt werden, dass die Verdampfungsrate der Kühlflüssigkeit oder des Wassers durch einen Sättigungsparameter S mit dem durch Verdampfung sättigenden Fluss W multipliziert wird, wobei S zum Beispiel entsprechend der Effektivität der Nasskompression von 0,5 bis 0,99 schwanken kann.
Dieses Verfahren der Konfigurationen der Nasskompression bietet eine Skalierung in Abhängigkeit vom Druckverhältnis und dem Grad der wirksamen Sättigung des zu komprimierenden Fluids mit Verdünnungsmittel. Die gasförmige molare Masse wird durch das molare spezifische Volumen berücksichtigt. Das Verhältnis von latenter Verdampfungswärme der Kühlflüssigkeit zur Wärmekapazität des zu komprimierenden Fluids wird vorzugsweise berücksichtigt, um des Weiteren eine Extrapolation von Wasser und Luft auf andere Kühlfluide und Gase zu ermöglichen.

Tabelle 4 zeigt die Parameter, die durch Einsetzen der gewünschten normalisierten relativen Wasserabgabe "1-N/T" der vier in Tabelle 2 dargestellten Fälle in ein kubisches Polynom dritten Grades mit dem natürlichen Logarithmus des Druckverhältnisses BETA "LN BETA" erhalten werden, das heißt Y = A0 + A1·X + A2·X^2 + A3·X^3, wobei Y = "1-N/T" und X = "LN BETA". Wie vorstehend beschrieben, kann A0 als Verschiebung aufgrund des relativen Oversprays betrachtet werden, d. h., –Os/T. A1 ist die direkte Proportionalität zwischen "1-N/T" und "LN BETA". A2 und A3 berücksichtigen die Nichtlinearität der Kurve.

Tabelle 4 Polynomkoeffizienten für "1-N/T" in Abhängigkeit von "LN BETA"
Koeffizient	Variable X = LN (BETA)	15 °C 59 °F	65,6 °C 150 °F	15 °C 59 °F	65,6 °C 150 °F
Koeffizient	Variable X = LN (BETA)	Gesättigt	Gesättigt	2 % darüber (over)	2 % darüber (over)
A0	1	–3,329E-2	–3,264E-2	0,515E-2	0,380E-2
A1	X	15,755E-2	15,273E-2	17,986E-2	17,747E-2
A2	X²	0,833E-2	1,034E-2	–0,654E-2	–0,551E-2
A3	X³	–0,3 80E-2	–0,412E-2	–0,152E-2	–0,168E-2

Axiale Konfiguration des Kompressors für die nicht-lineare Kühlmittelabgabe: Die Modellierung erfolgte zwar mit Kompressorstufen mit gleichem Druckverhältnis, ähnliche Vorteile der Fluidkühlung lassen sich aber auch dann erreichen, wenn dies in Bezug auf das Druckverhältnis jeder Kompressionsstufe auf dem Kompressionsweg bei anderen Kompressorkonfigurationen beurteilt wird. Die axiale Verteilung der Druckverhältnisse in den Stufen ist vorzugsweise nicht-linear konfiguriert, die axiale Verteilung der Gastemperatur steigt nicht-linear und die axiale Verteilung der Verdampfungsraten der Kühlflüssigkeitströpfchen ist generell nicht-linear. Demzufolge ist die axiale Verteilung der Abgaberate des flüssigen Kühlmittels, um eine axiale Verteilung des gewünschten Sättigungsgrads zu erreichen, vorzugsweise nicht-linear konfiguriert, um eine axiale Verteilung eines gewünschten Kühlungsgrads bereitzustellen, der ausreicht, um fortschreitend einen Sättigungsgrad bereitzustellen.
Axiale Konfiguration des Kompressors für die lineare Kühlmittelabgabe: In einigen Konfigurationen ist die axiale Verteilung der Druckverhältnisse im Kompressor vorzugsweise derart konfiguriert, dass eine axiale krummlinige Verteilung von Druck- und Temperaturanstieg derart bereitgestellt wird, dass bei der Abgabe von Kühlfluid eine ungefähr lineare axiale Abgabeverteilung erreicht wird, die erforderlich ist, um in jeder Stufe einen vorgegebenen Sättigungsgrad zu erreichen.
Zum Beispiel wenn die Kühlflüssigkeit, die fortschreitend durch Verdampfung oder Austausch fühlbarer Wärme in jeder Stufe abgegeben wird, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 90 % bis etwa 110 % des gesamten durchschnittlichen Kühlflusses im Kompressor liegt, der in jeder Stufe zur Sättigung des zu komprimierenden Flusses erforderlich ist. Der fortschreitende Overspray kann zusätzlich zugesetzt werden, um Verdampfung und Sättigung zu fördern.
In derartigen Konfigurationen sind die vorgeordneten Stufen vorzugsweise mit höheren Druckverhältnissen konfiguriert als die nachgeordneten Stufen. Dies ermöglicht zweckmäßig einen größerer Druckanstieg, mehr Arbeit und einen größeren Temperaturanstieg in den vorgeordneten Stufen, die kühler sind und in denen Temperaturänderungen Rotortoleranzen leichter ausgeglichen werden können als in den nachgeordneten Stufen mit höherem Druck und höherer Temperatur. Zum Beispiel können in einer Ausführung zwei nachgeordnete Stufen kleinere Kompressionsverhältnisse haben als zwei oder mehr vorgeordnete Stufen.
Steuerung der Zusammensetzung am Auslass: In einigen Ausführungsformen ist die Abgaberate der Kühlflüssigkeit als proportional zur Rate des zur Kompression abgegebenen gasförmigen Fluids vorgegeben, um eine vorgegebene Zusammensetzung des komprimierten Fluids zu erreichen, das am Auslass der Kompressionsvorrichtung abgegeben wird. Die Abgaberate der Flüssigkeit kann auf der Grundlage des Anteils an verdampfter Flüssigkeit, die im Auslassfluss erwünscht ist, gesteuert werden. Die Abgaberate der Flüssigkeit ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass außerdem ein vorgegebener Massenanteil an Tröpfchen der Kühlflüssigkeit bezogen auf das komprimierte gasförmige Fluid, das am Auslass des Kompressors gewünscht ist, bereitgestellt wird.
Zum Beispiel die Bereitstellung eines Massenanteils an Tröpfchen zwischen 0,1 % und 5 % des Massenflusses des zu komprimierenden Fluids Zum Beispiel wenn der mittlere Overspray innerhalb von +/–0,5 % oder +/–1 % eines vorgegebenen Massenverhältnisses zum Luftstrom in dem Kompressor liegt. Die fortschreitenden Overspray-Tröpfchen sind vorzugsweise in Durchflussbereichen für feineren Overspray konfiguriert, wie von 0,5 % bis 1,5 % bei nominellem 1 Massen-% Overspray oder von 1 % bis 3 % bei 2 Massen-% Overspray. In einer Ausführungsform wird die Abgabe von Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit vom Druckverhältnis in der Kompressorstufe in zwei oder mehreren Stufen in der Nähe des Kompressorauslasses verringert. Dies kann dazu verwendet werden, Overspray am Kompressorauslass zu reduzieren oder zu eliminieren.
Steuerung der Temperatur am Auslass: In einigen Konfigurationen ist die Abgabe von Kühlfluid in der Menge vorgegeben, die zur Begrenzung der Temperatur des komprimierten Fluids auf einen vorgegebenen Temperaturbereich oder auf einen Wert unterhalb einer vorgegebenen Maximaltemperatur bei Abgabe aus der Kompressionsvorrichtung erforderlich ist. Wenn Mehrfachbegrenzungen erwünscht sind, ist die gewünschte Abgaberate für Kühlflüssigkeit derart vorgegeben, dass sie innerhalb eines Bereichs oder unterhalb eines Maximalwerts und oberhalb eines Minimalwerts der Rate, die den kombinierten Überlegungen zu den gewünschten Begrenzungen entspricht, liegt.
Transversale Verteilung der Flüssigkeitsabgabe: Kompressoren haben in der Regel im Vergleich zu transversalen Turbulenzen einen hohen Strömungsfluss, was zu einer geringen transversalen Vermischung führt. Um mittlere gewünschte Flüssigkeitskühlraten noch besser erreichen zu können, wird Kühlflüssigkeit zweckmäßig durch zahlreiche kleine Öffnungen abgegeben, um kleine Tröpfchen mit einer gewünschten Größe und einer gewünschten räumlichen Verteilung bereitzustellen. Die zahlreichen Öffnungen sind vorzugsweise über eine Mehrzahl von Flügeln verteilt. Sie sind mehr bevorzugt über die Flügel verteilt, einschließlich einer oder mehrerer der Konstellationen transversal quer zum Flügel, axial in Strömungsrichtung entlang des Flügels und/oder auf einer oder beiden konvexen und konkaven Oberflächen eines Flügels. Zum Beispiel siehe 1, 5.
Die Abgabe der Kühlflüssigkeit ist vorzugsweise räumlich verteilt, um die gewünschte transversale Verteilung von Verdampfungsrate und Rate der fühlbaren Kühlung im Durchfluss bereitzustellen. Die gewünschten Verdampfungsraten sind vorzugsweise proportional zu der Menge an Ungesättigtheit im Gas im Bereich räumlicher Verdampfung. Die Abgaberaten der Kühlflüssigkeit sind entsprechend eingestellt, um die dynamischen Verdampfungsraten der Tröpfchen über deren Flugbahn zu berücksichtigen.
Neben den Vorgaben für mittleren Durchfluss werden in einigen Ausführungsformen vorzugsweise auch die transversalen Verteilungen der Abgaberate der Kühlflüssigkeit zusammen mit der Verteilung der axialen und/oder krummlinigen Flüssigkeitsabgaberate in Strömungsrichtung des Fluids vorgegeben. Zum Beispiel die gewünschte transversale Verteilung der Abgaberate der Kühlflüssigkeit entlang einer radialen Richtung in einem ringförmigen Axialkompressor. Entsprechende transversale Verteilungen für die jeweilige krummlinige Strömungsflussrichtung können in Radial- oder Zentrifugalkompressoren konfiguriert werden.
Unter Bezugnahme auf 13 ist schematisch eine typische axiale Verteilung der Luftgeschwindigkeit in einem Axialkompressor von der Nabe bis zur Spitze in einer ersten Kompressorstufe verglichen mit der mittleren Durchflussrate dargestellt und als "MITTEL" und "1. STUFE" gekennzeichnet. Eine ähnliche Geschwindigkeitsverteilung ist schematisch für eine vierte Kompressorstufe dargestellt, die als "4. STUFE" gekennzeichnet ist. Derartige transversale Verteilungen der Geschwindigkeit eines gasförmigen Fluids in Strömungsrichtung innerhalb eines Kompressors ändern sich erheblich in Abhängigkeit von der Position in Strömungsrichtung, der fraglichen Kompressorstufe und/oder dem kumulativen Druckverhältnis BETA. Ähnliche Durchflussschwankungen werden in Radial- und Zentrifugalkompressoren bezogen auf einen krummlinigen Strömungsflussweg beobachtet.
Allgemeiner ausgedrückt, ergeben sich bei Axial-, Zentrifugal- und Radialkompressoren solche Verteilungen zwischen einer zentripetal (radial oder "zentrifugal") ausgerichteten inneren Wand (oder Einlassachse) und einer radial nach außen gerichteten Wand (oder Auslassradius) in einer Kompressorstufe. Der Druck und damit die Fluiddichte können von einer zentripetal nach innen gerichteten Wand zu einer zentripetal nach außen gerichteten Wand zunehmen.
Demzufolge werden Geschwindigkeitsverteilungen vorzugsweise mit der Fluiddichte gewichtet, was eine massengewichtete Geschwindigkeitsverteilung ergibt. Im vorliegenden Fall, in dem ein thermisches Kühlen erwünscht ist, werden kühlende Durchflösse vorzugsweise mit dem Fluss des gasförmigen Fluids auf Massenbasis verglichen. Die Verteilungen der Kühlmittelabgabe für das thermische Kühlen sind vorzugsweise auf Massenbasis vorgegeben (oder für die Konfiguration der Durchflussfläche im Kompressor durch das molare spezifische Volumen, siehe nachstehend).
In einigen Konfigurationen ist mehr bevorzugt die massengewichtete transversale Verteilung der gewünschten Abgaberate der Kühlflüssigkeit an mehreren Positionen in Strömungsrichtung oder kontinuierlich entlang der axialen oder krummlinigen Strömungsflussrichtung vorgegeben. Wie vorstehend erwähnt, können diese in Form der jeweiligen transversalen Verteilung des gewünschten Sättigungsgrads der Kühlflüssigkeit in dem gasförmigen Fluid beschrieben werden. Derartige Abgabeverteilungen sind im Allgemeinen in transversaler Richtung und mit in Strömungsrichtung ansteigender Kompressionsstufe zunehmend nicht-linear.
Beispielsweise ist unter erneuter Bezugnahme auf 13 der durchschnittliche Gasfluss schematisch als MITTEL dargestellt. Die räumliche transversale Verteilung des Gasflusses von der Nabe bis zu Spitze eines Flügels ist schematisch als 1. STUFE bezogen auf die linke Y-Achse dargestellt. Eine typische transversale Abgaberate in der Kühlflüssigkeit in der ersten Turbinenstufe ist als 1. STUFE bezogen auf die rechte Y-Achse dargestellt. Die anschließende nachgeordnete Kompressorgasflussverteilung in der 4. Kompressorstufe ist schematisch als 4. STUFE bezogen auf die linke Y-Achse dargestellt. (Gasfluss in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsfluss ist nicht maßstabsgerecht dargestellt.) Das Verhältnis Spitzenwert zu Mittelwert nimmt von Stufe zu Stufe zu, wie aus 13 hervorgeht. Die axiale Position des Mittelwerts verändert sich von etwa der Mitte der Flügelspannweite zur äußeren Wand oder Spitze, wie 13 hervorgeht.
Abgegebenes flüssiges Verdünnungsmittel wird in den vorgeordneten Stufen vorzugsweise durch Öffnungen in einem stationären Flügel proportional zur transversalen Verteilung des Massenflusses des gasförmigen Fluids abgegeben. Zum Beispiel wie schematisch durch die Kurve "1. STUFE" des Gasflusses und die Einbringrate der Kühlflüssigkeit in 13 dargestellt.
Kleine Flüssigkeitströpfchen werden in mäßigem Umfang in dem Gasfluss mitgerissen. Größere Flüssigkeitströpfchen haben jedoch ein größeres Verhältnis von Trägheit zu Strömungs widerstand. Sie werden nicht so gut mit dem Fluss mitgerissen und neigen eher dazu, auf Flügel oder Kompressorwände aufzuprallen. Ein rotierender Flügel verleiht dem umgebenden Gas und damit den mitgerissenen Flüssigkeitströpfchen eine zentripetale Beschleunigung. Kühlflüssigkeit, die durch Öffnungen in einem rotierenden Flügel abgegeben wird, hat eine höhere zentripetale Beschleunigung, die radial von der Nabe zur Spitze hin zunimmt. Die Rotationsbewegung der rotierenden Flügel einer Turbopumpe kann unterschiedliche zentripetale Bewegungen der Tröpfchen verursachen. Größere Kühlflüssigkeitströpfchen bewegen sich aufgrund einer derartigen zentripetalen Beschleunigung mit zunehmendem axialem Abstand schneller radial nach außen als kleinerer Tröpfchen.
Eine derartige unterschiedliche zentripetale Bewegung wird vorzugsweise dadurch ausgeglichen, dass die gewünschte Verteilung der Abgaberaten der Kühlflüssigkeit bezogen auf die gewünschte Verteilung der Kühlrate mit Flüssigkeit in transversaler Richtung radial nach innen verschoben wird. Mehr bevorzugt wird die Verteilung der Abgaberaten der Kühlflüssigkeit bei der Konfiguration der nachgeordneten gewünschten Verteilung der transversalen Verdampfung stromaufwärts zentripetal nach innen verschoben, um die zentripetale Bewegung auszugleichen.
Ein Teil der kleineren kühlenden Tröpfchen verdampft, was einen Restanteil kleinerer Tröpfchen aus der ersten und den folgenden Stufen hinterlässt. Zum Beispiel ist die räumliche Verteilung derartiger kleiner Tröpfchen, die in die 4. Stufe gelangen, in 13 als 4. KLEINE TRÖPFCHEN bezogen auf die rechte Y-Achse bezeichnet. Größere Tröpfchen, die durch stationäre Flügel oder direkte Kontaktoren abgegeben werden, haben zunächst eine ähnliche transversale Verteilung. Die schematische Darstellung zeigt jedoch, dass die räumliche Verteilung von zentripetal beschleunigten Resten an größeren Tröpfchen, die in die 4. Stufe gelangen, als 4. GROSSE TRÖPFCHEN bezogen auf die rechte Y-Achse bezeichnet, zentripetal nach außen in Richtung der Flügelspitze verschoben ist. Das heißt es ist erkennbar, dass der transversale Spitzenwert verglichen mit 4. KLEINE TRÖPFCHEN von der NABE in Richtung zur SPITZE verschoben ist.
Eine Erstauslegung kann mit zwei Verfahren zur Dimensionskonfiguration durchgeführt werden, die auf den Verfahren aufbauen, die als Technik VAST.001 direkter Kontaktoren beschrieben und durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Vorzugsweise werden die Verfahren der Technik VAST.002 Trifluidreaktor, die durch Bezugnahme eingeschlossen ist, verwendet, einschließlich der jeweiligen Öffnungs- und Sprühnebelverteilung. Die zentripetale Beschleunigung von Rotorflügeln, die Kühlflüssigkeit in einem Flügel druckbeaufschlagt oder perfo rierte direkte Kontaktoren rotieren lässt, wird vorzugsweise bei der Modellierung des Differenzialdrucks des Kühlfluids einbezogen, das durch die Rotoröffnungen abgegeben wird. Zum Beispiel bei der Konfiguration eines oder mehrerer der Elemente der Gruppe aus transversaler Verteilung der Größe der Rotoröffnung, räumlicher Dichte der Öffnung und Ausrichtung der Öffnung. Sie kann ebenso zur Konfiguration der Größe der Kühlfluidpassage und der transversalen Verteilung des Differenzialdrucks entlang der Öffnungen verwendet werden.
Zur Konfiguration der Kühlfluidflüsse werden vorzugsweise ausführlichere Modellierverfahren verwendet. Zum Beispiel unter Verwendung von physikalischen Verfahren mit dem "Computational Fluid Design (CFD)", das ein genaueres Modell der komplexen Flüsse, der Fragmentierung der Flüssigkeitsstrahlen, der Fragmentierung von Tröpfchen, des Aufpralls von Tröpfchen, der Leitung zwischen Tröpfchen, Tröpfchenverdampfung, Flashverdampfung, Zertrümmern von Tröpfchen, fühlbarer Wärme und/oder Kühlung, Strahlung und/oder die Kinetik chemischer Reaktionen, je nachdem, was wesentlich ist, modelliert.
Dieses Verfahren kann bei perforierten Kontaktoren angewendet werden, die quer zum Strom einem ersten Kompressor vorgeordnet, zwischen Kompressoren angeordnet, einem Kompressor nachgeordnet und bei einer Mehrzahl von Kühlflüssigkeitsverteilern an Positionen in Strömungsrichtung angeordnet sind. Dieses Verfahren wird vorzugsweise bei jeder Kompressorstufe angewendet. Mehr bevorzugt wird das Verfahren bei jedem Flügel und dabei an mehreren axialen Positionen entlang eines Flügels angewendet, um die Öffnungen an stationären Flügeln und an rotierenden Flügeln zu konfigurieren.
Unter erneuter Bezugnahme auf 13 ist beispielsweise eine gewünschte räumliche Massengesamtverteilung der Kühlflüssigkeitströpfchen in der 4. Stufe als 4. STUFE dargestellt, um eine gewünschte transversale Verteilung der Kühlrate stromabwärts bereitzustellen. Dann wird eine komplementäre Verteilung zusätzlicher abzugebender Kühlflüssigkeit vorgegeben, die proportional zu dem Unterschied zwischen der gewünschten Abgabeverteilung (4. STUFE bezogen auf die rechte Y-Achse) und der transversalen Verteilung mitgerissener Kühlflüssigkeit in dieser Stufe ist.
Genauer gesagt berücksichtigt der Proportionalitätsfaktor die unterschiedliche Verdampfung aufgrund der Temperatur der abgegebenen Flüssigkeit und der Temperatur der mitgerissenen Flüssigkeit. Diese Gewichtung wird vorzugsweise weiter gemäß der entsprechenden transversalen Verteilung der Verdampfungsrate der Flüssigkeit aufgrund der transversalen Tröpfchenverteilung der mitgerissenen Kühlflüssigkeit in dieser Kompressionsstufe gewichtet.
Mehr bevorzugt trägt die Gewichtung ferner dem Unterschied zwischen der anschließenden axialen und zentripetalen Bewegung bei der Beurteilung der transversalen Verteilung der Verdampfungsrate der Flüssigkeit Rechnung.
Beispielsweise wird dadurch unter erneuter Bezugnahme auf 13 vorzugsweise die gewichtete Summe der Verteilung kleinerer und größerer Tröpfchen, die in die 4. Stufe gelangen (4. KLEINE TRÖFPCHEN und 4. GROSSE TRÖFPCHEN) berücksichtigt. Die gewünschte räumliche Verteilung der Abgabe der komplementären Flüssigkeit in der 4. Kompressorstufe ist schematisch als "4. KOMP." bezogen auf die rechte Y-Achse dargestellt. Die transversale Verteilung von 4. KOMP. ist in hohem Ausmaß davon abhängig, ob die Kühlflüssigkeit in dieser Kompressorstufe durch ein oder mehrere Elemente der Gruppe aus stromlinienförmigem perforiertem Kontaktor, stationärem Flügel und/oder rotierendem Flügel abgegeben wird.
Die räumliche Abgabe von zusätzlicher Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise mit einem Höchstwert im Bereich von 25 % bis 75 % des Abstands zwischen Nabe und Spitze konfiguriert. Mehr bevorzugt liegt der Höchstwert für die Abgabe der zusätzlichen Flüssigkeit näher an der Nabe oder der zentripetal innen angeordneten Wand als der Höchstwert der gewünschten transversalen Verteilung von Kühlflüssigkeit in dieser Stufe, um die zentripetale Beschleunigung des Rotors zu ermöglichen. Zum Beispiel befindet sich der transversale Höchstwert von 4. KOMP. gemäß der Verteilung der zentripetalen Beschleunigung und der transversalen Tröpfchengröße in der mitgerissenen Kühlflüssigkeit vorzugsweise zentripetal weiter innen im Verhältnis zum Höchstwert der 4. STUFE. Der transversale Höchstwert der Abgabe der Kühlflüssigkeit befindet sich im Verhältnis zum Höchstwert der Verteilung für 4. GROSSE TRÖPFCHEN vorzugsweise zentripetal weiter innen (weg von der Spitze). Er kann ferner zentripetal weiter innen im Verhältnis zum Höchstwert der Verteilung für 4. KLEINE TRÖPFCHEN angeordnet sein, um eine höhere radiale Beschleunigung zu erzielen, wie bei der Abgabe eines Anteils der Kühlflüssigkeit durch Rotoröffnungen.
Kühlfluidabgabe an rotierenden Flügeln: Um eine Rotationsachse sind vorzugsweise geeignete Rotationsdichtungen angebracht, um Kühlflüssigkeit an rotierende Flügel abzugeben. Diese umfassen vorzugsweise beispielsweise eine V-Dichtung mit mehreren dünnen V-förmigen Kanälen in einem Gleitlager. Die Kühlflüssigkeit wird an die äußeren Teilen der V-förmigen Kanäle abgegeben. Ein oder mehrere Verteiler sind vorzugsweise derart konfiguriert, dass druckbeaufschlagtes Fluid vom Mittelpunkt der V-Dichtung abgezogen wird.
Gewichtete Abgabeverteilung in Strömungsrichtung: Aufgrund des schnellen Strömungsflusses durchlaufen Kühlflüssigkeitströpfchen in der Regel mehrere Kompressionsstufen, ehe sie vollständig verdampft sind. Zum Beispiel wurde bei einer Flüssigkeit mit einer Tröpfchengröße mit mittlerem Sauter-Durchmesser (SMD) von 30 Mikron (Mikrometer) festgestellt, dass ein Anteil einige Kompressoren verlässt, ohne vollständig verdampft zu sein. (Der mittlere Sauter-Durchmesser D32 ist der Durchmesser eines Tröpfchen mit demselben Volumen/Oberflächen-Verhältnis wie der gesamte Sprühnebel. SMD ist eine übliche Größenmessung, es können jedoch auch andere Größenmessungen verwendet werden.) Selbst kleine Tröpfchen, wie solche mit einer Größe oder einem mittleren Sauter-Durchmesser (SMD) von 1-5 Mikron (Mikrometer), können in Axialkompressoren über mehrere Stufen mitgerissen werden, ehe sie verdampfen. Mittelgroße Tröpfchen werden in der Regel über mehrere Stufen mitgerissen.
Die gewünschten Verteilungen der Abgabe der Kühlflüssigkeit werden mehr bevorzugt derart konfiguriert, dass eine verhältnismäßig langsame Verdampfung der Tröpfchen über mehrere Stufen berücksichtigt wird. Um eine gewünschte Verdampfungsrate für eine erste Stufe zu erhalten, wird ein bzw. werden mehrere Elemente der Gruppe aus der Abgaberate der Kühlflüssigkeit, mehreren Abgabepositionen stromaufwärts und Temperatur der Kühlflüssigkeit vorzugsweise derart konfiguriert, dass ein passend verteilter Overspray erreicht wird. In den nachfolgenden Stufen werden die restlichen stromabwärts mitgerissenen Tröpfchen berücksichtigt und es wird zusätzlich Flüssigkeitssprühnebel eingebracht, um die gewünschten Verteilungen der Kühlflüssigkeitströpfchen und der entsprechenden Verdampfungsraten zu erreichen.
Dieses Konfigurationsverfahren wird vorzugsweise im Strömungsfluss wiederholt, um transversale Verteilungen der Kühlflüssigkeitsabgabe zu erreichen, einschließlich Öffnungsgröße, räumlicher Verteilungen von Positionen und Ausrichtung sowie räumlicher Verteilungen der Verteilungen des Differenzdrucks der Flüssigkeit an den Öffnungen. Vorzugsweise werden die anschließenden räumlichen Verteilungen der Tröpfchen konfiguriert und dann modelliert und die gewünschten transversalen Verteilungen zusätzlicher Sprühnebel konfiguriert. Dieses Verfahren wird vorzugsweise zur Konfiguration der Abgabe von Flüssigkeit verwendet, um eine fortschreitende räumliche Verteilung der Tröpfchen zu erhalten. Mehr bevorzugt werden räumliche Verteilungen für Overspray-Tröpfchen bereitgestellt, die eine wirksamere Kühlung des zu komprimierenden gasförmigen Fluids bereitstellen.
Verteilungen des Nebels am Auslass: Zusammen mit dem komprimierten gasförmigen Fluid wird in einigen Konfigurationen zweckmäßig ein Kühlflüssigkeitsnebel durch den Kompressorauslass abgegeben. Die Abgabe von Kühlflüssigkeit durch die nachgeordneten Stufen wird vorzugsweise derart eingestellt, dass ein Rest an Tröpfchen den Kompressor in dem komprimierten Gas verlässt. Mehr bevorzugt sind die räumlichen Verteilungen der Abgabe der Kühlflüssigkeit durch die nachgeordneten Stufen derart konfiguriert, dass gewünschte räumliche Verteilungen des Flusses mit einem Rest an Tröpfchen den Kompressor verlassen.
Konfiguration des Aufpralls von Tröpfchen auf Oberflächen: Es ist bekannt, dass der Aufprall großer Tröpfchen auf Oberflächen mit hoher relativer Geschwindigkeit Materialien erodiert. Umgekehrt werden kleine Tröpfchen in der Regel mit dem Hauptfluss des Fluids transportiert und bewegen sich entlang krummliniger Oberflächen. Öffnungen und Düsen erzeugen polydispergierte Sprühnebel mit einer Größenverteilung der Tröpfchen. Flügel und Kanalwände weisen eine Materialfestigkeit auf, die in der Regel überschritten werden muss, ehe die Wahrscheinlichkeit besteht, dass der Aufprall von Tröpfchen einer Oberfläche beschädigt. Tröpfchen treffen im Allgemeinen in einem Winkel auf der Oberfläche auf und fragmentieren dann zu kleineren Tröpfchen. Die kinetische Aufprallenergie kann dann beurteilt werden. Zum Beispiel mithilfe der Hälfte der Tröpfchenmasse multipliziert mit dem Quadrat der normalen Komponente der relativen Geschwindigkeit. Dann kann unter Berücksichtigung der Komponenten dreidimensionale Elastizität und Festigkeit der Materialoberfläche die Belastung der Oberfläche beurteilt werden.
Tröpfchengröße und -bahnen werden vorzugsweise mithilfe von rechnerischen Verfahren der Fluiddynamik beurteilt, bei denen die Verteilung der Tröpfchengröße, die Verdampfungsraten der Tröpfchen in einem komprimierten Fluid und der Aufprall von Tröpfchen auf der Oberfläche berücksichtigt werden. Zum Beispiel weisen Verfahren des computergestützten Designs (CAD), die zur Modellierung von Verbrennungsmotoren für flüssige Kraftstoffe verwendet werden, umfangreiche Untermodelle für das Fragmentieren der Tröpfchengröße und den Aufprall von Flüssigkeiten auf. Diese werden vorzugsweise so konfiguriert oder angepasst, dass die zahlreichen Öffnungen, verschiedenen Tröpfchengrößen und Sprühnebel berücksichtigt werden.
Öffnungen können mit Bezug auf die Bauteile von Turbopumpen so konfiguriert werden, dass die Belastung durch den Aufprall von Tröpfchen derart konfiguriert wird, dass dieser geringer ist als die bemessene Belastung der Oberfläche. Ein oder mehr Elemente der Gruppe aus Düsen- und/oder Öffnungsgröße, Ausrichtung, relativer Position, Differenzialdruck beim Aus bringen und/oder der Temperatur der Kühlflüssigkeit werden vorzugsweise so konfiguriert und/oder gesteuert, dass die Rate der durch den kinetischen Aufprall induzierten Belastung geringer ist als eine vorgegebene Bemessungsbelastung der Oberfläche, um eine Erosion verbundener Bauteile des Kompressors zu reduzieren.
Die Erzeugung der Tröpfchengröße bezogen auf den Fluss des komprimierten Fluid und der Oberflächen der Turbopumpe kann so konfiguriert werden, dass die obere Größenverteilung der Tröpfchen geringer ist als ein vorgegebener Anteil. Zum Beispiel haben im Allgemeinen 90 Massen-%, vorzugsweise 95 Massen-%, mehr bevorzugt 99 Massen-% und am meisten bevorzugt 99,7 Massen-% der gesamten abgegebenen Kühlflüssigkeit einen mittleren Durchmesser von weniger als 20 Mikron.
Die Konfiguration der Öffnungen und die Parameter der Fluidabgabe können so gesteuert werden, dass die Tröpfchenbahn derart gesteuert wird, dass die relative normale Aufprallgeschwindigkeit geringer ist als ein vorgegebenes Bemessungsbelastungsniveau der Oberfläche. Die Parameter der Öffnungen und der Fluidabgabe werden so gesteuert, dass die Kombination aus Tröpfchengröße und Aufprall Geschwindigkeit senkrecht zu den Aufpralloberflächen der Turbopumpe derart begrenzt ist, dass die kinetische Energie des Aufpralls so gesteuert ist, dass sie weniger als eine Bemessungsbelastung der Oberfläche beträgt.
Die Abgabe der Kühlflüssigkeit und die Kompressorkonstruktion sind vorzugsweise so konfiguriert und/oder gesteuert, das eine oder mehrere Elemente der Gruppe aus Anteilen des Verdünnungsmittels mit großen Tröpfchen, der Position des Tröpfchenaufpralls, der relativen normalen Aufprallgeschwindigkeit und/oder der Oberflächenhärte an der Aufprallposition des Tröpfchens derart konfiguriert oder gesteuert werden, dass der Anteil an Tröpfchen mit einem kinetischen Aufprall senkrecht zu der Oberfläche, der relativ größer ist als der Schwellenwert der Materialbeschädigung, unterhalb eines gewünschten Niveaus liegt, um die Rate der Beschädigung einer Oberfläche derart zu begrenzen, dass sie geringer ist als eine gewünschte Beschädigungsrate.
Zum Beispiel wird die Abgabe der Kühlflüssigkeit so konfiguriert, dass vorzugsweise 95 %, mehr bevorzugt 99 % und am meisten bevorzugt 99,7 % der auf eine Oberfläche aufprallenden Flüssigkeitströpfchen eine kinetische Energie aufweisen, die eine Oberflächenbelastung verursacht, welche geringer ist als die Bemessungsbelastung der Oberfläche bei Aufprall. Ist die Restrate der Beschädigung oder Erosion durch Tröpfchen verhältnismäßig hoch, wird die Oberfläche vorzugsweise gehärtet, um die Erosionsrate durch Tröpfchen zu begrenzen.
Verfahren zur Abgabe von Kühlfluid: Zur Abgabe von Kühlfluid mit den gewünschten räumlichen Verteilungen sind vorzugsweise zahlreiche Öffnungen über den Kompressorkanal verteilt. Die durch Bezugnahme eingeschlossenen VAST.001-Techniken beschreiben zahlreiche Verfahren zur Abgabe von Kühlflüssigkeit über perforierte Rohre mit zahlreichen Öffnungen. Unter Bezugnahme auf 1 können Öffnungen an einer vorderen und/oder einer rückwärtigen Kante eines Kompressorflügels angeordnet sein, wie beispielhaft in 2 und 3 dargestellt ist. Sie können ebenso an einem Zwischenabschnitt eines Flügels vorgesehen sein, wie beispielhaft in 4 bis 7 dargestellt ist. Zwar ist hier ein axialer Flügel dargestellt, die Öffnungen können aber ebenso auf den Oberflächen und/oder Wanden von Zentrifugal- und/oder Radialkompressoren angeordnet sein.
Unter Bezugnahme auf 2 können Öffnungen 80 an einer aerodynamisch geformten Wand 646, die mit einer vorderen Kante 632 oder einer rückwärtigen Kante 660 des Kompressorflügels 630 verbunden ist, angeordnet sein. Zum Beispiel V-förmig oder vorzugsweise in einer stromlinienförmigeren Form. Dieses perforierte Anbauteil 646 bildet einen verteilten Fluidkontaktor, über den Kühlflüssigkeit in das umgebende Fluid abgegeben wird. Dieses perforierte Anbauteil kann einen Verteiler oder einen Verteilungskanal umfassen, durch den die Kühlflüssigkeit an die Öffnungen abgegeben wird. Es sind Schweißverfahren mit Glasfaserlaser bekannt, die derartige dünne Materialien mit Geschwindigkeiten von einem Meter pro Sekunde oder mehr schnell verschweißen können. Mehr bevorzugt kann ein perforiertes Rohr 10 zu einer dreieckigen oder stromlinienförmigen Form ausgebildet werden, um einen Fluidkanal 632 zu bilden, der mit der vorderen Kante oder der rückwärtigen Kante eines Flügels, wie schematisch in 3 und 1 dargestellt, verbunden ist.
Das Auslassende eines Glasfaserlasers kann auf das dünnwandige Rohr fokussiert sein, um kleine Öffnungen mit einer Größe oder einem mittleren Durchmesser von weniger als etwa 20 Mikron (Mikrometer) zu bohren. Diese Öffnungen werden vorzugsweise kleiner als etwa 10 Mikron, mehr bevorzugt kleiner als etwa 5 Mikron und am meisten bevorzugt kleiner als etwa 3 Mikron gebohrt. Zum Bohren derartiger kleiner Öffnungen können Laser gewählt werden, die es vermögen, die Löcher mit Verhältnissen L/D von Länge zu Durchmesser von etwa 10, vorzugsweise etwa 30, mehr bevorzugt etwa 100 und am meisten bevorzugt etwa 200 oder größer zu bohren.
Zum Beispiel ermöglichen derartige Laser zweckmäßig das Bohren von Öffnungen mit etwa 1 bis 5 Mikron in Rohre oder Kanäle mit Wanddicken im Bereich von etwa 0,1 mm bis 2 mm. Die Ausbildung von Öffnungen mit mittleren Durchmessern von etwa 3 Mikron ermöglicht vorteilhaft die Bildung von Hochdruck-Mikrostrahlen mit ähnlichen oder kleineren Tröpfchengrößen. Die Öffnungen können elliptische oder längliche Kanäle oder eine andere nicht-kreisförmige durchschnittliche Öffnungsgröße sein. In derartigen Fällen wird der hydraulische Durchmesser einer äquivalenten kreisförmigen Öffnung als durchschnittlicher Öffnungsdurchmesser verwendet.
Ferner können Öffnungen vorteilhaft, wie in den durch Bezugnahme eingeschlossenen Techniken VST.001 direkter Kontaktor und VAST.002 Trifluidreaktor beschrieben, mit unterschiedlichen Winkeln, Positionen und Abständen an derartigen vorderen Kanten gebohrt werden, um die gewünschten räumlichen Verteilungen der Mikrostrahlen in das den Flügel umgebende Fluid zu erreichen.
In Hochtemperatur-Turbinenblätter werden üblicherweise Kühllöcher gebohrt. Zum Beispiel können diese eine Länge von 37 mm oder mehr und ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von 70 aufweisen, was einen Lochdurchmesser von etwa 0,5 mm ergibt. Unter Bezugnahme auf 4 werden vorzugsweise ein oder mehrere dünne eingebettete Fluidkanäle 672 direkt in dünne Flügel, wie Kompressorstatoren und/oder Blätter, gebohrt. Diese Fluidkanäle können, sofern erforderlich, aus mehreren Richtungen gebohrt werden. Nicht gebrauchte Auslasslöcher können dann durch Schweißen, Löten oder andere Verschlussverfahren blockiert werden. Dann können sehr viel kleinere Öffnungen 80 durch die Flügeloberflächen in derartige Fluidkanäle 672 oder Verteiler gebohrt werden. Die durch diese Kanäle 672 gebildeten Fluidpassagen 672 im Flügel können dann mit größeren Kanälen oder Verteilern für die Flüssigkeitsverteilungen im Flügel, im Kompressorkanal oder im Kompressor verbunden werden.
Unter Bezugnahme auf 5 können Flügel ferner in wenigstens einem dünneren konvexen Abschnitt 632 und einem dünneren konkaven Abschnitt 634 ausgebildet sein. Dann kann in einem der Abschnitte 632 und/oder 643 unter Ausbildung von Abschnitten eines Fluidkanals 672 oder eines ähnlichen Fluidkanals oder Verteilers zum Beispiel durch ein oder mehrere Verfahren der Gruppe aus chemischem Ätzen, elektrolytischem Bohren, mechanischem Bohren oder durch anderweitige Ausbildung in einem oder beiden Flügelabschnitten ein Abschnitt eines Fluidkanals 672 ausgebildet werden. Dann wird zwischen der äußeren Oberfläche und dem Fluidkanal 672 vorzugsweise eine Mehrzahl von Öffnungen 80 ausgebildet. Zum Beispiel können Löcher durch Bohren mit Glasfaserlaser, Ätzen, EDM oder ähnlichen Ausbildungsverfahren ausgebildet werden. Die beiden Flügelabschnitte können dann mit einem Verbindungsmittel 39 zum Beispiel unter Verwendung von geeigneten Löt-, Schweiß-, Elektroschweißverfahren oder anderen geeigneten Verbindungsverfahren verbunden werden.
Derartige Verfahren ermöglichen die Ausbildung von krummlinigen Fluidkanälen 672, Kanälen und/oder Verteilern an räumlich gekrümmten Flügeln mit größeren Länge/Durchmesser-Verhältnissen als mit herkömmlichem Bohren ohne weiteres erhältlich ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf 5 besteht eine Abwandlung dieses Verfahrens zur Bildung von Fluidpassagen in der Konfiguration des Flügels mit zwei Abschnitten, die an eine andere Ebene angrenzen (nicht dargestellt). Zum Beispiel mit einem vorderen Abschnitt und einem rückwärtigen Abschnitt. Ein Abschnitt des Fluidkanals 672 kann in einem Flügelabschnitt oder beiden Flügelabschnitten ausgebildet sein. Der vordere Abschnitt und der rückwärtige Flügelabschnitt werden dann mit Verbindungen 39 miteinander verbunden. Die Öffnungen können dann durch die dünne Kante wenigstens eines Elements der Gruppe aus vorderem und rückwärtigem Flügelabschnitt in dem Fluidkanal 672 gebildet werden.
Unter Bezugnahme auf 6 können Flügelöffnungen und Verteiler durch Ausbildung eines rechteckigen Querschnitts aus einem geeigneten dünnwandigen Rohr hergestellt werden. Der Flügel kann mit einem dünnen Glasfaserlaser mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern in zwei Teilabschnitte geschnitten werden. Als Alternative kann der Flügel zu solchen Teilabschnitten ausgebildet werden. Glasfaserlaser oder ähnliche Verbindungsverfahren können dann dazu verwendet werden, das perforierte Rohr zwischen die beiden Teilabschnitte des Kompressorflügels zu fügen.
Unter Bezugnahme auf 7 kann eine vordere oder rückwärtige Kante an einem Kompressorflügel ausgebildet werden, indem eine dünne Wand zu einem krummlinigen V-förmigen Teilabschnitt oder vorzugsweise zu einer aerodynamisch geformten Flügelkante gefaltet wird. Diese kann dann mit einem Laser zugerichtet und auf ein perforiertes Rohr geschweißt werden, welches wiederum auf einen Teilabschnitt des Kompressorflügels geschweißt werden kann. Ebenso können zwei krummlinige dünnwandige Teilabschnitte ausgebildet, zugerichtet und miteinander und mit dem perforierten Rohr verbunden werden, um eine derartige vordere oder rückwärtige Flügelkante 644 zu bilden.
Die räumliche Verteilung von Öffnungen, Öffnungsgrößen und Öffnungsausrichtungen ist vorzugsweise unter Verwendung der hier beschriebenen Verfahren zusammen mit denen der eingeschlossenen Techniken konfiguriert, um gewünschte Verteilungen der Tröpfchengröße und gewünschte räumliche Verteilungen der Tröpfchen bereitzustellen. Mehrere räumliche Verteilungen, die entlang und quer zu krummlinigen Strömungsflüssen angeordnet sind, werden insbesondere so konfiguriert, dass sie Verdampfungsraten und Raten fühlbarer Kühlung proportional zur fortschreitenden Kompressionserwärmung des gasförmigen Fluids bereitstellen.
Aufnahme gekühlter Kompressorflüsse: Die Verdampfung des Wassers oder des verdampfbaren Kühlfluids führt nominell zu einem Anstieg des molaren Flusses und des Volumenflusses. Die bereitgestellte Verdampfungskühlung senkt jedoch die Kompressionserwärmung und den entsprechenden Anstieg der Temperatur des komprimierten gasförmigen Fluids. Dadurch wird wiederum die Volumenflussrate des komprimierten gasförmigen Fluids gesenkt und der Massenflusses erhöht.
Dieser reduzierte Volumenfluss, diese erhöhte Dichte, dieser größere Massenflusses und dieser erhöhte Kompressordruck verändern die relativen Geschwindigkeiten des Flusses im Verhältnis zum Kompressorblatt innerhalb des Kompressors. Diese Parameter werden vorzugsweise als krummlinige axiale Verteilungen und als Veränderungsraten konfiguriert. Zum Beispiel der Fluidflussraten, der Fluidkompressionsraten, der fortschreitenden Kühlmittelflüsse, der Verdampfungsraten und der Raten fühlbarer Kühlung, der Raten des Druckanstieg, der Raten des Temperaturanstieg usw.
In einigen Ausführungsformen bleibt der Gegendruck an der Kompressorvorrichtung nominell unverändert oder die nachgeordneten Bauteile werden für den Kompressor konfiguriert. In derartigen Konfigurationen wird der Kompressor vorzugsweise entsprechend dieser Änderungen von Temperatur, Dichte und Volumenfluss umkonfiguriert.
Unter Bezugnahme auf 8 ist schematisch ein Kompressor mit sechs Stufen ST1 bis ST6 mit einem nachgeordneten Begradigungsstator S dargestellt. Diese weisen im Kompressorkanal 130 sechs stationäre Flügel S1 bis S6 auf. Sie weisen ferner sechs rotierende Flügel R1 bis R6 auf, die an Naben oder Scheiben 628 an der Kompressorachse eingebaut sind.
Die Querschnittsfläche des Kompressors ist schematisch so dargestellt, dass sie von Kompressorstufe zu Kompressorstufe entlang einer krummlinigen Richtung des Strömungsflusses vom Einlass 134 zum Auslass 135 entlang der äußeren Wand 132 des Kanals fortschreitend kleiner wird. Damit wird der Verringerung des spezifischen Fluidvolumens des Einlassflusses 904 mit zunehmendem Druck unter fortschreitender Verdampfung der Kühlflüssigkeit oder Nasskompression Rechnung getragen.
Eine derartige Umkonfiguration des Kanals berücksichtigt vorzugsweise auch die Veränderung der molaren Zusammensetzung und des mittleren Molekulargewichts des gasförmigen Fluids mit größer werdender Fraktion an Kühlmitteldampf und die entsprechende Veränderung der spezifischen Wärme bei konstantem Druck cp. Diese wiederum beeinflussen das Wärmekapazitätsverhältnis gamma (cp/cv). Dem nicht-ideale Verhalten feuchter komprimierter Gase wird vorzugsweise durch Verwendung von Echtgaseigenschaften und Modellen Rechnung getragen, die Veränderungen der Kompressibilität usw. in Abhängigkeit von Zusammensetzung, Temperatur und Druck berücksichtigen.
Dann wird eine Analyse des mittleren Linienflusses durchgeführt, um Veränderungen von Fluidmasse, Zusammensetzung, Wärmekapazität, spezifischer Wärmekapazität, Temperatur, Dichte und molarem spezifischem Volumen entlang des Kompressionsflussweges zu bestimmen. Vorzugsweise werden auch Veränderungen der Enthalpie aufgrund von Veränderungen der Enthalpie des Kühlmittelfluids in Strömungsrichtung bestimmt. Zum Beispiel bei Änderungen der Temperatur und/oder des Drucks des Wassers oder anderer Kühlmittelfluide. Bei diesen Verfahren können Schriften, wie Gas Turbine Performance von Walsh and Fletcher 2004 und/oder im Handel erhältliche Software, wie Thermoflex von Thermoflow, Sudbury, MA, USA, oder IPSEPro von SimTech Simulation Technology, Graz, Österreich, zur Anwendung kommen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 8 sieht eine andere Ausführungsform mit existierenden Kompressoren eine Nachrüstung des Kompressors durch zusätzlichen Einbau von Flussverengern 682 zwischen den Statoren S1 bis S6 und dem Begradiger S um die Wand des Kom pressorkanals vor, um die Querschnittsfläche des gasförmigen Flusses zu verkleinern. Die Flussverenger 682 verkleinern fortschreitend die Querschnittsdurchflussfläche bei der Nasskompression bezogen auf die äquivalente Durchflussfläche bei Trockenkompression mit zunehmender Kompression entlang des Strömungsflussweges. Eine derartige Nachrüstung kann eine Zwischenlösung bis zur Neubemessung des gesamten Kompressors mit der damit verbundenen neuen Herstellung bieten.
Konfiguration der gekühlten Nasskompression mit nachgeordneter Verengung: Einige Ausführungsformen weisen eine nachgeordnete Verengung auf, bei der die Durchflussfläche unverändert bleibt. Zum Beispiel die Verengung am Einlass einer Gasturbine, deren Halsfläche zwischen den Einlassschaufeln gleich bleibt und häufig zugesetzt ist. Bei bekannten Techniken wird der Turbineneinlass aufgrund des größeren Massenflusses von Kühlfluid durch eine nachgeordnete Turbine oder eine ähnliche Verengung des Fluidflusses näher an den zugesetzten Fluss gerückt und erhöht den Druck stromaufwärts von dieser Verengung. Dadurch wird der Betriebsdruck der Turbine erhöht.
Dieser Druckanstieg verursacht eine wesentliche Abweichung des Kompressors von den Bemessungswerten, wodurch der Wirkungsgrad des Kompressors verringert und die Sicherheitstoleranz gegenüber Höchstwerten für plötzlichen Druckanstieg und Zusetzen des Kompressors verkleinert wird. Derartige Veränderungen begrenzen die Menge an Overspray in der Regel auf etwa 1,5 % bis 2 % des Flusses der zu komprimierenden Luft oder des zu komprimierenden gasförmigen Fluids.
Dank der hier beschriebenen größeren Verdampfungskühlung und des Kühl-Oversprays ist das Kompressionsverfahren vorzugsweise derart konfiguriert und/oder gesteuert, dass die Veränderungen in Strömungsrichtung des molaren spezifischen Volumens in Strömungsrichtung entlang des Kompressionsflussweges sowie durch die nachgeordnete Verengung berücksichtigt werden.
Unter Bezugnahme auf 9 mit neuen Kompressoren wird die Durchflussfläche des Kompressors gegenüber der in 8 dargestellten Ausführungsform vorzugsweise weiter verkleinert. Wie zuvor wird die axiale Verteilung des Querschnitts des Flussweges im Kompressor mit zunehmendem Abstand entlang der Strömungsrichtung (zum Beispiel mit zunehmender Kompressorstufe) oder kumulativem Druckverhältnis BETA im Vergleich zu der Konfiguration bei Trockenkompression fortschreitend verkleinert.
Bei einigen Konfigurationen kommt zusätzlich verdampfbare Flüssigkeit oder Verdünnungsmittel zum Einsatz, die bzw. das dem Kompressor nachgeordnet und der nachgeordneten Flussverengung vorgeordnet abgegeben und verdampft wird. Zum Beispiel mittels nasser oder verdünnter Verbrennung. Dieses Wasser oder Verdünnungsmittel verdrängt überflüssige Luft oder ähnliches verdünntes gasförmiges Fluid 904, das zu komprimieren ist. Die Kühlflüssigkeit, die der Flussverengung vorgeordnet abgegeben wird, führte zu weiteren Verkleinerungen der Querschnittsfläche der Kompressorstufen S1 bis S6 proportional zur Verringerung des Flusses von Luft oder ähnlichem gasförmigem Fluid 904.
Unter erneuter Bezugnahme auf 9 können existierende Kompressoren durch Konfiguration von Flussverengern 682 zwischen Statorflügeln S1 bis S6 und Begradiger S nachgerüstet werden, um die Querschnittsdurchflussfläche des Flusses 904 innerhalb der Kompressionsstufen mit der Strömungsflussrichtung vom Einlass 134 zum Auslass 136 fortschreitend zu verkleinern. Diese sind mit den Rotorflügeln R1 bis R6 verzahnt. Ebenso kann ein äußerer Flussverenger 684 für den Einlass in der Nähe des äußeren Kanalumfangs 132 im Kompressoreinlass angeordnet sein.
Unter Bezugnahme auf 10 sind in einigen Ausführungsformen sowohl die inneren als auch die äußeren Wände des Kompressorkanals vorzugsweise umkonfiguriert, um die hier gelehrte fortschreitende Nasskompression durchzuführen. Ebenso können Flussverenger 682 und 686 sowohl an der äußeren Wand 132 des Kompressorkanals als auch an der inneren Nabe 626 existierender Kompressoren angeordnet sein. Diese sind vorzugsweise zwischen den Statoren S1 bis S6 angeordnet und sind mit Rotorflügeln R1 bis R6 verzahnt.
Im Ansaugkanal kann ein innerer Flussverenger 688 an der Rotornabe vorgesehen sein. Im Ansaugkanal kann ein äußerer Flussverenger 684 an der äußeren Kanalwand vorgesehen sein. Ähnliche Flussverenger können zwischen Rotorstufen an der Nabe 628 angeordnet sein, zum Beispiel zwischen den Statorflügeln in einer Stufe angeordnet sein. Durch die Bereitstellung von sowohl äußeren Flussverengern 682 als auch inneren Flussverenger 688 wird eine Verringerung der ausgebreiteten Änderungen der Flussrichtung nahe der Blattnabe und die hohe Geschwindigkeit nahe der Blattspitze gefördert.
Außerdem können die Blätter an der Spitze in einigen Ausführungsformen abgeschnitten und ähnliche Flussverenger um die Blattspitzen angebracht sein. Dadurch wird ein gleichmäßigerer Fluss von Stufe zu Stufe entlang des äußeren Umfangs des Kompressorkanals bereitgestellt.
Unter Bezugnahme auf 11 umfasst eine andere Ausführung vorzugsweise rotierbare Einlassstaturen oder Leitschaufeln, wie schematisch für die Einstellung des Angriffswinkels von vorgeordneten oder Einlass-Leitschaufeln (oder beweglichen Statoren) S1, S2 und S3 in den Stufen ST1, ST2 und ST3 dargestellt. Der Kompressor weist verzahnte Rotorflügel R1, R2 und R3 in Stufe ST1, ST2 bzw. ST3 auf. Der Angriffswinkel dieser Einlass-Leitschaufeln S1, S2 und S3 wird vorzugsweise unter Verwendung verstellbarer Statorsteuergeräte 692 eingestellt. Dadurch wird die fortschreitende relative Verkleinerung der Durchflussfläche des Kompressors mit der Strömungsrichtung vom Einlass 134 zum Auslass 136 fortschreitend verkleinert.
Eine derartige Steuerung der Leitschaufeln wird vorzugsweise durch eine Verkürzung des nachgeordneten Kompressorweges ergänzt. Ebenso können existierende Kompressoren unter Verwendung von äußeren Flussverengern 682 und/oder inneren Flussverengern 686 nachgerüstet werden, um die Querschnittsdurchflussfläche nachgeordneter Kompressorstufen fortschreitend zu verkleinern. Die axiale Verteilung der Querschnittsfläche des Kompressors kann weiter durch den zusätzlichen Einbau von inneren Flussverengern 686 und fakultativ einem inneren Flussverenger 688 am Einlass angepasst werden, um den Fluss in der Nähe des Kompressoreinlasses 134 zu verringern.
Unter erneuter Bezugnahme auf 11 kann die innere Kanalwand an Nabe oder Scheibe umkonfiguriert werden, um die Kompressorfläche fortschreitend zu verkleinern. Ebenso können, wie für die Ausführungsformen in 10 beschrieben, weitere innere Flussverenger 686 an der inneren Nabe zwischen den Statoren vorgesehen sein. Derartige Flussverenger können ebenso zwischen Rotorblättern an der Nabe angeordnet sein. (Nicht dargestellt.)
Unter Bezugnahme auf 12 können einige Ausführungsformen rotierbare oder einstellbare Einlassstatoren oder Leitschaufeln 690 in den meisten oder allen Kompressorstufen aufweisen. Zum Beispiel wie schematisch für die Stufen eins bis sechs, ST1 bis ST6, mit Statoren S1 bis S6, Rotorblättern R1 bis R6 und Begradiger S dargestellt. Wie zuvor wird der Angriffswinkel an diesen einstellbaren Einlass-Leitschaufeln vorzugsweise derart fortschreitend eingestellt, dass die Querschnittsdurchflussfläche und das kumulative Druckverhältnis BETA in Strömungsflussrichtung wie hier beschrieben von Stufe zu Stufe verkleinert werden. Zum Beispiel beim Fluss 904 vom Einlass 134 bis zum Auslass 136.
Einige Ausführungsformen können eine nachgeordnete Flussverengung und fakultativ dem Kompressor nachgeordnet und der Flussverengung vorgeordnet weitere Flüssigkeitsabgabe und Verdampfung aufweisen. Unter erneuter Bezugnahme auf 12 können in einigen Konfigurationen weitere Flussverenger 686 an der Nabe zwischen den Statoren angeordnet sein, wie dies schematisch für die Statoren S1 bis S6 und dem Begradigungsstator S am Auslass 136 dargestellt ist. Ein weiterer Verenger 688 kann an der Rotornabe am Einlasskanal 134 verwendet werden. Diese können dazu verwendet werden, eine solche weitere Minderung des gasförmigen Fluids aufzunehmen, die aufgrund des flüssigen Kühlmittels oder der Verdünnungsmittelverdampfung stromabwärts wünschenswert ist.
Kühlung von Zentrifugalrotoren: Unter Bezugnahme auf 16 kann in einigen Ausführungsformen eine ähnliche Flüssigkeitskühlung durch Verdampfung von zu komprimierenden gasförmigen Flüssen mittels Zentrifugalkompressoren verwendet werden. In derartigen Ausführungsformen kann ein stromlinienförmiger perforierter direkter Kontaktor 10 quer zum Kompressoreinlass 134 eines Zentrifugalkompressors angeordnet sein. Dadurch wird verdampfbares flüssiges Kühlmittel vor dem Zentrifugalrotor 620 verteilt. Die Flüssigkeitströpfchen stellen vorzugsweise ein Overspray bereit, das in die Kompressionsflusspassage des Kompressorrotors 620 mitgerissen wird. Weitere Öffnungen können entlang der Kanalwand 610 angeordnet sein, um weitere Kühlflüssigkeit an den Fluss abzugeben.
Ebenso leitet ein Verteiler 240 vorzugsweise Kühlflüssigkeit durch die Kompressorwand 650. Dadurch wird ein stromlinienförmiger direkter Kontaktor 10, der vorzugsweise quer zum Diffusorkanal angeordnet ist, der dem Zentrifugalrotor 620 nachgeordnet ist, mit Kühlfluid versorgt. Dieser Kontaktor verteilt Flüssigkeitströpfchen über den wärmeren komprimierten Fluss, um diesen im Diffusor zu kühlen. Das gekühlte komprimierte Fluid tritt dann am Diffusorausgang 135 aus. Dieser gekühlte komprimierte Fluss kann ebenso zu anschließenden Kompressionsrotoren geführt werden.
Kühlfluid kann ebenso durch einen Verteiler 246 in den Zentrifugalrotor 620 geführt werden. Dadurch wird Kühlfluid vorzugsweise zur Rotoransaugwand 632 geführt, wo es vorzugsweise durch zahlreiche Öffnungen in das zu komprimierende gasförmige Fluid abgegeben wird. Die Rotorwand 632 ist vorzugsweise derart umkonfiguriert, dass die Querschnittsfläche des Kanals proportional zu dem verringerten Volumenfluss des gekühlten Fluids bezogen auf den herkömmlichen Volumenfluss des Fluids bei trockener gasförmiger Kompression fortschreitend verkleinert ist.
Akustische Dämpfung der Tröpfchen: Das Verfahren zur Abgabe zahlreicher Kühlflüssigkeitströpfchen innerhalb des gasförmigen Fluids stellt eine akustische Trägheitsdämpfung der inneren Reibung bereit. Der Grund hierfür ist der Strömungswiderstand gegen die Tröpfchenbewegung aufgrund der relativen Bewegung zwischen gasförmigem Fluid und Kühlflüssigkeit, wodurch das gasförmige Fluid einer Flüssigkeitsdämpfung ausgesetzt ist. Die Konfiguration der Kompressorvorrichtung für eine zunehmende Abgabe von Kühlflüssigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erhöht die Flüssigkeitsdämpfung von Lärm im gasförmigen Fluid. Zum Beispiel durch Erhöhung des kumulativen Wassersprühnebels von weniger als 2 Massen-% auf mehr als 4 Massen-% bezogen auf den Luftstrom. Die fortschreitende Kühlung ist vorzugsweise so konfiguriert, dass mehr als 6 Massen-% bezogen auf den Luftstrom und mehr bevorzugt 8 Massen-% bezogen auf den Luftstrom oder mehr für ein kumulatives Druckverhältnis BETA von 20 abgegeben werden. Eine solche fortschreitende Nasskompression ermöglicht voraussichtlich in dieser Konfiguration eine Schalldämpfung um mindestens 2 dB.
Overspray-Senkung von Kompressorgeräusch: Die hier bereitgestellten Verfahren für die Nasskompression mit fortschreitendem Overspray reduzieren außerdem akustischen Lärm, der innerhalb der Kompressoren erzeugt wird, mittels Trägheitsdämpfung der inneren Reibung. In einigen Konfigurationen ist die Menge an Overspray vorzugsweise derart konfiguriert, dass das gewünschte Ausmaß an Schalldämpfung erhöht oder eingestellt wird. Die Menge an fortschreitendem Overspray kann bei einem BETA von 20 von etwa 0,1 Massen-% auf etwa 5 Massen-% bezogen auf das gasförmige Fluid eingestellt werden. Der fortschreitende Overspray ist vorzugsweise so eingestellt, dass er im Bereich 1-3 Massen-% bezogen auf das gasförmige Fluid liegt. Die durch eine derartige Nasskompression erzielte Schalldämpfung erzielt voraussichtlich eine Schalldämpfung von zusätzlich mindestens 1 dB im Vergleich zur sättigenden Nasskompression, das heiß, in dieser Konfiguration mit einem fortschreitenden Overspray bei demselben Druckverhältnis BETA und demselben Fluss des gasförmigen Fluids wird wahrscheinlich eine Schalldämpfung von mindestens 3 dB mehr erreicht als mit der bekannten äquivalenten Trockenkompression.
Abgaberaten des Kühlfluids: Zur Bereitstellung der Vorteile der Verdampfungskühlung und/oder der Schalldämpfung von Kompressorgeräusch ist das Abgabesystem für die Kühlflüssigkeit vorzugsweise derart konfiguriert, dass Kühlflüssigkeit näherungsweise bis zur Sättigung abgegeben wird, um Kühlung durch direkten Kontakt bereitzustellen und/oder eine Dämpfung der inneren Reibung bereitzustellen.
Bei der Konfiguration der stromaufwärts gelegenen Abschnitte der Nasskompressionsvorrichtung wird vorzugsweise ein fortschreitender Overspray bereitgestellt, um die Sättigung des Flusses zu fördern. Dieser umfasst zu Beginn vorzugsweise etwa 250 % bis 500 % der theoretischen Verdampfungsrate pro Stufe. Zum Beispiel 2 % bis 3 % Overspray bei einer Verdampfungsrate von 0,6 %/Stufe W/L. In nachfolgenden Stufen kann dieser etwa 125 % bis 250 % der theoretischen Verdampfungsrate pro Stufe umfassen. Zum Beispiel 1 % bis 2 % Overspray bei einer Verdampfungsrate von 0,7 %/Stufe W/L. Weiter stromabwärts kann dieser Overspray etwa 100 % bis 150 % der Verdampfungsrate umfassen. Zum Beispiel 1 % bis 1,5 % Overspray bei einer Verdampfungsrate von 0,7 bis 1 %/Stufe W/L.
Wenn in der Vorrichtung mit fortschreitender Nasskompression niedrigere Sättigungsgrade erwünscht sind, kann die Menge an Kühlflüssigkeit, die pro Stufe abgegeben wird, wenigstens etwa 40 % und vorzugsweise wenigstens etwa 60 % der theoretischen Menge, die in der Stufe verdampfbar ist, betragen. Mehr bevorzugt beträgt das pro Stufe abgegebene Kühlmittel wenigstens etwa 90 % der theoretischen Verdampfungsmenge oder mehr. Zum Beispiel in nachgeordneten Stufen, in denen ein Rest-Overspray aus vorgeordneten Stufen mitgerissen ist, und/oder wenn am Kompressorauslass nur wenig Overspray erwünscht ist. Diese Bereiche können kombiniert werden. Zum Beispiel von 40 % bis 500 % der theoretischen Verdampfungsrate pro Stufe.
Mehr bevorzugt sind die am Flügel konfigurierten Öffnungen derart konfiguriert, dass die Abgaberate des Kühlfluids entlang der krummlinigen Richtung quer zum Strömungsfluss konfiguriert wird. Zum Beispiel entlang einer radialen Richtung entlang des Flügels. Kühlfluid wird vorzugsweise in einem Massenflussverhältnis zum gasförmigen Fluid abgegeben. Transversale Verteilungen des oberen und unteren Grenzwerts des Massenflussverhältnisses von Kühlflüssigkeit zu gasförmigem Fluid sind vorzugsweise zusammen mit der krummlinigen transversalen Richtung vorgegeben. Das Kühlfluid wird vorzugsweise mit einem Massenflussverhältnis von Kühlflüssigkeit zu gasförmigem Fluid innerhalb des oberen und unteren Grenzwerts entlang der krummlinigen transversalen Richtung abgegeben. Zum Beispiel zwischen 90 % und 110 % der theoretischen Verdampfungsrate.
Skalieren der akustischen Schalldämpfung: Da Lärm von Kompressorstufen erzeugt wird, sind die Abgaberaten für das schalldämpfende Fluid, die in diesen Konfigurationen beschrieben sind, vorzugsweise in etwa dem Verhältnis zu dem natürlichen Logarithmus des kumulativen Druckverhältnisses BETA des gasförmigen Fluids, "LN BETA", für andere Druckverhältnisses skaliert. Die beschriebene Abgabe des schalldämpfenden Fluids ist vorzugsweise mit etwa dem durchschnittlichen Massenflussverhältnis F des nicht verdampften Kühlflüssigkeitsnebels, der von dem zu komprimierenden gasförmigen Fluid umgeben ist, zu der Masse des umgebenden Flusses des gasförmigen Fluids skaliert. Zum Beispiel führt eine Reduzierung um 2 dB bei einem BETA von 20 und einem durchschnittlichen Massenflussverhältnis F Flüssigkeit zu Gas von 0,10 zu einer Schalldämpfung von wenigstens etwa 1 dB multipliziert mit dem Produkt von (Massenflussverhältnis F multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus von BETA), das heißt1 dB·(0,10·2) = 2 dB.
Die Erzeugung von akustischem Lärm kann durch die Reduzierung des Flusses des gasförmigen Fluids weiter reduziert werden. Bei Lärm erfolgt wahrscheinlich eine Skalierung entsprechend des Anteils des Lärms, der auf die Kompressorstufen zurückzuführen ist, am gesamten vom Kompressor erzeugten Lärm. Zum Beispiel kann die akustische Schalldämpfung proportional zu etwa 67 % der Verringerung des Massenflussverhältnisses des gasförmigen Fluids sein. Somit wird angenommen, dass eine etwa 50%ige Verringerung des Flusses des gasförmigen Fluids durch Abgabe eines schalldampfenden Flüssigkeitsnebels die Schalldämpfung um wenigstens etwa 2 dB reduziert.
Öffnungen für Kühlsprühnebel mit akustischer Kanalauskleidung: Unter Bezugnahme auf 16 kann die akustische Schalldämpfung, die durch diese Kühlflüssigkeitsflüsse bereitgestellt wird, mit einer oder mehreren Schalldämpfungskomponenten kombiniert werden. Die Tröpfchenabgabe bei der fortschreitenden Nasskompression wird zum Beispiel vorzugsweise zusammen mit einer passiven akustischen Schalldämpfung 650 an einer oder mehreren Positionen stromaufwärts, stromabwärts und/oder entlang des Zentrifugalrotors 620 bereitgestellt. Verteiler für Kühlfluid und Öffnungen für Flüssigkeitssprühnebel sind vorzugsweise mit derartigen Dämpfern 650 konfiguriert, um die Abgabe von Kühlfluid in das zu komprimierende gasförmige Fluid zu erleichtern. Bekannte akustische Schalldämpfung kann eine Reduzierung des Lärms um 5 dB bis 13 dB bereitstellen.
Reduzierung der flussbedingten Geräuscherzeugung: Die Geräuscherzeugung ist abhängig von dem Massenfluss, der relativen Geschwindigkeit und der Turbulenz des Flusses. Die Kühlung des Fluids mit verdampfbarem Verdünnungsmittel senkt vorteilhaft die Temperatur des Fluids und entsprechend dessen Volumen und die Geräuscherzeugung. Die Bereitstellung einer Nasskompression, die die absolute Temperatur am Kompressorauslass bei einem Massenanstieg von 8 % um etwa 40 % senkt, zeigt eine Verringerung des durchschnittlichen Durchflussvolumens im Kompressor von etwa 17 % auf 83 % der Flüsse bei der Trockenkompression an. Diese Reduzierung des Flusses führt voraussichtlich zu einer Schalldämpfung des Flusses von etwa 0,8 dB für.
In einigen Konfigurationen sind dem fortschreitenden Nasskompressor vorzugsweise ein Diffusor und ein System für die verdünnte Verbrennung oder ein anderes Reaktorsystem nachgeordnet. Der Diffusor und die Brennkammer oder das Reaktorsystem sind ferner so konfiguriert, dass sie der Kompressorvorrichtung nachgeordnet ausreichend Kühlflüssigkeit in das gasförmige Fluid abgeben, um stromabwärts von dem nachgeordneten Reaktor einen wenigstens 80%igen Sättigungsgrad des Reaktionsproduktfluids zu erreichen. Mehr bevorzugt sind sie so konfiguriert, dass sie bis zu 100 % des überschüssigen gasförmigen Fluids, das in der Brennkammer oder dem Reaktor als Verdünnungsmittel verwendet wurde, verdrängen können.
Zur Verdünnung des zu komprimierenden fluiden Reaktionsmittels oder Co-Reaktionsmittels für die verdünnte Verbrennung oder Reaktion wird vorzugsweise die fortschreitende Nasskompression verwendet. Zum Beispiel ein Reaktionsmittel wie ein gasförmiger Kraftstoff oder ein Co-Reaktionsmittel wie ein Oxidationsmittel oder Luft. Die Temperatursenkung des gasförmigen Fluids durch die Kühlflüssigkeit und/oder der zusätzliche Massenfluss an Ver dünnungsmittel im Kompressor senkt die für die nachgeordnete Verbrennung erforderliche Kühlung. Weiteres flüssiges Verdünnungsmittel kann im Kompressor nachgeordnet abgegeben werden. Die nachgeordnete Abgabe von flüssigem Verdünnungsmittel stromaufwärts und/oder stromabwärts vom Kompressorauslass wird vorzugsweise zur Steuerung des Verdünnungsgrads und/oder der Kühlung der nachgeordneten Verbrennung oder Reaktion und folglich der Abgabetemperatur des energiehaltigen Fluids mit Reaktionsprodukten, das aus der Brennkammer oder dem Reaktor austritt, verwendet.
Diese Maßnahmen reduzieren vorteilhaft den Überschuss an Verdünnungsmittel im zu komprimierenden Fluss von Reaktionsmittel und/oder Co-Reaktionsmittel, das herkömmlich zu Verdünnung und/oder Kühlung der Verbrennung und/oder Reaktion verwendet wird. Zum Beispiel die überschüssige Luft oder überschüssigen gasförmigen Kraftstoff. Demzufolge verringert eine solche fortschreitende Verbrennung und/oder verdünnte Reaktion das Durchflussvolumen im Kompressor, die Kompressor Größe und die damit verbundene Geräuscherzeugung.
Mehr bevorzugt wird weiteres Verdünnungsmittel durch einen oder mehrere direkte Kontaktoren mit zahlreichen Öffnungen abgegeben, die an einer oder mehreren Positionen stromaufwärts von Kompressor, zwischen Kompressoren, stromabwärts vom Kompressorauslass, in einem nachgeordneten Diffusor und/oder in einer nachgeordneten Brennkammer konfiguriert sind. Diese direkten Kontaktoren sind vorzugsweise unter Verwendung einer oder mehrerer der Techniken VAST.001 verteilte Kontaktoren und VAST.002 Trifluidreaktor, die durch Bezugnahme eingeschlossen sind, konfiguriert. Durch derartige Maßnahmen werden vorzugsweise weitere Reduzierungen des Überschusses an verdünntem Oxidationsmittelfluss mit sich daraus ergebender Verringerung des zu komprimierenden Oxidationsmittelflusses bereitgestellt, indem die Brennkammer mehr und mehr mit einer stöchiometrischen Verbrennung betrieben wird.
Durch den Betrieb mit einer praktisch stöchiometrischen Verbrennung können derartige Verfahren den Gesamtfluss an fluidem Oxidationsmittel und demzufolge die Geräuscherzeugung im Kompressor abhängig von der gewünschten Temperatur am Brennkammerauslass um etwa 65 % bis 85 % oder mehr senken. In derartigen Konfigurationen ist die als Verdünnungsmittel stromabwärts in der Kompressorvorrichtung abgegebene Kühlflüssigkeit vorzugsweise mehr als die Kühlflüssigkeit, die in der Kompressorvorrichtung abgegeben wird. Zum Beispiel kann das gesamte Verhältnis Wasser zu Luft in der Brennkammer im Bereich von 25 % bis 60 % oder mehr liegen. Derartige Veränderungen des Oxidationsmittelflusses und der Kom pressorgröße reduzieren die flussbedingte Geräuscherzeugung im Kompressor wahrscheinlich um 4,5 dB bis 8,2 dB oder mehr.
Die Konfiguration der Kompressorvorrichtung unter Berücksichtigung eines oder mehrerer dieser Faktoren führt zu wesentlichen Veränderungen des Massenflusses des gasförmigen Fluids und von Turbulenzen innerhalb des Kompressors, wodurch wiederum die Bruttogeräuscherzeugung reduziert wird. In Kombinationen mit der Trägheitsdämpfung der inneren Reibung aufgrund der fortschreitenden Nasskompression beträgt die Gesamtreduzierung von Kompressorgeräusch aufgrund der Nasskompression mit nasser Verbrennung wahrscheinlich wenigstens 5 dB und vorzugsweise mehr als 10 dB.
Druckverhältnis und Temperaturstörungstoleranz: Kompressoren sind in der Regel durch Zwischenräume zwischen Rotor und Gehäuse begrenzt, die von Toleranzen und unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischen Stillstand und Betrieb mit Bemessungswerten bestimmt werden. Die fortschreitende Nasskompression verringert den Temperaturanstieg des Fluids verglichen mit der Trockenkompression. Dadurch wird die Schwierigkeit der betrieblichen Aufgabe gemildert, bei Veränderungen der Betriebstemperatur zwischen Druck und Temperatur bei Stillstand und unter Volllast und bei Veränderungen des Einlassflusses oder der Umgebungstemperatur die Toleranzen zwischen Rotor und Gehäuse aufrechtzuerhalten.
Die in Tabelle 1 und Tabelle 2 dargestellte Konfiguration der fortschreitenden Nasskompression mit kühlem Overspray verringert den Temperaturanstieg auf etwa 26,4 % des Temperaturanstiegs bei Trockenkompression. Diese Nasskompressionskonfiguration ergab eine mindestens 30%ige fortschreitende Sättigung durch die verdampfbare Flüssigkeit in dem gasförmigen Fluid, nominell eine Sättigung von etwa 100 %, und ein Overspray von etwa 2 %.
Derartige Konfigurationen ermöglichen potenziell eine Erhöhung des BETA-Toleranzverhältnisses BT des natürlichen Logarithmus des kumulativen Druckverhältnisses BETA, "LN BETA," zur relativen Rotorstörungstoleranz. Die relative Rotorstörungstoleranz ist hier der Spalt zwischen Rotor und Kanal bei Betriebsgeschwindigkeit dividiert mit dem Rotorradius. Das Verhältnis BT kann durch eine beliebige Kombinationen aus Reduzieren der relativen Störungstoleranz, Hinzufügen von mehr Kompressorstufen und/oder Erhöhen des Kompressionsverhältnisses von einer oder mehreren Stufen erhöht werden.
Zum Beispiel nominell durch Verringern der Temperaturstörungstoleranz um bis zu etwa 73 % und/oder Erhöhen von LN BETA um bis zu etwa 377 %. (zum Beispiel bis bei nominel ler Annahme von Temperaturanstiegen mit etwa LN BETA die dieselbe relative Veränderung des Spalts zwischen Flügel und Kanal aufgrund der Erhöhung der Gastemperatur erreicht wird wie bei der Trockenkompression.)
In einigen Konfigurationen kann eine derartige fortschreitende Nasskompression bei ähnlichen einschlägigen bekannten Herstellungstechniken, das heißt bei denselben relativen Rotorstörungstoleranzen und Drehzahlen, die bei bekannter einschlägiger Trockenkompression verwendet werden, und mit entsprechenden Anstiegen des Bemessungsdrucks im Kompressorkanal, falls für die Bemessungssicherheit erforderlich, zur Erhöhung des BETA-Toleranzverhältnisses BT um vorzugsweise wenigstens etwa 30 %, mehr bevorzugt um etwa 100 %, noch mehr bevorzugt um etwa 300 %, im Vergleich zur äquivalenten Trockenkompressionstechnik verwendet werden. Die Reduzierung der Toleranz verbessert den Wirkungsgrad des Kompressors. Eine derartige fortschreitende Wasserkühlung verspricht eine wesentliche Senkung der Kapital- und Betriebskosten des Kompressors.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist offensichtlich, dass ein neuer Ansatz zum Kühlen gasförmiger Fluide während der Kompression unter Verwendung eines oder mehrerer der hier beschriebenen Verfahren offenbart ist. Die Bauteile, Techniken und anderen Aspekte der Erfindung wurden zwar mit einem gewissen Grad an Ausführlichkeit beschrieben, es ist jedoch offensichtlich, dass bei den vorstehend beschriebenen spezifischen Entwürfen, Konstruktionen und Methodologie zahlreiche Änderungen vorgenommen werden können, ohne dadurch vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen.
Sind spezifische Parameter, wie Fluidflussraten, Fluideigenschaften, Temperaturen und Kompressorverhältnisse angegeben, sind diese im Allgemeinen zu Veranschaulichung und nicht als Vorgabe angegeben. Für Fachleute der mechanischen und chemischen Verfahrenstechnik ist es natürlich offensichtlich, dass andere geeignete Bauteile und Konfigurationen in Übereinstimmung mit der Art der verwendeten Turbopumpe, für die spezifische Durchflösse, Druckverhältnisse, Temperaturen und Zusammensetzungen erwünscht sind, erfolgreich verwendet werden können. Geeignete Bauteile und Konfigurationen können je nach Bedarf und Wunsch unter sorgfältiger Berücksichtigung der Ziele, einen oder mehrere der hier gelehrten oder vorgeschlagenen Vorteile und Vorzüge zu erreichen, verwendet werden.
Sind spezifische Bauteile einer typischen Vorrichtung für die Fluidkompression oder Energieerzeugung beschrieben, können verschiedene Vorrichtungsbauteile verwendet werden, mit der Maßgabe, dass diese dazu dienen, die geeignete Fluidvermischung und Kompression gemäß dem hier beschriebenen neuen Ansatz zu erreichen. Wurden die Begriffe gasförmiges Fluid, Kühlflüssigkeit, Kraftstoff, Kohlenwasserstoff, Verdünnungsmittel, Kühlmittel, Wasser, Luft, Sauerstoff, Oxidationsmittel, Reaktionsmittel oder Co-Reaktionsmittel verwendet, sind die Verfahren im Allgemeinen auch auf andere Kombinationen dieser Fluide oder auf andere Kombinationen anderer reaktiver, verdünnender und kühlender Fluide anwendbar. Wird verdampfbare Kühlflüssigkeit, gasförmiges Fluid oder komprimiertes gasförmiges Fluid verwendet, können verschiedene andere reaktive, umgesetzte, kühlenden oder verdünnende Fluide verwendet werden, möglicherweise einschließlich erhöhter Temperaturen und/oder erhöhter Drücke. Wird ein Kompressor gezeigt, können zwei oder mehr Kompressionsstufen verwendet werden und die Abgabe von Wasser und/oder Dampf kann vor oder zwischen diesen zum Kühlen des komprimierten Fluids und zur Verringerung der Arbeit verwendet werden.
Sind mehrere Fluidabgabe- und/oder Axialkompressionsstufen oder -bereiche gezeigt, können eine oder mehrere Kombinationen aus derartigen Fluidabgabe- und/oder Axial-, Radial- und/oder Zentrifugalkompressionsstufen erfolgreich verwendet werden. Verfahren können für andere Turbopumpe, wie Turbinen, verwendet werden. Sind Zusammenbauverfahren oder eine bestimmte Folge von Systembauteilen beschrieben, können verschiedene alternative Zusammenbauverfahren und Folgen erfolgreich verwendet werden, um Konfigurationen zum Erreichen der Vorteile und Vorzüge eines oder mehrerer der hier gelehrten oder vorgeschlagenen Ausführungsformen zu erhalten.
Ähnliche Methoden können zum Komprimieren von Luft oder anderen gasförmigen Fluiden auf andere Kompressionsverhältnisse verwendet werden. Zum Beispiel können diese von Turboladern mit typischen Kompressionsverhältnissen von etwa 2 bis 3 zu Mikroturbinenkompressoren mit typischen Kompressionsverhältnissen von etwa 4 bis 7 zu kleinen Kompressoren mit typischen Kompressionsverhältnissen von etwa 8 bis 19 zu mittelgroßen Kompressoren mit typischen Kompressionsverhältnissen von etwa 20 bis 30 zu großen Druckkompressoren mit typischen Kompressionsverhältnissen von etwa 31 bis 45 und zu Hochdruck-Kompressoren mit typischen Kompressionsverhältnissen von etwa 46 oder mehr reichen. Je höher das Kompressionsverhältnis, desto größer der Nutzen, der durch eine derartige fortschreitende Nasskompression oder fortschreitende Overspray-Kühlung bereitgestellt wird.
Die Bauteile, Techniken und Aspekte der Erfindung wurden zwar mit einem gewissen Grad an Ausführlichkeit beschrieben, es ist jedoch offensichtlich, dass bei den vorstehend beschriebenen spezifischen Entwürfen, Konstruktionen und Methodologie zahlreiche Änderun gen vorgenommen werden können, ohne dadurch vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen.
Für den Fachmann sind verschiedene Abwandlungen und Anwendungen der Erfindung offensichtlich, ohne dabei vom Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es ist offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf die hier zu beispielhaften Zwecken vorgelegten Ausführungsformen beschränkte ist, sondern den vollständigen Äquivalenzumfang, der für jedes Element gilt, einschließt.
Zusammenfassung
Diese Nasskompressionserfindung mit einem Nebel aus verdampfbarem Fluid zeigt wesentliche Leistungsverbesserungen gegenüber dem Stand der Technik bei dem Erreichen eines hohen Sättigungsgrads, der Bereitstellung von fühlbarer Kühlung, der wesentlichen Verringerung des Temperaturanstiegs aufgrund von Kompressionsarbeit, der Reduzierung des Überschusses an verdünnendem Luftstrom in der nachgeordneten Verbrennung, der Dämpfung von Kompressionsgeräusch und der Erhöhung des erreichbaren Druckverhältnisses im Kompressor. Diese Verbesserungen werden mithilfe eines oder mehrerer Elemente der folgende Gruppen erreicht: großer Nebel oder Overspray durch a) fortschreitendes axiales Eindringen von verdampfbarem Fluid entlang des Strömungsflussweges der Kompression und b) transversale Abgabe von verdampfbarem Fluid von Statoren, Rotoren, perforierten Rohren und/oder Kanalwänden unter Abgleich der Verteilung des Flusses an gasförmigem Fluid im Kompressorstrom; c) Verkleinerung der Querschnittsdurchflussfläche des Kompressors in nachgeordneten Kompressorstufen im Vergleich zu vorgeordneten Stufen und d) Erhöhen der Rate des nachgeordneten Einbringens von verdampfbarem Fluid im Vergleich zu der vorgeordneten Einbringung in Abhängigkeit vom Druckverhältnis jeder Kompressorstufe.

Claims

Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren eines gasförmigen Fluids, mit: – einem Kompressor mit einer Einlassöffnung für ein gasförmiges Fluid, – wenigstens zwei Kompressionsstufen, welche entlang eines krummlinigen Strömungsflussweges angeordnet sind, – einer Auslassöffnung für ein komprimiertes Fluid, und – eine Abgabevorrichtung zum Einbringen eines Kühlfluides in das gasförmige Fluid, wobei das Kühlfluid eine verdampfbare Flüssigkeit umfasst; wobei eine Einbringrate des Kühlfluids in einen gasförmigen Fluidfluss in Richtung des Strömungsflusses über die wenigstens zwei Kompressionsstufen zunehmend gebildet ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kompressionsvorrichtung wenigstens eine weitere Kompressionsstufe aufweist und die Einbringrate des Kühlfluids über die Kompressionsstufen nicht-linear ansteigend gebildet ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einbringrate des Kühlfluids über wenigstens einer Kompressionsstufe zwischen 67 % und 250 % der maximalen theoretischen Verdampfungsrate über die wenigstens eine Kompressionsstufe ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein durchschnittlicher Öffnungsdurchmesser für das Einbringen des Kühlfluids weniger als etwa 10 Mikrons ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Sauterdurchmesser von eingebrachten Kühlfluidtröpfchen weniger als etwa 5 Mikrons ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Geräuscherzeugung während eines Betriebes um wenigstens etwa 3 dB relativ zu einer äquivalenten Trockenkompressionsvorrichtung ohne Kühlfluideinbringung reduziert ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kompressionsstufe stationäre und/oder bewegliche Flügel aufweist und das Kühlfluid in die Kompressionsvorrichtung von wenigstens einem Bereich der Flügel eingebracht ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Querschnittsbereich des Flusses in die Richtung des Strömungsflusses relativ zu einem Querschnittsbereich für eine Trockenkompressionsvorrichtung mit äquivalenten Kompressionsstufendruckverhältnissen reduziert ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Druckverhältnis pro Stufe in die Richtung des Strömungsflusses abnimmt.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kompressionsvorrichtung wenigstens zwei weitere nachgeordnete Kompressionsstufen aufweist, wobei die Einbringrate des Kühlfluids in den nachgeordneten Kompressionsstufen höher ist als in einer vorgeordneten Kompressionsstufe.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kompressionsvorrichtung wenigstens zwei weitere nachgeordnete Kompressionsstufen aufweist, wobei die Einbringrate des Kühlfluids in den nachgeordneten Kompressionsstufen nicht höher ist als in einer vorgeordneten Kompressionsstufe.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei mittels Einbringen von Kühlfluid ein betriebliches Kompressionsverhältnis pro Stufe um wenigstens etwa 10 % relativ zu einer äquivalenten Trockenkompressionsvorrichtung ohne Kühlfluideinbringung erhöht gebildet ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine durchschnittliche Temperatur eines Fluids, welches die Vorrichtung verlässt, weniger als 300 °C beträgt.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei 95 Massen-% der Tröpfchengrößen eines eingebrachten Kühlfluids einen mittleren Durchmesser von weniger als 20 Mikron aufweisen.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Massenverhältnis von Kühlfluid zu gasförmigem Fluid, welche den Kompressor verlassen, dividiert durch ein kumulative Druckverhältnis beta größer als 0,0015 ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Massenverhältnis von Kühlfluid zu gasförmigem Fluid, welche den Kompressor verlassen, dividiert durch ein Druckverhältnis größer als 0,0025 ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kompressionsvorrichtung ein dem Auslass des komprimierten Fluids nachgeordnetes Verbrennungssystem aufweist, welches eine Fluidverbindung mit einem austretenden komprimierten Fluid aufweist.
Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren eines gasförmigen Fluids, mit: – einem Kompressor mit einer Einlassöffnung für ein gasförmiges Fluid in einen krummlinigen Kompressionskanal, – wenigstens einer Kompressionsstufe mit wenigstens einem rotierenden Bauteil innerhalb des Kanals, wobei das Bauteil einen krummlinigen Stromflussweg aufweist und eine krummlinige transversale Richtung des Bauteils verschieden von dem krummlinigen Stromflussweg ist, wobei das Bauteil mittels einer ersten Wand und einer zweiten Wand begrenzt ist, – einer Auslassöffnung für ein komprimiertes Fluid, – einer Abgabevorrichtung zum Einbringen eines Kühlfluids in das gasförmige Fluid, wobei die Abgabevorrichtung konfiguriert ist, Kühlfluid mit einer verdampfbaren Flüssigkeit durch Öffnungen einzubringen, wobei die Öffnungen über wenigstens 50 % des Abstandes gemessen in der krummlinigen transversalen Richtung zwischen der ersten Wand der Kompressionsstufe und der zweiten Wand der Kompressionsstufe für wenigstens eine Kompressionsstufe verteilt sind, und die transversale Verteilung der Kühlfluidabgabe nicht-linear entlang der transversalen Richtung ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine transversale Verteilung der Kühlfluidabgabe ein transversales Maximum im Bereich von etwa 25 % bis 75 % des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Stufenwand erreicht.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine massengewichtete Verteilung eines eingebrachten Kühlfluids ein transversales Maximum näher an der zentripetal nach innen gerichteten Wand aufweist als eine massengewichtete Verteilung des gasförmigen Fluids in Strömungsflussrichtung innerhalb der Kompressionsstufe.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine massengewichtete transversale Verteilung eines eingebrachten Kühlfluids, welches innerhalb einer Kompressorstufe abgegeben wird, etwa proportional zu einer gewünschten transversalen Verteilung der Kühlfluidabgabe innerhalb der Kompressorstufe abzüglich einer transversalen Verteilung eines verdampfbaren Kühlfluids, welches mit dem in die Stufe gelangenden gasförmigen Fluid mitgerissen ist, ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine massengewichtete transversale Verteilung eines eingebrachten Kühlfluids, welches innerhalb einer Kompressorstufe abgegeben wird, etwa proportional zu einer gewünschten transversalen Verteilung der Kühlfluidabgabe innerhalb dieser Stufe abzüglich einer verdampfungsgewichteten transversalen Verteilung eines verdampfbaren Kühlfluids, welches mit dem in die Stufe gelangenden gasförmigen Fluid mitgerissen ist, ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei ein Fluss an verdampfbarem eingebrachtem Kühlfluid, welcher in wenigstens eine Kompressionsstufe einfließt, zwischen 40 % und 500 % des Flusses beträgt, welcher zur Sättigung des gasförmigen Fluids in der wenigstens einen Kompressionsstufe erforderlich wäre.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine durchschnittliche Größe der Öffnung zum Einbringen des Kühlfluids weniger als 3 Mikron beträgt.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei ein durchschnittlicher Sauterdurchmesser der Tröpfchen in einem eingebrachten Kühlfluid weniger als 5 Mikron beträgt.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine Geräuscherzeugung während des Betriebs um wenigstens 5 dB relativ zu bekannten Trockenkompressionsvorrichtungen reduziert ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei ein Verhältnis eines durchschnittlichen Temperaturanstiegs in Grad Celsius zum kumulativen Druckverhältnis BETA eines komprimierten gasförmigen Fluids, welches die Vorrichtung verlässt, wenigstens 5 °C niedriger ist als ein Verhältnis eines Temperaturanstiegs zu BETA, welches nach einer adiabatischen Trockenkompression mit dem BETA erreicht worden wäre.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei ein Verhältnis eines durchschnittlichen Temperaturanstiegs in Grad Celsius zum Druckverhältnis des Fluids, welches die Vorrichtung verlässt, wenigstens 100 °C niedriger ist als ein Verhältnis eines Temperaturanstiegs zum natürlichen Logarithmus von BETA ("LN BETA") bei einer äquivalenten adiabatischen Trockenkompression mit demselben BETA.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei ein Massenverhältnis eines gesamten Kühlfluids zu gasförmigem Fluid am Auslass der Kompressorvorrichtung größer ist als 30 % eines Verhältnisses mit Kühlfluid, welches zur Sättigung des gasförmigen Fluids bei adiabatischer Kompression auf dasselbe Druckverhältnis erforderlich ist.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei wenigstens eine oder mehrere von Elementen aus der Gruppe aus Öffnungsgröße, Öffnungsausrichtung und Öffnungsposition relativ zu einer Oberfläche eines Kompressorbauteils und die Härte der Bauteiloberfläche derart konfiguriert sind, dass eine mittels eines kinetischen Aufpralls verursachte Belastung einer Bauteiloberfläche so gesteuert ist, dass die Belastung bei mindestens 99 % der Tröpfchenaufpralle geringer ist als eine vorgegebene Bemessungsbelastung der Oberfläche.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Kompressionsvorrichtung ein Reaktionssystem und/oder ein Verbrennungssystem aufweist, welches einem Auslass des komprimierten Fluids nachgeordnet ist, eine Fluidverbindung mit einem an dem Auslass des Kompressors austretenden komprimierten Fluid aufweist und derart konfiguriert ist, weiteres Kühlfuid als Verdünnungsmittel in das Verbrennungs- und/oder Reaktionssystem abzugeben.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Kompressionsvorrichtung derart konfiguriert ist, der Kompressorvorrichtung nachgeordnetes ausreichendes Kühlfluid in das gasförmige Fluid abzugeben, um stromabwärts vom nachgeordneten Reaktor einen wenigstens 80%igen Sättigungsgrad eines Reaktionsproduktfluids zu erreichen.
Kompressionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Kompressionsvorrichtung eine der ersten Stufe nachgeordnete zweite Kompressorstufe aufweist, wobei die transversale Verteilung von an die zweite Kompressorstufe abgegebenem verdampfbarem Kühlfluid ein Verhältnis Spitzenwert zu Mittelwert hat, welches größer ist als ein Verhältnis Spit zenwert zu Mittelwert in einer vorgeschalteten Kompressorstufe, und wobei eine transversale Position des Spitzenwertes der zweiten Stufe zentripetal weiter außen liegt als eine Position des Spitzenwertes der ersten Stufe.
Verfahren zum Kühlen eines gasförmigen Fluids, welches in wenigstens einem entlang eines krummlinigen Stromflusses verteilten Kompressorbereichs komprimiert wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Abgeben eines verdampfbaren Kühlfluids in den Kompressorbereich entlang einer krummlinigen transversalen Linie, welche verschieden von dem krummlinigen Stromflussweg und mittels einer ersten Wand und einer zweiten Wand begrenzt ist, wobei die transversale Linie einen näher an dem Zentrum des Stromflusses angeordneten Bereich und einen näher an der ersten Wand oder der zweiten Wand angeordneten Bereich umfasst, Verdampfen eines Anteils des in beide Bereiche abgegebenen Kühlfluids, wobei eine Kühlrate, welche in dem näher an dem Zentrum des Stromflusses angeordneten Bereich induziert ist, größer ist als eine Kühlrate in dem näher an der ersten Wand oder der zweiten Wand angeordneten Bereich und aufgrund einer Kompression ein Kühlen eine Heizrate reduziert.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei eine funktionelle Abhängigkeit der Kühlrate entlang der krummlinigen transversalen Linie nicht-linear gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Kühlrate ein transversales Maximum im Bereich von etwa 25 % bis 75 % eines Abstands zwischen der ersten und der zweiten Wand erreicht.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei die Kühlrate ein Maximum näher an der zentripetal nach innen gerichteten Wand aufweist als eine massengewichtete Verteilung eines gasförmigen Fluids in Strömungsflussrichtung innerhalb einer Kompressionsstufe.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei eine massengewichtete transversale Verteilung des abgegebenen Kühlfluids, welches innerhalb einer Kompressionsstufe abgegeben wird, proportional zu einer gewünschten transversalen Verteilung einer Kühlfluidabgabe innerhalb der Kompressionsstufe abzüglich einer transversalen Verteilung eines ver dampfbaren Kühlfluids, welches mit einem in die Kompressionsstufe gelangenden gasförmigen Fluid mitgerissen ist, ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei eine massengewichtete transversale Verteilung des eingebrachten Kühlfluids, welches innerhalb einer Kompressionsstufe abgegeben wird, proportional zu einer gewünschten transversalen Verteilung der Kühlfluidabgabe innerhalb der Kompressionsstufe abzüglich einer verdampfungsgewichteten transversalen Verteilung des Kühlfluids, welches mit einem in die Stufe gelangenden gasförmigen Fluid mitgerissen ist, ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei eine Rate an Kühlfluid in wenigstens einer Kompressionsstufe angebracht wird, wobei die Rate zwischen 60 % und 250 % des Flusses beträgt, welche zur Sättigung des gasförmigen Fluids in der wenigstens einen Kompressionsstufe erforderlich wäre.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei eine durchschnittliche Größe der Öffnung zum Einbringen des Kühlfluids weniger als 10 Mikron beträgt.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei eine durchschnittliche Größe der Öffnung zum Einbringen des Kühlfluids weniger als 3 Mikron beträgt.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei ein durchschnittliche Sauterdurchmesser der Tröpfchen in dem eingebrachten Kühlfluid weniger als 5 Mikron beträgt.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei eine Geräuscherzeugung während des Betriebs um wenigstens 5 dB relativ zu bekannten äquivalenten Trockenkompressionsvorrichtungen reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei ein Verhältnis einer relativen Verkleinerung eines normalisierten Verhältnisses Nasstemperatur/Trockentemperatur ("1-N/T") zum natürlichen Logarithmus eines Druckverhältnisses (LN BETA) wenigstens 0,01 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei wenigstens 95 Massen-% von eingebrachten Kühlfluidtröpfchen einen durchschnittlichen Sauterdurchmesser von weniger als 20 Mikron aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei ein Massenverhältnis eines gesamten Kühlfluids zu gasförmigem Fluid an einem Auslass der Kompressorvorrichtung größer ist als 60 % des Verhältnisses mit Kühlfluid, welches zur Sättigung des gasförmigen Fluids bei adiabatischer Kompression auf dasselbe Druckverhältnis erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei eines oder mehrere der Elemente der Gruppe aus Tröpfchengröße, Temperatur und/oder Tröpfchengeschwindigkeit relativ zu der Oberfläche eines Kompressorbauteils und/oder die Härtung der Bauteiloberfläche konfiguriert werden, wobei eine durch einen kinetischen Aufprall verursachte Belastung der Bauteiloberfläche einer Turbopumpe so gesteuert wird, dass die Belastung bei mindestens 99 % der Tröpfchenaufpralle geringer ist als eine vorgegebene Bemessungsbelastung der Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei ein Verbrennungssystem und/oder ein chemisches Reaktionssystem einem Auslass des komprimierten Fluids nachgeordnet ist, wobei das Verbrennungssystem und/oder das Reaktionssystem eine Fluidverbindung mit einem austretenden komprimierten Fluid aufweist/aufweisen und Kühlflüssigkeit als Verdünnungsmittel in das nachgeordnete Verbrennungs- und/oder Reaktionssystem abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 49, wobei ein Verdünnungsgrad und/oder ein Kühlen einer nachgeordneten Verbrennung oder einer Reaktion mittels Steuerung des Kühlfluids gesteuert wird, welches in wenigstens eines der einem Kompressorauslass vorgeordneten oder nachgeordneten gasförmigen Fluide abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei ein Verhältnis Spitzenwert zu Mittelwert und eine Position eines Spitzenwerts der transversalen Verteilung der Abgabe der Kühlflüssigkeit in einer Kompressionsstufe zum Ausgleich der transversalen Verteilung eines Massenflusses des gasförmigen Fluids konfiguriert wird, welche mittels einer zentripetalen Beschleunigung stromaufwärts verursacht wird, sowie mittels einer beabsichtigten transversalen Bewegung der abgegebenen Kühlflüssigkeit stromabwärts.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei Wärme aus einem dem Kompressor nachgeordneten Fluss rückgewonnen wird und zum Erwärmen des Kühlfluids verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei ein Angriffswinkel wenigstens eines Statorflügels zur Einstellung einer axialen Verteilung eines Kompressionsverhältnisses beta einer Nasskompression gesteuert wird.
Verfahren zum Komprimieren und Kühlen eines gasförmigen Fluids, welches entlang eines krummlinigen Stromflusses durch wenigstens drei Kompressionsstufen mit einem Rotor oder einem Stator und einem Rotor verteilt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Konfigurieren einer axialen Verteilung von jeweiligen Druckverhältnissen für die wenigstens drei Kompressionsstufen, – Konfigurieren einer axialen Verteilung, um verdampfbares Kühlfluid abzugeben, – Komprimieren des gasförmigen Fluids, und – Abgeben des verdampfbaren Kühlfluids in das gasförmige komprimiert werdende Fluid, derart, dass eine Verdampfung des verdampfbaren Kühlfluids wenigstens eine 50%ige Sättigung des gasförmigen Fluids bewirkt, welches die Kompressionsstufen verlässt.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorgeben von Verteilungen eines jeweiligen oberen und eines jeweiligen unteren Grenzwerts eines Sättigungsgrads für die wenigstens drei Kompressionsstufen; Konfigurieren der axialen Verteilung einer Querschnittsdurchflussfläche von den wenigstens drei Kompressionsstufen; und Abgeben von Kühlfluid zur Bereitstellung eines Sättigungsgrads innerhalb des jeweiligen vorgegebenen oberen und des jeweiligen vorgegebenen unteren Grenzwerts für die wenigstens drei Kompressionsstufen.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei ein fortschreitendes Kühlflüssigkeit-Oversprays in Form: eines Overspray von weniger als 5 Massen-% eines zu komprimierenden gasförmigen Fluids, welches in den Kompressor abgegeben wird, und/oder eines Oversprays, welches ausreicht, um eine Kühlung mittels direkten Kontakts eines zu komprimierenden Fluids mittels Übertragung fühlbarer Wärme bereitzustellen, welche größer ist als eine Kühlung, welche mittels Verdampfung von Kühlfluid bis zur Sättigung erreichbar ist, abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei eine Kühlrate in wenigstens einer nachgeordneten Kompressionsstufe relativ zu einem Kompressionsverhältnis der nachgeordneten Stufe größer gebildet wird als eine Kühlrate in der wenigstens einen vorgeordneten Kompressionsstufe relativ zu einem Kompressionsverhältnis der vorgeordneten Stufe und daß mittels Kühlung eine Rate einer Erwärmung aufgrund der Kompression erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei eine Kühlrate in einer Zwischenkompressionsstufe relativ zu einem Kompressionsverhältnis der Zwischenkompressionsstufe zwischen einer relativen Kühlrate einer vorgeordneten und einer nachgeordneten Kompressionsstufe gebildet wird, und nicht-lineare Anstiege der relativen Kühlung zwischen der vorgeordneten, Zwischen- und nachgeordneten Kompressorstufe gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei eine axiale Abgabeverteilung und/oder axiale Verteilung einer Kühlfluidtemperatur gesteuert wird, um eine Bildung von gefrorenem Wasser und/oder gefrorenem Verdünnungsmittel zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei eine Fluidpassage in einem Flügel und Öffnungen durch den Flügelabschnitt zwischen der Fluidpassage und der Oberfläche gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei Öffnungen in Flügeln mit einem Verhältnis Länge zu Durchmesser LID von mehr als etwa 70 gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei ein perforiertes Rohr mit einem vorderen oder rückwärtigen Abschnitt eines Flügels und eine vordere oder rückwärtige Flügelkante mit dem perforierten Rohr verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 54, ein konvexer Flügelabschnitt, ein konkaver Flügelabschnitt, ein Abschnitt mit wenigstens einem Kühlfluidkanal in wenigstens einem Flügelabschnitt gebildet werden und zwei Flügel miteinander verbunden werden, wobei wenigstens ein Kühlfluidkanal innerhalb des Flügels gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei die Abgabe des Kühlfluids durch Öffnungen an einem rotierenden Flügel unter Berücksichtigung einer zentripetalen Fluidbeschleunigung innerhalb und außerhalb des Flügels konfiguriert wird.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorgeben von transversalen Verteilungen eines oberen und eines unteren Grenzwerts eines Massenflussverhältnisses von Kühlfluid zu gasförmigem Fluid entlang einer krummlinigen transversalen Richtung; und Abgeben des Kühlfluids mit einem Massenflussverhältnis zu gasförmigem Fluid zwischen dem vorgegebenen oberen und unteren Grenzwert.
Verfahren nach Anspruch 65, wobei die transversale Verteilung der Abgabe der Kühlflüssigkeit entsprechend einem Unterschied zwischen transversalen Verteilungen eines gewünschten Kühlfluidnebels und eines mitgerissenen Kühlfluids in dieser Stufe konfiguriert wird.
Verfahren nach Anspruch 65, wobei die transversale Verteilung der Abgabe der Kühlflüssigkeit entsprechend einer Abweichung bei einer Verteilung der Verdampfungsraten eines mitgerissenen Kühlfluids in Abhängigkeit von der Tröpfchengröße konfiguriert wird.
Verfahren nach Anspruch 65, wobei die transversale Verteilung der Abgabe der Kühlflüssigkeit proportional zu der transversalen Verteilung des Ungesättigtheitgrades eines zu komprimierenden Fluids abzüglich einer verdampfungsgewichteten Verteilung eines mitgerissenen Kühlfluids konfiguriert wird, wobei die Gewichtung anhand der Tröpfchengröße erfolgt und mit der Verdampfungsrate der abzugebenden Kühlflüssigkeit skaliert wird.
Verfahren zur akustischen Schalldämpfung beim Komprimieren eines Gases mit einer Flüssigkeit, um ein Komprimierungsgeräusch um mindestens 2 dB relativ zu einer äquivalenten Kompression eines Gases ohne Flüssigkeit zu reduzieren, wobei ein schalldämpfendes Fluid mit einer Flüssigkeit in ein gasförmige Fluid durch mehrere Öffnungen eingebracht wird, wobei die Öffnungen an wenigstens einem Element aus der folgenden Gruppe angeordnet sind: ein stationärer den gasförmigen Fluidfluss lenkender Flügel, ein stromlinienförmiges Rohr, welches über einen gasförmigen Fluidfluss angeordnet ist, ein rotierender Flügel, welcher den gasförmigen Fluidfluss komprimiert, einer Kanalwand, welche das gasförmige Fluid beschränkt, wobei das Geräusch im Verhältnis zu einem gewichteten Massenflussverhältnis einer Stufe von nicht verdampften schalldämpfenden Fluid zu gasförmigen Fluid relativ zu einer äquivalenten gasförmigen Fluidkompression ohne das schalldampfende Fluid reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 69, wobei das Komprimierungsgeräusch um wenigstens etwa 1 dB, multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus von BETA multipliziert mit einem stufengewichteten Massenflussverhältnis von nicht verdampftem Schalldämpfungsfluid zu gasförmigem Fluid reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 69, wobei ein komprimiertes gasförmiges Fluid, welches aus einem Nasskompressor austritt, mit einem co-reagierenden Fluid reagiert.
Verfahren zur Kühlkompression eines gasförmigen Fluids, wobei ein BETA-Toleranzverhältnisses konfiguriert wird mit einer Kombination aus wenigstens einem Kompressorkanal und einer Kompressorstufe mit einem Rotorflügel und fakultativ einem Statorflügel; welche ein gasförmiges Fluid in einer Kompressionsstufe komprimieren; ein Kühlfluid abgeben mittels wenigstens eines Elements aus der folgenden Gruppe von Elementen eine Kühlpassage in einer Kanalwand eines gasförmigen Fluids, eine Kühlpassage in wenigstens einem Flügel und mehreren Öffnungen, welche an dem wenigstens einen Flügel konfiguriert sind, zwischen die wenigstens eine Kühlpassage und eines zu komprimierenden gasförmigen Fluid; wobei ein Spalt zwischen dem Rotorflügel und dem wenigstens einen Kompressorkanal während eines Betriebs auf wenigstens mehr als eine vorgegebene relative Rotorstörungstoleranz begrenzt wird; und wobei ein BETA-Toleranzverhältnis eines Kompressors wenigstens 30 % höher ist als ein BETA-Toleranzverhältnis eines äquivalenten Kompressors ohne Abgabe von Kühlfluid.
Verfahren nach Anspruch 72, wobei Öffnungen in Flügeln mit einem Verhältnis Länge zu Durchmesser L/D von mehr als etwa 70 gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 72, wobei ein perforiertes Rohr mit einem vorderen oder einem rückwärtigen Abschnitt eines Flügels und eine vordere oder eine rückwärtige Flügelkante mit dem perforierten Rohr verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 72, wobei ein konvexer Flügelabschnitt und ein konkaver Flügelabschnitt, ein Abschnitt mit wenigstens einem Kühlfluidkanal in wenigstens einem Flügelabschnitt gebildet werden und zwei Flügel miteinander verbunden werden, wobei wenigstens ein Kühlfluidkanal innerhalb des Flügels gebildet wird.