RU2757150C1 - Axial multi-step compressor with water injection into flow part thereof - Google Patents

Axial multi-step compressor with water injection into flow part thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2757150C1
RU2757150C1 RU2020136171A RU2020136171A RU2757150C1 RU 2757150 C1 RU2757150 C1 RU 2757150C1 RU 2020136171 A RU2020136171 A RU 2020136171A RU 2020136171 A RU2020136171 A RU 2020136171A RU 2757150 C1 RU2757150 C1 RU 2757150C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rim
annular
carrier disk
compressor
air
Prior art date
Application number
RU2020136171A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Аркадьевич Балашов
Павел Андреевич Березинец
Борис Дмитриевич Теплов
Владимир Леонидович Самойлов
Вероника Николаевна Маркина
Андрей Владимирович Агеев
Наталья Евгеньевна Туз
Игорь Анатольевич Лобач
Original Assignee
Акционерное общество "Интер РАО - Электрогенерация"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Интер РАО - Электрогенерация" filed Critical Акционерное общество "Интер РАО - Электрогенерация"
Priority to RU2020136171A priority Critical patent/RU2757150C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757150C1 publication Critical patent/RU2757150C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00Axial-flow pumps
    • F04D19/02Multi-stage pumps

Abstract

FIELD: heat power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of heat power engineering, in particular to power gas turbine units (hereinafter referred to as GTU) with axial multi-step compressors for compressing atmospheric cyclic air. The axial multi-step compressor comprises a body with a blade apparatus with steps placed therein, wherein each step includes working and guiding blades. Each of at least two of the guiding blades thereof has therein a through longitudinal cavity and is installed with one end in the body and the other in an annular band with an intermediate seal defining the annular hollow in the rim of the carrier disk on the side of the outer side surface thereof. Connected to each through longitudinal cavity in at least two of the above guiding blades therein on the side of the body is a cooling water pipeline, and on the side of the annular band is a jet nozzle attached to the band ring, placed in the annular hollow in the rim of the carrier disk, and facing the bottom of the annular hollow at an acute angle to the radius of the rim of the carrier disk. Provided above the annular hollow in the rim of the carrier disk therein is an annular recess communicating therewith and at least two radial channels communicating the annular recess with the volume between the inner surface of the body and the outer surface of the rim of the carrier disk.
EFFECT: ensured dispersion of the cooling liquid using the factors of high-speed rotation of the compressor rotor; reduction in the gas-dynamic losses from admixing finely dispersed moisture to the compressed air; increase in the duration of stay of all formed liquid drops in the flow of the stepwise compressed air; and ensured complete evaporation of the cooling water in the flow part of the compressor of the GTU with the liquid flow rate sufficient for stabilising the power of the GTU at the nominal level when the initial temperature of the compressed air is increased from +15 to +40°C.
3 cl, 2 dwg

Description

Область использованияScope of use

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности, к энергетическим газотурбинным установкам (далее - ГТУ) с осевыми многоступенчатыми компрессорами для сжатия атмосферного циклового воздуха.The invention relates to the field of heat power engineering, in particular, to power gas turbine plants (hereinafter referred to as GTU) with axial multistage compressors for compressing atmospheric cyclic air.

Уровень техникиState of the art

Мощность ГТУ пропорциональна, в основном, расходу воздуха в компрессоре и соответствует номинальному значению при стандартных внешних условиях: температуре наружного воздуха tHB=+15°C, барометрическому давлению 101,3 кПа и относительной влажности ϕ=60%. Энергетические ГТУ могут работать в интервале температур tHB от -40°C до +40°C и их мощность при tHB<15°C больше, а при tHB>15°C меньше номинального значения. Например, при умеренно повышенной температуре воздуха 25÷30°C мощность ГТУ снижается на 7÷10%. Одновальные прямоприводные энергетические ГТУ с расходом воздуха 500÷900 кг/с применяются в составе высокоэкономичных парогазовых установок (далее - ПТУ) с мощностью энергоблоков 350÷750 МВт и такое летнее снижение мощности одного энергоблока исчисляется несколькими десятками МВт. Использование экономичных ГТУ и ПТУ в энергетике расширяется, и даже при продолжительности летнего периода 3÷4 месяца экономические потери от сокращенной выработки электроэнергии с самым низким удельным расходом топлива оказываются весьма значительными. Эти потери отмечаются при прохождении максимумов нагрузки энергосистемы с неизменным участием маневренных ПТУ на природном газе. Стабилизировать номинальную мощность современных ГТУ при tHB>15°C за счет повышения температуры газов нецелесообразно из-за ускоренного исчерпания долговечности дорогостоящих охлаждаемых деталей горячего тракта. Без таких последствий форсировать мощность ГТУ в часы пик способен энергетический ввод пара. Однако, в условиях ПТУ прирост ее мощности на 1% вводимого пара в 1,5÷2,0 раза меньше, чем для автономной ГТУ с паровым котлом-утилизатором отработавших газов, но без паровой турбины.The power of the gas turbine unit is mainly proportional to the air flow rate in the compressor and corresponds to the nominal value under standard external conditions: outdoor air temperature t HB = + 15 ° C, barometric pressure 101.3 kPa and relative humidity ϕ = 60%. Power gas turbines can operate in the temperature range t HB from -40 ° C to + 40 ° C and their capacity at t HB <15 ° C is higher, and at t HB > 15 ° C it is less than the nominal value. For example, at a moderately elevated air temperature of 25-30 ° C, the power of the gas turbine unit is reduced by 7-10%. Single-shaft direct-drive power gas turbines with an air flow rate of 500 ÷ 900 kg / s are used as part of highly efficient combined cycle gas turbines (hereinafter referred to as STUs) with a capacity of 350 ÷ 750 MW power units, and such a summer reduction in the power of one power unit amounts to several tens of MW. The use of economical GTPs and STUs in the power industry is expanding, and even with a summer period of 3–4 months, the economic losses from reduced power generation with the lowest specific fuel consumption turn out to be very significant. These losses are noted during the passage of the maximum load of the power system with the constant participation of maneuverable STU on natural gas. It is unreasonable to stabilize the rated power of modern gas turbines at t HB > 15 ° C by increasing the gas temperature due to the accelerated exhaustion of the durability of expensive cooled parts of the hot section. Without such consequences, the power input of steam is capable of boosting the power of the gas turbine unit during peak hours. However, under the conditions of the STP, the increase in its power by 1% of the introduced steam is 1.5-2.0 times less than for an autonomous GTU with a steam waste-heat boiler, but without a steam turbine.

Поддерживать номинальную мощность ГТУ в теплое время года позволяет контактно-испарительное водяное охлаждение циклового воздуха. Полезное уменьшение его температуры перед сжатием зависит от влагопоглощающей способности наружного воздуха и будет наибольшим, если воздух является не только горячим, но и сухим. В частности, tHB=35÷40°C, ϕ=25÷30%. После испарения в воздухо-заборном тракте до компрессора 6÷8 г воды на 1 кг такого воздуха его температура уменьшается на 15÷20°C или до 20°C при конечном влагосодержании 15,2 г/кг в состоянии насыщения (ϕ=100%). Предварительное охлаждение воздуха до такого состояния повышает мощность современной одновальной ГТУ на 8÷10%, что несколько меньше ее исходного снижения на 13÷15% при tHB=35÷40°C.Contact-evaporative water cooling of cycle air allows maintaining the nominal capacity of the GTU in the warm season. The useful decrease in its temperature before compression depends on the moisture-absorbing capacity of the outside air and will be greatest if the air is not only hot but also dry. In particular, t HB = 35 ÷ 40 ° C, ϕ = 25 ÷ 30%. After evaporation in the air intake duct before the compressor 6 ÷ 8 g of water per 1 kg of such air, its temperature decreases by 15 ÷ 20 ° C or to 20 ° C with a final moisture content of 15.2 g / kg in a saturation state (ϕ = 100% ). Pre-cooling the air to such a state increases the capacity of a modern single-shaft gas turbine by 8–10%, which is slightly less than its initial decrease by 13–15% at t HB = 35–40 ° C.

Если воздух горячий и влажный (ϕ=80÷90%) или умеренно теплый и влажный (20÷25°C и ϕ=50÷70%), то из-за ограничения влагопоглощающей способности эффективность его предохлаждения уменьшается в несколько раз и повышение мощности ГТУ оказывается малозначительным.If the air is hot and humid (ϕ = 80 ÷ 90%) or moderately warm and humid (20 ÷ 25 ° C and ϕ = 50 ÷ 70%), then due to the limitation of the moisture-absorbing capacity, the efficiency of its pre-cooling decreases several times and the power increases GTU turns out to be insignificant.

Влагопоглощающая способность воздуха быстро растет по мере повышения его температуры при сжатии уже в начальных ступенях осевого компрессора. В последующих ступенях термодинамические условия для охлаждения воздуха в контакте с водой улучшаются. Поэтому ее обозначенный выше расход в воздухозаборном тракте не уменьшают, а увеличивают в расчете на полное испарение воды в проточной части компрессора, охлаждение воздуха в процессе сжатия и дальнейшее повышение мощности ГТУ до ее номинального значения. Этот результат термодинамически обоснован в широком интервале изменения положительных температур и относительной влажности наружного воздуха.The moisture absorption capacity of the air rapidly increases as its temperature rises during compression already in the initial stages of the axial compressor. In subsequent stages, the thermodynamic conditions for cooling air in contact with water are improved. Therefore, its indicated above flow rate in the air intake tract is not reduced, but increased, counting on the complete evaporation of water in the flow path of the compressor, air cooling during compression and further increase in the power of the gas turbine to its nominal value. This result is thermodynamically substantiated in a wide range of positive temperatures and relative humidity of the outside air.

У одновальных прямоприводных ГТУ очищенный воздух подводится к компрессору в радиальном направлении по прямоугольному коробу со скоростью 30÷40 м/с. Здесь воздух может быть избыточно увлажнен форсуночным впрыском мелкодисперсной влаги. Далее с плавным поворотом на 90° воздух поступает в кольцевой конфузор внутри корпуса переднего подшипника, где поток ускоряется до 100÷120 м/с. Соответственно понижается статическое давление воздуха, парциальное давление водяных паров и точка росы. Воздух проходит через входной направляющий аппарат (ВНА) и захватывается рабочими лопатками первой ступени компрессора. Они вращаются со средней окружной скоростью 250÷300 м/с. Общая поверхность кольцевого конфузора, ограничивающего поток воздуха, зависит от его расхода, и при его значении 500 кг/с уже превышает 10 м2.For single-shaft direct-drive gas turbines, purified air is supplied to the compressor in the radial direction along a rectangular box at a speed of 30 ÷ 40 m / s. Here, the air can be excessively humidified by the nozzle injection of finely dispersed moisture. Then, with a smooth 90 ° rotation, the air enters the annular confuser inside the front bearing housing, where the flow is accelerated to 100 ÷ 120 m / s. The static air pressure, the partial pressure of water vapor and the dew point are reduced accordingly. Air passes through the inlet guide vane (BHA) and is captured by the rotor blades of the first stage of the compressor. They rotate with an average peripheral speed of 250 ÷ 300 m / s. The total surface of the annular confuser limiting the air flow depends on its flow rate, and at its value of 500 kg / s it already exceeds 10 m 2 .

Форсуночный впрыск воды рассредоточен в поперечном сечении входного короба, где поток воздуха избыточно увлажняется каплями воды, которая полностью не испаряется до компрессора. Вся поверхность конфузора смачивается этими каплями. Если воздух обладает влагопоглощающей способностью, то испарение капель происходит не только в его движущемся объеме, но и на смоченной ими поверхности входного тракта. Из-за изменения внешних условий в теплое время года влагопоглощающая способность воздуха может периодически сокращаться. Например, ежесуточно или более продолжительно при пасмурной погоде. Тогда смачивание поверхности каплями приведет к образованию на ней тонкой пленки жидкости, которая будет перемещаться по направлению потока воздуха, утолщаться, обрываться и подхватываться ускоряющимся потоком. Пленки жидкости фрагментируются в более крупные капли, чем первоначальные размером 20÷40 мкм. Повторная фрагментация жидкости происходят и при срыве ее пленок с поверхности каждой лопатки ВНА непосредственно перед вращающимися рабочими лопатками. До них крупные капли могут ускоряться вместе с основным потоком и с учетом относительного движения скорость столкновения лопаток с каплями увеличивается до эрозионно-опасной. Применение специального антиэрозионного покрытия для наиболее длинных рабочих лопаток первой ступени компрессора значительно увеличивает их стоимость.The nozzle water injection is dispersed in the cross-section of the inlet box, where the air flow is excessively humidified by drops of water, which does not completely evaporate before the compressor. The entire surface of the confuser is wetted by these drops. If the air has a moisture-absorbing capacity, then the evaporation of droplets occurs not only in its moving volume, but also on the surface of the inlet tract moistened by them. Due to changes in external conditions in the warm season, the moisture absorption capacity of the air may periodically decrease. For example, daily or longer in cloudy weather. Then wetting the surface with drops will lead to the formation of a thin film of liquid on it, which will move in the direction of the air flow, thicken, break off and be picked up by the accelerating flow. The liquid films are fragmented into larger droplets than the initial ones with a size of 20-40 microns. Repeated fragmentation of the liquid also occurs when its films are stripped from the surface of each VNA blade directly in front of the rotating rotor blades. Before them, large droplets can be accelerated together with the main flow and, taking into account the relative motion, the speed of collision of the blades with the droplets increases to an erosion-hazardous one. The use of a special anti-erosion coating for the longest rotor blades of the first stage of the compressor significantly increases their cost.

Следует отметить, что часть крупных капель остается во взвешенном состоянии и вносится потоком воздуха вместе с остальными каплями в межлопаточные каналы первой ступени компрессора. Здесь в условиях вращения начинается процесс сжатия воздуха и испарения капель, которые одновременно под действием центробежных сил смещаются к периферии этих каналов. В этом же направлении перемещаются пленки жидкости на смоченной ее каплями поверхности рабочих лопаток. Скорость испарения крупных капель меньше, а смещение к периферии больше, чем мелких. Значительная часть крупных капель образуется после срыва пленок жидкости с кольцевых поверхностей конфузора до ВНА. Поверхность конфузора по наружному диаметру при рассматриваемых расходах воздуха в 1,7÷2,0 раза больше, чем по внутреннему. Соответственно, увеличивается количество крупных капель, которые через ВНА вносятся на периферию межлопаточных каналов, где капли подвергаются воздействию максимальных центробежных сил. Уже в первой ступени крупные капли сепарируются на поверхность корпуса компрессора. В последующих ступенях на эту поверхность начнут осаждаться и капли меньшего размера, не успевшие испариться в периферийных сечениях межлопаточных каналов, а также пленки жидкости с поверхности рабочих лопаток. Поступенчато все капли консолидируются на поверхности корпуса в тонкий слой жидкости, перемещающийся по направлению воздушного потока. Поверхность испарения этого слоя в сотни раз меньше, чем поверхность всех осажденных капель. Жидкость на корпусе компрессора полностью не испаряется, несмотря на непрерывное повышение температуры сжимаемого воздуха в присутствии остальных испаряющихся капель. На поверхности корпуса компрессора после 5-й ступени расположены отверстия для промежуточного отбора воздуха на охлаждение турбины. Слой жидкости отводится в этот отбор и как охладитель циклового воздуха теряется. Если сепарация не испарившихся капель из вращающихся межлопаточных каналов продолжится и на поверхности корпуса слой жидкости возобновится, то в последующем промежуточном отборе воздуха за 10-й ступенью окажется и его значительная часть.It should be noted that some of the large droplets remain in suspension and are introduced by the air flow together with the rest of the droplets into the interscapular channels of the first stage of the compressor. Here, under the conditions of rotation, the process of air compression and evaporation of droplets begins, which simultaneously under the action of centrifugal forces are displaced to the periphery of these channels. Films of liquid move in the same direction on the surface of the rotor blades moistened with drops. The evaporation rate of large droplets is lower, and the displacement to the periphery is greater than that of small ones. A significant part of large droplets is formed after the separation of liquid films from the annular surfaces of the confuser to VNA. The surface of the confuser in the outer diameter at the considered air flow rates is 1.7–2.0 times greater than in the inner diameter. Accordingly, the number of large droplets increases, which are introduced through the VNA to the periphery of the interscapular channels, where the droplets are exposed to the maximum centrifugal forces. Already in the first stage, large droplets are separated onto the surface of the compressor housing. In subsequent stages, smaller droplets will begin to settle on this surface, which did not have time to evaporate in the peripheral sections of the interscapular channels, as well as liquid films from the surface of the rotor blades. Step by step, all droplets are consolidated on the surface of the body into a thin layer of liquid moving in the direction of the air flow. The evaporation surface of this layer is hundreds of times smaller than the surface of all precipitated droplets. The liquid on the compressor casing does not completely evaporate, despite the continuous increase in the temperature of the compressed air in the presence of the remaining evaporating droplets. On the surface of the compressor casing after the 5th stage there are holes for intermediate air bleeding for cooling the turbine. The liquid layer is diverted to this bleed and is lost as a cycle air cooler. If the separation of non-evaporated droplets from the rotating interscapular channels continues and a layer of liquid resumes on the surface of the body, then in the subsequent intermediate air extraction after the 10th stage, its significant part will also be found.

Отмеченные негативные последствия препятствуют применению контактно-испарительного водяного охлаждения циклового воздуха ГТУ, которые эксплуатируются в умеренно-теплом климате. Исключить повторную вредную фрагментацию охлаждающей воды во входном тракте компрессора возможно двумя путями:The noted negative consequences impede the use of contact-evaporative water cooling of the cycle air of gas turbines, which are operated in a moderately warm climate. To exclude repeated harmful fragmentation of cooling water in the compressor inlet path is possible in two ways:

- переменным расходом воды для предохлаждения воздуха в зависимости от изменения его наружной температуры и относительной влажности;- variable flow rate of water for air precooling, depending on changes in its outside temperature and relative humidity;

- подводом охлаждающей воды в проточную часть компрессора.- supply of cooling water to the compressor flow path.

В первом случае при значении ϕ≥80% впрыск воды для предохлаждения воздуха прекращается и при tHB>15°C максимальная мощность ГТУ оказывается ниже номинальной. Такое изменение мощности всегда нежелательно для энергетической ГТУ во время прохождения максимумов нагрузки энергосистемы. Во втором случае выбывающее предохлаждение воздуха компенсируется возможностью его влажного сжатия. Вопрос заключается только в том, чтобы эффективно организовать впрыск воды во 2-й или 3-й ступени компрессора, а затем полностью, без потерь, испарить воду в последующих (числом от 12 до 22) его ступенях.In the first case, at a value of ϕ≥80%, the injection of water for air precooling is stopped and at t HB > 15 ° C the maximum power of the gas turbine unit turns out to be lower than the nominal one. Such a change in power is always undesirable for a power gas turbine unit during the passage of the maximum load of the power system. In the second case, the outgoing air precooling is compensated by the possibility of its wet compression. The only question is how to effectively organize the injection of water in the 2nd or 3rd stage of the compressor, and then completely, without losses, evaporate the water in the subsequent (from 12 to 22) stages.

Из уровня техники известен способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора путем впрыска воды, заключающийся в том, что воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы, выполненные на поверхности лопаток направляющего аппарата, при этом впрыск воды проводят при температуре насыщения, соответствующей сумме локального давления и перепада давления в указанных выпускных каналах, причем впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура среды становится выше температуры насыщения воды при локальном давлении в ступенях компрессора (патент RU 2529289 С1, опубл. 27.09.2014 г.) (далее - [1]). Вода впрыскивается с температурой насыщения, соответствующей сумме локального давления воздушного потока на поверхности лопатки и перепада давления в указанных выпускных каналах. При этом впрыск воды начинают в той ступени, где температура воздушного потока становится выше температуры насыщения, определяемой по локальному давлению этого потока. Калиброванные выпускные каналы выполняют с возможностью безотрывного течения воды и воздуха на поверхности лопаток, а количество этих каналов и проходное сечение каждого из них выбираются из условия равномерно распределяемой концентрации воды по длине лопаток. Размещение выпускных каналов показано в поперечном сечении лопатки с продольной полостью для подвода и распределения охлаждающей воды в эти каналы.A method of increasing the efficiency of an axial multistage compressor by injection of water is known from the prior art, which consists in the fact that water is supplied to the air flow through calibrated outlet channels made on the surface of the blades of the guide vanes, and water is injected at a saturation temperature corresponding to the sum of local pressure and the pressure drop in these outlet channels, and water injection begins to be carried out in the compressor stages, where the temperature of the medium becomes higher than the saturation temperature of water at the local pressure in the compressor stages (patent RU 2529289 C1, publ. 09/27/2014) (hereinafter - [1 ]). Water is injected with a saturation temperature corresponding to the sum of the local pressure of the air flow on the surface of the blade and the pressure drop in said outlet channels. In this case, water injection is started at the stage where the temperature of the air stream becomes higher than the saturation temperature, which is determined by the local pressure of this stream. Calibrated outlet channels are made with the possibility of uninterrupted flow of water and air on the surface of the blades, and the number of these channels and the flow area of each of them are selected from the condition of uniformly distributed water concentration along the length of the blades. The location of the outlet channels is shown in the cross-section of a blade with a longitudinal cavity for supplying and distributing cooling water into these channels.

Известно, что при сжатии атмосферного воздуха температура насыщения воды в полости лопатки согласно [1] уже не менее 100°C, а его температура в проточной части компрессора к началу впрыска охлаждающей воды еще выше. Проведен примерный расчет 15-и ступенчатого компрессора энергетической ГТЭ-150 с расходом воздуха 630 кг/с и степенью сжатия 13,1. Показано, что для стандартных внешних условий температура охлаждающей воды и воздуха сближаются на уровне 125°C в 6-й ступени при давлении последнего 0,26 МПа. Впрыск воды с принятым перепадом давления в выпускных каналах 0,2 МПа начинают в 7-й ступени, где температура воздуха после сжатия до 0,314 МПа уже оказывается больше на 20°C, чем воды. Настолько же понижают температуру воздуха в этой ступени впрыском 7,3 кг/с или 1,25% перегретой выше насыщения воды. Для понижения возрастающей температуры сжимаемого далее воздуха до слабо увеличивающейся температуры насыщения воды ее впрыск повторяют в следующих 8-й и 9-й ступенях с расходом соответственно 0,9% и 0,8%. От охлаждения воздуха мощность каждой этой ступени снижается и составляет в целом 10,236 МВт или 4,5% мощности компрессора с затратой 2,95% горячей воды. Для сравнения: равномерное по 15-й ступеням полное испарение такого относительного количества воды с комнатной температурой снижает мощность компрессора на 6%.It is known that when atmospheric air is compressed, the saturation temperature of water in the blade cavity, according to [1], is no less than 100 ° C, and its temperature in the flow path of the compressor is even higher by the beginning of the cooling water injection. An approximate calculation of a 15-stage compressor of a power plant GTE-150 with an air flow rate of 630 kg / s and a compression ratio of 13.1 has been carried out. It is shown that for standard external conditions the temperatures of the cooling water and air approach each other at 125 ° C in the 6th stage at a pressure of the latter of 0.26 MPa. The injection of water with an assumed pressure drop in the outlet channels of 0.2 MPa begins in the 7th stage, where the air temperature after compression to 0.314 MPa is already 20 ° C higher than that of water. The air temperature in this stage is reduced by the same amount by injection of 7.3 kg / s or 1.25% of water superheated above saturation. To lower the increasing temperature of the further compressed air to a slightly increasing saturation temperature of water, its injection is repeated in the next 8th and 9th stages with a flow rate of 0.9% and 0.8%, respectively. From air cooling, the capacity of each of these stages is reduced and amounts to a total of 10.236 MW or 4.5% of the compressor capacity with the consumption of 2.95% of hot water. For comparison: the complete evaporation of such a relative amount of water at room temperature, uniform in 15 stages, reduces the compressor power by 6%.

Следует отметить, что расчеты проведены в предположении полного мгновенного испарения воды в каждой ступени и их неизменном КПД в компрессоре ГТЭ-150. Ускоренному испарению воды способствует ее впрыск с температурой выше насыщения, поскольку давление воды в выпускных каналах снижается повсеместно на 0,2 МПа, что соответствует перегреву на 16÷18°C. Избыточная теплота выделяется в объеме жидкости в виде пара, который диспергирует остальную ее часть в мелкие капли. К тому же в 7-й и двух предыдущих ступенях разность температуры воздуха и испаряющихся капель в несколько раз больше, чем в начальных ступенях, а впрыск воды в поток воздуха распространен между всеми направляющими лопатками. Однако, время пребывания капель воды в решетке этих лопаток недостаточно для полного испарения. При условии равномерной концентрации впрыска воды по длине лопаток неиспарившиеся капли поступят в смежную решетку вращающихся рабочих лопаток 8-й ступени, где под действием центробежных сил начнут сепарироваться прежде всего из периферийных сечений на внутреннюю поверхность корпуса компрессора. Два последующих впрыска воды с неизменно равномерной концентрацией по длине направляющих лопаток 8-й и 9-й ступеней будут сопровождаться нарастающим выделением неиспарившейся жидкости из потока воздуха в решетках рабочих лопаток как минимум 9-й и 10-й ступеней.It should be noted that the calculations were carried out on the assumption of complete instantaneous evaporation of water in each stage and their constant efficiency in the GTE-150 compressor. Accelerated evaporation of water is facilitated by its injection with a temperature above saturation, since the water pressure in the outlet channels decreases everywhere by 0.2 MPa, which corresponds to overheating by 16-18 ° C. Excess heat is released in the volume of the liquid in the form of vapor, which disperses the rest of it into small droplets. In addition, in the 7th and two previous stages, the temperature difference between the air and evaporating droplets is several times greater than in the initial stages, and the injection of water into the air flow is distributed between all the guide vanes. However, the residence time of water droplets in the grate of these blades is not sufficient for complete evaporation. Under the condition of a uniform concentration of water injection along the length of the blades, non-evaporated drops will enter the adjacent lattice of rotating rotor blades of the 8th stage, where, under the action of centrifugal forces, they will begin to separate primarily from the peripheral sections onto the inner surface of the compressor housing. Two subsequent injections of water with a consistently uniform concentration along the length of the guide vanes of the 8th and 9th stages will be accompanied by an increasing release of non-evaporated liquid from the air flow in the grids of the rotor blades of at least the 9th and 10th stages.

Также следует отметить, что, согласно [1], в 15-и ступенчатом компрессоре мощность 6-и начальных ступеней не изменяется, а в каждой из 6-и других ступеней - от 10-й до 15-й - предстоит сжимать, кроме воздуха, и наибольший расход пара, равный общему расходу впрыскиваемой воды. Ее испарение приводит к сокращению затрат на сжатие в средних (7, 8, 9) ступенях компрессора, которые, как известно, исходно самые экономичные, но теряют это преимущество из-за отмеченных ранее потерь. Поэтому рекомендуемый выбор промежуточной ступени для начала охлаждения воздуха не обеспечивает наибольшего сокращения затрат на его сжатие. К тому же впрыск воды почти в середине проточной части многоступенчатого компрессора значительно уменьшает продолжительность пребывания испаряющихся капель жидкости в потоке воздуха.It should also be noted that, according to [1], in a 15-stage compressor, the power of 6 initial stages does not change, and in each of the 6 other stages - from 10th to 15th - it is necessary to compress, except for air , and the highest steam flow, equal to the total flow of injected water. Its evaporation leads to a reduction in compression costs in the middle (7, 8, 9) compressor stages, which are known to be initially the most economical, but lose this advantage due to the previously noted losses. Therefore, the recommended choice of an intermediate stage for starting air cooling does not provide the greatest reduction in the cost of its compression. In addition, the injection of water almost in the middle of the flow path of the multistage compressor significantly reduces the residence time of the evaporating liquid droplets in the air stream.

Недостаток известного из [1] технического решения заключается в том, что в нем не обеспечивается заявленная безотрывность течения. При назначенной потере давления в выпускных каналах 0,2 МПа скорость пароводяной струи превышает 10 м/с, ее массовая скорость - не менее 10000 кг/м2⋅с. Это значение на порядок больше массовой скорости потока воздуха между направляющими лопатками. При таком соотношении или числе вдува даже при минимальном угле наклона оси выпускных каналов к поверхности лопатки пароводяные струи будут отрываться от этой поверхности. Компрессорные лопатки обтекаются потоком с переменной скоростью при положительном градиенте давления, в условиях которого рассредоточенный выпуск отрывающихся струй охладителя с большой вероятностью нарушит исходное течение воздуха на поверхности лопаток. Нарушение обтекания не только уменьшит КПД части (3-х) ступеней, но и чревато снижением порога устойчивой работы компрессора.The disadvantage of the technical solution known from [1] is that it does not provide the declared continuity of the flow. With a prescribed pressure loss in the outlet channels of 0.2 MPa, the speed of the steam-water jet exceeds 10 m / s, its mass velocity is at least 10,000 kg / m 2 s. This value is an order of magnitude greater than the mass velocity of the air flow between the guide vanes. With such a ratio or number of blowing, even with a minimum angle of inclination of the axis of the outlet channels to the surface of the blade, steam-water jets will be detached from this surface. Compressor blades are flown around with a variable-speed flow at a positive pressure gradient, under which a dispersed release of detached coolant jets is likely to disrupt the initial air flow on the surface of the blades. Violation of the flow will not only reduce the efficiency of part (3) stages, but also fraught with a decrease in the threshold for stable operation of the compressor.

Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа заявляемого изобретения осевой многоступенчатый компрессор, содержащий корпус с размещенным в нем лопаточным аппаратом со ступенями, каждая из которых включает рабочие и направляющие лопатки, по периметру корпуса за рабочими лопатками перед каналами, образованными смежными направляющими лопатками, по меньшей мере, одной ступени радиально установлены не менее чем два средства для струйного впрыска воды в поток воздуха, каждое из которых имеет проточный канал и расположенный под углом от 110 до 180° к нему сообщающийся с ним выпускной канал, ориентированный в спутном к потоку воздуха направлении, проточный канал соединен с емкостью с водой и насосом через коллектор с трубопроводом и запорной арматурой. При этом расход воды и угол ориентации выпускного канала, разный для каждого из средств для впрыска воды, расположенных в одной ступени, в совокупности должны обеспечивать по существу равномерное распределение воды по высоте рабочих лопаток следующей ступени (патент RU 72514 U1, опубл. 20.04.2008 г.) (далее - [2]).It is known from the prior art, adopted as a prototype of the claimed invention, an axial multistage compressor containing a housing with a blades placed in it with stages, each of which includes working and guide vanes, along the perimeter of the housing behind the working blades in front of the channels formed by adjacent guide vanes, at least at least one stage, at least two means for jet water injection into the air stream are radially installed, each of which has a flow channel and an outlet channel located at an angle of 110 to 180 ° to it and communicating with it, oriented in a direction concurrent to the air flow, the flow channel is connected to a container with water and a pump through a manifold with a pipeline and shut-off valves. In this case, the water flow rate and the angle of orientation of the outlet channel, which are different for each of the means for water injection located in one stage, together should ensure a substantially uniform distribution of water along the height of the working blades of the next stage (patent RU 72514 U1, publ. 20.04.2008 g.) (hereinafter - [2]).

Недостаток ближайшего аналога [2] заключается в том, что к потоку воздуха охлаждающая вода подмешивается в виде консолидированных жидкостных струй. Отмечается, что «…вода соударяется с рабочими лопатками…». Это значит, что между направляющими лопатками струи жидкости не ускоряются до скорости потока воздуха, превышающей 100 м/с, и не диспергируются по большей части в капли размером менее 100 мкм, способные, как известно, испариться в проточной части осевого компрессора. До рабочих лопаток жидкость дробится, в основном, на значительно более крупные фрагменты. Две или четыре таких фрагментированных струи содержат почти весь исходный расход воды, испарение которой малозначительно и практически не влияет на охлаждение потока воздуха в решетке направляющих лопаток. Эти струи соударяются с вращающимися рабочими лопатками от двух до четырех раз за один оборот или от 100 до 200 раз в секунду при частоте вращения 50 Гц. Периодическое ударное воздействие плотных водяных струй является фактором вибрационного возбуждения тонких удлиненных рабочих лопаток, а также их эрозии при длительной эксплуатации. Поверхность контакта потока воздуха со струями жидкости и с ее пленкой на части поверхности рабочих лопаток недостаточна для полного ее испарения с расходом не менее 1% от расхода воздуха не только в начальных, но и в последующих ступенях компрессора. Если учитывать влияние центробежных сил, то вскоре - возможно уже в 3-й или 4-й ступени - находящиеся в потоке воздуха крупные не испарившиеся капли воды начнут сепарироваться на корпус компрессора, где окажутся практически бесполезными для охлаждения воздуха.The disadvantage of the closest analogue [2] is that cooling water is mixed into the air flow in the form of consolidated liquid jets. It is noted that "... the water collides with the rotor blades ...". This means that between the guide vanes the liquid jets are not accelerated to an air flow rate exceeding 100 m / s and are not dispersed for the most part into droplets less than 100 microns in size, which, as is known, can evaporate in the flow path of an axial compressor. Before the rotor blades, the liquid is crushed mainly into much larger fragments. Two or four such fragmented jets contain almost the entire initial flow rate of water, the evaporation of which is insignificant and practically does not affect the cooling of the air flow in the guide vane cascade. These jets collide with the rotating rotor blades two to four times per revolution, or 100 to 200 times per second at a rotation frequency of 50 Hz. Periodic shock impact of dense water jets is a factor of vibration excitation of thin elongated rotor blades, as well as their erosion during long-term operation. The contact surface of the air flow with the liquid jets and with its film on a part of the surface of the rotor blades is insufficient for its complete evaporation with a flow rate of at least 1% of the air flow rate not only in the initial but also in subsequent compressor stages. If we take into account the influence of centrifugal forces, then soon - possibly already in the 3rd or 4th stage - large, non-evaporated water droplets in the air flow will begin to separate onto the compressor housing, where they will be practically useless for cooling the air.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение термодинамически эффективного впрыска воды в единичную ступень осевого многоступенчатого компрессора, а техническими результатами - обеспечение диспергирования охлаждающей жидкости с использованием факторов высокоскоростного вращения ротора компрессора; сокращение газодинамических потерь от подмешивания мелкодисперсной влаги к сжимаемому воздуху; увеличение продолжительности пребывания всех образующихся капель жидкости в потоке поступенчато сжимаемого воздуха; а также обеспечение полного испарения охлаждающей воды в проточной части компрессора ГТУ при расходе жидкости, достаточном для стабилизации мощности ГТУ на номинальном уровне при повышении начальной температуры сжимаемого воздуха от +15 до +40°C.The objective of the claimed invention is to provide thermodynamically efficient water injection into a single stage of an axial multistage compressor, and the technical results are to ensure the dispersion of the coolant using the factors of high-speed rotation of the compressor rotor; reduction of gas-dynamic losses from mixing fine moisture into the compressed air; an increase in the duration of stay of all formed liquid droplets in the flow of stepwise compressed air; as well as ensuring complete evaporation of cooling water in the flow path of the gas turbine compressor at a liquid flow rate sufficient to stabilize the gas turbine power at the nominal level when the initial temperature of the compressed air rises from +15 to + 40 ° C.

Решение указанной задачи путем достижения указанных технических результатов обеспечивается тем, что осевой многоступенчатый компрессор содержит корпус с размещенным внутри него лопаточным аппаратом со ступенями, каждая из которых включает рабочие и направляющие лопатки. При этом каждая из как минимум двух его направляющих лопаток имеет сквозную продольную полость и установлена одним концом в корпусе, а другим - в кольцевом бандаже с промежуточным уплотнением, которое ограничивает кольцевую пазуху в ободе несущего диска со стороны его внешней боковой поверхности. Причем к каждой сквозной продольной полости в как минимум двух вышеуказанных направляющих лопатках со стороны корпуса подведен трубопровод охлаждающей воды, а со стороны кольцевого бандажа - струйная форсунка, которая прикреплена к бандажному кольцу, помещена в кольцевую пазуху в ободе несущего диска и обращена под острым углом к радиусу обода несущего диска в сторону дна кольцевой пазухи. При этом над кольцевой пазухой в ободе несущего диска имеется сообщающаяся с ней кольцевая выемка и как минимум два радиальных канала, которые сообщают кольцевую выемку с объемом между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью обода диска. Причем как минимум две направляющих лопатки, каждая из которых имеет сквозную продольную полость, расположены симметрично по периметру внешней поверхности обода несущего диска относительно его оси в начальной - не далее третьей - ступени, при этом их количество составляет не более половины от общего числа направляющих лопаток в вышеуказанной ступени. Причем как минимум два радиальных канала в вышеуказанной ступени расположены равномерно по периметру внешней поверхности обода диска между рабочими лопатками.The solution of this problem by achieving the specified technical results is ensured by the fact that the axial multistage compressor contains a housing with a blade unit located inside it with stages, each of which includes working and guide vanes. In this case, each of at least two of its guide vanes has a through longitudinal cavity and is installed at one end in the housing, and at the other end in an annular band with an intermediate seal, which limits the annular cavity in the rim of the supporting disk from the side of its outer side surface. Moreover, a cooling water pipeline is connected to each through longitudinal cavity in at least two of the above guide vanes from the side of the body, and from the side of the annular shroud - a jet nozzle, which is attached to the retaining ring, is placed in the annular cavity in the rim of the carrier disk and is facing at an acute angle to the radius of the rim of the carrier disc towards the bottom of the annular cavity. In this case, above the annular cavity in the rim of the carrier disk there is an annular recess communicating with it and at least two radial channels that communicate the annular recess with the volume between the inner surface of the housing and the outer surface of the disk rim. Moreover, at least two guide vanes, each of which has a through longitudinal cavity, are located symmetrically along the perimeter of the outer surface of the rim of the carrier disk relative to its axis in the initial - not further than the third - stage, while their number is not more than half of the total number of guide vanes in the above stage. Moreover, at least two radial channels in the above stage are located evenly along the perimeter of the outer surface of the disc rim between the rotor blades.

Причинно-следственная связь между указанными техническими результатами и совокупностью существенных признаков формулы заключается в следующем.The causal relationship between the specified technical results and the set of essential features of the formula is as follows.

Охлаждающая вода через направляющие полые лопатки, расположенные в начальной - не далее третьей - ступени компрессора, поступает в струйные форсунки, закрепленные на бандажном кольце, и струйно осаждается под острым углом к радиусу обода несущего диска на дне кольцевой пазухи в его ободе на максимальном удалении от внутренней поверхности его наружного корпуса. При вращении обода диска струи воды консолидируются в кольцевой выемке, вода приобретает окружную скорость вращения обода несущего диска и под действием центробежных сил выбрасывается через равномерно расположенные по периметру внешней поверхности обода диска радиальные каналы в объем между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью обода диска, в котором размещены рабочие и направляющие лопатки (проточную часть осевого компрессора), и затем благодаря ее высокой кинетической энергии диспергируется в мелкие капли, которые подхватываются и испаряются в движущемся потоке воздуха, уже нагретого при сжатии в предыдущей ступени. При этом часть капель точечно смачивают внешнюю поверхность полых направляющих лопаток вблизи бандажного кольца и испаряются на ней. Аналогично смачиваются в условиях вращения прикорневая часть вогнутой поверхности рабочих лопаток последующей ступени, где в межлопаточных каналах под действием центробежных сил все капли начинают смещаться в потоке воздуха к периферии проточной части осевого компрессора. Соответственно удаляется от кольцевого бандажа смачиваемый каплями участок поверхности направляющих лопаток в каждой последующей ступени. Известно, что испарение воды в воздухе происходит при температуре, зависящей от парциального давления ее паров. Это давление повышается по мере увеличения степени сжатия воздуха и его влагосодержания. Однако повышение температуры воздуха при сжатии опережает рост парциального давления водяных паров. Поэтому температурный напор при испарении жидкости поступенчато увеличивается одновременно с влагопоглощающей способностью воздуха. В результате при умеренном расходе охлаждающей воды, равном 1,5÷1,7%, возможно ее полное испарение в проточной части компрессора ГТУ с однокаскадным сжатием воздуха до давления в 12÷25 раз выше атмосферного. Такой расход воды достаточен, чтобы стабилизировать мощность ГТУ на номинальном уровне при повышении начальной температуры наружного воздуха от +15 до +40°C. Промежуточный отбор воздуха на охлаждение турбины осуществляется из отверстия в стенке корпуса компрессора после его пятой ступени. При этом большинство мелких капель охлаждающей воды остаются в проточной части компрессора в качестве охладителя циклового воздуха, поскольку их ввод осуществляется на максимальном удалении от внутренней поверхности его корпуса.Cooling water through the guide hollow blades located in the initial - not further than the third - compressor stage, enters the jet nozzles fixed on the shroud ring, and is jet deposited at an acute angle to the radius of the carrier disk rim at the bottom of the annular cavity in its rim at a maximum distance from the inner surface of its outer case. When the disc rim rotates, water jets are consolidated in an annular recess, water acquires the circumferential speed of rotation of the carrier disc rim and, under the action of centrifugal forces, is ejected through radial channels evenly spaced along the perimeter of the outer surface of the disc rim into the volume between the inner surface of the housing and the outer surface of the disc rim, in which the working and guide blades are placed (the flow path of the axial compressor), and then, due to its high kinetic energy, it is dispersed into small droplets, which are picked up and evaporated in a moving stream of air already heated during compression in the previous stage. In this case, some of the drops pointwise wet the outer surface of the hollow guide vanes near the shroud ring and evaporate on it. The root part of the concave surface of the working blades of the next stage is similarly wetted under rotation conditions, where in the interscapular channels, under the action of centrifugal forces, all drops begin to displace in the air flow to the periphery of the flow path of the axial compressor. Correspondingly, the drop-wetted portion of the surface of the guide vanes in each successive stage is removed from the annular band. It is known that the evaporation of water in air occurs at a temperature that depends on the partial pressure of its vapor. This pressure increases as the compression ratio of the air and its moisture content increase. However, the rise in air temperature during compression outstrips the rise in the partial pressure of water vapor. Therefore, the temperature head during the evaporation of the liquid increases stepwise simultaneously with the moisture-absorbing capacity of the air. As a result, at a moderate flow rate of cooling water equal to 1.5 ÷ 1.7%, its complete evaporation in the flow path of the gas turbine compressor with single-stage air compression to a pressure of 12 ÷ 25 times higher than atmospheric pressure is possible. This water consumption is sufficient to stabilize the power of the gas turbine unit at the nominal level when the initial temperature of the outside air rises from +15 to + 40 ° C. Intermediate air intake for turbine cooling is carried out from a hole in the wall of the compressor casing after its fifth stage. In this case, most of the small drops of cooling water remain in the flow path of the compressor as a cycle air cooler, since they are introduced at the maximum distance from the inner surface of its housing.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На фиг. 1 изображена проточная часть осевого многоступенчатого компрессора ГТУ. На фиг. 2 изображена компрессорная ступень с впрыском воды (узел А на фиг. 1).FIG. 1 shows the flow path of an axial multistage gas turbine compressor. FIG. 2 shows a compressor stage with water injection (node A in FIG. 1).

Описание позиций чертежейDescription of drawing positions

1 - корпус переднего подшипника;1 - front bearing housing;

2 - входной суживающийся канал;2 - inlet tapering channel;

3 - поворотный входной направляющий аппарат;3 - rotary inlet guide vane;

4 - рабочие лопатки;4 - working blades;

5 - полые направляющие лопатки;5 - hollow guide vanes;

6 - корпус;6 - case;

7 - отбор охлаждающего воздуха;7 - selection of cooling air;

8 - направление подвода воздуха;8 - direction of air supply;

9 - обод несущего диска;9 - rim of the bearing disc;

10 - бандажное кольцо;10 - band ring;

11 - промежуточное лабиринтное уплотнение;11 - intermediate labyrinth seal;

12 - кольцевая пазуха;12 - annular sinus;

13 - струйная форсунка;13 - jet nozzle;

14 - кольцевая выемка;14 - annular recess;

15 - радиальный канал;15 - radial channel;

16 - трубопровод охлаждающей воды;16 - cooling water pipeline;

17 - сквозная продольная полость;17 - through longitudinal cavity;

18 - ось симметрии;18 - axis of symmetry;

β - угол между осью симметрии струйной форсунки и радиусом обода несущего диска R.β is the angle between the axis of symmetry of the jet nozzle and the radius of the rim of the carrier disk R.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Далее приведен частный пример конструкции осевого многоступенчатого компрессора и принцип его работы.The following is a particular example of the design of an axial multistage compressor and the principle of its operation.

На фиг. 1 изображена проточная часть осевого многоступенчатого компрессора для однокаскадного сжатия воздуха с присоединенным корпусом переднего подшипника 1, выполненным внутри него входным суживающимся каналом 2 и последующим входным поворотным направляющим аппаратом 3.FIG. 1 shows the flow path of an axial multistage compressor for single-stage air compression with an attached front bearing housing 1, an inlet tapering channel 2 formed inside it, and a subsequent inlet rotary guide vanes 3.

На фиг. 2 изображена вторая компрессорная ступень с впрыском воды (узел А на фиг. 1), которая состоит из установленных на ободе несущего диска 9 вращающихся рабочих лопаток 4, направляющих лопаток (на фиг. 2 не показаны) и двух неподвижных полых направляющих лопаток 5, каждая из которых имеет сквозную продольную полость 17 и с одной стороны закреплена в корпусе 6 во второй ступени компрессора. С другой стороны полые направляющие лопатки 5 объединены путем их закрепления на бандажном кольце 10 симметрично по периметру внешней поверхности обода несущего диска 9 относительно его оси симметрии 18. При этом бандажное кольцо 10 с промежуточным лабиринтным уплотнением 11 ограничивает кольцевую пазуху 12 обода несущего диска 9 со стороны его внешней боковой поверхности. Причем в кольцевой пазухе 12 находятся две струйные форсунки 13, каждая из которых сообщается со сквозной продольной полостью 17 в одной из двух полых направляющих лопаток 5. При этом две струйные форсунки 13 приварены к бандажному кольцу 10 и размещены в кольцевой пазухе 12 обода несущего диска 9 под острым углом β между осями их симметрии и радиусом R обода несущего диска 9 в сторону дна кольцевой пазухи 12. Под ободом несущего диска 9 над кольцевой пазухой 12 выполнена кольцевая выемка 14, которая сообщается с объемом между внутренней поверхностью корпуса 6 и внешней поверхностью обода несущего диска 9 с помощью двух радиальных каналов 15, равномерно расположенных по периметру внешней поверхности обода диска 9 между рабочими лопатками 4. При этом к каждой из сквозных продольных полостей 17 в полых направляющих лопатках 5 подведен трубопровод охлаждающей воды 16, закрепленный в отверстии в корпусе 6.FIG. 2 shows the second compressor stage with water injection (unit A in Fig. 1), which consists of rotating rotor blades 4 installed on the rim of the supporting disk 9, guide vanes (not shown in Fig. 2) and two stationary hollow guide vanes 5, each of which it has a through longitudinal cavity 17 and on one side is fixed in the housing 6 in the second stage of the compressor. On the other hand, the hollow guide vanes 5 are combined by fixing them on the shroud ring 10 symmetrically along the perimeter of the outer surface of the rim of the bearing disc 9 relative to its axis of symmetry 18. In this case, the shroud ring 10 with an intermediate labyrinth seal 11 limits the annular cavity 12 of the rim of the bearing disc 9 from the side its outer side surface. Moreover, in the annular cavity 12 there are two jet nozzles 13, each of which communicates with a through longitudinal cavity 17 in one of the two hollow guide blades 5. In this case, two jet nozzles 13 are welded to the shroud ring 10 and placed in the annular cavity 12 of the rim of the bearing disk 9 at an acute angle β between the axes of their symmetry and the radius R of the rim of the carrier disk 9 towards the bottom of the annular cavity 12. An annular recess 14 is made under the rim of the carrier disk 9 above the annular cavity 12, which communicates with the volume between the inner surface of the housing 6 and the outer surface of the rim of the carrier disk 9 with the help of two radial channels 15, evenly spaced along the perimeter of the outer surface of the rim of the disk 9 between the working blades 4. In this case, a cooling water pipeline 16 is connected to each of the through longitudinal cavities 17 in the hollow guide vanes 5, fixed in the hole in the housing 6.

Работа осевого многоступенчатого компрессора осуществляется следующим образом.The operation of an axial multistage compressor is carried out as follows.

Сначала воздух поступает в корпус переднего подшипника 1 и затем, проходит через воздушный суживающийся канал 2 и поворотный входной направляющий аппарат 3, после чего поступает в проточную часть осевого компрессора в корпус 6, внутри которого расположены вращающиеся рабочие лопатки 4 и неподвижные полые направляющие лопатки 5.First, the air enters the front bearing housing 1 and then passes through the narrowing air channel 2 and the rotary inlet guide vane 3, after which it enters the flow path of the axial compressor into the housing 6, inside which there are rotating rotor blades 4 and stationary hollow guide vanes 5.

При этом охлаждающая вода поступает по трубопроводу 16 через полые направляющие лопатки 5, расположенные во второй ступени компрессора, в струйные форсунки 13, после чего она струйно осаждается под острым углом β к радиусу R обода несущего диска 9 по направлению его вращения на дне его кольцевой пазухи 12. При вращении обода диска 9 струи воды консолидируются в кольцевой выемке 14, вода под действием центробежных сил выбрасывается через радиальные каналы 15 в проточную часть компрессора и диспергируется в мелкие капли, которые подхватываются и испаряются в движущемся потоке сжимаемого воздуха. Часть капель точечно смачивают внешнюю поверхность полых направляющих лопаток 5 вблизи бандажного кольца 10 и испаряются на ней. Аналогично смачиваются в условиях вращения прикорневая часть вогнутой поверхности рабочих лопаток 4 последующей ступени, где в межлопаточных каналах под действием центробежных сил все капли начинают смещаться в потоке воздуха к периферии проточной части. Соответственно удаляется от бандажного кольца 10 смачиваемый каплями участок поверхности полых направляющих лопаток 5 в каждой последующей ступени. Промежуточный отбор воздуха на охлаждение турбины осуществляется из отбора охлаждающего воздуха 7, который расположен после пятой ступени компрессора в стенке корпуса 6. При этом большинство мелких капель охлаждающей воды остаются в проточной части компрессора в качестве охладителя циклового воздуха, поскольку их ввод осуществляется на максимальном удалении от внутренней поверхности корпуса 6.In this case, the cooling water flows through the pipeline 16 through the hollow guide vanes 5 located in the second stage of the compressor into the jet nozzles 13, after which it is jet deposited at an acute angle β to the radius R of the rim of the supporting disk 9 in the direction of its rotation at the bottom of its annular cavity 12. When the rim of the disk 9 rotates, the water jets are consolidated in the annular recess 14, the water under the action of centrifugal forces is ejected through the radial channels 15 into the compressor flow path and is dispersed into small droplets that are picked up and evaporated in the moving stream of compressed air. Part of the drops pointwise wet the outer surface of the hollow guide vanes 5 near the shroud ring 10 and evaporate on it. Similarly, the root part of the concave surface of the working blades 4 of the next stage is wetted under rotation conditions, where in the interscapular channels, under the action of centrifugal forces, all drops begin to displace in the air flow to the periphery of the flow path. Correspondingly, the drop-wetted area of the surface of the hollow guide vanes 5 in each successive stage is removed from the shroud ring 10. The intermediate air intake for turbine cooling is carried out from the cooling air intake 7, which is located after the fifth stage of the compressor in the wall of the casing 6. In this case, most of the small drops of cooling water remain in the flow path of the compressor as a cycle air cooler, since they are introduced at the maximum distance from inner surface of the case 6.

При умеренном расходе охлаждающей воды, равном 1,5÷1,7%, происходит ее полное испарение в проточной части компрессора ГТУ с однокаскадным сжатием воздуха до давления в 12÷25 раз выше атмосферного, что позволяет при вышеуказанном расходе воды стабилизировать мощность ГТУ на номинальном уровне при повышении начальной температуры наружного воздуха от +15 до +40°C.At a moderate flow rate of cooling water equal to 1.5 ÷ 1.7%, its complete evaporation occurs in the flow path of the gas turbine compressor with single-stage air compression to a pressure of 12 ÷ 25 times higher than atmospheric, which makes it possible, at the above water flow rate, to stabilize the power of the gas turbine at the nominal level when the initial outdoor temperature rises from +15 to + 40 ° C.

Предлагаемый компрессор позволяет стабилизировать верхнюю границу регулировочного диапазона энергетической ГТУ, что особенно эффективно при прохождении максимумов нагрузки энергосистемы.The proposed compressor allows you to stabilize the upper limit of the control range of the power gas turbine, which is especially effective when passing the maximum load of the power system.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Осевой многоступенчатый компрессор согласно патентуемому изобретению отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области теплоэнергетики.An axial multistage compressor according to the invention being patented meets the requirement of "industrial applicability". The essence of the technical solution is disclosed in the formula, description and drawings clearly enough for understanding and industrial implementation by the relevant specialists on the basis of the state of the art in the field of thermal power engineering.

Claims (3)

1. Осевой многоступенчатый компрессор, содержащий корпус с размещенным внутри него лопаточным аппаратом со ступенями, каждая из которых включает рабочие и направляющие лопатки, отличающийся тем, что каждая из как минимум двух его направляющих лопаток имеет сквозную продольную полость и установлена одним концом в корпусе, а другим - в кольцевом бандаже с промежуточным уплотнением, которое ограничивает кольцевую пазуху в ободе несущего диска со стороны его внешней боковой поверхности; причем к каждой сквозной продольной полости в как минимум двух вышеуказанных направляющих лопатках со стороны корпуса подведен трубопровод охлаждающей воды, а со стороны кольцевого бандажа - струйная форсунка, которая прикреплена к бандажному кольцу, помещена в кольцевую пазуху в ободе несущего диска и обращена под острым углом к радиусу обода несущего диска в сторону дна кольцевой пазухи; при этом над кольцевой пазухой в ободе несущего диска имеется сообщающаяся с ней кольцевая выемка и как минимум два радиальных канала, которые сообщают кольцевую выемку с объемом между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью обода несущего диска.1. An axial multistage compressor containing a housing with a vane apparatus located inside it with stages, each of which includes working and guide vanes, characterized in that each of at least two of its guide vanes has a through longitudinal cavity and is installed at one end in the housing, and the other - in an annular band with an intermediate seal, which limits the annular sinus in the rim of the carrier disk from the side of its outer side surface; moreover, a cooling water pipeline is connected to each through longitudinal cavity in at least two of the above guide vanes from the side of the body, and from the side of the annular shroud - a jet nozzle, which is attached to the shroud ring, is placed in the annular cavity in the rim of the carrier disk and is facing at an acute angle to the radius of the rim of the carrier disk towards the bottom of the annular cavity; moreover, above the annular cavity in the rim of the carrier disk there is an annular recess communicating with it and at least two radial channels that communicate the annular recess with the volume between the inner surface of the housing and the outer surface of the rim of the carrier disk. 2. Осевой многоступенчатый компрессор по п. 1, отличающийся тем, что как минимум две направляющих лопатки, каждая из которых имеет сквозную продольную полость, расположены симметрично по периметру внешней поверхности обода несущего диска относительно его оси в начальной - не далее третьей - ступени.2. An axial multistage compressor according to claim 1, characterized in that at least two guide vanes, each of which has a through longitudinal cavity, are located symmetrically along the perimeter of the outer surface of the rim of the carrier disk relative to its axis in the initial - not further than the third - stage. 3. Осевой многоступенчатый компрессор по п. 2, отличающийся тем, что количество направляющих лопаток, имеющих сквозную продольную полость и расположенных симметрично по периметру внешней поверхности обода несущего диска относительно его оси в начальной - не далее третьей - ступени, составляет не более половины от общего числа направляющих лопаток в вышеуказанной ступени; причем как минимум два радиальных канала в вышеуказанной ступени расположены равномерно по периметру внешней поверхности обода несущего диска между рабочими лопатками.3. An axial multistage compressor according to claim 2, characterized in that the number of guide vanes having a through longitudinal cavity and located symmetrically along the perimeter of the outer surface of the rim of the carrier disk relative to its axis at the initial - not further than the third - stage is no more than half of the total the number of guide vanes in the above stage; moreover, at least two radial channels in the above stage are evenly spaced along the perimeter of the outer surface of the rim of the carrier disk between the rotor blades.
RU2020136171A 2020-11-03 2020-11-03 Axial multi-step compressor with water injection into flow part thereof RU2757150C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136171A RU2757150C1 (en) 2020-11-03 2020-11-03 Axial multi-step compressor with water injection into flow part thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136171A RU2757150C1 (en) 2020-11-03 2020-11-03 Axial multi-step compressor with water injection into flow part thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757150C1 true RU2757150C1 (en) 2021-10-11

Family

ID=78286508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020136171A RU2757150C1 (en) 2020-11-03 2020-11-03 Axial multi-step compressor with water injection into flow part thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757150C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4126907A1 (en) * 1990-09-05 1992-03-12 Hitachi Ltd RADIAL COMPRESSORS
RU72514U1 (en) * 2007-11-26 2008-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") AXIAL MULTI-STAGE COMPRESSOR
RU2612282C1 (en) * 2015-11-25 2017-03-06 Открытое Акционерное Общество "Уфимское Моторостроительное Производственное Объединение" (Оао "Умпо") Turbojet low-pressure compressor rotor fourth-stage impeller
RU2691699C2 (en) * 2014-09-02 2019-06-17 Ман Энерджи Солюшнз Се Centrifugal compressor stage

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4126907A1 (en) * 1990-09-05 1992-03-12 Hitachi Ltd RADIAL COMPRESSORS
RU72514U1 (en) * 2007-11-26 2008-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") AXIAL MULTI-STAGE COMPRESSOR
RU2691699C2 (en) * 2014-09-02 2019-06-17 Ман Энерджи Солюшнз Се Centrifugal compressor stage
RU2612282C1 (en) * 2015-11-25 2017-03-06 Открытое Акционерное Общество "Уфимское Моторостроительное Производственное Объединение" (Оао "Умпо") Turbojet low-pressure compressor rotor fourth-stage impeller

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104343471B (en) Axial flow compressor, possess the gas turbine of axial flow compressor and the remodeling method of axial flow compressor
Jafarizadeh et al. Assessment of the Huntorf compressed air energy storage plant performance under enhanced modifications
JP4311415B2 (en) COOLING DEVICE, GAS TURBINE SYSTEM USING COOLING DEVICE, HEAT PUMP SYSTEM USING COOLING MECHANISM, COOLING METHOD, COOLING DEVICE OPERATION METHOD
US7985278B2 (en) Method of separating CO2 from a gas flow, CO2 separating device for carrying out the method, swirl nozzle for a CO2 separating device
CN107023399B (en) Axial flow compressor
CA2823766C (en) Wet compression apparatus and method
US6012279A (en) Gas turbine engine with water injection
CN103899419B (en) The method of operation of axial flow compressor and axial flow compressor
US4080186A (en) Device for extracting energy, fresh water and pollution from moist air
US5669217A (en) Method and apparatus for intercooling gas turbines
US4695224A (en) Centrifugal compressor with injection of a vaporizable liquid
CN101185827A (en) System and method for removing water and siloxanes from gas
CN103452668B (en) Axial flow compressor and possess the gas turbine of this axial flow compressor
RU2757150C1 (en) Axial multi-step compressor with water injection into flow part thereof
US3761195A (en) Compressing centrifuge
Abdelwahab An investigation of the use of wet compression in industrial centrifugal compressors
CN100432395C (en) Gas turbine power generation equipment and air humidifier
JPS58135400A (en) Evaporable liquid injection type centrifugal compressor
JP2009133318A (en) System having compressor equipped with multiple middle coolers, and cooling method
Sanaye et al. Effects of inlet fogging and wet compression on gas turbine performance
JP3567090B2 (en) Gas turbines, combined cycle plants and compressors
RU2747533C2 (en) Blade and turbine unit
Porreca et al. Effect of Inlet Cooling on the Performances of Isotherm Main Air Compressor Used for ASU Applications
CN205784248U (en) Novel evacuated chiller
Fatimah et al. Increasing Compressor Gas Turbine Efficiency Using Fogging System at Inlet Air Filter Study Case of PLTGU Block 2 Muara Karang