Влияние впрыска воды в компрессор на характеристики газотурбинных энергетических установок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

005534-пэ

Динь Тьен Зунг

ВЛИЯНИЕ ВПРЫСКА ВОДЫ В КОМПРЕССОР НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность: 01.04.14. - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

Москва - 2013

005534115

Работа выполнена в Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) (МАИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Агульник Алекс Борисович

Официальные оппоненты:

Горюнов Иван Михайлович - доктор технических наук, старший научн сотрудник, Уфимский государственный авиационный технический университ профессор кафедры авиационных двигателей.

Попов Сергей Александрович — кандидат физико-математических наук, доце Московский авиационный институт (национальный исследовательск университет), доцент кафедры «Аэродинамика летательных аппаратов». Ведущая организация: ОКБ им. А. Люльки Открытого акционерного общест «Уфимское моторостроительное производственное объединение»

Защита состоится «21» октября 2013 года в 15.00 часов на заседай диссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московско авиационного института (национального исследовательского университета) адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационно института (национального исследовательского университета).

Автореферат разослан « » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.08 доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы: В настоящее время газотурбинные установки (ГТУ) находят все большее применение в энергетике. Перспективным направлением развития газотурбинной энергетики является использование конверсионных авиадвигателей. Это направление имеет как достоинства, так и недостатки. К достоинствам следует отнести высокий уровень совершенства авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), их малые массу и размеры, высокий уровень автономности, что делает их очень перспективными в классе мощности от нескольких мегаватт до 25...30Мвт. Быстро возводимая модульная конструкция газотурбинных электростанций делает их незаменимыми в чрезвычайных ситуациях. Однако наиболее очевидным их недостатком является достаточно невысокий уровень КПД - 0,25...0,36. В связи с этим актуальны вопросы повышения их мощности и термической эффективности. Одним из эффективнейших способов является впрыск воды в компрессор ГТУ. Положительное воздействие впрыска складывается из испарительного охлаждения воздуха в процессе сжатия и снижению выбросов окислов азота.

Многочисленные экспериментальные исследования ряда авторов (Беркович А.Л., Немировский В.И, Розеноер Е.Б., Арсеньев JI.B, Беляев В.Е., Середа С.О., Гельмедов Ф.Ш., Мунтянов И.Г., Мунтянов Г.Л., Слободянюк Л.И., Johnson L., Thomson P., McNeely M., фирма Hitachi (Япония) и др.) подтвердили эффективность применения впрыска воды в компрессор. Для расчетных оценок процессов сжатия воздуха в компрессоре при впрыске воды и изменения его характеристик необходимо разработать программу расчета «влажного» сжатия в многоступенчатом компрессоре с учетом всех основных определяющих теплофизических и газодинамических процессов, что позволит проводить сравнительный расчетно-теоретический анализ различных конверсионных схем ГТУ по газопаровым циклам (с различными вариантами подачи воды и/или пара в контур энергоустановки) и оптимизацию по величинам КПД и удельной мощности для конкретной выбранной схемы ГТУ.

Цель работы и задачи исследований: Целью работы является

математическое моделирование процесса «влажного» сжатия в компрессоре ГТ проведение расчетного исследования ГТУ по разработанным математическ моделям и предложения по схемам и параметрам перспективных ГТУ.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Разработана математическая модель поведения капель в межлопаточн канале.

• Разработана методика расчета теплофизических процессов в тра рабочего колеса и направляющего аппарата.

• Разработана методика расчета газодинамических параметров п течении паровоздушной смеси.

• Проведено расчетное исследование параметров ГТУ с «влажны сжатием и сравнение полученных расчетных данных с ГТУ по «просто схеме.

Научная новизна: Разработаны математические модели, позволяющ рассчитывать параметры компрессора при впрыске воды. Это позволяет проводи расчетные оценки эффективности работающих по парогазовому циклу ГТУ.

Практическая ценность: по разработанной методике проведены расчетнь исследования ГТУ, созданной на основе авиационного двигателя ГТД-350, «влажным» сжатием и «влажной» регенерацией. Полученные результат подтверждают эффективность применения впрыска воды в компрессор.

Достоверность и обоснованность работы подтверждаются:

• Сравнением выполненных расчетных исследований экспериментальными данными.

• Корректным использованием фундаментальных положений теор рабочих процессов газотурбинных двигателей, теории лопаточных маши теоретической теплофизики.

• Использованием признанных научных положений, апробированны

методов и средств исследования, применением математического аппарата, отвечающего современному уровню.

Личный вклад автора: Основные результаты получены лично автором под научным руководством проф., д.т.н. Агульника А.Б.

На защиту выносятся следующие положения:

• Физическая и математическая модели процесса сжатия в компрессоре газотурбинной установки при впрыске воды на входе в компрессор.

• Расчетные характеристики газотурбинной установки, создаваемой на базе авиационного двигателя ГТД-350, работающей по газопаровому циклу с применением впрыска воды и пароводяной регенерации тепла.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседании кафедры 201 «Теория воздушно-реактивных двигателей» МАИ, на 11-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика-2012» (13-15 ноября 2012 г. Москва, МАИ), на Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике —2013» (16-18 апреля 2013 г. Москва, МАИ).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 печатной работы, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание учебной степени кандидата наук.

Рекомендации по использованию результатов исследования:

Разработанная математическая модель и созданный на ее основе комплекс программ рекомендуется к применению на предприятиях, разрабатывающих газотурбинные энергетические установки (ММПП «Салют», ММП им. В.В.Чернышева, УМПО и др.), а также может найти применение в учебном процессе в энергетических и авиационных ВУЗах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из Введения, 4-ех глав, Заключения, списока литературы и приложения общим объемом 100 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работ сформулированы цель и задачи исследования, обоснован план рабо аргументирована новизна исследований, показана практическая значимо полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе проведен обзор экспериментальных работ, проводивших как российскими так и зарубежными исследователями, по применению впрыс воды в компрессор и его проточную часть (Беркович A.JL, Немировский В. Розеноер Е.Б., Арсеньев JI.B, Беляев В.Е., Середа С.О., Гельмедов Ф.Ш., Мунтян И.Г., Мунтянов Г.Л., Слободянюк Л.И., Johnson L., Thomson P., McNeely M. (США фирма Hitachi (Японии), и др.)

Имеющиеся экспериментальные исследования подтвердили эффективно применения впрыска воды в компрессор. Однако для проведения сравнительног расчетно-теоретического анализа различных конверсионных схем ГТУ п газопаровым циклам (с различными вариантами подачи воды и/или пара в конту энергоустановки) и оптимизации по величинам КПД и удельной мощности дл конкретной выбранной схемы ГТУ, необходимо разработать математическу модель и программу расчета «влажного» сжатия в многоступенчатом осево компрессоре с учетом всех основных определяющих теплофизических газодинамических процессов, влияющих на поведение влажной фазы - е диспергацию, образование и движение пленок на рабочих и направляющи лопатках, их испарение и влияние на параметры воздуха, газодинамик компрессора и процессы сжатия.

Вторая глава посвящена разработке математической модели процесс «влажного» сжатия. В ней представлена общая картина процессов и основны уравнения термодинамических параметров.

В малогабаритных компрессорах достаточно крупные капли, которы впрыскиваются на вход в компрессор, захватываются вращающимися лопаткам

первой ступени. Далее формирование размеров капель, их движение и испарение определяются уже не качеством распыла перед компрессором, а процессами срыва и отражения капель с поверхности лопаток ступеней.

В первых ступенях траектории капель существенно отличаются от линий тока воздуха. В последующих ступенях размеры капель и степень сепарации их на лопатки уменьшаются, вектор скорости капель по направлению и величине приближается к вектору скорости потока воздуха.

Пленка воды на поверхности лопаток малогабаритных компрессоров на первых ступенях движется устойчиво, без образования сухих участков. При этом толщина ее составляет до 15 мкм, а средняя расходная скорость несколько метров в секунду. Далее из-за уменьшения сепарации капель и их испарения, движение воды по поверхности лопаток происходит в виде пленки с образованием сухих участков.

При нормальных частотах вращения сепарация воды на корпус незначительна. Смещение капель по радиусу под действием центробежных сил оказывается относительно мало, смещение же пленки воды на поверхности лопаток РК к корпусу компрессора также невелико вследствие больших касательных напряжений между потоком воздуха и поверхностью пленки. Эти напряжения заставляют пленку двигаться в основном в осевом направлении и существенно уменьшают ее толщину, тем самым одновременно снижая воздействие центробежных сил. С понижением частоты вращения уменьшаются касательные напряжения и количество срываемой с пленки воды, в результате чего возрастает ее толщина и, соответственно, степень сепарации влаги на корпус.

Принята физическая модель процесса при вводе воды на вход компрессора в

виде крупных капель диаметром в десятки мкм и более — так называемый

макрокапельный ввод. При этом капли полностью захватываются лопатками и

движутся по ним в виде пленки, затем при сходе пленки с кромок лопаток

происходит полное дробление влаги скоростным потоком в виде монодисперсной

капельной фракции (капли одного диаметра). Таким образом, весь расход жидкости

существует либо в капельном виде, либо пленочном. Испаряются как капли, так и

пленка последовательно. Потери энергии потока складываются из потерь на разгон

7

капель в межлопаточных каналах, на движение пленки вместе с лопатками РК, и н дробление капель. На лопатках НА процессы аналогичны.

Термодинамические параметры в / -ой ступени компрессора при испарени влаги будут выражаться зависимостями, учитывающими гидравлический КПД /;„., отвод тепла от газообразного рабочего тела на фазовый переход при испарени жидкости А г. Предполагается, что потери трения газового потока в тракте при ввод малого расхода жидкости практически не изменяются по сравнению с чист воздушными значениями щ,.

Параметры торможения ступени (температура и давление газ

2«_ 4,-1

соответственно) равны Г,' = Г," + Н" '77"'——, р* = р\ ■ '—+1

с с "Т

V 1 У

Изменение энтальпии газа за счет фазового перехода испарившейся жидкост можно оценить Д/ = АХ, ■ (с, ■ (г,* - Г;)+ г + с„ • (Г}„ - Г,)), при этом первый и третий члены скобках пренебрежимо малы по сравнению со вторым.

Здесь АХ, - изменение паросодержания воздуха, с/ - удельная теплоемкость жидкости, Су — удельная теплоемкость пара, 1*1 - начальная температура жидкости, 7/ - равновесная температура поверхности жидкости,

- температура рабочего тела, г - теплота испарения.

При оценке КПД сухого сжатия цы наиболее значимыми потерями являются профильные потери в решетках (потери от трения в погранслое лопатки и вихревы в закромочном вихревом слое), концевые потери, вторичные потери (вызванны поперечным перетеканием воздуха в межлопаточном канале из-за разност давлений на вогнутой и выпуклой сторонах профиля и приводящими к образовани "парного вихря"), потери от перетечек (из-за радиального зазора в осево направлении навстречу потока, из-за осевого градиента давлений в компрессоре из-за перетекания со стороны высокого давления у лопатки на сторону низкого).

При оценке гидравлического КПД //«<, учитываются потери энергии потока на разгон капель, срывающихся с лопаток, на разгон присоединенной пленки вращающейся лопаткой и на дробление капель потоком.

В работах, выполненных в ОИВТ РАН, отмечается, что наличие воды в пограничном слое вызывает увеличение касательных напряжений на поверхностях проточной части компрессора. Но поскольку пленки достаточно тонкие и поэтому устойчивы, а на рабочих лопатках еще и из-за высоких центробежных усилий, действующих на пленку, поэтому в первом приближении влиянием влаги на потери от трения в погранслое можно пренебречь.

Местные распределения скоростей и концентрации частиц при обтекании тел потоком с взвешенными мелкими частицами (каплями) диаметром в микрон при сравнительно небольших массовых концентрациях (<30 %) позволяют использовать результаты аэродинамических исследований на чистом газовом потоке.

Все это позволяет принять, в первом приближении, справедливость независимого влияния чисто газовых и гидравлических воздействий и использованного указанного выше подхода к оценке КПД.

Газообразное рабочее тело считается идеальной смесью сухого воздуха и пара

X,

с массовыми концентрациями пара = —— и воздуха = 1 - , поэтому можно

1 +

использовать формулы для идеальной смеси газов:

Удельная теплоемкость газа сп = с/н, • gv + сра ■ ga.

Газовая постоянная = Л, • + ■ = 461,5 ■ gv + 287,3 • .

Коэффициент теплопроводности +

Коэффициент динамический вязкости = 1 .

Потери удельной работы на разгон капель в межлопаточных каналах при начальной нулевой скорости капли рассчитывается для РК и НА соответственно по формулам:

н _ С,РК (уу, -К^)1 _ С™, (с2'к,кУ

11 <1РК — „ п > пиил ■■■ п >

О¡гк 2 С111Л 2

здесь О/ркма — расход жидкости в соответствующем канале, С^рлг.ял— расход газа в соответствующем канале,

К л,- коэффициент скорости капли в соответствующем канале, равны

отношению скорости капли в конце канала к скорости газа,

относительная скорость газа в сечении на входе в рабочее колесо, а -абсолютная скорость газа в сечении на входе в направляющи

аппарат.

£ / _ \2

Потери энергии на движение пленки вместе с лопаткой Н, = —

2

здесь с/,, — окружная составляющая абсолютной скорости капель, равная то же составляющей скорости потока.

С учетом испарения жидкости в соответствующем канале и влагосодержани потока потери удельной работы составят:

О,,-С. 0,5 (нуО2 О,,-О. ■(*,-■*•■)-1,5 (сгКл)2

лрк~ + ' 2 ' О.-О + Я-,) ' 2 '

0„-О. (Ц-с,„);

+ ' 2 '

Потери энергии потока на дробление капель в каналах РК учитываютс

я ■ а,2, • N,сг выражением =-У—£!-1т-,

где а — диаметр капли, — расход капель, а - коэффициент поверхностног натяжения воды, Са - расход воздуха.

Каналы НА рассчитываются аналогично.

Гидравлические потери удельной работы ступени, возникающие пр движении капель в трактах ступени, определяются формулой

Нг1

Для математического описания процесса «влажного» сжатия необходим создать следующие модели:

• Движения капель в межлопаточном канале

• Движения пленки на лопатках рабочего колеса, направляющего аппарата и на корпусе компрессора

• Дробления жидкой пленки скоростным потоком

• Испарения капель и пленки

Капля, образовавшаяся на кромке лопатки с начальной нулевой скоростью, подвергается действию потока воздуха, имеющего две основные составляющие вектора скорости: вдоль лопатки и в окружном направлении. Капля в виде сферического недеформируемого невращающегося неиспаряющегося тела движется под действием аэродинамической силы сопротивления в плоской системе координат. Направление оси х поперек канала по вращению, оси у - вдоль канала по ходу потока.

Движение одиночной частицы в газовом потоке может быть описано уравнением Мещерского: "г= ^+ (-игр-у).

Это выражение учитывает переменность массы частицы т, движущейся со скоростью V, суммарное воздействие всех сил Р, и реакцию масс, отбрасываемых от

частицы со скоростью Р. Ускорение частицы — должно включать в себя

с!т

переносное, относительное и кориолисово ускорение, что резко усложняет расчеты в условиях достаточно интенсивного теплообмена частицы с потоком. В ряде задач в первом приближении можно пренебречь изменением массы частицы. Тогда

т — = > Р.. dт м '

Совокупность сил, действующих на частицу, движущуюся в потоке, также может быть ограничена главными силами: лобового сопротивления частицы потоку, весом, силой Магнуса — Жуковского и архимедовой силой. Сила лобового аэродинамического сопротивления может быть представлена в виде:

Рс = ^cFdg{w-v)\w-^\, а вес с поправкой на архимедову силу Ря = g{m-mг), где т и тг— масса частицы и вытесненного ею газа.

Для шаровой частицы коэффициент сопротивления - с =-

Яе

Зависимость с=У(11е) определяется по формуле, предложенной Вырубовым:

14

л/^7

, где число Рейнольдса капли равно Яе,, = а- диаметр капли.

По литературным данным среднее отклонение результатов расчета п указанной формуле от экспериментальных составляет не более 5 %.

Будем рассматривать плоскую картину движения. Тогда, пренебрега поправкой на силу Архимеда, что возможно при большом различии плотносте частицы и газа, представим уравнение движения в двухмерной системе координат:

здесь у/ху — составляющие скорости потока, vX y - составляющие скорости тела.

В общем случае при известном поле скоростей потока система уравнени движения капли может быть решена численно.

Время движения капли поперек канала шириной Хк, при воздействии н неподвижную в начале движения каплю потока, имеющего скорость равну окружной и:

I =3-1к

и

4й \/

А-х, /2

.Л

А Хъ

4й ] /

А-х, /2

За это время капля продвинется вдоль канала под действием потока с скоростью IV на расстоянии у к и будет обладать в конце канала скоростью Уку

здесь = А =

™ л '

а,а

Движение пленки воды на рабочей лопатке компрессора определяется воздействием центробежного ускорения и сил вязкостного трения жидкости о

поверхность лопатки. Уравнение движения ламинарной пленки в координатах х,у (х - радиально вдоль лопатки, у - поперек пленки): ¡х dhv/d^+djj = 0, с граничными условиями w = 0,у = 0, dw/dy = 0,у = S

Здесь j - центробежное ускорение, м/с2.

Интегрированием по толщине пленки S можно получить выражение для среднемассовой скорости w =jdß2/3/i.

При сходе пленки с лопатки образуется цилиндрический мениск с диаметром, равным толщине пленки и периметром, равным практически удвоенной ширине лопатки. Из равенства капиллярных сил силе динамического давления движущейся со среднемассовой скоростью пленки следует: w7 = 4a/djö,

тогда толщина пленки д = (36afi2/d/j2)"'2.

Водяная пленка на поверхности корпуса компрессора, образующаяся при разбрызгивании воды лопатками PK и сносе этих капель потоком газа в осевом направлении, подвергается воздействию скоростного потока вдоль оси при одновременном действии градиента статического давления, в общем случае, обратного направления.

Вязкостное течение пленки с учетом продольного градиента давления описывается уравнением одномерного движения: ці cPux/dy2 - dp/dx = 0, здесь ось х направлена вдоль потока, ось у - поперек пленки; их - осевая составляющая скорости пленки; ці — коэффициент динамической вязкости воды.

Граничными условиями служат условие прилипания жидкости к поверхности корпуса и воздействие на поверхность пленки толщиной 8 постоянного напряжения трения со стороны воздушного потока tw : у - 0, их = 0, х = S, ¡xidcx/dy = и>, где гw = £dfWg2/2,

£ - коэффициент трения газа о поверхность пленки £ = 0,072 /Rex°'2; wg - относительная скорость газа.

С целью упрощения принимается постоянство величины градиента давления на некотором участке dp/dx = А

Интегрированием уравнения движения получается зависимость скорост пленки от поперечной координаты их = Ay2/2/ui+ (zw - Ад)у/ц1, тогда среднемассова скорость пленки иХт — (Зт№ - 2Ад) б/ 6Ц1.

Выражение в скобках показывает, что если усилие от напряжения трени воздушного потока превышает усилие от перепада давления, то пленка движется направлении потока воздуха. Если перепад давления в компрессоре значителен, т пленка может двигаться в обратном направлении. При равенстве воздействи пленка на корпусе компрессора будет иметь определенную толщину и быть среднем неподвижной и устойчивой. Ее толщина будет равна д*шь = Зт»/2А.

Избыток расхода воды, вносимый каплями в пленку, увеличивает ее толщин по сравнению с устойчивой, срывается и уносится потоком. Параметры пленки н лопатках НА аналогичны параметрам пленки на корпусе. Отличие заключается присутствии кромочного распыла этой пленки при стекании с лопаток, в то врем как на корпусе пленка неразрывна по всей длине компрессора и подвергается лиш поверхностному воздействию скоростного потока.

Стекание жидкой пленки с выходной кромки лопатки обтекаемой скоростным потоком газа сопровождается дроблением пленки на капли. С помощью ряд известных экспериментальных методов по крупности распыления центробежными форсунками, можно разработать модель дробления жидкой пленки скоростным

потоком. Применяя «П-теорему» теории подобия получим ;—;—).

h V, V, A, d,

В правой части первый комплекс есть число Re для пленки жидкости. Второй

t,da vlrd , dv2l,

комплекс представляет собой отношение вида , = ( ) : ——часто

^ f, о-

называемое критерием Онезорге. Этот критерий получается как отношение квадрата числа Рейнольдса к критерию Вебера. Для уменьшения числа независимых параметров, введем некоторые упрощающие предположения. Будем считать, что

Aj

влияние изменения критерия — и отношения плотностей жидкости и газа

_ a vifd lfda (——const) тоже малое. Тогда — = F( ; , ). d, A,

Для определения вида функциональной зависимости Р можно использовать данные эксперимента по распыливанию, обработанные в соответствующих критериях в работе Раушенбаха Б.В., Прудникова А.Г. и др. (рис.1). Здесь критерий V 1,с1

П, = принят за аргумент, а каждая кривая отвечает определенному значению

П, = * , равному средней величине на данном интервале изменения (значения

Лг

Жидкость Вол» к,™. Випин

* 78 300 Д2? 800 03140

Т 40 500 •2| 700 + 5 НО

700 X 21 6С0

Оі 9 400 ■го ?оо

пределов изменения этого параметра указаны на графиках).

Рис.1. Связь между безразмерными параметрами для

процесса распиливания жидкости центробежными форсунками (Раушенбах Б. В. и др)

Эти зависимости хорошо аппроксимируются функцией — = (і35 + 3,67-Ю~3П2)-ПІ~09 .

В результате получена следующая зависимость медианного диаметра капли, полученной дроблением обтекающим пленку потоком:

ажд = 1/'\ 135 + 3,67-10"

Ясг

' Ше

здесь число Рейнольдса пленки по толщине и скорости потока газа Кс = —-—

число Вебера пленки по толщине и скорости лопаток газа \Уе =--—,

сг

Далее рассматривается процесс испарения капель и пленки. В силу принятой модели движения жидкости в межлопаточном канале ступени весь расход жидкости имеет капельную форму, затем пленочную.

Экспериментальные данные по теплообмену капли при слабой интенсивност оттока пара выражаются зависимостью Маршала-Ренца :

М^=2 + 0.6-^РгКт для Яе=10 — 500. Здесь Кт - экспериментальная поправка на увеличенный уровень турбулизаци потока.

Изменение диаметра капли с а, до а,м за время I из-за испарения описываете формулой Срезневского: а,2+, = а,2 - 0 • г,

8 ■ Я ■ (7* —Т )• К где © = —/ к' —^ - коэффициент испарения,

Кв = 1 + 0.3 • л/рг • Тяё • Кт - коэффициент интенсификации теплообмена, с/ - удельная теплоемкость жидкости, Та - равновесная температура поверхности жидкости, Тм- начальная температура жидкости. При испарении капли воды в паровоздушной смеси отток пара от капл тормозит подвод тепла к ней, в этом случае процессы диффузии и теплообмен взаимно связаны. При равенстве тепловых потоков подводимых к капле от газа отводимых диффузией наступает тепловое равновесие между каплей и средой Равновесная температура поверхности капли будет практически постоянной д полного ее испарения (температура мокрого термометра).

Теплообмен с тонкой пленкой как с плоской пластиной проведен по зависимости для турбулентного погранслоя. Справедливость такого приближения подтверждается продувками сопловых лопаток в аэродинамической ударной трубе для широкого диапазона чисел Рейнольдса (104-107). Для рассмотренных режимов компрессора числа Рейнольдса по длине лопатки составили (2-3). 105. Для этих чисел закономерности теплообмена как на стороне давления лопатки (корытце), так и на стороне разряжения (спинке) достаточно хорошо описываются формулой для плоской пластины с турбулентным потоком.

Среднее число Нуссельта для пленки по формуле плоской пластины равно Ыиг = 0.037 • Яе0/- Рг°-43- Кт/ для Яе>4-104.

Здесь числа Рейнольдса и Нуссельта определяется длиной пленки у, коэффициент учета турбулизации погранслоя по опытным данным Кт/.

Суммарное испарение в канале от капель и пленки рассчитывается по зависимости = 0„<( • КГм,

где расход пара при испарении капель = • (о,3 - а,3+|)- Иа ,

6

ос ' К

коэффициент интенсификации испарения за счет пленки Кс„ = 1 + ——.

Поверхность пленки считается двухсторонней, так как тепловой поток в пленку поступает от газового потока к контактной поверхности жидкости непосредственно и через лопатку (тепловое сопротивление материала лопатки из титанового сплава незначительно).

Поведение жидкой фазы в каналах центробежного компрессора имеет ряд особенностей. Капли, впрыскиваемые на вход РК, сепарируются на выпуклую сторону профиля лопаток. Однако они не образуют пленки, а под действием центробежных сил срываются с поверхности. По мере разгона капель потоком воздуха, кориолисовы силы вновь прижимают их к поверхности лопаток. После этого описываемый процесс повторяется. Размер капель, срываемых с лопаток, близок к равновесному в сносящем потоке, определяемых по зависимости Волынского.

В первом приближении математическая модель движения жидкой фазы заключается в следующем.

Вода, попадая в канал РК, формирует на входных кромках лопаток капли, которые срываются и движутся с испарением в газовом потоке со средними параметрами (относительной скоростью, давлением и температурой). Начальная абсолютная скорость капли нулевая. Диаметр капли является равновесным для данных параметров потока.

В диффузорах капля движется с испарением по участкам тракта со средними газодинамическими параметрами, причем по мере продвижения давление и температура газа возрастают, а скорость падает. Наличие водяной пленки в трактах

ЦБК принимаются одномерными, теплообмен с наружной средой отсутствуе изменением массы газа на участке за счет испарения капель можно пренебреч испарение капель за счет охлаждения газа учитывать в уравнении энерги (температуры).

Скорость капель в диффузорах принимается равной скорости газового поток; число Нуссельта капель равно ~ 2. Число капель по длине диффузоров неизменно.

Длина пути капли в диффузорах определяется из уравнения логарифмическо спирали:

/ Л _

i sin a sinar„

)

где Re*, Rsmt - радиус входа и выхода диффузора,

(Хер - средний угол касательной вектора скорости газа к траектории в дан но диффузоре.

Средняя скорость капли

с + с с = ^—^ 2

i

а время пребывания капли в диффузоре I,

Наличие двухфазного течения в РК (капель жидкости в потоке сопровождается потерями энергии на разгон капель AHW, которые учитываются параметрах £#/¡z и AEz и в уравнении энергии. Процесс испарения капель пр движении в канале РК приводит к появлению дополнительного члена в уравнени энергии, описывающего затраты тепла на испарение жидкости d¡.

Для двухфазного течения в РК уравнение энергии примет вид:

Т .- г i ■ Hz

2 kR kR

к-\ Лг — 1

Суммарная потеря энергии

Изменение кинетической энергии

с2-с2

ДЕ, = Я, - АН —5-¡22 2 " 2

Индекс ср относится к средней линии потока.

По разработанной математической модели процесса «влажного» сжатия разработана методика и программа расчета ступеней осевого компрессора при вводе воды на вход.

Последовательность газодинамического расчета представляет собой итерационный процесс для каждой ступени. Исходная итерация заключается в использовании параметров воздушного режима для определения потерь удельной работы при вводе воды, процессов дробления пленки на капли, движения капель, испарения капель и пленки в первой ступени при неизменных входных условиях. Далее для данной ступени определяются термодинамические и переносные свойства газообразного тела как смеси идеальных газов воздуха и пара, проводится корректировка удельной работы и к.п.д. ступени, газодинамический расчет ступени с определением всех скоростей и термодинамических параметров рабочего тела в характерных сечениях. Итерации повторяются до тех пор, пока изменение влагосодержания на выходе ступени в двух последующих итерациях не станет отличаться не более, чем на 0,01%.

Методика и программа расчета представлена в виде блок-схемы (рис.2).

В третьей главе диссертации проведена оценка достоверности разработанной методики расчета параметров компрессора при «влажном» сжатии при сравнении расчетных исследований с экспериментальными, проводившимися для компрессора двигателя АЛ-21. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных исследований показан на рис. 3-5.

Рис.2. Блок-схема алгоритма расчета процесса «влажного» сжатия В четвертой главе приведены расчетные оценки характеристик газотурбинной установки, создаваемой на базе авиационного двигателя ГТД-350, при организации впрыска воды в компрессор и после него и с одновременной «влажной» регенерацией тепла.

Схема полученной ГТУ показана на рис.6.

700 650 600 550 500 450 400

350 [........-——Ä—......-

300 И—...............-

250 L-------------------------

0 2 4 6

♦ TO сух расч А TO сух эксп втулки + Т0 влаж эксп периферии

Ж ♦

+

8 10 12 и

ШТО влаж расч

ХТО сух эксп периферии

® ТО влаж эксп втулки

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 О

.^..JL

* •

0 2 4 6

♦ РО сух рас А РО сух эксп втулки + Р0 влаж эксп периферии

8 10 12 14

^ РО влаж рас

ХРО сух эксп периферии

» РО влаж эксп втулки

Рис.3. Изменение полной температуры (К) по ступеням

Рис. 4. Изменение полного давления (бар) по ступеням

дахтокм «ИИПЭЗССОр :>

2,5

1,5

газ-

мздух

J.......

ЕЬ

.к пара и нчшуха

О

10 12 14

Рис.6. Схема ГТУ с применением «влажного»

Ф сух расч Швлажрасч сух ЭКСП X влаж эксп г, с п „, „ сжатия с «влажной» регенерацией тепла

Рис. 5. Зависимость степени сжатия группы И ^ *

ступеней от номера ступени

Результаты расчетов при работе по простой схеме ГТУ и по различным вариантам газопаровых циклов с впрыском воды и регенерацией тепла показаны в таблице 1.

Применение «влажного» сжатия и регенерации тепла существенно повышает термодинамическую эффективность ГТУ. Ее КПД поднимается до уровня 34-К37 % с исходных 17%, а удельная мощность составляет =21(Н220 кДж/кг.

Таблица 1

Основные расчетные параметры ГТУ на базе двигателя ГТД - 350 в различных режима:

Наименование параметров Размерность Режимы

Простой цикл С регенерацией без впрыска в компрессор С регенерацией и впрыском в компрессор С регенерацией и впрыском в и после компрессора

Мощность на валу кВт 324 322 352 490

КПД на валу %% 17,01 27,91 28,96 37

Удельная мощность на валу кВт/кг воздуха 147 146 160 223

Незначительная эффективность «влажного» сжатия без регенерации тепла дл: анализируемой ГТУ объясняется малыми размерами компрессора и, следовательно малым времен пребывания в его ступенях диспергированной фазы (и пленок), чт< приводит к тому, что общая доля испаряющейся в компрессоре впрыскиваемо! воды - невелика. К тому же, температура воздуха в осевой части компрессора такж невелика, что тоже сказывается на малой эффективности испарения.

В Заключении сформулированы выводы по диссертационной работе:

1. Разработана математическая модель процесса сжатия в компрессор ГТУ при впрыске воды на вход в компрессор. Проведена оценка общей картины движения воды в тракте компрессора в капельном и пленочном виде. Разработаны методики расчета процессов дробления пленки, испарения капель и пленки и учета потерь подведенной к компрессору работы на движение воды в потоке.

2. Разработана методика и апробирована программа расчета компрессоров ГТУ, работающих по газопаровым циклам с применением впрыска воды и пара. Программа учитывает ряд особенностей газопаровых ГТУ, в частности, изменение теплофизических свойств рабочего тела, характеристик компрессора, реальные потери в компрессоре при впрыске воды и другие. Полученная методика позволяет провести сравнительную оценку различных вариантов малых конверсионных газопаровых ГТУ с последующим анализом и сравнением с экспериментальными данными, проанализировать планируемые эксперименты и их подготовку, а также оценить перспективность осуществления тех или других сочетаний впрысков воды.

3. Проведена оценка достоверности разработанной методики путем

22

сравнения расчетных исследований компрессора двигателя AJI-21 при впрыске воды на его вход с экспериментальными исследованиями. Расхождение расчетов с экспериментом не превысило 5%.

4. Проведены расчеты характеристик ГТУ, создаваемой на базе авиационного двигателя ГТД-350 при работе с «влажным» сжатием и регенерацией тепла. Расчеты показывают, что несмотря на сравнительно малый масштаб (мощность не более 0,3 МВт на валу свободной турбины), при работе с «влажным» сжатием и регенерацией тепла КПД энергоустановки может быть повышен с 17 % до 35-К37 %, а удельная мощность - в 1,7 раза, что является убедительной демонстрацией возможностей рассматриваемого газопарового цикла.

5. Представлены рекомендации по использованию результатов исследования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Динь Тьен Зунг. Перспективные схемы энергетических ГТУ на базе авиационных двигателей // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 1. С. 14-18.

2. Динь Тьен Зунг, Агульник А.Б. Расчетное исследование параметров ГТУ малой мощности на основе авиационных двигателей при «влажном» сжатии // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 4. С. 36-39.

3. Динь Тьен Зунг. Перспективные схемы энергетических ГТУ на базе авиационных двигателей // 11-я Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2012». 13-15 ноября 2012 года. Москва. Тезисы докладов. - СПб.: Мастерская печати, 2012. С. 184.

4. Динь Тьен Зунг, Агульник А.Б. Расчетное исследование параметров ГТУ малой мощности на основе авиационных двигателей при «влажном» сжатии // Московская молодежная научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике - 2013». 16-18 апреля 2013 года. Москва. Сборник тезисов докладов. - М.: ООО «Принт-салон». С. 160.

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

04201361552

На правах рукописи

Динь Тьен Зунг

ВЛИЯНИЕ ВПРЫСКА ВОДЫ В КОМПРЕССОР НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

УСТАНОВОК

Специальность: 01.04.14. - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н, профессор Агульник Алексей Борисович

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................4

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНЯ И СОКРАЩЕНИЯ.....................................................................8

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................10

1.1. Испытание компрессора АЛ-21ФЗ установки МЭС-60 при впрыске воды во вход и в проточную часть................................................................................................................10

1.2. Влияние испарительного охлаждения воздуха до входа в компрессор на показатели работы ГТУ..........................................................................................................15

1.3. Работа Слободянюка....................................................................................................16

1.4. Результаты испытаний модели компрессора ГТУ-150.............................................17

1.5. Исследование фирмы Hitachi.......................................................................................19

1.6. Влияния впрыска воды на параметры работы установки ГТ-009............................20

1.7. Впрыск воды в компрессор GE LM 6000...................................................................21

1.8. Влияние впрыска на параметры компрессоров установки ГТУ-20.........................22

1.9. Испытания натурного агрегата ГТЭ-25 ТМЗ с впрыском воды в компрессор.......23

1.10. Испытания ГТД М-90 с впрыском воды.................................................................23

Вывод........................................................................................................................................24

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА «ВЛАЖНОГО» СЖАТИЯ......................................................................................................................................24

2.1. Общая картина процессов и основные уравнения термодинамических параметров. 24

2.2. Движение капель в межлопаточном канале...............................................................30

2.3. Пленка воды на рабочей лопатке компрессора.........................................................34

2.4. Пленка воды на корпусе компрессора........................................................................35

2.5. Пленка воды на лопатках направляющего аппарата.................................................36

2.6. Дробление жидкой пленки скоростным потоком......................................................37

2.7. Испарение капель и пленки.........................................................................................41

2.8. Особенности поведения жидкой фазы в каналах центробежного компрессора ....45

2.8.1. Особенность рабочего процесса в радиальных решетках.................................45

2.8.2. Параметры газового потока в канале РК............................................................46

2.8.3. Параметры газового потока в диффузорах и ВУ...............................................49

2.9. Методика расчета ступеней компрессора при вводе воды на вход.........................53

Вывод........................................................................................................................................55

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА ПРИ «ВЛАЖНОМ СЖАТИИ».......................................56

3.1. Расчетное исследование компрессора АЛ-21 разработанной методики.................56

3.2. Количественное сравнение результатов расчета и опыта........................................58

Вывод........................................................................................................................................62

ГЛАВА 4. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГТУ С «ВЛАЖНЫМ»

СЖАТИЕМ И РЕГЕНЕРАЦИЕЙ...............................................................................................63

4.1. Оценки ГТД-350 при работе по газопаровому циклу...............................................63

4.2. Особенности работы осецентробежного компрессора ГТД-350 при впрыске воды 67

Вывод........................................................................................................................................72

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................................73

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................................75

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................................................................86

ВВЕДЕНИЕ

В условиях резкого сокращения прироста мощностей, критического состояния технического уровня энергооборудования электростанций и распределительных (тепловых и электрических) сетей, а также многократного повышения тарифов на электрическую и тепловую энергию, перспективным подходом к решению имеющихся проблем представляется развитие децентрализованного энергоснабжения предприятий промышленного, коммунального и сельскохозяйственного назначения. Суть подхода состоит в широкомасштабном внедрении в регионах эффективных энергетических комплексов умеренной мощности, размещаемых вблизи потребителей энергии. При этом существенным образом сокращаются потери тепловой и электрической энергии в магистральных и распределительных сетей. Таким образом, за счет фактической реализации концепции "распределенного" энергоснабжения, обеспечивается не только ощутимая экономия топлива и энергии, но и существенно повышается надежность энергоснабжения в регионе.

В настоящее время газотурбинные установки (ГТУ) находят все большее применение в энергетике. Перспективным направлением развития газотурбинной энергетики является использование конверсионных авиадвигателей. Это направление имеет как достоинства, так и недостатки. К достоинствам следует отнести высокий уровень совершенства авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), их малые массу и размеры, высокий уровень автономности, что делает их очень перспективными в классе мощности от нескольких мегаватт до 25...30Мвт. Быстро возводимая модульная конструкция газотурбинных электростанций делает их незаменимыми в чрезвычайных ситуациях. Однако наиболее очевидным их недостатком является достаточно невысокий уровень КПД - 0,25...0,36. В связи с этим актуальны вопросы повышения их мощности и термической эффективности. Одним из эффективнейших способов является впрыск воды в компрессор

4

ГТУ. Положительное воздействие впрыска складывается из испарительного охлаждения воздуха в процессе сжатия и снижению выбросов окислов азота.

Многочисленные экспериментальные исследования ряда авторов подтвердили эффективность применения впрыска воды в компрессор. Для расчетных оценок процессов сжатия воздуха в компрессоре при впрыске воды и изменения его характеристик необходимо разработать программу расчета «влажного» сжатия в многоступенчатом компрессоре с учетом всех основных определяющих теплофизических и газодинамических процессов, что позволит проводить сравнительный расчетно-теоретический анализ различных конверсионных схем ГТУ по газопаровым циклам (с различными вариантами подачи воды и/или пара в контур энергоустановки) и оптимизацию по величинам КПД и удельной мощности для конкретной выбранной схемы ГТУ.

Цель работы и задачи исследований: Целью работы является математическое моделирование процесса «влажного» сжатия в компрессоре ГТУ, проведение расчетного исследования ГТУ по разработанным математическим моделям и предложения по схемам и параметрам перспективных ГТУ.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Разработана математическая модель поведения капель в межлопаточном канале.

• Разработана методика расчета теплофизических процессов в тракте рабочего колеса и направляющего аппарата.

• Разработана методика расчета газодинамических параметров при течении паровоздушной смеси.

• Проведено расчетное исследование параметров ГТУ с «влажным» сжатием и сравнение полученных расчетных данных с ГТУ по «простой» схеме.

Научная новизна: Разработаны математические модели, позволяющие рассчитывать параметры компрессора при впрыске воды. Это позволяет проводить расчетные оценки эффективности работающих по парогазовому циклу ГТУ.

Практическая ценность: по разработанной методике проведены расчетные исследования ГТУ, созданной на основе авиационного двигателя ГТД-350, с «влажным» сжатием и «влажной» регенерацией. Полученные результаты подтверждают эффективность применения впрыска воды в компрессор.

Достоверность и обоснованность работы подтверждаются:

• Сравнением выполненных расчетных исследований с экспериментальными данными.

• Корректным использованием фундаментальных положений теории рабочих процессов газотурбинных двигателей, теории лопаточных машин, теоретической теплофизики.

• Использованием признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, применением математического аппарата, отвечающего современному уровню.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседании кафедры 201 «Теория воздушно-реактивных двигателей» МАИ, на 11-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика-2012» (13-15 ноября 2012г. Москва, МАИ), на Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2013» (16-18 апреля 2013 г. Москва, МАИ).

Рекомендации по использованию результатов исследования:

Разработанная математическая модель и созданный на ее основе комплекс программ рекомендуется к применению на предприятиях, разрабатывающих

газотурбинные энергетические установки (ММПП «Салют», ММП им. В.В.Чернышева, УМПО и др.), а также может найти применение в учебном процессе в энергетических и авиационных ВУЗах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из Введения, 4-ех глав, Заключения, списка литературы и одного приложения. Диссертация изложена на 100 страницах, содержит 21 рисунок и 9 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Индексы параметров рабочих тел:

а - воздух

V - пар

d - капля

1 - жидкость

f - пленка воды

g - паровоздушный газ

w - влага вообще

ш - средняя величина

12 - средняя по длине ЮС

23 - средняя по длине ЫА

s - параметры насыщения

Геометрические размеры тракта ступени:

Эс - диаметр корпуса, м

(радиальный зазор лопаток принят нулевым) диаметр корпуса постоянный для всех ступеней Бы, Т)\\2, Эиз - диаметры втулок, м

гик, 1ыл - шаг установки лопаток по среднему диаметру, м

Пяк, nNA - число лопаток, шт

Бик, 8ыа - осевые размеры лопаток венцов, м

Вкк, Выа - хорды лопаток на среднем диаметре, м

Коэффициенты:

R - степень реактивности

Kg - коэффициент расхода

аяк - коэффициент полного давления в RK

ctna - коэффициент полного давления в NA

Kxd - коэффициент пути капель

Кп - коэффициент теоретического напора

Параметры:

Ga - расход сухого воздуха, кг/с Gw - расход влаги, кг/с

п - число оборотов ротора компрессора, 1/с (об/мин)

Ни - удельная работа подводимая к ступени, Дж/кг

Eta, - адиабатный КПД ступени по параметрам торможения (r|0i)

C¡a - осевая составляющая абсолютной скорости газа на входе, м/с

Ст - окружная составляющая абсолютной скорости воздуха на входе, м/с

Wi - относительная скорость воздуха на входе, м/с

С2 - абсолютная скорость воздуха на выходе RK, м/с

dlíj - угол потока на выходе RK в абсолютном движении, град (рад)

dlf*3 - угол потока на выходе NA, град (рад)

Ti - температура. К

Pi - давление, Па

dqi - плотность, кг/м3

Toi - температура торможения, К

P0i - давления торможения, Па

Xi - паросодержание на входе

а; - средний диаметр капель, м

cfi2, CÎ23- скорость течения пленки воды на лопатке, м/с Теплофизические свойства рабочих тел.

К - показатель адиабаты

Ri - газовая постоянная, Дж/кгК

di - плотность, кг/м3

Щ - коэффициент динамической вязкости, Па с

Vi - коэффициент кинематической вязкости, м2/с

к - коэффициент теплопроводности, Вт/мК

с - коэффициент поверхностного натяжения воды н/м

Cpi, Ce - удельная теплоемкость газов воды, Дж/кгК

r - удельная теплота парообразования, Дж/кг

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведены многочисленные экспериментальные основания по теме впрыска воды в компрессор.

1.1. Испытание компрессора АЛ-21ФЗ установки МЭС-60 при впрыске воды во вход и в проточную часть

В работе [8] представлены результаты испытаний 14-ступенчатого компрессора АЛ-21ФЗ установки МЭС-60, содержащие оценки эффективности впрыска воды во входной канал для повышения параметров компрессора в целом и групп его ступеней.

Влияние впрыска воды на характеристики компрессора и групп его ступеней при трех вариантах подачи воды представлено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Влияние впрыска воды во входной канал на характеристики компрессора.

ÖGL, %: О — 0; А — ~ 1,6; • — ~ 2,2; я — ~ 2,5; А — 0 (вдув сжатого воздуха)

Анализируя этот рисунок, можно сделать следующие выводы: • испарение воды в компрессоре приводит к значительному повышению эффективного КПД, причем тем в большей степени, чем больше подается воды. Так, при SGL ~ 2,5 % максимальное значение КПД достигает уровня 0,945, а в контрольной точке с п£ = 11 -0,915;

• впрыск воды вызывает заметное увеличение степени повышения давления на границе устойчивой работы; в частности, если при работе на сухом воздухе она ограничивается значением 12,2, то при подаче воды в количестве бОЬ ~ 2,5 % достигает уровня 13,7;

• положительный эффект, получаемый от впрыска воды, состоит в том, что при этом увеличивается эффективный расход рабочего тела (т.е. паровоздушной смеси, включающей количество подаваемой воды); при ~ 2,5 % прирост расхода рабочего тела составляет примерно 4,5 %.

Рис. 1.2. Влияние впрыска воды во входной канал на характеристики групп ступеней компрессора; 0—4 (а); 5—9 (б); 10—13 (в).

ЮЬ, %: о— 0; ▲ — ~ 1,6; •--2,2; ■ — -2,5

В данной работе была предпринята попытка оценить изменение характеристик групп ступеней компрессора, связанных с испарением влаги в компрессоре. Результаты обработки экспериментальных данных показаны на рис. 1.2. На нем изображены зависимости степени повышения давления групп ступеней от расхода рабочего тела, приведенного к условиям на входе в каждую из них. Из рисунка видно, что под влиянием впрыска воды уровень значений л£ у группы первых ступеней в значительной мере снижается. По-видимому, этот эффект связан с возрастанием углов отставания потока в решетках профилей компрессора, вызванным наличием в потоке капель жидкости.

Напорные характеристики групп средних и последних ступеней под влиянием испарения влаги смещаются в сторону увеличения степени повышения давления. Причина такого явления очевидна: в связи со снижением температуры потока повышается эффективность процесса сжатия.

Результаты испытаний компрессора свидетельствуют о высокой эффективности применения впрыска воды в его проточную часть для повышения его параметров.

Благодаря этому открываются возможности:

• значительного (на 6 % и более) повышения эффективного КПД;

• увеличения (примерно на 10 %) степени повышения давления на границе устойчивой работы компрессора;

• повышение (примерно на 3...4 %) расхода рабочего тела (паровоздушной смеси).

Оценочная погрешность определения КПД составляет около 1 %.

Под воздействием влияния впрыска воды на напорные характеристики групп ступеней компрессора происходит существенное увеличение степени повышения давления средних и последних ступеней при малом ее изменении или уменьшении у первых ступеней.

В работе [11] представлены результаты испытаний впрыска воды в проточную часть компрессора установки МЭС-60.

Впрыск воды в газовоздушный тракт компрессора осуществлялся через три независимых блока: входной коллектор перед компрессором, направляющие аппараты 3-й и 8-й ступеней компрессора («статорный впрыск») и через втулочную часть ротора между рабочими лопатками 4-10-й ступеней («роторный впрыск»).

ПэфОЭ 0,8В 0,87 0,86 0,85 0,84

и-0,87 (7300 об/мин); л/* 11; До^-0'

]

..........................1 1 ) 1 ^/Г

.........

.....

?_I-______

0.5

1

Г,5

2,5

%

—— - подана воды в 3>ю ступень НА; — - подача воды во входной коллектор с учетом потерь пттго давления от загромождения коллектора; —- - подача воды в ротор компрессора через 4, 5, 6, 7, Я 10 рабочие колеса; —- подача воды в Н ю ступень НА

Рис. 1.3. Изменение эффективного кпд компрессора основного двигателя МЭС-60 от количества впрыскиваемой воды. На рис. 1.3 приведено изменение эффективного кпд компрессора основного двигателя МЭС-60 от количества впрыскиваемой воды — видно, что испарение воды в компрессоре приводит к его значительному повышению.

Кпд повышается по мере увеличения количества подаваемой воды. Предпочтительным является вариант подачи воды через лопатки направляющего аппарата 3-й ступени — в этом случае исключается влияние отрицательных факторов, когда вода подается через форсунки во входном канале (повышенные гидравлические потери, затраты энергии на сжатие воздуха и его вдувание через форсунки).

Проведена экспериментальная проверка характеристик компрессора, а также эффективности впрыска воды (при различных температурах потока воздуха) на входе и при подаче через лопатки НА 3-й ступени. Показано, что разные значения температуры воздуха на входе в компрессор (+45...50°С) и воды, подаваемой к форсункам НА (+15, 40 и 90°С), не оказывают существенного влияния ни на характеристики компрессора, ни на эффективность впрыска.

45 55 65 75 85 95 105 115 ШСа?#С1/с)

----- характгрпстики компрессора бел впрыска коды;

-