Форсунка и способ промывки компрессоров газотурбинных установок
Настоящее изобретение относится к форсунке для промывки газотурбинной установки во время ее работы. Кроме того, изобретение относится к способу промывки газотурбинной установки в процессе ее работы и устройству для промывки газотурбинной установки. Форсунка предназначена для распыления промывочной жидкости в воздушный поток в воздухозаборнике и содержит корпус с входным торцом для ввода промывочной жидкости и выходным торцом для выхода промывочной жидкости. Кроме того, форсунка снабжена рядом сопел, которые присоединены к выходному торцу, при этом соответствующее сопло расположено на заданном расстоянии от центральной оси корпуса форсунки, за счет чего в желательной области может быть повышена локальная плотность инжектируемой промывочной жидкости с сохранением размера капель. В результате может быть значительно улучшена эффективность процесса очистки, и в то же время значительно снижается опасность повреждения газотурбинной установки. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к промывке газотурбинных установок, в частности к форсунке для промывки газотурбинной установки в процессе ее функционирования. Кроме того, изобретение относится к способу промывки газотурбинной установки в процессе ее функционирования.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к общепринятой технологии промывки газотурбинных установок, снабженных осевыми компрессорами или радиальными компрессорами. Газотурбинные установки содержат компрессор для сжатия воздуха, камеру сгорания, предназначенную для сжигания в ней топлива вместе со сжатым воздухом, и турбину, приводящую компрессор во вращение. Компрессор, в свою очередь, содержит большое количество ступеней сжатия, при этом одна ступень сжатия включает в себя диск ротора и установленный за ним последовательно диск статора, снабженные лопатками.
Газотурбинные установки при своем функционировании потребляют большое количество воздуха. Потребляемый воздух содержит загрязнения в виде небольших частиц, называемых аэрозолями, которые поступают в компрессор вместе с потоком воздуха. Большинство этих частиц будет увлекаться потоком воздуха и выходить из газотурбинной установки вместе с продуктами сгорания. Однако существуют частицы, обладающие свойством налипать на элементы проточной части газотурбинной установки. Эти частицы осаждаются на элементах проточной части с образованием покрытия, что снижает аэродинамические качества элементов двигателя. Образовавшееся покрытие увеличивает шероховатость поверхности, что приводит к уменьшению степени сжатия газа, а также к уменьшению расхода воздуха, который сжимается в компрессоре. В газотурбинном двигателе осаждение загрязняющих частиц приводит к снижению кпд двигателя, снижению массового расхода и уменьшению степени сжатия компрессора. Для снижения количества загрязнений современные газотурбинные установки снабжают фильтрами для фильтрования воздуха, поступающего в компрессор. Однако эти фильтры могут улавливать только часть загрязняющих частиц. Для поддерживания экономичной работы газотурбинного двигателя, как установлено, элементы компрессора, находящиеся в газовом тракте, необходимо регулярно очищать, что позволяет сохранить хорошие аэродинамические качества.
В настоящее время известны различные способы очистки компрессоров газотурбинных установок. Как известно, в воздушный поток можно вводить раздробленную скорлупу орехов. Недостаток данного способа заключается в том, что частицы ореховой скорлупы могут найти свой незапланированный путь во внутренней воздушной системе газотурбинной установки с последующим закупориванием каналов и клапанов. Другой известный способ очистки основан на смачивании элементов компрессора моющим средством. Используемое моющее средство инжектируют посредством форсунок, распыляющих это моющее средство в воздушном потоке, проходящем через компрессор.
Размеры стационарных газотурбинных установок в значительной степени варьируются. Самые большие поставляемые на рынок газотурбинные установки имеют ротор диаметром, превышающим два метра. Это означает, что воздушный канал выше по потоку от компрессора также будет иметь большие геометрические размеры. В газотурбинных установках с ротором, диаметр которого составляет два метра, расстояние до противоположной стенки канала может превышать два метра. При таких больших геометрических размерах могут возникать трудности в инжектировании промывочной жидкости в часть канала, через которую протекает ядро воздушного потока. Если жидкость увлекается ядром воздушного потока, поверхности рабочих лопаток ротора и направляющих лопаток статора будут смачиваться в значительной степени, и в результате будет обеспечена качественная промывка. Если жидкость, наоборот, будет следовать близко к стенке канала, то в этом случае жидкость будет орошать лопатки неудовлетворительно. Кроме того, за счет наличия пограничного слоя воздушного потока часть жидкости будет оседать на стенке канала и формировать на ней жидкую пленку, которая потоком воздуха транспортируется в компрессор. Эта жидкость не будет принимать участия в промывке компрессора и может привести к его повреждению, например, вследствие заполнения жидкостью зазора между кромкой ротора и корпусом компрессора.
В противоположность большим газотурбинным установкам с большими геометрическими размерами существуют небольшие газотурбинные установки с небольшими размерами канала для входа воздуха. Для газотурбинных установок меньших размеров струя распыленной жидкости может более легко проникать в ядро воздушного потока. Опыт работы действующих газотурбинных установок показывает, что распыленная жидкость, инжектируемая известными форсунками, проникает в воздушный поток на несколько десятков сантиметров. Для газотурбинных установок самых малых и средних размеров это является достаточным для удовлетворительного смачивания рабочих лопаток ротора и направляющих лопаток статора. Единственная проблема состоит в том, что известные форсунки не могут проходить в воздушный поток больших газотурбинных установок.
Предпочтительный способ очистки основан на смачивании элементов компрессора промывочной жидкостью. Промывочную жидкость инжектируют через форсунку, которая распыляет жидкость на мелкие капли в воздушном потоке, входящем в компрессор. В качестве промывочной жидкости может быть использована вода или смесь воды и химикатов. В процессе инжектирования промывочной жидкости ротор газотурбинной установки вращают посредством пускового двигателя. Такой способ называют промывкой с прокручиванием или промывкой в автономном режиме (офф-лайн). Водяная пыль создается промывочной жидкостью, нагнетаемой через форсунки, которые распыляют жидкость. Форсунки монтируют на стенках канала выше по потоку от входа компрессора или на раме, временно устанавливаемой в канале.
Описанный выше способ характеризуется тем, что элементы компрессора смачиваются очищающей жидкостью, при этом загрязнения удаляются под действием химикатов и механических сил, обусловленных вращением вала. Данный способ считается эффективным и дающим хорошие результаты. Скорость вращения ротора при промывке с прокручиванием ротора составляет часть величины скорости, с которой ротор, как правило, вращается при нормальном функционировании установки. Одна важная особенность промывки с прокручиванием ротора заключается в том, что ротор вращается с низкой скоростью, вследствие чего риск механических повреждений является небольшим. При практической реализации данного способа газотурбинная установка должна быть выведена из эксплуатации, что может вызвать потери вырабатываемой энергии и производственные издержки.
В патентном документе US 5011540 A раскрыт способ смачивания элементов компрессора в процессе функционирования газотурбинной установки. Данный способ известен как промывка в неавтономном режиме "on-line" и характеризуется тем, что во время промывки в камере сгорания сжигают топливо. Этот способ и вышеуказанный способ промывки с прокручиванием ротора имеют общее в том, что жидкость инжектируют в поток воздуха в компрессоре. Однако данный способ не так эффективен, как способ с промывкой при прокручивании ротора. Более низкая эффективность связана с малоэффективными механизмами промывки, преобладающими при высоких скоростях вращения ротора, когда газотурбинная установка находится в рабочем режиме. Например, необходимо инжектировать точную дозу жидкости, поскольку слишком большое количество дозируемой жидкости может привести к механическому повреждению компрессора, а слишком малая доза жидкости - к плохому смачиванию элементов компрессора. Кроме того, капли жидкости должны быть малы, так как большие капли могут вызвать эрозию в результате столкновения капель с лопатками ротора и статора.
Компрессор газотурбинного двигателя предназначен для сжатия входящего воздуха. При прохождении воздуха через ротор энергия ротора, посредством его рабочих лопаток, преобразуется в кинетическую энергию воздушного потока. На последующих направляющих лопатках статора кинетическая энергия потока за счет снижения скорости преобразуется в рост давления. Для осуществления процесса сжатия необходимы высокие скорости. Обычно, например, окружная скорость кромки ротора современных газотурбинных установок превышает скорость звука. Это означает, что осевая скорость на входе компрессора очень велика, как правило, число Маха составляет 0,3-0,6 или 100-200 м/с.
Согласно способу, известному из вышеуказанного документа, промывочную жидкость под высоким давлением нагнетают по трубопроводу в форсунку, размещенную на стенке канала выше по потоку от входа в компрессор. В форсунке жидкость достигает высокой скорости, при которой производится распыление и формируется водяная пыль из мельчайших капель. Капли распыленной жидкости увлекаются воздушным потоком и уносятся вместе с потоком воздуха в компрессор. За счет выбора конструкции форсунки могут быть образованы небольшие или большие капли. В качестве альтернативы может быть использована форсунка для капель небольших размеров. В данном контексте понятие "капли малых размеров" подразумевает капли диаметром менее чем 150 мкм. Недостаток таких небольших капель заключается в том, что они имеют небольшую массу и за счет этого обладают малой инерцией при их распылении из форсунки. Скорость малых капель за счет сопротивления воздуха быстро уменьшается, и, следовательно, область применения таких форсунок ограничена. Альтернативой может быть выбор форсунки для распыления больших капель. В данном контексте понятие "капли больших размеров" означает капли диаметром более 150 мкм. Преимуществом больших капель является их большая инерция при распылении через форсунку. В соответствии с соотношением между размером капли и ее массой масса капли пропорциональна ее радиусу в кубе. Поэтому, например, капля размером 200 мкм в два раза больше капли размером 100 мкм, в то же время масса первой капли в семь раз больше массы второй капли. Следствием большей массы капли является большая область ее применения, по сравнении с меньшей каплей. Недостаток, присущий большим каплям, заключается в том, что такие капли, захватываемые скоростным воздушным потоком, при движении в направлении компрессора также приобретают высокую скорость. В результате столкновения капель с поверхностью лопатки происходит передача энергии большой величины, из-за чего поверхности лопатки могут быть повреждены. Эти повреждения проявляются в виде эрозии лопаток.
Для получения хорошего эффекта промывки распыленная жидкость должна проникать в ядро воздушного потока. Проблема, возникающая при использовании способа промывки в неавтономном режиме, описанного, например, в патентном документе US 5011540, заключается в доставке жидкости в ядро воздушного канала. Как было отмечено выше, в воздушном канале реализуются очень высокие скорости воздуха, который увлекает за собой распыляемую промывочную жидкость прежде, чем она проникнет в ядро воздушного потока. Чтобы избежать вышеупомянутой опасности эрозии лопаток, капли распыляемой жидкости должны быть небольших размеров. Однако малым каплям присущ недостаток. Из-за своей незначительной массы малые капли обладают низкой инерцией и при распылении быстро теряют скорость, в противоположность крупным каплям, которые хорошо сохраняют начальную скорость в течение продолжительного времени их движения. Следовательно, струя из небольших капель имеет меньшую способность проникать в ядро воздушного потока. Эта проблема в особенности очевидна для больших газотурбинных установок с большими геометрическими размерами воздушного канала, т.е. когда расстояние от форсунки до центра воздушного канала велико.
Раскрытие изобретения
Одна задача настоящего изобретения заключается в создании форсунки, способа промывки и устройства для промывки газотурбинной установки во время ее работы эффективным и надежным путем.
Эта и другие задачи решаются в настоящем изобретении посредством форсунки, способа и устройства для промывки газотурбинной установки, которые характеризуются признаками, изложенными в независимых пунктах формулы. В зависимых пунктах формулы охарактеризованы предпочтительные варианты выполнения изобретения.
Форсунка для промывки газотурбинной установки, предназначенная для распыления промывочной жидкости в воздушный поток в воздухозаборнике указанной газотурбинной установки, содержит корпус форсунки с входным торцом для ввода промывочной жидкости и выходным торцом для выхода промывочной жидкости, причем к выходному торцу присоединен ряд сопел, при этом соответствующее сопло ориентировано в направлении центральной оси корпуса форсунки, к узловой точке, находящейся на расстоянии от 5 до 30 см от отверстий сопел, и под углом в направлении центральной оси, причем жидкость, вытекающая из соответствующего отверстия сопла, находится в угловом интервале от 0 до 80°.
Каждое из сопел установлено, по существу, на одинаковом расстоянии от центральной оси и, по существу, под одинаковым углом относительно оси, представляющей собой продолжение указанной центральной оси.
Отверстия сопел расположены таким образом, чтобы при подаче жидкости под давлением создавать поток жидкости, вытекающий из отверстий со скоростью 50-250 м/с.
Отверстия сопел выполнены, по существу, одинаковыми.
Способ промывки газотурбиной установки, в котором распыляют промывочную жидкость в воздухозаборнике указанной газотурбинной установки посредством форсунки, содержащей корпус с входным торцом для ввода промывочной жидкости и выходным торцом для выхода промывочной жидкости, отличается тем, что распыленную промывочную жидкость образуют посредством подвода указанной жидкости к ряду сопел, присоединенных к выходному торцу, при этом соответствующее сопло ориентировано в направлении центральной оси корпуса форсунки к узловой точке, находящейся на расстоянии в интервале от 5 до 30 см от отверстий сопел, и под углом в направлении центральной оси и так, чтобы жидкость, вытекающая из соответствующего отверстия сопла, находилась в пределах углового интервала от 0 до 80°.
Направляют жидкость, инжектируемую из каждого сопла к точке оси, представляющей собой продолжение указанной центральной оси, по существу, под одинаковым углом за счет установки каждого из сопел, по существу, на одинаковом расстоянии от центральной оси и, по существу, под одинаковым углом относительно оси, представляющей собой продолжение центральной оси, и, по существу, под одинаковым углом относительно оси, представляющей собой продолжение центральной оси.
Отверстия сопел располагают таким образом, чтобы при подаче жидкости под давлением создать поток жидкости, вытекающий из отверстий со скоростью в интервале от 50 до 250 м/с.
Отверстия сопел выполнены, по существу, одинаковыми.
Устройство для промывки газотурбинной установки содержит по меньшей мере одну форсунку, предназначенную для распыления промывочной жидкости в воздушный поток в воздухозаборнике указанной газотурбинной установки, содержащую корпус с входным торцом для ввода промывочной жидкости и выходным торцом для выхода промывочной жидкости, причем к выходному торцу присоединен ряд сопел, при этом соответствующее сопло ориентировано в направлении центральной оси корпуса форсунки, к узловой точке, находящейся на расстоянии 5-30 см от отверстий сопел, и под углом относительно центральной оси, причем жидкость, вытекающая из соответствующего отверстия сопла, находится в угловом интервале от 0 до 80°.
Используемые термины "угол относительно центра тела" или "угол относительно центральной оси" означают угол между направлением струи жидкости, распыляемой из форсунки, и базовой поверхностью, параллельной центральной оси, проходящей через корпус форсунки.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения раскрыто выполнение форсунки для промывки газотурбинной установки. Указанная форсунка, предназначенная для распыления промывочной жидкости в воздушный поток входного воздушного канала газотурбинной установки, содержит цилиндрический корпус, который, в свою очередь, содержит входной торец для входа промывочной жидкости и выходной торец для выхода промывочной жидкости. Кроме того, на выходном торце форсунки установлено большое количество сопел, расположенных на определенном расстоянии от оси цилиндрического корпуса форсунки.
Согласно второму аспекту изобретения раскрыт способ промывки газотурбинной установки, включающий распыление промывочной жидкости в воздухозаборнике указанной газотурбинной установки посредством форсунки, содержащей корпус с входным торцом для ввода промывочной жидкости и выходной торец для отвода промывочной жидкости. Предложенный способ характеризуется формированием распыленной струи промывочной жидкости посредством подачи промывочной жидкости к соплам, установленным на выходном торце форсунки, где каждое из сопел расположено на надлежащем расстоянии от центральной оси корпуса форсунки.
В основе данного изобретения лежит идея увеличения локальной плотности распыленной промывочной жидкости в определенном объеме посредством подачи промывочной жидкости через большое количество сопел в цилиндрическом корпусе форсунки, расположенных на подходящем расстоянии от центральной оси цилиндрического корпуса. Такое выполнение форсунки позволяет улучшить проникновение капель распыленной жидкости в воздушный поток с сохранением размеров капель или даже с увеличением размера этих капель, т.е. форсунка, соответствующая данному изобретению, позволяет инжектировать промывочную жидкость в ядро воздушного потока в воздушном канале без уменьшения размера капель жидкости. Тем самым уменьшается опасность эрозии элементов газотурбинной установки и достигается высокая эффективность промывки по сравнению с известными решениями.
Другое преимущество заключается в том, что форсунка может быть в равной степени использована как в газотурбинных установках небольших размеров, так и в газотурбинных установках больших размеров.
Еще одно преимущество состоит в том, что промывка элементов газотурбинной установки может быть практически реализована во время работы газотурбинной установки, что значительно сокращает затраты при эксплуатации установки. Следующее преимущество заключается в том, что форсунка в соответствии с изобретением может быть использована для промывки с прокруткой ротора.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения каждое сопло ориентировано под углом относительно направления центральной оси форсунки так, что жидкость будет выходить из отверстия в направлении центральной оси. В результате струя жидкости, инжектируемой из отверстия, будет заключена внутри углового интервала от 0 до 80°, предпочтительно в пределах углового интервала от 10 до 70°.
За счет ориентации сопла под определенным углом в направлении центральной оси форсунки может быть достигнута подходящая зона действия распыленной струи, т.е. эта струя будет иметь угол распыления, обеспечивающий удовлетворительное смачивание лопаток ротора и лопаток статора в пределах участка входа компрессора, в котором будет действовать струя распыленной жидкости. Условие для создания такой зоны действия обеспечивается путем выбора форсунки с соответствующим углом распыления. За счет ориентации сопла в направлении центральной оси под подходящим углом в определенном месте локально будет достигнута повышенная плотность струи и, следовательно, лучшее проникновение жидкости в воздушный поток.
Преимущество, достигаемое посредством данного изобретения, дополнительно усиливается за счет формы струи распыленной жидкости, обеспечивающей меньший размер зоны выброса распыленной жидкости, в пределах которой струя контактирует с воздушным потоком, по сравнению со струей, инжектируемой из известной форсунки. За счет меньшей зоны выброса струи распыленные капли не будут так легко увлекаться потоком воздуха и поэтому лучше проникают в воздушный поток.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения каждое из указанных сопел расположено, по существу, на одинаковом расстоянии от центральной оси и, по существу, под одинаковым углом в направлении к центральной оси. Такое конструктивное выполнение, как установлено, имеет преимущество в увеличении локальной плотности струи в желательной зоне, за счет чего снижается опасность эрозии элементов газотурбинной установки с сохранением в то же время высокой эффективности промывки.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения сопло направлено к центральной оси форсунки, при этом общая узловая точка находится на расстоянии от указанного сопла от 5 до 30 см.
Предпочтительно, чтобы давление жидкости находилось в интервале от 35 до 175 бар.
Предпочтительно, чтобы сопла были выполнены так, чтобы жидкость выходила через эти сопла со скоростью в интервале от 70 до 250 м/с.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения сопла выполнены, по существу, одинаковыми.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения сопло выполнено таким, чтобы оно формировало струю распыленной жидкости, по существу, с круговым поперечным сечением. В качестве альтернативы сопло может быть выполнено так, чтобы оно формировало струю, по существу, с эллиптической формой поперечного сечения или, по существу, прямоугольной формы.
Форсунка снабжена двумя соплами, присоединенными к указанному выходному торцу цилиндрического корпуса форсунки. При использовании двух сопел, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, и соединении инжектируемых струй в определенной точке, распыленная жидкость достигает ядра воздушного потока. В пределах объема, в котором соединяются эти две струи, плотность струи будет удваиваться с увеличением ударного силового воздействия на окружающий воздух, за счет чего распыленная жидкость лучше проникает в воздушный поток, что, в свою очередь, обеспечивает большую эффективность промывки и снижение опасности эрозийного повреждения элементов компрессора, поскольку капли в этом случае могут оставаться небольшими, т.е. диаметром менее 150 мкм.
Дополнительные преимущества изобретения будут очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - часть газотурбинной установки и расположение форсунок для инжектирования промывочной жидкости в поток воздуха;
фиг.2 - распыление форсункой промывочной жидкости;
фиг.3 - известная форсунка для инжектирования промывочной жидкости на входе газотурбинной установки;
фиг.4 - форсунка в соответствии с настоящим изобретением и первый пример выполнения изобретения;
фиг.5 - форсунка в соответствии с первым примером выполнения изобретения;
фиг.6 - форсунка в соответствии с изобретением и второй пример выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана часть газотурбинной установки 1 и расположение форсунок для инжектирования промывочной жидкости на входе в компрессор. Газотурбинная установка включает воздухозаборник 2, который выполнен осесимметричным относительно вала 3. Поток воздуха показан на фиг.1 стрелками. Воздух поступает в воздухозаборник в радиальном направлении, после чего изменяет направление движения и протекает через компрессор 14 параллельно валу установки. Компрессор 14 имеет вход 4 у передней кромки направляющих лопаток первого диска статора. За диском 5 статора с направляющими лопатками следует диск 6 с рабочими лопатками ротора, за которым размещен диск 7 с лопатками статора и так далее. В воздухозаборнике имеется канал с внутренней стенкой 8 и внешней стенкой 9. На внутренней стенке канала установлена форсунка 10. Форсунка соединена с помощью трубопровода 11 с насосом (не показан), который снабжает форсунку промывочной жидкостью. После прохождения форсунки 10 жидкость распыляется и образует струю 12 из мелких капель. Распыленные капли переносятся воздушным потоком на вход 4 компрессора. В качестве альтернативы форсунку 13 размещают на внешней стенке 9 воздушного канала.
Фиг.2 иллюстрирует распыление жидкости через форсунку. Форсунка 20 с осью 24 имеет входной патрубок 21 для промывочной жидкости и сопло 23, через которое жидкость выходит из форсунки. Проходное сечение сопла и давление жидкости приспособлены для создания определенного расхода жидкости. Сопло 23 имеет отверстие, через которое протекает промывочная жидкость. Форсунка для компрессора газотурбинной установки имеет такие проходное сечение сопла и давление жидкости, чтобы скорость жидкости, инжектируемой из сопла, была высокой и составляла порядка 100 м/с.
Направление потока будет соответствовать направлению, в котором ориентировано сопло. Если отверстие сопла круговое, то будет формироваться струя распыленных капель с круговым поперечным сечением. Струя будет распространяться, имея одну составляющую в направлении оси форсунки, а другую - в направлении, перпендикулярном осевому направлению. В соответствии с фиг.2 геометрическая форма струи может быть описана как конус с основанием С и высотой В, где С является диаметром основания конуса.
После того как жидкость покидает сопло, происходит ее распыление, предполагающее, что сначала нарушается сплошность жидкости, а затем следует ее распад на небольшие частицы. Эти частицы, в конце концов, принимают форму сферы, определяемую условием минимальной величины поверхностного натяжения жидкости. На расстоянии А от отверстия 22 в соответствии с фиг.2 распыление, по существу, завершается. Затем формируется струя, состоящая из капель различного размера. Для форсунки, предназначенной для газотурбинной установки и работающей при давлении жидкости от 70 до 140 бар, расстояние А, как правило, составляет 5-20 см. На большем расстоянии В капли продолжают перемещаться через воздушный поток, но теперь расстояние между каплями является большим. Увеличение расстояния между каплями означает уменьшение плотности струи. Если предполагается, что промывочной жидкостью служит вода, плотность перед распылением составляет 1000 кг/м3. На расстоянии В струя распыленной жидкости имеет меньшую плотность, чем на расстоянии А, при этом плотность определяется как количество частиц на локальную величину объема воздуха. Для форсунки, используемой для описанной газотурбинной установки и работающей при давлении жидкости 50-140 бар, плотность струи на расстоянии А составляет, как правило, 20 кг/м3.
Очевидно, что при соударении капель жидкости с молекулами воздуха скорость капель падает. В контексте данного изобретения важным является то, насколько далеко струя проникает в поток воздуха, прежде чем воздушный поток достигнет входа в компрессор. Отдельная капля с определенной начальной скоростью будет быстро терять свою начальную скорость, и ее скорость будет асимптотически приближаться к нулю. Специалисты в данной области техники могут рассчитать скорость капель в зависимости от расстояния до сопла, используя баланс силы аэродинамического сопротивления и силы инерции. Что касается струи распыленной жидкости в целом, то она будет перемещать воздух на пути своего движения. Это можно себе представить, поскольку струя оказывает ударное силовое воздействие на воздух, который характеризуется плотностью, объемным расходом и скоростью. Сила соударения может быть рассчитана по формуле:
где F - сила удара, dens - плотность, Q - объемный расход, V - скорость, Сd - коэффициент уменьшения скорости струи.
Коэффициент замедления рассчитывают из баланса сил аэродинамического сопротивления и силы инерции.
Для процесса промывки в соответствии с настоящим изобретением важно, чтобы распыленная жидкость хорошо проникала в поток воздуха. Такое проникновение реализуется за счет большой силы соударения, определяемой по вышеприведенной формуле. Кроме того, для достижения хорошего результата промывки необходимо, чтобы струя имела соответствующую зону действия, т.е. подразумевается, что струя будет иметь угол распыления капель, обеспечивающий удовлетворительное покрытие лопаток ротора и лопаток статора в пределах сегмента, в котором действует эта струя. Такое условие для зоны действия струи выполняется с помощью форсунки с определенным углом распыления.
Распыленная струя характеризуется силой ее ударного воздействия, которая имеет наибольшую величину у сопла форсунки и уменьшается с расстоянием от этого сопла. Если предполагается, что промывочной жидкостью является вода, то плотность струи составляет 1000 кг/м3. Площадь сечения струи рассчитывается по величине диаметра проходного отверстия сопла. Для каждого расстояния от сопла форсунки сила ударного воздействия может быть, таким образом, рассчитана из соотношения (1). Увеличение площади сечения струи с увеличением расстояния от сопла приводит к тому, что сила ударного воздействия будет асимптотически приближаться к нулю.
На фиг.3 показана та же струя распыленной жидкости, что и на фиг.2. Фиг.3 иллюстрирует известную форсунку. Расстояние D представляет собой расстояние, на которое струя распыленной жидкости проникает в воздушный поток, прежде чем воздушный поток перенесет капли жидкости на вход в компрессор. Это условие для зоны действия распыленной струи удовлетворяется за счет выбора форсунки с углом распыления 34, при котором зона действия Е результируется на расстоянии D.
В вышеприведенном описании предполагается, что струя имеет круговую проекцию (круговое поперечное сечение). Посредством выбора сопла с соответствующей геометрией отверстия может быть получена струя с эллиптическим или прямоугольным поперечным сечением. В области техники, относящейся к компрессорам газотурбинных установок, используют струи распыленной промывочной жидкости с некруговым сечением.
На фиг.4 и 5 представлен первый предпочтительный пример выполнения изобретения. Данное изобретение относится к форсунке, создающей струю распыленной жидкости, обладающую повышенной силой ударного воздействия. За счет повышенной силы ударного воздействия расстояние D, показанное на фиг.3, будет увеличиваться, и тем самым обозначенная ранее проблема проникновения капель в ядро воздушного потока будет решена или решена частично. На фиг.4 показана форсунка в соответствии с изобретением. Форсунка 54 содержит цилиндрический корпус 40 с центральной осью 49 и отверстием 41 для входа промывочной жидкости и первое сопло 42, размещенное на выходном торце 55, при этом сопло 42 имеет отверстие 43, через которое промывочная жидкость выходит из форсунки. Первое сопло 42 установлено со смещением относительно центральной оси 49 и под углом в направлении к указанной центральной оси так, чтобы сформированная струя направлялась к центральной оси. Струя распыленной жидкости, выходящая из сопла, представляет собой струю с круговым поперечным сечением. Геометрия струи может быть описана как конус с образующей, соединяющей один конец 44 и другой конец 45 с вершиной у отверстия 43.
На выходном торце 55 форсунки 54 установлено второе сопло 46 с отверстием 47, через которое жидкость выходит из форсунки. Сопло 46 расположено со смещением относительно центральной оси 49 и направлено под углом в сторону центральной оси так, чтобы сформированная струя распыленной жидкости была направлена к центральной оси. Сформированная струя, вытекающая из сопла, представляет собой струю с поперечным сечением в виде круга. Геометрия этой струи может быть описана как конус с образующей, соединяющей один конец 45 и другой конец 48 с вершиной у отверстия 47. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения сопла форсунки ориентированы под углом в направлении центральной оси так, что жидкость из одного сопла предпочтительно распыляется в интервале угла раскрытия конуса от 0 до 80° и более предпочтительно в интервале значений угла от 10 до 70°.
Два отверстия сопел имеют одинаковые площадь проходного сечения и геометрию, за счет чего подводимая жидкость в равной степени распределяется между двумя соплами 42 и 46. Два отверстия сопел ориентированы в направлении центральной оси к узловой точке 57, находящейся на расстоянии J от отверстий сопел. Расстояние J составляет от 5 до 20 см.
Распыление жидкости осуществляется после ее инжектирования из отверстий 43 и 47 сопел. На расстоянии F от этих отверстий распыление жидкости в основном завершается. Две струи распыленной жидкости объединяются, в результате чего формируется зона 53 объединения струй с повышенной плотностью. Зона 53 ограничена на фиг.4 точками 50, 52, 45, 51 и 50. Вследствие повышенной плотности в соответствии с уравнением 1 повышается ударное силовое воздействие струи. Именно повышение ударного воздействия струи и является задачей данного изобретения. Условие формирования зоны действия Н струи на расстоянии G от форсунки выполняется за счет соответствующего угла распыления форсунки и направления распыления жидкости.
На фиг.5 представлена форсунка в перспективе Х-Х (общий вид в направлении, показанном стрелками Х-Х), при этом одинаковые элементы показаны такими же номерами позиций, что и на фиг.4. На фиг.5 показана ориентация сопел 42 и 46 относительно направления воздушного потока. Направление воздушного потока указано на фиг.5 стрелками.
Достигаемый в настоящем изобретении результат дополнительно усиливается за счет того, что струя распыленной жидкости, показанная на фиг.4, характеризуется меньшим размером зоны выброса жидкости, в пределах которой жидкость контактирует с воздушным потоком, по сравнению со случаем распыления струи из известной форсунки. При направлении потока, показанном на фиг.5, зона выброса струи представляет собой область, заключенную на фиг.4 между точками 47, 50, 43, 52, 48 45, 44, 51 и 47. Полученная зона должна быть сопоставимой с зоной выброса, образованной при использовании известной форсунки в соответствии с фиг.3, где зона выброса представляет собой область, заключенную между точками 22, 31, 32 и 22. Эта зона, показанная на фиг.3, больше соответствующей зоны, показанной на фиг.4. Благодаря меньшему размеру зоны выброса струя распыленной жидкости не захватывается воздушным потоком так легко, и поэтому распыленные капли жидкости способны проникать в воздушный поток более эффективным образом.
На фиг.6 представлена форсунка в соответствии со вторым примером выполнения изобретения. На фиг.6 форсунка показана в перспективе Х-Х, при этом одинаковые элементы обозначены на чертеже теми же номерами позиций, что и на фиг.4. Поскольку данная форсунка, соответствующая изобретению, функционирует, по существу, таким же образом, что и форсунка согласно вышеприведенному примеру выполнения, то описание ее функционирования здесь опущено. На фиг.6 показана ориентация сопел 42, 46 и 60 относительно направления воздушного потока. Сопло 60, как и сопла 42 и 46, имеет отверстие 61, через которое из форсунки выходит жидкость. Направление воздушного потока показано стрелками. Третье сопло 60 установлено со смещением относительно центральной оси 49, причем на таком же расстоянии от этой оси и под таким же углом, что и сопла 42 и 46, так, что сформированная струя распыленной жидкости ориентирована относительно центральной оси таким же образом, как в описанном выше выполнении форсунки.
Несмотря на то что здесь раскрыты предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения, из приведенного выше описания для специалиста в данной области техники ясно, что могут быть реализованы другие варианты представленных вариантов выполнения без выхода за пределы основных принципов изобретения.
Поэтому данное изобретение не должно ограничиваться теми элементами конструкции и функциональными элементами, которые раскрыты в примерах осуществления, а ограничивается только приложенными пунктами формулы изобретения.
1. Форсунка для промывки газотурбинной установки (1), предназначенная для распыления промывочной жидкости в воздушный поток в воздухозаборнике (2) указанной газотурбинной установки (1), содержащая корпус (40) форсунки с входным торцом (41) для ввода промывочной жидкости и выходным торцом (55) для выхода промывочной жидкости, отличающаяся тем, что к выходному торцу (55) присоединен ряд сопел (42, 46; 42, 46, 60), при этом соответствующее сопло (42, 46; 42, 46, 60) ориентировано в направлении центральной оси корпуса (40) форсунки к узловой точке (57), находящейся на расстоянии от 5 до 30 см от отверстий (43, 47; 43, 47, 61) сопел и под углом в направлении центральной оси (49), причем жидкость, вытекающая из соответствующего отверстия (43, 47; 43, 47, 61) сопла, находится в угловом интервале от 0 до 80°.
2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что каждое из сопел (42, 46; 42, 46, 60) установлено, по существу, на одинаковом расстоянии от центральной оси (49) и, по существу, под одинаковым углом относительно оси, представляющей собой продолжение указанной центральной оси (49).
3. Форсунка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что давление жидкости в соплах (42, 46; 42, 46, 60) находится в интервале от 35 до 175 бар.
4. Форсунка по п.3, отличающаяся тем, что отверстия (43, 47; 43, 47, 61) сопел расположены таким образом, чтобы при подаче жидкости под давлением создавать поток жидкости, вытекающий из отверстий со скоростью 50-250 м/с.
5. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия (43, 47; 43, 47, 61) сопел выполнены, по существу, одинаковыми.
6. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что сопла (42, 46; 42, 46, 60) установлены таким образом, что они формируют струю распыленной жидкости, форма поперечного сечения которой соответствует любой одной из группы, включающей круговую, по существу, эллиптическую или, по существу, прямоугольную форму.
7. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что к выходному торцу присоединены два сопла (42, 46).
8. Способ промывки газотурбиной установки (1), в котором распыляют промывочную жидкость в воздухозаборнике (2) указанной газотурбинной установки посредством форсунки (54), содержащей корпус (40) с входным торцом (41) для ввода промывочной жидкости и выходной торец (55) для выхода промывочной жидкости, отличающийся тем, что распыленную промывочную жидкость образуют посредством подвода указанной жидкости к ряду сопел (42, 46; 42, 46, 60), присоединенных к выходному торцу (55), при этом соответствующее сопло (42, 46; 42, 46, 60) ориентировано в направлении центральной оси (49) корпуса (40) форсунки к узловой точке (57), находящейся на расстоянии в интервале от 5 до 30 см от отверстий (43, 47; 43, 47, 61) сопел, и под углом в направлении центральной оси (49) так, чтобы жидкость, вытекающая из соответствующего отверстия (43, 47; 43, 47, 61) сопла, находилась в пределах углового интервала от 0 до 80°.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что направляют жидкость, инжектируемую из каждого сопла (42, 46; 42, 46, 60) к точке оси, представляющей собой продолжение указанной центральной оси (49), по существу, под одинаковым углом за счет установки каждого из сопел (42, 46; 42, 46, 60), по существу, на одинаковом расстоянии от центральной оси (49) и, по существу, под одинаковым углом относительно оси, представляющей собой продолжение центральной оси (49), и, по существу, под одинаковым углом относительно оси, представляющей собой продолжение центральной оси (49).
10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что давление жидкости в соплах (42, 46; 42, 46, 60) находится в интервале от 35 до 175 бар.
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что отверстия (43, 47; 43, 47, 61) сопел располагают таким образом, чтобы при подаче жидкости под давлением создать поток жидкости, вытекающий из отверстий со скоростью в интервале от 50 до 250 м/с.
12. Способ по п.8, отличающийся тем, что отверстия (43, 47; 43, 47, 61) сопел выполнены, по существу, одинаковыми.
13. Способ по п.8, отличающийся тем, что сопла (42, 46; 42, 46, 60) устанавливают так, что они формируют струю распыленной жидкости, форма поперечного сечения которой соответствует любой одной из группы, включающей круговую, по существу, эллиптическую или, по существу, прямоугольную форму.
14. Способ по п.8, отличающийся тем, что к выходному торцу присоединены два сопла (42, 46).
15. Устройство для промывки газотурбинной установки (1), содержащее по меньшей мере одну форсунку, предназначенную для распыления промывочной жидкости в воздушный поток в воздухозаборнике (2) указанной газотурбинной установки (1), содержащую корпус (40) с входным торцом (41) для ввода промывочной жидкости и выходным торцом (55) для выхода промывочной жидкости, отличающееся тем, что к выходному торцу (55) присоединен ряд сопел (42, 46; 42, 46, 60), при этом соответствующее сопло (42, 46; 42, 46, 60) ориентировано в направлении центральной оси корпуса (40) форсунки, к узловой точке (57), находящейся на расстоянии 5-30 см от отверстий (43, 47; 43, 47, 61) сопел, и под углом относительно центральной оси (49), причем жидкость, вытекающая из соответствующего отверстия (43, 47; 43, 47, 61) сопла, находится в угловом интервале от 0 до 80°.
16. Устройство для промывки по п.15, содержащее, по меньшей мере, одну форсунку по любому из пп.2-7.
