система и способ для повышения выходной мощности газотурбинного двигателя

Формула изобретения

1. Система для повышения выходной мощности газотурбинного двигателя, содержащего воздуховод (101), расположенный перед газотурбинным двигателем (10), включающим камеру сгорания и компрессор, имеющий ряд лопаток (12), отличающаяся тем, что она содержит насосный агрегат (201), представляющий собой насос с регулируемым числом оборотов, предназначенный для повышения давления жидкости, блок (202) управления, подключенный к указанному насосному агрегату (201) посредством линии (204) передачи сигнала и предназначенный для регулирования числа оборотов насоса, устройство для промывки (25, 27, 28), соединенное с насосным агрегатом (201) посредством подводящего трубопровода (20), содержащее, по меньшей мере, одну форсунку (25) и, по меньшей мере, один клапан (27), соединенный с насосным агрегатом (201) посредством подводящего трубопровода (20) и, по меньшей мере, с одной форсункой (25) посредством трубопровода (28) и предназначенный для регулирования расхода жидкости, подводимой, по меньшей мере, к одной форсунке (25), при этом, по меньшей мере, одна форсунка (25) устройства для промывки предназначена для впрыска струи (26) распыленной жидкости так, чтобы эта струя падала на лопатки (12) компрессора и смачивала эти лопатки (12), тем самым обеспечивая удаление осажденного материала с лопаток (12), и, по меньшей мере, одно устройство (21, 23, 24, 29, 210, 212, 214, 215, 216) для впрыска жидкости, содержащее, по меньшей мере, одну форсунку (21, 212, 214) и, по меньшей мере, один клапан (24, 210, 216), соединенный с насосным агрегатом (201) посредством подводящего трубопровода (20) и, по меньшей мере, с одной форсункой (21, 212 214) посредством трубопровода (23, 29, 215) и предназначенный для регулирования расхода жидкости, подводимой, по меньшей мере, к одной форсунке (21, 212, 214), причем, по меньшей мере, одна форсунка (21, 212, 214) устройства (21, 23, 24, 29, 210, 212, 214, 215, 216) для впрыска жидкости предназначена для впрыска струи (22, 211, 213) распыленной жидкости в воздушный поток в воздуховоде (101) или в указанный газотурбинный двигатель (10) для того, чтобы увеличить массовый расход воздуха, при этом выходная мощность газотурбинного двигателя может быть увеличена.

2. Система по п.1, кроме того, содержащая блок (203) непрерывного контроля, предназначенный для непрерывного контроля параметров окружающей среды и подключенный к указанному блоку (202) управления.

3. Система по п.2, в которой указанный блок (203) непрерывного контроля содержит, по меньшей мере, один из приборов группы, включающей "сухой" термометр, измеритель влажности и "мокрый" термометр.

4. Система по п.1, кроме того, содержащая устройство (206, 208) для подпитки жидкости, соединенное с насосным агрегатом (201), включающее блок технологической обработки жидкости, при этом указанное устройство приспособлено для сбора жидкости, вытекающей из газотурбинного двигателя, а указанный блок технологической обработки жидкости приспособлен для очистки собранной жидкости.

5. Система по п.1, в которой указанный блок (202) управления предназначен для управления, по меньшей мере, одним клапаном (27) устройства (25, 27, 28) для промывки и, по меньшей мере, одним клапаном (24, 210,216) устройства для впрыска жидкости.

6. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одно устройство для впрыска жидкости включает держатель (21) форсунок, содержащий большое количество форсунок и размещенный выше по ходу движения потока от входной стороны компрессора, и клапан (24), соединенный с держателем (21) форсунок посредством трубопровода (23) и предназначенный для регулирования расхода жидкости, подводимой к указанному множеству форсунок, при этом форсунки приспособлены для впрыска струи (22) распыленной жидкости в поток воздуха в воздуховоде (101) так, что, по существу, все капли распыленной струи (22) испаряются прежде, чем они достигнут компрессора.

7. Система по п.3, в которой указанное большое количество форсунок предназначено для распыления жидкости с образованием капель при давлении в интервале от 35 до 140 бар.

8. Система по п.7, в которой указанное большое количество форсунок предназначено для распыления жидкости с образованием капель, размеры которых составляют от 1 до 50 мкм.

9. Система по п.1, в которой указанное устройство (25, 27, 28) для промывки предназначено для функционирования во время работы газотурбинного двигателя, и, по меньшей мере, одна форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки размещена выше по потоку от компрессора и предназначена для впрыска струи (26) распыленной жидкости со скоростью, достаточно большой для проникновения в указанный воздушный поток, создаваемый при работе двигателя.

10. Система по п.9, в которой, по меньшей мере, одна форсунка (25) указанного устройства (25, 27, 28) для промывки приспособлена для распыления жидкости с образованием капель при давлении в интервале от 35 до 140 бар.

11. Система по п.10, в которой, по меньшей мере, одна форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки приспособлена для распыления жидкости с образованием капель, размер которых составляет 50-500 мкм.

12. Система по п.1, в которой устройство (25, 27, 28) для промывки приспособлено для работы при отключенном двигателе, и, по меньшей мере, одна указанная форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки размещена выше по потоку от компрессора и ориентирована в направлении входа компрессора.

13. Система по п.12, в которой, по меньшей мере, одна форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки приспособлена для распыления жидкости с образованием капель при давлении, находящемся в интервале от 35 до 140 бар.

14. Система по п.12, в которой, по меньшей мере, одна указанная форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки приспособлена для распыления жидкости с образованием капель, размер которых составляет 50-500 мкм.

15. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одно устройство для впрыска жидкости содержит, по меньшей мере, одну форсунку (212), размещенную вблизи компрессора, и клапан (210), соединенный с форсункой (212) через трубопровод (29) и предназначенный регулировать расход жидкости, подводимой к форсунке (212), при этом указанная форсунка (212) приспособлена для впрыска жидкости в газовый тракт компрессора.

16. Система по п.15, в которой, по меньшей мере, одна указанная форсунка (212) размещена выше по потоку от входа компрессора.

17. Система по п.15, в которой, по меньшей мере, одна форсунка (212) приспособлена для распыления жидкости с образованием капель при давлении, находящемся в интервале от 35 до 140 бар.

18. Система по п.15, в которой, по меньшей мере, одна указанная форсунка (212) приспособлена для распыления жидкости с образованием капель, размер которых составляет 1-50 мкм.

19. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одно устройство для впрыска жидкости содержит, по меньшей мере, одну форсунку (214), размещенную вблизи камеры сгорания, и клапан (216), соединенный с указанной форсункой (214) посредством трубопровода (215) и предназначенный для регулирования расхода жидкости, подводимой к форсунке (214).

20. Система по п.19, в которой, по меньшей мере, одна форсунка (214) приспособлена для распыления жидкости с образованием капель при давлении, находящемся в интервале от 35 до 140 бар.

21. Система по п.19, в которой, по меньшей мере, одна указанная форсунка (214) приспособлена для распыления жидкости с образованием капель, размер которых составляет 20-500 мкм.

22. Способ повышения выходной мощности газотурбинного двигателя, содержащего воздуховод (101), размещенный перед самим газотурбинным двигателем (10), включающим камеру сгорания и компрессор, имеющий ряд лопаток (12), отличающийся тем, что он включает стадии повышения давления жидкости с использованием насосного агрегата (201), включающего насос с регулируемым числом оборотов, регулирования числа оборотов насосного агрегата (201), используя блок (202) управления, подключенный к указанному насосному агрегату (201) посредством линии (204) передачи сигнала, подачи жидкости в устройство (25, 27, 28) для промывки, соединенное с указанным насосным агрегатом (201) посредством подводящего трубопровода (20), при этом устройство (25, 27, 28) для промывки содержит, по меньшей мере, одну форсунку (25) и, по меньшей мере, один клапан (27), соединенный с насосным агрегатом (201) посредством подводящего трубопровода (20) и, по меньшей мере, с одной форсункой (25) посредством трубопровода (28), регулирования расхода жидкости, подводимой, по меньшей мере, к одной форсунке (25), с помощью клапана (27), впрыска струи (26) распыленной жидкости так, чтобы она падала на лопатки (12) компрессора и смачивала указанные лопатки (12), обеспечивая тем самым удаление осажденного материала с лопаток (12), используя при этом, по меньшей мере, одну форсунку (25) устройства для промывки, подачи жидкости, по меньшей мере, к одному устройству (21, 23, 24, 29, 210, 212, 214, 215, 216) для впрыска жидкости, соединенному с насосным агрегатом (201) посредством подводящего трубопровода (20), при этом, по меньшей мере, одно устройство для впрыска жидкости содержит, по меньшей мере, одну форсунку (21, 212, 214) и, по меньшей мере, один клапан (24, 210, 216), соединенный с насосным агрегатом (201) посредством подводящего трубопровода (20) и, по меньшей мере, с одной форсункой (21, 212, 214) посредством трубопровода (23, 29, 215), регулирования расхода жидкости, подводимой к указанной, по меньшей мере, одной форсунке (21, 212,214), используя клапан (24, 210,216), впрыска струи (22, 211, 213) распыленной жидкости в поток воздуха в указанном воздуховоде (101) или в газотурбинном двигателе (10), используя, по меньшей мере, одну форсунку (21, 212, 214) указанного устройства (21, 23, 24, 29, 210, 212, 214, 215, 216) для впрыска жидкости для того, чтобы увеличить массовый расход потока воздуха, при этом выходная мощность газотурбинного двигателя повышается.

23. Способ по п.22, кроме того, включающий стадии непрерывного контроля параметров окружающей среды с помощью блока (203) непрерывного контроля и передачи указанных параметров окружающей среды в блок (202) управления.

24. Способ по п.23, в котором стадия непрерывного контроля включает, по меньшей мере, одну из следующих стадий, а именно измерение температуры "сухого" термометра, измерение влажности воздуха и измерение температуры "мокрого" термометра.

25. Способ по п.22, кроме того, включающий стадии сбора жидкости, вытекающей из газотурбинного двигателя, и очистки собранной жидкости.

26. Способ по п.22, кроме того, включающий стадии регулирования, по меньшей мере, одного клапана (27) устройства для промывки и, по меньшей мере, одного клапана (24, 210, 216) устройства для впрыска жидкости.

27. Способ по п.22, в котором стадия впрыска струи (22, 211, 213) распыленной жидкости в воздушный поток в воздуховоде (101) с целью повышения массового расхода воздуха включает стадию впрыска струи (22) распыленной жидкости в поток воздуха в указанном воздуховоде (101) таким образом, что, по существу, все капли распыленной струи (22) испаряются прежде, чем они достигнут входа компрессора.

28. Способ по п.27, в котором большое количество форсунок предназначено для распыления жидкости с образованием капель при давлении, находящемся в интервале 35-140 бар.

29. Способ по п.27, в котором, по меньшей мере, указанное большое количество форсунок приспособлено для распыления жидкости с образованием капель, размер которых составляет 1-50 мкм.

30. Способ по п.22, в котором стадия впрыска струи (26) распыленной жидкости так, чтобы она падала на лопатки (12) компрессора и смачивала указанные лопатки (12), заключается во впрыске струи (26) распыленной жидкости со скоростью, которая достаточно высока для проникновения жидкости в поток воздуха, создаваемый в процессе работы указанного двигателя.

31. Способ по п.30, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки приспособлена для распыления жидкости с образованием капель при давлении в интервале 35-140 бар.

32. Способ по п.30, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки приспособлена для распыления жидкости с образованием капель размером в интервале 50-500 мкм.

33. Способ по п.22, в котором устройство (25, 27, 28) для промывки предназначено для работы при отключенном двигателе, при этом, по меньшей мере, одна форсунка (25) указанного устройства (25, 27, 28) для промывки размещена выше по потоку от компрессора и ориентирована в направлении входа компрессора.

34. Способ по п.33, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки приспособлена для распыления жидкости с образованием капель при давлении, находящемся в интервале 35-140 бар.

35. Способ по п.33, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (25) устройства (25, 27, 28) для промывки приспособлена для распыления жидкости с образованием капель, размер которых составляет 1-50 мкм.

36. Способ по п.22, в котором стадия впрыска струи (22, 211, 213) распыленной жидкости в потока воздуха в воздуховоде (101) с целью увеличения массового расхода воздуха заключается во впрыске жидкости в газовый тракт компрессора.

37. Способ по п.36, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (212) установлена выше по потоку от входа компрессора.

38. Способ по п.36, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (212) приспособлена для распыления жидкости с образованием капель при давлении, находящемся в интервале 35-140 бар.

39. Способ по п.36, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (212) приспособлена для распыления жидкости с образованием капель, размер которых составляет 1-50 мкм.

40. Способ по п.22, в котором, по меньшей мере, одно устройство для впрыска жидкости содержит, по меньшей мере, одну форсунку (214), размещенную вблизи камеры сгорания, и клапан (216), соединенный с форсункой (214) посредством трубопровода (215) и предназначенный для регулирования расхода жидкости, подводимой к указанной форсунке (214).

41. Способ по п.40, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (214) приспособлена для распыления жидкости с образованием капель при давлении, находящемся в интервале 35-140 бар.

42. Способ по п.40, в котором, по меньшей мере, одна форсунка (214) приспособлена для распыления жидкости с образованием капель, размер которых составляет 1-50 мкм.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области стационарных газотурбинных установок. Газотурбинный двигатель содержит ротор, установленный внутри корпуса. Ротор включает компрессор для сжатия окружающего воздуха и турбину для расширения отработавших газов. Сжатый воздух направляется в камеру сгорания, в которой осуществляется сжигание топлива вместе со сжатым воздухом, а полученные в результате продукты сгорания расширяются при прохождении через турбину. Турбина приводит во вращение компрессор. Поскольку выходная мощность турбины больше мощности, необходимой для работы компрессора, на валу имеется избыточная располагаемая мощность. Эта избыточная мощность используется для привода нагрузок, таких как электрогенератор, насос, компрессор, винт или тому подобное. Настоящее изобретение, в частности, относится к способу и системе для увеличения выходной мощности на валу стационарных газотурбинных двигателей, которые могут быть использованы в различных эксплуатационных режимах. Настоящее изобретение обеспечивает такие преимущества, как экономия топлива и улучшенная экологическая характеристика, достигаемая за счет уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу.

Уровень техники

Газотурбинные двигатели потребляют большие количества воздуха. При этом их характеристики в значительной степени зависят от параметров окружающего воздуха. Температура воздуха, давление и содержание воды влияют на степень сжатия воздуха в компрессоре газотурбинного двигателя, и тем самым они будут влиять на характеристики газотурбинного двигателя. Известно, что высокие температуры окружающего воздуха приводят к потерям выходной мощности, в то время как при низких температурах выходная мощность газотурбинного двигателя увеличивается.

Существуют три основных параметра, которые оказывают значительное влияние на характеристики газотурбинного двигателя, а именно массовый расход, отношение давлений и индикаторный к.п.д. компрессора. Газотурбинные двигатели относятся к машинам с постоянным объемом, т.е. они работают с неизменяемой геометрией. Это означает, что при увеличении плотности воздуха увеличивается и массовый расход. Массовый расход относится к параметрам, в наибольшей степени влияющим на характеристики двигателя, т.к. массовый расход прямо пропорционален выходной мощности двигателя.

Потери мощности при высоких температурах окружающей среды привлекли внимание к различным новым техническим решениям, направленным на восполнение потерянной мощности. Один широко распространенный на практике метод заключается в охлаждении входящего воздуха за счет испарения воды. Этот метод может быть практически осуществлен путем промывки входящего воздуха в водяном скруббере. При испарении воды в результате теплообмена с воздухом теплосодержание воздуха переходит в скрытую теплоту парообразования. Испарение позволяет увлажнять воздух до достижения состояния насыщения. Для сухого и горячего климата пустынь это может привести к весьма значительному охлаждению воздуха. Метод испарительного охлаждения оказывает двойное влияние на характеристики газовой турбины. Во-первых, более низкая температура повышает плотность и тем самым массовый расход. Во-вторых, масса испаренной воды добавляется к массовому расходу воздуха.

Вариантом по отношению к водяному скрубберу является метод распыления воды, в соответствии с которым форсунки, размещенные во входном воздушном канале выше по потоку от входа компрессора, распыляют воду. За счет нагнетания воды под высоким давлением форсунки распыляют воду в виде пыли (тумана) из мелких капель. Размеры капель, как правило, находятся в интервале от 5 до 30 мкм. Такие капли небольших размеров переносятся потоком воздуха через входной канал и будут испаряться прежде, чем они достигнут входа в компрессор. Однако указанный метод требует осуществления хорошего контроля психометрических параметров воздуха и расхода воздуха в двигателе. Если нагнетается слишком много воды, то воздух не сможет захватывать ее в виде влаги, и все капли не будут испаряться. Избыток воды будет увлажнять стенки канала, где он может привести к коррозии и проблеме затопления. С другой стороны, недостаточный расход воды не будет насыщать воздух влагой.

Недостаток, присущий описанным выше методам, использующим скруббер и форсунку, заключается в ограничении эффекта охлаждения количеством воды, которое может захватить воздух, прежде чем он достигнет состояния насыщения. Альтернативный метод с более высоким эффектом охлаждения заключается в охлаждении входящего воздуха. Этот метод предусматривает использование холодильного агрегата, который охлаждает входящий воздух за счет теплоты, отбираемой этим холодильным агрегатом. Метод позволяет охлаждать входящий воздух до более низких температур по сравнению с температурами, при которых может происходить испарительное охлаждение. Однако недостаток этого метода заключается в больших инвестиционных расходах, что, как оказалось, ограничивает применимость этого метода.

Возвращаясь к методу испарительного охлаждения посредством распыления водяного тумана, следует отметить, что он имеет некоторые выгоды. Достигается высокий эффект охлаждения при относительной простоте используемого оборудования. В местах с жарким и сухим климатом обычно достигается повышение мощности на 15%. Иногда сообщалось о повышении мощности на 25%. Однако поскольку в период от ночного до дневного времени будут происходить изменения температуры, требование в отношении воды также изменяется. Чтобы обеспечить именно необходимое количество воды, должны быть предусмотрены надлежащие требования к насосу. Слишком большое количество воды приведет к "избыточному распылению", т.к. воздух не может увлечь с собой излишек воды. Излишек воды может быть вредным для эксплуатации двигателя, поскольку может привести к коррозионному повреждению и заполнению воздушного канала водой. В противоположной ситуации со слишком малым количеством воды воздух не будет насыщаться, и полный эффект охлаждения достигаться не будет. Окружающие условия меняются за счет сезонных изменений, а также от часа к часу. Это обстоятельство, кроме того, устанавливает строгие требования к насосному агрегату. Более низкий предел производительности насоса устанавливают в том случае, когда достигаемое повышение мощности дает незначительное преимущество, а более высокую производительность насоса устанавливают в течение нескольких дней в году с исключительно сухой и жаркой погодой. Для заданной погодной ситуации и реализуемой нагрузки двигателя состояние насыщения достигается при соответствующем определенном количестве воды. На практике это приводит к тому, что производительность насоса имеет широкие пределы. Общепринятое техническое решение заключается в установке насосов различной производительности каскадом, т.е. несколько насосов соединены параллельно, при этом насос № 1 имеет небольшую производительность, насос № 2 имеет производительность, в два раза большую, чем насос № 1, насос № 3 имеет производительность, превышающую в два раза производительность насоса № 2, и так далее. Как правило, насосный агрегат образуют пять насосов. Путем включения в работу одного, двух или большего количества насосов в различных комбинациях можно реализовать очень большой интервал производительности насосного агрегата.

Другой способ повышения выходной мощности относится к охлаждению компрессора. Охлаждение компрессора приводит к уменьшению работы сжатия, что, в свою очередь, приводит к большему располагаемому избытку мощности на валу. Охлаждение компрессора предпочтительно осуществляют путем впрыскивания пыли из мелких капель в газовый тракт компрессора, где испарение и охлаждение происходят внутри компрессора. Например, устанавливают форсунки в промежутке между дисками компрессора. Быстрый рост температуры внутри компрессора при совершении работы сжатия инициирует процесс испарения. Этот метод известен как "мокрое сжатие" и применяется с успехом. Альтернатива размещению форсунок внутри компрессора заключается в их размещении перед входом в компрессор. В этом случае будет происходить такое же "мокрое сжатие".

Еще один способ повышения выходной мощности газовой турбины заключается во впрыске воды в камеру сгорания газовой турбины. В камере сгорания вода испаряется горячими газообразными продуктами сгорания, и образуется водяной пар. Водяной пар вместе с газообразными продуктами сгорания расширяется в турбине. Выходная мощность турбины увеличивается в зависимости от вклада массового расхода пара. Кроме того, вода охлаждает пламя, что, в свою очередь, позволяет сжигать большее количество топлива и вдобавок сохранять такую же температуру горения. Этот последний эффект обеспечивает дополнительную выходную мощность. Помимо повышения мощности другая характерная особенность способа с впрыском в камеру сгорания заключается в том, что он весьма эффективен с точки зрения уменьшения выхода NOx. Образование NOx в значительной степени связано с высокой температурой пламени. При впрыске воды в камеру сгорания пламя охлаждается, и в результате образование NOx подавляется.

Другая существующая проблема заключается в образовании в компрессоре осадка. Машины, через которые протекает воздух, подобные газовым турбинам, потребляют большое количество воздуха. Воздух содержит посторонние частицы в виде аэрозолей, которые поступают в компрессор и прилипают к элементам газового тракта компрессора. Образование осадка в компрессоре приводит к изменениям пограничного слоя воздушного потока, который формируется при обтекании элементов газового тракта. Наличие осадка обуславливает увеличение шероховатости поверхности элемента компрессора. Поскольку поверхность элемента обтекается воздухом, увеличение шероховатости поверхности приводит к увеличению толщины пограничного слоя воздушного потока. Утолщение пограничного слоя воздушного потока оказывает негативное влияние на аэродинамические характеристики компрессора. На хвостовой кромке лопатки воздушный поток образует спутный турбулентный след. Этот турбулентный след вихревого типа оказывает отрицательное воздействие на поток воздуха. Чем толще пограничный слой, тем более развитым будет соответствующий турбулентный след. Турбулентный след наряду с утолщением пограничного слоя приводят к снижению массового расхода в двигателе. Пониженный массовый расход является наиболее важным эффектом, обусловленным образованием осадка в компрессоре. Кроме того, утолщенный пограничный слой и развитый турбулентный след приводят к снижению степени сжатия в компрессоре, что в свою очередь приводит к функционированию двигателя при пониженном отношении давления. Тому, кто знаком с термодинамическими рабочими циклами, понятно, что пониженное отношение давлений в цикле приводит к снижению к.п.д. двигателя. Уменьшение степени сжатия представляет собой второй наиболее значительный эффект, связанный с осадкообразованием в компрессоре. Помимо того, образование осадка в компрессоре уменьшает изоэнтропический и политропический к.п.д. компрессора. Уменьшение к.п.д. компрессора означает, что компрессор требует больших затрат энергии на сжатие такого же количества воздуха. Поскольку мощность, затрачиваемая на привод компрессора, отбирается от турбины через вал, то, следовательно, на привод нагрузки будет приходиться меньше дополнительной располагаемой мощности.

Единственный известный путь борьбы с образованием осадка заключается в том, чтобы смыть его. Промывка может проводиться при выключенном двигателе. В этом случае, пока в компрессор впрыскивают промывочную жидкость, вал газотурбинного двигателя прокручивают с помощью пускового двигателя. При этом образовавшийся осадок удаляют с помощью химических реагентов и механического движения элементов компрессора в процессе прокручивания вала. Жидкость и удаленный материал осадка транспортируют к выходному концу двигателя с использованием потока воздуха. Описанную процедуру называют промывкой с "прокручиванием" или промывкой в "автономном режиме". Альтернативой промывке с прокручиванием является промывка в "оперативном режиме". В этом случае двигатель промывают в процессе его функционирования. При осуществлении промывки в оперативном режиме жидкость впрыскивают в компрессор во время вращения ротора с высокой скоростью. Благодаря высоким скоростям вращения ротора и короткому периоду пребывания жидкости в компрессоре эффективность такой промывки не столь высока по сравнению с промывкой, проводимой с прокручиванием ротора. Но этот способ имеет преимущество в том, что он позволяет производить промывку во время работы двигателя.

Однако даже если, как показано выше, и существует большое количество различных способов повышения выходной мощности газотурбинных двигателей, таких как стационарный газотурбинный двигатель, в настоящее время не известен способ, который был бы способен обеспечить повышение выходной мощности в широком интервале режимов работы двигателя, и в то же время предлагал решение, которому были бы присущи экономичность и удобство использования.

Раскрытие изобретения

В связи с изложенным задача настоящего изобретения заключается в обеспечении многоцелевых способа и системы для повышения выходной мощности газотурбинного двигателя и, в частности, стационарного газотурбинного двигателя, которые обеспечивают повышенную выходную мощность в широком интервале режимов работы.

Другая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении многоцелевых способа и системы для повышения выходной мощности газотурбинного двигателя и, в частности, стационарного газотурбинного двигателя, которые представляют собой экономичное и удобное для использования решение.

Эти и другие задачи решаются в соответствии с настоящим изобретением путем обеспечения способа и системы, особенности которых охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные воплощения изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения обеспечивается система для повышения выходной мощности газотурбинного двигателя, содержащего входной канал (воздуховод), расположенный перед самим газотурбинным двигателем, включающим, в свою очередь, камеру сгорания и компрессор, имеющий ряд лопаток. Предложенная система характеризуется наличием насосного агрегата, включающего в себя насос с регулируемой скоростью (числом оборотов), предназначенный для повышения давления жидкости; блок управления, подключенный к насосному агрегату с помощью линии передачи сигнала и предназначенный для регулирования числа оборотов насоса; устройство для промывки, соединенное с насосным агрегатом посредством подводящего трубопровода и содержащее, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан, соединенный с насосным агрегатом посредством подводящего трубопровода и, по меньшей мере, с одной форсункой посредством трубопровода и предназначенный для регулирования расхода жидкости, подводимой, по меньшей мере, к одной форсунке, при этом, по меньшей мере, одна форсунка устройства для промывки приспособлена для впрыска струи распыленной жидкости таким образом, чтобы эта струя падала на поверхность лопаток компрессора и смачивала эти лопатки, обеспечивая тем самым удаление с лопаток осажденного материала; и, по меньшей мере, одно устройство для впрыска, содержащее, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан, соединенный с насосным агрегатом посредством подводящего трубопровода и, по меньшей мере, с одной форсункой посредством трубопровода и предназначенный для регулирования расхода жидкости, подводимой, по меньшей мере, к одной форсунке, причем, по меньшей мере, одна форсунка устройства для впрыска жидкости предназначена для впрыска струи распыленной жидкости в воздушный поток в воздуховоде для того, чтобы увеличить массовый расход воздуха, при этом может быть увеличена выходная мощность газотурбинного двигателя.

В соответствии со вторым аспектом обеспечивается способ повышения выходной мощности газотурбинного двигателя, содержащего воздуховод, расположенный перед самим газотурбинным двигателем, включающим камеру сгорания и компрессор, содержащий ряд лопаток. Предложенный способ включает стадии: повышения давления жидкости, используя насосный агрегат, включающий насос с регулируемым числом оборотов; регулирование числа оборотов насосного агрегата с помощью блока управления, подключенного к насосному агрегату посредством линии передачи сигнала; подачу жидкости к устройству для промывки, соединенному с насосным агрегатом посредством подводящего трубопровода, при этом устройство для промывки содержит, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан, соединенный с насосным агрегатом посредством подводящего трубопровода и, по меньшей мере, с одной форсункой посредством трубопровода; регулирование с помощью указанного клапана расхода жидкости, подводимой, по меньшей мере, к одной форсунке; впрыск струи распыленной жидкости таким образом, чтобы эта струя падала на лопатки компрессора и смачивала лопатки, обеспечивая тем самым удаление с лопаток осадка, используя при этом, по меньшей мере, одну форсунку устройства для промывки; подачу жидкости, по меньшей мере, к одному устройству для впрыска жидкости, соединенному с насосным агрегатом с помощью подводящего трубопровода, при этом, по меньшей мере, одно устройство для впрыска жидкости, включает, по меньшей мере, одну форсунку и, по меньшей мере, один клапан, соединенный с насосным агрегатом посредством подводящего трубопровода и, по меньшей мере, с одной форсункой посредством трубопровода; регулирование расхода жидкости, подводимой, по меньшей мере, к одной форсунке, используя для этого указанный клапан; и впрыск струи распыленной жидкости в воздушный поток в воздуховоде, используя для этого, по меньшей мере, одну форсунку устройства для впрыска жидкости с тем, чтобы увеличить расход воздуха, при этом выходная мощность газотурбинной установки повышается.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения обеспечивается компьютерный программный продукт, загружаемый в память цифрового компьютера, включающий кодовые части программы для осуществления стадий способа, соответствующего второму аспекту настоящего изобретения, с использованием на компьютере компьютерного программного продукта.

Настоящее изобретение, таким образом, основано на идее увеличения массового расхода с тем, чтобы повысить выходную мощность газотурбинного двигателя. В основе изобретения лежит использование воды как средства повышения расхода в двигателе и тем самым увеличения его выходной мощности. Использование воды не только повышает выходную мощность, но дает также выгоды с точки зрения экологии, такие, как снижение вредных выбросов в атмосферу. В изобретении творчески объединен метод промывки двигателя, по меньшей мере, с одним из методов, а именно методом испарительного охлаждения, методом промежуточного охлаждения компрессора и методом охлаждения пламени в камере сгорания. Все эти методы основаны на использовании воды, и задача изобретения заключается именно в обеспечении методов испарительного охлаждения, промежуточного охлаждения компрессора, охлаждения пламени в камере сгорания и промывки двигателя с использованием воды.

Испарительное охлаждение, промежуточное охлаждение компрессора, охлаждение пламени в камере сгорания и промывка двигателя являются общепринятыми методами, используемыми при эксплуатации газотурбинных двигателей во всем мире. Однако настоящее изобретение раскрывает, каким образом эти методы могут быть скомбинированы на одной и той же газотурбинной установке с получением ранее не известного синэнергетического эффекта. Кроме того, изобретение раскрывает, каким образом применяют стандартное оборудование с уменьшением тем самым затрат на практическое осуществление изобретения. В стандартном оборудовании в качестве рабочего тела используют воду при высоком давлении, при этом выгодные практические эксплуатационные эффекты выявлены от использования комбинации метода промывки, по меньшей мере, с одним из методов, включающих метод испарительного охлаждения, метод промежуточного охлаждения компрессора и метод охлаждения пламени в камере сгорания. Предложенная система является тем самым многоцелевой системой, предназначенной для обеспечения различных действий, направленных на улучшение эксплуатационных характеристик газотурбинного двигателя. Благоприятные эффекты, помимо того, будут раскрыты на предпочтительных воплощениях изобретения. В качестве ссылок на известные методы следует указать следующие патентные документы: US 6718771 (Kopko), из которого известна система испарительного охлаждения, обеспечивающая функционирование газотурбинной установки при высоких температурах; US 5868860 (Asplund), где раскрыто использование жидкости высокого давления для промывки компрессоров газотурбинных установок; US 6644935 (Ingistov), где описана сборная конструкция форсунки для впрыска воды в промежуточную ступень компрессора; US 3976661 (Cheng), где раскрыты эффекты повышения мощности за счет впрыска воды в камеру сгорания.

В соответствии с настоящим изобретением, как описано далее в предпочтительных воплощениях, изобретение, включающее метод испарительного охлаждения, метод промежуточного охлаждения компрессора, метод охлаждения пламени в камере сгорания и метод промывки двигателя, может быть осуществлено с использованием только одного насоса, если насосный агрегат спроектирован соответствующим образом для такого практического использования. Задача настоящего изобретения заключается именно в обеспечении устройств для осуществления испарительного охлаждения, промежуточного охлаждения компрессора, охлаждения пламени в камере сгорания и промывки двигателя с использованием только одного насоса.

Согласно изобретению, как отмечено далее, в предпочтительных воплощениях необходимы наличие воды при высоком давлении и возможность значительного изменения ее расхода. Как отмечено выше, из уровня техники в области насосов известна реализация агрегата с несколькими параллельно включенными насосами, как правило, с пятью насосами, каждый из которых имеет различную производительность. При одном работающем насосе наличие двух или большего количества насосов при различных сочетаниях их производительностей позволяет реализовать очень широкий диапазон производительностей насосного агрегата. Настоящее изобретение раскрывает использование одного насоса с регулируемым числом оборотов, где число оборотов определяется частотой тока, а надлежащую частоту устанавливают с помощью регулятора частоты тока. Задача настоящего изобретения заключается как раз в упрощении используемого оборудования за счет использования только одного насоса для осуществления испарительного охлаждения, промежуточного охлаждения компрессора, охлаждения пламени в камере сгорания и промывки двигателя.

Опытным путем установлено, что испарительное охлаждение, промежуточное охлаждение компрессора, охлаждение пламени в камере сгорания и промывка двигателя редко проводятся по определенной заданной программе. Например, ввиду того, что температура воздуха меняется от часа к часу, проведение испарительного охлаждения также изменяется. В качестве другого примера можно отметить, что сезонные изменения загрязнения воздуха загрязняющими веществами могут обуславливать различные свойства осадка и, следовательно, различную потребность в промывке. Эти два случая и многие другие случаи требуют получения непрерывной информации о рабочем состояния двигателя. Требуются специальные решения для обеспечения оптимизированной эксплуатации. В соответствии с изобретением проведение испарительного охлаждения, промежуточного охлаждения компрессора, охлаждения пламени в камере сгорания и промывки двигателя с использованием одного и того же насосного агрегата будет упрощать эксплуатацию двигателя, как описано ниже в предпочтительном воплощении настоящего изобретения. Задача настоящего изобретения заключается в упрощении эксплуатации.

Согласно изобретению испарительное охлаждение, промежуточное охлаждение компрессора, охлаждение пламени в камере сгорания и промывка двигателя проводятся с использованием одного и того же насосного агрегата, что упрощает эксплуатацию, а также позволяет использовать дополнительные капитальные затраты на оборудование. Понятно, что если устройство для промывки обеспечивает один поставщик, а устройство испарительного охлаждения - другой поставщик, то результирующие капиталовложения в эти два устройства будут высокими. Кроме того, эксплуатация различных автономных устройств связана со значительными ограничениями с точки зрения требований, предъявляемым к рабочим характеристикам, запасным частям и техническому обслуживанию. В соответствии с изобретением для испарительного охлаждения, промежуточного охлаждения компрессора, охлаждения пламени в камере сгорания и промывки двигателя используют один насосный агрегат, что снижает требования к капиталовложениям, запасным частям и техническому обслуживанию. Задача настоящего изобретения заключается как раз в снижении требований к капиталовложениям, запасным частям и техническому обслуживанию.

Отработанная вода, как результат осуществления описанных выше методов, будет отводиться из двигателя. Эта воду можно отводить в виде водяного пара через отводящую трубу, или же она может находиться в виде конденсата. В частности, в случае проведения промывки с прокручиванием промывочная вода будет выливаться из выпускного конца двигателя. Вода содержит удаленный с лопаток материал осадка, а также масла, жиры и ионы металла, выходящие из самого двигателя. Эта вода является вредным веществом и должна быть собрана и подвергнута очистке. Вода также может появляться во входном воздуховоде при осуществлении струйного испарительного охлаждения. Эта вода также должна быть собрана и подвергнута очистке. Задача настоящего изобретения состоит как раз в обеспечении устройства для очистки отработанной воды. Очищенная отработанная вода может быть использована вновь для промывки, и таким образом обеспечивается система без отвода жидкой воды. Кроме того, повторное использование воды уменьшает общее ее потребление. Задача настоящего изобретения заключается и в том, чтобы избежать выброса воды и уменьшить ее потребление за счет обеспечения системы с замкнутым контуром циркуляции жидкой воды.

Характерные особенности настоящего изобретения как в отношении организации, так и способа работы, наряду с другими задачами и преимуществами изобретения, будут более понятны из нижеследующего описания со ссылками на сопровождающие чертежи. Следует хорошо понимать, что чертежи служат в целях иллюстрации и раскрытия и не предназначены для ограничения объема изобретения. Указанные выше и другие задачи, решаемые с помощью настоящего изобретения, и предлагаемые им преимущества станут более очевидными из нижеследующего описания и сопровождающих чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - типичная конфигурация входного воздуховода рассматриваемого газотурбинного двигателя.

Фиг.2 - воплощение системы, соответствующей настоящему изобретению, установленной на стационарном газотурбинном двигателе.

Фиг.3 - другое воплощение системы, соответствующей настоящему изобретению, установленной на стационарном газотурбинном двигателе.

Фиг.4 - воплощение системы, соответствующей настоящему изобретению, включающей устройство для промывки и устройство испарительного охлаждения.

Фиг.5 - воплощение системы, соответствующей настоящему изобретению, включающей устройство для промывки и устройство для промежуточного охлаждения компрессора.

Фиг.6 - воплощение системы, соответствующей настоящему изобретению, включающей устройство для промывки и устройство для охлаждения камеры сгорания.

Осуществление изобретения

Газотурбинные двигатели широко используются в различных случаях практического применения. Приведенное ниже описание сфокусировано на эксплуатации газотурбинных двигателей, используемых на электростанции. Однако настоящее изобретение не ограничено указанным применением. Специалист в данной области техники может осуществить описанные методы различными путями и при этом еще оставаться в пределах решения задач настоящего изобретения.

Газотурбинный двигатель электростанции, как правило, установлен в кожухе, который обеспечивает защиту от атмосферного влияния и уменьшает распространение звука. Кожух имеет вход для воздуха, поступающего в газотурбинный двигатель, и выход для выброса отработавших газов. На фиг.1 показана типичная конфигурация входного воздуховода такого газотурбинного двигателя. Стрелками показано направление движения потока воздуха. Атмосферный воздух поступает в воздуховод 101 через жалюзи 102, защищающие от влияния окружающей атмосферы, и далее через соруудерживающую решетку 103 и воздушный фильтр 104 на вход газотурбинного двигателя 10. Газотурбинный двигатель 10 содержит ротор с лопатками и внешний корпус 11. Установленные на переднем конце вала лопатки 12 компрессора сжимают воздух до высокого давления, как правило, со степенью сжатия от 10 до 30. Сжатый воздух направляется в камеру 13 сгорания. В камере сгорания сжигается топливо (не показано). Горячие продукты сгорания расширяются при прохождении через турбину 14 и покидают установку через выпускной канал (не показан).

В соответствии с изобретением в зоне расположения входного воздуховода, а также в компрессоре и камере сгорания установлены форсунки. Чтобы разобраться в том, почему эти форсунки имеют именно такие характеристики, какие они имеют, необходимо знать параметры окружающей среды, при которых функционируют форсунки. Как показано на фиг.1, атмосферный воздух А проходит наружные жалюзи, соруудерживающую решетку и фильтр с умеренной скоростью, обычно со скоростью 10 м/сек. Из зоны В воздух перемещается в зону С также с умеренной скоростью. Далее воздух поступает во входную камеру, в зону D. Входная камера 19 спрофилирована в виде раструба с тем, чтобы обеспечить ускорение потока воздуха. На входной стороне Е компрессора скорость воздуха, как правило, составляет половину скорости звука или 180 м/сек. Цель ускорения потока воздуха заключается в достижении высокой скорости, необходимой для совершения компрессором работы сжатия. При прохождении внутри компрессора скорость воздуха за счет сжатия снижается в соответствии с увеличением его плотности. Внутри камеры сгорания скорости, как правило, составляют менее 100 м/сек. Форсунки, которые впрыскивают воду в компрессор и в камеру сгорания, осуществляют подачу воды в условиях высокой плотности газа, и, кроме того, малых геометрических размеров. Небольшие геометрические размеры, высокая скорость и высокая плотность обуславливают жесткие требования, предъявляемые к форсункам.

На фиг.2 показан входной воздуховод стационарного газотурбинного двигателя, показанного на фиг.1. Фиг.2 иллюстрирует применение устройства испарительного охлаждения, устройства для промывки, устройства промежуточного охлаждения и устройства охлаждения пламени в камере сгорания, соответствующих изобретению. Устройство испарительного охлаждения представляет собой устройство, формирующее "туман", т.е. которое позволяет распылять воду в виде пыли (тумана) из мелких испаряющихся капель. Устройство промывки представляет собой устройство для впрыскивания воды на входе компрессора. Устройство промежуточного охлаждения компрессора является устройством "мокрого сжатия" для впрыскивания воды в поток воздуха высокого давления между ступенями компрессора. Наконец, устройство охлаждения камеры сгорания представляет собой устройство для впрыскивания воды в камеру сгорания.

На фиг.2 отображен насосный агрегат 201 (в деталях не показан), содержащий насос объемного типа для нагнетания жидкости под высоким давлением, приводимый в действие с помощью электродвигателя переменного тока с регулируемой частотой, где частота тока управляет числом оборотов насоса. В качестве варианта насосный агрегат может содержать альтернативный электродвигатель, например электродвигатель постоянного тока, при этом электрический ток электродвигателя управляет числом оборотов насоса. Насос повышает давление жидкости максимум до 140 бар, предпочтительно до 35 бар, более предпочтительно до 70 бар. Такое давление, как установлено, является оптимальным для многоцелевой эксплуатации с осуществлением испарительного охлаждения, промежуточного охлаждения компрессора, промывки двигателя и охлаждения камеры сгорания. Максимальная производительность насоса устанавливается в соответствии с расчетным расходом воздуха через газотурбинную установку. Производительность насоса приводится в соответствие с отношением расходов жидкости и воздуха, в котором расход жидкости входит в числитель, а расход воздуха - в знаменатель. Если расход жидкости выражен в литрах в минуту, а расход воздуха в килограммах в секунду, то это отношение находится в интервале от 03, до 0,5. Как установлено, это отношение является оптимальным для указанной многоцелевой эксплуатации с осуществлением испарительного охлаждения, промежуточного охлаждения компрессора, промывки двигателя и охлаждения камеры сгорания.

Нагретая вода может быть выгодной для использования, например для промывки компрессора. С этой целью насосный агрегат 201 снабжен резервуарами и нагревателями для нагревания воды. Кроме того, для использования в качестве моющего средства или в качестве ингибиторов коррозии компрессора по окончании работы двигателя могут быть выгодны химические реагенты. С этой целью насосный агрегат 201 включает средства ввода жидкости, предназначенные для подачи в воду жидких химических реагентов.

Насосный агрегат 201 регулируют с помощью блока 202 управления. Блок 202 управления (подробности выполнения не показаны) содержит средства ручного управления и средства программного регулирования, обеспечивающие работу насосного агрегата с помощью линии 204 передачи сигнала. Блок 202 управления содержит запоминающее устройство 218. Запоминающее устройство 218 может включать оперативное запоминающее устройство (RAM) и/или долговременное запоминающее устройство, такое, как постоянное запоминающее устройство (ROM).

Специалистам в данной области техники будет понято, что запоминающее устройство может включать различные типы физических устройств для временного и/или постоянного хранения данных, которые включают полупроводниковые, магнитные и оптические носители и их комбинации. Например, запоминающее устройство может быть реализовано с использованием одного или более физических устройств (носителей), таких как дисплейное оперативное запоминающее устройство (DRAM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROMS), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROMS), электрически-стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROMS), флэш-память и тому подобное. Кроме того, запоминающее устройство 218 может представлять собой компьютерный программный продукт, включающий кодовые части компьютерной программы для осуществления стадий способа в соответствии с изобретением, когда компьютерный программный продукт используется на компьютере, например, управляя степенью открытия клапана для того, чтобы, в свою очередь, регулировать расход жидкости, подводимой к форсунке.

Блок управления 202 может управляться из комнаты управления или от пульта управления насосным агрегатом. В комнате управления может быть установлен комплекс средств 300 контроля и управления (см. фиг.3), присоединенных к блоку 202 управления посредством линии 301 передачи сигнала и включающих входное устройство, такое как кнопочный пульт 302 ввода, который позволяет оператору вводить, например, команды управления для насосного агрегата, и дисплей или экран 304 для отображения информации, относящейся к работе насосного агрегата, например сведений об изменении во времени рабочих параметров или информации о состоянии насосного агрегата. Соответственно, оператор посредством дисплея 304 может непрерывно контролировать как работу насоса, так и различные рабочие параметры насоса. В соответствии с другим воплощением дисплей представляет собой сенсорный экран, и в этом случае на экране может быть размещен ряд сенсорных клавиш для того, чтобы воспроизвести различные команды на различных представленных интерфейсах на дисплее. Кроме того, комплекс средств 300 контроля и управления может включать запоминающее устройство (не показано), которое, в свою очередь, может включать оперативное запоминающее устройство (RAM) и/или долговременное запоминающее устройство, такое как постоянное запоминающее устройство (ROM). Специалистам в данной области техники будет понятно, что запоминающее устройство может включать различные типы физических устройств для временного и/или постоянного хранения данных, которые включают полупроводниковые, магнитные и оптические устройства (носители) и их комбинации. Например, запоминающее устройство может быть реализовано с использованием одного или более физических (носителей) устройств, таких как дисплейное оперативное запоминающее устройство (DRAM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROMS), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EPROMS), электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROMS), флэш-память и тому подобное.

Поскольку параметры окружающей среды являются важными входными параметрами для эксплуатационных характеристик газотурбинного двигателя, к блоку 202 управления посредством линии 205 передачи сигнала подключен блок 203 непрерывного контроля погодных условий. Блок 203 непрерывного контроля погодных условий (подробности не показаны) включает сухой термометр и измеритель влажности воздуха. В качестве альтернативы возможно, чтобы блок непрерывного контроля погодных условий включал в себя "сухой" термометр и "мокрый" термометр. Информация о погоде обрабатывается блоком 202 управления, который по результатам обработки направляет оператору важнейшую оперативную информацию, такую как допустимое количество испаренной воды, опасность обледенения и т.п. Эта информация, например, может быть представлена для оператора на дисплее 304.

Фиг.2 иллюстрирует процесс потребления воды. Устройство 206, предназначенное для подпитки воды (подробности не показаны), содержит аппарат очистки воды, включающий фильтры для отделения твердых частиц и фильтры деионизации. Неочищенную воду подают в устройство 206 подпитки воды от источника этой воды (не показан) по трубопроводу 207. В качестве альтернативы вода может подаваться из водоотводов газотурбинного двигателя и направляться в устройство 206 подпитки воды по трубопроводу 208. Устройство 206 очищает воду до достижения качества "деминерализованной" воды. Такая вода является подходящей для впрыска в газовый тракт газотурбинного двигателя. Воду, очищенную до высокой степени, подают в насосный агрегат 201 по трубопроводу 209.

Воду под давлением, вытекающую из насосного агрегата, подают в подводящий трубопровод 20. Подводящий трубопровод 20 служит в качестве распределителя воды высокого давления для различных пользователей, таких как устройство испарительного охлаждения, устройство для промывки, устройство промежуточного охлаждения компрессора и устройство охлаждения камеры сгорания.

Далее будет описано устройство испарительного охлаждения. Подводящий трубопровод 20 подсоединен к трубопроводу 23 через клапан 24. Когда клапан 24 открывается, вода под высоким давлением поступает в держатель 21 форсунок. Держатель 21 форсунок установлен внутри входного воздуховода и на значительном расстоянии выше по потоку от входной стороны компрессора. Держатель 21 форсунок обычно представляет собой трубу с большим количеством форсунок, которые распыляют воду с образованием струи 22 из капель. Образовавшиеся капли уносятся с потоком воздуха и испаряются прежде, чем они достигнут компрессора, поскольку транспортирование воздуха от наконечника форсунки до входа в компрессор происходит в течение достаточно большого промежутка времени. Процесс испарения происходит за счет теплообмена капель воды с воздухом, при котором энтальпия воздуха уменьшается на величину, равную скрытой теплоте парообразования, в результате чего температура воздуха при испарении воды понижается. Более низкой температуре воздуха соответствует более высокая плотность воздуха. Поскольку газотурбинные двигатели представляют собой машины постоянного объема, это означает, что при охлаждении воздуха его массовый расход будет увеличиваться. Увеличение массового расхода воздуха приводит к повышению выходной мощности на валу двигателя. Форсунки распыляют воду на мелкие капли, как правило, размером в интервале 1-50 микрон, предпочтительно в интервале 10-30 микрон. Небольшие капли являются результатом распыления при давлении, составляющем от 35 до 140 бар. Необходимый расход жидкости устанавливают с помощью насоса с регулируемым числом оборотов. Операцию испарительного охлаждения прекращают путем перекрытия клапана 24.

Далее будет описан устройство промывки, работающее в оперативном режиме. Оперативная промывка характеризуется тем, что она осуществляется во время работы двигателя. В процессе оперативной промывки двигатель сжигает топливо, при этом ротор вращается с высокими скоростями, и воздух с высокой скоростью поступает в компрессор. К подводящему трубопроводу 20 через клапан 27 подсоединен трубопровод 28. Когда клапан 27 открывается, жидкость под высоким давлением поступает к форсунке 25. Форсунка 25 установлена выше по потоку от входной стороны компрессора. Форсунка 25 распыляет жидкость с образованием струи 26 из капель. Форсунка 25 ориентирована по существу в направлении входного отверстия компрессора. Жидкость имеет высокую скорость истечения из форсунки благодаря ее высокому давлению. Распыленная струя из капель (водяная пыль), имеющая высокую скорость, будет проникать в высокоскоростной поток воздуха. Распыленные капли увлекаются потоком газа в компрессор. Внутри компрессора капли жидкости падают на рабочие и направляющие лопатки компрессора и смачивают их. Смачивание рабочих и направляющих лопаток компрессора будет обеспечивать удаление осажденного на них материала. В результате компрессор очищается. Очистка приводит к уменьшению толщины пограничного слоя на лопатках, что позволяет увеличить массовый расход в компрессоре. Увеличение массового расхода, в свою очередь, приведет к повышению выходной мощности газотурбинного двигателя. Образовавшаяся при распылении струя 26 в виде тумана из капель включает капли размером в интервале от 50 до 500 микрон, предпочтительно в интервале от 70 до 200 микрон. Указанный размер капель является результатом распыления жидкости при давлении 35-140 бар. Необходимый расход жидкости устанавливают с помощью насоса с регулируемым числом оборотов. Для прекращения операции промывки клапан 27 закрывают.

Далее будет описана промывка в автономном режиме. Для промывки в автономном режиме, как и для промывки в оперативной режиме, используется тот же ряд форсунок. Промывка в автономном режиме характеризуется низкими скоростями вращения ротора и низкой скоростью течения воздуха в результате прокручивания вала пусковым электродвигателем. Во время промывки в автономном режиме двигатель не потребляет топливо. К подводящему трубопроводу 20 через клапан 27 подсоединен трубопровод 28. Когда клапан 27 открывается, жидкость под высоким давлением поступает к форсунке 25. Форсунка 25 установлена выше по потоку от входной стороны компрессора. Форсунка 25 распыляет жидкость с образованием струи 26 из капель. Поскольку форсунка 25 ориентирована по существу в направлении входного отверстия компрессора, жидкость поступает в компрессор. Образовавшиеся капли имеют подходящий размер для того, чтобы, падая на рабочие и направляющие лопатки компрессора, смачивать их. Смачивание рабочих и направляющих лопаток компрессора будет приводить к удалению осажденного на них материала. В результате компрессор очищается. Очистка приводит к уменьшению толщины пограничного слоя (на лопатках) при работе газотурбинного двигателя. Уменьшение толщины пограничного слоя позволяет увеличить массовый расход в компрессоре. Увеличение массового расхода, в свою очередь, приведет к повышению выходной мощности газотурбинного двигателя. Образовавшаяся при распылении струя 26 из капель в виде тумана включает капли размером в интервале от 50 до 500 микрон, предпочтительно в интервале от 70 до 200 микрон. Указанный размер капель является результатом распыления жидкости при давлении 35-140 бар. Необходимый расход жидкости устанавливают с помощью насоса с регулируемым числом оборотов. Для прекращения операции промывки клапан 27 закрывают. В качестве альтернативы для промывки в автономном режиме может быть использован иной ряд форсунок, хотя основная операция будет осуществляться так, как описано выше.

Далее будет описано устройство промежуточного охлаждения. Устройство промежуточного охлаждения в соответствии с изобретением представляет собой систему с мокрым сжатием. Термин "мокрое сжатие" означает, что жидкость в виде небольших капель испаряется внутри компрессора в процессе сжатия. Время нахождения воздуха внутри компрессора составляет миллисекунды. В течение этого периода времени капли будут испаряться. Капли могут испариться, если их начальные размеры малы. В дальнейшем быстрый рост температуры, как результат совершения работы сжатия в компрессоре, приводит к интенсивному испарению. К подводящему трубопроводу 20 через клапан 210 подсоединен трубопровод 29. При открытии клапана 210 жидкость под высоким давлением поступает к форсунке 212. Форсунка 212 установлена таким образом, чтобы впрыскивать жидкость в газовый тракт компрессора. Например, форсунка может быть установлена так, чтобы впрыскивать жидкость между двумя дисками компрессора. Форсунка 212 распыляет жидкость в виде струи 211 из небольших капель. Эти небольшие капли будут испаряться прежде, чем они смогут вылететь из компрессора. Испарение охлаждает воздух и тем самым увеличивает плотность воздуха. Повышенная плотность обуславливает увеличение массового расхода, что в результате приводит к повышению выходной мощности двигателя. Кроме того, массовый расход повышается за счет добавления массы воды. Помимо того, охлаждение компрессора приводит к понижению температуры воздуха на выходе из компрессора. В результате в камеру сгорания поступает более холодный воздух, и это означает, что может сгорать большее количество топлива при сохранении постоянной температуры горения. Сжигание большего количества топлива повысит выходную мощность двигателя. Распыленная струя 211 образована из капель размером от 1 до 50 микрон, предпочтительно - от 5 до 30 микрон. Такие небольшие размеры капель получаются при распылении жидкости с давлением 35-140 бар. Необходимый расход жидкости устанавливают с помощью насоса с регулируемым числом оборотов. Для прекращения операции "мокрого сжатия" клапан 210 перекрывают. В качестве альтернативы форсунки для "мокрого сжатия" могут быть установлены выше по потоку от входа компрессора. В принципе функционирование будет таким же, как и в случае установки форсунок в промежуточных ступенях согласно вышеприведенному описанию.

Далее будет описано устройство охлаждения камеры сгорания. Указанное устройство охлаждения камеры сгорания включает форсунки для впрыскивания капель воды в компрессор. Подвод скрытой теплоты парообразования к каплям осуществляется в процессе теплообмена за счет теплосодержания пламени, и в результате температура пламени уменьшается. К подводящему трубопроводу 20 через клапан 216 подсоединен трубопровод 215. При открытом клапане 216 жидкость под высоким давлением подается к форсунке 214. Форсунка 214 распыляет жидкость с образованием струи 213 из капель. Эффект повышения мощности обусловлен вкладом впрыска жидкости в массовой расход, который сказывается при расширении водяного пара в турбине. Кроме того, поскольку температура пламени понижается, может быть сожжено дополнительное количество топлива с сохранением постоянной температуры горения. Сжигание большего количество топлива обеспечивает дополнительную выходную мощность. Образовавшаяся в результате распыления струя 213 содержит капли, размер которых составляет 20-500 микрон, предпочтительно 50-200 микрон. Такие небольшие размеры капель получены в результате распыления жидкости с давлением 35-140 бар. Необходимый расход жидкости устанавливают с помощью насоса с регулируемым числом оборотов. Для прекращения охлаждения камеры сгорания клапан 216 закрывают. Заслуживают упоминания некоторые дополнительные конструктивные особенности. Подводящий трубопровод 20 и трубопровод 28, 29 и 215 могут быть выполнены из гибкого шланга высокого давления гидравлического типа. Гибкий шланг будет упрощать монтаж системы. В качестве альтернативы может быть установлен гибкий трубопровод. Клапаны 24, 27, 210 и 216 закрывают и открывают из комнаты управления. В качестве альтернативы они могут открываться или закрываться вручную.

Представляется, что может быть излишним использование как устройства испарительного охлаждения, так и промежуточного охладителя компрессора, поскольку они решают одну и ту же задачу. Однако между ними имеется различие, состоящее в том, что промежуточный охладитель может быть сильно ограничен по производительности ввиду того, что установка большого количества необходимых форсунок при небольших габаритах компрессора затруднена. С другой стороны, устройство испарительного охлаждения имеет преимущество в легкости и низкой стоимости его установки во входном воздуховоде, но при функционировании устройство испарительного охлаждения ограничено опасностью обледенения при низких температурах. Ясно, что существуют такие условия функционирования, при которых одно из этих устройств более предпочтительно, чем другое. Это иллюстрируется также с помощью приведенного ниже примера.

В действующих установках может быть обнаружено, что устройства испарительного охлаждения, промежуточного охлаждения компрессора, охлаждения пламени в камере сгорания или промывки в конкретных случаях все могут не потребоваться, однако минимальным требованием является наличие устройства для промывки и, по меньшей мере, одного из устройств, включающих устройство испарительного охлаждения, устройство промежуточного охлаждения компрессора и устройство охлаждения пламени камеры сгорания.

На фиг.4 представлено воплощение системы, соответствующей настоящему изобретению, включающей устройство для промывки и устройство испарительного охлаждения. Одинаковые элементы конструкции на фиг.2, 3 и 4 обозначены одинаковыми номерами позиций. Описание этих элементов не будет приведено, поскольку они уже описаны выше со ссылкой на фиг.2.

Возвращаясь к фиг.5, следует отметить, что на этой фигуре представлено воплощение системы, соответствующей настоящему изобретению, включающей в себя устройство для промывки и устройство промежуточного охлаждения компрессора. Одинаковые элементы конструкции на фиг.2, 3 и 5 обозначены одинаковыми номерами позиций. Описание этих элементов не будет приведено, поскольку они уже описаны выше со ссылкой на фиг.2.

На фиг.6 представлено воплощение системы, соответствующей настоящему изобретению, включающей устройство для промывки и устройство охлаждения камеры сгорания. Одинаковые элементы конструкции на фиг.2, 3 и 6 обозначены одинаковыми номерами позиций. Описание этих элементов не будет приведено, поскольку они уже описаны выше со ссылкой на фиг.2.

Дополнительная особенность изобретения заключается в возможности понижать содержание NOx. Образование NOx связано с температурой пламени и временем сохранения этой температуры. Вода имеет высокую теплоемкость, положительное влияние которой заключается в том, что нагревание воды пламенем растягивается во времени до достижения пламенем его конечной температуры. Как было показано, это является весьма эффективным для подавления образования NOx. Конкретные пригодные схемы для снижения содержания NOx здесь не рассматриваются, т.к. лучше всего они определяются на основании требований, предъявляемых на фактическом месте их установки.

Существуют дополнительные выгоды, предоставляемые изобретением. Так, использование воды снижает потребление топлива. Уменьшение потребления топлива является результатом более эффективной работы таких компонент газотурбинного двигателя, как компрессор и турбина. Конкретные подходящие схемы для снижения потребления топлива здесь также не рассматриваются.

Особенность настоящего изобретения заключается в гибкости в подключении и отключении указанных выше устройств, в зависимости от того, какое из них наиболее выгодное с точки зрения эксплуатации двигателя. При желании можно привести в действие одно устройство и отключить другое. Это показано на двух приведенных ниже примерах. Отмеченная выше гибкость двумя примерами не ограничивается. Опыты на действующих установках откроют для оператора много возможностей повысить с помощью настоящего изобретения эффективность своей работы и получить максимальные результаты.

Примеры

Пример 1. В этом примере оператор использует газотурбинную установку в качестве "пиковой энергетической установки", т.е. установка работает лишь в ограниченные часы дня с целью обеспечения дополнительной электрической мощности в том случае, когда этого требует электрическая сеть. Оператор приводит в действие испарительное охлаждение с тем, чтобы повысить выходную электрическую энергию установки. Это осуществляется путем запуска насосного агрегата 201 и открытия клапана 24. Другие клапаны на подводящем трубопроводе 20, т.е. клапаны 27, 210 и 216 закрыты. В этом режиме работы осуществляют испарительное охлаждение с распыливанием воды и образованием тумана из капель выше по потоку от компрессора. Образовавшийся туман будет эффективно охлаждать воздух по мере испарения капель. Однако образование тумана имеет недостаток, который заключается в коагуляции находящихся в воздухе инородных твердых частиц, которая будет проявляться в виде влажного и липкого осадка в компрессоре. Поэтому перед отключением установки желательно смыть этот осадок с тем, чтобы следующий пуск можно было произвести с очищенным компрессором. Оператор выполняет эту операцию путем проведения трехминутной промывки в оперативном режиме перед выключением установки. За три минуты до выключения установки клапан 24 перекрывают и одновременно клапан 27 открывают. В таком режиме работы проводят оперативную промывку, и в то же время испарительное охлаждение прекращают. По истечении трех минут насосный агрегат 201 останавливают, и клапан 27 перекрывают. Далее проводят оперативную промывку, и газотурбинную установку выключают.

Пример 2. В этом примере оператор использует газотурбинную установку для выработки электрической энергии при установленных устройстве испарительного охлаждения и устройстве промежуточного охлаждения компрессора. Оператор приводит в действие устройство испарительного охлаждения с тем, чтобы повысить выходную электрическую энергию установки. В ночное время температура падает. Оператор видит, что относительная влажность воздуха с понижением температуры увеличивается. Со временем утром будет достигнута температура точки росы, при которой вода больше не может испаряться. Это обстоятельство не позволяет оператору использовать устройство испарительного охлаждения. Чтобы сохранить способность повышения мощности, оператор решает подключить к компрессору устройство промежуточного охлаждения компрессора. Это производится путем закрытия клапана 24 и одновременного открытия клапана 210. Утром после восхода солнца температура увеличивается, и относительная влажность падает. Теперь оператор решает вновь включить испарительное охлаждение посредством закрытия клапана 210 и одновременного открытия клапана 23.