система распыления, система увеличения мощности для двигателя, содержащая систему распыления, и способ увлажнения воздуха

Формула изобретения

1. Система увеличения мощности, содержащая:

канал, имеющий по меньшей мере одно впускное отверстие для воздуха и обеспечивающий прохождения воздуха через него;

турбину, расположенную по потоку ниже впускного отверстия для воздуха;

решетку сопел, расположенную по потоку ниже впускного отверстия для воздуха и выше турбины, причем решетка сопел содержит множество ступеней и образует множество подсекций поперечного сечения канала, через которые проходит воздух, когда он перемещается через решетку сопел по направлению к турбине,

причем каждая ступень содержит множество сопел, выполненных с возможностью увлажнения воздуха, перемещающегося через множество подсекций, посредством распыления жидкости,

при этом каждая ступень выполнена с возможностью распыления изменяющихся количеств жидкости, и

ступени выполнены с возможностью, по существу, равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через множество подсекций при любом количестве распыляемой жидкости.

2. Система по п.1, в которой ступени содержат первую ступень и вторую ступень, причем все сопла в первой ступени имеют одинаковую первую схему устройства ступеней, а все сопла во второй ступени имеют одинаковую вторую схему устройства ступеней.

3. Система по п.2, в которой каждое из сопел в первой ступени выполнено с возможностью одновременного распыления, по существу, одинакового количества жидкости в подсекции.

4. Система по п.2, содержащая множество первых ступеней сопел, причем первые ступени сопел отстоят на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя подсекции.

5. Система по п.2, дополнительно содержащая множество третьих ступеней сопел, причем каждая третья ступень сопел содержит множество третьих распылительных сопел в третьей схеме устройства ступеней, при этом каждое третье распылительное сопло выполнено с возможностью увлажнения воздуха, когда воздух перемещается через подсекции, посредством распыления жидкости.

6. Система по п.5, в которой одна первая ступень сопел и одна вторая ступень сопел расположены рядом с друг с другом и совместно образуют первый подузел узла решетки сопел, при этом:

одна третья ступень сопел расположена на расстоянии от первого подузла, причем третья ступень сопел образует второй подузел узла,

решетка сопел состоит из множества повторяющихся узлов,

пространство между первым подузлом и вторым подузлом образует первую подсекцию поперечного сечения канала, и

узлы расположены на расстоянии друг от друга таким образом, чтобы образовать вторую подсекцию поперечного сечения канала.

7. Система по п.6, в которой каждая из первых ступеней сопел, каждая из вторых ступеней сопел и каждая из третьих ступеней сопел выполнены таким образом, что совместно они способны, по существу, равномерно увлажнять воздух, перемещающийся через подсекции, при любом количестве распыляемой жидкости.

8. Система по п.7, дополнительно содержащая множество четвертых ступеней сопел, каждая из которых содержит множество четвертых распылительных сопел в четвертой схеме устройства ступеней, причем каждое четвертое распылительное сопло выполнено с возможностью увлажнения воздуха, когда воздух перемещается через подсекции, посредством распыления жидкости.

9. Система по п.8, в которой каждая четвертая ступень сопел расположена рядом с одной первой ступенью сопел и одной второй ступенью сопел, чтобы дополнительно образовать первые подузлы узлов.

10. Система по п.9, дополнительно содержащая множество пятых ступеней сопел, каждая из которых содержит множество пятых распылительных сопел в пятой схеме устройства ступеней, причем каждое пятое распылительное сопло выполнено с возможностью увлажнения воздуха, когда воздух перемещается через подсекции, посредством распыления в нем жидкости, при этом каждая пятая ступень сопел расположена рядом с одной третьей ступенью сопел, чтобы дополнительно образовать второй подузел.

11. Система по п.10, в которой ступени на каждом узле способны совместно выпускать количество жидкости, требуемое для, по существу, равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через первую подсекцию и вторую подсекцию, при любом количестве распыляемой жидкости.

12. Способ увлажнения воздуха для увеличения выходной мощности двигателя, включающий:

создание воздушного канала, имеющего, по меньшей мере, одно впускное отверстие для воздуха и площадь полной поверхности поперечного сечения, через которое перемещается воздух;

создание множества ступеней сопел, причем каждая ступень содержит множество сопел, выполненных с возможностью впрыска жидкости в воздух и имеет диапазон управления потоком воды;

разделение площади поперечного сечения канала на множество подсекций, каждая из которых имеет меньшую площадь, чем площадь полной поверхности поперечного сечения;

размещение двигателя по потоку ниже впускного отверстия для воздуха и ступеней сопел;

первоначальное определение температуры и влажности воздуха;

определение величины влажности, требуемой для увеличения выходной мощности двигателя; и

выдачу, посредством сопел, первого количества жидкости в множество подсекций, причем первое количество жидкости является таким, которое требуется для по существу равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через подсекции, по всему диапазону управления потоком воды, в степени, требуемой для увеличения выходной мощности двигателя.

13. Способ по п.12, при котором первое количество жидкости, выдаваемое в подсекции, по существу пропорционально относительной площади поперечного сечения конкретной подсекции.

14. Способ по п.12, при котором ступени сопел располагают таким образом, что они разделяют площадь поперечного сечения канала на множество подсекций.

15. Способ по п.12, при котором упомянутой температурой и влажностью является температура и влажность наружного воздуха.

16. Способ по п.14, при котором множество подсекций имеют по существу одинаковую площадь.

17. Способ по п.15, дополнительно включающий:

контроль и определение температуры наружного воздуха; и

если температура наружного воздуха увеличивается выше, чем первоначально измеренная, выдачу, посредством сопел, большего количества жидкости в каждую подсекцию,

если температура наружного воздуха уменьшается ниже, чем первоначально измеренная, выдачу, посредством сопел, меньшего количества жидкости в каждую подсекцию.

18. Способ по п.15, дополнительно включающий:

контроль и определение влажности окружающего воздуха; и

если влажность наружного воздуха увеличивается выше, чем первоначально измеренная, выдачу, посредством сопел, меньшего количества жидкости в каждую подсекцию,

если влажность наружного воздуха уменьшается ниже, чем первоначально измеренная, выдачу, посредством сопел, большего количества жидкости в каждую подсекцию.

19. Способ увлажнения воздуха, включающий:

создание воздушного канала, имеющего, по меньшей мере, одно впускное отверстие для воздуха и площадь полной поверхности поперечного сечения, через который перемещается воздух;

разделение площади поперечного сечения канала на множество подсекций, каждая из которых имеет меньшую площадь, чем площадь полной поверхности поперечного сечения;

размещение множества сопел рядом с каждой подсекцией, причем сопла выполнены с возможностью впрыска жидкости в воздух;

выдачу во множество подсекций количества жидкости, требуемого для, по существу, равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через подсекции, по всему диапазону управления потоком воды.

20. Способ по п.19, при котором количество жидкости, выдаваемое в подсекции, по существу, пропорционально относительной площади поперечного сечения подсекции.

21. Способ по п.19, дополнительно включающий размещение турбины ниже по потоку от впускного отверстия для воздуха.

22. Способ по п.19, дополнительно включающий определение температуры и влажности воздуха перед этапом увлажнения.

23. Способ по п.19, дополнительно включающий определение количества воды, требуемого для, по существу, равномерного увлажнения воздуха в секциях, после определения температуры и влажности воздуха.

24. Способ по п.19, дополнительно включающий создание, по меньшей мере, трех различных ступеней сопел при создании множества ступеней сопел, причем каждая ступень сопел имеет разную конфигурацию сопел.

25. Способ по п.23, в котором количество жидкости, впрыскиваемое на этапе увлажнения, определяется на основе температуры и влажности воздуха.

26. Способ по п.25, дополнительно включающий выдачу количества воды, требуемого для, по существу, равномерного увлажнения воздуха в подсекциях, после определения количества воды, требуемого для увлажнения воздуха.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе распыления жидкости, системе увеличения мощности, которая содержит такую систему распыления, и способу более эффективного увлажнения воздуха и увеличения выходной мощности двигателя. Система распыления и система увеличения мощности могут быть использованы для увеличения выходной мощности двигателя.

Уровень техники

Газотурбинный двигатель включает в себя компрессор, который выдает сжатый воздух в камеру сгорания. В камере сгорания воздух смешивается с топливом и воспламеняется, генерируя горячие газы горения. Данные газы перемещаются в секцию турбины, в которой выделяется энергия для приведения в действие компрессора и выполнения полезной работы, такой как приведение в движение летательного аппарата.

Выходная мощность турбины уменьшается пропорционально увеличениям в температуре наружного воздуха. Однако при увеличенной температуре наружного воздуха часто возникает потребность в большем генерировании мощности, например, вследствие высоких нагрузок кондиционирования воздуха. Поэтому в периоды увеличенной потребности в мощности желательно генерировать дополнительную мощность посредством вспомогательных систем.

Одна вспомогательная система для увеличения подвода мощности содержит сопла, которые распыляют небольшие капли жидкости, обычно воды, по направлению к впускному каналу компрессора или воронкообразному входному патрубку компрессора. Данные системы пытаются увлажнять воздух при новой, более низкой температуре, когда она входит в газовую турбину. Более низкая температура воздуха соответствует более высокой плотности воздуха, и, соответственно, более высокому массовому расходу, который обеспечивает более высокую выходную мощность на валу турбины. Количество жидкости, которое необходимо добавлять к воздуху, чтобы в достаточной степени снизить температуру, определяется скоростью потока воздуха в газовой турбине, температурой наружного воздуха и условиями влажности.

Системы распыления жидкости представляют собой относительно дорогой и "низкотехнологичный" способ создания большей мощности. Однако жидкость в компрессоре может повреждать лопатки компрессора. Например, бомбардировка металлической поверхности каплями жидкости может приводить к образованию микротрещин на поверхности металла и может вызывать точечную коррозию поверхности. Для того чтобы исключить повреждение лопаток, распыленная жидкость должна по существу испариться в компрессоре, прежде чем она достигнет лопаток. Данное испарение также по существу увлажняет приточный воздух, что, как описано выше, необходимо для снижения температуры и плотности воздуха. Для того чтобы увеличить вероятность того, что капли жидкости испарятся, прежде чем они столкнутся с лопатками, необходимо создать капли, имеющие малые диаметры. Малые диаметры - это обычно меньше чем примерно 40 микрон. Распыленную жидкость, содержащую капли, имеющие такие малые диаметры, часто называют "туманной", а системы, создающие множество капель малого диаметра, часто называют туманообразующими системами.

Капли такого малого размера можно создавать, используя несколько методов. Простейший метод часто заключается в том, чтобы создать жидкость под высоким давлением, обычно равным примерно 3000 фунт/дюйм ², из устройства для перемещения, чтобы непосредственно измельчать капли. Другие методы могут включать пропускание жидкости через ударную волну или через ультразвуковые распылители. Жидкость под высоким давлением приводит к образованию капли средних размеров порядка от примерно 10 до примерно 20 микрон, однако образуются также и капли больших размеров, т.е. капли размером больше чем 20 микрон и до примерно 40 микрон.

В вышеупомянутом способе образования капель жидкости возможен ряд проблем. В частности, требование к устройству для перемещения обеспечить жидкость под высоким давлением, равным 3000 фут/дюйм², может накладывать нагрузку на устройство для перемещения. Кроме того, поскольку для распыления жидкости под высоким давлением требуются сопла, они имеют относительно малую рабочую зону.

Для того чтобы попытаться решить данную проблему, существующие сопловые решетки могут содержать множество ступеней. Каждая труба для перемещения жидкости данной решетки может содержать множество сопел для распыления «тумана» жидкости. Несколько труб соединены вместе или сообщаются, образуя ступень. Ступень представляет собой просто ряд сопел, соединенных с одним источником жидкости, которые выполнены с возможностью независимого управления. Обычная система, такая как система SPRITS^TM компании General Electric, содержит пять ступеней. В данной системе, когда активирована одна ступень, жидкость проходит в трубы, соединенные вместе, чтобы образовать одну ступень, и жидкость распыляется только из данных сопел. Затем активируются другие ступени при деактивации или без деактивации первой ступени.

Обычные системы часто страдают от локального перенасыщения и недостаточного увлажнения. Данные проблемы возникают из-за того, что слишком много сопел активируются в зависимости от требуемой скорости потока воды. Обычные решетки выполнены таким образом, что соотношение воздух/вода является сбалансированным только с учетом всей площади поперечного сечения канала или площади потока воздуха.

Кроме того, большинство обычных систем приводят в действие каждую ступень при постоянном давлении, которое устанавливается посредством системы рециркуляции. Все сопла в подсекции пропускают жидкость при одном, максимальном расходе. Например, при половинном расходе, приблизительно половина труб пропускает жидкость, а не все трубы пропускают жидкость в половину возможности. Таким образом, одна подсекция воздуха может стать насыщенной, что означает, что любая дополнительная вода не испаряется и может контактировать с лопатками. Кроме того, более крупные капли, т.е. капли, имеющие размер 40 микрон, по сравнению с более мелкими каплями, увлажняют воздух. Неиспарившиеся более крупные капли могут осаждаться, образуя тонкие слои жидкости в компрессоре, которые способны вызывать большое количество повреждений. Кроме того, поскольку данное устройство образует зоны перенасыщения, оно также образует зоны очень сухого воздуха. Сопла обычных систем выполнены таким образом, что они не позволяют зонам перенасыщения смешиваться с сухими зонами около решетки сопел и, соответственно, иметь достаточное время, чтобы испарить капли жидкости, прежде чем они приблизятся к лопаткам.

Краткое описание изобретения

Согласно настоящему изобретению создано устройство, такое как решетка сопел для более эффективного и результативного выпуска распыленной жидкости в воздух перед ее впуском в двигатель, и система увеличения мощности для двигателя, содержащая данное устройство. Распыленная жидкость понижает температуру воздуха, что увеличивает плотность воздуха. Более плотный воздух обеспечивает более высокую мощность двигателя. Конструкция решетки сопел обеспечивает более равномерное смешивание воздуха и воды рядом с точкой впрыска воздуха и воды по всей площади впрыска воды. По существу это максимизирует время, имеющееся в распоряжении для испарения. Чем лучше смесь, которая может быть образована в "зоне смешивания" около решетки, тем более однородная смесь будет находиться ниже по потоку и тем больше вероятность того, что воздух по существу испарится, прежде чем он достигнет турбины.

В одном варианте осуществления настоящим изобретением является система увеличения мощности. Данная система содержит канал, включающий в себя, по меньшей мере, одно впускное отверстие для воздуха. Канал выполнен с возможностью обеспечения прохождения воздуха через канал. Турбина расположена ниже по потоку от впускного отверстия для воздуха. Ниже по потоку от впускного отверстия для воздуха и выше по потоку от турбины расположена решетка сопел. Решетка сопел содержит множество ступеней и образует множество подсекций поперечного сечения канала, через которые проходит воздух, когда он перемещается через решетку сопел по направлению к турбине. Каждая ступень содержит множество сопел, выполненных с возможностью увлажнения воздуха, перемещающегося через подсекции, посредством распыления жидкости. Каждая ступень выполнена с возможностью распыления изменяющихся количеств жидкости, и ступени выполнены с возможностью по существу равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через каждую подсекцию при любом количестве распыляемой жидкости.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения создан способ увлажнения воздуха для увеличения выходной мощности двигателя. Способ включает создание воздушного канала, имеющего, по меньшей мере, одно впускное отверстие для воздуха и суммарную площадь поперечного сечения, через который перемещается воздух, создание множества ступеней сопел, причем каждая ступень содержит множество сопел, выполненное с возможностью впрыска жидкости в воздух, причем каждая ступень имеет диапазон управления потоком воды, разделение площади поперечного сечения канала на множество подсекций, каждая из которых имеет меньшую площадь по сравнению с суммарной площадью поперечного сечения, размещение двигателя ниже по потоку от впускного отверстия для воздуха и ступеней сопел, первоначальное определение температуры и влажности воздуха, определение величины влажности, требующейся для увеличения выходной мощности двигателя, и выдачу, посредством сопел, первого количества жидкости в каждую подсекцию, причем первое количество жидкости является таким, которое требуется для по существу равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через каждую конкретную подсекцию, по всему диапазону управления потоком воды, в количестве, требующемся для увеличения выходной мощности двигателя.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения создан способ увлажнения воздуха. Способ включает создание воздушного канала, имеющего, по меньшей мере, одно впускное отверстие для воздуха и суммарную площадь поперечного сечения, через который перемещается воздух, разделение площади поперечного сечения на множество подсекций, каждая из которых имеет меньшую площадь по сравнению с суммарной площадью поперечного сечения, размещение множества сопел около каждой подсекции, причем сопла выполнены с возможностью впрыска жидкости в воздух, выдачу в каждую подсекцию количества жидкости, требующегося для по существу равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через каждую конкретную подсекцию, по всему диапазону управления потоком воды.

Краткое описание чертежей

С целью иллюстрации чертежи изображают варианты осуществления, которые являются предпочтительными на данный момент. Однако следует понимать, что изобретение не ограничено точными конструкциями и средствами, показанными на чертежах. На чертежах:

Фиг.1 - вид сверху сбоку системы для увеличения мощности газотурбинного двигателя, используемого в системе энергоснабжения;

Фиг.2А - вид сверху обычной решетки сопел для увеличения мощности турбинного двигателя;

Фиг.2В - вид сверху сбоку, по меньшей мере, двух разных обычных ступеней в обычной решетке, показанной на фиг.2А, упрощенный для ясности;

Фиг.3 - вид в перспективе одного узла решетки сопел настоящего изобретения, расположенного относительно глушителя;

Фиг.4А - вид в перспективе одного узла решетки сопел, показанной на фиг.3;

Фиг.4В - вид сверху сзади узла, показанного на фиг.4А;

Фиг.4С - вид снизу узла, показанного на фиг.4А;

Фиг.5 - вид сверху части решетки сопел, показанной на фиг.3; и

Фиг.6 - график, изображающий зависимость степени насыщения от фракционного потока для обычной решетки и одного варианта осуществления решетки настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Ссылаясь ниже на чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции обозначают идентичные элементы, показаны различные варианты осуществления устройства, такого как решетка сопел, для более эффективного и результативного выпуска жидкости в воздух перед ее впуском в двигатель. Показана также система увеличения мощности для двигателя, содержащая данное устройство. Различные аспекты вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть использованы с практически любым типом двигателя. Одним типом двигателя, пригодным для использования с системой увеличения мощности, является газотурбинный двигатель.

Фиг.1 изображает вариант осуществления системы 10 для увеличения мощности газотурбинного двигателя. Система 10 описана со ссылкой на систему энергоснабжения, однако система 10 может быть использована в других условиях. Система содержит канал или трубу 12. Труба 12 содержит верхнюю стенку 14 и нижнюю стенку 16 и, по меньшей мере, один изгиб 18. Труба 12 также содержит противоположные боковые стенки (не показанные на фиг.1). Труба 12 может иметь практически любую форму поперечного сечения, такую как квадратная, прямоугольная, овальная, круглая и др. Труба 12 имеет площадь поперечного сечения, которая может быть и может не быть стандартной. Труба 12 также содержит впускную секцию 20, которая может содержать решетку 22 для защиты от атмосферных воздействий. Ниже по потоку от впускной секции 20 и в трубе 12 могут быть расположены сорозадерживающая решетка 24, воздушный фильтр 26 и глушитель 28. Ниже по потоку от глушителя и в трубе 12 расположено устройство 30, 100 для охлаждения поступающего воздуха 40а. Таким устройством может быть решетка сопел.

Ниже по потоку от устройства 30, 100 для охлаждения поступающего воздуха 40а расположена турбина или двигатель 32, такой как газовая турбина. Газотурбинные двигатели известны в данной области техники и могут содержать ротор с лопатками. В переднем конце вала, компрессор 34, содержащий лопатки компрессора 36, сжимает воздух до высокого давления, например, обычно в 10-30 раз выше его обычного давления. Сжатый воздух подается в камеру 38 сгорания. В камере 38 сгорания сжигается топливо (не показано). Горячие газы горения расширяются, проходя через турбину 33, и выходят из установки через выпускную трубу (не показана). Поскольку выходная мощность турбины выше, чем потребляемая мощность компрессора, на валу имеется избыточная мощность. Избыточная мощность используется для приведения в действие нагрузок, таких как генератор, насос, компрессор, рабочее колесо или подобные нагрузки (не показано).

Как показано на фиг.1, наружный воздух 40а, имеющий первую температуру, которой обычно является температура наружного воздуха, и первый уровень влажности, поступает во впускное отверстие 20 трубы 12. Затем наружный воздух 40а проходит через необязательную сорозадерживающую решетку 24, необязательный воздушный фильтр 26 и необязательный глушитель 28. Поток наружного воздуха 40а, прошедший через решетку 22 для защиты от атмосферных воздействий, сорозадерживающую решетку 24, фильтр 26 и глушитель 28, обычно имеет скорость, находящуюся в пределах от примерно 10 м/с до примерно 20 м/с.

Затем наружный воздух 40а проходит через устройство 30, 100 для охлаждения воздуха или решетку сопел, где он охлаждается и увлажняется посредством жидкости, впрыскиваемой из данного устройства. Теперь, по меньшей мере, часть 40b воздуха 40а имеет вторую температуру, которая ниже, чем первая температура. Кроме того, по меньшей мере, часть 40b воздуха 40а может иметь второй уровень влажности, который может быть выше, чем у воздуха 40а. По меньшей мере, часть воздуха 40b может быть увлажнена жидкостью. Затем охлажденный и увлажненный воздух 40b перемещается из зоны В в зону С, при этом обычно сохраняя свою скорость. Воздух 40b входит в отсек 42 напорной камеры двигателя 32. Напорная камера 42 может быть выполнена в виде воронки, чтобы обеспечить ускорение воздуха 40b. У поверхности впускного отверстия компрессора 34 скорость воздуха обычно находится в пределах от примерно 0,4 Маха до примерно 0,6 Маха; более типично, скорость, которая равна примерно половине скорости звука или примерно 180 м/с. Воздух ускоряется, достигая высокой скорости, которая требуется компрессору для выполнения работы по сжатию. Обычная степень сжатия воздуха находится в пределах от примерно 9:1 до примерно 30:1. Внутри компрессора скорость воздуха уменьшается в зависимости от более высокой плотности, получаемой в результате сжатия. Затем сжатый воздух (не показан) подается в камеру сгорания. При прохождении в камеру сгорания скорости обычно составляют менее 100 м/с, хотя при необходимости могут быть обеспечены другие скорости.

Устройство 30, 100 для выпуска обычно холодной жидкости в воздух прежде чем воздух достигнет впускного отверстия компрессора, часто представляет собой решетку сопел. Как показано на фиг.1, решетка 30, 100 сопел сообщается с, по меньшей мере, одной впускной трубой 44 для жидкости. Впускная труба 44 для жидкости сообщается с, по меньшей мере, одним устройством для перемещения (не показано) через необязательный клапан 46. Клапан 46 может быть выполнен с возможностью управления потоком или расходом жидкости, подаваемой в, по меньшей мере, одно сопло устройства 30, 100.

Устройство для перемещения содержит, по меньшей мере, один насос 48. В одном варианте осуществления может быть два насоса, каждый из которых является насосом с частотно-регулируемым приводом (VFD), в котором скорость регулируется частотой и в котором надлежащая частота устанавливается контроллером частоты. В другом варианте осуществления предусмотрено множество параллельных насосов, например пять насосов, причем все насосы имеют разные производительности. Посредством использования одного, двух или более насосов в различных сочетаниях можно обеспечить большой диапазон производительностей насосов.

Максимальная производительность насоса может быть установлена с учетом номинального расхода воздуха газовой турбины. Предпочтительно, насос выдает жидкость под более низким давлением, чем многие существующие насосы. В частности, он работает при давлении меньше чем примерно 3000 фунт/дюйм², и предпочтительно, при давлении, равном примерно 2000 фунт/дюйм². Насос может использовать систему предварительного заполнения. Насос может быть более надежным, поскольку он работает при более низком давлении, и не может быть рециркуляции обратно в насос, поскольку в насосе отсутствует рециркуляция жидкости. Это может снизить температуру жидкости в насосе и предотвратить повторное попадание сора в насос. Это также обеспечивает меньший износ вращающихся уплотнений и увеличивает срок службы уплотнения поршня.

Посредством подачи сигнала насос 48 может сообщаться с, по меньшей мере, одним блоком управления или контроллером 50, который управляет скоростью/работой насоса или насосов. Блок 50 управления может быть расположен на устройстве для перемещения. Блок 50 управления может использовать заранее определенный анализ цикла двигателя для формирования модели управления на основе, по меньшей мере, одного заданного параметра, включающего внешние погодные условия, геометрию турбины, поле скоростей перемещения воздуха и технические условия конкретных элементов турбины.

Насос 48 также сообщается с источником 52 жидкости. Источник 52 жидкости, предпочтительно, расположен на устройстве для перемещения. Предпочтительно, источник 52 жидкости представляет собой источник воды, однако могут быть использованы другие жидкости в зависимости от операции охлаждения.

Система 10 может также содержать блок мониторинга погоды (не показан), соединенный с блоком управления посредством сигнала, где внешние условия, которые влияют на эксплуатационные характеристики турбины, могут измеряться и передаваться в блок управления для определения планирования необходимого количества жидкости на основе цикла двигателя, чтобы обеспечить целевой уровень увлажнения поступающего воздуха. Внешние условия представляют собой факторы внешней среды, которые могут оказывать влияние на работу газовой турбины, включающие, помимо прочих, температуру, влажность и давление воздуха. Температура, влажность и давление наружного воздуха могут определяться в заранее установленные моменты времени. В этом случае в одном варианте осуществления контролируется каждое из температуры, влажности и давления воздуха; предпочтительно непрерывно. Блок мониторинга погоды (детали не показаны) может содержать сухой термометр и устройство для измерения влажности воздуха. В других вариантах осуществления блок мониторинга погоды может содержать сухой термометр и влажный термометр. Блок мониторинга погоды может содержать другие элементы и/или комбинации элементов для мониторинга и/или измерения внешних погодных условий. Информация о погоде обрабатывается блоком управления, причем блок управления выдает оператору ключевую оперативную информацию, такую как допустимое количество воды для испарения, риск образования льда и др. Данная информация может, например, быть представлена для оператора на дисплее (не показан). В этом случае может определяться количество жидкости или влажность, требуемая для увеличения выходной мощности двигателя в требуемой степени.

Устройство 30, 100 для охлаждения воздуха или решетка сопел выпускает, обычно в виде струи, холодную жидкость в наружный воздух 40а, когда он проходит через решетку 30, 100 сопел. "Холодная" означает, что температура жидкости, сразу же после того, как она выходит из сопла, ниже, чем температура воздуха, который она охлаждает. Жидкость охлаждает воздух 40b, прежде чем он достигает впускного отверстия компрессора. В других вариантах осуществления жидкость может быть не холодной, а может иметь такую же или более высокую температуру, чем воздух, перемещающийся через трубу.

Когда клапан 46 открывается, жидкость под высоким давлением подается из источника 52 подачи жидкости к держателю 30, 100 сопел через впускную трубу 44 для жидкости. Сопла выполнены с возможностью распыления воды в струю из мелких капель. Размер таких капель обычно находится в пределах от примерно 3 до примерно 50 микрон, и более обычно от примерно 3 до примерно 30 микрон.

Фиг.2А изображает обычную решетку 30 сопел, которая может быть использована в системе, такой как система, показанная на фиг.1. Такой решеткой 30 может быть система SPRIT^TM , выпускаемая компанией General Electric. Показанная обычная решетка 30 сопел содержит множество горизонтально продолжающихся трубок 54, поддерживаемых вертикально продолжающимися стержнями 60. Каждая трубка 54 содержит множество сопел 56 вдоль горизонтальной длины. Сопла 56 выполнены с возможностью распыления капель воды, обычно в диаметре не более 50 мкм. Соплами 56 являются сопла, широко известные в данной области техники и могут поставляться компанией Parker Hannifin. Как описано выше, распыленную жидкость, имеющую такие малые диаметры, часто называют "туманной", а системы, создающие множество капель малого диаметра, часто называют туманообразующими системами. Целью обычной системы 30 является увлажнение воздуха, проходящего из впускного отверстия (см. фиг.1), так чтобы он охлаждался перед тем, как он войдет в двигатель без перенасыщения воздуха, так что жидкость может испариться, прежде чем она войдет в контакт с лопатками и повредит двигатель.

Горизонтальные трубки 54 сообщаются с множеством трубок 58 подачи жидкости, которые сообщаются с впускной трубой 44 для жидкости (фиг.1). Каждая трубка 58 снабжает одну ступень системы. Трубки 54 образуют множество ступеней. Обычная решетка 30 сопел обычно содержит пять ступеней. Система SPRITS может содержать пять ступеней; всего примерно 1456 сопел, причем каждое работает под давлением 3000 фунт/дюйм² . Ступени образуются посредством комплектования или соединения некоторых горизонтальных трубок.

Сопла 56 снабжены источником постоянного давления. Таким образом, относительная доля распыляющих сопел 56 прямо пропорциональна части полного расхода системы, которая требуется для увлажнения воздуха при существующих в данный момент внешних условиях. Например, при половине максимального расхода половина сопел 56 в решетке активируются или распыляют жидкость. Вся жидкость может впрыскиваться в подмножество воздуха, перемещающегося через впускное отверстие. В результате воздух вокруг впрыскивающих трубок или тех ступеней, которые активированы, часто является перенасыщенным. Вследствие расположения сопел и схем устройства ступеней, данные увлажненные, насыщенные или перенасыщенные зоны не способны смешиваться с более сухими зонами, таким образом распределяя жидкость в них. В результате локальные зоны перенасыщения проникают в двигатель без испарения жидкости, что повреждает двигатель.

Проблема перенасыщения обычной решетки 30 проиллюстрирована на фиг.2В. Фиг.2В изображает упрощенный вид сбоку двух разных схем 62, 64 ступеней. Каждая схема 62, 64 содержит пять сопел 56а-56е. В схеме 62 сопла 56а, 56b, 56d, 56е активированы, т.е. распыляют жидкость 72 в воздух 40а. Сопло 56с не активировано. Смежные сопла 56а, 56b и 56d, 56е активируются одновременно; т.е. когда активируется устройство 62. Это приводит к перенасыщению прямо ниже по потоку от сопел 56а, 56b и 56d, 56е. Часть распыленной жидкости 72 из сопел 56b и 56d смешивается с "более сухим" воздухом 40а прямо ниже по потоку от сопла 56с. Однако поскольку смежные сопла 56а, 56b, 56d, 56е распыляют жидкость одновременно, и поскольку существует относительно небольшое перемещение воздуха, насыщенный или увлажненный воздух из сопла 56а, например, стремится смешиваться с насыщенным или увлажненным воздухом из 56b. Точно так же распыленная жидкость 72 из сопла 56е стремится смешиваться с насыщенным или увлажненным воздухом 40а прямо ниже по потоку от сопла 56d. Это приводит к локальному перенасыщению прямо ниже по потоку от 56а, 56b и 56d, 56е. Другими словами, насыщенный или увлажненный воздух непосредственно ниже по потоку от активированных сопел не способен легко смешиваться с сухим воздухом.

Проблема перенасыщения в локальных зонах также проиллюстрирована в схеме 64. Здесь распыленная жидкость 72 непосредственно ниже по потоку от сопел 56а и 56с может смешиваться с более сухим воздухом 40а непосредственно ниже по потоку от сопла 56b. Однако, по вышеописанным причинам, зоны локального перенасыщения образуются смежными активированными соплами 56с-56е.

Обычные решетки сопел страдают от упомянутых проблем, отчасти, поскольку они пытаются равномерно распределить увлажнение всего воздушного потока по всей площади поперечного сечения трубы. Когда воздух перемещается по и в трубе, воздух в трубе занимает по существу всю площадь поперечного сечения трубы. Обычные решетки выполнены таким образом, что они пытаются увлажнять воздух по всей площади поперечного сечения трубы с использованием единой общей стратегии устройства ступеней. Другими словами, они используют множество ступеней, распределенных по всему потоку перемещения воздуха, для его увлажнения. Решетка же сопел настоящего изобретения, напротив, разделяет всю площадь поперечного сечения на множество секций. Вместо того чтобы пытаться насыщать или увлажнять сразу весь воздушный поток, она выполнена с возможностью по существу одинакового увлажнения каждой секции воздушного потока в отдельности, по всему диапазону подачи воды. Уровень воды в каждой подсекции воздуха может быть относительно сухим или может быть по существу насыщенным.

Фиг.3 изображает один вариант осуществления устройства или системы 100 для охлаждения воздуха в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 100 обычно выполнено в виде решетки сопел. Каждое сопло решетки выполнено с возможностью распыления мелких капель жидкости, обычно воды, по направлению к впускному отверстию компрессора газовой турбины (фиг.1). Другими словами, это может быть туманообразующая система. В частности, соплами могут быть сопла, широко известные в данной области техники (например, выпускаемые компанией Parker Hannifin) и описанные выше. В отличие от обычных решеток, сопла настоящего изобретения могут работать при давлении меньше чем примерно 2000 фунт/дюйм². Установлено, что работа сопел при данном давлении очень незначительно ухудшает распределение размеров капель по сравнению с соплами, работающими при давлении примерно 3000 фунт/дюйм², но создает меньшую нагрузку на систему.

Фиг.3 изображает распылительное устройство, расположенное ниже по потоку и соединенное с глушителем 28. Распылительное устройство может быть расположено рядом и ниже по потоку от глушителя, поскольку элементы глушителя часто создают основу смешивания, вызываемого потоками, в направлении, перпендикулярном плоскости вертикальных решеток сопел. Распылительное устройство может быть расположено практически в любом месте вдоль длины трубы и может не соединяться с глушителем.

Множество комплектов или ступеней 104-112b сопел (фиг.4А-4С) продолжаются вдоль вертикального направления. Термин вертикальный означает, что ступени сопел по существу перпендикулярны по существу горизонтальной плоскости земли. Однако ступени сопел могут продолжаться горизонтально, т.е. по существу параллельно плоскости земли, диагонально или под любым углом относительно плоскости земли. Кроме того, ступени сопел могут быть сгруппированы в множество узлов 102, которые разделяются на подузлы 102а, 102b, как описано ниже.

Решетка 100 состоит из множества ступеней, сообщающихся с множеством трубок 200 для подачи жидкости, которые сообщаются с впускной трубой 44 для жидкости (фиг.1). Каждая ступень состоит из, по меньшей мере, одного множества сопел для выпуска жидкости в воздух. В каждой ступени сопла выполнены в схеме устройства ступеней, которая относится к положениям сопел вдоль трубки для распределения жидкости. Каждая ступень может также содержать, по меньшей мере, одну трубку для распределения жидкости (фиг.4А-4С). Каждая трубка для распределения жидкости сообщается с множеством сопел и впускной трубой для жидкости. В других вариантах осуществления каждая ступень может не содержать трубку для распределения жидкости. Точнее жидкость может подаваться в каждое сопло в ступени в отдельности. Каждая ступень выполнена с возможностью распыления изменяющихся количеств или объемов жидкости за единицу времени.

Трубки для распределения жидкости выступают из трубок 200 для подачи жидкости. Трубки 200 для подачи жидкости могут проходить в горизонтальном направлении вдоль верхней части решетки 100. Однако трубки 200 для подачи жидкости могут проходить вертикально, горизонтально или диагонально. Кроме того, трубки 200 для подачи жидкости могут размещаться у верхней части трубок для распределения жидкости или могут проходить вдоль нижней части. Каждая ступень выполнена с возможностью независимого приведения в действие. По существу жидкость может распыляться из одной или некоторых ступеней, но не распыляться из других, или жидкость может распыляться из всех ступеней или не распыляться ни из одной из ступеней.

В варианте осуществления, изображенном на фиг.3, ступени расположены по существу вертикально, последовательно продолжаясь вдоль горизонтального направления. Другими словами, вертикально продолжающиеся ступени расположены в линию вдоль горизонтального направления. В других вариантах осуществления ступени сопел могут быть горизонтальными и, следовательно, по существу параллельными плоскости земли.

Каждая трубка для распределения жидкости может быть соединена с, по меньшей мере, одной опорной стойкой 114. Опорной стойкой 114 может быть по существу любая конструкция, которая обеспечивает опору для сопел и трубок для распределения жидкости, где они содержатся. Опорной стойкой 114 может быть полая трубка диаметром 4 дюйма. Однако опорная стойка 114 может иметь прямоугольное, треугольное, овальное и другое поперечное сечение, может не быть полой и т.д. В варианте осуществления, изображенном на фиг.3, опорные стойки 114 продолжаются по существу вертикально, поскольку ступени продолжаются вертикально. В тех случаях, когда ступени продолжаются диагонально, горизонтально и т.д., опорные стойки 114 могут продолжаться в других направлениях. Например, в тех случаях, когда ступени продолжаются горизонтально, опорные стойки могут также продолжаться горизонтально. Вертикально продолжающиеся опорные стойки 114 могут быть расположены последовательно вдоль горизонтального направления и могут продолжаться, в вертикальном направлении, к примерно верхней части элементов глушителя 28. Предпочтительно, опорные стойки 114 разнесены на одинаковом расстоянии друг от друга в горизонтальном направлении.

Как показано на фиг.4А-4С и более подробно описано ниже, конкретная конфигурация ступеней на каждой опорной стойке 114 содержит подузел 102а, 102b множества одинаковых, повторяющихся узлов 102, которые образуют решетку 100. В частности, две опорные стойки 114а, 114b, содержащие разные ступени, каждая может содержать один узел 102 решетки 100. Как показано на фиг.3, данные две опорные стойки 114а, 114b могут быть соединены вместе. Каждый узел 102 может быть соединен с глушителем 28. В других вариантах осуществления опорные стойки 114 могут быть несоединенными с глушителем 28, а могут быть отдельно стоящими. Кроме того, ступени 104-112b, или трубки для распределения жидкости, могут быть несоединенными с опорными стойками 114, а могут быть отдельно стоящими или соединенными с другой конструкцией.

Фиг.4А-4С изображают один узел 102 решетки, показанной на фиг.3. Узел 102 состоит из двух подузлов 102а, 102b. Опорные стойки 114а, 114b соединены первой поперечиной 116. Каждый подузел 102а, 102b состоит из трех ступеней, и каждый узел 102 состоит всего из пяти ступеней. Как показано на фиг.4А-5, два подузла 102, 102b могут быть разнесены на одинаковом расстоянии друг от друга.

Подузел 102а содержит первую ступень 104. Как показано на фиг.4В, первая ступень 104 может содержать две первые трубки 304а, 304b для распределения жидкости. В варианте осуществления, изображенном на фиг.4В, две первые трубки 304а, 304b для распределения жидкости продолжаются вдоль вертикального направления. Две первые трубки 304а, 304b для распределения жидкости прикреплены к первой опорной стойке 114а. Две первые трубки 304а, 304b для распределения жидкости проходят параллельно друг другу вдоль левой и правой сторон задней стороны первой опорной стойки 114а. Необходимо понимать, что первые трубки 304а, 304b для распределения жидкости могут быть прикреплены по-другому или могут быть отдельно стоящими. Кроме того, в первой ступени может использоваться только одна трубка для распределения жидкости. Как показано на фиг.4А, первая трубка 204 для подачи жидкости соединена с первой опорной стойкой 114а посредством второй поперечины 118. Каждая из двух первых трубок 304а, 304b для распределения жидкости сообщается с первой трубкой 204 для подачи жидкости, которая может проходить в горизонтальном направлении и может быть по существу перпендикулярной первым трубкам 304а, 304b для распределения жидкости.

Вдоль длины первых трубок 304а, 304b для распределения жидкости расположено множество первых сопел 404. Данные первые сопла выполнены в первой схеме устройства ступеней. Как показано на фиг.4В, сопла 404 продолжаются из трубок 304а, 304b для распределения жидкости посредством первого удлинительного элемента 504. В частности, сопла 404а соответствуют 304а, а сопла 404b соответствуют 304b. Как показано на фиг.4С, к каждому из первых удлинительных элементов 504 прикреплена, по меньшей мере, одна первая распылительная головка 604а, 604b, которая выполнена с возможностью распыления из нее мелкодисперсного тумана из жидкости. Первый удлинительный элемент 504 может быть расположен под углом примерно 45° относительно плоскости x-z. Первые распылительные головки 604а, 604b могут продолжаться вперед из первых удлинительных элементов 504 и являются по существу перпендикулярными трубкам 304а, 304b для распределения жидкости.

Как показано на фиг.4В, первая ступень 104 может содержать двадцать сопел 404 с десятью соплами 404а, продолжающимися вдоль трубки 304а для распределения жидкости, и десятью соплами 404b, продолжающимися вдоль трубки 304b для распределения жидкости. Сопла 404 могут размещаться с интервалом от примерно 1 дюйма до примерно 10 дюймов в вертикальном направлении. На каждой из первых трубок 304а, 304b для распределения жидкости может содержаться большее или меньшее количество сопел 404, и можно использовать другое расстояние между соплами. Как показано на фиг.4В, некоторые сопла 404 являются по существу выровненными относительно направления y, а некоторые - нет. Как описано ниже, положение сопел 404 в каждой ступени оптимизировано для обеспечения полноценного увлажнения воздуха, проходящего через решетку, без перенасыщения данного воздуха. Сопла 404 также выполнены с возможностью обеспечения по существу равномерного распределения жидкости. Кроме того, как показано на фиг.4В, первые сопла 404 расположены по существу на одной линии друг с другом вдоль воображаемой вертикальной линии. Другими словами, каждое первое сопло 404а, 404b и, соответственно, каждая первая распылительная головка 604а, 604b выровнены вдоль направления y, если вертикальная линия проведена вдоль направления y, через каждую первую распылительную головку 604а, 604b.

Как показано на фиг.4А и 4С, каждый подузел 102а и 102b может содержать вторую ступень 112а, 112b. Вторая ступень 112а является частью подузла 102а и соединена с первой опорной стойкой 114а. Вторая ступень 112b является частью подузла 102b и соединена со второй опорной стойкой 114b. Вторая трубка 212 для подачи жидкости соединена со второй поперечиной 118, которая соединена с первой поперечиной 116. Вторая трубка 312а для распределения жидкости соединена с правой передней стороной первой опорной стойки 114а и сообщается с второй трубкой 212 для подачи жидкости. Вторая трубка 312b для распределения жидкости соединена с правой передней стороной второй опорной стойки 114b и сообщается с второй трубкой 212 для подачи жидкости. Необходимо понимать, что вторые трубки 312а, 312b для распределения жидкости могут быть прикреплены по-другому или могут быть отдельно стоящими. Вторая трубка 212 для подачи жидкости может проходить по существу горизонтально и по существу перпендикулярно вторым трубкам 312а, 312b для распределения жидкости.

Вдоль длины каждой из вторых трубок 312а, 312b для распределения жидкости размещено множество вторых сопел 412а, 412b. Данные вторые сопла выполнены во второй схеме устройства ступеней. Как показано на фиг.4С, вторые сопла 412а, 412b содержат второй удлинительный элемент 512, продолжающийся из вторых трубок 312а, 312b для распределения жидкости. Ко второму удлинительному элементу 512 прикреплена, по меньшей мере, одна вторая распылительная головка 612а, 612b, которая выполнена с возможностью распыления из нее мелкодисперсного тумана из жидкости. Как показано на фиг.4С, вторые удлинительные элементы 512 могут быть расположены в плоскости x-z под углом примерно 45°. Вторые распылительные головки 612а, 612b продолжаются вперед из вторых удлинительных элементов 512 и являются по существу перпендикулярными трубкам для распределения жидкости.

Вторая ступень 112а может содержать семь сопел 412а, а вторая ступень 112b может содержать четыре сопла 412b. Сопла 412а размещаются с интервалом от примерно 1 дюйма до примерно 60 дюймов друг от друга в вертикальном направлении. Можно использовать меньшее или большее количество сопел, и можно изменять расстояние между соплами. Как показано на фиг.4А и 4В, вторые сопла 412а расположены в шахматном порядке относительно первых сопел 404а и четвертых сопел 408. Вторые сопла 412b расположены в шахматном порядке относительно третьих сопел 410 и пятых сопел 406а, 406b. Положение сопел в каждой ступени оптимизировано для обеспечения увлажнения воздуха, проходящего через решетку, без перенасыщения данного воздуха. Кроме того, как показано на фиг.4В, вторые сопла 412а расположены по существу на одной линии друг с другом вдоль воображаемой вертикальной линии. Вторые сопла 412b расположены по существу на одной линии друг с другом вдоль воображаемой вертикальной линии. Вторые сопла 412а также расположены по существу на одной линии друг с другом вдоль воображаемой вертикальной линии. Другими словами, соответствующие множества вторых распылительных головок 612а и 612b выровнены вдоль направления y, если вертикальная линия проведена вдоль направления y, через каждую вторую распылительную головку. Сопла 412а, 412b также выполнены с возможностью обеспечения по существу равномерного распределения жидкости.

Как показано на фиг.4А-4С, подузел 102b содержит третью ступень сопел 110. Третья ступень 110 содержит одну третью трубку 310 для распределения жидкости, продолжающуюся в вертикальном направлении. Третья трубка 310 для распределения жидкости прикреплена к второй опорной стойке 114b, предпочтительно, на левой стороне передней стороны. Необходимо понимать, что третья трубка 310 для распределения жидкости может быть прикреплена по-другому или может быть отдельно стоящей. Кроме того, можно использовать больше чем одну трубку для распределения жидкости. Ко второй опорной стойке 114b также прикреплена третья трубка 210 для подачи жидкости. Третья трубка 310 для распределения жидкости сообщается с одной третьей трубкой 210 для подачи жидкости, которая может проходить в горизонтальном направлении и может быть по существу перпендикулярной третьей трубке 310 для распределения жидкости.

Вдоль длины третьей трубки 310 для распределения жидкости размещено множество сопел 410. Данные третьи сопла выполнены в третьей схеме устройства ступеней. Как показано на фиг.4С, вторые сопла 410 содержат третий удлинительный элемент 510, продолжающийся из третьей трубки 310 для распределения жидкости. К третьему удлинительному элементу 510 прикреплена, по меньшей мере, одна третья распылительная головка 610, которая выполнена с возможностью распыления из нее мелкодисперсного тумана из жидкости. Третьи удлинительные элементы 510 могут быть расположены в плоскости x-z под углом примерно 45°. Третьи распылительные головки 610 продолжаются вперед из третьих удлинительных элементов 510 и являются по существу перпендикулярными трубке 310 для распределения жидкости. Как показано на фиг.4С, третьи удлинительные элементы 510 могут проходить по существу параллельно пятому удлинительному элементу 506, и третьи распылительные головки 610 могут быть по существу параллельными пятой распылительной головке 606b. Третьи удлинительные элементы 510 могут находиться внутри пятого удлинительного элемента 506.

Третья ступень 110 может содержать три сопла 410. Однако можно использовать большее или меньшее количество сопел. Как показано на фиг.4А и 4В, третьи сопла 410 могут быть расположены в шахматном порядке относительно пятых сопел 406а, 406b. Положение сопел в каждой ступени оптимизировано для обеспечения увлажнения воздуха, проходящего через решетку, без перенасыщения данного воздуха. Сопла 410 также выполнены с возможностью обеспечения по существу равномерного распределения жидкости. Кроме того, как показано на фиг.4В, третьи сопла расположены по существу на одной линии друг с другом вдоль воображаемой вертикальной линии. Другими словами, каждое третье сопло и, соответственно, каждая третья распылительная головка выровнены вдоль направления y, если вертикальная линия проведена вдоль направления y, через каждую третью распылительную головку.

Подузел 102а также содержит четвертую ступень 108. Четверная ступень 108 содержит одну, четвертую трубку 308 для распределения жидкости, продолжающуюся в вертикальном направлении. Как показано на фиг.4А, четвертая трубка 308 для распределения жидкости прикреплена к первой опорной стойке 114а, предпочтительно, на левой стороне передней стороны. Необходимо понимать, что четвертая трубка 308 для распределения жидкости может быть прикреплена по-другому или может быть отдельно стоящей. Кроме того, можно использовать большее количество трубок для распределения жидкости. К первой опорной стойке 114а, посредством первой поперечины 116 и второй поперечины 118, также прикреплена четвертая трубка 208 для подачи жидкости. Четвертая трубка 308 для распределения жидкости сообщается с одной четвертой трубкой 208 для подачи жидкости, которая может проходить в горизонтальном направлении и, предпочтительно, является по существу перпендикулярной четвертой трубке 308 для распределения жидкости.

Вдоль длины четвертой трубки 308 для распределения жидкости размещено множество четвертых сопел 408. Данные четвертые сопла выполнены в четвертой схеме устройства ступеней. Как показано на фиг.4С, четвертые сопла 408 содержат четвертый удлинительный элемент 508, продолжающийся из четвертой трубки 308 для распределения жидкости. К четвертому удлинительному элементу 508 прикреплена, по меньшей мере, одна четвертая распылительная головка 608, которая выполнена с возможностью распыления из нее мелкодисперсного тумана из жидкости. Четвертые удлинительные элементы 508 могут быть расположены под углом примерно 45° вперед относительно плоскости x-z. Четвертые распылительные головки 608 могут продолжаться вперед из четвертых удлинительных элементов 508 и являются по существу перпендикулярными трубке 308 для распределения жидкости. Как показано на фиг.4С, четвертые удлинительные элементы 508 и четвертые распылительные головки 608 могут находиться внутри первого удлинительного элемента 504, и первые распылительные головки 604b сопел расположены на одинаковом расстоянии от них.

Четвертая ступень 108 может содержать семь сопел 408. Однако можно использовать большее или меньшее количество сопел. Как показано на фиг.4А и 4В, предпочтительно, сопла 408 четвертой ступени 108 расположены в шахматном порядке в направлении y относительно сопел 404 и 412а. Положение сопел в каждой ступени оптимизировано для обеспечения увлажнения воздуха, проходящего через решетку, без перенасыщения данного воздуха. Сопла 408 также выполнены с возможностью обеспечения по существу равномерного распределения жидкости. Кроме того, как показано на фиг.4В, четвертые сопла расположены по существу на одной линии друг с другом вдоль воображаемой вертикальной линии. Другими словами, каждое четвертое сопло и, соответственно, каждая четвертая распылительная головка выровнены вдоль направления y, если вертикальная линия проведена вдоль направления y, через каждую четвертую распылительную головку.

Подузел 102b может также содержать пятую ступень 106. Как показано на фиг.4В, пятая ступень 106 содержит две пятые трубки 306а, 306b для распределения жидкости, продолжающиеся в вертикальном направлении. Две пятые трубки 306а, 306b для распределения жидкости прикреплены ко второй опорной стойке 114b. Две пятые трубки 306а, 306b для распределения жидкости проходят параллельно друг другу вдоль левой и правой сторон задней стороны второй опорной стойки 114b. Пятые трубки 306а, 306b для распределения жидкости могут быть прикреплены по-другому или могут быть отдельно стоящими. Кроме того, можно использовать одну трубку для распределения жидкости. Ко второй опорной стойке 114b, посредством первой поперечины 116 и второй поперечины 118, также прикреплена пятая трубка 206 для подачи жидкости. Каждая из двух пятых трубок 306а, 306b для распределения жидкости сообщается с одной пятой трубкой 206 для подачи жидкости, которая может проходить в горизонтальном направлении и, предпочтительно, является по существу перпендикулярной пятым трубкам 306а, 306b для распределения жидкости.

Вдоль длины пятых трубок 306а, 306b для распределения жидкости размещено множество сопел 406а, 406b. Данные пятые сопла выполнены в пятой схеме устройства ступеней. Как показано на фиг.4С, сопла 406а, 406b продолжаются из трубок 306а, 306b для распределения жидкости посредством пятого удлинительного элемента 506. К каждому из пятых удлинительных элементов 506 прикреплена, по меньшей мере, одна пятая распылительная головка 606а, 606b, которая выполнена с возможностью распыления из нее мелкодисперсного тумана из жидкости. Как показано на фиг.4С, пятые удлинительные элементы 506 могут быть расположены под углом примерно 45° относительно плоскости x-z. Пятые распылительные головки 606а, 606b продолжаются вперед из пятых удлинительных элементов 506 и являются по существу перпендикулярными трубкам 306а, 306b для распределения жидкости.

Пятая ступень 106 может содержать тридцать сопел с пятнадцатью соплами 406а, продолжающимися вдоль трубок 306а для распределения жидкости, и пятнадцатью соплами 406b, продолжающимися вдоль трубок 306b для распределения жидкости. Сопла 406а могут быть размещены с интервалом от примерно 1 дюйма до примерно 60 дюймов в вертикальном направлении. Сопла 406b могут размещаться с интервалом от примерно 1 дюйма до примерно 60 дюймов в вертикальном направлении. На каждой пятой трубке 306а, 306b может быть размещено большее или меньшее количество сопел, и сопла 406а, 406b могут быть расположены на другом расстоянии. Как показано на фиг.4В, все сопла 406 являются по существу выровненными в направлении y. Положение сопел 406 в каждой ступени оптимизировано для обеспечения увлажнения воздуха, проходящего через решетку, без перенасыщения данного воздуха. Сопла 406а, 406b также выполнены с возможностью обеспечения по существу равномерного распределения жидкости. Кроме того, как показано на фиг.4В, пятые сопла расположены по существу на одной линии друг с другом вдоль воображаемой вертикальной линии. Другими словами, каждое пятое сопло и, соответственно, каждая пятая распылительная головка выровнены вдоль направления y, если вертикальная линия проведена вдоль направления y, через каждую пятую распылительную головку.

Подузлы 102а и 102b с пятью ступенями 104-112b сопел представляют собой один узел 102. Как показано на фиг.3, решетка 100 состоит из множества разнесенных узлов. Узлы могут быть разнесенными на одинаковом расстоянии друг от друга в любом направлении, например, вертикально, горизонтально, диагонально и т.д. Направление, в котором разнесены узлы, зависит от ориентации подузлов. Решетка 100 может включать в себя тринадцать узлов, которые в сумме содержат двадцать шесть подузлов. Можно использовать меньшее или большее количество подузлов и узлов. Кроме того, подузлы 102а и 102b и первая опорная стойка 114а и вторая опорная стойка 114b могут быть разнесенными на одинаковом расстоянии друг от друга. В частности, первая опорная стойка 114а может находиться на расстоянии от примерно 1 дюйма до примерно 40 дюймов от второй опорной стойки 114b. Узлы находятся на расстоянии от примерно 1 дюйма до примерно 40 дюймов друг от друга. Ступени 104-112b сопел показаны прикрепленными к первой 114а и второй 114b опорным стойкам, однако ступени 104-112b сопел могут быть прикреплены к другим конструкциям или быть отдельно стоящими.

Фиг.5 изображает часть 100 решетки 100, показанной на фиг.3. В частности, он изображает четырнадцать подузлов 102а, 102b и семь узлов 102. Обозначен только один узел, однако необходимо понимать, что остальные узлы соответствуют тому же условному обозначению. Как описано выше, решетка сопел может заполнять всю площадь поперечного сечения внутренней части трубы. В части 100 решетки, показанной на фиг.5, площадь поперечного сечения обозначена ссылочной позицией 25. Фиг.5 показывает, что каждый подузел 102 может быть расположенным на расстоянии от другого, чтобы образовать или определить, по меньшей мере, одну подсекцию суммарной площади 25 поперечного сечения. В тех случаях, когда имеется два подузла 102а, 102b, образующих узел 102, как в варианте, показанном на фиг.5, узлы могут быть разнесенными, чтобы образовать или определить другую подсекцию суммарной площади поперечного сечения. В варианте, показанном на фиг.5, узлы 102 продолжаются вертикально и разнесены в горизонтальном направлении, чтобы образовать первый подузел А. Подузлы 102а, 102b продолжаются вертикально и разнесены в горизонтальном направлении, чтобы образовать второй подузел В. Необходимо понимать, что подузлы и узлы могут продолжаться практически в любом направлении. Например, подузлы и узлы могут продолжаться горизонтально и могут быть разнесены вдоль вертикального направления и, таким образом, образовывать горизонтальные подсекции.

Фиг.5 изображает подузлы 102а, 102b, разнесенные на одинаковом расстоянии друг от друга, и узлы 102, разнесенные на одинаковом расстоянии друг от друга. По существу каждая подсекция имеет одинаковую площадь. Другими словами, все подсекции В имеют одинаковую площадь и все подсекции А имеют одинаковую площадь. В других вариантах осуществления расстояние между подузлами может быть разным, для образования подсекций, имеющих разные площади. В варианте осуществления, изображенном на фиг.3, имеется всего двадцать шесть подузлов 102а, 102b и тринадцать узлов 102. Таким образом, имеется двадцать шесть вертикальных зазоров или подсекций А, В для прохождения воздуха 40а (фиг.1), причем тринадцать из данных зазоров являются первыми зазорами А, и тринадцать являются вторыми зазорами В. В других вариантах осуществления в решетке сопел может быть образовано большее или меньшее количество зазоров или подсекций.

Фиг.5 показывает, что, по меньшей мере, четыре ступени сопел выполнены с возможностью выпуска жидкости в каждую подсекцию А и В. В частности, первые сопла 404b, четвертые сопла 408, вторые сопла 412b и пятые сопла 406а выполнены с возможностью выпуска жидкости в подсекцию В. Первые сопла 404а, вторые сопла 412а, третьи сопла 410 и пятые сопла 406b выполнены с возможностью выпуска жидкости в подсекцию А. Отмечается, что в некоторых вариантах осуществления распыленная жидкость не может выпускаться в подсекции рядом со стенками трубы, для того чтобы не насыщать и не повреждать данные стенки.

Как показано на фиг.1 и как описано выше, наружный воздух 40а входит в впускное отверстие трубы и проходит по существу через площадь 25 поперечного сечения трубы. При использовании решетки 100 сопел настоящего изобретения, воздух по существу проходит через подсекции А и В. Поскольку множество сопел размещает множество ступеней рядом с множеством подсекций площади поперечного сечения, оно выполнено с возможностью выпуска количества жидкости, требуемого для увлажнения и, возможно, насыщения или по существу насыщения, воздуха, перемещающегося через каждую подсекцию. В частности, первые сопла 404b, вторые сопла 412b, четвертые сопла 408 и пятые сопла 406а выполнены с возможностью выпуска количества жидкости, требуемого для увлажнения воздуха, перемещающегося через подсекцию В. Первые сопла 404а, вторые сопла 412а, третьи сопла 410 и пятые сопла 406b выполнены с возможностью выпуска количества жидкости, требуемого для увлажнения воздуха, перемещающегося через подсекцию А. Предпочтительно, воздух, проходящий через подсекции А и В, является по существу равномерно увлажненным; другими словами, воздух имеет приблизительно одинаковый уровень влажности. При этом количество жидкости, выдаваемое в каждую подсекцию, может быть по существу пропорционально доле площади поперечного сечения, приходящейся на конкретную подсекцию. Каждая подсекция имеет соотношение воды и воздуха, которое по существу равно массовому соотношению воды и воздуха; т.е. соотношению воды и воздуха общего потока наружного воздуха по всей площади поперечного сечения. Кроме того, каждое подмножество принимает одинаковое количество воды в любой данный момент времени. Когда воздух проходит через каждую подсекцию, он увлажняется относительно холодной жидкостью, распыленной из любого из сопел ступеней сопел. Увлажненный воздух имеет более низкую температуру по сравнению с температурой, которая была у него перед прохождением через решетку. Воздух при более низкой температуре имеет более высокую плотность, что позволяет ему более эффективно снабжать двигатель.

Как описано выше, ступени в совокупности выполнены с возможностью выпускать количество жидкости, требуемое для по существу равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через подсекцию, при любом заданном количестве распыленной жидкости. Они также выполнены с возможностью выпуска одинакового количества жидкости в каждую подсекцию и выполнены с обеспечением равномерного распределения воды в подсекции. Например, при первой температуре наружного воздуха и первом уровне влажности наружного воздуха, только первые сопла могут приводиться в действие. При этом только первые сопла 404b выдают жидкость в подсекцию В, и только первые сопла 404а выдают жидкость в подсекцию А. Тогда при второй заранее установленной температуре, которая обычно выше, чем первая заранее установленная температура, и, возможно, при втором уровне влажности, который может быть ниже, чем первый, может быть активировано, по меньшей мере, одно из вторых сопел. Затем, когда температура повышается и, в частности, когда она достигает некоторых, заранее установленных уровней, могут быть активированы третья, четвертая и пятая ступени сопел. Сопла различных ступеней сопел будут активироваться и деактивироваться в различных комбинациях в зависимости от, по меньшей мере, температуры и влажности воздуха, перемещающегося через решетку сопел. Предпочтительно, каждое сопло в конкретной ступени сопел распыляет жидкость в одно и то же время, и каждая ступень сопел выполнена с возможностью независимого управления. Например, первая ступень сопел может быть активирована таким образом, что вода под давлением распыляется только из каждого сопла первой ступени. Затем могут быть активированы сопла второй ступени сопел. Предполагается, что первая ступень будет активирована преимущественно все время, пока работает система.

В некоторых вариантах осуществления решетка может содержать не все пять ступеней. Например, в тех случаях, когда решетка используется в зонах с относительно постоянной температурой или уровнем влажности, решетка может содержать только одну ступень. Или, решетка может содержать только первую ступень и вторую ступень, образующие подсекции. Важно то, что суммарное поперечное сечение разделяется на множество более мелких подсекций, что каждая подсекция принимает по существу одинаковое количество жидкости, и что сопла выполнены с возможностью по существу равномерного увлажнения воздуха, перемещающегося через каждую подсекцию при количестве распыленной жидкости или диапазоне расхода, возможно, способном насыщать воздух в каждой подсекции и обеспечить равномерное распределение жидкости. Диапазоном расхода или рабочим диапазоном является диапазон условий для увлажнения воздуха. Например, это может быть диапазон изменения температуры от примерно 70°F до примерно 120°F и диапазон изменения относительной влажности от примерно 60% до примерно 10%.

При том что каждая подсекция увлажняется по существу в одинаковой степени, весь объем поступающего воздуха равномерно увлажняется. Посредством разделения общей площади поперечного сечения на множество подузлов и выпуска жидкости в каждый подузел, настоящая решетка сопел более равномерно увлажняет поступающий воздух по сравнению с обычными решетками сопел, которые выполнены с возможностью попытаться увлажнить сразу всю площадь поперечного сечения трубы. Кроме того, сопла выполнены с возможностью оптимального распределения воды как можно более равномерно. При максимальном расходе, т.е. когда активированы все пять ступеней, может быть одно сопло на каждые четыре дюйма, и сопла расположены в шахматном порядке на каждой стороне воздушных зазоров А и В. По существу решетка выполнена с возможностью перекрывать все зоны воздушных зазоров в горизонтальном и вертикальном направлениях. В результате локальное перенасыщение отсутствует или присутствует в минимальной степени, и эффективность смешивания воздуха и воды значительно повышается.

Кроме того, обычные решетки не разделяют общую площадь поперечного сечения на множество подузлов с последующей выдачей требуемой жидкости в каждый подузел. Поэтому в результате возникают локальные зоны перенасыщения. Конструкция же настоящего изобретения, напротив, обеспечивает оптимальное смешивание распыленной жидкости и сухого воздуха около решетки, чего не наблюдается в обычных решетках. Смешивание является оптимальным, поскольку оно локально обеспечивает по существу среднемассовое соотношение сухого воздуха и воды. Другими словами, локальные зоны перенасыщения и локальные зоны сухого воздуха отсутствуют или их становится значительно меньше. Температура воздуха имеет возможность снижаться в большей степени по сравнению с обычными системами при таком же расходе воды без насыщения. Кроме того, смешивание происходит около решетки, а не дальше ниже по потоку. Это дает распыленной жидкости больше времени, чтобы испариться, прежде чем она достигает или входит в компрессор. Конструкция настоящего изобретения распределяет сопла, которые будут осуществлять распыление в любое заданное время, более равномерно по внутренней площади трубы по сравнению с обычными решетками. Таким образом, сопла выполнены с возможностью максимизировать испарение воды.

Кроме того, система сопел может размещать зоны большего увлажнения или даже насыщения рядом с зонами меньшего увлажнения или относительно сухими зонами. В некоторых вариантах осуществления, некоторые подсекции или воздушные зазоры могут быть больше, чем другие, и могут принимать меньше жидкости. Рядом с меньшим зазором может находиться больший зазор, который может принимать больше жидкости. Чередующиеся меньшие и большие или более насыщенные и ненасыщенные зоны увлажнения могут обеспечить более равномерное смешивание воздуха и воды. Другими словами, конструкция настоящего изобретения минимизирует проблему распылителя, принимающего самый сухой возможный воздух. Это достигается посредством системы, которая разделяет суммарную площадь поперечного сечения и, следовательно, не может быть обеспечено обычными решетками. Обычные решетки часто имеют множество последовательных зон насыщения или перенасыщения. Поскольку насыщенный или перенасыщенный воздух находится относительно далеко от ненасыщенного или сухого воздуха, существует меньшая вероятность того, что сухой воздух и насыщенный или перенасыщенный воздух будут смешиваться, особенно около решетки, что наиболее предпочтительно. Это одна из причин, почему обычные системы имеют тенденцию перенасыщать воздух в некоторых зонах, при этом оставляя другие зоны сухого воздуха.

Помимо того, что конструкция настоящего изобретения выполнена с возможностью перекрытия по существу всей площади воздушных зазоров, она использует преимущество перемещения воздуха во впускном отверстии трубы, максимизируя эффективность смешивания ниже по потоку от решетки. Таким образом, она более эффективно использует структуру потока, создаваемую рядом с глушителем, что по существу обеспечивает однородность потока воздуха. При этом ступени сопел продолжаются вдоль того же направления, что и элементы глушителя. В проиллюстрированном варианте осуществления это вдоль вертикального направления.

Как описано выше, один насос 48 (фиг.1) может подавать жидкость в первую трубу 204 для подачи жидкости, вторую трубу 212 для подачи жидкости, третью трубу 210 для подачи жидкости и четвертую трубу 208 для подачи жидкости. Второй насос (не показан) может подавать жидкость только в пятую трубу 206 для подачи жидкости. Как описано выше и показано на фиг.1, нагнетаемая жидкость проходит через впускное отверстие или впускную трубу 44. Затем она распределяется в трубы 200 для подачи жидкости и затем в трубы 300 для распределения жидкости. Сопла могут селективно открываться, чтобы распылять измельченные капли воды.

Чтобы активировать ступени сопел, совместно использующие один и тот же насос, например, первую-четвертую ступени, данные ступени сопел могут быть сначала предварительно заполнены жидкостью. Это позволяет минимизировать время, затрачиваемое на стабилизацию системы после замены ступени. Операция предварительного заполнения выполняется следующим образом. Система управления определяет, что необходимо заменить активные ступени; т.е. что, возможно, требуется деактивация или активация ступени. В одном варианте осуществления каждая операция замены ступени открывает одну ступень и закрывает другую за исключением того случая, когда активирована пятая ступень. Контроллер открывает клапан предварительного заполнения для ступени, которая должна быть активирована. Насос низкого давления, который работает при давлении меньше чем примерно 200 фунт/дюйм², включается и заполняет ступень, которая должна быть активирована. Когда предварительное заполнение достигает некоторого давления, клапан закрывается, и насос отключается. Открывается основной клапан ступени для новой ступени. Когда данный клапан открывается, клапан деактивируемой ступени закрывается. В одном варианте осуществления прежде чем закрыть предыдущую ступень, всегда открывается следующая ступень, чтобы гарантировать, что насос не окажется под противодавлением.

Внешние условия, в которых работают системы распыления, часто требуют значительных изменений в количестве воды, подаваемой в сопла; обычно минимальное и максимальное количество отличаются друг от друга в 2,4 раза. Каждая ступень имеет диапазон, определяемый как 1,3-1,4 дюйма, помноженные на минимальный поток, генерируемый в данный момент времени. Как описано выше, решетка настоящего изобретения может приводиться в действие регулируемым насосом. Данная решетка может требовать диапазона расхода, примерно в 4 раза превышающего расход для засушливых условий. (Это рассчитывается посредством возведения 1,3 в пятую степень (1,3⁵, для пятых ступеней). Диапазон изменения определяется перекрываемым диапазоном внешних условий. Для термических систем достаточным является диапазон 2,4, и поэтому для данных систем требуется только четыре ступени. Как описано выше, обычные системы страдают от недостатков при использовании рециркуляционных насосов постоянного давления. Частотно-регулируемые насосы, используемые в конструкции настоящего изобретения, значительно уменьшают или устраняют данные проблемы. Данные частотно-регулируемые насосы приспособлены к конструкции с четырьмя ступенями, поскольку данные насосы обеспечивают тот самый диапазон изменения расхода в 2,4 раза, который требуется для решетки с четырьмя ступенями. Следовательно, конструкция настоящего изобретения снабжает четыре ступени, с первой по четвертую, от общего насоса. Пятая ступень может использовать один насос, снабжающий данную одну ступень. В отличие от обычных систем, данный насос может быть частотно-регулируемым и обеспечивает переменную скорость потока.

Фиг.6 изображает график зависимости степени насыщения от фракционного потока обычной решетки и решетки настоящего изобретения. Фракционный поток представляет собой скорость потока, поделенную на расчетную скорость потока, которая равна 1. Другими словами, это часть всех распределительных трубок в решетке, которые действительно являются проточными в данный момент время. При полном потоке фракционный поток равен 1. Если же он равен 2, то примерно половина трубок являются проточными, а если он равен 0,25, то примерно 4 из трубок являются проточными.

Данные, показанные на фиг.6, получены посредством расчетов. Для каждого зазора было определено, какая часть всех распределительных трубок в решетке действительно являются проточными. В отношении настоящего изобретения были исследованы два воздушных зазора, т.е. зазор А и зазор В (фиг.5). Было определено, сколько сопел были проточными для одного зазора в сопоставлении с другим зазором. Это определило теоретический показатель степени перенасыщения. Другими словами, при испытании сравнивали количество воды в подсекции А в сопоставлении с количеством воды в подсекции В. Незначительное перенасыщение, которое может иметь место при использовании настоящего изобретения, является спорадическим и может возникать только тогда, когда активирована либо ступень 3, либо ступень 4, поскольку ступень 3 находится только на одном подузле, а ступень 4 находится на другом подузле. Например, при примерно 0,3 возможна незначительная степень перенасыщения, поскольку ступень 4 активирована.

Фиг.6 также изображает уровень перенасыщения в воздушном потоке, окружающем форсунку, который определяется как полпути до следующей трубки на каждой стороне для обычной решетки и на один воздушный зазор для конструкции настоящего изобретения. Это та точка, с которой начинается любое смешивание после впрыска. Фиг.6 показывает, что при использовании решетки настоящего изобретения уровень неправильного распределения, другими словами, чрезмерно увлажненные зоны и чрезмерно сухие зоны, обычно значительно меньше, чем при использовании обычной решетки. Кроме того, зазоры, "насыщенные" водой, и зазоры, которые являются сухими, находятся рядом. Поток разделяется на слои, поскольку после немного перенасыщенного следует немного сухой, за которым следует немного перенасыщенный и т.д. При использовании обычных систем этого не наблюдается. Например, при уровне 0,23 примерно 3,7 воздушных зазоров являются перенасыщенными при использовании обычной системы, а при использовании конструкции настоящего изобретения насыщенным является только примерно 1. Фиг.6 также показывает, что повторяющееся поперечное неправильное распределение находится в одной и той же плоскости, поскольку завихрения, срывающиеся с конструкции, имеют значительно большую вероятность уменьшения, относительно вертикальной стратификации в обычных конструкциях.

Хотя изобретение описано и проиллюстрировано со ссылкой на примерные варианты его осуществления, для специалистов в данной области техники из вышеизложенного должно быть понятно, что различные другие изменения, исключения и добавления элементов могут быть выполнены в нем и к нему, без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.