ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА С ВПРЫСКОМ ВОДЫ В ПРОТОЧНУЮ ЧАСТЬ

ФГУП ММПП «Салют» предлагает для внедрения в энергетику страны высокоэкономичную парогазовую энергетическую установку с впрыском пара в газотурбинный двигатель (ПГУ МЭС-60) мощностью 60 МВт.

Создание установки МЭС-60 поставило вопросы повышения мощности и термической эффективности основного газотурбинного двигателя (ГТД).

Одним из направлений решения этой задачи явился впрыск воды на входе и в проточную часть компрессора основного двигателя, в качестве которого выбран 14-ступенчатый компрессор АЛ21Ф3. Термо- и газодинамические процессы, протекающие в компрессоре при впрыске воды весьма сложны и имеют множество особенностей существенно зависящих от конструктивного исполнения компрессора. Поэтому надёжным и наиболее рациональным является экспериментальный метод определения газодинамических характеристик компрессора. Хотя следует отметить, что в рамках сопровождения эксперимента проводились и расчётные оценки изменения характеристик компрессора АЛ21Ф3 под влиянием испарения воды в его проточной части.

В конструкторском бюро промышленных ГТУ была разработана конструкция объекта исследований и ММПП «Салют» изготовлен его экспериментальный образец.

На стенде Ц-3 НИЦ ЦИАМ впервые смонтирована и отлажена установка для проведения экспериментальных исследований эффективности впрыска воды в различные сечения многоступенчатого осевого компрессора.

Компрессор АЛ-21Ф3, оснащён хорошо развитой механизацией, предназначенной для регулирования на нерасчётных режимах. Регулируются две группы направляющих аппаратов. К первой группе относятся ВНА и направляющие аппараты 0- ступеней, а во вторую группу входят лопаточные венцы НА VIII-XII ступеней.

Вода для впрыска в газовоздушный тракт компрессора подавалась через три независимых блока: через входной коллектор перед компрессором, через направляющие аппараты и VIII ступеней компрессора («статорный впрыск»), через втулочную часть ротора между рабочими лопатками 4-ой, 5-ой, 6-ой, 7-ой, 9-ой и 10-ой ступеней («роторный впрыск»).

Устройство для впрыска воды во входной канал представляет собой коллектор с вмонтированными в него форсунками. Отсек коллектора размещался между отсеками воздухопровода, соединяющего ресивер с компрессором на расстоянии 1,5 м от компрессора. На коллекторе установлены 30 пневматических форсунок, обеспечивающих равномерное распределение воды по сечению трубопровода.

Для уменьшения общего загромождения сечения коллектора пилонами с расположенными на них форсунками, часть форсунок (12 шт.) расположена на стенке коллектора. Впрыск воды из них осуществлялся поперек потока. Впрыск воды через форсунки, расположенные на пилонах производился по потоку воздуха. Воздух к форсункам подавался по отдельному трубопроводу. Дисперсность капель составляла ~20 мкм.

Второй вариант впрыска воды осуществлялся через направляющие аппараты и VIII ступеней компрессора («статорный впрыск»). Под впрыск воды в этих венцах было доработано половина лопаток.

В самой лопатке подача воды осуществлялась через 6 тангенциальных форсунок, расположенных в 3 яруса по высоте лопатки. (На каждом ярусе по одной форсунке на спинке и на корытце лопатки).

Третий вариант впрыска воды производился через втулочную часть ротора между рабочими лопатками 4-ой, 5-ой, 6-ой, 7-ой, 9-ой и 10-ой ступеней («роторный впрыск») при помощи 12 струйных форсунок. Вода подавалась в каналы, организованные во вращающемся роторе компрессора (всего шесть каналов), попадала в полости между дисками, а из каждой полости через две диаметрально расположенные форсунки впрыскивалась в проточную часть. В этой системе была предусмотрена возможность включения любого количества и сочетания форсунок с регулированной подачей воды по каждой из магистралей.

В рамках проведения эксперимента была предложена оригинальная методика определения эффективного КПД компрессора, работающего на увлажнённом воздухе, и разработана соответствующая технология проведения эксперимента.

Принятая к использованию формула имеет вид:

Используемый метод определения эффективного КПД исходит из предположения, что на двух сходственных режимах без подачи («сухом») и с подачей воды («влажном») мощности, затрачиваемые на привод компрессора, одинаковы.

Сходственными принимались режимы, на которых одинаковы:

– положения дросселей в воздушной магистрали стенда;

– расходы топлива GТ, подаваемые в камеру сгорания перед газовой турбиной стенда;

– давление РВКС и расход GВКС воздуха, подаваемые в камеру сгорания от высотно-компрессорной станции НИЦ ЦИАМ.

Для реализации этих условий была принята следующая процедура проведения испытаний:

(а) после выхода на заданную частоту вращения ротора n с помощью выходного дросселя устанавливался режим по степени повышения давления без подачи воды (т.е. «сухой» режим) и производилась регистрация всех измеряемых параметров;

(б) не меняя положения органов управления стендом и систем обеспечения энергоресурсами (т.е. при GВКС= const и GТ = const), осуществлялся впрыск заданного количества воды.

При этом в процессе установления баланса мощностей компрессора и газовых турбин происходило некоторое изменение частоты вращения ротора при соответствующих изменениях расхода воздуха и степени повышения давления.

После установления равновесного режима вновь производилась регистрация параметров;

(в) сохраняя расход воды, изменением подачи топлива восстанавливалась заданная частота вращения ротора nпр и производилась регистрация параметров.

На рис. 6 приведено изменение эффективного КПД компрессора основного двигателя МЭС-60 от количества впрыскиваемой воды. Как видно, испарение воды в компрессоре приводит к значительному повышению эффективного КПД. Выигрыш по КПД увеличивается по мере увеличения количества подаваемой воды (в пределах рассмотренных значений ). Предпочтительным является вариант подачи воды через лопатки направляющего аппарата III ступени, поскольку в этом случае исключается влияние отрицательных факторов, присущих подаче воды через форсунки во входном канале (повышенные гидравлические потери, затраты энергии на сжатие воздуха и его вдув через форсунки).

На рис. 7 показаны радиальные профили температур в различных сечениях компрессора, измеренных при впрыске воды через лопатки направляющих аппаратов III ступени ( 1,5% и 2%), при подаче воды в ротор через 4,5,6,7,9,10 рабочие колёса ( 1,6%) и распределение температуры потока при комбинированной подаче воды в 3НА ( 1,27%) и в ротор через 4,5,6 рабочие колёса ( 0,73%).

Радиальные профили температур приведены в точке напорной характеристики, где степень повышения давления компрессора составляла к 11 при его работе на приведенной частоте вращения ротора nпр 7320 об/мин ( 0,87). Эта точка соответствует номинальному режиму работы основного двигателя установки МЭС-60 и выбрана в эксперименте в качестве контрольной. Поворотные лопатки при этом зафиксированы в положении нулевых углов поворота.

Отмечается значительная деформация радиальных полей температур по тракту компрессора с существенным понижением ее как в области периферии, так и в области втулки при этом формы радиальных профилей полных давлений при работе компрессора с подачей и без подачи воды практически не отличаются.

Получены данные о влиянии впрыска воды на напорные характеристики групп ступеней компрессора. Показано, что под воздействием этого фактора происходит существенное увеличение степени повышения давления средних и последних ступеней при малом ее изменении или уменьшении у первых ступеней.

Проведена экспериментальная проверка характеристик компрессора и эффективности впрыска воды при различных температурах потока воздуха на входе и воды, подаваемой через лопатки НА III ступени. Показано, что вариации значений температуры воздуха на входе в компрессор, повышенной до +4550С и воды, подаваемой к форсункам НА III с температурой +15; +40 и +90С не оказывает существенного влияния как на характеристики компрессора, так и на эффективность впрыска воды.

Проведена экспериментальная проверка влияния углов установки поворотных лопаток направляющих аппаратов группы последних ступеней компрессора на его характеристики в широком диапазоне приведенных частот вращения ротора ( = 0,720,87).

Показано, что при работе без впрыска воды прикрытие лопаток выходной группы всего лишь на = (-3)(-5) приводит к значительному уменьшению запасов устойчивости компрессора, без какого-либо изменения КПД, причем тем в большей степени, чем ниже приведенная частота вращения ротора. Однако, впрыск воды в количестве 1,5% полностью обеспечивает восстановление границы устойчивой работы, соответствующей штатному положению лопаток ( = 0) и увеличивает КПД компрессора.

На рис. 8 приведены экспериментальные характеристики компрессора с впрыском воды в проточную часть через лопатки направляющих аппаратов ступени ( 1,5%) при этом реализуются возможности:

– значительного (на 6% и более) повышения КПД;

– увеличения (на 10%) степени повышения давления на границе устойчивой работы;

– увеличения (на G 3-4%) расхода рабочего тела (паровоздушной смеси).

Оцененная погрешность определения КПД 1%.

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

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004