Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время наращивание мощностей стационарной энергетики осуществляется преимущественно путем ввода парогазовых установок (ПГУ), у которых КПД лучших образцов приближается к 60 %. В свою очередь, технико-экономические показатели ПГУ в значительной мере определяются совершенством газотурбинной части комбинированного цикла, т.е. технико-экономическими характеристиками газотурбинной установки (ГТУ). Одним из путей повышения характеристик ГТУ является переход к сложному циклу, в том числе использование промежуточного охлаждения (в общем случае, приближение к изотермическому сжатию). В этом случае снижается техническая работа сжатия в компрессоре ГТУ, на которую затрачивается от 40 до 60 % работы расширения газов в турбине, т.е. без потери мощности снижается температура газов на входе в турбину, что благоприятно сказывается на ресурсе ГТУ или появляется возможность повысить мощность ГТУ без снижения ресурса ее работы.
Промежуточное охлаждение воздуха в компрессоре обычно осуществляется в поверхностном охладителе, устанавливаемом в рассечку между ступенями компрессора. Другим вариантом промежуточного охлаждения сжимаемого рабочего тела (воздуха) является впрыск воды в виде капель на вход в тракт компрессора и/или его промежуточные ступени, когда испаряющиеся капли воды забирают тепло от воздушного потока, охлаждая его. Чтобы обеспечить полное испарение капель за время их пребывания в тракте компрессора (оно исчисляется миллисекундами), необходимо интенсифицировать их испарение. Эффективность процесса испарения зависит от удельной поверхности капель, т.е. поверхности, приходящейся на единицу объема (массы) вводимой жидкости, которая обратно пропорциональна диаметру капель. Чем меньше капли, т.е. чем тоньше распыл влаги форсунками, тем интенсивней теплообмен капель с охлаждаемым горячим воздухом и их испарение.
Существует и второе важное обстоятельство, влияющее на интенсивность испарения. Крупные капли (диаметром 15 мкм и выше) достаточно инерционны, они осаждаются на рабочих лопатках компрессора и отбрасываются на его корпус. Поверхность образующихся пленок значительно меньше поверхности капель, ниже и коэффициенты теплоотдачи, что уменьшает количество тепла, отводимого от охлаждаемого воздуха. В результате, вводимая (впрыскиваемая) в тракт компрессора охлаждающая вода испаряется лишь частично и значительная часть введенной воды (до 20 %) следует транзитом в камеру сгорания ГТУ. На ее испарение затрачивается тепло топлива, ухудшая показатели ГТУ.
Тем самым, обеспечение тонкого распыла капель (до диаметра 2–3 мкм) является важной инженерной задачей.
Столь тонкий распыл не достижим в традиционно применяемых центробежных и пневматических форсунках любой конфигурации, в которых капли дробятся до диаметра 15 мкм и больше. Поэтому требуются принципиально новые технологические приемы. Одним из таких методов является использование сильно перегретой относительно температуры насыщения жидкости, предложенный в ряде работ, в частности фирмой Kema. В процессе истечения такой жидкости через сопло распыляющего устройства происходит ее взрывное вскипание, в результате которого жидкость дробится на тонкие фрагменты. Изучение закономерностей этого процесса составляет предмет выполненных исследований.
Цель работы: получение экспериментальной информации по характеристикам дисперсной фазы факелов распыла перегретой воды в условиях взрывного вскипания и выдача рекомендаций по реализации технологии впрыска перегретой воды в тракты компрессоров ГТУ. Основное внимание в диссертации уделено экспериментальному изучению влияния технологии распыла, типов форсунок и режимных параметров на получаемые размеры капель воды и их смешение с потоком сносящего воздуха.
Научная новизна работы заключается в том, что получен оригинальный опытный материал, позволяющий прояснить основные режимные параметры взрывного вскипания и дисперсионные характеристики факела распыла перегретой воды. Показано наличие бимодальной структуры размеров капель при распылах перегретой воды, что, по всей видимости, вызвано взаимодействием двух механизмов дробления жидкости, одним из которых является взрывное вскипание. Показано незначительное влияние добавок в виде растворенного газа на фрагментирование факелов распыла при существенных перегревах жидкости. Отмечен эффект «шнурования» тонкодисперсных факелов распыла, что затрудняет их перемешивание со сносящим потоком воздуха.
Достоверность работы подтверждена использованием в экспериментах системы измерения размеров частиц собственной разработки, тщательными измерениями индикатрис рассеяния света в широком диапазоне углов, выполненными в комплексе с кино-фотосъемками процессов, использованием термозондовых измерений факелов распыла, сопоставлением полученных данных с имеющимися экспериментальными данными других авторов.
Практическая ценность работы. Полученные результаты обеспечивают надежное проектирование эффективных систем впрыска воды в компрессоры ГТУ.
Положения выносимые на защиту.
1. Результаты методических разработок:
методику получения тонкодисперсного распыла вводы вплоть до субмикронных размеров; методику измерения размеров капель в факелах распыла воды и ее аппаратное и приборное обеспечение; методику определения границ факелов распыла.
2. Результаты экспериментальных исследований впрысков перегретой воды в воздушный поток, в частности, дисперсионные характеристики факелов распыла, данные по эволюции факелов распыла и режимные параметры, обеспечивающие тонкодисперсный распыл воды путем взрывного вскипания.
3. Рекомендации по реализации технологии тонкодисперсного распыла воды в компрессорах ГТУ.
Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах, в том числе в четырех статьях в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК. Вопросы, изложенные в диссертации, были доложены на международной конференции по тепломассобмену (14th International Heat Transfer Conference, 2010, Washington), 5-й Российской национальной конференции по тепломассообмену (2010, Москва) и обсуждены на 3-м теплофизическом семинаре "Турбулентные газокапельные струи" (2011 г., Санкт-Петербург). Работа являлась составной частью Контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям (Контракт №2008-6-1.6-19-01-006) и поддерживалась РФФИ (грант 09–08–00258а).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста и заключения. Работа изложена на 116 листах машинописного текста, содержит 2 таблицы и 52 рисунка. Список литературы содержит 68 наименований.
