[发明专利]一种周向布置的离心压缩机喷水结构

说明书

本申请公开了一种周向布置的离心压缩机喷水结构，涉及压缩机技术领域。离心压缩机喷水结构包括压缩机机匣喷水孔、压缩机内部喷水通道、压缩机轮毂喷水孔。压缩机机匣喷水孔是顺气流方向的收缩型弯孔，可以有效抑制叶尖泄露流，提高压缩机稳定工作裕度。压缩机内部喷水通道是与旋转轴同轴的圆柱形通道。压缩机轮毂喷水孔是顺气流方向倾斜的直孔，在旋转轴的带动下向压缩机内部喷洒液滴。本申请克服了常规湿压缩的局限性，通过液滴蒸发吸收热量冷却主流气体，整个压缩过程接近等温压缩，压缩耗功降低，压缩效率提高，同时破坏叶尖泄露流，拓宽了压缩机稳定工作裕度。

技术领域

本申请涉及压缩机技术领域，特别是涉及一种周向布置的离心压缩机喷水结构。

背景技术

离心压气机具有结构紧凑、流量大、抗腐蚀性强、单级压比高、稳定工作范围较广等优势，在能源、动力领域得到了广泛的应用。在离心压缩机的实际应用中，往往面临进口温度过高，耗功增加，整个系统的净输出功率和效率下降的问题。

为了提高离心压缩机的效率，常向压缩机进气或压缩过程中喷射水雾，利用液态水蒸发潜热来冷却工质降低压缩机耗功，提高整个系统的功率和效率，这一过程被称为湿压缩过程。早在上世纪40年代末，燃气轮机专家Klein Schmidt就提出了湿压缩的概念，认为湿压缩在定压比的情况下可以增加循环效率，他指出湿压缩过程中，喷入的液滴直接与压缩工质接触，连续进行传热和传质，高温气体的热量并没有流失，而是被回收再利用，气流的质量流量和密度增加，因此相比于中间冷却更为有效。

目前湿压缩大致可以分为三类：压缩机进口喷水、压缩机级间喷水、叶轮注水。值的注意的是，湿压缩过程中喷液位置的选择各有利弊。压缩机进口喷水简便易行，喷液量适中的条件下可以为液滴蒸发吸热提供足够的时间，但是低温情况下容易发生结冰现象；压缩机级间喷水时水蒸气蒸发迅速，减小了喷水引起的摩擦和可能的叶片造成的损失，这种方式往往不受环境温度的限制，但相比进口喷水操作更为复杂；叶轮注水类似叶片冷却，相比而言湿压缩更有效，但是对工艺和设计的要求很高，难度也大。因此，有必要探索一种新的湿压缩喷水结构，改善或突破常规喷水方式的局限性。

除此之外，湿压缩中液滴加入往往会带来一定程度的稳定性问题。一方面，离心压缩机对工质中液滴敏感，容易引发失速喘振；另一方面，水滴蒸发产生的水蒸气分子量低，绝热指数高，单位质量流量变化情况下的体积变化量大，这会进一步恶化离心压缩机的内部流场，加速失速喘振的发生。而已有大量研究表明，离心压缩机失速的产生离不开叶尖泄露流的作用，因此要解决湿压缩的稳定性问题，提高离心压缩机效率和稳定工作裕度，必然离不开对叶尖泄露流的抑制。

发明内容

本申请的目的在于克服或者至少部分地解决或缓减解决上述存在的常规湿压缩技术的局限性、液滴易恶化内部流场加快失速喘振的问题。

本申请提供了一种周向布置的离心压缩机喷水结构，离心压缩机包括压缩机机匣、旋转轴、压缩机轮毂、叶片及压缩机转子通道，所述离心压缩机喷水结构包括：

压缩机机匣喷水孔，其为顺气流方向的收缩型弯孔，布置在压缩机机匣的叶片的前缘叶尖一侧，并沿压缩机机匣的周向布置；

压缩机内部喷水通道，其是与旋转轴同轴的通道，用于为压缩机轮毂喷水孔提供液态水；和

压缩机轮毂喷水孔，其为顺气流方向倾斜的直孔，沿周向均匀地布置在压缩机轮毂处且靠近叶片前缘叶根附近，压缩机轮毂喷水孔的数量与压缩机转子通道数目相同。

可选地，所述压缩机机匣喷水孔的数量为六个，且并沿所述压缩机机匣的周向均匀布置。

可选地，所述压缩机机匣喷水孔具有进口及出口，所述压缩机机匣喷水孔的出口紧贴叶片前缘的叶尖，且与所述压缩机机匣的内壁相切。

可选地，所述压缩机机匣喷水孔内壁圆弧弧度角θ满足30°≤θ≤45°，圆弧半径r和所述压缩机机匣喷水孔的进口的直径d₁的计算公式为：