(57)【要約】【課題】空気がエンジン内に取り込まれる前に空気に対して液体噴霧を効果的、効率的に行なう。【解決手段】複数の独立的に作動可能なノズルステージを備え、これらのステージが、流路を複数のサブセクションに分割する。ノズルステージのグループは、本システムのユニットを構成し、本システムは、複数の反復するユニットから構成される。これらのユニットは、空気が流れることを許容するように離隔している。ノズル配列は、各々のサブセクションを通って空気を等しく加湿するように構成されている。ノズル配列の設計は、全水注入レンジにわたって、空気と水の注入地点の近傍において空気と水の均一な混合を実現する。この結果、過飽和状態ではない空気中で水滴が蒸発するのに利用できる時間を最大にする。【選択図】図３
2011007190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力増大システムであって、
少なくとも１つの空気入口を備える通路であって、空気が通過するように構成された通路と、
前記空気入口の下流に配置されたタービンと、
前記空気入口の下流であって前記タービンの上流に配置されたノズル配列であって、前記ノズル配列が、複数のステージを有し、前記ノズル配列が、空気が前記ノズル配列を通って前記タービンに向かって移動するときに前記空気が通過する前記通路の断面の複数のサブセクションを形成する、ノズル配列と、
を備え、
各々のステージが、液体を噴霧することにより、前記複数のサブセクションを通って移動する前記空気を加湿するように構成された、複数のノズルを有し、
各々のステージが、様々な量の液体を噴霧するように構成され、
前記ステージが、どんな量の液体の噴霧であっても、前記複数のサブセクションを通って流れる前記空気を等しく加湿するように構成されている、動力増大システム。
【請求項２】
前記ステージが、第１ステージと、第２ステージと、を有し、前記第１ステージ内の前記ノズルのすべてが、同一の第１のステージ配置を備え、前記第２ステージ内の前記ノズルのすべてが、同一の第２のステージ配置を備える、請求項１に記載の動力増大システム。
【請求項３】
前記第１ステージ内の前記ノズルの各々が、同一の量の液体を前記サブセクション内に同時に噴霧するように構成されている、請求項２に記載の動力増大システム。
【請求項４】
ノズルの、複数の第１ステージを有し、前記複数の第１ステージは、互いに等距離の間隔をあけて配置され、前記サブセクションを形成する、請求項２に記載の動力増大システム。
【請求項５】
ノズルの、複数の第３ステージを更に有し、第３ステージの各々が、複数の第３の噴霧ノズルを、第３のステージ配置で備え、第３の噴霧ノズルの各々は、液体を噴霧することにより、前記空気が前記サブセクションを通って移動するときに前記空気を加湿するように構成されている、請求項２に記載の動力増大システム。
【請求項６】
ノズルの、１つの第１ステージと、１つの第２ステージとが、互いに隣接して配置され、両者が一緒になって、前記ノズル配列のユニットの、第１サブユニットを形成し、
ノズルの、１つの第３ステージが、前記第１サブユニットから間隔をあけて配置され、ノズルの、前記第３ステージが、前記ユニットの第２サブユニットを形成し、
前記ノズル配列が、複数の反復するユニットを備え、
前記第１サブユニットと前記第２サブユニットとの間の空間が、前記通路の前記断面の第１サブセクションを形成し、
前記ユニット間は、前記通路の前記断面の第２サブセクションを形成するように間隔をあけて配置されている、請求項５に記載の動力増大システム。
【請求項７】
ノズルの、前記第１ステージの各々と、前記第２ステージの各々と、前記第３ステージの各々とが、一緒になって、どんな量の液体噴霧であっても、前記サブセクションを通って流れる前記空気を、等しく加湿することができるように構成されている、請求項６に記載の動力増大システム。
【請求項８】
ノズルの、複数の第４ステージを更に有し、第４ステージの各々が、複数の第４の噴霧ノズルを、第４のステージ配置で備え、第４の噴霧ノズルの各々は、液体を噴霧することにより、前記空気が前記サブセクションを通って移動するときに前記空気を加湿するように構成されている、請求項７に記載の動力増大システム。
【請求項９】
ノズルの、第４ステージの各々が、ノズルの第１ステージの１つと、第２ステージの１つ１と、に隣接して配置され、前記ユニットの前記第１サブユニットを更に形成する、請求項８に記載の動力増大システム。
【請求項１０】
ノズルの、複数の第５ステージを更に有し、第５ステージの各々が、複数の第５の噴霧ノズルを、第５のステージ配置で備え、第５の噴霧ノズルの各々は、液体を噴霧することにより、前記空気が前記サブセクションを通って移動するときに前記空気を加湿するように構成され、第５ステージの各々が、ノズルの、第３ステージの１つに隣接して配置され、前記第２サブユニットを更に形成する、請求項９に記載の動力増大システム。
【請求項１１】
各々のユニット上の前記ステージが、一緒になって、どんな量の液体噴霧であっても、前記第１サブセクションと前記第２サブセクションとを通って流れる前記空気を等しく加湿するのに必要な量の液体を供給することができる、請求項１０に記載の動力増大システム。
【請求項１２】
エンジンの出力を増加させるために空気を加湿する方法であって、
前記方法が、
少なくとも１つの空気入口と、空気が流れる全断面を有する空気通路を備える工程と、
ノズルの、複数のステージを備える工程であって、各々のステージが、前記空気中に液体を注入するようにされた複数のノズルを有し、各々のステージが、所定の水流作動範囲を有する、工程と、
前記通路の前記全断面を複数のサブセクションに分割する工程であって、各々のサブセクションが、前記全断面の面積よりも小さな面積を有する、工程と、
前記空気入口と前記ノズルのステージとの下流に、エンジンを備える工程と、
初めに前記空気の温度と湿度とを判定する工程と、
前記エンジンの出力を増加させるために必要な湿分の量を判定する工程と、
前記ノズルを介して、第１の量の液体を、複数の前記サブセクションに供給する工程であって、液体の前記第１の量が、前記水流作動範囲の全体にわたって前記サブセクションを通って流れる前記空気を等しく加湿するために必要な量であって、前記エンジンの出力を増加させるために必要な量である、工程と、
を備える、方法。
【請求項１３】
前記サブセクションに提供される液体の、前記第１の量が、特定のサブセクションの占める断面積の割合に比例する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ノズルの、前記ステージが、前記通路の前記断面を前記複数のサブセクションに分割するように配置されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記温度と湿度とが、周囲の温度と湿度とである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のサブセクションが、等しい面積を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記周囲の温度を監視し判定する工程と、
前記周囲の温度が、初めに測定された値を超えて上昇した場合には、前記ノズルを介して、更に大きな量の液体を、各々のサブセクションに対して供給する工程と、
前記周囲の温度が、初めに測定された値を下回って低下した場合には、前記ノズルを介して、更に少ない量の液体を、各々のサブセクションに供給する工程と、
を更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記周囲の湿度を監視し判定する工程と、
前記周囲の湿度が、初めに測定された値を超えて上昇した場合には、前記ノズルを介して、更に少ない量の液体を、各々のサブセクションに供給する工程と、
前記周囲の湿度が、初めに測定された値を下回って低下した場合には、前記ノズルを介して、更に大きな量の液体を、各々のサブセクションに供給する工程と、
を更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
空気を加湿する方法であって、
前記方法が、
少なくとも１つの空気入口と、空気が流れる全断面と、を有する空気通路を備える工程と、
前記通路の前記全断面を複数のサブセクションに分割する工程であって、各々のサブセクションが、前記全断面の面積よりも小さな面積を有する、工程と、
各々のサブセクションンに隣接して複数のノズルを備える工程であって、前記ノズルが、液体を空気中に注入するようにされている、工程と、
前記複数のサブセクションに対して、水流作動範囲全体にわたって、前記サブセクションを通って流れる前記空気を等しく加湿するために必要な液体の量を供給する工程と、
を備える方法。
【請求項２０】
前記サブセクションに供給される液体の前記の量が、前記サブセクションが占める断面積の割合に比例する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記空気入口の下流にタービンを配置する工程を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記加湿工程の前に、前記空気の温度と湿度とを判定する工程を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
空気の温度と湿度とを判定する工程の後に、前記サブセクション内で空気を等しく加湿するために必要な水の量を判定する工程を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記複数のノズルを備える工程において、ノズルの、少なくとも３つの異なるステージを設ける工程を更に備え、各々のステージが、異なるノズルの形状を有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記加湿工程で注入される液体の量は、空気の前記温度と湿度とに基づいている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
空気を加湿するために必要な水の量を判定する前記工程の後に、前記サブセクション内で空気を等しく加湿するために必要な水の量を供給する工程を更に備える、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴霧システム、この噴霧システムを備える動力増大システム、及び空気を効果的に加湿してエンジンの出力を増加させる方法に関する。この噴霧システム及び動力増大システムは、エンジンの出力を増加させるのに利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、加圧空気を燃焼器に供給するコンプレッサを備える。空気は、燃焼器内で燃料と混合され、点火され、高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスは、タービンセクションに流れ、タービンセクションでエネルギーが抽出され、コンプレッサに動力を供給し、また、航空機への動力供給などの有用な仕事を行う。
【０００３】
タービンの出力は、周囲の空気の温度の上昇に比例して低下する。しかしながら、周囲の空気の温度が上昇した場合には、例えば空調負荷が大きくなり、更に大きな動力を発生する必要を生じることがしばしばある。従って、動力需要が増大した期間には、補助システムを介して更なる動力を発生することが望ましい。
【０００４】
動力入力を増大させるための補助システムの１つは、液体、通常は水、の小滴を、コンプレッサの入口ダクト又はコンプレッサのベルマウスに向かって噴霧する、ノズルを備えている。これらのシステムは、空気がガスタービンに進入する際に、空気を加湿して低温にしようとする。空気の温度が低いことは、空気密度が高く、従って、質量流量が大きいことに相当し、この結果、大きなタービンシャフト出力が得られる。温度を十分に低下させるために空気に追加することを要する液体の量は、ガスタービンの空気流量と、周囲の温度及び湿度条件によって決定される。
【０００５】
液体噴霧システムは、より大きな動力を発生する比較的安価で「ローテク」な方法である。しかしながら、コンプレッサ内の液体は、コンプレッサブレードを損傷する可能性がある。例えば、金属表面における液滴の衝撃は、金属表面における微細な破損の発生に結び付く可能性があり、表面の孔食を発生する可能性がある。ブレードへの液体の衝突を回避するために、噴霧は、ブレードに衝突する前に、コンプレッサ内で蒸発しなければならない。この蒸発は、吸気を加湿し、上述のように、空気の温度を低下させ、密度を増加させるものであることが必要である。液滴がブレードに衝突する前に蒸発する可能性を増大させるために、小さな直径を有する液滴を、発生しなければならない。小さな直径とは、一般には、約４０ミクロン未満である。このような小さな直径を備える噴霧液体は、しばしば、「霧化」されたと表現されており、従って、多数の小さな直径の液滴を発生するシステムは、しばしば、霧化システムと呼ばれている。
【０００６】
このような小さなサイズの液滴は、いくつかの方法を使用して発生させることができる。最も簡単な方法は、スキッドから、通常約２０．６８ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）の高圧の液体を供給し、液滴を、直接霧化するというものである。その他の方法は、液体を衝撃波又は超音波アトマイザに通す工程を含むことができる。高圧の液体は、約１０〜２０ミクロンのオーダーの平均サイズの液滴になるが、これよりも大きな液滴、即ち、２０ミクロンよりも大きく、最大約４０ミクロンのものも発生される。
【０００７】
液滴を発生する上述の方法には、いくつかの問題が存在する。特に、２０．６８ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）の高圧に加圧された液体をスキッドから供給することは、スキッドに負荷をかけることになる。更に、ノズルは、高圧に加圧された液体を噴霧することを要求されるため、比較的小さな運転範囲しか有さない。
【０００８】
この問題を解決するために、既存のノズル配列は、複数のステージを有する。ノズル配列の各液体搬送配管は、液体の霧を噴霧する複数のノズルを備えることができる。多数の配管がマニホルドに形成され、又は、１つのステージを形成するように連通している。１つのステージとは、要するに、単一の液体供給源に接続された、個々に独立的に制御可能な多数のノズルのことである。従来システムであるジェネラルエレクトリック（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）社のＳＰＲＩＴＳ（登録商標）システムは、５つのステージを備えている。このシステムでは、ステージ１が起動されると、液体が、ステージ１を形成するマニホルド化された配管に流入し、液体は、これらのノズルのみから噴霧される。次に、他のステージは、ステージ１の停止を伴うか伴わないかによらず、起動することができる。
【０００９】
従来システムは、しばしば、局所的な過飽和及び加湿不足という問題を有する。これらの問題は、必要な水の流量に対して起動されたノズルの数が多すぎることの結果である。従来のノズル配列は、空気と水の比率が、ダクトの全断面積又は空気の流れ断面積との関係に対してのみバランスするように設計されている。
【００１０】
更に、大部分の従来システムでは、再循環システムによって設定される一定の圧力で、各ステージを稼働させている。サブセクション内のすべてのノズルは、最大流量で流すだけである。例えば、半分の流量の場合には、すべての配管が半分の能力で流すのではなく、ほぼ半分の配管が流すのである。従って、空気のサブセクションが飽和状態になる可能性があり、これは、余分な水が蒸発せず、ブレードに自由に接触することを意味する。更に、液滴が、例えば４０ミクロンのように大きくなるほど、空気を加湿する小さな液滴とは相入れなくなる。蒸発しない大きな液滴は、凝集してコンプレッサ内に液体の条痕を形成する可能性があり、これは、大きな損傷を発生する可能性がある。更に、この設計は、過飽和の領域を生じるため、極めて乾燥した空気の領域をも生じる。従来システムのノズルは、過飽和領域をノズル配列の近傍の乾燥領域と混合するようには配置されておらず、従って、ブレードに接近する前に蒸発するための十分な時間を得るようには、配置されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、空気がエンジン内に取り込まれる前に空気に対して液体噴霧を効果的、効率的に供給するためのノズル配列などの装置と、この装置を有する、エンジンの動力増大システムと、である。液体噴霧は、空気の温度を低下させ、この結果、空気の密度が増加する。密度の高い空気は、より大きな動力をエンジンに提供する。このノズル配列の設計は、水注入エリア全体にわたって、空気と水の注入地点の近傍における空気と水の均一な混合を実現する。この結果、蒸発に利用可能な時間を、最大にする。ノズル配列近傍の「混合ゾーン」内で発生可能な混合が良好であればあるほど、下流における混合が均一になり、タービンに接近する前に空気が蒸発する可能性が大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一実施形態においては、本発明は、動力増大システムである。このシステムは、少なくとも１つの空気入口を備える通路を有する。通路は、通路を介して空気を通過させるようにされている。タービンは、空気入口の下流に配置される。ノズル配列は、空気入口の下流であって、タービンの上流に、配置される。ノズル配列は、複数のステージを有し、空気がノズル配列を通ってタービンに向かって移動するときに空気が通過する通路の断面の、複数のサブセクションを構成している。各々のステージは、液体を噴霧することによりサブセクションを通って移動する空気を加湿するようにされた、複数のノズルを有する。各々のステージは、様々な量の液体を噴霧するように構成されており、ステージは、どんな量の液体噴霧であっても、各々のサブセクションを通って流れる空気を等しく加湿するように構成されている。
【００１３】
別の実施形態においては、本発明は、エンジンの出力を増加させるために空気を加湿する方法である。この方法は、少なくとも１つの空気入口と空気が流れる全断面積とを有する空気通路を備える工程と、ノズルの複数のステージを備える工程であって、各々のステージが、液体を空気中に注入するように構成された複数のノズルを有し、各々のステージが水流作動範囲を備える工程と、通路の断面積を複数のサブセクションに分割する工程であって、各々のサブセクションが、全断面積よりも小さな面積を備える工程と、空気入口とノズルのステージとの下流にエンジンを備える工程と、初めに空気の温度と湿度とを判定する工程と、エンジンの出力を増加させるために必要とされる湿分の量を判定する工程と、ノズルを介して第１の量の液体を各々のサブセクションに供給する工程と、を備え、液体の第１の量とは、エンジンの出力を増加させるために必要とされる量において、全水流作動範囲にわたって、各々の特定のサブセクションを通って流れる空気を、等しく加湿するのに必要な量である。
【００１４】
別の実施形態においては、本発明は、空気を加湿する方法である。この方法は、少なくとも１つの空気入口と空気が流れる全断面積とを備える空気通路を備える工程と、通路の断面積を複数のサブセクションに分割する工程であって、各々のサブセクションが全断面積よりも小さな面積を備える工程と、各々のサブセクションの近傍に複数のノズルを備える工程であって、ノズルが、液体を空気中に注入するように構成される工程と、全水流作動範囲にわたって、各々の特定のサブセクションを通って流れる空気を等しく加湿するのに必要な量の液体を、各々のサブセクションに供給する工程と、を備える。
【００１５】
添付の図面は、例示を目的として、現時点において好ましい形態を示している。しかしながら、本発明は、図面に示されている構成及び手段そのままに限定されるものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】発電所において使用されるタービンエンジンへの動力を増大させるシステムの側面図である。
【図２Ａ】タービンエンジンの動力を増大させる従来のノズル配列の平面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示されている従来のノズル配列における少なくとも２つの異なる典型的なステージの側面図であり、わかりやすくするように単純化された図である。
【図３】本発明のノズル配列の一実施形態の斜視図であり、消音装置との関係において配置された図である。
【図４Ａ】図３に示されているノズル配列の１つのユニットの斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示されているユニットの背面図である。
【図４Ｃ】図４Ａに示されているユニットの底面図である。
【図５】図３に示されているノズル配列の一部分の平面図である。
【図６】従来のノズル配列と本発明のノズル配列の一実施形態とにおける飽和の割合対流量比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、同様の符号によって同様の要素を識別している添付の図面を参照すれば、空気がエンジンに取り込まれる前に、空気に液体を効果的、効率的に供給するためのノズル配列などの装置の、様々な表現が示されている。この装置を備える、エンジンの動力増大システムもまた、示されている。本発明の実施形態の様々な態様は、どんなタイプのエンジンに対しても使用することができる。この動力増大システムを使用するのに適したエンジンの１つのタイプが、ガスタービンエンジンである。
【００１８】
図１は、ガスタービンに対する動力を増大させるシステムの一実施形態１０を示す。システム１０については、発電所の運転との関連において説明するが、システム１０は、その他の環境において使用することもできる。このシステムは、通路、すなわちダクト１２を有する。ダクト１２は、上部壁１４と、下部壁１６と、少なくとも１つの曲がり部１８と、を有する。ダクト１２はまた、互いに向き合った側壁をも備えている（図１に示さず）。ダクト１２は、正方形、矩形、楕円形、円形などの任意の断面形状を有することができる。ダクト１２の断面積は、均一であってもよく、均一でなくてもよい。ダクト１２はまた、入口セクション２０を有し、入口セクション２０は、風雨ルーバー２２を備えることができる。入口セクション２０の下流でダクト１２の内部には、ちりよけスクリーン２４と、空気フィルタ２６と、消音装置２８と、を備えることができる。消音装置２８の下流の、ダクト１２の内部には、入口空気４０ａを冷却するための装置３０、１００が存在する。このような装置は、ノズル配列とすることができる。
【００１９】
入口空気４０ａを冷却する装置３０、１００の下流には、ガスタービンなどのタービン又はエンジン３２が存在する。ガスタービンエンジンは、当該技術分野において公知であり、ブレードを有するローターを備えている。シャフトの前端では、コンプレッサブレード３６を備えるコンプレッサ３４が、空気を高圧に圧縮し、例えば、通常圧力の１０〜３０倍の高圧に圧縮するのが普通である。圧縮された空気は、燃焼器３８に供給される。燃料（図示せず）が、燃焼器３８内において燃焼する。高温の燃焼ガスは、タービン３３を通って膨張し、排気ダクト（図示せず）を通ってプラントから排出される。タービンの動力出力は、コンプレッサの必要動力より大きいため、余剰の動力が、シャフトから利用できる。余剰の動力は、発電機、ポンプ、コンプレッサ、プロペラ、又はこれらに類似したもの（図示せず）の負荷を駆動するために利用される。
【００２０】
図１に示すように、ほぼ周囲の温度である第１の温度と、第１の湿度レベルと、を有する周囲の空気４０ａが、ダクト１２の入口２０に流入する。周囲の空気４０ａは、次に、任意のちりよけスクリーン２４と、任意の空気フィルタ２６と、任意の消音装置２８と、を通過する。風雨ルーバー２２、ちりよけスクリーン２４、フィルタ２６、及び消音装置２８を通過した周囲の空気４０ａの流れは、通常、約１０メートル／秒〜約２０メートル／秒の範囲の速度を有する。
【００２１】
周囲の空気４０ａは、次に、空気冷却装置３０、１０又はノズル配列を通過し、そこで、空気は、装置から放出された液体によって冷却され、加湿される。空気４０ａの少なくとも一部分４０ｂは、ここでは、第２の温度を有し、この第２の温度は、第１の温度よりも低い。更に、空気４０ａの少なくとも一部分４０ｂは、第２の湿度レベルを有し、この第２の湿度レベルは、空気４０ａよりも高い。空気４０ｂの少なくとも一部分を、液体によって加湿することができる。冷却され、加湿された空気４０ｂは、次に、その速度を維持しつつ、エリアＢからエリアＣ内に移動する。空気４０ｂは、エンジン３２の入口プレナムセクション４２に進入する。入口プレナムセクション４２は、空気４０ｂが加速するようにベルマウスとして成形することができる。コンプレッサ３４の入口面では、空気の速度は、通常、マッハ約０．４からマッハ約０．６の範囲であり、更に一般的には、音速の約半分すなわち約１８０ｍ／ｓという速度である。空気は、コンプレッサが圧縮仕事を行なうのに必要な高速を得るように、加速される。通常の空気の圧縮比は、約９：１〜約３０：１の範囲である。コンプレッサ内においては、空気の速度は、圧縮の結果の高い密度の作用で、シャフトの前端において、低減される。圧縮された空気（図示せず）は、次に、燃焼器に送られる。燃焼器チャンバに流入するときには、速度は、通常、１００ｍ／ｓ未満であるが、必要に応じて、その他の速度を与えることもできる。
【００２２】
空気がコンプレッサの入口に到達する前に空気に冷たい液体を供給する装置３０、１００は、多くの場合、ノズルの配列である。図１に示すように、ノズル配列３０、１００は、少なくとも１つの液体注入管４４と連通している。液体注入管４４は、任意の弁４６を介して、少なくとも１つのスキッド（図示せず）と接続されている。弁４６は、装置３０、１００の少なくとも１つのノズルに供給される液体の流れ又は流量を、制御するようにされている。
【００２３】
スキッドは、少なくとも１つのポンプ４８を備える。一実施形態においては、２つのポンプを備え、各々のポンプは、ＶＦＤ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｒｉｖｅ）ポンプであり、この場合に、速度は、周波数によって制御され、適切な周波数は、周波数コントローラによって設定される。別の実施形態においては、例えば、５台のポンプなどの複数の並列のポンプを備え、各々のポンプは、異なる容量を有する。１つ、２つ、又は更に多くの数のポンプを、異なる組合せで運転することにより、大きな範囲のポンプ容量をカバーすることができる。
【００２４】
ポンプの最大容量は、使用するガスタービンの定格空気流量との関係で設定することができる。ポンプは、多くの既存のポンプよりも低い圧力の液体を供給することが好ましい。特に、ポンプは、約２０．６８ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）未満において作動し、約１３．７９ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）において作動することが好ましい。ポンプは、予備充填システムを利用することができる。このポンプは、低い圧力において作動するため、より高い信頼性を有することができ、このポンプは、液体を再循環させないので、ポンプに戻る再循環も不要である。この結果、ポンプに流入する液体の温度を低下させることができ、ごみがポンプ内へ再進入することを防止することができる。この結果、回転シールの磨耗が減少し、ピストンシールの寿命も向上する。
【００２５】
ポンプ４８は、ポンプの速度や運転を制御する信号の送信を介して、少なくとも１つの制御ユニット又はコントローラ５０と通信する。制御ユニット５０は、スキッド上に配置することができる。制御ユニット５０は、周囲の天候状態、タービンの形状、空気の運動の速度場、及び特定のタービンコンポーネントの仕様を含む少なくとも１つの定義されたパラメータに基づいて制御モデルを形成する、所定のエンジンサイクル分析を利用することができる。
【００２６】
ポンプ４８はまた、液体供給源５２と連通している。液体供給源５２は、スキッド上に配置されることが好ましい。液体供給源５２は、水の供給源を有することが好ましいが、冷却運転に応じて、その他の液体を利用することもできる。
【００２７】
システム１０はまた、信号によって制御ユニットに接続された天候監視ユニット（図示せず）を備えることもでき、この場合には、ガスタービンの性能に影響を与える周囲の条件を測定し、制御ユニットに対して報告し、ターゲットレベルの入口空気の加湿を与える、適切な液体の量の、エンジンサイクルに基づいた計画的判定をすることができる。周囲の条件は、温度、湿度、及び気圧を含むガスタービンの運転に影響を及ぼしうる環境要因を含むが、これらに限定するものではない。周囲の温度、湿度、及び気圧は、所定の時点で判定することができる。一実施形態においては、温度、湿度、及び気圧の各々を監視しているが、連続的に監視することが好ましい。天候監視ユニット（詳細は示さず）は、乾球温度計と、空気湿度測定装置と、を備えることができる。別の実施形態においては、天候監視ユニットは、乾球温度計と、湿球温度計と、を備えることができる。天候監視ユニットは、周囲の天候条件を監視又は測定する、その他のコンポーネント又はコンポーネントの組合せを備えることができる。天候の情報は、制御ユニットによって処理され、制御ユニットは、オペレータに、許容可能な蒸発水量や着氷リスクなどの主要な運転情報を供給する。この情報は、例えばディスプレイ（図示せず）上で、オペレータに示すことができる。この結果、所望の量だけエンジンの出力を増加させるために必要な液体又は湿分の量を、判定することができる。
【００２８】
空気冷却システム３０、１００又はノズル配列は、空気がノズル配列３０、１００を通過するときに、冷たい液体を、普通は噴霧として、周囲の空気４０ａに対して供給する。「冷たい」とは、液体がノズルを離れた直後の、液体の温度が、冷却する対象の空気の温度よりも低いことを意味している。液体は、空気がコンプレッサの入口に到達する前に、空気４０ｂを冷却する。別の実施形態においては、液体は、冷たくなくてもよく、ダクトを通って流れる空気と同一の温度であるか又はこれよりも温かくてもよい。
【００２９】
弁４６が開くと、液体注入管４４を介して、液体供給源５２からノズルホルダ３０、１００に、高圧液体が供給される。ノズルは、水を微細な水滴の噴霧に霧化するように構成されている。このような水滴は、通常、約３〜約５０ミクロンの範囲であり、更に一般的には、約３〜約３０ミクロンの範囲である。
【００３０】
図２Ａは、図１に示すようなシステムに利用することができる従来のノズル配列３０を示している。このようなノズル配列３０は、ジェネラルエレクトリック（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）社のスプリッツ（ＳＰＲＩＴＳ）（登録商標）システムとすることができる。図示の従来のノゾルノズル配列３０は、垂直に延びるバー６０によって支持された、複数の水平に延びる配管５４を備える。各々の配管５４は、水平方向の長さに沿って複数のノズル５６を備える。ノズル５６は、普通は、直径が５０ミクロン以下の水滴を噴霧するようにされている。ノズル５６は、当該技術分野において一般的に公知であり、パーカー  ハニフィン（Ｐａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎ）社から入手することができる。上述のように、このような小さな直径を備える噴霧液体は、しばしば、「霧化」されたと表現されており、多数の小さな直径の水滴を発生するシステムは、しばしば、霧化システムと呼ばれている。従来のシステム３０の目的は、入口から流入した空気を加湿することであり（図１を参照されたい）、空気がエンジンに進入する前に、空気を過飽和にすることなく冷却し、この結果、液体がブレードに接触してエンジンを損傷する前に液体が蒸発するようにするものである。
【００３１】
水平配管５４は、複数の液体供給管５８と連通しており、これらの液体供給管は、液体注入管４４（図１）と連通している。各々の管５８は、このシステムの１つのステージに対して液体を供給している。配管５４は、複数のステージを形成している。従来のノズル配列３０は、通常、５つのステージを有する。ＳＰＲＩＴＳシステムは、５つのステージを、即ち、各々が２０．６８ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）の圧力において作動する合計で約１４５６個のノズルを有することがすることができる。これらのステージは、特定の水平配管をマニホルドによって結合又は接続することによって形成されている。
【００３２】
ノズル５６は、定圧源によって液体を供給されている。従って、噴霧するノズル５６の割合は、現在の周囲の条件で空気を加湿するのに必要な、全システム流量の割合に正比例している。例えば、最大流量の半分の場合には、ノズル配列内のノズル５６の半分が起動され、又は液体を噴霧する。すべての液体は、入口を通って流れる空気のサブセットの中に注入することができる。従って、起動された注入配管又はステージの周りの空気が、しばしば、過飽和状態となる。ノズルの位置及びステージ配置のために、これらの加湿された飽和状態又は過飽和状態のエリアは、乾いたエリアと混合することができず、従って、液体をこの乾いたエリアに散布することになる。この結果、局所的な過飽和エリアが、液体の蒸発を伴うことなしに、エンジン内に進入し、これにより、エンジンを損傷させる。
【００３３】
従来のノズル配列３０の過飽和の問題が、図２Ｂに示されている。図２Ｂは、２つの異なるステージ配置６２、６４の、単純化された側面図を示している。ステージ配置６２、６４は、各々、５つのノズル５６ａ〜５６ｅを備えている。配置６２においては、ノズル５６ａ、５６ｂ、５６ｄ、５６ｅが起動されており、即ち、液体７２を空気４０ａ中に噴霧している。ノズル５６ｃは停止されている。隣接するノズル５６ａ、５６ｂ、及び５６ｄ、５６ｅは、同時に、即ち、配置６２が起動されたときに起動される。この結果、５６ａ、５６ｂ、及び５６ｄ、５６ｅの直ぐ下流で、過飽和状態となる。ノズル５６ｂ及び５６ｄからの噴霧７２の一部は、ノズル５６ｃの直ぐ下流で、「乾燥」空気４０ａと混合する。しかしながら、隣接するノズル５６ａ、５６ｂ、５６ｄ、５６ｅは、同時に噴霧しており、ほとんど空気の動きがないため、例えば、ノズル５６ａからの飽和状態の又は加湿された空気は、５６ｂからの飽和状態の又は加湿された空気と混合しようとする。同様に、ノズル５６ｅからの噴霧７２は、５６ｄの直ぐ下流で、飽和状態の又は加湿された空気４０ａと混合しようとする。この結果、５６ａ、５６ｂ、及び５６ｄ、５６ｅの直ぐ下流で、局所的な過飽和となる。換言すれば、起動されたノズルの直ぐ下流の飽和状態の又は加湿された空気は、乾燥した空気と容易に混合することができない。
【００３４】
局所的な過飽和の問題は、配置６４にも示されている。ここでは、ノズル５６ａ及び５６ｃの直ぐ下流の噴霧７２は、ノズル５６ｂの直ぐ下流の乾燥した空気４０ａと混合することができる。しかしながら、上述の理由により、隣接する起動されたノズル５６ｃ〜５６ｅによって局所的な過飽和のエリアが発生する。
【００３５】
従来のノズル配列の、上述の問題の一部は、ダクトの全断面積にわたって、気流全体の加湿をバランスさせようとするからである。空気がダクト内を通って流れると、ダクト内の空気は、ダクトの全断面積をカバーする。従来のノズル配列は、単純な包括的なステージ配置計画により、ダクトの全断面積にわたって空気を加湿しようとしている。換言すれば、従来のノズル配列は、空気を加湿するために、空気の流れ断面全体に広がる複数のステージを使用している。一方、本発明のノズル配列は、全断面配列を、複数のサブ区画に分割している。本発明のノズル配列は、一度に空気の流れ全体を飽和又は加湿しようとするのではなく、空気の流れのサブ区画の各々を個別に、等しく加湿して、水流供給断面と水流供給レンジ全体を等しく加湿するように設計されている。空気の各々のサブセクション内の水のレベルは、乾燥していてもよく、又は、飽和状態にあってもよい。
【００３６】
図３は、本発明による空気を冷却する装置又はシステムの一実施形態１００を示す。装置１００は、一般に、ノズル配列の形態を有する。ノズル配列の各々のノズルは、通常は水である液体の小滴をガスタービンコンプレッサ（図１）の入口に向かって噴霧するように構成されている。換言すれば、この装置は、霧化システムとすることができる。特に、ノズルは、当該技術分野において一般に知られている（例えば、Ｐａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎ社から入手可能な）上述のものであってよい。従来のノズル配列とは異なり、本ノズル配列のノズルは、約１３．７９ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）未満において作動することができる。この圧力でノズルを稼動させた場合には、水滴のサイズ分布を、約２０．６８ＭＰａ（３０００ｐｓｉ）で稼動するノズルに対してほとんど悪化させず、システムに対して発生させる応力が少ないことが判っている。
【００３７】
図３は、消音装置２８の下流で消音装置に結合された噴霧装置を示す。消音装置の要素は、しばしば、垂直ノズル配列の平面に対して垂直の方向に、流れによる混合の大部分を発生させるので、噴霧装置は、消音装置に隣接して消音装置の下流に配置することができる。噴霧装置は、ダクトの長さに沿ってどこにでも配置することができ、消音装置に結合させなくてもよい。
【００３８】
複数のノズルセット又はステージ１０４〜１１２ｂ（図４Ａ〜図４Ｃ）が、垂直方向に沿って延びている。垂直とは、ノズルステージが、水平な地面の平面に対して垂直であることを意味する。しかし、ノズルステージは、水平に、即ち、地面の平面に対して平行に、又は対角線状に、又は、地面の平面に関して任意の角度を有するように、延びることもできる。更に、ノズルステージは、複数のユニット１０２に纏めることもでき、これらユニットは、後述するように、サブユニット１０２ａ、１０２ｂに分割される。
【００３９】
ノズル配列１００は、複数のステージから構成され、これらのステージは、複数の液体供給管２００と連通しており、これらの液体供給管は、液体注入管４４（図１）と連通している。各々のステージは、液体を空気に供給するための少なくとも複数のノズルから構成される。各々のステージ内において、ノズルは、１つのステージ配置で形成されており、ステージ配置とは、液体分配管に沿ったノズルの配置を意味する。又、各々のステージは、少なくとも１つの液体分配管（図４Ａ〜図４Ｃ）を有することができる。各々の液体分配管は、複数のノズル及び液体注入管と連通している。その他の実施形態においては、各々のステージは、液体分配管を備えなくてもよい。この場合には、ステージ内において、各々のノズルに液体を別個に供給することができる。各々のステージは、変化する容積量の液体を単位時間当たりに噴霧するように構成されている。
【００４０】
液体分配管は、液体供給管２００から延びている。液体供給管２００は、ノズル配列１００の最上部に沿って水平方向に延びることができる。但し、液体供給管２００は、垂直に、水平に、又は対角線状に延びることもできる。更に、液体供給管２００は、液体分配管の上部に存在することも可能であり、或いは、底部に沿って延びることもできる。各々のステージは、独立的に作動することができる。この結果、液体を１つ又はいくつかのステージから噴霧し、その他のものからは噴霧しないようにすることも可能であり、すべてのステージから噴霧することも可能であり、或いは、いずれのステージからも噴霧しないようにすることもできる。
【００４１】
図３に示されている実施形態においては、ステージは、水平方向に沿って延びる一連のものとして垂直に配列されている。換言すれば、垂直に延びるステージが水平方向に沿って整列されている。その他の実施形態においては、ノズルのステージは、水平であってよく、従って、地面の平面に対して平行であってよい。
【００４２】
各々の液体分配管は、少なくとも１つの支持カラム１１４に結合することができる。支持カラム１１４は、ノズルとこれらが含まれる液体分配管の支持を提供する任意の構造であってよい。支持カラム１１４は、直径が１００ミリメートル（４インチ）の中空配管であってよい。但し、支持カラム１１４は、矩形、三角形、楕円形などの断面を有することができ、中空でなくてもよい。図３に示されている実施形態においては、ステージが垂直に延びているために、支持カラム１１４も垂直に延びている。ステージが対角線状又は水平などに延びる場合には、支持カラム１１４も、その他の方向において延びることができる。例えば、ステージが水平に延びている場合には、支持カラムも水平に延びることができる。垂直に延びる支持カラム１１４は、水平方向に沿って一連のものとして配列することができ、消音装置２８の要素の最上部の近傍に向かって垂直方向に延びることができる。支持カラム１１４は、水平方向において互いに等距離に離隔していることが好ましい。
【００４３】
図４Ａ〜図４Ｃに示されており、以下に詳述するように、各々の支持カラム１１４上におけるステージのこの特定の構成は、ノズル配列１００を構成する複数の反復する同一のユニット１０２のサブユニット１０２ａ、１０２ｂを備える。特に、異なるステージを有する２つの支持カラム１１４ａ、１１４ｂは、各々、ノズル配列１００の１つのユニット１０２を備えることができる。図３に示されているように、これらの２つの支持カラム１１４ａ、１１４ｂは、１つに結合することができる。各々のユニット１０２は、消音装置２８に結合することができる。その他の実施形態においては、支持カラム１１４は、消音装置２８に結合しなくてもよく、スタンドアロンであってもよい。更に、ステージ１０４〜１１２ｂ、又は液体分配管は、支持カラム１１４に結合しなくてもよく、スタンドアロンであってもよく、或いは、別の構造に結合することもできる。
【００４４】
図４Ａ〜図４Ｃは、図３に示されているノズル配列の１つのユニット１０２を示す。ユニット１０２は、２つのサブユニット１０２ａ、１０２ｂから構成されている。支持カラム１１４ａ、１１４ｂは、第１クロスバー１１６によって接続されている。各々のサブユニット１０２ａ、１０２ｂは、３つのステージから構成されており、各々のユニット１０２は、合計で５つのステージから構成されている。図４Ａ〜図５に示されているように、２つのサブユニット１０２ａ、１０２ｂは、互いに等距離に離隔することができる。
【００４５】
サブユニット１０２ａは、第１ステージ１０４を有する。図４Ｂに示されているように、第１ステージ１０４は、２つの第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂを有することができる。図４Ｂに示されている実施形態においては、２つの第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂは、垂直方向に沿って延びている。２つの第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂは、第１支持カラム１１４ａに装着されている。２つの第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂは、第１支持カラム１１４ａの背面側の左側及び右側を、下方に向かって互いに平行に延びている。但し、第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂは、別のところに装着することも可能であり、スタンドアロンであってもよいことを理解されたい。更に、１つの液体分配管のみを第１ステージ内において使用することもすることができる。図４Ａに示されているように、第１液体供給管２０４は、第２クロスバー１１８を介して第１支持カラム１１４ａに結合されている。２つの第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂの各々のものは、第１液体供給管２０４と連通しており、この第１液体供給管は、水平方向に延びることができ、第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂに対して垂直であってよい。
【００４６】
第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂの長さに沿って存在するのは、複数の第１ノズル４０４である。これらの第１ノズルは、第１ステージ配置において配列されている。図４Ｂに示されているように、ノズル４０４は、第１の延長部分５０４を介して、液体分配管３０４ａ、３０４ｂから延びている。特に、ノズル４０４ａは、３０４ａに対応し、ノズル４０４ｂは、３０４ｂに対応している。図４Ｃに示されているように、第１の延長部分５０４には、液体の微細な霧滴又は霧を噴霧するように構成された少なくとも１つの第１噴霧ヘッド６０４ａ、６０４ｂが装着されている。第１の延長部分５０４は、ｘ−ｚ平面との関係において約４５度だけ傾斜することができる。第１噴霧ヘッド６０４ａ、６０４ｂは、第１の延長部分５０４から前方に延びることができ、液体分配管３０４ａ、３０４ｂに対して垂直である。
【００４７】
図４Ｂに示すように、第１ステージ１０４は、液体分配管３０４ａに沿って延びる１０個のノズル４０４ａと、液体分配管３０４ｂに沿って延びる１０個のノズル４０４ｂと、を含む２０個のノズル４０４を有することができる。ノズル４０４は、垂直方向において、約２５．４ミリメートル〜約２５４ミリメートル（約１インチ〜約１０インチ）だけ離隔することができる。更に多くの数の又は更に少ない数のノズル１０４を、第１液体分配管３０４ａ、３０４ｂのいずれかの上部に含むことができ、異なる離隔を使用することもできる。図４Ｂに示すように、いくつかのノズル４０４は、ｙ方向に関して整列されているが、いくつかのものはｙ方向に関して整列されていない。後述するように、各々のステージ内におけるノズル１０４の位置は、空気を過飽和させずに、ノズル配列を通過する空気を完全に加湿するように、最適化されている。又、ノズル４０４は、液体の均等な分布を与えるように構成されている。更に、図４Ｂに示すように、第１ノズル４０４は、架空の垂直線に沿って相互に整列されている。換言すれば、各々の第１ノズル４０４ａ、４０４ｂと、従って、各々の第１噴霧ヘッド６０４ａ、６０４ｂとは、垂直線が各々の第１噴霧ヘッド６０４ａ、６０４ｂを通ってｙ方向に沿って引かれた場合に、ｙ方向に沿って整列されている。
【００４８】
図４Ａ及び図４Ｃに示すように、サブユニット１０２ａ及び１０２ｂは、各々、第２ステージ１１２ａ、１１２ｂを有することができる。第２ステージ１１２ａは、サブユニット１０２ａの一部であり、第１支持カラム１１４ａに結合されている。第２ステージ１１２ｂは、サブユニット１０２ｂの一部であり、第２支持カラム１１４ｂに結合されている。第２液体供給管２１２は、第２クロスバー１１８に結合されており、この第２クロスバーは、第１クロスバー１１６に結合されている。第２液体分配管３１２ａは、第１支持カラム１１４ａの右側の前面に結合されており、第２液体供給管２１２と連通している。第２液体分配管３１２ｂは、第２支持カラム１１４ｂの右側の前面に結合されており、第２液体供給管２１２と連通している。尚、第２液体分配管３１２ａ、３１２ｂは、別のところに装着することもでき、スタンドアロンであってもよいことを理解されたい。第２液体供給管２１２は、水平に、第２液体分配管３１２ａ、３１２ｂに対して垂直に延びることができる。
【００４９】
複数の第２ノズル４１２ａ、４１２ｂは、第２液体分配管３１２ａ、３１２ｂの各々の長さに沿って配置されている。これらの第２ノズルは、第２ステージ配置において配列されている。図４Ｃに示されているように、第２ノズル４１２ａ、４１２ｂは、第２液体分配管３１２ａ、３１２ｂから延びる第２の延長部分５１２を有する。第２の延長部分５１２には、液体の微細な霧又は霧を噴霧するように構成された少なくとも１つの第２噴霧ヘッド６１２ａ、６１２ｂが装着されている。図４Ｃに示すように、第２の延長部分５１２は、約４５度だけｘ−ｚ平面内において傾斜することができる。第２噴霧ヘッド６１２ａ、６１２ｂは、第２の延長部分５１２から前方に延び、液体分配管に対して垂直である。
【００５０】
第２ステージ１１２ａは、７個のノズル４１２ａを有することができ、第２ステージ１１２ｂは、４個のノズル４１２ｂを有することができる。ノズル４１２ａは、約２５．４ミリメートル〜約１５２４ミリメートル（約１インチ〜約６０インチ）だけ垂直方向において離隔している。ノズル４１２ｂは、約２５．４ミリメートル〜約１５２４ミリメートル（約１インチ〜約６０インチ）だけ垂直方向において離隔している。更に多くの数の又は更に少ない数のノズルを含むこともでき、ノズルの間隔を変更することもできる。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第２ノズル４１２ａは、第１ノズル４０４ａ及び第４ノズル４０８との関係においてずれて配置されている。第２ノズル４１２ｂは、第３ノズル４１０及び第５ノズル４０６ａ、４０６ｂとの関係においてずれて配置されている。各々のステージ内におけるノズルの位置は、空気を飽和させずに、ノズル配列を通過する空気を加湿するように、最適化されている。更に、図４Ｂに示すように、第２ノズル４１２ａは、架空の垂直線に沿って互いに整列されている。第２ノズル４１２ｂは、架空の垂直線に沿って互いに整列されている。又、第２ノズル４１２ａは、架空の垂直線に沿って互いに整列されている。換言すれば、第２噴霧ヘッド６１２ａ及び６１２ｂの個々の組は、垂直線が各々の第２噴霧ヘッドを通してｙ方向に沿って引かれた場合に、ｙ方向に沿って整列されている。又、ノズル４１２ａ、４１２ｂは、液体の均等な分布を提供するように構成されている。
【００５１】
図４Ａ〜図４Ｃに示すように、サブユニット１０２ｂは、ノズルの第３ステージ１１０を有する。第３ステージ１１０は、垂直方向に延びる１つの第３液体分配管３１０を有する。第３液体分配管３１０は、前面の左側において、第２支持カラム１１４ｂに対して装着されることが好ましい。第３液体分配管３１０は、別のところに装着することも可能であり、スタンドアロンであってもよいことを理解されたい。更に、複数の液体分配管を使用することもできる。第２支持カラム１１４ｂには、第３液体供給管２１０が更に装着されている。第３液体分配管３１０は、１つの第３液体供給管２１０と連通しており、この第３液体供給管は、水平方向において延びることができ、第３液体分配管３１０に対して垂直であってよい。
【００５２】
複数のノズル４１０は、第３液体分配管３１０の長さに沿って配置されている。これらの第３ノズルは、第３ステージ配置において配列されている。図４Ｃに示すように、ノズル４１０は、第３液体分配管３１０から延びる第３の延長部分５１０を有する。第３の延長部分５１０には、少なくとも１つの第３噴霧ヘッド６１０が装着されており、この第３噴霧ヘッドは、液体の微細な霧又は霧を噴霧するように構成されている。第３の延長部分５１０は、ｘ−ｚ平面内において約４５度だけ傾斜することができる。第３噴霧ヘッド６１０は、第３の延長部分５１０から前方に延びており、液体分配管３１０に対して垂直である。図４Ｃに示すように、第３の延長部分５１０は、第５の延長部分５０６に対して平行に延びることができ、第３噴霧ヘッド６１０は、第５噴霧ヘッド６０６ｂに対して平行であってよい。第３の延長部分５１０は、第５の延長部分５０６の内側に存在することができる。
【００５３】
第３ステージ１１０は、３個のノズル４１０を有することができる。しかし、更に多くの数の又は更に少ない数のノズルを含むこともできる。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第３ノズル４１０は、第５ノズル４０６ａ、４０６ｂとの関係においてずれて配置されている。各々のステージ内におけるノズルの位置は、空気を飽和させずに、ノズル配列を通過する空気を加湿するように、最適化されている。又、ノズル４１０は、液体の均等な分布を与えるように構成されている。更に、図４Ｂに示すように、第３ノズルは、架空の垂直線に沿って互いに整列されている。換言すれば、各々の第３ノズルと、従って、各々の第３噴霧ヘッドは、垂直線が各々の第３噴霧ヘッドを通ってｙ方向に沿って引かれた場合に、ｙ方向に沿って整列されている。
【００５４】
又、サブユニット１０２ａは、第４ステージ１０８を備える。第４ステージ１０８は、垂直方向に延びる１つの第４液体分配管３０８を有する。図４Ａに示すように、第４液体分配管３０８は、前面の左側において、第１支持カラム１１４ａに対して装着されることが好ましい。第４液体分配管３０８は、別のところに装着することもでき、スタンドアロンであってもよいことを理解されたい。更に、更に多くの液体分配管を使用することもできる。第１支持カラム１１４ａには、第１クロスバー１１６及び第２クロスバー１１８を介して、第４液体供給管２０８が更に装着されている。第４液体分配管３０８は、１つの第４液体供給管２０８と連通しており、この第４液体供給管は、水平方向において延びることができ、第４液体分配管３０８に対して垂直であることが好ましい。
【００５５】
複数の第４ノズル４０８は、第４液体分配管３０８の長さに沿って配置されている。これらの第４ノズルは、第４ステージ配置において配列されている。図４Ｃに示すように、第４ノズル４０８は、第４液体分配管３０８から延びる第４の延長部分５０８を有する。第４の延長部分５０８には、少なくとも１つの第４噴霧ヘッド６０８が装着されており、この第４噴霧ヘッドは、液体の微細な霧又は霧を噴霧するように構成されている。第４の延長部分５０８は、ｘ−ｚ平面との関係において約４５度だけ、前方に傾斜することができる。第４噴霧ヘッド６０８は、第４の延長部分５０８から前方に延びることができ、液体分配管３０８に対して垂直である。図４Ｃに示すように、第４の延長部分５０８及び第４噴霧ヘッド６０８は、第１の延長部分５０４の内側に配置されており、第１ノズル噴霧ヘッド６０４ｂは、これから等距離に離隔している。
【００５６】
第４ステージ１０８は、７個のノズル４０８を有することができる。但し、更に多くの数の又は更に少ない数のノズルを含むこともできる。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第４ステージ１０８のノズル４０８は、ノズル４０４及び４１２ａとの関係においてｙ方向においてずれて配置されている。各々のステージ内におけるノズルの位置は、空気を飽和させずに、ノズル配列を通過する空気を加湿するように、最適化されている。又、ノズル４０８は、液体の均等な分布を与えるように構成されている。更に、図４Ｂに示すように、第４ノズルは、架空の垂直線に沿って互いに整列されている。換言すれば、各々の第４ノズルと、従って、各々の第４噴霧ヘッドは、垂直線が各々の第４噴霧ヘッドを通ってｙ方向に沿って引かれた場合に、ｙ方向に沿って整列されている。
【００５７】
又、サブユニット１０２ｂは、第５ステージ１０６を有することができる。図４Ｂに示すように、第５ステージ１０６は、垂直方向において延びる２つの第５液体分配管３０６ａ、３０６ｂを有する。２つの液体分配管３０６ａ、３０６ｂは、第２支持カラム１１４ｂに対して装着されている。２つの第５液体分配管３０６ａ、３０６ｂは、第２支持カラム１１４ｂの背面の左側及び右側に沿って互いに平行に延びている。第５液体分配管３０６ａ、３０６ｂは、別のところに装着することもでき、スタンドアロンであってもよい。更に、１つの液体分配管を使用することもすることができる。第２支持カラム１１４ｂには、第１クロスバー１１６及び第２クロスバー１１８を介して、第５液体供給管２０６が更に装着されている。２つの第５液体分配管３０６ａ、３０６ｂの各々は、１つの第５液体供給管２０６と連通しており、この第５液体供給管は、水平方向において延びることができ、第５液体分配管３０６ａ、３０６ｂに対して垂直であることが好ましい。
【００５８】
複数のノズル４０６ａ、４０６ｂは、第５液体分配管３０６ａ、３０６ｂの長さに沿って配置されている。これらの第５ノズルは、第５ステージ配置において配列されている。図４Ｃに示すように、ノズル４０６ａ、４０６ｂは、第５の延長部分５０６を介して液体分配管３０６ａ、３０６ｂから延びている。第５の延長部分５０６の各々のものには、少なくとも１つの第５噴霧ヘッド６０６ａ、ｌ６０６ｂが装着されており、この第５噴霧ヘッドは、液体の微細な霧又は霧を噴霧するように構成されている。図４Ｃに示すように、第５の延長部分５０６は、ｘ−ｚ平面との関係において約４５度だけ、傾斜することができる。第５噴霧ヘッド６０６ａ、６０６ｂは、第５の延長部分５０６から前方に延びており、液体分配管３０６ａ、３０６ｂに対して垂直である。
【００５９】
第５ステージ１０６は、液体分配管３０６ａに沿って延びる１５つのノズル４０６ａと、液体分配管３０６ｂに沿って延びる１５つのノズル４０６ｂと、を含む３０個のノズルを有することができる。ノズル４０６ａは、垂直方向において約２５．４ミリメートル〜約１５２４ミリメートル（約１インチ〜約６０インチ）だけ離隔することができる。ノズル４０６ｂは、垂直方向において約２５．４ミリメートル〜約１５２４ミリメートル（約１インチ〜約６０インチ）だけ離隔することができる。更に多くの数の又は更に少ない数のノズルを第５液体分配管３０６ａ、３０６ｂのいずれかのものの上部に含むこともでき、ノズル４０６ａ、４０６ｂは、異なる方式によって離隔することもできる。図４Ｂに示すように、すべてのノズル４０６は、ｙ方向に沿って整列されている。各々のステージ内におけるノズル４０６の位置は、空気を飽和させずに、ノズル配列を通過する空気を加湿するように、最適化されている。又、ノズル４０６ａ、４０６ｂは、液体の均等な分布を与えるように構成されている。更に、図４Ｂに示すように、第５ノズルは、架空の垂直線に沿って互いに整列されている。換言すれば、各々の第５ノズルと、従って、各々の第５噴霧ヘッドは、垂直線が各々の第５噴霧ヘッドを通ってｙ方向において引かれた場合に、ｙ方向に沿って整列されている。
【００６０】
５つのノズルステージ１０４〜１１２ｂを有するサブユニット１０２ａ及び１０２ｂは、１つのユニット１０２を構成する。図３に示すように、ノズル配列１００は、複数の離隔したユニットから構成されている。これらのユニットは、例えば、垂直に、水平に、対角線状になど、任意の方向において互いに等距離に離隔することができる。これらのユニットが離隔する方向は、サブユニットがどの方向を向いているかに依存する。ノズル配列１００は、１３個のユニットを含むことができ、これは、合計で２６個のサブユニットである。更に多くの数の又は更に少ない数のサブユニット及びユニットを含むこともできる。更に、サブユニット１０２ａ及び１２ｂと第１支持カラム１１４ａ及び第２支持カラム１１４ｂは、互いに等距離に離隔することができる。特に、第１支持カラム１１４ａは、第２支持カラム１１４ｂから約２５．４ミリメートル〜約１０１６ミリメートル（約１インチ〜約４０インチ）のところに存在することができる。ユニットは、約２５．４ミリメートル〜約１０１６ミリメートル（約１インチ〜約４０インチ）だけ離隔している。ノズルステージ１０４〜１１２ｂは、第１支持カラム１１４ａ及び第２支持カラム１１４ｂに対して装着されるものとして示されているが、ノズルステージ１０４〜１１２ｂは、その他の構造に対して装着することもでき、スタントアロンであってもよい。
【００６１】
図５は、図３に示すノズル配列１００の一部分１００’を示している。特に、この図は、１４個のサブユニット１０２ａ、１０２ｂ及び７個のユニット１０２を示している。１つのユニットにのみラベルが付与されているが、残りのユニットも同様に表記することができることを理解されたい。上述のように、このノズル配列は、ダクトの内部の断面領域全体を満たすことができる。図５に示されているノズル配列の一部分１００’においては、断面領域が参照符号２５によって表わされている。図５は、各々のサブユニット１０２を離隔させて、断面領域２５の少なくとも１つのサブセクションを設け、又は形成することができることを示している。図５に説明するように、ユニット１０２を構成する２つのサブユニット１０２ａ、１０２ｂが存在する場合には、これらのユニットを離隔させることにより、断面全体の別のサブセクションを設け、又は形成することができる。図５に示す説明では、ユニット１０２は、垂直に延び、水平方向に離隔することにより、第１サブユニットＡを形成している。サブユニット１０２ａ、１０２ｂは、垂直に延び、水平方向に離隔することにより、第２サブユニットＢを形成している。尚、サブユニット及びユニットは、任意の方向において延びることができることを理解されたい。例えば、サブユニット及びユニットは、水平に延びることもでき、垂直方向に沿って離隔することもでき、従って、水平のサブセクションを形成することができる。
【００６２】
図５は、互いに等距離に離隔するサブユニット１０２ａ、１０２ｂ及び互いに等距離に離隔するユニット１０２を示している。従って、各サブセクションは、同一の面積を備える。換言すれば、すべてのＢサブセクションが、同一の面積を有し、すべてのＡサブセクションが、同一の面積を備える。その他の実施形態においては、サブユニット及びユニットの間の間隔を変化させることにより、異なる面積を備えるサブセクションを設けることができる。図３に示されている実施形態においては、合計で２６個のサブユニット１０２ａ、１０２ｂ及び１３個のユニット１０２が存在している。従って、空気４０ａ（図１）が通過するための２６個の垂直隙間すなわちサブセクションＡ、Ｂが存在しており、これらの隙間の中の１３個のものが第１隙間Ａであり、１３個のものが第２隙間Ｂである。その他の実施形態においては、ノズル配列により、更に多くの数の又は更に少ない数の隙間又はサブセクションを設けることができる。
【００６３】
図５においては、液体を各々のサブセクションＡ及びＢに供給するように、少なくとも４個のノズルステージが構成されている。特に、第１ノズル４０４ｂ、第４ノズル４０８、第２ノズル４１２ｂ、及び第５ノズル４０６ａが、液体をサブセクションＢに対して供給するように配置されている。第１ノズル４０４ａ、第２ノズル４１２ａ、第３ノズル４１０、及び第５ノズル４０６ｂは、液体をサブセクションＡに対して供給するように配置されている。いくつかの実施形態においては、ダクトの壁を飽和又は損傷させないように、これらの壁に隣接するサブセクションに対して噴霧をしない場合があることに留意されたい。
【００６４】
図１に示されており、上述のように、周囲の空気４０ａは、ダクトの入口に進入し、ダクトの断面積２５を通過する。この結果、本発明のノズル配列１００の場合には、空気は、サブセクションＡ及びＢを通過する。このノズルセットは、断面積の複数のサブセクションに隣接して複数のステージを配置しているため、各々のサブセクションを通って流れる空気を加湿し、飽和させるか又はほぼ飽和させるのに必要な量の液体を供給するように構成されている。特に、第１ノズル４０４ｂ、第２ノズル４１２ｂ、第４ノズル４０８、及び第５ノズル４０６ａは、サブセクションＢを通って流れる空気を加湿するのに必要とな量の液体を供給する能力を有する。第１ノズル４０４ａ、第２ノズル４１２ａ、第３ノズル１０、及び第４ノズル４０６ｂは、サブセクションＡを通って流れる空気を加湿するのに必要な量の液体を供給する能力を有する。サブセクションＡ及びＢを通過する空気は、等しく加湿されることが好ましく、換言すれば、これらの空気は、略同一の湿度レベルを有する。この観点において、各々のサブセクションに提供される液体の量は、その特定のサブセクションが占める断面積に比例することができる。各々のサブセクションは、水対空気のバルク比、即ち、断面領域全体を通る空気の流れ全体の水対空気の比、に等しい水対空気の比を有する。更に、各々のサブセットは、任意の時点において同一の量の水を受けとる。空気が各々のサブセクションを通過すると、空気は、ノズルステージのノズルの中のどれかから噴霧された、冷たい液体によって加湿される。加湿された空気は、ノズル配列を通過する前の自身の温度よりも低い温度を有する。低い温度の空気は、高い密度を有し、高い密度の空気は、エンジンに対して、より有効に空気を供給することができる。
【００６５】
上述のように、ステージは、一緒になって、任意の量の液体の噴霧において、サブセクションを通って流れる空気を等しく加湿するのに必要な量の液体を供給する能力を、有する。又、ステージは、同一量の液体を各々のサブセクションに供給するように構成されており、サブセクションにわたって均等な水の分布を提供するように構成されている。例えば、第１の周囲の温度及び第１の周囲の湿度レベルでは、第１ノズルのみが作動することができる。ここでは、第１ノズル４０４ｂのみが液体をサブセクションＢに供給し、第１ノズル４０４ａのみが液体をサブセクションＡに供給する。第１の所定の温度よりも高い第２の所定の温度では、第１の湿度レベルよりも第２の湿度レベルのほうが低い可能性があり、第２ノズルの中の少なくとも１つを起動する可能性がある。この後、温度が上昇し、特に、温度が所定のレベルに到達すると、第３、第４、及び第５ノズルステージが起動される。ノズル配列を通って流れる空気の少なくとも温度及び湿度に応じて、様々な組合せにおいて、様々なノズルステージのノズルが起動及び停止されることになる。特定のノズルステージ内のすべてのノズルが同時に噴霧し、各々のノズルステージが独立に制御できることが好ましい。例えば、加圧された水が第１ステージのすべてのノズルからのみ噴霧されるように、第１ノズルステージを起動することができる。次に、第２ノズルステージのノズルを起動することができる。第１ステージは、システムが作動している間のほとんど全時間、起動されることになると予想される。
【００６６】
特定の実施形態においては、ノズル配列は、５つのステージをすべて備えなくてもよい。例えば、ノズル配列が、一定の温度又は湿度レベルを有するエリアにおいて使用される場合には、ノズル配列は、第１ステージのみを備えることができる。或いは、ノズル配列は、サブセクションを形成する第１ステージ及び第２ステージのみを有することもすることができる。重要な点は、全断面が複数の更に小さなサブセクションに分割されており、各々のサブセクションが同一量の液体を受けとり、ノズルは、液体噴霧の量又は流量レンジにおいて、各々のサブセクションを通って流れる空気を等しく加湿し、各々のサブセクション内において空気を飽和させることが可能であり、液体の均一な分布を与えるように、構成されているという点である。流量レンジ又は作動レンジとは、加湿対象の空気の状態の範囲である。例えば、これは、約２９４．２６°Ｋ（約７０°Ｆ）及び約６０％の相対湿度〜約３２２．０４°Ｋ（約１２０°Ｆ）及び約１０％の相対湿度である可能性がある。
【００６７】
各々のサブセクションが同程度まで加湿されることにより、入口空気の容積全体が均一に加湿される。断面積全体を複数のサブユニットに分割し、液体を各々のサブユニットに供給することにより、本ノズル配列は、ダクトの全断面積を一度に加湿するように設計された従来のノズル配列よりも、入口空気を均一に加湿する。更に、これらのノズルは、水をできる限り均等に、最適に分配するように配列されている。最大流量においては、即ち、５つのステージのすべてが起動された場合には、空気隙間Ａ及びＢのどちらかの側にずれて配置された状態で、ノズルが、１０１．６ミリメートル（４インチ）ごとに１つ、存在する。この結果、このノズル配列は、水平及び垂直方向において空気隙間のすべてのエリアをカバーすることができる。この結果、局所的な過飽和が全く存在しないか又は最小限の量しか存在せず、従って、空気及び水の混合が非常に向上する。
【００６８】
又、従来のノズル配列は、全断面積を複数のサブユニットに分割し、次に、必要な液体を各々のサブユニットに対して供給するようには、構成されていない。従って、この結果、局所的な過飽和のエリアが生じる。一方、本設計は、ノズル配列の近傍における液体噴霧と乾燥空気の最適な混合を与え、これは、従来のノズル配列には見られないものである。この混合は、乾燥空気対水の平均バルク比を局所的に与えるので、最適である。換言すれば、局所的な過飽和のエリア及び局所的な乾燥空気のエリアが、全く存在しないか、或いは、ほとんど存在しない。同一の非飽和状態の水の流量において、従来システムと比べて、更に空気温度を低下させることができる。更に、この混合は、更に下流においてではなく、ノズル配列の近傍において生じる。この結果、コンプレッサに接近又は進入する前に蒸発する、更に多くの時間が、噴霧に対して付与される。本設計は、ノズルを拡張配置しており、これらのノズルは、任意の時点において、従来のノズル配列よりも、ダクトの内部エリアにわたって、より均一に噴霧する。従って、これらのノズルは、水の蒸発を最大にするように配置されている。
【００６９】
更に、このノズルのセットアップは、加湿の少ないエリア又は乾いたエリアに隣接して、より大きな加湿のエリア、又は飽和のエリアを、配置することができる。いくつかの実施形態においては、いくつかのサブセクション又は空気隙間を、他の実施形態よりも大きくすることができ、少ない液体を受けとるようにすることもできる。液体が豊富な大きな隙間を、小さな隙間に隣接できる。加湿の低いエリアと高いエリアとの繰り返し、又は加湿がリッチなエリアとリーンなエリアとの繰り返しは、空気と水の均一な混合を与えることができる。換言すれば、本設計によれば、最も乾燥する可能性のある空気を噴霧が探す困難さを、最小にする。これは、全断面積を分割するシステムによって実現され、従って、この構成は、従来のノズル配列によっては実現不可能である。従来のエリアは、飽和又は過飽和の、多数の連続したエリアを有することが多い。飽和又は過飽和状態の空気は、非飽和状態の又は乾燥した空気から離れているため、乾燥空気と飽和又は過飽和状態の空気が混合する可能性は小さく、特に、混合が最も有益な、ノズル配列の近傍での混合の可能性は小さい。特定のエリア内において空気を過飽和にし、空気のその他のエリアは乾燥状態のままであるという傾向を、従来システムが有する理由の１つが、これである。
【００７０】
空気隙間の全エリアをカバーするように構成されているのに加えて、本設計は、ダクト入口における空気の動きを活用して、ノズル配列の下流における混合効率を最大にしている。従って、本設計は、消音装置の近傍において発生される流れのパターンを効果的に使用しており、この結果、空気の流れが均質化される。この観点において、ノズルステージは、消音装置要素と同一の方向に沿って延びている。図示の実施形態においては、これは、垂直方向に沿っている。
【００７１】
上述のように、１つのポンプ４８（図１）が、液体を、第１液体供給管２０４、第２液体供給管２１２、第３液体供給管２１０、及び第４液体供給管２０８に供給することができる。第２ポンプ（図示せず）は、液体を、第５液体供給管２０６にのみ供給することができる。図１に示し、上述したように、圧送された液体は、注入管すなわち液体供給管４４を通過する。そして、液体は、液体供給管２００に、次に、液体供給管３００に送られる。ノズルを選択的に開くことにより、霧化された水滴を噴霧することができる。
【００７２】
例えば、第１ステージ〜第４ステージなどの同一のポンプを共有するノズルステージを起動するために、まず、これらのノズルステージを、液体によって予備充填することができる。これは、ステージの切換後にシステムが安定するのに要する時間を、最小にするためである。予備充填操作は、次のように実施することができる。作動ステージの変更が必要であること、即ち、ステージを起動又は停止する必要があることを、制御システムが判定する。一実施形態においては、第５ステージが起動される場合以外のすべてのステージ作動において、１つのステージを開き、別のステージを閉じる。コントローラは、起動対象のステージの予備充填弁を開く。約１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）未満で運転する低圧ポンプが作動し、起動対象のステージを充填する。予備充填が所定の圧力に到達した場合には、弁を閉じ、ポンプを停止する。この新しいステージの主ステージ弁を開く。主ステージ弁が開いたら、停止対象のステージのステージ弁を閉じる。一実施形態においては、ポンプの背圧が過大にならないように、以前のステージを閉じる前に、次のステージを必ず開く。
【００７３】
噴霧システムが作動する周囲の条件は、しばしば、ノズルに供給される水量の大きな変化を必要とし、通常、最小から最大までの範囲が２．４倍である。各々のステージは、任意の時点において発生される最小流量の１．３〜１．４倍のレンジを有する。上述のように、本ノズル配列は、可変速度ポンプによって駆動することができる。ノズル配列は、乾燥状態の場合には、約４倍の流量レンジを必要とする可能性がある（これは、１．３を５乗することによって算出される（５ステージに対し、１．３5））。切り換えは、カバーされる周囲の条件の範囲によって駆動される。平均的なシステムの場合には、２．４倍のレンジで十分であり、従って、これらのシステムが必要とするのは、わずかに４つのステージである。上述のように、従来のシステムは、固定圧力の再循環ポンプを使用する場合の欠点を有する。本設計に使用されるＶＦＤポンプは、これらの問題を軽減するか又はこれらの問題を無くす。ＶＦＤポンプは、４ステージノズル配列が必要とする２．４倍の同一流量レンジを与えるので、これらのＶＦＤポンプは、４ステージ設計に適している。従って、本設計は、１つの共通ポンプから、第１〜第４ステージという４つのステージに対して給水している。第５ステージは、この単一のステージに対して給水する単一のポンプを使用することができる。従来システムとは異なり、このポンプは、ＶＦＤ制御可能であり、可変の流量を供給する。
【００７４】
図６は、従来のノズル配列及び本発明のノズル配列の飽和の割合（ｆｒａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）対流量比（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ  ｆｌｏｗ）のグラフを示す。流量比とは、流量を設計流量で割ったものであり、設計流量は１である。換言すれば、流量比とは、所定の時点において実際に流れているノズル配列内のすべての送水管の割合である。フル流量状態においては、流量比は、１に等しい。流量比２とは、配管の約半分を水が流れているものであり、流量比約０．２５とは、約４本の配管を水が流れているものである。
【００７５】
図６のデータは、計算によって得られたものである。各々の隙間ごとに、ノズル配列内の全供給管のどれだけの割合が実際に流れているのかを判定した。本発明との関係においては、２つの空気隙間、即ち、隙間Ａ及びＢ（図５）を調べた。１つの隙間対もう１つの隙間について、流れているノズルの数を判定した。これにより、過飽和の理論比率を判定した。換言すれば、この試験においては、サブセクションＡ内の水量をサブセクションＢ内の水量と比較した。本発明に伴って発生することができるわずかな過飽和は、散発的なものであって、ステージ３は、１つのサブユニット上にのみ位置し、ステージ４は、もう１つのサブユニット上にのみ位置するため、ステージ３又は４が起動された際にのみ発生する。例えば、約０．３においては、ステージ４が起動されるので、わずかな量の過飽和が存在する。
【００７６】
又、図６は、注水器の周りの空気流れの中の過飽和レベルをも示しており、これは、従来のノズル配列の場合には、各々の側部において次の配管に至る途中のものとして、本設計の場合には、空気隙間当たりのものとして定義される。これは、注入後の混合が始まる位置である。図６は、分布の不完全さのレベルを示し、換言すれば、過飽和エリア及び過乾燥エリアのレベルが、本ノズル配列の場合には、従来のノズル配列よりも非常に小さいことを示している。更に、水の「リッチ」な隙間と乾燥した隙間が隣接している。流れが階層化されており、わずかに過飽和状態のものに、わずかに乾燥したものが後続し、これに、わずかに過飽和状態のものが後続し、以下同様である。これは、従来のシステムにはないものである。例えば、約０．２３においては、従来のシステムの場合には、約３．７の空気隙間が過飽和状態となるが、本設計によれば、飽和状態となるのは、わずかに約１つである。図６はまた、繰り返される不完全な分布が、構造物によって発生する渦と同一の面内にあり、従来の設計における垂直方向の層構造に比べて、低減することができる可能性が大きいことを示している。
【００７７】
以上、本発明を、その実施形態に関して記載し、説明したが、当業者であれば、以上の内容から、本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに、これらの実施形態において、また、これらの実施形態に対して、様々なその他の変更、省略、及び追加を実施することが可能であることを、理解するであろう。
【符号の説明】
【００７８】
１０    システム
１２    ダクト
１４    上部壁
１６    下部壁
１８    曲がり部
２０    入口セクション
２８    消音装置
３４    コンプレッサ
３６    ブレード
３８    燃焼器
４４    液体注入管
４６    弁
４８    ポンプ
１００    ノズル配列
１１４    支持カラム
２００    液体供給管
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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