(57)【要約】【課題】ガスタービンの吸気通路内の騒音発生を防止するための構造的に簡単な代替的消音装置を提供する。【解決手段】本発明はガスタービン１〜３の吸気流れ内で発生する騒音を低減するための消音装置２５ａに関する。本発明に従い、消音装置２５ａは水および／または蒸気を吸気流１０，２７に供給するための手段３１，３２，３３，３４を備えている。この手段は特にベンチュリ管３１の形に形成されている。水２９は特に飽和限界の上方で、最も狭い個所に配置されたノズル３３を経て空気流２７に供給される。これにより、消音作用がガスタービンの出力増大または一般的な調整のための水の供給と組合せられる。これは比較的に簡単な構造で行われる。【選択図】図２ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１〜３）の吸気流（１０，２７）内で発生する騒音を低減するための消音装置（２５ａ）において、消音装置（２５ａ）が水および／または蒸気を吸気流（１０，２７）に供給するための手段（３１，３２，３３，３４）を備えていることを特徴とする消音装置（２５ａ）。
【請求項２】
消音装置（２５ａ）が吸気流（１０，２７）の流れ方向に対してほぼ平行に配置された複数の管状の要素（３１）として形成されていることを特徴とする、請求項１記載の消音装置（２５ａ）。
【請求項３】
要素（３１）の間の中空室が消音作用をするように形成されていることを特徴とする、請求項２記載の消音装置（２５ａ）。
【請求項４】
水および／または蒸気がノズル（３３）を経て吸気流に供給され、ノズル（３３）が管状の要素（３１）の内面に配置され、水が内室に噴射され、好ましくは要素（３１）あたり少なくとも２つのノズル（３３）が外周に分配配置されて設けられていることを特徴とする、請求項２または３記載の消音装置（２５ａ）。
【請求項５】
管状の要素（３１）がその長さに沿って変化する直径を有し、特に中央の範囲に縮小部を有し、特に要素（３１）が入口側と出口側にほぼ同じ直径を有し、かつ中央範囲に２０〜３０％だけ小さくなった直径を有するように、前記縮小部が形成されていることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一つに記載の消音装置（２５ａ）。
【請求項６】
ノズル（３３）が縮小部の範囲内に配置されていることを特徴とする、請求項４または５記載の消音装置（２５ａ）。
【請求項７】
少なくとも２つの支持用の壁（３４）が吸気流（１０，２７）の流れ方向に対してほぼ垂直に配置され、この壁の間に水（２９）が供給され、管状の要素（３１）が壁（３４）を通過するように壁に嵌め込まれていることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一つに記載の消音装置（２５ａ）。
【請求項８】
１０〜５０μｍの範囲の大きさの小滴を有する水がノズル（３３）から吸気流（１０，２７）に噴射され、噴射される水の量が特に飽和限界を超えるように定められていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の消音装置（２５ａ）。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の消音装置（２５ａ）を使用して、ガスタービン（１〜３）の出力を高めるかまたは調整する方法。
【請求項１０】
消音装置（２５ａ）が実質的に第１の圧縮機段（１）および／または第２の圧縮機段（２）のすぐ上流でおよび場合によっては他の消音装置（２５）の下流でおよび場合によっては他の水噴霧装置（２６）の下流または上流で、吸気流（１０，１１，２７）に水を噴霧することを特徴とする、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの吸気流内の騒音を低減するための消音装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン用の燃焼空気は一般的に吸気ダクトを経て吸い込まれ、圧縮機で圧縮され、続いて燃焼室に供給される。吸気流の高い流速はその際発生する乱流と共に、高周波の騒音を生じる。従って通常は、ガスタービンの吸気通路内には、フィルタだけなく、そのために構成された消音装置が配置される。この消音装置は発生する乱流を低減すると共に音を吸収することができる。一般的に、型式承認を得るためには、この音に関連して規定を満足しなければならない。
【０００３】
ガスタービン用のこのような消音装置の特別な構造を記載した文献は多数存在する。例えばＢＢＣ社の特許文献１には、圧縮機のすぐ上流の環状室に吸気が入るときの騒音を低減するための消音装置が記載されている。他の文献として、消音装置の他の特別な構造を記載している特許文献２と特許文献３と特許文献４が挙げられる。更に、吸気流が方向を変える範囲のための特別な構造は例えば特許文献５によって知られている。
【０００４】
今日使用される代表的な消音装置は実質的に、並べて平行に配置された多数の円筒状管区間からなっている。吸気がこの管区間を強制的に通過案内される。その際、乱流が防止または低減され、音が特にコーティングまたは発泡材によって吸収される。
【特許文献１】米国特許第４，２０４，５８６号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６６７，７６９号明細書
【特許文献３】米国特許第２，７４９，９９８号明細書
【特許文献４】米国特許第２，８６９，６７０号明細書
【特許文献５】米国特許第５，１４０，８１９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の根底をなす課題は、ガスタービンの吸気通路内の騒音発生を防止するための構造的に簡単な代替的消音装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、消音装置が水および／または蒸気を吸気流に供給するための手段を備えていることによって解決される。
【０００７】
本発明の要部は、技術水準では一般的であるように、消音装置を吸気ダクト内に配置したり、必要時に水および／または蒸気を吸気に供給するための別個の水噴霧装置を付加的に配置することではなく、水噴霧装置を消音装置に直接統合することにある。驚くべきことに、消音装置の範囲内の流れが水および／または蒸気を供給するために非常に適していることと、特に小滴の水を供給する際に、この供給が消音装置の要素によって促進または改善されることが判った。更に、水の噴霧によって、このような消音装置の消音作用が改善される。水噴霧装置はガスタービンの出力を高めるために使用される。というのは、水噴霧装置の使用によって、質量流量が増大し、温度が低下し、それによって、材料の量が同じであるときに、一層湿らせることができるからである。
【０００８】
その際、水は蒸気の形態で、すなわち空気湿潤形態であるいは小さな滴の形態で供給可能である。換言すると、水は飽和限界の上方でも供給可能である。“オーバー噴霧(over-fogging)”として知られているこの技術は一般的に、所定の大きさの液体小滴を、圧縮機に案内される空気流に供給することによって実施される（いわゆる“湿った圧縮(wet    compression)”）。この技術により、ガスタービンの出力を高めることができる。というのは、流入空気の圧縮のために必要な作業が低減されるからである。これは、流入空気流が圧縮機段を通過するときに、流入空気流の蒸発エネルギーが流入空気流を冷却することによって達成される。これは基本的には雨天の際の飛行機用タービンで常に起こる。
【０００９】
このいわゆる“湿った圧縮”をガスタービンに関連して記載した文献は多数存在する。例えば米国特許第５，９３０，９９０号明細書とその一部継続出願特許である米国特許第５，８６７，９７７号明細書がある。この両文献には、“湿った圧縮”を使用してガスタービンの出力を高めるための装置と方法が記載されている。ＷＯ００／５０７３９には、破壊的な“湿った圧縮”を監視するための特別な装置、すなわち、この方法の場合に発生するガスタービンのひずみを監視し、場合によっては水の供給を制御する装置が記載されている。これに関連して、他の文献である米国特許第６，２１６，４４３号明細書には、液体小滴を圧縮機の入口空気流に供給する装置が記載されている。この供給は圧縮機と消音装置（いわゆる“サイレンサ”）の下流側との間で行われる。その際、空気流に供給される滴は、１〜５０μｍの特別な大きさを有する。上記の米国特許第６，２１６，４４３号明細書の親出願である、同じ出願人の他の文献米国特許第６，３７８，２８４号明細書には、液体滴が圧縮機の手前で空気流に供給されるガスタービンが記載されている。この液体滴は少なくとも一部が圧縮機に入る前に蒸発し、それによって空気流を冷却し、続いて圧縮機内で空気流を更に冷却しながら完全に蒸発する。その際、液体の滴は空気スリット（ルーバ）を有する入口金属薄板の下流で空気流に供給される。一般的には、この金属薄板の後方に更に、空気フィルタまたは消音装置が配置されている。これらのすべての文献では、消音装置と水噴霧装置が別個のユニットとして吸気ダクト内に形成されている。
【００１０】
本発明の装置により、入口空気流内の他の消音装置の使用を完全に省くことができるかあるいはこのような消音装置を既存の消音装置と組み合わせ、それによって音の発生を更に低減することができる。本発明による装置は他の水噴霧装置を用いないで吸気ダクト内で使用されるかあるいは水噴霧装置を一体化したこのような消音装置を、他の“オーバー噴霧装置”と組み合わせることができる。驚くべきことに、構造的に簡単な変更で、他の消音装置および／または他の水噴霧装置を省略することができるかあるいは音の発生を更に低減することができる。このような消音装置は特に、既存のガスタービン装置の後付けに適している。
【００１１】
本発明による消音装置の第１の有利な実施の形態は、消音装置が吸気流の流れ方向に対してほぼ平行に配置された複数の管状の要素として形成されている。その際、要素の間の中空室が消音作用をするように形成されている。これは例えば吸収材料を備えた発泡材料によってあるいは特別なコーティングによって実現可能である。
【００１２】
他の有利な実施形では、水および／または蒸気がノズルを経て吸気流に供給され、ノズルが管状の要素の内面に配置され、水が内室に噴射され、好ましくは要素あたり少なくとも２つのノズルが外周に分配配置されて設けられている。ノズルを管の内面に配置することにより、消音装置と水噴霧装置の組合せの協働作用が最適に実現可能である。管の内部の流れ状態は水滴の供給のために特に適している。管状の要素がその長さに沿って変化する直径を有し、特に中央の範囲に縮小部を有し、特に要素が入口側と出口側にほぼ同じ直径を有し、かつ中央範囲に２０〜３０％だけ小さくなった直径を有するように、前記縮小部が形成されていると、水滴が一層良好に供給される。その際、換言すると、いわゆるベンチュリ管では、直径が縮小した範囲内で、流速が増大する。従って、この個所にノズルを設けると、空気流への水の分配が非常に良好となる。
【００１３】
本発明の消音装置の他の有利な実施形では、少なくとも２つの支持用の壁が吸気流の流れ方向に対してほぼ垂直に配置され、この壁の間に水が供給される。このような構造の場合、管状の要素は壁を通過するように壁に嵌め込まれている。
【００１４】
特に上記の“オーバー噴霧”にとって、１０〜５０μｍの範囲の大きさの小滴を有する水がノズルから吸気流に噴射され、噴射される水の量が特に飽和限界を超えるよう定められるように、ノズルが設計されていると有利である（いわゆるオーバー噴霧）。
【００１５】
本発明による消音装置の他の有利な実施形は従属請求項に記載されている。
【００１６】
本発明は更に、上記のような消音装置を使用して、ガスタービンの出力を高めるかまたは調整する方法に関する。その際特に、消音装置は実質的に第１の圧縮機段および／または第２の圧縮機段のすぐ上流でおよび場合によっては他の消音装置の下流でおよび場合によっては他の水噴霧装置の下流または上流で、吸気流に水を噴霧する。
【００１７】
本発明による方法の他の有利な実施形は従属請求項に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、実施の形態に基づいて本発明を図に関連して詳しく説明する。
【００１９】
図１は、本発明による消音装置を適用することができるガスタービン装置の概略図である。ガスタービン装置は吸気１０を第１の圧力段にもたらす第１の圧縮機段１と、部分的に圧縮された吸気流１１を最終圧力段に上昇させる第２の圧縮器段２を備えている。完全に圧縮された吸気１２は続いて燃焼室８に供給される。この燃焼室では燃料９が燃焼する。高温の燃焼ガス１３はガスタービン３に案内され、そこで膨張し、その際発生する膨張高温ガス１４はガスタービン３の後に接続配置された廃熱ボイラ１５内で冷却され、その下流で初めて煙突１６から大気に排出される。両圧縮機段１，２とガスタービン３は共通の軸６上に設けられ、この軸６は発電機５を駆動する。廃熱ボイラ１５において、供給水１７は場合によっては複数段のプロセスで加熱および蒸発し、そして発生した蒸気１８は蒸気タービン４内でエネルギーを更に回収するために膨張する。蒸気タービン４は別個の発電機に接続してもよいし、図１に示すように、共通の軸６上のクラッチ７を介して発電機５を駆動してもよい。
【００２０】
吸気ダクト内で発生する騒音を低減するために、吸気ダクト内には消音装置２５が配置されている。更に、出力を高めるために、小滴の形をした水２０が別個の水噴霧装置から吸気流１０に供給される。図１では、水が第１の圧縮機段１の手前において消音装置２５のすぐ下流で供給されるが、その代わりにまたはそれに付加して、部分的に圧縮された吸気１１の通路内に水を供給することができる。
【００２１】
図２ａは、技術水準による図１のガスタービンの吸気ダクトを概略的に示している。吸気１０は先ず最初にフィルター２３を通って案内される。場合によっては、フィルタの手前に、空気スリット（ルーバ）を有する壁または金属薄板を設けることができる。同様に、吸気１０のダクト内には消音装置２５が設けられている。この消音装置は空気吸込み時に発生する騒音を抑制する。水噴霧装置は一般的に、このような吸気ダクト内でいろいろな個所に取付けることができる。一方では、例えば冷却ユニット２４の形をした水噴霧装置を、フィルタ２３の下流にしかも消音装置２５の上流に配置することができる。その代わりにまたはそれに付加して、このような水噴霧装置を消音装置２５の下流に配置することができる。その際、このような水噴霧装置（水噴霧格子）は図２に示すような湾曲したダクトにおいていろいろな個所に配置することができる。このダクトでは、先ず最初に高い平面に吸気ダクト２２が設けられ、方向を変更した後で吸気コレクタ２１が設けられている。吸気ダクト２２内において参照符号２６ｃによって示すように消音装置２５のすぐ下流にあるいは参照符号２６ａによって示すように方向変更個所にあるいは参照符号２６ｂによって示すように圧縮機１／２の入口のすぐ手前に、水噴霧装置を配置することができる。
【００２２】
図２ｂはこのような吸気ダクト内で使用可能な本発明の消音装置２５ａを例示的に示している。既に述べたように、本発明による消音装置は、水または小滴を噴霧するための一体化された装置を備えている。それによって、吸気ダクト内の部品の数が少なくなり、ガスタービンの出力を高めるために、他の水噴霧装置を必要としない。
【００２３】
同時に水噴霧装置として作用する本発明による消音装置２５ａの実際の構造が図３に例示的に示してある。その際、吸気消音装置２５ａは図３においてベンチュリ管３１として形成された管状の要素を備えている。換言すると、要素３１は円筒状の要素ではなく、中央範囲が縮小した管である。その際、この縮小した範囲内の流速は、管の入口または出口よりもはるかに高い。個々のベンチュリ管３１は吸気の流れ方向に平行に並べて配置されている。個々のベンチュリ管３１は図３ｂに示すように円形横断面を有する。しかし、できるだけ密接した配置を可能にするために、個々の要素の横断面を多角形、例えば六角形に形成することもできる。それによって、蜜蜂の巣のような構造が実現される。この場合、中間室はできるだけ小さく形成される。図３ａから判るように、このような装置の支持構造体は少なくとも２つの壁３４によって形成されている。互いに平行にかつ空気流に対して垂直に配置された２つの壁３４の間で、水２９の供給を簡単に行うことができる。両壁３４は穴を有し、この穴内にベンチュリ管３１が嵌め込まれているかまたは溶接されている。吸気２７は個々の要素に入り、横断面の縮小によって、この縮小範囲内において流速が高められる。縮小範囲内において個々のノズル３３が外周に配置されている。供給された水２９がこのノズルから、高速で流れる空気流内に噴射される。図３ｂから判るように、例えば６つのノズルが外周に分配配置されている。その際、ノズルは、１〜５０μｍの範囲の大きさの小滴が形成されるように選定されている。この小滴形成は、最も狭い個所におけるベンチュリ管３１内の特別な流れによって更に促進される。これにより、消音装置２５ａの下流で湿った空気２８が流出する。個々のベンチュリ管３１の間の中間空間には、中空室３５が形成されている。この中空室は消音作用を更に促進するために、適当な材料が充填されている。そのためには例えば特別な発泡材が適している。消音作用は更に、慣用の種類の消音装置の構造の範囲から知られている適当なコーティングによって促進可能である。
【００２４】
図４は、本発明による消音装置で使用されるようなベンチュリ管３１の特別な構造の他の実施の形態を示している。上記の消音装置を形成するために、このようなベンチュリ管３１はできるだけ密接して並べて配置されている。この場合、ベンチュリ管３１は構造を簡単にするために個々の要素から構成されている。流入側には入口要素３６が設けられている。この入口要素は言わばトランペット状に形成されている。管３１はその縮小した範囲に、円筒状の区間を備えている。この区間は環状要素３７によって形成されている。この環状要素３７はその外周に分配配置された４つの穴を備えている。この穴はノズル３３として作用する。この環状要素３７の下流に、出口要素３８が設けられている。この出口要素はその流れ横断面積をほぼ、要素３６に入る際の流れ横断面積まで拡大している。
【００２５】
この構造はこのような消音装置の簡単な構造を可能にする。というのは、２つの側壁３４（この側壁の間に水が供給される）に、離隔された貫通する穴を簡単に形成し、そして正確に形成された開口３３を有する環状要素３７を上記穴に挿入し、壁３４に溶接することができるからである。その代わり、穴がめねじを有し、環状要素３７が対応するおねじを有し、それによって環状要素３７を穴に簡単にねじ込むことができるようにすることができる。続いて、流入側で、入口要素３６が環状要素３７内に設けられた段状拡大部に挿入され、それによって管３１の内壁は滑らかになる。要素３６は環状要素３７に溶接またはねじ込むことができる。同様に、流れ的に反対側から、出口要素３８が環状要素３７の拡大部に嵌め込まれ、この環状要素に固定連結されている。
【００２６】
このようなベンチュリ管３１は入口または出口において２０〜１００ｍｍの直径を有し、縮小範囲において１０〜５０ｍｍの直径を有する。縮小部によって発生する吸気ダクト内の流れの抵抗と、それに伴う効率の低下が大きくならないようにするために、入口と最も縮小した個所の比は一般的に２未満である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】２つの圧縮機段を備えたガスタービン装置を概略的に示す図である。
【図２ａ】ガスタービン装置と、その圧縮機への空気供給部を概略的に示す図である。
【図２ｂ】本発明による消音装置を備えたガスタービン装置の、図２ａと同様な図である。
【図３ａ】空気流に対して垂直な、消音装置の断面図である。
【図３ｂ】空気流に対して平行に、図３ａの消音装置を見た図である。
【図４】消音装置の個々のベンチュリ要素の詳細断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１          第１の圧縮機段（低圧）
２          第２の圧縮機段（高圧）
３          ガスタービン
４          蒸気タービン
５          発電機
６          軸
７          クラッチ
８          燃焼室
９          燃料管、燃料
１０        吸気
１１        部分的に圧縮された吸気
１２        圧縮空気
１３        高温の燃焼空気、高温ガス
１４        排気
１５        廃熱ボイラ
１６        煙突
１７        廃熱ボイラへの管（水）
１８        廃熱ボイラからの管（蒸気）
１９        蒸気タービンの出口
２０        吸気への水の供給
２１        吸気コレクタ
２２        吸気通路
２３        フィルタ
２４        冷却ユニット
２５        消音装置
２５ａ      水噴霧装置を備えた吸込み消音装置
２６        水噴霧装置（水噴霧格子）
２７        水噴霧装置の手前の吸気
２８        水噴霧装置の後方の湿った空気
２９        供給水
３０        ２１または２２の側壁
３１        ベンチュリ管
３２        ２９用の通路
３３        ノズル
３４        ３２の側壁
３５        ３１の間の中空室
３６        ３１の入口要素
３７        環状要素
３８        ３１の出口要素
【図１】
2004176717.tif 000003
【図２ａ】
2004176717.tif 000004
【図２ｂ】
2004176717.tif 000005
【図３ａ】
2004176717.tif 000006
【図３ｂ】
2004176717.tif 000007
【図４】
2004176717.tif 000008