(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段ガスコンプレッサにおいて、ａ）内側、外側、入口及び出口を有する外側ハウジングであって、該外側ハウジングの内側の周りに配置された複数列のステータ羽根を内面にて支持する外側ハウジングと、ｂ）外側ハウジング内に回転可能に配置されたロータであって、外面、外側ハウジングの入口付近の第一の端部、外側ハウジングの出口付近の第二の端部、ロータの外面の周りに配置された複数列のロータ羽根を備え、連続的なロータ羽根の列のうちの各列のロータ羽根が単一のコンプレッサ段を形成するロータと、ｃ）選択した液体の細かく分散した選択した量のミストを少なくとも一列のステータ羽根の少なくとも一対のステータ羽根間に噴射し得るように配置された少なくとも１つのミスト噴射ノズルと、を備え、
噴射ノズルの少なくとも一部分が、細かく分散したミストを、コンプレッサ内に噴射し得るように配置された噴射ノズル出口及びノズル供給配管を備え、噴射ノズルが、ノズル供給配管を介して外側ハウジングの外側にて高圧の液体源と流体的に接続し、
噴射ノズルは、外側ハウジングの外壁を貫通するように形成された開口部に配置された肉厚の壁部分を有し、
肉厚の壁部分は、肉厚の壁部分から細かく分散したミストを選択したパターンにて噴霧し得るように穿孔された複数の開口部を有し、
外側ハウジングの外壁を貫通するように形成された開口部は、コンプレッサ内への出口端にて肉厚の壁部分の外径部よりも小さい縮小径部分を有する、多段ガスコンプレッサ。
【請求項２】
請求項１のコンプレッサにおいて、複数のミスト噴射ノズルが、選択した液体の細かく分散したミストの選択した量を、少なくとも一列のステータ羽根の複数対のステータ羽根の間における複数の位置にてコンプレッサ内に噴射し得るように配置された、コンプレッサ。
【請求項３】
請求項１のコンプレッサにおいて、少なくとも１つのミスト噴射ノズルが、選択した液体の細かく分散したミストを、複数列のステータ羽根の少なくとも一対のステータ羽根間にてコンプレッサ内に噴射し得るように配置された、コンプレッサ。
【請求項４】
請求項３のコンプレッサにおいて、複数のミスト噴射ノズルが、選択した液体の細かく分散したミストを、複数列のステータ羽根の複数対のステータ羽根間における複数の位置にてコンプレッサ内に噴射し得るように配置された、コンプレッサ。
【請求項５】
請求項１のコンプレッサにおいて、ノズル供給配管に逆止弁を備える、コンプレッサ。
【請求項６】
請求項１のコンプレッサにおいて、ノズル供給配管の少なくとも一部分が可撓性のホースを備える、コンプレッサ。
【請求項７】
請求項１のコンプレッサにおいて、ノズル供給配管に、流れ測定装置と、流れ調節弁とを備える、コンプレッサ。
【請求項８】
請求項７のコンプレッサにおいて、噴射される液体の量及びその噴射位置を制御し得るように流れ測定装置及び流れ調節弁の少なくとも１つと作用可能に接続するコンピュータを備える、コンプレッサ。
【請求項９】
請求項１のコンプレッサにおいて、洗浄剤供給源と、少なくとも１つの洗浄剤をコンプレッサ内に噴射し得るようにノズル供給配管の少なくとも一部分に流体的に接続した洗浄剤供給管とを備える、コンプレッサ。
【請求項１０】
請求項１のコンプレッサにおいて、噴射ノズルは、直径０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）以下の開口部を有する、コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮ガスを段の少なくとも一部分内にて冷却し、冷却流体を該段の少なくとも一部分内に噴射するために使用されるノズルを介して洗浄剤を噴射することで段の少なくとも一部分内にてロータを洗浄することにより、効率を向上させるための多段コンプレッサの製造及び作動の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力等を発生させるためにタービンを使用するような多くの工業的用途において、空気のようなガスを多量に、比較的高圧力まで圧縮することが必要である。水素、天然ガス等のような色々な型式のガスが圧縮されることが多いが、本発明は、その他のガスに対しても使用可能ではあるが、主として、空気の圧縮に関して説明する。通常、発電のためタービンを駆動するときに使用されるガス状流れを提供すべく天然ガス等を燃焼するために使用し得るように多量の空気が圧縮される。
【０００３】
ガスが圧縮されたとき、圧力の上昇と共に、圧縮ガスの温度が上昇することは周知である。幾つかの場合、高圧力が望まれるとき、第一のコンプレッサを使用し、その後に、段間で冷却を行い、及び第二のコンプレッサ内にてその後の圧縮を行い、コンプレッサの温度限界値範囲内の所望の圧縮値に達するようにすることが必要である。幾つかの場合、２つ以上の圧縮段が必要とされる。
【０００４】
かかるインタークーラを使用するステップは、全体として、多段コンプレッサ、特に、各段が発電のために使用すべく空気を圧縮するために使用される、一組みのロータ羽根と、一組みのステータ羽根とを有する複数の段を備える軸流コンプレッサに対して実現可能であるとは考えられていない。この用途には、軸流コンプレッサが好ましいコンプレッサの型式である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
かかる目的に使用されるコンプレッサの能力を保つ上での更なる問題点は、コンプレッサの羽根が汚れ易いことである。その結果、コンプレッサ内にて相当な動力の損失が生ずる。羽根を洗浄し且つ動力の損失を防止しようとして、色々な技術が使用されてきた。かかる技術の幾つかは、１９９８年のアメリカ機械技術者協会（Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）、９８−ＧＴ−４２０におけるジェーン・ピエール・スタッドラー（Ｊｅａｎ  Ｐｉｅｒｒｅ  Ｓｔａｄｌｅｒ）による、「ガスタービンコンプレッサの洗浄技術の現状−現場の経験（Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ  Ｗａｓｈｉｎｇ  Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｒｔ  −  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ）」にて論じられている。この論文において、コンプレッサの羽根から付着物を洗浄するための色々な技術が論じられている。洗浄液は空気入口を介してコンプレッサ内に導入されるものと思われる。
【０００６】
発電には、多量の空気が必要とされ、また、その他のガスも多量に必要とされる結果、ガスをより効率的に圧縮することのできる、方法及びコンプレッサの設計を開発するための不断の研究開発が行われている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、選択した液体のある量の細かく分散したミストをコンプレッサの少なくとも１つの段内に噴射して、少なくとも１つの段内にて圧縮ガスの温度を降下させることで、向上した効率にて圧縮することを許容することにより、多段コンプレッサ内の圧縮効率を向上させる方法によって、かかるコンプレッサ内の効率を向上させることができる。
【０００８】
本発明は、細かく分散したある量の選択した液体のミストをコンプレッサの少なくとも１つの段内に噴射して、少なくとも１つの段内の圧縮ガス流の温度を降下させることで、圧縮ガスのより効率的な圧縮を可能にし且つコンプレッサの動力の必要量を減少させ得るように配置された複数のノズルを備える、改良された多段コンプレッサを更に備えている。
【０００９】
本発明は、内側及び外側と、入口及び出口とを有する外側ハウジングであって、該外側ハウジングの内側の周りに配置された複数列のステータ羽根をその内面にて支持する外側ハウジングと、外側ハウジングの内側に回転可能に配置されたロータであって、外側、外側ハウジングの入口付近の第一の端部、外側ハウジングの出口付近の第二の端部、ロータの外側の周りに配置された複数列のロータ羽根を有し、ロータ羽根の列の少なくとも一部分がステータ羽根の列の間にあり、ロータ羽根の各列が後続の列のステータ羽根と共に単一のコンプレッサ段を形成するロータと、選択した液体の細かく分散したミストの選択した量を少なくとも１つの段内にて少なくとも一列のステータ羽根における少なくとも一対のステータ羽根の間にてコンプレッサ内に噴射し、圧縮ガスをより効率的に圧縮し得るように配置された少なくとも１つのミスト噴射ノズルとを備える多段ガスコンプレッサを更に備えている。
【００１０】
本発明は、多段ガスコンプレッサにおけるコンプレッサ効率を向上させる方法を備え、そのコンプレッサは、内側、外側、入口及び出口を有する外側ハウジングであって、該外側ハウジングの内側の周りに配置された複数列のステータ羽根をその内面にて支持する外側ハウジングと、外側ハウジングの内側に回転可能に配置されたロータであって、外側、外側ハウジングの入口付近の第一の端部、外側ハウジングの出口付近の出口、ロータの外側の周りに配置された複数列のロータ羽根を有し、ロータ羽根の各列が後続の列のステータ羽根と共に単一のコンプレッサ段を形成するロータと、選択した液体の細かく分散したミストの選択した量を少なくとも一列のステータ羽根における少なくとも一対のステータ羽根の間にてコンプレッサ内に噴射するように配置された少なくとも１つのミスト噴射ノズルとを備える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図面の説明において、同一又は同様の部品を説明するため、全体を通じて同一の参照番号を使用する。本発明の説明にとって不要である、コンプレッサの構造及び作用の更なる詳細は、図示せず又は説明しない。
【００１２】
図１において、中心軸線１１を有する軸流コンプレッサ１０が図示されている。コンプレッサ１０は、外側６８及び内側７０を有する外側ハウジング１２を備えている。ロータ１４は、外側ハウジング１２内にて回転可能に同軸状に配置され且つ外面７６を有する。ロータ１４は、図示するように、任意の便宜な電源に接続することのできる軸１６により回転可能に駆動される。外側ハウジング１２は、粒子材料がコンプレッサ１０内に侵入するのを防止し得るように通常、網２０等により覆われた入口１８を更に備えている。矢印２１は、コンプレッサ１０内の空気の流れを示し、圧縮すべきコンプレッサ１０内の空気流は矢印２２で示してある。コンプレッサ１０は、ステータ羽根２４Ｓと相互作用し得るように全体としてロータ１４の外面７６の周りに一列に配置された複数のロータ羽根２４Ｒを備えている。ロータ羽根は、ロータ１４が回転するときに回転し、ガスを矢印２３で示すようにコンプレッサ１０から排出口に向けて追い出す。排出された空気は、多岐に亙る任意の所望の用途にて使用し得るように送ることができる。上述した用途において、ガスが空気であるとき、その空気は、タービン等を駆動する高温ガスを発生させ得るように燃焼すべく可燃性ガスと共に送ることができる。
【００１３】
複数対のロータ及びステータ羽根が図示されている。ロータ及びステータの組合わせ体２４Ｒ、２４Ｓは、コンプレッサ１０の１つの段を形成する。同様の組合わせ体２６Ｒ及び２６Ｓ、２８Ｒ及び２８Ｓ、３０Ｒ及び３０Ｓ、３２Ｒ及び３２Ｓはそれぞれ段を形成する。ロータ及びステータ羽根の全てが参照番号で表示されているわけではない。ガスがロータ羽根により流されると、ロータ羽根は、コンプレッサ１０の軸方向長さに沿って比較的平滑な流れを保ち易くなる。
【００１４】
矢印３４で示すように、本発明によれば、冷却液体は、ステータ２４Ｓ、２６Ｓ、２８Ｓ等により形成された列内のステータ羽根の間にてコンプレッサ１０内に噴射されることが望ましい。冷却液体は、任意の段又は全ての段内に噴射することができ、この冷却液体は、ステータ羽根の噴射した列の各々の周りの均一に隔たった位置にて噴射されることが望ましい。
【００１５】
図２において、噴射装置のより詳細図が図示されている。線Ａ−Ａで示すように、ステータ羽根２４Ｓの列の正面側の端面図が図示されている。ロータ１４の端面図が図示されている。簡略化のため、ロータ１４は、中実体として図示されているが、実際には、ロータは、通常、ロータ羽根等を支持する十分な強度の中空部材の構造である。かかる詳細は本発明の一部を構成するものではない。ステータ羽根２４Ｓは、ノズル供給配管３４が各対のステータ羽根の間のスペースまで伸びる状態で示してある。図示するように、配管３４は、各噴射箇所にてマニホルド管３２からノズルアセンブリ３８（図３に図示）まで伸びる可撓性のホース管である。ノズルアセンブリ３８には、以下により詳細に説明するように、マニホルド管３２を通じて供給配管３６から液体が供給される。
【００１６】
上述したように、冷却液体を任意又は全ての対のステータ羽根の間にて噴射することができるが、噴射すべき各列のステータ羽根の周りの均一に隔たった位置にて噴射されることが好ましい。選択した数又は全てのステータ羽根の間にて噴射を為すべきか否かを決定することは、特定の段等における所望の冷却量の関数である。
【００１７】
図３において、外側ハウジング１２を貫通するように配置されたノズルのより詳細な構造が図示されている。２つのステータ羽根２４Ｓは、液体ミストを２つのステータ羽根の間に噴射し得るように配置されたノズルアセンブリ３８と共に図示されている。ノズル４０は、通常、外側ハウジング１２の内側の外に僅かな距離だけ引っ込んでいる設計とされている。ノズルの構造の詳細については、以下に説明するが、全体として、ノズル４０は、マニホルド管３２との接続部まで伸びる供給配管３４を有する比較的厚い肉厚の材料にて形成されている。ノズルの供給配管３４は、図３にて、１本の管として図示したが、管状の配管３４から上流のノズル供給配管は、高圧下の液体を輸送するための当該技術分野で公知の可撓性ホースであることが望ましい。この可撓性のホースは、実際には、配管３２から接続具４２に伸び且つこの接続具に接続することができる。この接続具は、外側ハウジング１２を通るノズルアセンブリ３８の位置を密封するために使用される。接続具４２は、図示するように、所定位置にねじ込むことができる部材を備え且つＯリングシール４４を有する。これと代替的に、接続具４２は、所定位置に溶接するか、又は圧縮空気がノズル４０の周りにて外側ハウジング１２内から漏洩するのを防止するのに十分な当業者に公知のその他の機械的手段により所定位置に密封可能に保持してもよい。
【００１８】
ノズルアセンブリ３８は、図４により詳細に図示されており、開口部５０を有する厚肉の壁部分であるノズル４０を備え、その開口部は、ノズルから細く分散したミストを選択したパターンにて噴霧し得るように穿孔されている。該壁部分は、図４に、溶接部５５として図示した任意の適当な接続部により配管３４に密封可能に接続されている。該開口部５０は、望ましくは、直径０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）以下の極めて細い通路を形成し得るようにレーザ又はその他の手段により穿孔されることが望ましい。ノズルアセンブリ３８は、外側ハウジング１２の外壁を貫通するように形成された開口部５１内に配置され、その開口部５１は、ノズルアセンブリ３８を緊密に収容し得る寸法とされている。この開口部５１は、コンプレッサ１０内への出口端にてノズル４０の外径部５７よりも小さい縮小径部分５３を有する。配管部分３４は、接続具４２まで上方に伸び且つ所望であるならば、接続具４２を超えて伸びることのできる厚肉の配管部分である。上述したように、接続具４２の上方の配管３４の少なくとも一部分は、位置決め及び操作が容易であるように、可撓性のホースを備えている。ノズル４０は、開口部５１内に緊密に嵌り得る寸法とされ、また、縮小径部分５３よりも大きい外径を有する。ノズル４０は、厚肉材料にて形成され、また、縮小直径部分５３よりも大径であるため、ノズルは、縮小径部分を通って動くことはできず、あらゆる微粒子、構成要素の部品等が開口部５１を介してコンプレッサ１０内に入るのを防止する。
【００１９】
図２に図示したマニホルド３２は、管とすることができ、任意の便宜な方法により外殻体１２の周りに配置することができる。
図５には、ノズルの少なくとも一部分に対する流れ管の概略図が図示されている。ラインすなわち配管３６は、図３に図示するように、ラインすなわち配管３２の上流において、逆止弁４６を備えている。この逆止弁は、配管３６を介してコンプレッサ１０内への液体の流れが存在しない場合、圧縮ガスが少しでもコンプレッサ１０から損失するのを防止する効果がある。逆止弁４６は、液体又はガスが配管３２及び外殻体１２から配管３６を通って流れるのを防止する。逆止弁４６の上流にて、当該技術分野にて公知の任意の適当な設計の計量供給オリフィス５２が配管３６に配置されている。オリフィス５２における差圧を測定し且つ配管３６を通る流量を決定し得るように、差圧計５４が接続されている。差圧計５４は、以下に更に説明するように、コンプレッサ１０内への噴射を制御するために使用されるコンピュータ（図示せず）への接続部５６を備えている。計量供給オリフィス５２から更なる上流にて制御弁５８が配管３６内に配置されている。制御弁５８は、コンピュータの信号により作動可能である制御接続部６０により作動され且つ調節される。該コンピュータは、噴射の各段階に対し、弁５８を通る液体の流れを調節し、所望に応じて、配管３６から、マニホルド管３２、可撓性のホース３４及びノズルアセンブリ５８を通じて制御された量の液体をコンプレッサ１０内に噴射し、コンプレッサプ１０を通って流れる圧縮ガスの温度を制御する機能を果たす。細かく分散されるミストの量は、コンプレッサを通るガスの全体の流れの１％の数分の１である。水を添加する結果としての追加的な体積流量は極めて少量であり、このため、コンプレッサを駆動するのに必要な動力を計算するときに無視することができる。
【００２０】
更に、図５において、洗浄剤の流れを配管３６に添加するための配管６２が図示されている。この配管を通る液体の流れは、ラインすなわち配管６６により制御コンピュータに対して調節される制御弁６４により制御される。該制御コンピュータは、ラインすなわち配管５６、６０、６６から集められた情報、及び圧縮ガスの排出温度、少なくとも段の一部分におけるガスの温度等のようなその他の情報に基づいて作用し、各ノズルを通じて各段内に充填すべき液体の量を決定する。図示しないが、段の少なくとも一部分における温度等を検知し得るように温度センサを配置することができる。更に、ガス圧力を段の一部分内で測定し、コンプレッサ１０からの入口温度及び出口温度並びに出口圧力を測定することができる。
【００２１】
全体として、図示した型式の軸流コンプレッサ内の温度は、約段８の後にコンプレッサ内に導入された全ての水が完全に蒸発して直ちに蒸気となるようなものであると考えられる。この液体は、細かく分散されたミストとして噴射され、このミストは、空気が空気コンプレッサ１０の長さに沿って段８まで流れるとき、水の沸点以下の温度にて段内で蒸気状のミストとして残留する。コンプレッサ１０に沿った軸方向への空気速度は、測定が困難であるが、通常の作動中、毎秒当たり約１５２．４０ｍ（約５００フィート）乃至約１６７．６４ｍ（約５５０フィート）であると推定される。従って、コンプレッサ１０内の空気の平均残留時間は約何分の１秒である。その結果、細かく分散されたミストは、高旋回流の空気流中に存在し、空気が水の沸点以上の温度にて作動する段の前の段を通って動くとき、多分、少なくとも一部分が蒸発されるであろう。空気が圧縮ガスであるとき水であることが好ましいこの液体を噴射する結果、空気の温度は、各段において僅かな程度だけ降下し、その正味結果として、ガスを所望の圧力まで圧縮する仕事量が減少する。コンプレッサの排出口付近の段内で液体が噴射される場合、装置への熱衝撃を回避するため、噴射する前に液体を予熱する必要がある。必要な仕事量が減少するのみならず、温度降下の結果として、所望の圧力にて所定の寸法のコンプレッサからより多量の圧縮ガスを発生させることができる。当業者に周知であるように、空気の温度及び密度はガスが圧縮されるとき、急激に増大する。この上昇した温度は、ガスを圧縮することをより困難にするため、その段の少なくとも一部分におけるガスの冷却の結果、より低温にて所定の温度で所定の量の圧縮ガスが発生される。従って、軸流コンプレッサ１０の長さに沿って冷却液体を漸進的に噴射することにより圧縮効率が増す。
【００２２】
同様に、軸流コンプレッサ内の羽根の汚れは、圧縮工程の効率にとって極めて有害であることが知られている。従って、軸流コンプレッサ又はその他のコンプレッサにていかにして汚染物質が羽根から除去されるかを決定するため、相当の努力が為されてきた。上記に引用した、ピエール・スタッドラーによる「ガスタービンコンプレッサの洗浄技術の現状−現場の経験」という論文において、コンプレッサ羽根における汚染物質は、コンプレッサの作動にとって極めて有害であることが認識されている。この論文から、汚染物質を除去しようとする開示された試みは、洗浄液を吸入ガス内にのみ噴射するものであると考えられる。
【００２３】
従来、洗浄材料を不活性ガスと共に、噴射することにより汚染物質を噴射装置の羽根から除去するための試みが為されたのみならず、また、コンプレッサに充填された吸入ガスを冷却することによってコンプレッサの効率を向上させるための試みも為されている。かかる冷却を行うための１つの試みは、水の噴霧ミストを使用することで、この水の噴霧ミストは吸入ガス中に放出される。このようにして、冷却ミストを使用することはその長さのかなりの部分に亙ってコンプレッサを冷却することはできない。正味結果は、単に、入口におけるガスの湿度を増すだけであり、ガスの排出温度には殆ど影響しない。これに反して、コンプレッサ１０の長さに沿って冷却液体を噴射するために本発明を使用するならば、ガスの圧縮に必要とされる仕事量が著しく減少する。
【００２４】
好ましい実施の形態の幾つかに関して本発明を説明したが、上述した実施の形態は、性質を限定するものではなく一例にしか過ぎず、本発明の範囲内で多数の変更例及び改変例が可能であることが特に指摘される。かかる変形例及び改変例の多くは明らかであり、また、好ましい実施の形態の上記の説明を参照することにより当業者にとって望ましいものであると考えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多段軸流コンプレッサの断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿ったコンプレッサの断面端面図である。
【図３】図１に図示したコンプレッサの外側ハウジングを通して取り付けられたノズルの断面図である。
【図４】本発明の実施に使用するのに適したノズルの断面図である。
【図５】選択した液体を図１に図示したコンプレッサ内に噴射するために使用される配管の概略図である。
【符号の説明】
１０  コンプレッサ              １１  中心軸線
１２  外側ハウジング            １４  ロータ
１６  軸                        １８  入口
２０  網                        ２１  空気流
２２  空気流                    ２３  追い出されたガス流
２４Ｓ、２６Ｓ、２８Ｓ、３０Ｓ、３２Ｓ  ステータ羽根
２４Ｒ、２６Ｒ、２８Ｒ、３０Ｒ、３２Ｒ  ロータ羽根
３２  マニホルド管              ３４  冷却液体の噴射／ノズル供給配管
３６  供給配管                    ３８  ノズルアセンブリ
４０  ノズル                    ４２  接続具
４４  Ｏリングシール            ４６  逆止弁
５０  開口部                    ５１  開口部
５２  オリフィス                ５３  縮小径部分
５４  差圧計                    ５５  溶接部
５６  コンピュータへの接続部／配管
５７  ノズルの外径部            ５８  制御弁
６０、６６  配管                  ６８  外側
７０  内側                      ７６  ロータの外面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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