(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンであって、
外部ケーシングと、
高圧圧縮機と、
該高圧圧縮機の上流側の位置でガス流中に水を噴射する水噴射装置と
を有し、
前記水噴射装置は複数のノズルを有しており、
前記複数のノズルは、前記ガス流の異なる半径方向深さに水を噴射する長ノズルと短ノズルとを備え、
前記ノズルは、短ノズルの１つが各々の長ノズル対の半径方向中間に位置するように周方向に互い違いになる構成で前記外部ケーシングの周縁部の周囲に配置され、該ノズルによって前記ガス流中に噴射された水が前記高圧圧縮機の出口で一様な半径方向及び円周方向の温度低下を行うように配置されており、
前記高圧圧縮機は、電気的に接地された複数の固定子を有する、ガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記水噴射装置が、各前記ノズルに連通する水貯槽と前記水貯槽から前記ノズルへの水の流れを制御する給水弁とをさらに有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記給水弁と前記ノズルとに連通し、これら給水弁とノズルとの間に設けられた水マニホルドをさらに有する、請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記ノズルへ供給される水を微粒化するための加熱された空気の源をさらに有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
高圧圧縮機が複数の段を有し、前記加熱された空気の発生源が前記高圧圧縮機の少くとも１段を有している、請求項４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記加熱された空気の発生源と前記ノズルとの中間にある空気マニホルドをさらに有する、請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
空気管が前記高圧圧縮機の前記段から前記空気マニホルドへ延び、前記水噴射装置が、前記空気管を経て前記空気マニホルドへ流れる空気の温度を下げるための、前記空気管に連結された熱交換器をさらに有している、請求項６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
低圧圧縮機と、該低圧圧縮機および前記高圧圧縮機と連続する流れ関係にある中間冷却器とをさらに有し、前記中間冷却器が、前記低圧圧縮機の出口に連結されて、前記低圧圧縮機から流出するガスの少くとも一部を受取る入口と、前記高圧圧縮機の入口に連結された出口とを有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記高圧圧縮機の下流に位置する燃焼器をさらに有する、請求項８に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記燃焼器の下流に高圧タービンと低圧タービンとをさらに有する、請求項９記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
前記高圧圧縮機と前記高圧タービンとが第２の軸により連結され、前記低圧圧縮機と前記低圧タービンとが第１の軸により連結されている、請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記低圧圧縮機が少くとも５段からなり、前記高圧圧縮機が少くとも１４段からなる、請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
少くとも２段からなる高圧タービンと、少くとも５段からなる低圧圧縮機とを有する、請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記水噴射装置が、各前記ノズルに連通する水貯槽と、前記水貯槽から前記ノズルへの水の流れを制御する給水弁とをさらに有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
低圧圧縮機をさらに有し、前記ノズルが前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との中間に位置している、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
低圧圧縮機をさらに有し、前記ノズルが前記低圧圧縮機の上流に位置している、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
前記ノズルの各々が内側流路と外側流路とを有し、前記内側流路が水貯槽に連結され、前記外側流路が加熱された空気の発生源に連結されている、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
前記ノズルが水を微粒化する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１９】
前記ノズルからの水滴の直径が２０ミクロンである、請求項１８に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２０】
請求項１に記載のガスタービンエンジンであって、
低圧圧縮機と、
該低圧圧縮機の下流側にある高圧圧縮機と、
該高圧圧縮機の下流側に位置する燃焼器と、
該燃焼器の下流側にある高圧タービンと、
該高圧タービンの下流側にある低圧タービンと、
各前記ノズルに連通する水貯槽と、
前記水貯槽から前記ノズルへの水の流れを制御するため給水弁と、を有するガスタービンエンジン。
【請求項２１】
前記ノズルが前記低圧圧縮機と前記高圧圧縮機との中間に位置している、請求項２０に記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連する出願の相互参照
この出願は、１９９８年７月２４日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６０／０９４，０９４の利益を請求するものである。
【０００２】
発明の背景
本発明はガスタービンエンジンに関するものであり、更に詳しく言えば、ガスタービンエンジンにおける前ブースターおよび前圧縮機水噴射に関するものである。
【０００３】
ガスタービンエンジンは、空気などの動作流体を圧縮するための圧縮機を通常含んでいる。圧縮された空気は、流体を加熱してそれを膨脹させる燃焼機内に噴射される。膨脹させられた流体はタービン内を通る。圧縮機は低圧圧縮機と高圧圧縮機とを通常含んでいる。
【０００４】
既知のガスタービンエンジンの出力は、高圧圧縮機の出口における、温度「Ｔ３」と時に呼ばれる動作流体の温度と、燃焼機の出口における、温度「Ｔ４１」と時に呼ばれる動作流体の温度とによって制限されることがある。Ｔ３とＴ４１の温度を低くするために、低圧圧縮機と高圧圧縮機の間の流体流路内に配置された中間冷却機を使用することが知られている。定常動作においては、中間冷却機は低圧圧縮機で圧縮された空気から熱が取り出される。それは高圧圧縮機に入る空気の温度を低くし、体積を減少させる。そのように温度が低下するとＴ３とＴ４１の温度が低下する。したがって、圧縮機を通る流量を増加することにより出力増加が達成される。
【０００５】
通常、冷却水または冷却空気は中間冷却機内を循環し、熱が空気流から冷却水または冷却空気へ移転させられる。水または空気は熱を吸収し、加熱された水または空気はその後で除去される。加熱された水または空気の除去によって全サイクルの熱効率が低下する。したがって、中間冷却機は出力増大を容易にするが、中間冷却機はエンジンの熱効率を低下する。中間冷却機は空気の除去と、その空気の実際の冷却と、冷却された空気の圧縮機への導入とに伴う圧力損失をも導入する。更に、中間冷却機が段間冷却も行うことは実際的でない。
【０００６】
少なくともいくつかの中間冷却機では、加熱された水を冷却塔を通じて蒸気として環境内に放出する水冷却機を用いて加熱された水は除去される。もちろん、蒸気を環境中に放出することは環境に影響を及ぼす。また、そのような中間冷却機によって多量の水が必要とされ、そのような多量の水消費によって運転費用が増加する。
【０００７】
少なくとも既知の中間冷却機と比較して熱効率を高くする中間冷却機によって、出力を部分的にも高くすることが望ましいであろう。また、単一ロータガスタービンに対しても増加したパワー出力をもたらすことが望ましいであろう。
【０００８】
発明の概要
それらの目的およびその他の目的は、中間冷却の同じ利点の多くを提供し、しかもいくつかの欠点を克服する前ブースターまたは前圧縮機水噴射を含んでいるガスタービンエンジンにより達成できる。一実施態様においては、霧状水噴射に関連して使用するのに適するガスタービンエンジンは低圧圧縮機と、高圧圧縮機と、燃焼機とを含んでいる。エンジンは高圧タービンと、低圧タービンと、パワータービンとの少なくとも１つも含んでいる。高圧圧縮機の入口に水を噴射するために水噴射装置が設けられている。霧状水噴射装置は給水源に連通し、エンジンの運転中に、水はその源から噴射装置を通って圧縮機の入口に供給される。
【０００９】
動作時には、空気は低圧圧縮機を通じて流れ、圧縮された空気は低圧圧縮機から高圧圧縮機に供給される。また、霧状水が高圧圧縮機の入口に供給され、霧状水がその入口を通って高圧圧縮機に入る。霧状水が噴射される場所における高温のために霧状水は高圧圧縮機に入る前に部分的に蒸発する。霧状水は、その霧状水が流れる少なくとも各圧縮段階のために、すなわち、それが蒸発するまで、高圧圧縮機内の空気の流れを冷却する。高圧圧縮機の通常ほぼ中間段で、および水の量に応じて、霧状水の大部分は蒸発する。
【００１０】
空気と水蒸気は高圧圧縮機により更に圧縮され、非常に圧縮された空気は燃焼機に供給される。燃焼機からの空気流が高圧縮タービンと、低圧タービンと、パワータービンとを駆動する。廃熱はボイラにより捕らえられ、ボイラからの蒸気の形態の熱を上流側の構成部に供給できる。
【００１１】
霧状水は、高圧圧縮機の出口における空気流の温度（温度Ｔ３）と燃焼機の出口における空気流の温度（温度Ｔ４１）が、定常運転では、霧状水なしのそのような温度と比較して低くされるという利点をもたらす。特に、霧状水は高圧圧縮機に流れ込んで、その中を通る高温の空気から熱を奪い、空気流からそのような熱を奪うことによって温度Ｔ３とＴ４１は低下させられ、圧縮馬力が低下させられる。水が蒸発するにつれて熱が除去される。温度Ｔ３とＴ４１が下がると、エンジンはＴ３とＴ４１に拘束されず、したがって、エンジンはそのような霧状水なしで可能な出力レベルより高い出力レベルで動作できる。すなわち、上記霧状水噴射で、同じ高圧圧縮機放出温度制御限界を用いて、高圧圧縮機はより多くの空気を送り出すことができ、その結果として圧縮比が一層高くなり、かつ出力が高くなる。
【００１２】
詳細な説明
以下に説明するのは、本発明の種々の実施形態による霧状水噴射の構成の例である。最初に、特定の実現を示し、かつ説明するが、霧状水噴射を多数の代替構造を用いて、かつ広範囲のエンジンで実施できることを理解すべきである。また、以下により詳しく説明するように、霧状水噴射を高圧圧縮機の入口と、ブースターの入口と、または両方の場所で実施できる。
【００１３】
霧状水噴射は中間冷却の利点と同じ利点の多くを提供し、しかも中間冷却の多くの欠点を克服するものである。たとえば、中間冷却では、加熱された水（または空気）が除去され、そのような加熱された水（または空気）の除去はサイクルの熱効率を低下し、環境に影響を及ぼす。中間冷却により達成される大きなパワー増加は中間冷却に関連する欠点を通常克服し、その結果、余分のパワーが求められた時に、異なるまたはより大型の空気流ブースターおよび大型の高圧タービン流れ機能を用いて、中間冷却がしばしば利用される。霧状水噴射は、下記のように、同様に配置されている中間冷却機により行われる最大パワー増加よりもいくらか小さいことがあるパワー増加をもたらす。しかし、霧状水噴射でははるかに少量の水が用いられ、水は排気温度の水蒸気としてサイクルを出る。
【００１４】
具体的に図面を参照すると、図１は、周知のように低圧圧縮機１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼機１６とを含んでいるガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、パワータービン２２も含んでいる。エンジン１０は水を高圧圧縮機１４の入口２６に噴射するための水噴射装置２４も更に含んでいる。水噴射装置２２の詳細については下で説明する。しかし、図１では装置２４が給水源（図示せず）に連通しており、水はその源から装置２４を通じて圧縮機１４の入口１４に供給される。装置２４は圧縮機１４から抜き出し源を用いて空気を吸い込んで、微細な吹き付け霧を生ずる。廃熱ボイラー２８、３０、および３２がパワータービン２２の下流側に配置されている。この技術で知られているように、供給水は給水管３４を通じてボイラー２８、３０、３２に供給され、蒸気の形態の水がボイラー２８、３０、３２から上流側の種々の構成部に供給される。特に、ボイラー２８からの蒸気が燃焼機１６の入口３６に供給され、ボイラー３０からの蒸気が低圧タービン２０の入口とパワータービン２２の入口とに供給され、ボイラー３２からの蒸気がパワータービン２２の最後の段に供給される。霧状水噴射装置２４を除き、タービン１０の種々の部品はこの技術において公知である。
【００１５】
動作時には、空気は低圧圧縮機１２を流れ、圧縮空気が低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。また、霧状水が入口２６を通じて圧縮機１４に供給される。霧状水が噴射される場所では高温の環境であるために、霧状水は高圧圧縮機１４に入る前に部分的に蒸発する。霧状水は、高圧圧縮機１４内の空気流を、その霧状水が流れる圧縮機１４の少なくとも各段ごとに冷却する、すなわち、それが蒸発するまで冷却する。通常は圧縮機１４の６番目の段まで、霧状水は完全に蒸発させられる。
【００１６】
空気は高圧圧縮機１４によって一層圧縮され、高圧縮された空気は燃焼機１６に供給される。燃焼機１６からの空気流は高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、パワータービン２２を駆動する。廃熱がボイラー２８、３０、３２により捕らえられ、廃熱蒸気がボイラー２８、３０、３２に連結されている上流側構成部に上記のようにして供給される。
【００１７】
霧状水噴射装置２２からの水粒子が、高圧圧縮機１４の出口における空気流の温度（温度Ｔ３）と、燃焼機１６の出口における空気流の温度（温度Ｔ４１）とが、吹き付けなしの場合の温度と比較して低くされるという利点をもたらす。特に、霧状水は圧縮機１４に流れ込んでその中を流れる空気から熱を奪い、空気からそのような熱を奪うことによって、求められている圧縮機パワーと共にＴ３温度とＴ４１温度が低くされる。Ｔ３温度とＴ４１温度が低くなると、エンジン１０は拘束されたＴ３およびＴ４１にされないという利点が得られ、したがって、エンジン１０はそのような水吹き付けなしの場合に可能であるものよりも高い出力レベルで、スロットル押しにより、運転できる。パワー出力の増大に加えて、上記霧状水噴射は、同じ条件の下で、中間冷却と比較して水消費量が少ないという利点が得られる。
【００１８】
図２は、霧状水噴射を含んでいるガスタービンの他の実施形態の概略図である。エンジン５０は低圧圧縮機５２と、高圧圧縮機５４と、燃焼機５６とを含んでいる。エンジン５０は高圧タービン５８と、低圧タービン６０と、パワータービン６２も含んでいる。エンジン５０は水を高圧圧縮機５４の入口６６に噴射するための水噴射装置６４も含んでいる。図２の目的のために、装置６４は給水源（図示せず）に連通しており、その源から水が装置６４を通って圧縮機５４の入口６６に供給されることを理解すべきである。中間冷却機６８もブースター５２に直列流れ関係で配置されて、ブースター５２による空気流出力の少なくとも一部または全部を受け、中間冷却機６８の出口は圧縮機５４の入口６６に連結されている。もちろん、冷却水は図示のように中間冷却機６８に供給され、またはブロワファンを空気冷却のために使用できる。中間冷却機６８は、たとえば、米国特許第４，９４９，５４４号明細書に記載されている中間冷却機の１つとすることができる。
【００１９】
廃熱ボイラー７０、７２、７４がパワータービン６２の下流側に配置されている。この技術で知られているように、給水は、中間冷却機７８Ａを通って延長している給水管７６を通じてボイラー７０、７２、７４に供給され、蒸気がボイラー７０、７２、７４から種々の上流側構成部に通じている。特に、ボイラー７０からの蒸気が燃焼機５６の入口８０に供給され、ボイラー７２からの蒸気が低圧タービン６０の入口とパワータービン６２の入口に供給され、ボイラー７４からの蒸気がパワータービン６２の最後の段に供給される。霧状水噴射装置６４を除き、タービン５０の種々の部品はこの技術で公知である。
【００２０】
動作時には、空気が低圧圧縮機５２を通って流れ、圧縮空気が低圧圧縮機５２から高圧圧縮機５４に供給される。低圧圧縮機５２からの圧縮空気流の少なくともいくらかまたは全てが分流されて中間冷却機６８の第２の段を流れ、その分流された空気は冷却されて高圧圧縮機５４の入口６６に供給される。また、霧状水が高圧圧縮機５４の入口６６に供給され、その霧状水は入口６６を通って圧縮機５４に入る。霧状水が噴射される場所における高温環境のために、霧状水は高圧圧縮機５４に入る前に部分的に蒸発する。霧状水は、高圧圧縮機５４内の空気流を、その霧状水が流れる圧縮機５４の少なくとも各段ごとに冷却する、すなわち、それが蒸発するまで冷却する。通常は圧縮機５４の６番目の段まで、霧状水は蒸発させられる。
【００２１】
空気は高圧圧縮機５４によって一層圧縮され、高圧縮された空気は燃焼機５６に供給される。燃焼機５６からの空気流は高圧タービン５８と、低圧タービン６０と、パワータービン６２を駆動する。廃熱がボイラー７０、７２、７４により捕らえられ、廃熱が蒸気として、ボイラー２８、３０、３２に連結されている上流側構成部に上記のようにして供給される。
【００２２】
中間冷却および霧状水噴射の組合わせを設けることによって、エンジン１０と比較してエンジン５０により増加したパワー出力が提供される。中間冷却機６８は、周囲の湿気から凝縮が現れることができるまで温度が下がっている流れの場所を圧縮機内部にとることができる。そうすると、圧縮機５４の出口におけるＴ３を一層低くして、その圧縮機を運転するために求められるパワーを減少するために、霧状水をその圧縮機に加えることができる。しかし、エンジン５０はエンジン１０と比較してより多くの水を要し、排出スタック温度の蒸気としてスタックを出る付加霧状水と一緒の中間冷却機６８の運転のために、エンジン５０はいくらかの水を環境中に放出する。しかし、エンジン５０のパワー出力を達成するために中間冷却のみが用いられる場合にのみ得られる結果と比較して、霧状水噴射と中間冷却の組合わせによって水消費量が多くなる結果となる。
【００２３】
図２に示されている構成例には示されていないが、高圧圧縮機５４の入口における霧状水噴射を行うよりも、またはそれに加えて、その噴射は低圧圧縮機すなわちブースター５２の入口において実行できる（ブースター霧状水噴射は図３に示されている）。Ｔ３温度およびＴ４１温度の低下におけるのと同様な利点をその噴射により達成できる。
【００２４】
ブースター霧状水噴射を含むエンジン８２の構成の例が図３に示されている。エンジン８２の構成は、霧状水噴射装置２４が低圧圧縮機すなわちブースター１２の入口３８に配置されていることを除き、図１に示されているエンジン１０にほぼ類似する。エンジン８２では、水はブースター１２に噴射されて、ブースター１２内を流れている空気を冷却する。ブースター１２内を流れている空気を冷却することにより、上記のようにＴ３温度とＴ４１温度を低くするという利点が得られる。たったおよそ１％の水をブースター１２内に噴射でき、その水はブースターの終端までに蒸発する。
【００２５】
図４は、本発明の他の実施形態に従って圧縮機水噴射を含んでいる単一ローターガスタービンエンジン８４の概略図である。エンジン８４は高圧圧縮機８６と、燃焼機８８と、高圧タービン９０とを含んでいる。軸９２が高圧圧縮機８６と高圧タービン９０を連結している。パワータービン９４は高圧タービン９０の下流側にあり、軸９６がパワータービン９４に連結されて、そこから延長している。霧状水噴射装置９８が高圧圧縮機８６の入口１００に配置されている。
【００２６】
二重ローターガスタービンエンジン１０が図５に概略的に示されている。エンジン１６０は、第１の軸１６６により連結されているブースター１６２およびパワータービン１６４と、第２の軸１７２により連結されている高圧圧縮機１６８および高圧タービン１７０と、燃焼機１７４とを含んでいる。エンジン１６０は前ブースター霧状水噴射装置１７６と前圧縮機霧状水噴射装置１７８も含んでいる。
【００２７】
図６は、本発明の更に別の実施形態による圧縮機水噴射を含んでいるガスタービンエンジン２００の概略図である。エンジン２００は低圧圧縮機２０２と高圧圧縮機２０４を含んでいる。この実施形態では、低圧圧縮機２０２は５段圧縮機であり、高圧圧縮機２０４は１４段圧縮機である。燃焼機（図示せず）は圧縮機２０４の下流側にある。エンジン２００は高圧タービン（図示せず）と低圧タービン（図示せず）も含んでいる。高圧圧縮機は２段タービンであり、低圧タービンは５段タービンである。
【００２８】
エンジン２００は、高圧圧縮機２０４の入口２０８内に水を噴射するための水噴射装置２０６も含んでいる。水噴射装置２０６は、水マニホールド２１２に連通している水計量弁２１０を含んでいる。水は水源すなわち水溜めから計量弁２１０に供給される。空気は高圧圧縮機２０４の８段ブリード２１４から空気マニホールド２１３に供給される。ブリード２１４は加熱された空気の源として機能する。熱交換器２１６が、８段ブリード２１４から空気マニホールド２１３まで延長している流管すなわちチューブ２１８に連結されている。供給チューブ２２０と２２１が空気マニホールド２１３と水マニホールド２１２から、半径方向に隔てられて、外部ケーシング２２４を通じて延びている２４個の噴霧ノズル２２２および２２３まで延びている。ノズル２２２はここでは短ノズル２２２と呼ぶことがあり、ノズル２２３はここでは長ノズル２２３と呼ぶことがある。ノズル２２２および２２３は、下記でより詳しく説明するように、ケーシング２２４の周縁部の周囲に互い違いに半径方向に隔てられている。
【００２９】
２４本の給水チューブ２２１が水マニホールド２１２から延びており、２４本の空気供給チューブ２２０が空気マニホールド２１３から延びている。一般に、各ノズル２２２と２２３へ流れる水は、高圧圧縮機２０４の８段ブリード２１４から取り出された高圧空気（たとえば、約１１ｋｇ／ｃｍ２（約１５０ｐｓｉ））を用いて霧化される。この実施形態では、滴の直径は約２０ミクロンに維持しなければならない。そのような滴直径は、下記でより詳しく説明する水スケジュールを用い、ブリード２１４からの高圧空気を用いて、弁２１０を通る水の流量を制御することにより維持される。霧状水噴射装置２０６を除き、エンジン２００の種々の構成部はこの技術で公知である。
【００３０】
動作時には、エンジン２００は霧状噴射なしで、すなわち、水弁２１０が閉じられていて、それの最大パワー出力まで運転させられる。この運転モードでは、空気は空気パイプ２１８を通ってノズル２２２および２２３まで流れる。その空気は熱交換器２１６によって冷却される。しかし、水は弁２１０を流れることは許されないので、水は高圧圧縮機２０４への流れ中に噴射されない。
【００３１】
最大パワー出力に一旦達すると、水噴射装置は起動させられて、水がノズル２２２および２２３へ流れる。熱交換器２１６は動作を続けて、ノズル２２２および２２３に供給されている空気の温度を下げる。特に、８段ブリード２１４からの空気流は通常は約３１６〜３４３℃（約６００〜６５０°Ｆ）である。放出された高温空気と水溜めからの水との間の温度差、または不一致を小さくするために、８段ブリード２１４からの空気の温度が熱交換器２１６により約１２１℃（約２５０°Ｆ）まで下げられ、空気の圧力を約１１ｋｇ／ｃｍ２（約１５０ｐｓｉ）に維持する。圧力を約１１ｋｇ／ｃｍ２（約１５０ｐｓｉ）に維持することにより、空気は水を霧化するために十分な圧力を有する。
【００３２】
ノズル２２２および２２３は霧状水２２６および２２７（図６に概略的に示されている）を高圧圧縮機２０４の入口２０８で流れ中に噴射し、その霧状水は入口２０８を通って圧縮機２０４に入る。霧状水が噴射される場所における高温環境のために、霧状水は高圧圧縮機２０４に入る前に部分的に蒸発する。その霧状水は、高圧圧縮機２０４内の空気流を、その霧状水が流れる圧縮機２０４の少なくとも各段ごとに冷却する、すなわち、それが蒸発するまで冷却する。通常は圧縮機２０４の６番目の段で、霧状水は完全に蒸発させられる。空気は高圧圧縮機２０４により更に圧縮され、高圧縮された空気は燃焼機に供給される。燃焼機からの空気流は高圧タービンと低圧タービンを駆動する。
【００３３】
水吹付け装置２０６は、高圧圧縮機２０４の出口における空気流の温度（温度Ｔ３）と、燃焼機の出口における空気流の温度（温度Ｔ４１）が、吹き付けなしのそれらの温度より低くされる。特に、霧状水は圧縮機２０４に流れ込んでそれを流れる高温空気から熱を奪い、空気流からそのような熱を奪うことによって、Ｔ３温度とＴ４１温度は求められる圧縮機パワーと共に低くされる。Ｔ３温度とＴ４１温度が低くなると、エンジン２００はＴ３温度とＴ４１温度に拘束されず、したがって、スロットルを押すことにより、そのような水吹き付けなしで可能であるものより高い出力レベルで運転できる。
【００３４】
すなわち、霧化された水を高圧圧縮機２０４の前に噴射することにより、高圧圧縮機２０４の入口温度が大幅に低くされる。したがって、同じ圧縮放出温度制御リミッタを用いることで、高圧圧縮機２０４はより多くの空気をポンプ送りして、より高い圧力比を達成できる。この結果として出力がより高くなり、効率が向上する。パワー出力の増大に加えて、上記霧状水噴射は、同じ条件の下で、中間冷却と比較して水消費が少ないという利点ももたらす。Ｔ３温度とＴ４１温度拘束よりもむしろ、水吹き付け構成により、エンジン拘束はもはやそのような温度ではなく、たとえば、拘束は高圧タービンのタービン入口温度Ｔ４８およびコア速力にできる。
【００３５】
上記の水噴射装置２０６は前低圧圧縮機霧状水噴射に関連して利用することもできる。そのような前低圧圧縮機霧状水噴射は中間冷却、または図９に関連して上記で説明した前高圧圧縮機、水噴射と同じ利点の少なくとも多くをもたらすことが信じられる。
【００３６】
図７は発電機２２８に連結されているガスタービンエンジン２００の概略図である。図１０に示すように、エンジン２００は高圧タービン２３０と、高圧圧縮機２０４よりも下流側の低圧タービン２３２とを含んでいる。高圧圧縮機２０４と高圧タービン２３０は第１の軸２３４を介して連結され、低圧圧縮機２０２と低圧タービンが第２の軸２３６を介して連結されている。第２の軸２３６は発電機２２８にも連結されている。エンジン２００は、たとえば、オハイオ州シンシナチ４５２１５所在のゼネラル・エレクトリック社から、霧状水噴射装置２０６を含むように改造された、商業的に入手できるＬＭ６０００ガスタービンエンジンとすることができる。
【００３７】
噴射装置２０６を含むようにもともと製造されるのではなくて、装置２０６を既存のエンジンに後から取り付けることが可能である。噴射装置２０６はキットの形で提供され、水マニホールド２１２と空気マニホールド２１３および計量弁２１０を備えた配管２１８と２２０を含んでいる。ノズル２２２および２２３も設けられている。霧状水噴射をおこないたい場合には、ノズル２２２および２２３は外部ケーシンｇｙ２２４内に装着され、流管２１８が装着され、８段目のブリード２１４から空気マニホールド２１３まで延びている。弁２１０は水源と水マニホールド２１２との間に連結されており、水マニホールド２１２は空気マニホールド２１３に連結されている。
【００３８】
図８は霧状水噴射を含むように改造された、ゼネラル・エレクトリック社のＬＭ６０００エンジン２５０の側面図である。エンジン２５０は入口２５２と、低圧圧縮機２５４と、前部フレーム２５６と、高圧圧縮機２５８とを含んでいる。エンジン２５０は霧状水噴射装置２６０を含むように改造されている。霧状水噴射装置２６０は、エンジン外部ケーシング２６８に装着されて、半径方向に隔てられている２４個のノズル２６６に連結されている空気マニホールド２６２と水マニホールド２６４を含んでいる。ノズル２６６は、低圧圧縮機２５４と高圧圧縮機２５８の間の場所で水をエンジン２５０内に噴射する。噴射装置２６０は高圧圧縮機２５８の８段ブリード２７２に連結するための連結器２７０と、この連結器２７０から空気マニホールド２６２まで延長しているパイプ２７４とを含んでいる。図８には示されていないが、空気マニホールド２６２に供給される空気の温度を下げるために、熱交換器（空気−空気または水−空気）をパイプ２７４に連結できる。図示の目的のために、ノズル２７６が低圧圧縮機２５４の入口２５２に固定されているのが示されている。前低圧圧縮機霧状水噴射を行うために、空気マニホールドと水マニホールドをノズル２７６に連結することもできる。上記の噴射装置２６０の構成部はステンレス鋼から製造されている。
【００３９】
高圧圧縮機２５８は、通常はケース２６８に接地されていない固定子羽根を含んでいる。霧状水噴射に組合わせて使用される時は、霧状水に接触するようになるそのような羽根の少なくともいくつかを接地することが必要なことがあることが判明している。求められる範囲まで、およびたとえば、黒鉛グリースを用いると、その羽根をケース２６８に接地できる。すなわち、黒煙グリースをそれらの羽根の軸受け部に塗布できる。たとえば、そのような黒鉛グリースは第２の段を通じて入口案内羽根と各下流側羽根のために使用できる。動作時には、グリースの一部が加熱して消費され、黒鉛が残って羽根からケース２６８まで導電路を設ける。
【００４０】
水を十分な圧力をかけた状態で霧状水噴射ノズルに供給できるものとすると、高圧空気をノズルに供給する必要はないかもしれないことも理解すべきである。したがって、そのような高圧水を利用できるならば、８段ブリードを無くすことが考えられる。
【００４１】
図９はエンジン２５０の８段ブリード２７２を連結するための連結器２７０の斜視図である。連結器２７０はエンジンケーシング２６８にねじで係合するように構成され、ボルト２７６により通常閉じられている開口部２７４を含んでいる。ブリードされた空気が空気マニホールド２６２に供給することが望まれた時に、ボルト２７６は外され、パイプ２７４はパイプ２７４の端部に、連結器２７０の表面に結合する、結合フランジを用いて連結器２７０に連結される。ボルト穴２８０はパイプ結合フランジを連結器２７０にボルト締めできるようにする。
【００４２】
図１０はエンジン２５０の横断面図であって、ノズル２６６を示すものである。ノズル２６６は、高圧圧縮機２５８へのガス流中に噴射された水が、高圧圧縮機２５８の出口でほぼ一様な半径方向および円周方向の温度低下を行うように構成されている。ノズル２６６は長ノズルの集合２８２と、短ノズルの集合２８４を含んでいる。図１０に示されている構成では、少なくとも１つ短いノズル２８４が、半径方向に整列されている２つの長いノズル２８２の間の半径方向の中間の場所に配置されている。短ノズル２８４は流路の周面とほぼ同じレベルであり、長ノズル２８２が流路の中に約１０ｃｍ（約４インチ）延長している。もちろん、所望の動作結果に応じて他の長さのノズルを利用できる。１つの特定の実現では、ノズル２８４は流路の中に約１．２ｃｍ（約０，４３６インチ）延び、ノズル２８２は流路の中に約９．３６ｃｍ（３．６８６インチ）延びている。圧縮機出口における結果としての符号化を制御するために、短ノズル２８４と長ノズル２８２との間の水比（たとえば、５０／５０）を選択することもできる。
【００４３】
高圧圧縮機の入口における温度（すなわち温度Ｔ２５）を得るための温度センサが長ノズル２８２に整列させられている。そのような温度センサを長ノズル２８２に整列させることにより、そのセンサを短ノズル２８４に整列させるよりも正確な温度測定が得られる。
【００４４】
図１１および図１２はノズル２６６の１つを示す。長ノズル２８２と短ノズル２８４は長さだけが異なる。ノズル２６６は、空気ノズル２８８と水ノズル２９０を有するヘッドノズル２８６を含んでいる。空気ノズル２８８は、ノズル２８８から空気マニホールド２６２まで延びる空気パイプ（図示せず）に連結する。水ノズル２９０は、ノズル２９０から水マニホールド２６４まで延びる水パイプ（図示せず）に連結する。ノズル２６６はステム２９２と、ノズル２６６をケース２６２に連結するための装着フランジ２９４も含んでいる。ステム２９２の装着部２９６がケース２６２へのノズル２６６の係合を容易にする。
【００４５】
ステム２９２は外部管状導管２９８と、導管２９８の内部に配置されている内部管状導管３００とを含んでいる。空気はノズル２８８内に流れ込み、外部導管２９８と内部導管３００との間の環を通る。水はノズル２９０内に流れ込み、内部導管３００内を流れる。空気と水との混合は、単一の導管３００により形成されているステム部３０２内で起きる。水と空気の混合したものがノズル２６６の端部３０６から流れ出て、流路内に入るように、その端部は開かれている。
【００４６】
図１３は、フレーム水噴射（後部から前方を見て）と入口水噴射（後部から前方を見て）のために、エンジン２５０内のノズル２８２と２８４への水と空気の供給を制御するための制御回路２５０の概略線図を示す。図１３に示されているように、純水が、モータで駆動される水ポンプ３５２を通じてポンプ送りされる。直線可変差動トランス、圧力センサ、および水計量弁などの水供給管にセンサ３５４が連結されている。逃がし弁３５６がポンプ３５２と並列に連結され、流量計３５８がポンプ３５２に直列に連結されている。空気追い出し管３６０も水供給管に連結されている。常閉ソレノイド弁制御器３６４の制御器３６２が空気追い出し動作を制御する。水供給管内にフィルタ３６６が設けられ、弁３７０（手動弁固定フラッグ特徴（常開））がフィルタ３６６に並列に連結されている。
【００４７】
水を水供給管から排水装置に排出できるようにするために、制御器３７４に連結されている常開弁３７２が設けられている。水供給管内の水が、高圧圧縮機２５８の８段ブリードから空気を受ける熱交換器３７６を通って流れる。
【００４８】
フレーム水噴射のために、多数のセンサ３７８と制御弁３８０がノズル２８２と２８４への水の供給を制御する。回路３５０は水溜め３８２も含んでいる。入口水噴射のために、センサ３７８と制御弁３８４が水２８２への水の供給を制御する。
【００４９】
図１３における文字名称は次のような意味を持つ。
【００５０】
Ｔ−温度測定場所
Ｐ−圧力測定場所
ＰＩ−圧力指示器
Ｎ／Ｃ−常閉
Ｎ／Ｏ−常開
ＰＤＳＷ−圧力差スイッチ
ＰＤＩ−圧力差指示器
ＤＲＮ−排出
ＺＳ−位置スイッチ
ＷＭＶ−水計量弁
ＰＲＣ−追い出し
ＬＶＤＴ−直線可変差動トランス
図１３において、実線は水供給管、二重破線は排出管、マーク付き実線は電線である。ボックスは給水装置とエンジンとの間のインタフェースを示す。水計量弁２８６とその他の制御弁／測定弁２８８と、オリフィス２９０（水噴射のための入口）とが回路３５０を流れる水の制御に関連して用いられる。
【００５１】
以下に述べるのは、エンジン２５０に関連する回路３５０の種々の動作モードのための制御である。下記の説明では、表示Ｚ ＳＰＲＩＮＴＯＮ、Ｚ ＳＰＲＩＮＴ、およびＺ ＲＡＩＳＥは下記の意味を持つ。
Ｚ ＳＰＲＩＮＴＯＮ＝  装置供給者起動／エンジン停止のためのシーケンス制
御Ｈ2Ｏ供給。
Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝      水噴射機能、閉鎖機能、および保護機能のために用い
られる熱交換器排出に続くコア制御論理スケジュール
リミットシーケンス。
Ｚ ＲＡＩＳＥ＝        Ｚ ＳＰＲＩＮＴプラス警報機能のために用いられる
マニホールド充填タイマ終了。
また、*は選択された変数が同調可能であることを示す。
【００５２】
前噴射許容／排出起動（自動および手動）
１．Ｔ２＞３０Ｆ*＝ＯＮ  Ｔ２＜２７Ｆ*＝ＯＦＦ
２．溜め充填圧力＞約２．８ｋｇ／ｃｍ２（４０ｐｓｉ*）
３．オペレータが）Ｚ ＳＰＲＩＮＴＯＮを真の熱交換追い出しにセットして
開始された
自動    求められている追い出し時間にいつでも一致する
手動    水噴射開始の点で
をバイパスする
４．排出弁が閉じられる
【００５３】
許された噴射（前噴射許容１〜４が満たされた）
１．ＰＳ３約３．５ｋｇ／ｃｍ２（５０ｐｓｉ*）または限界スケジュールよ
り低い
２．Ｔ２調整器動作せず（手動のみ）
３．８段空気圧＞（ＰＳ３／４）
４．熱交換器追い出しタイマ終了
５．８番目の段空気温度、約セ氏１４９度（３００Ｆ*）より低い
６．水温度約セ氏１２１度（２５０Ｆ*）より低い
【００５４】
手動モードシーケンス
１．オペレータが電源をセットして、上の許された噴射１〜２を満たし、Ｚ
ＳＰＲＩＮＴＯＮ＝Ｔ（ＴＲＵＥ＝ＯＮ）
２．水ポンプオンおよび熱交換器追い出し弁をバイパスする（最小流量）
３．水熱交換器追い出し８段空気温度を＜約セ氏１４９度（３００Ｆ）まで下
げる（５分*）
４．Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｔ（ＴＲＵＥ＝ＯＮ）ＳＰＲＩＮＴ閉鎖弁開放（熱交
換器バイパスエンジンへ転換された），エンジンへの計画最小流量
５．流れが計画された最小水流量を６０秒*充填するＺ ＲＡＩＳＥＴ（ＴＲ
ＵＥ＝ＯＮ）
６．オペレータがＳＰＲＩＮＴ流量（０．５ｇｐｍ／秒）を計画最大レベルま
で増加する。
７．オペレータがパワーを所望のレベルまで増加し、またはＭＷ、Ｔ３、Ｔ４
８、Ｐｓ３、ＸＮ２５Ｒ３、またはＸＮ２５Ｒにより制限されるレベルま
で増加する。
８．パワーおよび水を計画限界の間で所望により低下する。
９．ベース計画限界より低いＰＳ３約４．２ｋｇ／ｃｍ２（６０ｐｓｉ）にお
いてＺ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆにセットし、ＳＰＲＩＮＴを最小計画流量まで
徐々に（−２ｇｐｍ／ｓｅｃ）減少し、閉鎖する。
１０．Ｚ ＳＰＲＩＮＴＯＮをＯＦＦ（ＦＡＬＳＥ＝ＯＦＦ）に起動し、ＳＰ
ＲＩＮＴは弁を閉じて、水をエンジンからバイパスへ分流し、水ポンプ
を停止し、熱交換器追い出し弁をバイパスし、空になるまで装置の排出
口と追い出し配管を開き、排出口を閉じる。
【００５５】
自動モード（満たされた許容）
１．オペレータは時刻に合わせてＺ ＳＰＲＩＮＴＯＮをＯＮにセットし（Ｔ
ＲＵＥ＝ＯＮ）て、ＳＰＲＩＮＴ起動許容の前に熱交換器追い出しを終了
する。
２．Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｔは許容点に達した時に自動的に開始する。
３．ＳＰＲＩＮＴ閉鎖弁を開く（水をバイパスからエンジンへ転換する）。
４．マニホールドを最小計画で充填し（６０秒*遅延）Ｚ ＲＡＩＳＥ＝Ｔ、
その後で水を最大計画流量まで徐々に（０．５ｇｐｍ／秒）増加する。
【００５６】
５．パワーを所望のレベルまで徐々に増加し、ＭＷｖｓにより制限される。Ｔ
２Ｌｉｍｉｔｅｒ、Ｔ３、Ｔ４８、Ｐｓ３、ＸＮ２５Ｒ３、またはＸＮ２
５Ｒ。
６．ＳＰＲＩＮＴが最小計画流量まで徐々に（−２ｇｐｍ／秒）減少し、閉鎖
が起きる前に、パワーを所望に応じて、ベース計画限界（ＴＰ３ＢＮＶＧ
）より低い約４．９ｋｇ／ｃｍ２（６０ｐｓｉ*）まで減少する。
７．Ｚ ＳＰＲＩＮＴＯＮをＯＦＦ（ＦＡＬＳＥ＝ＯＦＦ）に起動し、ＳＰ
ＲＩＮＴは弁を閉じ、熱交換器追い出し弁をバイパスし、水ポンプを停止
し、空になるまで装置の排出口と追い出し配管を開く。
【００５７】
警報要求
Ｚ ＲＡＩＳＥ＝ＴＲＵＥ（ＴＲＵＥ＝ＯＮ）マニホールドが満たされたタイ
マを充填し、ＳＰＲＩＮＴが警報のために流れる。
【００５８】
１．流量誤差（Ｉ需要−計量された量）＞３ｇｐｍ*  ５秒間−警報
２．８番目の段の空気温度＞約セ氏１２１度（２５０Ｆ）*  ５秒間＝警報
【００５９】
水停止要求
Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆ徐々に減少する制御限界を通じて水停止を開始し水停止
を起動する。
【００６０】
１．流量誤差（需要−計量された量）＞６ｇｐｍ*  １０秒間−Ｚ ＳＰＲＩ
ＮＴ＝Ｆにセット
２．水需要における圧力損失約１．６９ｋｇ／ｃｍ２（２４ｐｓｉ*）＞６ｇ
ｐｍ−Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆにセット
３．水需要における圧力損失約３．５１ｋｇ／ｃｍ２（５０ｐｓｉ*）＞１０
ｇｐｍ−−Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆにセット
４．８番目の段の空気温度約セ氏１４９度（３００Ｆ）*より高い−−Ｚ Ｓ
ＰＲＩＮＴ＝Ｆにセット
５．８段目の段の圧力＜（ＰＳ３／４）−−Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆにセット
６．Ｔ２＜セ氏約−２．８度（２７Ｆ）−−Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆにセット
７．ＰＳ３はＰｓ３限界計画の約４．２ｋｇ／ｃｍ２（６０ｐｓｉ*）以内で
ない−−Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆにセット
８．どのガスタービンも停止し、負荷を落し、またはアイドリングへ進む−−
Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆにセット（バイパス水徐々の減少制御）
９．遮断器は閉じられていない−−Ｚ ＳＰＲＩＮＴ＝Ｆにセット（バイパス
水徐々の減少制御）
【００６１】
図１４は図８に示されているエンジン構成のための水計画の例を示す図表であり、図１５は種々の周囲温度における出力と、熱レートと、流量と、図８に示されているエンジンに供給される水とを示す図表である。ノズルに供給される水の量は、たとえば、周囲温度と所望の滴の寸法に依存して変化する。少なくとも１つの応用では滴の寸法が２０ミクロンであることが判明しており、許容できる結果を与えている。もちろん、霧状水噴射が用いられるエンジンの運転パラメータと、所望の運転パラメータと、当業者に知られているその他の要因とは霧状水噴射装置の量に影響を及ぼす。
【００６２】
図１６は高圧タービンキャビティ流量関係対図８に示されているエンジンの高圧圧縮機出口修正された速度を示す図表である。高圧ガスタービンガス経路空気取り入れの結果として高圧ガスタービン内部キャビティ温度が高くなり過ぎることを防止するために、図８に示されているエンジンに追加のエンジン制御限界が用いられている。高圧タービンキャビティは高圧圧縮機からの適切な流量および圧力レベルの空気で冷却されて、内部キャビティから高圧タービンガス経路内への正空気流が常に存在し、したがって、取り込みの可能性をなくすようにする。圧縮構成部への水噴射の目的はパワーを増大するためにエンジンをスロットルを押すことができるように、温度Ｔ３を低くすることであるので、高圧装置は水噴射なしで通常運転するよりも速く運転する。しかし、タービンキャビティを冷却するために圧縮機によって供給される寄生空気が減少させられる。図１６に示されているカーブは、高圧圧縮機出口温度に修正された高圧圧縮機スピードの関数としての、高圧圧縮機冷却空気流の関係を示す。高圧圧縮機出口修正された温度は、
ＨＰ物理的速度*
平方根（国際標準温度／ＨＰＣ出口温度）
または
ＸＮ２５Ｒ３＝ＸＮ２５*（ＴSTD／Ｔ３）1/2
ここで、ＴSTD＝５１８．６７0Ｒ（５９0Ｆ）である。
【００６３】
図１６に示されているカーブで示されているように、高圧タービンキャビティ取り込みがないようにするために求められる、最小高圧タービンキャビティ流量が存在する。この流量レベルおよび高圧圧縮機出口修正されたスピードに対するそれの関係が、最大限界としてエンジンを制御しなければならないＸＮ２５Ｒ３を定める。
【００６４】
滴の寸法に関しては、完全蒸発のための滞留時間を短縮するためと、ブレードの腐食を阻止するために十分小さい滴寸法を保持するために、各流量における最小滴寸法を生じなければならない。以下に説明するのは滴寸法を解析するためのやり方である。更に詳しくいえば、および予備解析のために、ＬＭ−６０００ブースターダクトの３０°扇形の３Ｄモデルを用いて、ダクト内の速度および温度の場を決定する。ダクト入口においては渦巻き回転は仮定されず、ノズル先端が、半径方向内側に向けられているブースターダクトの入口における外部ケーシング内に配置されている。ノズル軸は外部ケーシング表面に垂直であって、噴射点はケーシング表面から半径方向内側に約０．５１ｃｍ（約０．２インチ）であった。ノズルが生じた滴の寸法値が、式１により与えられる、ＲＲ滴寸法の最小値であるようにとられた。空気を霧化するノズルにより通常発生されるものよりも小さい滴寸法の影響を決定するために、２つのより小さい値（すなわち、１０．５μｍおよび７．５μｍ）も仮定された。結果が図１７に示されている。おのおの０．５ＧＰＭの３６個のノズルが用いられる、すなわち３〜３０°扇形が仮定された。
【００６５】
直径上の体積部分ｄ＝ｅｘｐ・（ｄ／ｄgg）N
ＨＰ圧縮機の入口における水流量と蒸発完了のための段との間の関係が図１８に示されている。
【００６６】
示されている段で完全に蒸発できるようにするために、ＨＰ圧縮機の入口に存在しなければならない近似最大滴寸法を決定するために、図１８におけるデータを使用できる。得られた滴寸法も図１８に示されている。この計算は、湿っている表面に再び取り込まれたことから得られる平均滴寸法が、付着した滴寸法と同じであると仮定している。圧縮機に存在する空気の密度が高くなり、液体の量が減少するために、実際の再び捕らえられた滴寸法は図１８に示されているものより小さい。再取り込みを介して圧縮機で発生されるものよりも小さい滴を噴射ノズルで発生することが不必要であるようにみえるが、ノズルが発生する滴が小さくなると、ＨＰ入口案内羽根に付着する圧縮機入口流量の一部が少なくなるために、それはそうならない。また、湿りが示されている段における湿っている場所の部分は、どのような精度でも決定できない。したがって、湿っているケーシング温度により示されるものより少ない水がＨＰ圧縮機内に存在することが可能である。
【００６７】
完全に蒸発するための場所が図１９に示されている。データは、予備解析で計算されたものよりおよそ２０％多くの水噴射を所与の段で蒸発できることを示している。
【００６８】
ＬＰ圧縮機で完全蒸発の場所を探すために、図１９に与えられているものと同じノズル流量および最初の滴寸法がＬＰ圧縮機への入口で探された。ノズルにより発生される滴の寸法が小さくなるほど、ノズル流れの一部のみをＬＰ圧縮機の入口案内羽根に付着させる。付着された流れは同じように挙動するが、付着しない部分はＬＰ圧縮機およびブースターダクト内でより急速に蒸発する。
【００６９】
ＬＰ圧縮機内に最初に付着した水の蒸発を計算する方法は前に説明したものと同じである。滴の形態の部分の蒸発が、滴の完全蒸発の場所を決定するモデルを用いて計算された。後者は、付着されていない流れに対する小さいカットオフ寸法のために、ＬＰ圧縮機内に配置された。このカットオフ寸法は、軌道解析を用いて、ＬＰへの入口において１３μｍであると計算された。図１９における初めの４つのノズルについての結果が図２０に示されている。図２０では、全部で１８ＧＰＭが最初にノズル当り０．５ＧＰＭで再び噴射される。
【００７０】
最初の付着における滴カットオフ寸法の効果の校正として、１０μｍではなくて１３μｍのカットオフ寸法が図２０におけるノズル３に対して用いられたとすると、ＨＰ圧縮機の９番目および１０番目の段ではなくて、１１番目の段で完全な蒸発が起きる。ＬＰ入口における噴射でのブースターダクトにおける平均滴寸法の増大のために、ブースターダクト入口における噴射と比較して、ＬＰ圧縮機内での蒸発によってＨＰ圧縮機内では早く蒸発する結果となる。
【００７１】
ノズルの選択および性能に関しては、選択された圧力の性能と、空気で霧化するノズル、およびＨＰ圧縮機内での蒸発に及ぼすそれの影響が、その中でノズルを採用すべき環境内のノズルによって発生される時間的な滴寸法分布についての知識を必要とする。時間的な寸法分布は対象とする空気密度において測定しなければならない。時間的な滴寸法を計算するために、滴寸法と、液体体積部分と、滴速度輪郭との空間的分布を測定する必要がある。
【００７２】
ノズルの性能を測定するために吹き付けトンネルを採用できる。そのトンネルは、試験例では、約２．１ｋｇ／ｍ3（０．１３ｌｂ／ｆｔ3）のブースターダクト空気密度に一致するために十分な圧力で約３．２ｋｇ／ｓ（７ｌｂ／ｓ）までの空気により供給される。トンネル内の空気速度は約１３．７ｍ／ｓから２２．９ｍ／ｓまで（４５ｆｔ／ｓから７５ｆｔ／ｓまで）変化されて、外部吹き付け境界における吹き付けの逆循環を無くし、かつ、石英窓への滴入射を避けるために十分に小さい吹き付け直径を保持する。ノズルと測定場所との間の蒸発を考慮する必要を無くすために、空気温度は９５°Ｆ以下に保たれた。
【００７３】
軸線方向における滴速度の半径方向の分布が、水流なしのそれぞれ霧化空気流量の空気速度の測定から得られる。ＲＲ滴寸法の半径方向値に、液体体積部分の半径方向値と、軸線方向の滴速度とが乗ぜられ、その後でその結果の積を吹き付け半径にわたって積分される。積分された平均液体体積部分と、吹き付け横断面にわたる軸線方向速度とによって除した後で、平均流入ＲＲ滴寸法が得られる。
【００７４】
空気で霧化するノズルの性能は圧力で霧化するノズルの性能より高い。約９．７ｋｇ／ｃｍ2（１３５ｐｓｉｇ）において、全部で２４ＧＰＭ噴射における２４個の空気で霧化するノズルはＨＰ圧縮機内で蒸発できるようにし、一方、約２１６ｋｇ／ｃｍ2（３０００ｐｓｉｇ）の圧力で霧化するノズルは２４ＧＰＭから５ＧＰＭをＨＰ圧縮機を通じてばらばらにする。ノズル当り１ＧＰＭの圧力で霧化されるノズルでＨＰ圧縮機内で２４ＧＰＭを蒸発させるために、少なくともいくつかのノズル構成を約３５０ｋｇ／ｃｍ2（５０００ｐｓｉｇ）で動作しなければならない。ノズル当りより低い水量で、空気で霧化するノズルの性能は向上し、ノズル構成が変更されないとすると、圧力で霧化するノズルの性能は低下する。ノズルはミシガン州ジーランド（Ｚｅｅｌａｎｄ）４９４６４所在のＦＳＴ  Ｗｏｏｄｗａｒｄから商業的に入手できる。
【００７５】
再び、および概説すると、上記霧状水噴射が、増加したパワーで利を同じ圧縮機放出温度制御限界を用いて得ることができるという重要な結果を提供する。すなわち、ブースターと高圧圧縮機との少なくとも一方の前方に霧化された水を噴射することにより、高圧圧縮機の入口温度が大幅に低くされる。したがって、同じ圧縮機放出温度制御限界を用いて、高圧圧縮機はより多くの空気をポンプ送りできて、より高い圧力比を達成する。この結果として出力が一層高くなり、効率が向上する。パワー出力の増加に加えて、上記霧状水噴射は、同じ条件の下で、中間冷却と比較して水消費量が少ないという利点をもたらす。
【００７６】
本発明を種々の特定の実施形態に関して説明したが、本発明は本発明の要旨および範囲内で変更して実施できることを当業者は認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に従って圧縮機水噴射を含むガスタービンエンジンの概略表示である。
【図２】  本発明の他の実施形態に従って圧縮機水噴射および中間冷却を含むガスタービンエンジンの概略表示である。
【図３】  本発明の一実施形態に従ってブースター水噴射を含むガスタービンエンジンの概略表示である。
【図４】  本発明の他の実施形態に従って圧縮機水噴射を含む単一ローターガスタービンエンジンの概略表示である。
【図５】  本発明のさらに別の実施形態に従ってブースター水噴射および圧縮機水噴射を含むガスタービンエンジンの概略表示である。
【図６】  本発明の更に他の実施形態に従って圧縮機水噴射を含むガスタービンエンジンの概略表示である。
【図７】  発電機に連結されている図６に示されているガスタービンエンジンの概略表示である。
【図８】  霧状噴射を含むように変更されたゼネラルエレクトリック社のＬＭ６０００エンジンの側面図である。
【図９】  図８に示されているエンジンの８段ブリードを空気マニホールドに連結するための連結器の斜視図である。
【図１０】  ノズル構成を示す図８に示されているエンジンの横断面図である。。
【図１１】  ノズルの側面図である。
【図１２】  図１１に示されているノズルの上面図である。
【図１３】  図８に示されているエンジンのノズルへの水と空気の供給を制御する制御回路の概略図である。
【図１４】  図８に示されているエンジン構成のための水計画の例を示す図表である。
【図１５】  図８に示されているエンジンに種々の周囲温度において供給される出力、熱レート、流量、および水を示す図表である。
【図１６】  図８に示されているエンジンの高圧タービンキャビティ流と高圧圧縮機出口修正された速力との関係を示す図表である。
【図１７】  圧力および空気で霧化するノズルの動作の結果を示す表である。
【図１８】  水の流量対高圧圧縮機蒸発のグラフ表現である。
【図１９】  高圧圧縮機内の蒸発におけるノズル性能の好適な効果を示す表である。
【図２】
0004498609.tif 000002
【図１３】
0004498609.tif 000003
【図１４】
0004498609.tif 000004
【図１５】
0004498609.tif 000005
【図１６】
0004498609.tif 000006
【図１７】
0004498609.tif 000007
【図１８】
0004498609.tif 000008
【図１９】
0004498609.tif 000009
【図１】
0004498609.tif 000010
【図３】
0004498609.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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