(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れ方向を定める入口を有する圧縮機（１２）と、
前記入口に近接して配置され、かつ前記流れ方向を横切る方向に配置された複数のマニホルド（３８、４０、４２、５２、５４、５６）と、
該マニホルドに接続され、その各々が、中間冷却のために圧縮機中に導入するための比較的小さい液滴、または前記圧縮機の構成部品を清浄化するために該構成部品に衝突させるための比較的大きい液滴を選択的に供給するようになっている複数の二重機能ノズル（４６、４８、５０）と、
を含み、
前記二重機能ノズルは、噴霧器によって該噴霧器が作動しているときに前記比較的小さい液滴を供給し、前記噴霧器が非作動のときに前記比較的大きい液滴を供給することを特徴とするガスタービン装置（１０）用の水洗浄及び湿り圧縮複合システム。
【請求項２】
前記二重機能ノズル（４６、４８、５０）は２流体ノズルであり、
各ノズルは、各空気マニホルド（５２、５４、５６）に接続されている、請求項１に記載の水洗浄及び湿り圧縮複合システム。
【請求項３】
圧縮機（１２）の構成部品を清浄化するために水洗浄を施すために、また中間冷却するために湿り圧縮を施すために、圧縮機入口（２４）中に液体を導入する方法であって、
（ａ）大きい液滴と小さい液滴の両方を前記圧縮機の入口（２４）に供給することができる二重機能ノズル（４６、４８、５０）の少なくとも１つの列を設ける段階と、
（ｂ）前記二重機能ノズルの噴霧器を非作動として前記液滴を清浄化機能において前記圧縮機の構成部品に衝突するほど十分に大きくして供給する第１のモードで前記二重機能ノズル（４６、４８、５０）の列を作動させる段階と、
（ｃ）前記二重機能ノズルの噴霧器を作動させて前記液滴を前記圧縮機の構成部品を通過してそれが中間冷却のために気化される前記圧縮機の後段中に流れ込むほど十分に小さくして供給する第２のモードで前記二重機能ノズル（４６、４８、５０）の列を作動させる段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機械に関し、より具体的には、ガスタービンの圧縮機用の水洗浄及び湿り圧縮複合システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの圧縮機は、定期的な清浄化（時として水洗浄と呼ばれる）を必要とする。清浄化の１つの方法は、洗剤の液滴を圧縮機の入口へ吹き付けることを含む。圧縮機の運転中にこの処理が行われる場合には、純水が用いられ、また水滴は、水滴を圧縮機のハードウェアに衝突させて清浄化作用を行なわせるのに役立つ慣性力が流体抗力に打ち勝つように十分に大きい粒径にされる。
【０００３】
圧縮機の内部に中間冷却が施された場合、ガスタービン圧縮機は、一定の圧力比で運転するのに要する動力が少なくて済むことも事実である。中間冷却を施す１つの方法は、冷却剤の液滴を圧縮機の入口に噴霧することを含む。気体と水の混合気が圧縮される（一般的に湿り圧縮と呼ばれる）と、気体の温度が上昇して気化を促進することができる。水の気化は気体を冷却するので、中間冷却器として作用する。この場合、冷却剤液滴は、液滴を圧縮機のハードウェアを通過させて、液滴が気化して所望の中間冷却を施す圧縮機の後続段に移動するのに役立つ流体抗力が慣性力に打ち勝つように十分に小さい粒径にされる。
【０００４】
現行の実施では、水洗浄及び湿り圧縮のために別々のシステムを用いており、各々はその独自の制御装置及びハードウェアのセットを有する。
【特許文献１】
特表２０００−５１０５４４号公報
【０００５】
【発明の概要】
別々の水洗浄システム及び湿り圧縮システムに関連する費用及び複雑さを減らす構成が望まれる。本発明は、圧縮機のハードウェアに衝突する水洗浄のための大きい液滴の流れを供給し必要な圧縮機の清浄化を施し、同時に、圧縮機のハードウェアに衝突しないが、液滴が気化して中間冷却を施す圧縮機の下流段中に流れ込む湿り圧縮のための小さい液滴の流れを供給する装置またはシステムに関する。
【０００６】
本発明によると、水洗浄及び湿り圧縮の両方のための水滴が、単一装置内の二重機能ノズルにより供給される。
【０００７】
本発明の例示的な実施形態において、現行の水洗浄マニホルド、ノズル及び制御装置に変更が加えられて、霧化空気が各ノズルに選択的に供給されのを可能にする。このように、霧化空気が導入されると、液滴は、圧縮機のハードウェアに関係なく通過して、圧縮機の下流段に流れ込むのに十分に小さい粒径に縮小されるので、従来は水洗浄機能のみを備えていた装置に中間冷却機能を追加する。霧化空気機能が用いられない場合には、液滴は、圧縮機ハードウェアに衝突しそれを清浄化するのに十分な大きさとなる。２つの型式の二重機能ノズルを、本明細書では説明する。１つの実施形態において、ノズルは、市販されている２流体型にすることができ、この２流体型では、霧化モードの時には、薄い層状の液体は空気の高速層によりかき乱され、ついには層は流れの中に分解し小さい液滴になる。水洗浄の場合には、霧化空気の流れが停止され、液体の層が大気によって水洗浄に適した大きい液滴に単に破壊されるだけである。
【０００８】
第２の例示的な実施形態において、湿り圧縮のための小さい液滴は、市販されている電気機械式噴霧器により供給される。電気機械式噴霧器は、例えば圧力噴霧器、回転式噴霧器、静電噴霧器、超音波噴霧器、振動毛管式噴霧器、風車式噴霧器、及びフラッシュ噴霧器を含む系統の噴霧器である。この系統の噴霧器は、液体の圧力が上昇した場合、電界が与えられた場合、気体が溶け込んだ場合、またはノズルの何かの部品が運動するように設定された場合に、小さい液滴を生じる。圧電ディスクを用いる超音波噴霧器を、本明細書では説明する。この装置では、圧電ディスクは周期的な収縮及び膨張を生じ、それによってノズルに沿って軸方向に伝わる圧力波を発生し、ノズル中の液体と相互作用させて、ノズルから噴射される小さい液滴のミストを生じさせる。非作動の時には、液滴は水洗浄に適したより大きい粒径に戻る。
【０００９】
従って、本発明のより広い態様において、本発明は、流れ方向を定める入口を有する圧縮機と、入口に近接して配置され、かつ流れ方向を横切る方向に配置された複数のマニホルドと、マニホルドに接続され、その各々が、中間冷却のために圧縮機中に導入するための比較的小さい液滴、または圧縮機の構成部品を清浄化するために構成部品に衝突させるための比較的大きい液滴を選択的に供給するようになっている複数の二重機能ノズルとを含むガスタービン用の水洗浄及び湿り圧縮複合システムに関する。
【００１０】
別の態様において、本発明は、圧縮機、ガスタービン及び発電機を備えるガスタービン装置に関し、ガスタービン用の水洗浄及び湿り圧縮複合システムは、流れ方向を定める入口を有する圧縮機と、入口に近接して配置され、かつ流れ方向を横切る方向に配置された複数のマニホルドと、マニホルドに接続され、その各々が、中間冷却のために圧縮機中に導入するための比較的小さい液滴、または圧縮機の構成部品を清浄化するために構成部品に衝突させるための比較的大きい液滴を選択的に供給するようになっている複数の二重機能ノズルとを含む。
【００１１】
さらに別の態様において、本発明は、圧縮機の構成部品を清浄化するために水洗浄を施すために、また中間冷却するために湿り圧縮を施すために、圧縮機入口中に液体を導入する方法に関し、該方法は、
（ａ）大きい液滴と小さい液滴の両方を圧縮機の入口に供給することができる二重機能ノズルの少なくとも１つの列を設ける段階と、
（ｂ）液滴が清浄化機能において圧縮機の構成部品に衝突するほど十分に大きくなっている第１のモードで二重機能ノズルの列を作動させる段階と、
（ｃ）液滴が圧縮機の構成部品を通過してそれが中間冷却のために気化される圧縮機の後段中に流れ込むほど十分に小さくなっている第２のモードで二重機能ノズルの列を作動させる段階と、
を含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、単一のロータまたは軸１８で配列された圧縮機１２、タービン構成部品１４、及び発電機１６を含む単純サイクルガスタービン装置１０を示す。圧縮機１２は、加圧された空気を燃焼器２０に供給し、そこで空気は流れ２２を介して供給される燃料と混合される。
【００１３】
水洗浄及び湿り圧縮処理の両方は、圧縮機１２に直接関係する。図２は、圧縮機１２の入口におけるベルマウス２４を略図的な形で示す。ノズル入口に流れ矢印により概略的に示す流れの方向により、従来の水洗浄システムは流れ方向を横切る方向に向いた３つの水マニホルド２６、２８、３０を用い、各マニホルドは単一機能ノズル３２、３４、３６のそれぞれの列を支持していることが理解できる。マニホルド３０のノズル３６は、それぞれマニホルド２６、２８のノズル３２、３４の方向とは反対の方向に面しているので、良好な混合と水滴の形成を確保していることに注目されたい。
【００１４】
図３に移れば、変更された水洗浄装置を示す。図２に示す装置におけると同様に、３つの水マニホルド３８、４０、４２が、圧縮機４４の入口にベルマウス４０に近接して配置される。マニホルドは、二重機能ノズル４６、４８、５０のそれぞれの列に水を供給する。しかしながら、その上に、空気マニホルド５２が水マニホルド３８に接続されるノズル４６に霧化空気を供給し、空気マニホルド５４が水マニホルド４０に接続されるノズル４８に霧化空気を供給し、また空気マニホルド５６が水マニホルド４２に接続されるノズル５０に霧化空気を供給する。
【００１５】
市販されている２流体二重機能ノズル（噴霧器）及び電気機械式ノズル（噴霧器）は、本発明の水洗浄／湿り圧縮複合システムにおける二重機能ノズルとして用いることができる。
【００１６】
２流体噴霧器は、時として空気補助噴霧器または空気噴射噴霧器と呼ばれるが、気体相流体は、空気である必要はない。本系統のノズルに関しては、初期流体力学的不安定性は、空気力学的不安定性により増大される。空気補助噴霧器においては、液体は、薄い円錐状の層に広げられ、次いで高速空気流に曝される。
【００１７】
２流体噴霧器及び電気機械式噴霧器は両方共、霧化機能が用いられない場合には幾つかの共通の特徴を有する。それら両方は、液体の流れと共に始動して液体の層または噴流を生じる。液体と蒸気の間の界面で乱れが生じ、またこれらの乱れが増大してついには流れの中に分解し、ついで液滴になる。液滴は、圧縮機構成部品の所望の清浄化を達成するのに十分な大きさである。
【００１８】
第1の実施形態における二重機能ノズル４６、４８、５０は、イリノイ州ウィートンのＳｐｒａｙｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｃｏ．により販売されている型式の市場から入手可能な２流体ノズル（例えば、「１／２Ｊシリーズ」）とすることができる。１つのそのようなノズルを、図４に示す。このノズルは、ノズル本体組立体５７を含み、ノズル本体組立体５７にはその１端に入口６０を備える主貫通孔５８が形成される。貫通孔５８は、ノズルの吐出端部６６の混合チャンバ６４中に広がる縮小された直径の中央部分６２を有する。ノズル本体中の霧化空気孔６８が、空気を環状空間７０に供給し、環状空間７０は次にはその空気を混合チャンバ６４に供給する。混合チャンバにおいて、水（または他の液体）は霧化空気により破壊されて、液滴が圧縮機を関係なく通過して湿り圧縮のために下流に流れ、そこで気化により中間冷却を施すのに適した粒径に縮小される。霧化空気が孔６８を介して供給されない場合には、中央部分６２を出る水は、チャンバ６４中に流れて、円錐状の層として円錐状のオリフィス７１を通してノズルから流出する。層は、大気により破壊されて、圧縮機のハードウェアに衝突し、それを洗浄するために十分な大きさの水滴を形成する。
【００１９】
第２の実施形態において、それぞれの列のノズル４６、４８、５０の各々はまた、ニューヨーク州ミルトンのＳｏｎｏ−Ｔｅｋ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから現在入手可能な市販の電気機械式超音波噴霧器（図５の１４６）とすることができる。簡単に言えば、このノズルは、組立ボルトまたは他の適当な固締具８０、８２によって一対の圧電ディスク７６、７８の周りに重ね合わされた霧化ホーン７２及び反射ホーン７４を含む。液体入口管８４が、反射ホーン７４とディスク７６、７８を貫いて延び、霧化ホーン７２に螺着可能な液体供給管８６に摺動継手で結合されている。圧電ディスク７６、７８は、膨張及び収縮して、霧化ホーン７２中及び液体供給管８６中に周期的な膨張及び収縮を発生する。これによって、次にノズルに沿って軸方向に伝わる伝達圧力波を生じる。ノズルの長さは、１つの波長に等しく、その結果、ノズル吐出オリフィスまたは出口８８に波腹を持つ定常波パターンが形成される。液体が急速振動する管８４、８６上に導入されると、出口８８における液体と蒸気の間の界面にチェッカーボード模様に似た波パターンが現れる。波頂は、それらが不安定になり崩れる点まで増大し、小さい液滴のミストをノズルから噴出させる。得られる水滴が、圧縮機のハードウェアに衝突することを避け、従って湿り圧縮のための水滴を提供するのに十分に小さくなるように、振動数は選ばれる。
【００２０】
水供給マニホルドの全体的な配列は、図３に示されるようなままにすることができるが、空気マニホルド５２、５４及び５６は、電気導線のために排除されるはずである（すなわち、概略図は同じであるが、空気マニホルドとして示した線は電気導線となるはずである）ことが分かるであろう。
【００２１】
電界が加えられない場合には、圧力波は全く形成されないので、液滴は、圧縮機ハードウェアに衝突してそれを洗浄できるほどの大きさである。
【００２２】
上述の二重機能ノズルは、例示するためだけのものであって、他の適当な二重機能ノズルを用いてもよいことを理解されたい。
【００２３】
本発明を、現在最も実用的でかつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる様々な変形形態及び均等の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  典型的な単純サイクルガスタービン構成の概略図。
【図２】  水をガスタービン圧縮機入口に供給するための水洗浄システムの公知のマニホルド及びノズル装置の概略図。
【図３】  本発明の第１の例示的な実施形態による追加のマニホルド及び二重機能ノズルを用いる変更された水洗浄システムの概略図。
【図４】  本発明の第１の例示的な実施形態において用いられる２流体二重機能ノズルの断面図。
【図５】  本発明の第２の実施形態において用いられる電気機械式二重機能ノズルの断面図。
【符号の説明】
３８、４０、４２  水マニホルド
４４  圧縮機
４６、４８、５０  二重機能ノズル
５２、５４、５６  空気マニホルド
【図１】
0004138295.tif 000002
【図２】
0004138295.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004138295.tif 000005
【図５】
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