(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）中に水を噴射するためのノズル（４０）であって、
流入端と、
吐出端（４４）と、
前記流入端と吐出端の間に延びる本体（４６）と、
前記流入端から前記ノズル吐出端まで前記本体内部で延びる第１の回路（８０）と、
前記流入端から前記ノズル吐出端まで前記本体内部で延びる第２の回路（８２）と、
前記ノズル吐出端に位置し、前記第１及び第２の回路の少なくとも１つに流体連通している旋回器（１００）と、
を含み、
前記ノズル吐出端（４４）は開口（９０）を含み、該開口は耐摩耗材料で被覆されていることを特徴とするノズル（４０）。
【請求項２】
前記第１の回路（８０）は空気回路であり、前記第２の回路（８２）は水回路であり、前記旋回器（１００）は前記第１の回路に流体連通していることを特徴とする、請求項１に記載のノズル（４０）。
【請求項３】
前記ノズルは中心線対称軸（４８）をさらに含み、前記旋回器（１００）は、前記ノズルの中心線対称軸に向かって流体を吐出するような形状になっていることを特徴とする、請求項１に記載のノズル（４０）。
【請求項４】
前記第１の回路（８０）は空気回路であり、前記第２の回路（８２）は水回路であり、前記旋回器（１００）は前記第１の回路に流体連通した空気旋回器であることを特徴とする、請求項１に記載のノズル（４０）。
【請求項５】
前記旋回器（１００）は、前記第１の回路（８０）を通って流れる第１の流体が、前記ノズル本体（４６）を出る前に、前記第２の回路（８２）を通って流れる第２の流体と混合されるような形状になっていることを特徴とする、請求項１に記載のノズル（４０）。
【請求項６】
前記旋回器（１００）は、前記第１の回路（８０）を通って流れる第１の流体が、前記ノズル本体（４６）の下流で前記第２の回路（８２）を通って流れる第２の流体と混合されるような形状になっていることを特徴とする、請求項１に記載のノズル（４０）。
【請求項７】
吐出開口（９０）を備える本体（４６）と、
前記本体の内部に位置し、前記吐出開口に流体連通している水回路（８２）と、
前記本体の内部に位置し、前記吐出開口に流体連通している空気回路（８０）と、
前記吐出開口に近接して前記本体の内部に位置する旋回器（１００）と、
を含み、
前記吐出開口（９０）は、耐摩耗材料で被覆されていることを特徴とするガスタービンエンジン（１０）のための水噴射ノズル（４０）。
【請求項８】
前記旋回器（１００）は、前記水回路（８２）及び前記空気回路（８０）の少なくとも１つに流体連通していることを特徴とする、請求項７に記載の水噴射ノズル（４０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン中に水を噴射するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、一般的に空気などの作動流体を加圧するための、圧縮機組立体を備える。加圧された空気は燃焼器内へ噴射され、そこで流体は加熱され膨張を生じる。次いで、その膨張した流体はタービンによって強制的に押し流される。
【０００３】
公知のガスタービンエンジンの出力は、圧縮機組立体の出口における作動流体の作動温度によって制限される。少なくとも幾つかの公知のタービンエンジンでは、加圧空気から熱を取り除くためにインタクーラなどの圧縮機冷却装置を備えており、圧縮機を出る流れの作動温度を低下させる。温度低下の結果として、圧縮機組立体を通る流量を増大させることによって、出力を増大させることができる。
【０００４】
冷却をさらに促進するために、少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンでは、インタクーラに関連する幾つかの欠点を解決する水噴射装置を備える。そのような装置は、複数のノズルを使用して、エンジン運転中に水を流れの中に噴射する。各ノズルは、ノズルを貫いて延びる空気回路及び水回路を備える。各それぞれの回路を通って流れる空気と水は、先細ノズル先端を通してノズルから吐出される前に、混合される。空気回路は、ノズル先端からある距離だけ上流側に配置された旋回器を備え、この旋回器が旋回を生じさせて水と空気の間の混合を促進する。
【特許文献１】
米国特許５，５１３，７９８公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
旋回器を出る空気は、先細ノズル先端の内部で半径方向内向きに流される前に、下流に向かってある距離流れる。その結果、低圧の高旋回領域が旋回器の下流、に形成され、連続旋回渦の空気中に浮遊している粒状物質を捕捉する可能性がある。時の経過と共に、旋回している粒状物質に曝され続けることは、ノズル先端内部に摩耗侵食を生じさせる可能性がある。さらに、空気装置からの復水あるいは、水回路から空気回路に引き込まれた水による、空気回路内に捕捉された何らかの水滴があれば、発生する侵食の度合いが増大する可能性がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
例示的な実施形態において、ガスタービンエンジンのためのノズルは、ノズル内部の侵食を減少させるのを促進する空気回路と水回路とを備える。ノズルの空気回路は、ノズルに沿って延びる第１の導管によって形成される。ノズルの水回路は、これもまたノズルに沿って延び、第１の導管から半径方向内側に位置する第２の導管によって形成される。各回路は、吐出開口に流体連通している。吐出開口に隣接する空気旋回器は、水回路を出る水噴霧に向かってまたその中に空気を吐出する。空気旋回器は、空気回路を通って流れる空気に旋回を生じさせる。
【０００７】
運転中、空気は空気回路を通って流れ、水は水回路を通って流れる。空気回路から吐出される空気は旋回器で旋回を与えられ、水回路から吐出された水に衝突する。より具体的に言うと、空気はノズル内部で水を霧化するのを促進する。霧化された水は、エンジン出力を増大させるために圧縮機流路を蒸発により冷却する。１つの実施形態において、多量の水滴はエンジン内で蒸発し、作動温度を低下させ、エンジン最大出力の増大を促進する。さらに、旋回器はノズル吐出開口に隣接しているため、旋回空気流は旋回器から吐出された後、直ちに水に衝突する。その結果、旋回器は、ノズル内部に水滴あるいは粒状物質が滞留するのを除去するのに役立つ。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を備えるガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を備える。圧縮機１４は、定容型圧縮機であり、複数の可変ベーン（図１に図示せず）及び複数の固定ベーン（図示せず）を備える。圧縮機１２及びタービン２０は、第１のシャフト２４によって連結されており、また圧縮機１４とタービン１８は、第２のシャフト２６によって連結されている。
【０００９】
運転中、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４へ供給される。その高度に加圧された空気は、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からの排出ガスは、回転タービン１８及び２０を駆動し、ノズル２８を通してガスタービンエンジン１０を出る。
【００１０】
図２は、図１に示すガスタービンエンジン１０のようなガスタービン中に水を噴射するため使用することができるノズル４０の例示的な実施形態の側面図である。ノズル４０は、低圧圧縮機１２と高圧圧縮機１４との間に配置され、流入端４２、吐出端４４及びそれらの間に延びる本体４６を備える。ノズル４０は、流入端４２から吐出端４４まで延びる中心線対称軸４８を持つ。流入端４２は、空気ノズル５６と水ノズル５８を含むヘッド５４を備える。流入端の空気ノズル５６は、空気源（図示せず）から延びる空気管（図示せず）に連結される。１つの実施形態において、空気源は圧縮機空気である。流入端の水ノズル５８は、水源（図示せず）から延びる送水管（図示せず）に連結される。流入端４２はまた、流入端の空気ノズル５６から流入端の水ノズル５８まで延びる中心線対称軸６０を備える。
【００１１】
ノズル本体４６は、ノズル本体の対称軸４８が流入端の対称軸６０にほぼ垂直になるように、流入端から延びている。本体４６は中空であり、取付けフランジ７０及び取付け部７２を備える。取付けフランジ７０は、エンジンケース（図示せず）にノズル４０を取付けるために使用され、取付け部７２は、エンジンケースにノズル４０を係合させるのに役立つ。
【００１２】
図３は、ノズル４０の吐出部７４の拡大概略断面図である。ノズル４０は、空気回路８０及び水回路８２を備える。各回路８０及び８２は、ノズル流入端４２（図２に示す）からノズル吐出端４４まで延びる。より具体的に言うと、空気回路８０は外側管状導管８４によって形成され、水回路８２は内側管状導管８６によって形成される。空気回路導管８４は、流入端の空気ノズル５６（図２に示す）からノズル吐出端４４までノズル４０内部を延びる。水回路導管８６は流入端の水ノズル５８からノズル吐出端４４までノズル４０内部を延びる。水回路導管８６は、環形空間８８が水回路導管８６と空気回路導管８４の間に形成されるように、空気回路導管８４から半径方向内側に位置する。導管８４及び８６内部を流れる流体は、ノズルの中心線対称軸４８とほぼ平行にノズル本体４６を通って流れる。
【００１３】
ノズル吐出端４４は、ノズル本体４６から延びる。より具体的に言うと、ノズル吐出端４４はノズルの中心線対称軸４８に向かって先細になっている。より具体的に言うと、ノズル吐出端４４は先細になっているため、空気回路導管８４は半径８９を備える。半径８９により、空気回路導管８４はノズルの中心線対称軸４８に向かって傾斜している。開口９０は、ノズル外側表面９２から中心線対称軸４８に沿って内向きに延びる。水回路導管８６及び空気回路導管８４は、ノズル吐出開口９０に流体連通している。
【００１４】
開口９０は、該開口９０が上流部９６と下流部９８を備えるように、ノズル吐出壁９４で形成される。開口上流部９６はほぼ円筒形であり、開口下流部９８は開口上流部９６から末広がりに延びる。１つの実施形態において、開口壁９４は、それに限定されないが、例えばセラミックコーティングなどの耐摩耗材料で被覆される。
【００１５】
環状の空気旋回器１００は、空気回路の環形空間８８の中でノズル吐出端４４の内部に位置する。旋回器１００は、旋回器を通って流れる空気に旋回運動を生じさせる。空気旋回器１００は、空気旋回器１００の後縁１０２が、開口上流部９６に対してほぼ接線方向に位置合わせされるようにして、空気回路導管の半径８９の下流側でノズル吐出開口９０に隣接して配置される。さらに、空気旋回器１００は、ノズルの中心線対称軸４８に対して、傾斜して位置合わせされる。より具体的に言うと、環形空間８８を通って流れる空気は、旋回器１００を通って流れ、ノズルの中心線対称軸４８に向かって下流方向にまた水回路８２中に吐出される。
【００１６】
運転中、空気は空気回路８０を通って流れ、水は水回路８２を通って流れる。ノズル４０は、多量の水滴を発生させるために、空気を加圧された水と組み合わせて使用する。旋回器１００を通して空気回路８０から吐出された空気は旋回していて、水回路８２から吐出された水に衝突する。より具体的に言うと、空気はノズル４０の内部で水と混合され、ノズル４０からガス流路中に吐出される。水は空気と混合され、エンジン出力を増大させるために、空気流を蒸発により冷却する。１つの実施形態において、多量の水滴は圧縮機１４（図１に示す）の内部で蒸発し、それによって、圧縮機内の吐出温度の低下を促進し、その結果、エンジン最大出力の増大を促進する。さらに、旋回器１００は、ノズル吐出開口９０に隣接しているので、旋回器１００を出る旋回空気流は、直ちに水滴に衝突する。その結果、旋回空気流は、水滴あるいは粒状物質のノズル吐出端４４内部での滞留を除去するのに役立つ。
【００１７】
図４は、図１に示すガスタービンエンジン１０のようなガスタービン中に水を噴射するために使用できるノズル１２０の他の実施形態の概略断面図である。ノズル１２０は、図３に示すノズル４０に実質的に類似しており、ノズル４０の構成部品と同一であるノズル１２０の構成部品は、図３で使用した同一参照番号を使用して、図４において特定する。従って、ノズル１２０は、空気回路８０、水回路８２及びノズル本体４６を備える。ノズル本体４６は、ノズル吐出端１２２まで延びる。
【００１８】
各回路８０及び８２は、ノズル流入端４２（図３に示す）からノズル吐出端１２２に向かって延びる。より具体的に言うと、水回路導管８６は、ノズル流入端４２からノズル吐出端１２２まで延び、ノズル吐出端開口９０に流体連通している。空気回路導管８４は、ノズル流入端４２からノズル吐出端１２２に向かって導管端部１２４まで延びる。導管端部１２４は、吐出端１２２の外側表面１３２から距離１３０の位置にある。
【００１９】
環状の旋回器１３４は、吐出端の外側表面１３２と空気回路の導管端部１２４の間を流体連通して延びる。旋回器１３４は、空気回路導管８４を出る空気に旋回運動を生じさせる。空気旋回器１３４は、ノズル吐出開口９０から半径方向外側にあり、ノズルの中心線対称軸４８に対して、傾斜して位置合わせされる。より具体的に言うと、環形空間８８を通って流れる空気は、旋回器１３４を通って流れ、ノズルの中心線対称軸４８に向かって下流方向にまた水回路８２から吐出された水の中に吐出される。
【００２０】
運転中、空気は空気回路８０を通って流れ、水は水回路８２を通って流れる。旋回器１３４を通して空気回路８０から吐出された空気は、旋回していて、水回路８２から吐出された水に衝突する。より具体的に言うと、空気は、ノズル１２２の下流で水と混合されて、エンジン出力を増大させるために空気流を冷却する。１つの実施形態において、水と空気は、ノズル１２２の下流で混合され、圧縮機１４（図１に示す）の内部で蒸発し、それによって、圧縮機内の吐出温度の低下を促進し、その結果、エンジン最大出力を増大させることができる。さらに、水と空気はノズル１２２の下流で混合されるため、ノズル吐出開口９０は、ただ１つの流体に曝され、従ってノズル吐出開口壁９４に対する侵食をより少なくするのに役立つ。
【００２１】
上述の水噴射ノズルは、コスト効果があり、かつ高い信頼性がある。例示的な実施形態において、ノズルは吐出開口に隣接して配置された空気旋回器を備える。ノズルを通って流れる空気は、旋回器で旋回を与えられ、半径方向内向きに吐出されてノズルを通って流れる水に衝突する。その旋回空気は、水と混合され、ノズルから吐出される。その結果、このノズルにより、コスト効果と信頼性のある方法で、作動温度を低下させ、ガスタービンエンジンの性能を増大させることを促進する。
【００２２】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者には、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で、本発明を実施できることが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】  図１に示すガスタービンエンジン中に水を噴射するのに使用することができるノズルの例示的な実施形態の側面図。
【図３】  図２に示す区域３によるノズルの一部の拡大概略断面図。
【図４】  図１に示すガスタービンエンジン中に水を噴射するために使用することができるノズルの一部の他の実施形態による拡大概略断面図。
【符号の説明】
４０  ノズル
４２  流入端
４４  吐出端
４６  ノズル本体
４８  ノズルの中心線対称軸
８０  第１の回路（空気回路）
８２  第２の回路（水回路）
８４  空気回路導管
８６  水回路導管
８８  環形空間
８９  半径
９０  吐出開口
９２  ノズル外側表面
９４  ノズル吐出壁
１００  旋回器
【図１】
0004111706.tif 000002
【図２】
0004111706.tif 000003
【図３】
0004111706.tif 000004
【図４】
0004111706.tif 000005