JP2004176720A - ガスタービンのための水噴霧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの吸入空気流内に水および／または蒸気を導入するための、従来形式の水噴霧装置を改良して、圧縮機内への流入空気の導入に関連して発生する高い騒音負荷を、簡単な構造で付加的に減少させることができるようなものを提供する。
【解決手段】水および／または蒸気をガスタービン１〜３の吸入空気流１０，２７内に導入するための水噴霧装置２６において、当該水噴霧装置２６が、消音のための手段３１，３５を有しているようにした。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は、水および／または蒸気をガスタービンの吸入空気流内に導入するための水噴霧装置と、ガスタービンの出力を増大させるための方法とに関する。

水または蒸気、または別の適当な液体もしくは複数の液体の混合物の、ガスタービンの作業媒体内への供給装置が、ガスタービンによって発生可能な出力を増大させるために使用され得ることが公知である。この場合、付加的な出力は、一方では、供給された水の冷却作用によって得られ、この冷却作用によってガスタービンのより高度のファイヤリングが可能になる。他方では、水もしくは蒸気の供給によって、タービン羽根を通過する質量流が増大させられ、ひいては出力も増大させられる。

この場合、水は蒸気の形で、すなわち湿った空気の形で供給され得るかまたは小さい滴の形で供給され得る。換言すれば、水は飽和限界を上回って供給され得る。「オーバフォギング」（over-fogging）として公知であるこの技術は、一般的には、所定のサイズの小さい液体滴が空気流に供給され、この空気流が圧縮機内に導入される（いわゆる「ウェットコンプレッション」（wet compression））ことによって遂行される。この技術によって、ガスタービンの使用可能な出力を増大させることが可能となる。なぜならば、流入空気の圧縮に必要な作業が減少されるからである。これは、流入空気流が圧縮機段を通過する時に、流入空気流の蒸発エネルギがこの流入空気流を冷却するという事実のためである。

前記のいわゆる「ウェットコンプレッション」がガスタービンとの関連において記載されている多数の文献が存在する。例えばアメリカ合衆国特許第５９３０９９０号明細書と、一部分がその続きであるアメリカ合衆国特許第５８６７９７７号明細書との両方に、「ウェットコンプレッション」を使用してガスタービンの出力を増大させるための装置および方法が記載されている。他方では、国際公開第００／５０７３９号パンフレットには、破壊的な「ウェットコンプレッション」を監視するための特別な装置、すなわち、この方法において生じるガスタービンの歪みを監視し、かつ場合によっては水の供給を相応に制御する装置が記載されている。この関連における１つの別の文献が、アメリカ合衆国特許第６２１６４４３号明細書であり、同明細書にもやはり、小さい液体滴が圧縮機の流入空気流内に導入され、しかもこの導入が圧縮機と消音器（いわゆる「サイレンサ」（silencer））の下流側との間で行われるようになっている装置が記載されている。この場合、空気流に供給される滴は、１マイクロメートル〜５０マイクロメートルの、独特の滴サイズを有している。同じ出願人の別の文献、すなわち、前記アメリカ合衆国特許第６２１６４４３号明細書に対する親出願であるアメリカ合衆国特許第６３７８２８４号明細書には、液体滴が圧縮機の上流側の空気流に添加され、しかもこの液体滴が少なくとも部分的に、圧縮機内への流入部の手前で蒸発し、ひいては前記空気流を冷却し、次いで圧縮機内で、前記空気流が引き続き冷却されるうちに完全に蒸発するようになっているガスタービンが記載されている。この場合、液体滴は、空気スリットを備えた流入部金属薄板の下流側で（この下流側には、一般的に、さらに空気フィルタまたは消音器が配置されている）、空気流内に導入される。
アメリカ合衆国特許第５９３０９９０号明細書 アメリカ合衆国特許第５８６７９７７号明細書 国際公開第００／５０７３９号パンフレット アメリカ合衆国特許第６２１６４４３号明細書 アメリカ合衆国特許第６３７８２８４号明細書

したがって本発明の課題は、水および／または蒸気をガスタービンの吸入空気流内に導入するための水噴霧装置を提供することである。このような水噴霧装置は、既に冒頭に述べたように、ガスタービンの出力を増大させるために使用される。なぜならば、水噴霧装置の使用によって質量流が増大されかつ温度が降下させられ、ひいては材料負荷が同じでありながら比較的に高いファイヤリングが可能となるからである。

この課題を解決するために本発明の構成では、当該水噴霧装置が、消音のための手段を有しているようにした。

したがって本発明の核心は、従来技術によれば一般的であるように例えば単純な格子を水噴霧装置として使用するのではなく、むしろ、圧縮機内への流入空気の導入に関連して発生する高い騒音負荷を、付加的に減少させることができる水噴霧装置を使用することにある。したがって、流入空気流内において別の消音器を全く使用しなくてよいか、または前記のような水噴霧装置を既に存在する消音器と組み合わせ、かつこれにより騒音負荷をさらに減少させることが可能である。驚くべきことに、簡単な構造でありながら、消音器を設けなくてよいかまたは騒音負荷がさらに減少され得るのである。したがって、既に存在する設備の増設との関連では、前記のような水噴霧装置が特に適している。

公知の消音器は、一般的には、空気流に対して平行にかつ並べて配置された管のパッケージとして形成されている。本発明の第１の有利な実施態様によれば、消音のための前記手段は、吸入空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エレメントとして、相応に形成される。驚くべきことに、このような消音性の構造体が極めて良好に、水および／または蒸気もしくは小さい水滴の導入装置を兼ねることができ、かつそれどころか前記のような管構造体内の流れ特性によって滴形成が簡単に実行され得ることが判っている。さらに、前記のような構造体の消音作用は、前記エレメント間の中空室が消音性を備えて形成されることによって改善され得る。このことは例えば、管状の前記エレメントに適宜なコーティングが備えられることによってかまたは前記エレメント間の中間スペースが、例えばフォームのような特別な消音材料で充填されることによって可能となる。

本発明の別の有利な実施態様によれば、（例えば１０〜５０μｍの範囲内の滴サイズを備えた小さい滴の形の）水および／または蒸気は、ノズルを介して吸入空気流内に導入され、しかもこのノズルは、管状の前記エレメントの内側に配置されていて、水を内室内に噴入するようになっている。この場合、有利には各エレメントにつき少なくとも２つのノズルが、円周上に分配して設けられている。典型的には例えば４つのノズルが円周上に分配され、しかもこれらのノズルは、流れ方向でずらして配置されていてよいかまたは流れ方向で同一の円周上に同じ高さで配置されていてよい。

本発明のさらに別の有利な実施態様の特徴は、管状の前記エレメントがその長さに沿って多様な直径を有していることにある。換言すれば、消音器は一般的に円筒形の管状のエレメントではあるが、その必要はないということである。管状の前記エレメントは、有利には、中央の領域に狭窄部を有しており、しかもこの狭窄部は特に、前記エレメントが流入部側および流出部側でほぼ同じ直径を有していて、かつ中央の領域で２０〜３０％だけ小さい直径を有しているように形成されている。換言すれば、管状の前記エレメントは、ベンチュリ管のような構成を有している。少なくとも１つの狭窄部を備えた、前記のような特別な管状のエレメントが使用される場合、前記ノズルが前記狭窄部の領域に配置されていると、空気流内への水滴の導入が極めて特に良好に助成されることが判っている。この場合、滴形成は、狭窄部の領域において上昇した空気流の流れ速度によって助成され、したがって、所定のサイズの小滴を生ぜしめるための、一般的に使用される極めて複雑でかつ精密なノズルを、事情によっては設けなくてよくなる。なぜならば、小滴は流れ特性によって自動的に粉砕されるからである。

本発明のさらに別の有利な実施態様は、少なくとも２つの支持する壁が、吸入空気流の流れ方向に対してほぼ垂直に配置されており、前記壁間で水が供給されるようになっており、かつ前記壁内に、管状の前記エレメントが、前記壁を貫通する形式ではめ込まれているという特徴を有している。したがって、特別に安定した構造が得られ、さらに、この構造によってノズルへの水供給が簡単化される。

本発明による水噴霧装置のさらなる有利な実施態様は、従属請求項に記載してある。

本発明は、さらに、ずっと前に述べたように、水噴霧装置を使用してガスタービンの出力を増大させるかまたは出力を調整するための方法に関する。この場合、水噴霧装置は特に有利には次のように、すなわち、水が実質的に第１の圧縮機段および／または第２の圧縮機段のすぐ上流側で、かつ場合によっては別の消音器の下流側で、吸入空気流内に噴入されるように配置されている。

本発明による方法のさらなる有利な実施態様は、従属請求項に記載してある。

以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、本発明による水噴霧装置が典型的に使用され得るガスタービン設備の概略図を示してある。この設備は、第１の圧縮機段１と第２の圧縮機段２とを有している。前記第１の圧縮機段１は、吸入空気１０を第１の圧力段にもたらし、前記第２の圧縮機段２では、部分的に圧縮された吸入空気流１１が、最終的な圧力段に高められる。次いで、完全に圧縮された吸入空気１２が燃焼器８に供給され、この燃焼器８内で燃料９が燃焼させられる。熱い燃焼ガス１３がガスタービン３へと案内され、このガスタービン３内で弛緩させられる。その際発生した、依然として熱い弛緩させられたガス１４は、ガスタービン３の下流側に接続された排熱ボイラ１５内でさらに冷却され、この排熱ボイラ１５の下流側で初めて煙突１６を介して周囲に放出される。両圧縮機段１，２並びにガスタービン３は共通の軸６に配置されており、この軸６は発電機５を駆動する。排熱ボイラ１５内では、供給された水１７が、場合によっては多段のプロセスで加熱されかつ蒸発させられ、発生した蒸気１８は、さらなるエネルギ発生のための蒸気タービン４内で弛緩させられる。この蒸気タービン４は、別個の発電機に接続されていてよいか、または図１に示したように、共通の軸６における連結装置７を介して、同じ発電機５を駆動することができる。

出力を増大させるために、水噴霧装置を介して吸入空気流１０に、小滴状の水２０が供給される。図１には、第１の圧縮機段１の上流側で水が供給される様子を示してある。しかしながら、択一的にまたは付加的に、部分的に圧縮された吸入空気１１の経路内に水を導入することも可能である。

図２には、図１に示したガスタービン設備の吸入空気経路の概略図を示してある。吸入空気１０は、典型的には、まずフィルタ２３を通って案内され、しかも場合によっては、このフィルタ２３の上流側に、空気スリットを備えた壁または金属薄板が接続されている。同じく吸入空気１０の経路内には消音器２５が設けられており、この消音器２５は、吸入時に生じる騒音を抑制すべきものである。本発明による水噴霧装置は、このような吸入経路内で種々異なる箇所に設けられ得る。一方では、本発明による水噴霧装置を例えば冷却ユニット２４として、フィルタ２３の下流側でかつ消音器２５の上流側に設けることが可能である。それどころかこのような水噴霧装置自体が消音特性を有しているので、原則的には消音器２５を設けなくてもよい。択一的にまたは付加的に、このような水噴霧装置を消音器２５の下流側に配置することが可能である。この場合、図２に示したように、水・霧化格子が、屈曲した経路において種々異なる箇所に配置され得る。屈曲した前記経路では、まず、比較的に高い平面に吸入空気通路２２が設けられており、変向後に吸入空気コレクタ２１が設けられている。参照符号２６ｃで示してあるように吸入空気通路２２内で消音器２５のすぐ下流側に設けられているか、または参照符号２６ａで示してあるように変向箇所のすぐ傍に設けられているか、または参照符号２６ｂで示してあるように、実質的に圧縮機１／２内への入口のすぐ上流側に設けられている。

同時に消音作用をも有している、本発明による水噴霧装置２６が実際にどのように構成されているかは、図３に例示してある。この場合、水噴霧装置２６は管状のエレメントを有しており、このエレメントは図３ではベンチュリ管３１として形成されている。換言すれば、このエレメント３１は円筒形のエレメントではなく、むしろ中央の領域に狭窄部を有している管である。この場合、狭窄部の前記領域における流れ速度は、流入部における速度もしくは前記管からの流出部における速度よりもはるかに高い。個々のベンチュリ管３１は、平行に並んで吸入空気の流れ方向に配置されている。これらの個々のベンチュリ管３１は、図３ｂ）に示してあるように、円形の横断面を有していてよい。しかしながら、できるだけ密なパッケージを可能にするためには、個々のエレメントに多角形の横断面を備えて、例えば６角形の横断面を備えて形成することも可能であり、これにより、中間スペースが可能な限り小さくなるハニカム状の配置形式が実現され得る。図３に示してあるように、このような装置の支持構造体は、少なくとも２つの壁３４によって実現される。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間には、水２９の供給部が簡単に実現され得る。両壁３４は相応に孔を有しており、この孔内に前記ベンチュリ管３１がはめ込まれているかもしくは溶接されている。吸入空気２７は個々のエレメント内に流入し、横断面の狭窄部によって、この狭窄部の領域において流れ速度が上昇する。この狭窄部の領域では円周上に個々のノズル３３が配置されており、これらのノズル２２を通って、供給される水２９が、高い速度で流れる空気流内に噴入される。図３ｂ）に示してあるように、例えば６つのノズルが円周上に分配されている。この場合、ノズルは有利には、１〜５０μｍの範囲内のサイズの小滴が形成されるように選択される。この小滴形成はベンチュリ管３１内で最も狭い箇所において、独特の流れによってさらに助成される。したがって、水噴霧装置２６の下流側で、湿った空気２８が流出する。個々のベンチュリ管３１間の中間スペースには、中空室３５が形成される。この中空室３５は、消音作用をさらに助成するために、適宜な材料で充填され得る。これには、例えば特別な発泡材料が適している。消音作用は、さらに、従来形式の消音器の構造の分野に基づき公知の適宜なコーティングによって助成され得る。

図４には、前記のようなベンチュリ管３１の独特の構造形式の、別の実施例を示してある。全ての水噴霧装置を形成するためには、前記のようなベンチュリ管３１は、可能な限り密なパッケージで並べて配置される。ベンチュリ管３１は、この事例では、構造を簡単化するために個々のエレメントから形成されている。流入側には流入部エレメント３６が設けられており、この流入部エレメント３６は、いわばトランペット状に形成されている。前記管３１はその狭窄した領域に、円筒形の区分を有している。この区分はリングエレメント３７によって形成される。このリングエレメント３７はその円周上に分配して、この事例では４つの孔を有しており、これらの孔がノズル３３として働く。前記リングエレメント３７の下流側には、流出部エレメント３８が配置されており、この流出部エレメント３８は流れ横断面を、実質的に前記流入部エレメント３６内への流入部における流れ横断面になるように拡大し、かつディフューザとして働く。

この構造形式によって、前記のような水噴霧装置の簡単な構造が可能になる。なぜならば、水２９がその間を通って供給されるようになっている２つの側壁３４内に、適宜に間隔を置いて配置された貫通した孔が設けられるだけでよいからである。次いで、これらの孔内に、精密に製作すべき開口３３を有しているリングエレメント３７がはめ込まれ、かつ壁３４に溶接され得る。択一的に、孔に雌ねじ山を備え、かつリングエレメント３７には対応する雄ねじ山を備え、これによりリングエレメント３７が簡単に孔にねじ込まれ得るようにすることが可能である。次いで流入側で流入部エレメント３６が、リングエレメント３７内に設けられた対応する段状の拡大部内にはめ込まれ、これにより、生ぜしめられた管３１の内壁が可能な限り平滑化される。他方また、前記エレメント３６はリングエレメント３７に溶接され得るかまたはねじ固定され得る。同様に、流れとは逆の側から流出部エレメント３８が、リングエレメント３７の対応する拡大部内にはめ込まれ、かつこのリングエレメント３７に堅固に結合される。

前記のようなベンチュリ管３１は、典型的には、流入部もしくは流出部では２０〜１００ｍｍの範囲内の直径を有していて、狭窄した領域では３０〜６０ｍｍの直径を有している。吸入経路内の狭窄部によって生じる流れ抵抗と、ひいてはこの流れ抵抗に伴う効率損失とがあまり大きくならないようにするために、流入部における直径対最も狭い箇所の直径の比の値は、通常、２よりも大きくはないであろう。

２つの圧縮機段を備えたガスタービン設備の概略図である ガスタービン設備と、このガスタービン設備の、圧縮機に通じる空気供給部との別の概略図である 空気流に対して垂直方向で見た水噴霧装置の断面図である 図３ａ）に示した水噴霧装置の、空気流に対して平行方向で見た図である 水噴霧装置の個々のベンチュリ管エレメントの詳細な部分図である

符号の説明

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 連結装置
８ 燃焼器
９ 燃料管路、燃料
１０ 吸入空気
１１ 部分的に圧縮された吸入空気
１２ 圧縮された空気
１３ 熱い燃焼空気、熱ガス
１４ 排ガス
１５ 排熱ボイラ
１６ 煙突
１７ 排熱ボイラに通じる管路（水）
１８ 排熱ボイラから出る管路（蒸気）
１９ 蒸気タービンの出口
２０ 吸入空気のための水の供給部
２１ 吸入空気コレクタ
２２ 吸入空気通路
２３ フィルタ
２４ 冷却ユニット
２５ 消音器
２６ 水・霧化格子
２７ 霧化格子の上流側の吸入空気
２８ 霧化格子の下流側の湿った空気
２９ 供給される水
３０ 吸入空気コレクタ２１もしくは吸入空気通路２２の側壁
３１ ベンチュリ管
３２ 供給される水２９のための通路
３３ ノズル
３４ 前記通路３２の側壁
３５ ベンチュリ管３１間の中空室
３６ ベンチュリ管３１の流入部エレメント
３７ リングエレメント
３８ ベンチュリ管３１の流出部エレメント

Claims (10)

1. 水および／または蒸気をガスタービン（１〜３）の吸入空気流（１０，２７）内に導入するための水噴霧装置（２６）において、当該水噴霧装置（２６）が、消音のための手段（３１，３５）を有していることを特徴とする、ガスタービンのための水噴霧装置。
2. 前記手段（３１，３５）が、吸入空気流（１０，２７）の流れ方向に対してほぼ平行に配置された管状の複数のエレメント（３１）として形成されている、請求項１記載の水噴霧装置。
3. 前記エレメント（３１）間の中空室が、消音性を備えて形成されている、請求項２記載の水噴霧装置。
4. 水および／または蒸気が、ノズル（３３）を介して吸入空気流内に導入され、ノズル（３３）が、管状の前記エレメント（３１）の内側に配置されていて、水を内室内に噴入するようになっており、有利には各エレメント（３１）につき少なくとも２つのノズル（３３）が、円周上に分配して設けられている、請求項２または３記載の水噴霧装置。
5. 管状の前記エレメント（３１）がその長さに沿って多様な直径を有しており、しかも前記エレメント（３１）が、特に有利には中央の領域に狭窄部を有しており、該狭窄部が特に次のように、すなわち、前記エレメント（３１）が流入部側および流出部側でほぼ同じ直径を有していて、かつ中央の領域で２０〜３０％だけ小さい直径を有しているように形成されている、請求項２から４までのいずれか１項記載の水噴霧装置。
6. 前記ノズル（３３）が、狭窄部の領域に配置されている、請求項４または５記載の水噴霧装置。
7. 少なくとも２つの支持する壁（３４）が、吸入空気流（１０，２７）の流れ方向に対してほぼ垂直に配置されており、前記壁（３４）間で水（２９）が供給されるようになっており、かつ前記壁（３４）内に、管状の前記エレメント（３１）が、前記壁（３４）を貫通する形式ではめ込まれている、請求項２から６までのいずれか１項記載の水噴霧装置。
8. 水が、１０〜５０μｍの範囲内の小滴サイズで、吸入空気流（１０，２７）内に前記ノズル（３３）を介して噴入されるようになっている、請求項１から７までのいずれか１項記載の水噴霧装置。
9. ガスタービン（１〜３）の出力を増大させるかまたは出力を調整するための方法において、請求項１から８までのいずれか１項記載の水噴霧装置（２６）を使用することを特徴とする方法。
10. 当該水噴霧装置（２６）によって水を、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）のすぐ上流側で、かつ場合によっては別の消音器（２５）の下流側で、吸入空気流（１０，１１，２７）内に噴入する、請求項９記載の方法。

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