JP2009047169A - ガスタービンエンジンの加圧吸気蒸発冷却用の装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンへの取入部（９）用の空気を冷却するための装置を提供する。
【解決手段】本装置は、取入部（９）への空気流内に水スプレー（１３）を生成するための加圧水配管及びノズル装置（１７）と、そのスプレー（１３）を受けかつ空気流内で空気の加圧を生じさせるための蒸発媒体（１４）とを含む。
【選択図】 図４

Description

本明細書の教示は、ガスタービンエンジンに関し、具体的には、ガスタービン吸気冷却用の加圧蒸発冷却システムに関する。

典型的なガスタービンエンジン用の蒸発冷却システムは、ガスタービン用の吸気フィルタハウス内に設置されかつフィルタ要素の下流に配置される。蒸発冷却（器）システムの機能は、機械への吸入空気を水の蒸発により冷却することによってエンジンからの出力を増大させることである。典型的なガスタービン蒸発冷却器モジュールは、外側蒸発冷却器シェル、蒸発冷却器媒体パッド、水分配配管及びサンプを含む。水分配及び回収システムの実施形態では、蒸発冷却に必要な水と共に媒体を供給する。幾つかの実施形態はさらに、蒸発冷却器システムの下流にドリフトエリミネータシステムを含み、ドリフトエリミネータシステムは、媒体からガスタービンエンジン内へのあらゆる水の持越しを防止する。

従来型の蒸発冷却器システムでは、水は、蒸発冷却器媒体上を媒体パッドの頂部から底部まで流れる。この水は、頂部から底部まで媒体を飽和させる。吸気フィルタによって濾過された周囲空気は、蒸発冷却器媒体を通って流れ、水が蒸発する。それにより、周囲空気は、タービンに流入する前に冷却されることになる。媒体内で蒸発しない水は、多孔性の媒体パッドを通ってしたたり落ちかつ媒体の底部におけるサンプ内に回収される。この水は、媒体を通って再循環される。

蒸発冷却システムの使用によりガスタービンの効率が向上するが、システム及びその他の構成要素をガスタービンの吸気口の前方に配置することは、圧力降下を引き起こし、それがタービンに対する負荷を構成することになる。

典型的なガスタービン取入部圧力降下の値は、水柱１インチ〜水柱６インチほど変化する。この取入部抵抗は、ガスタービンからの出力を低下させる。一般的に、１インチの吸気圧力降下は、商業用サイズガスタービンエンジンの場合に１．０〜２．０ＭＷの出力損失をもたらす。吸気フィルタハウスにわたる圧力降下を減少させることができた場合には、ガスタービンエンジンは、より大きな出力を発生することができることになる。

図１は、フィルタ要素の下流に蒸発冷却器システムを備えた典型的な従来技術のガスタービン取入部濾過システムを示している。加えて、蒸発冷却器媒体の図及び蒸発冷却器システムの側面図を示している。蒸発冷却器の前方の濾過モジュールは一般的に、複数の空気フィルタを含む。

図２は、蒸発冷却器媒体を備えた従来型の蒸発冷却器システムの三次元（３Ｄ）図を示している。媒体の下流にはドリフトエリミネータを示しており、ドリフトエリミネータは、媒体を越えて持込まれる可能性があらゆる水を除去する。図３は、従来型の蒸発冷却システムの高レベルの概略態様の図であり、この図は、頂部から媒体上までの水分配のメカニズムを示している。この図は、頂部からの水の流れ及び横方向への空気流を示す蒸発冷却器媒体の詳細図を示している。
米国特許第６，０１９，８２０号明細書

従って、必要とされるものは、従来技術の冷却システムで生じていた負荷を制限し、減少させ又は排除しながらガスタービンに吸気冷却をもたらす、本明細書に開示した方法のような方法である。

実施形態では、ガスタービンへの取入部用の空気を冷却するための装置を提供し、本装置は、取入部への空気流内に水スプレーを生成するための加圧水配管及びノズル装置と、そのスプレーを受けかつ空気流内で空気の加圧を生じさせるための蒸発媒体とを含む。

別の実施形態では、ガスタービンの取入部を充填する方法を提供し、本方法は、取入部の上流で空気流内に水をスプレーする段階と、空気流内で空気の加圧を生じさせる段階とを含む。

さらに別の実施形態では、ガスタービンの出力効率を高めるための装置を提供し、本装置は、取入部用の空気流内に水をスプレーすることによってガスタービンへの取入部における空気を加圧するための手段を含む。

次に、幾つかの図において同様の要素には同じ参照符号を付した図面を参照する。

本明細書に開示するのは、ガスタービンエンジン用の加圧蒸発冷却システムである。本加圧蒸発冷却システムは、ガスタービンに対して従来技術の冷却システムで生じていた負荷を制限し、減少させ又は排除することの少なくとも１つによって、従来の蒸発冷却システムに優る改良された性能を提供する。

ここで図４を参照すると、加圧蒸発冷却システム１０の例示的な実施形態を示している。加圧蒸発冷却システム１０に含まれるのは、その各々が空気チャージャ水スプレー１３を生成する複数の空気チャージャ水スプレーノズル１２である。空気チャージャ水スプレー１３の各々は、低圧力勾配蒸発媒体１４内に導かれる。低圧力勾配蒸発媒体１４の下流には、ドリフトエリミネータ１５が含まれる。ドリフトエリミネータは、とりわけ低圧力勾配蒸発媒体１４からガスタービンの取入部９内への水の持越しを防止する。

蒸発用の水は、ノズル１２を使用して低圧力勾配蒸発媒体１４上に噴霧（スプレー）される。スプレー水は、扇形に広がりかつ媒体を濡らして、空気を冷却させる。加えて、スプレー水は、空気ストリーム内の取入部用空気を取入部９に向かって押し、それによってガスタービン吸気口を加圧する。

図４には、加圧水配管及びノズル装置１７からスプレーされた水の２つの円錐形１６を示している。加圧水配管及びノズル装置１７は一般的に、ポンプ、分配配管、流量レギュレータ、ノズル１２、及び水スプレー１３を生成するために有用なその他の構成要素を含む。水スプレー１３は、円錐形１６として又は幾つかの他の形態として実現することができる。この実施形態では、円錐形１６は、低圧力勾配蒸発媒体１４上に向けて空気流の方向に空気流路内にスプレーすることができる。水がスプレーされると、低圧力勾配蒸発媒体１４は水で飽和し、空気が媒体上を流れるときに空気を冷却し、次に冷却空気は、タービンの取入部９に流入する。加えて、水スプレー１３は、取入部９に向かって空気を押す。その結果、空気の速度及び圧力の両方が上昇し、ガスタービンの効率を向上させる。水スプレー１３による運動量は、少なくとも部分的に水ファン（扇形に広がった水）から空気ストリームに伝達され、従って空気圧力の上昇を引き起こす。

加圧蒸発冷却システム１０の設計は、所望の加圧の程度及びあらゆる関連する特性を検討しかつ考慮に入れることができる。

低圧力勾配蒸発媒体１４は、スプレーシステムとの協働するように設計される。例えば、低圧力勾配蒸発媒体１４により、向上した圧力降下対空気速度特性及びより良好な濡れ性能が得られる。従って、達成される冷却量が増大する。この低圧力勾配蒸発媒体１４では、水及び空気の両方が、取入部９の方向に流れる。幾つかの実施形態では、水の流れは一般的に空気の方向に流れるが、過剰の水は下向き（サンプ１８における重力回収によって実現することができるような）などの媒体から外方に流れる。

これと対照的に、多くの従来技術の設計の場合には、水及び空気は、一般的にはチャネル内で様々な角度で流れる。図１Ｂを参照することができ、この図の場合には、水は、４５度の下方角度で流れ、また空気は、１５度の下方角度で流れる。この従来技術の設計では、速度の増加と共に圧力降下の増加を引き起こす。図４に示すように、この従来設計の問題は、本明細書に示す媒体設計によって排除される。この問題は、空気の流れ角度及び水の流れ角度の変更によって少なくとも部分的に排除される。しかしながら、加圧蒸発冷却システム１０は、これらの形式の蒸発媒体の１つ並びに本技術分野で公知であるか又は今後考え出される可能性があるその他の形式でも作動することができる。

本明細書の教示は、蒸発冷却システム１０の圧力降下を減少させ、ガスタービン取入部９に対してガスタービンエンジンからの出力の増加につながる「充填空気」の供給すなわち「ポジティブ加圧」を行う。加圧は、ガスタービンで生じる取入部における吸込みを少なくとも部分的に補償する。これにより、ガスタービンエンジンによる出力の増大及び効率の向上が得られる。つまり、加圧水配管及びノズル装置１７によって消費されたポンプエネルギーは、空気をタービン取入部９内に押込むことによってガスタービンエンジンにより得られた出力増強よりもはるかに小さい。従って、ガスタービンからの出力増大が実現される。

便宜上、「取入部」という用語は、ガスタービンの圧縮機の上流に配置することができるようなすべての装置を含むものと見なす。そのような装置には、例えばサイレンサパネル及び抽気ヒータを含むことができる。従って、「取入部」という用語は、ガスタービンの圧縮機への入口に限定されるものではない。

水のスプレーパターン又は水ファンは、空気を最も効果的に押すように変更することができる。つまり、スプレーパターンは、本明細書に開示した円錐形スプレー、凸形スプレー、水ファン又はその他のパターンに限定されるものはない。

図５は、空気を取入部９内に押込む水ファン２２を示している。推測できるように、取入部９において所望量の圧力ゲインを取るための複数のノズル１２の構成、水流量及びノズル水圧が存在することになる。水ファン２１は、円錐形、凸形（図５に示すような）とすることができ、又は適切と考えられるあらゆる形態を取ることができる。

別の実施形態では、加圧蒸発冷却システム１０は、水スプレーを備えた空気ウオッシャを含む。本明細書に説明したその他の機能を備えることに加えて、下向きのスプレーは、流入空気からごみ及びデブリを洗い落とす。この実施形態では、スプレーは、空気流に対して垂直であるが、幾つかの他の実施形態ではほぼ平行であることに注目されたい。従って、スプレーは、該スプレーが空気流に対して平行になるか、垂直になるか又は傾斜するような角度で又は角度の組合せで行うことができ、。

図６は、フィルタハウスの全面を覆う水スプレー１２を備えた加圧蒸発冷却システム１０を示している。図６Ａでは、媒体１４上への水スプレー１２及びノズル１２は、フィルタハウスの面に全体わたって配置される。その形状寸法により、蒸発冷却システム１０の媒体１４全体への適用範囲が得られる。図６Ｂには、図６Ａのシステムの側面図を示している。この図では、高温空気は、濾過システムから左側に向けて流入し、この蒸発冷却システム１０を通過する時に冷却しされ、次に圧縮機に流入する。

媒体１４及びドリフトエリミネータの様々な構成を有することできることを理解されたい。例えば、ノズル１２は、単一の平坦な配列に限定されるものではなく、媒体及びドリフトエリミネータの少なくとも１つの中間配置を備えた状態で複数の平坦な配列として配置することができる。

得られた様々な利点の中でも、本蒸発冷却システム１０により、フィルタハウスを地表面上に維持すること、従来技術の設計と比較してより小さいパイプフィルタハウスを維持すること、自由な出力増強（例えば、従来技術の飽和蒸発冷却器よりも８０％増）、塩分及び汚染物質と共に付着物の低減、並びにフィルタ寿命の向上が得られる。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに、本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることを理解されたい。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに特定の状況又は物的要件を本発明の教示に対してに適合させるように、多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではないこと、また本発明は、提出した特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

本明細書では図１Ｂ及び図１Ｃと一括して図１と呼ぶが、従来技術の蒸発冷却システムの態様を示す図。 本明細書では図１Ａ及び図１Ｃと一括して図１と呼ぶが、従来技術の蒸発冷却システムの態様を示す図。 本明細書では図１Ａ及び図１Ｂと一括して図１と呼ぶが、従来技術の蒸発冷却システムの態様を示す図。 さらに図１の従来技術のシステムの態様を示す図。 さらに図１の従来技術のシステムの態様を示す図。 本明細書の教示による蒸発スプレーシステムの概要図。 図４の蒸発スプレーシステムの更なる態様を示す図。 本明細書では図６Ｂと一括して図６と呼ぶが、スプレーパターンの実施形態を示す図。 本明細書では図６Ａと一括して図６と呼ぶが、スプレーパターンの実施形態を示す図。

符号の説明

９ 取入部
１０ 加圧蒸発冷却システム
１２ ノズル
１３ 水スプレー
１４ 低圧力勾配蒸発媒体
１５ ドリフトエリミネータ
１６ 円錐形
１７ 加圧水配管及びノズル装置
１８ サンプ
２１ 水ファン
２２ 水ファン媒体
３１ 高効率ドリフトエリミネータ
６１ 水スプレー付き空気ウオッシャ

Claims (10)

1. ガスタービンへの取入部（９）用の空気を冷却するための装置であって、
   前記取入部（９）への空気流内に水スプレー（１３）を生成するための加圧水配管及びノズル装置（１７）と、
   前記スプレー（１３）を受けかつ前記空気流内で空気の加圧を生じさせるための蒸発媒体（１４）と、
   を含む装置。
2. 前記蒸発媒体（１４）が、低圧力勾配蒸発媒体（１４）を含む、請求項１記載の装置。
3. 前記蒸発媒体（１４）内での水が、前記空気流の方向及び重力の方向の少なくとも１つに流れる、請求項１記載の装置。
4. 前記蒸発媒体（１４）が、上向き角度及び下向き角度での流れを生成するチャネルを備えた媒体を含む、請求項１記載の装置。
5. 少なくとも１つのドリフトエリミネータ（１５）をさらに含む、請求項１記載の装置。
6. 前記ドリフトエリミネータ（１５）が、前記加圧水配管及びノズル装置（１７）内のノズル（１２）の上流及び下流の１つに配置される、請求項５記載の装置。
7. 円錐形スプレーパターン、凸形スプレーパターン、空気ウオッシャ及び水ファン（６１）の１つを生成する前記加圧水配管及びノズル装置（１７）のノズル（１２）の設計をさらに含む、請求項１記載の装置。
8. ガスタービンの取入部を充填する方法であって、
   前記取入部（９）の上流で空気流内に水をスプレーする段階と、
   前記空気流内で空気の加圧を生じさせる段階と、
   を含む方法。
9. 前記加圧が、前記ガスタービンの取入部（９）における吸込み圧力を補償する、請求項８記載の方法。
10. 前記スプレーする段階が、円錐形水スプレー、水ファン、空気ウオッシャ及び凸形水スプレー（６１）パターンを形成する段階の少なくとも１つを含む、請求項８記載の方法。

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