JP2012026397A - 吸気冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン、ガスエンジンでは燃焼用空気の吸気ダクトの長さは設計制約のため一般的に短いが、短い吸気ダクトであっても冷却温度（ΔＴ）を大きくとれるようにする。
【解決手段】吸気ダクト内の空気流入側に設置した吸気旋回手段と、前記吸気旋回手段より下流側の吸気ダクト内に設置した噴霧ノズルを備え、前記吸気旋回手段により旋回しながら吸気ダクト内を出口側の下流へと流通する吸気旋回流に対して前記噴霧ノズルから噴射し、噴射した霧を前記吸気旋回流にのせて旋回させ、旋回時に生じる遠心力で水滴を前記吸気ダクトの周壁内面と接触させる構成としている。
【選択図】図１

Description

本発明は吸気冷却装置に関し、詳しくは、吸気した空気を冷却して燃焼器等へ供給するもので、特に、ガスタービン、ガスエンジン等の発電設備の燃焼用空気の吸気口に設置される場合に適したものである。

従来、この種のガスタービンの吸気冷却装置において、吸気ダクト内に水の噴霧ノズルを配置し、吸気に水滴を混合し、水滴が蒸発する時に生じる気化熱で吸気冷却を図る水噴霧式が提供されている。
例えば、特開平１０−１６９４６４号公報に開示されたガスタービンの吸気冷却装置では、図１１に示すように、吸気ダクト１００内に横断するように上下方向に延在するノズル管群１０１が間隔をあけて左右方向に並列配置され、各ノズル管群１０１に上下方向に間隔をあけて液体空気を噴霧する所謂二流体ノズルからなるノズル１０２が取り付けられている。これらノズル１０２は旋回流を発生させるように、矢印で示す吸気流れに対してそれぞれ異なる方向に角度をつけてノズル管群１０１に取り付けられている。

前記のように、ノズル１０２から吸気の流れ方向に角度差をつけて噴射する噴霧により、吸気を冷却すると同時に吸気に旋回流れを発生させることにより、吸気と噴射される水滴との混合を均一化し、吸気ダクトの下流側で発生する上下の温度ムラを解消できるものとしている。

特開平１０−１６９４６４号公報

前記特許文献１の吸気冷却装置では、ノズルからの噴霧を旋回流とし、吸気ダクト内の空気の流れを旋回させるとしているが、図示されたノズルの噴射方向はバラバラであり、吸気ダクト内で大きな一つの渦流を発生させるものではなく、整流として流入してくる吸気の流れを乱す程度のものである。
また、ノズルは二流体ノズルが用いられており、コンプレッサーから供給される空気の勢いを利用して旋回させているが、一般的に吸気冷却では、コスト低下を図るために、一流体ノズルが使われることが多く、１流体ノズルではコンプレッサーからの空気の勢いを利用できず、特許文献１の構成としても旋回流が発生しない。よって、ノズルからの霧をバラバラの方向で噴射しても、吸気ダクトを層流方向に流れる空気の全体を旋回させることは困難である。よって、前記のように、噴霧により吸気の流れが乱される程度で、吸気ダクト内を旋回する大きな渦流にならず、噴霧により冷却される吸気温度のムラを確実に解消することは困難である。

また、吸気ダクト内にノズルを配置した水噴霧式では、吸気に混合される水滴の蒸発により吸気温度を効率的に冷却することができるが、水滴が完全に蒸発せずに圧縮機に供給されると圧縮機に損傷が発生する。よって、圧縮機に到達する前に吸気ダクト内の水滴を完全に蒸発させることが基本となる。吸気の冷却促進を図るには噴霧量を増大することが好ましいが、圧縮機に達するまでの吸気ダクトの長さが大きくなる。このように、吸気ダクトの長さは噴霧する水滴の蒸発に要する長さにする必要があるが、この吸気ダクトの必要長さを確保できない場合が多い。

前記特許文献１の水噴霧式の吸気冷却装置も同様であり、ノズルからの空気の勢いで旋回させて噴霧することで吸気全体を温度ムラなく冷却する事ができるが、吸気ダクトの長さが噴霧ノズルから噴霧された水滴を完全に蒸発できる長さにすることが出来なければ使用できない問題がある。

水噴霧式で吸気ダクトの長さを短縮するために、水滴を捕捉する金網からなるデミスターを圧縮機の入口側近傍の吸気ダクトの下流内に設置する場合がある。しかしながら、デミスターを設置すると、圧縮機内での吸気の圧力損失が発生し、吸気量が低減する問題が生じる。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、水噴霧式の吸気冷却装置において、吸気と噴霧との混合効率を高めて吸気をムラなく均等に冷却し、かつ、ノズルから噴霧する水滴の蒸発時間を短縮して、吸気ダクトの長さを短くできるようにすることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、
吸気ダクト内の空気流入側に設置した吸気旋回手段と、
前記吸気旋回手段より下流側の吸気ダクト内に設置した噴霧ノズルを備え、
前記吸気旋回手段により旋回しながら吸気ダクト内を出口側の下流へと流通する吸気旋回流に対して前記噴霧ノズルから噴射し、噴射した霧を前記吸気旋回流にのせて旋回させて、気液接触率を高めて水滴の蒸発を促進すると共に、旋回時に生じる遠心力で一定の大きさ以上の水滴を前記吸気ダクトの周壁内面と接触させる構成としていることを特徴とする吸気冷却装置を提供している。

本発明の吸気冷却装置では、噴霧ノズルから霧を旋回流として噴射するのではなく、旋回流となっている吸気に対して噴射ノズルから霧を噴射することで、霧を旋回流に乗せて空気と共に霧を旋回させている。このように、噴霧ノズルから噴射する微粒子の水滴を旋回する空気と共に旋回させることで、水滴と空気との接触効率を高め、水滴表面のバルク相の剥離を促進して水滴の蒸発時間を短縮している。

前記噴霧ノズルは平均粒子径が３０μｍ以下の水滴、好ましくは水滴の平均粒子径が１０μｍ以上３０μｍ以下のセミドライフォグを噴霧するノズルを用いている。このように、ノズルからの噴霧をセミドライフォグとすると、該微粒子の水滴の蒸発時間を短くできる。
かつ、セミドライフォグを噴射した場合においても、図１２（Ａ）に示すように、平均粒子径３０μｍを越えて７５μｍに達する水滴も存在する。これらの比較的大きな水滴の蒸発時間は、図１２（Ｂ）に示すように、３０μｍ以下の水滴の蒸発時間より長くなる。よって、前記のように、これらの比較的大きな水滴は、旋回流の吸気に霧を乗せていることで、遠心力を生じさせ、吸気ダクトの周壁の内周面に水滴を接触させ、該内周面に水滴を付着させて旋回流より水滴を除去する。

除去する一定以上の大きさの水滴の設定基準を図１２（Ｃ）を用いて説明する。
吸気ダクトの長さ（Ｌ）、該ダクト径（Ｄ）、軸方向の吸気速度（Ｖ２）に応じて、遠心力（Ｆ）および抵抗力（Ｒ）を計算する。除去する水滴の半径（ｒｐ）を決定する。該水滴半径がＦ＞Ｒとなるように、前記吸気旋回手段で旋回速度（角速度ω）を調整する。これにより、前記半径以上の水滴を吸気ダクトの壁面に付着させて除去する。

前記のように、半径（ｒｐ）を越える水滴（例えば４５μｍ以上）は旋回による遠心力で選択的に除去し、吸気ダクトの出口から圧縮機等へと導入される吸気中に水滴が残存しないものとしている。

また、吸気旋回流に水滴が乗ることで、水滴が旋回して空気抵抗（慣性抵抗および粘性抵抗）を受ける。これにより、水滴と空気との間にスリップ速度が発生する。この作用で、同じ長さの吸気ダクトで比較して、層流に比べて旋回流の場合は水滴の滞在時間を大きくすることができる。これにより、長さが十分でない吸気ダクトにおいても、冷却効果を層流に比べて大きくできる。

前記吸気旋回手段は、吸気ダクトの円筒状本管の入口側周壁に接線方向に傾斜させて吸気導入用の分岐管を連通して突設し、該分岐管から本管内に旋回させて空気を導入する接線式としている。前記分岐管は１本でもよいし、直径方向に対向する位置に２本、あるいは周方向に一定間隔をあけて３本以上としてもよい。

前記吸気旋回手段は、前記接線式に代えて、吸気ダクト内の入口側に軸線方向に傾斜させた複数枚の羽根を放射状に配置した旋回羽根を設置する旋回羽根方式としてもよい。
各旋回羽根は入口側から出口側に向けて２０度〜７０度の範囲で傾斜させ、旋回羽根の枚数は２〜１２枚の範囲とすることが好ましい。

前記噴霧ノズルの霧の噴射方向は、吸気ダクトの軸線方向で且つ吸気の流れと逆方向、前記軸線方向で且つ吸気ダクトの流れ方向、あるいは、前記吸気ダクトの径方向のいずれかでもよい。
特に、霧の噴射方向を吸気の流れと逆方向とすると、吸気と水滴との気液接触効率が大きくなり、液滴の蒸発時間を短縮でき、その結果、吸気ダクトを短くできる利点がある。

吸気ダクト内を旋回する吸気の回転速度は、吸気ダクトの長さおよび内径等の条件に応じて、吸気圧、吸気量等を調節条件として設定しており、例えば、回転速度は３０〜１６００ｒｐｐｍ程度としている。

前記ノズルは具体的には、吸気ダクト内の流路に、流路の主軸と同心に配置する円環管に周方向に所定間隔をあけて複数のノズルを取り付けていることが好ましい。
また、前記旋回羽根方式を用いる場合は、複数本の羽根を外周面から突設する中心枠を設置し、該中心枠の下流側突出端面にノズルを取り付けてもよい。
さらには、吸気ダクトの内周面に周方向に間隔をあけて突設してもよい。

前記のように、吸気ダクト内における前記噴霧ノズルの径方向の配置位置は、特に限定されないが、吸気旋回流の旋回強度がピークの位置とすることが好ましい。このように、旋回強度がピークの位置で噴霧すると霧を強い旋回強度で旋回させることができ、気液接触効率を高めて、蒸発時間の短縮と吸気の冷却効率を高めることができる。吸気の旋回強度のピーク位置は、吸気ダクトの内径、吸気流量等によって変化するが、旋回流の中心付近は強制渦、外側は自由渦となるため、外周側より中心付近にノズルを設置することが好ましい。

また、吸気ダクト内における吸気の流れ方向（吸気ダクトの長さ方向）のノズルの配置位置は、吸気ダクトを短くする観点から、前記吸気旋回手段の設置位置の直後とすることが好ましい。これにより、旋回流となった直後の吸気にノズルから噴霧される水滴を乗せると吸気冷却の迅速化を図ることができる。

前記吸気ダクト内への空気の導入手段として、前記ノズルの設置位置より下流で且つ吸気ダクトの出口側に配置される圧縮機またはファンを用いている。
このように、圧縮機またはファンをノズルよりも下流側で、吸気ダクトの出口近傍に設けることで、負圧により吸気の旋回速度を強めることができ、水滴の蒸発時間の短縮化に寄与できる。

なお、吸気ダクトへ空気を導入する手段としてファンを用いる場合は、前記のように、ノズル位置より下流側とすることが好ましいが、吸気ダクトの入口側に配置してもよく、また、吸気ダクトに連通する配管を通してファンから所要圧の空気を供給してもよい。

さらに、吸気ダクトの入口、前記接線方式では各分岐管の入口に金網を設置し、かつ、吸気ダクト内にフィルターを設置することが好ましい。

本発明の吸気冷却装置は、ガスタービン、ガスエンジンの吸気装置、さらには、吸気を冷却する必要がある場合に好適に用いることができる。

前記のように、本発明の吸気冷却装置は、吸気旋回手段で旋回させる吸気旋回流にノズルから噴霧するセミドライフォグを乗せて水滴を旋回させている。これにより、第１に気液接触率を高めて水滴の蒸発を促進し、第２に遠心力により大きな水滴を吸気ダクトの周壁内面に接触させて除去し、第３にスリップ速度の作用により水滴の滞在時間を層流式に比べて増大させている。このように、前記第１〜第３の作用によりノズルから噴霧する水滴の蒸発時間を短縮できると共に確実に水滴を除去できるため、吸気ダクトの長さを短くすることができる。

ノズルから噴射される水滴が吸気ダクト出口に達する滞留時間は層流の場合より旋回流の方が増大する。一方、空気の滞在時間は層流であっても旋回流であっても同等である。よって、水滴を旋回させて水滴の滞留時間を増大させると、空気の滞在時間との間にスリップ速度を生じさせることで、霧（水滴）による吸気冷却を促進できる。その結果、吸気ダクトの長さを短くしても、吸気の冷却効果も増進することができる。

本発明の吸気冷却装置の第１実施形態の断面図である。 前記第１実施形態の旋回羽根を示し、（Ａ）は吸気ダクトの軸直角方向の断面図、（Ｂ）は旋回羽根の傾斜を示す斜視図、（Ｃ）は旋回羽根の取付状態を示す断面図、（Ｄ）は旋回羽根を通過した空気の流れ方向を示す説明図である。 実施形態で用いる噴霧ノズルを示し、（Ａ）は軸線方向の断面図、（Ｂ）はノズルチップの説明図である。 吸気旋回流の旋回速度の測定結果を示す分布図である。 第２実施形態を示し、（Ａ）は軸線方向の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 第３実施形態を示し、（Ａ）は軸線方向の要部断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ矢視図である。 第４実施形態を示し、（Ａ）は軸線方向の要部断面図、（Ｂ）は軸直角方向の要部断面図である。 実験例で用いる実施例および比較例とする各種タイプを示す図面である。 実験例で用いる吸気ダクトの説明図である。 実験結果を示すグラフである。 従来例を示す斜視図である。 （Ａ）は１流体ノズルからセミドライフォグを噴射した時の水滴の粒子径の分布図、（Ｂ）は水滴の粒子径と蒸発時間の関係を示す図、（Ｃ）は遠心力で旋回させる水滴の旋回速度を求める式を説明するための概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
実施形態の吸気冷却装置はガスタービンの吸気冷却装置としており、吸気ダクト１の出口を圧縮機に連続させて冷却した空気を供給している。

図１乃至図３に第１実施形態を示す。
第１実施形態の吸気冷却装置は吸気ダクト１の入口１ａから空気を導入し、出口１ｂから冷却した空気を前記ガスタービンの圧縮機に導出している。
吸気ダクト１は中心軸線Ｏが直線状である円筒管からなる。一端側の入口１ａから出口１ｂにかけて、順次、複数の旋回羽根を備えた吸気旋回手段２、該吸気旋回手段２に近接した下流側に噴霧ノズル３を設置している。
吸気ダクトの出口１ｂに空気を吸引する圧縮機４を連続して配置し、圧縮機４で吸気ダクト１内に外気を導入し、吸気ダクト１内に導入した空気を霧冷却して圧縮機４側に導入している。
さらに、前記吸気ダクト１の入口１ａに金網５を張り付け、該金網５と吸気旋回手段２との間にフィルター６を介設している。

前記吸気旋回手段２は、中心保持枠２０の外周面に周方向に一定間隔をあけて複数の旋回羽根２１の内側面を放射状に固定して突設している。中心保持枠２０の中心軸線を吸気ダクト１の中心軸線と一致させて配置し、各旋回羽根２１の外面を吸気ダクト１の周壁１０の内周面１０ａに突き当てて設置している。本実施形態では４５度間隔をあけて８枚の旋回羽根２１を設けている。

前記複数（８枚）の旋回羽根２１は、中心保持枠２０に対して傾斜させて取り付け、吸気ダクト１の入口１ａ側を向く前端から出口１ｂ側を向く後端にかけて軸線方向Ｌに対して２０度〜７０度傾斜させている。本実施形態では旋回羽根２１をすべて同一方向に同一角度で傾斜させ、該傾斜角度θを６０度としている。これにより、周方向に隣接する旋回羽根２１の間にそれぞれ傾斜した８個の隙間２２からなる流路を設けている。
前記旋回羽根２１の取り付けは、各旋回羽根２１の内外面に軸部２１ａ、２１ｂを突設し、外面の軸部２１ａを吸気ダクトの周壁１０に設けた丸穴に貫通させてナットＮ１で締結固定し、内面の軸部２１ｂを中心保持枠２０の丸穴に貫通させてナットＮ２で締結固定している。該取付機構とすることで、旋回羽根２１の傾斜角度を可変としている。

前記旋回羽根２１を備えた吸気旋回手段２を配置することで、吸気ダクト１の入口１ａから軸線方向の層流として流入する吸気は、隣接する旋回羽根２１の隙間２２に流入して、該隙間２２が傾斜していることにより、隙間２２から出た位置で吸気を１方向に向かって旋回する旋回流ＳＷとして、吸気ダクト１の周壁１０の内周面１０ａの全周に沿って旋回させるようにしている。

前記吸気旋回手段２により発生させる吸気旋回流の旋回強度のピーク位置となる径方向位置で且つ、該吸気旋回手段２の設置位置に隣接した下流側となる軸線方向位置に前記噴霧ノズル３を設置している。該噴霧ノズル３と前記旋回羽根２１との間隔Ｌ２は吸気ダクト１の径をＤとすると、（Ｄ／２）ｍｍ〜（Ｄ）ｍｍの範囲としている。
前記のように、噴霧ノズル３の径方向の配置位置は、吸気旋回流の旋回強度のピーク位置とすることが好ましいため、噴霧ノズル３の取付の容易性、吸気ダクト１の径との関係等で周壁１０に近接して取り付けた方が好ましい場合は、旋回羽根２１の傾斜角度、吸気流量、吸気流速を調整して、吸気旋回流の旋回強度のピークを周壁１０側に出来るだけ近づけるようにしている。

前記吸気旋回流の流速分布は、前記のように、旋回羽根２１の傾斜角度を６０度とした場合、本発明者の実験による知見では、図４のグラフの実施例１、２に示すように、中心付近は強制渦、外周では自由渦となり「ランキンの組合わせ渦」の特徴を有し、軸線Ｏを囲む中心側（中心よりＤ／６の位置）に旋回強度のピーク位置が存在していた。
よって、前記ピーク位置に沿った円環状の配管１２を吸気ダクト１内部に設置し、該配管１２に周方向に一定間隔をあけて複数個の噴霧ノズル３を取り付けている。本実施形態では６０度間隔で６個の噴霧ノズル３を取り付けている。前記配管１２は支持棒１３を介して周壁１０内面に固定している。なお、前記図４に示す実施例１、２、比較例に関しては後述する。

前記噴霧ノズル３は水のみを供給し、霧を噴射する一流体ノズルとしており、具体的構造は図３（Ａ）（Ｂ）に示す構造としている。該噴霧ノズル３は、噴射する水滴の平均粒子径を１０〜３０μｍとしたセミドライフォグの噴霧を発生させるものとしている。また、噴霧ノズル３は吸気の流れ方向と逆方向に噴霧を発生させるものとし、該穴３２ｃの向きを吸気旋回手段２の設置側（吸気ダクトの入口１ａ側）としている。

前記図３に示す噴霧ノズル３は、本出願人の先願である特開２００８−１０４９２９号広報で提示したノズルである。
該噴霧ノズル３は筒状の本体３２、該本体３２の噴射側壁３２ｂの内面に固定したノズルチップ３３からなる。本体３２は円筒状の周壁３２ａの一端を噴射側壁３２ｂで閉鎖し、その中央に穴３２ｃを設ける一方、周壁３２ａの他端は開口３２ｄとし、開口３２ｄは前記配管１２と連通し、本体３２の中空部３２ｅに流入している。

前記ノズルチップ３３は大略円盤形状とし、本体３２の成形時にモールドして、本体３２の噴射側壁３２ｂの内面に固定している。ノズルチップ３３は中心に噴射穴３３ａを備え、噴射穴３３ａから水を霧状として噴射する構成としている。該噴射穴３３ａは、流入側から縮径するテーパ状穴部３３ａ−１と、該テーパ状穴部３３ａ−１に連続して穴３２ｃに連通する小径穴部３３ａ−２とからなる。図３（Ｂ）に示すように、ノズルチップ３３の内面には９０度間隔をあけて円弧状に湾曲させた旋回溝３３ｂを設け、これら旋回溝３３ｂの内周端をテーパ状穴部３３ａ−１の周縁と連通させ、旋回溝３３ｂを通して水を旋回させながら流入する構成としている。

前記噴霧ノズル３では、配管１２から本体３２に流入する水は噴射側において、ノズルチップ３３の旋回溝３３ｂを通り、旋回流となって噴射穴３３ａのテーパ状穴部３３ａ−１に流入する。テーパ状穴部３３ａ−１内で、該穴部の内周面に沿って旋回しながら衝突するため、水滴が微細化される。該テーパ状穴部３３ａ−１より噴射側の小径穴部３３ａ−２に流入し、さらに、連通した本体３２の噴口３２ｃから１０〜３０μｍの微粒子の水滴を含むセミドライフォグを噴射するものとしている。

前記構成としたガスタービンの吸気冷却装置では、圧縮機４を駆動して吸気ダクト１内に外部空気（外気）を吸い込み、金網５、フィルター６を通して吸気旋回手段２を通過させる。該吸気旋回手段２での通過時に、旋回羽根２１の間の隙間２２を通り、該隙間２２を傾斜させているため、隙間２２から出た吸気は吸気ダクト１の周壁１０の内周面の全面にそって旋回する。

ついで、前記吸気旋回流に対して、流れ方向の前方から吸気の流れ方向に逆らって噴霧ノズル３よりセミドライフォグを噴射する。噴射したセミドライフォグは吸気の旋回に乗って旋回する。このようにセミドライフォグを吸気旋回流に対して吹き付けることにより、ドライフォグの微粒水滴が吸気と混合される。其の際、吸気の流れ方向に逆行して噴霧することで、接触効率を高めることができる。この水滴と吸気の空気との気液接触率が増大することで、水滴表面のバルク相が剥離されて水滴の蒸発時間を短縮でき、その気化熱で吸気の冷却速度も短縮できる。特に、噴霧ノズル３からセミドライフォグを噴霧し、水滴の平均粒子径を１０〜３０μｍとして微粒化し、蒸発しやすくしているため、水滴の蒸発時間を短縮でき、吸気ダクトの出口１ｂに達するまでに、水滴を蒸発させることことができる。

噴霧ノズル３から噴射するセミドライフォグ中に粒子径が３０μｍを越えて７０〜８０μｍに達する大きな水滴が存在する場合がある。所定の粒子径以上の水滴は、吸気旋回流と共に噴霧ノズル３からの噴射された水滴も旋回し、前記大きな水滴は遠心力により吸気ダクトの周壁１０の内周面に衝突、あるいは周壁１０に付着した水滴となり、吸気旋回流から水滴を除去できる。

このように、吸気旋回流に噴霧ノズルから霧を噴射して、ドライフォグを吸気旋回流に乗せて旋回させているため、下記の第１〜第３の作用で水滴の蒸発時間を短縮できる。
第１に気液接触率を高めて水滴の蒸発を促進する。
第２にノズルから噴射する水滴を旋回させ、遠心力により一定以上の大きさの水滴を吸気ダクトの周壁内面に接触させて除去している。
第３にスリップ速度の作用により水滴の滞在時間を層流式に比べて増大させている。
前記した第１〜第３の作用により噴霧ノズルから噴射する水滴の蒸発時間を短縮すると共に確実に水滴を除去するため、吸気ダクト１の長さを短くすることができる。

さらに、噴霧ノズル３から噴射される水滴が吸気ダクト出口１ｂに達する滞留時間は層流の場合より旋回流の方が増大する。一方、吸気が吸気ダクト出口１ｂに達するまでの平均滞留時間は層流であっても旋回流であっても同一である。このように、吸気の滞留時間は増大しないが、水滴の滞留時間は増大するためスリップ速度が発生し、水滴による吸気冷却を高めることができる。その結果、吸気ダクト１の長さを短くしても、吸気の冷却効果も増進することができる。

なお、前記旋回羽根を保持する中心保持枠を無くし、複数の旋回羽根２１を吸気ダクト１の周壁１０の内周面にそれぞれネジ等で固定してもよい。
この場合、旋回羽根の内方へ突出した内周端を吸気ダクト１の中心軸線０を囲む位置に配置して、中心空隙を発生させても良いし、旋回羽根２１の内周端が中心軸線０上で接合して空隙を無くしてもよい。

図５（Ａ）（Ｂ）に第２実施形態を示す。
第２実施形態では、吸気旋回手段２を接線式に代えており、他の構成は第１実施形態と同様としている。
吸気ダクト１は円筒状の本管とし、該本管とする吸気ダクト１の入口側の先端面は閉鎖し、該入口側に近接した周壁１０に９０度間隔をあけて導入口５０を開口している。これら各導入口５０の周縁に、周壁１０に対して接線方向に傾斜させ分岐導入管５１（５１Ａ〜５１Ｄ）を連結して突設している。これら４本の分岐導入管５１の先端開口５１ａを吸気導入口とし、導入した空気を分岐導入管５１から吸気ダクト１の導入口５０を通して、吸気ダクト１の周壁１０の中空部に通して吸気流路としている。
各分岐導入管５１の先端開口５１ａに金網５を取り付け、フィルター６は本管の出口近傍に設けている。
吸気ダクト１内には導入口５０と近接した下流位置に、第１実施形態と同様にセミドライフォグを噴射する噴霧ノズル３を配置している。吸気は第１実施形態と同様に吸気ダクト１の出口に連続配置した圧縮機で行っている。

前記４つの分岐導入管５１から吸気ダクト１に導入口５０を通して流入する空気は、吸気ダクト１内に９０度間隔をあけて接線方向から流入するため、吸気ダクト１内では周壁１０の内周面に沿った大きな１つの旋回流れＳＷとなる。
この旋回流れに乗せる霧を噴射する噴霧ノズル３は、その噴射方向を第１実施形態と逆とし、吸気の流れ方向である出口１ｂ側に向けて、吸気の背面側から噴射している。なお、第１実施形態と同様に吸気の流れ方向とは逆に入口側に向けて噴射してもよい。

前記のように吸気旋回手段２を旋回羽根式に代えて接線式としても、旋回した吸気に噴霧ノズル３から噴射する水滴を乗せ、吸気と共に旋回させ、第１実施形態と同様に水滴を吸気ダクト１の出口１ｂに達するまでに完全に除去し、かつ、吸気の冷却効率を高めている。これにより、吸気ダクトの短縮を図ることができ、かつ、吸気ダクトを短縮しながら吸気の冷却効率も高めることができる。

図６（Ａ）（Ｂ）に噴霧ノズル３の設置形態を代えた第３実施形態を示す。
該第３実施形態では、吸気旋回手段２として第１実施形態と同様の旋回羽根式を採用し、該吸気旋回手段２の中心保持枠２０を第１実施形態よりも下流側へ突出させた長い形状とし、その外周面に突設した旋回羽根２１の先端より中心保持枠２０の先端面２０ａを下流側へ突設している。

該中心保持枠２０の先端面２０ａに周方向に間隔をあけて複数個（本実施形態では４個）の噴霧ノズル３を取り付けている。該中心保持枠２０に配管を接続して水を供給し、各噴霧ノズル３へ給水してセミドライフォグを噴射させるようにしている。
各噴霧ノズル３は外向きに傾斜させて中心保持枠２０と取り付け、旋回羽根２１の隙間２２から吹き出される吸気旋回流の旋回強度のピーク位置に向けて、かつ、旋回流の流れ方向に背面側からセミドライフォグを噴射している。
これにより、セミドライフォグを吸気旋回流れと共に旋回させて、第１実施形態と同様の作用効果を奏するものとすることができる。

図７（Ａ）（Ｂ）に噴霧ノズル３の設置形態および噴射方向を代えた第４実施形態を示す。
該第４実施形態では、吸気旋回手段２は第２実施形態と同様な接線式としているが、第１実施形態と同様な旋回羽根式でもよい。
第４実施形態では、吸気ダクト１の周壁１０の内周面に周方向に間隔をあけて噴霧ノズル３を設置し、該噴霧ノズル３からのドライフォグの噴射方向を吸気ダクト１の軸線方向と直交する径方向とし、周壁１０より中心軸線Ｏに向けて外周側からセミドライフォグを噴射している。該噴霧ノズル３の噴口位置は吸気ダクト周壁１０の内周面と同一位置（０ｍｍ）でも良いし、内周面から設定寸法（例えば８０ｍｍ）離れた内方位置としてもよい。

次に、実施例と比較例の吸気冷却装置を作成し、水滴の完全蒸発距離、吸気の冷却温度等を測定した実験例について説明する。
実験例は図８に示すように、吸気旋回方式として、第１実施形態の旋回羽根式のタイプ１と、第２実施形態の接線式のタイプ２を設けた。比較例は吸気を旋回していないタイプとした。
また、ノズルの噴射方向を相違させた（Ａ）〜（Ｄ）の４種類を設けた。（Ａ）は吸気流れ方向、（Ｂ）は吸気流れ方向の逆方向、（Ｃ）は吸気流れ方向と直交する方向とすると共に吸気ダクトの周壁（０ｍｍ）から噴射した場合、（Ｄ）は吸気ダクトの周壁から８０ｍｍをあけて取り付けた場合である。

吸気ダクト１は直径５６０ｍｍとし、長さは図９に示した通りとした。
図中、（２）位置に噴霧ノズル３を設置した。温度測定は（１）の入口位置と（４）の出口位置で行い、流速分布の測定は（１）（２）（３）位置で行った。
噴霧ノズル３は図３で示すノズルを用い、圧縮機４はインバータ付き軸流ファンとした。
噴霧ノズル３からの噴射中に吸気ダクトの周壁内面に付着した水滴はドレンとして水量を計測した。

吸気旋回手段を付設したタイプ１の実施例１とタイプ２の実施例２、吸気旋回手段を設けていない比較例を設け、さらに、実施例１、２と比較例にノズルからの噴霧方向を前記（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）の４種類とし、合計１２の装置で測定を行った。
空気流量は２２．３ｍ^３／ｍｉｎ（平均流速１．５１ｍ／ｓ）とした。
噴霧ノズル３から噴射する粒子径は位相ドップラ式レーザ粒子分析計（ＰＤＰＡ）で測定し、ザウダー平均粒子径は２０μｍ、最大粒子径は７５μｍであった。

噴霧実験の結果を下記の表１に示す。

実施例１、２、比較例の各４種類を平均して前記（２）の位置で測定した流速分布を前記図４のグラフに示す。該グラフより実施例１、２では半径２８０ｍｍの吸気ダクトにおいていずれも中心から４０ｍｍの位置が旋回流速が最大のピーク位置となっていた。

また、図１０に実施例１、２、比較例の各Ａ〜Ｄの４種類のノズル位置とした蒸発距離を示す。実施例１、２、比較例のいずれの場合も、ノズルから吸気流れに逆らったＢの場合が蒸発距離が短くなり、かつ、Ｂタイプで実施例２の接線式で吸気に旋回流れを発生させた場合に蒸発距離が最短となった。

前記表１及び図１０に示すように、ノズルからセミドライフォグを噴射し、該セミドライフォグを吸気旋回流に乗せた場合の実施例１、２は、吸気を旋回させていない比較例より、水滴の蒸発距離を短縮できることが、表１より確認できた。
また、前記図４に示すように、比較例→実施例１→実施例２の順に旋回速度が大きくなる設定としているが、蒸発距離は比較例→実施例１→実施例２の順に小さくなっている。但し、比較例→実施例１→実施例２の順にドレン率も大きくなっている。ドレン率は小さい方が望ましいため、設計制約上許容される吸気ダクトの長さに応じて旋回速度を調整することで、蒸発距離とドレン率の最適なバランスを設定することができる。かつ、実験結果から、接線式の吸気旋回手段を設け、かつ、ノズルからの噴射方向を吸気の流れと逆向きとする実施例２のタイプＢが蒸発時間を短縮できることがことが判明した。

実施形態はガスタービンの吸気冷却装置に適用しているが、ガスエンジン等の発電設備、さらに、ファン、圧縮機等を利用して空気を吸引し、吸引した空気を冷却する必要がある場合には、本発明の吸気冷却装置が好適に用いられる。

１ 吸気ダクト
１ａ 入口
１ｂ 出口
２ 吸気旋回手段
３ 噴霧ノズル
４ 圧縮機
１０ 周壁
２１ 旋回羽根
２２ 隙間

Claims (7)

1. 吸気ダクト内の空気流入側に設置した吸気旋回手段と、
   前記吸気旋回手段より下流側の吸気ダクト内に設置した噴霧ノズルを備え、
   前記吸気旋回手段により旋回しながら吸気ダクト内を出口側の下流へと流通する吸気旋回流に対して前記噴霧ノズルから噴射し、噴射した霧を前記吸気旋回流にのせて旋回させて、気液接触率を高めて水滴の蒸発を促進すると共に、旋回時に生じる遠心力で一定の大きさ以上の水滴を前記吸気ダクトの周壁内面と接触させる構成としていることを特徴とする吸気冷却装置。
2. 前記噴霧ノズルは平均粒子径が３０μｍ以下の水滴を噴霧するノズルである請求項１に記載の吸気冷却装置。
3. 前記吸気旋回手段は、吸気ダクトの円筒状本管の入口周壁に接線方向に傾斜させて分岐管を接続して設け、該分岐管から前記本管内に旋回させて空気を導入する接線式、または、
   前記吸気ダクト内の入口側に軸線方向に傾斜させた複数枚の羽根を放射状に配置した旋回羽根方式としている請求項１または請求項２に記載の吸気冷却装置。
4. 前記噴霧ノズルの霧の噴射方向は、吸気ダクトに対して軸線方向で且つ吸気の流れと逆方向、前記軸線方向で且つ吸気ダクトの流れ方向、あるいは、前記吸気ダクトの径方向のいずれかとしている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の吸気冷却装置。
5. 前記吸気ダクト内における前記噴霧ノズルの半径方向の設置位置は吸気旋回流の旋回強度のピーク位置としている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の吸気冷却装置。
6. 前記吸気ダクト内への空気の導入手段として、該吸気ダクトの下流に圧縮機またはファンを設けている請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の吸気冷却装置。
7. ガスタービンの吸気ダクトに適用している請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の吸気冷却装置。

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