JP2017505396A - 洗浄ノズル及びガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

ノズル（４）は、ガスタービンエンジンのコンプレッサ（１）へ向けて液体物質を噴射するために使用されるとともに、−液体物質を放出するための端部を有する長尺体（２０）と、−前記長尺体（２０）の内部にあって前記端部に至るまで延びる前記液体物質のための導管（２１）と、−前記端部に位置される凹部（２２）であって、前記導管（２１）が前記凹部（２２）で終端する、凹部（２２）とを備え、前記凹部（２２）が前記長尺体（２０）、一般的には円筒体の側面へ向けて開放し、前記導管（２１）が前記凹部（２２）の底部に対して接線方向にある。【選択図】図２Ａ

Description

本明細書中に開示される主題の実施形態は、洗浄ノズル及びガスタービンエンジンに関する。

知られているように、ガスタービンエンジン、特にそれらのコンプレッサは、汚れの影響を受け、したがって、それらの耐用期間中に繰り返し洗浄される必要がある。

ガスタービンエンジンを洗浄する一般的な方法は、ガスタービンエンジンの通常の動作を中断して、エンジンを分解することなくそれを洗浄することにある。これは、いわゆる「オフライン」洗浄であり、液体洗浄剤を用いて行なわれる。液体洗浄剤を用いた処理後は、しばしば濯ぎが必要である。オフライン洗浄は非常に有効であるが、いずれにせよ、通常の動作の中断を伴い、したがって、機械及び機械を含むプラントの休止時間を増大させる。

また、あまり一般的ではないが、動作中に、すなわち、エンジンが仕事を生み出すときに、ガスタービンエンジンを洗浄することも知られている。これは、いわゆる「オンライン」洗浄であり、コンプレッサ内を流れるガスに液体洗浄剤を加えることにある。この場合、ガスに加えられる液体洗浄剤の量は少なく（より正確には、ガスに対する液体の比率が低く保たれる）、また、
− コンプレッサ及び／又はタービン及び／又は燃焼器（例えば、燃焼は、液体洗浄剤に起因して消失する場合がある）の動作に支障を来すこと、
− コンプレッサの内側の流体の流れに支障を来すこと、
− コンプレッサの構成要素を破損させること（例えば、液体洗浄剤液滴が、もしあれば、例えばコンプレッサの回転するブレードにぶつかる場合がある）、
を回避するために、放出される液体洗浄剤の圧力は低い。

「オフライン」洗浄のために使用される液体洗浄剤が通常は「オンライン」洗浄のために使用される液体洗浄剤とは異なることに留意すべきである。

公知のオンライン洗浄方法は、それらが機械及び機械を含むプラントの休止時間に影響を及ぼさないという利点を有する場合であっても、公知のオフライン洗浄方法と比較して効果がはるかに低い。

したがって、ガスタービンエンジンを洗浄する改良された方法、及び、それを可能にする装置の必要性がある。

米国特許第５２７３３９５号明細書

エンジンのコンプレッサの入口へ向けて洗浄液体物質を噴射することが考え出された。好ましくは、コンプレッサの入口でのガスに対する液体の比率は、コンプレッサの定格質量流量に関して１％よりも大きく５％よりも小さく、好ましくは、噴射されるべき洗浄液体物質の圧力は、非常に高く、一般に０．２ＭＰａよりも大きく２．０ＭＰａよりも小さい。

特に前述の条件で、最適な性能のために、噴射ノズルの特定の形態も考え出された。

本発明の第１の態様は、液体物質を噴射するためのノズルである。

ノズルは、ガスタービンエンジンのコンプレッサへ向けて液体物質を噴射するために使用されるとともに、
− 液体物質を放出するための端部を有する長尺体と、
− 前記長尺体の内部にあって前記端部に至るまで延びる前記液体物質のための導管と、
− 前記端部に位置される凹部であって、前記導管が前記凹部で終端する、凹部と、
を備え、
前記凹部が前記長尺体の側面へ向けて開放し、前記導管が前記凹部の底部に対して接線方向にある。

本発明の第２の態様は、ガスタービンエンジンである。

ガスタービンエンジンは、コンプレッサと、コンプレッサの下流側のタービンと、コンプレッサの入口へ向けて洗浄液体物質を噴射するための複数のノズルとを備え、好ましくは、ノズルが前述した特徴を有する。

本明細書中に組み入れられて明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の典型的な実施形態を示し、また、詳細な説明と共にこれらの実施形態を明らかにする。

ガスタービンエンジンのコンプレッサの一実施形態の簡略化された図を示す。 ノズルの一実施形態の簡略化された図を示す（図２Ａは縦断面に対応し、図２Ｂは横断面に対応する）。 洗浄段階の一実施形態の時間線図を示す。 図３に係る一連の洗浄段階の時間線図を示す。

典型的な実施形態の以下の説明は、添付図面を参照する。

以下の説明は発明を限定しない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

明細書の全体にわたって「１つの実施形態」又は「一実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は、特性が開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、明細書の全体にわたる様々な場所での「１つの実施形態」又は「一実施形態」という表現の出現は、必ずしも同じ実施形態に言及していない。更に、特定の特徴、構造、又は、特性は、１つ以上の実施形態において任意の適した態様で組み合わされてもよい。

図１は、半断面図であり、ガスタービンエンジンの一実施形態を部分的に示す。特に、この図は、ベルマウス２及びバレットノーズ３を含むフロントフレームと、ストラット５及び入口ガイドベーン６を含む（随意的な）ミドルフレームと、ロータ（参照符号７、８を参照）及びステータ（参照符号９を参照）を含むコンプレッサ１とを示す。フロントフレーム、特にベルマウス２及びバレットノーズ３、並びに、ミドルフレーム、特にその外壁１２及びその内壁１３は、コンプレッサ１の入口に通じる入口経路を画定する。コンプレッサ１の入口の直後には、コンプレッサの第１のロータステージ（１つのブレード７のみが示される）が存在する。時として、フロントフレーム、ミドルフレーム、及び、コンプレッサ１の組み合わせがまとめて「コンプレッサ」と呼ばれる。

一般に、ガスタービンエンジンは、コンプレッサ（図１に部分的に示されるコンプレッサ等）、燃焼装置を伴う燃焼室（図１に示されない）、及び、タービン（図１に示されない）の直列の接続を成す。

図１では、コンプレッサ１のロータ及びステータの構成要素の僅かな部分だけ、特に、ロータのシャフト８、ロータの第１のステージの１つのブレード７、ステータのケーシング９が示され、特に、ロータの他のステージのブレードのいずれも示されておらず、また、ステータのステージのベーンのいずれも示されていない。

図１の解決策では、コンプレッサ１の入口へ向けて洗浄液体物質Ｌを噴射するための複数のノズル４（１つだけが示される）が存在する。

この実施形態において、ノズル４は、マウス２に位置され、すなわち、コンプレッサの第１のステージへ向けてガスを方向付けるために、特に、ストラット５及び入口ガイドベーン６を介してコンプレッサ１の入口に通じる入口経路へとガスＧを方向付けるために使用される滑らかな収束面に位置される。

ノズル４は、洗浄液体物質Ｌを放出してこの洗浄液体物質を霧化する。このようにすると、液体Ｌの液滴をガスＧの流れに同伴させることができる（図１参照）。

洗浄液体物質Ｌは、入口経路の内側でガス流中への液体の良好且つ適切な分配を確保するために、コンプレッサ１の入口経路の外壁（参照符号２、１２を参照）から特定の距離を隔てて、及び、コンプレッサ１の入口経路の内壁（参照符号３、１３を参照）から特定の距離を隔てて、特定の方向（図１参照）で噴射される。

図１の実施形態において、液体物質Ｌの平均的な方向は、ガスＧの平均的な方向に対して傾けられる。

図１の実施形態において、ノズル４は、円（エンジンの軸線１００上に中心付けられる）上に、互いから同じ距離を隔てて位置される。特に、全てのノズル４は、好適には円として形成される単一のマニホールド１５（エンジンの軸線１００上に中心付けられてベルマウス２の背後に位置される）に流体接続される。

また、洗浄液体物質Ｌの放出を制御するためにマニホールド１５に動作可能に接続される制御ユニット１９も存在する。このようにして、全てのノズル４が同じ量の液体物質を同時に放出する。

ノズル４の一実施形態が図２に示され、また、このノズルは、液体物質、特に図１の実施形態における洗浄液体物質Ｌを噴射するために使用されてもよい。

ノズル４は、液体物質Ｌを受けるための第１の端部２０−１と、液体物質Ｌを放出するための第２の端部２０−４とを有する長尺な円筒体２０を備える。また、第１の中間部分２０−２及び第２の中間部分２０−３も存在し、部分２０−２は、ノズル４をマウス２に固定するために使用され、部分２０−３は、放出ポイントと入口経路の外壁（参照符号２、１２を参照）との間に距離をもたらすために使用される。

液体物質Ｌの流れのための導管２１は、長尺な円筒体２０の内部にあって、第１の端部２０−１から中間部分２０−２、２０−３を通じて第２の端部２０−４に至るまで延びる。

端部２０−４には凹部２２が位置され、また、この凹部２２で導管２１が終端する。液体物質Ｌが凹部２２に達すると、液体物質が凹部２２から放出されて噴射される。霧化のレベルは、凹部２２の上流側の圧力と、凹部２２の形状とによって決まる。圧力を高めるために、導管２１は、その開始部２１−１に、すなわち、第１の端部２０−１に、特定の（相対的に大きな）断面を有するとともに、その終端部２１−２に、すなわち、第２の端部２０−４に、より小さい断面を有する。

図２の実施形態において、凹部２２は、円筒体２０の直径として配置されるとともに、円筒体２０の側面へ向けて開放している。このようにすると、ガスＧが円筒体２０の周囲で流れる（特に図２Ｂ参照）とともに、液体Ｌが円筒体２０によって保護される（特に図２Ｂ参照）。図１の実施形態において、ノズル４は、高いガスＧ流量が存在する場所から離れて位置される。

図２の実施形態において、液体物質Ｌの良好な放出は、導管２１によって、具体的には凹部２２の底部に対して接線方向にある導管の端部２１−２によって得られる（特に図２Ａ参照）。いかなる場合でも、導管は、凹部２２に対して略接線方向にあってもよく、このことは、凹部２２の底部から０．１ｍｍ未満の小さい軸方向距離を隔てていることを意味する。

凹部２２と導管２１との間のこの特定の流体接続は、液体の均一な噴射と、より良い霧化とをもたらす。

特に、導管２１が凹部２２に対して接線方向にあるため、生成される液滴は、１５０〜４５０μｍ、好ましくは２５０〜３００μｍを成す直径を有する。

また、放出される液体物質Ｌの方向及び口径は、凹部２２の断面の形状によって決まる。図２の実施形態において、この形状は、一部が平坦（マウス表面に近い部分を参照）であるとともに、一部が湾曲（図２Ａ参照）している、例えば円弧又は放物線又は双曲線を成している。平坦部と湾曲部とを接合する部分が凹部２２の底部に対応する。

方法の実施形態によれば、ガスタービンエンジンの洗浄は、ガスタービンエンジンの動作中に行なわれ、エンジンのコンプレッサの入口へ向けて洗浄液体物質を噴射することにある洗浄段階を備え、噴射は、図１に示されるように行なわれてもよく、すなわち、ストラット及び入口ガイドベーンの上流側で行なわれてもよく、また、噴射は、図１に示されるように行なわれてもよく、すなわち、コンプレッサのマウスから行なわれてもよい。

噴射されるべき洗浄液体物質の質量流量は、コンプレッサの入口でのガスに対する液体の比率がコンプレッサの定格質量流量に関して１％よりも大きく５％よりも小さくなるように設定されることが好ましい。図１の実施形態では、洗浄液体物質の一部がストラット及び／又は入口ガイドベーンにぶつかって止まりコンプレッサの第１のステージに到達しないことに留意すべきである。多量の液体に起因して、良好な洗浄が達成される。

ガスに対する液体の比率は、より好ましくは１％よりも大きく３％よりも小さい、更に好ましくは約２％であり、これらの比率は、液体の量とコンプレッサ及びガスタービンエンジン全体の動作の乱れとの間の非常に良好な兼ね合いである。

ガスに対する液体の比率が一般にＷＡＲ［Ｗａｔｅｒ−ｔｏ−Ａｉｒ Ｒａｔｉｏ］と称されることに留意すべきである。これは、液体が通常は水であり、ガスが通常は空気だからである。

噴射されるべき洗浄液体物質の圧力は、好ましくは０．２ＭＰａよりも大きく２．０ＭＰａよりも小さい（これは、噴射直前の噴射ノズルの内部の導管の端部における圧力、すなわち、図２に関しては部分２１−２の領域における圧力である）−噴射されるべき洗浄液体物質の圧力は、より好ましくは０．８ＭＰａよりも大きく１．２ＭＰａよりも小さい。液体の高い圧力及び高い速度により、良好な霧化が達成され、したがって、液体及びガスの良好な混合が得られるとともに、コンプレッサの動作に生じる乱れが低く、コンプレッサの構成要素の機械的損傷が無い（或いは非常に低い）。

図２の典型的な実施形態に関して、部分２１−２の直径は１．０〜２．０ｍｍの範囲内（例えば１．８ｍｍ）であり、ノズル４の直径は１０〜２０ｍｍの範囲内（例えば１８ｍｍ）であり、部分２１−２内の圧力は０．２〜２．０ＭＰａの範囲内（一般に０．８〜１．２ＭＰａ）であり、及び、部分２１−２内の速度は５〜３０ｍ／秒の範囲内（例えば２２ｍ／秒）である。

ガスに対する液体の高い比率と高い液体圧力との組み合わせは、エンジンの動作中に良好な洗浄を達成するために共同して作用する。

良好な性能のための他の重要な態様は、液体放出ポイントとコンプレッサの入口経路の外壁（例えば、図１の実施形態における要素２、１２参照）との間の距離、液体放出ポイントとコンプレッサの入口経路の内壁（例えば、図１の実施形態における要素３、１３参照）との間の距離、及び、噴射方向（例えば、図１の実施形態における要素４参照）であり、これらのパラメータを選択するときには、ガス流が考慮されなければならない。液体を噴射するための満足のいく位置は、コンプレッサのそのマウスから前方である（例えば、図１の実施形態における要素４参照）。

特に、「オンライン」洗浄に関して、非常に適した液体は純水である。

図３に示される洗浄段階ＷＦは、
− 洗浄液体物質の流量がその段階中にわたって（ゼロから例えば所望の値ＦＬまで）徐々に増大される第１のサブ段階ＳＦ１と、
− 洗浄液体物質の流量がその段階中にわたって一定に（例えば所望の値ＦＬに）維持される第２のサブ段階ＳＦ２と、
− 随意的に、洗浄液体物質の流量がその段階中にわたって（所望の値ＦＬからゼロまで）徐々に減少される第３のサブ段階ＳＦ３と、
を備える。

コンプレッサを通過する流体の混合が徐々に変化するという点において漸進的な増大が有利である。同じ理由のため、僅かながらそれほど重要でない場合であっても、漸進的な減少が有利である。とにかく、代わりの洗浄段階が想定し得る。例えば、第２のサブ段階中に、流量が一定でなくてもよく、及び／又は、その流量値がコンプレッサの動作状態に依存してもよい。

第２のサブ段階ＳＦ２は、０．５分よりも長く５分よりも短い所定の時間Ｔ２にわたって持続し、好ましくは１−２分持続し、したがって、非常に短い。第１のサブ段階ＳＦ１は、５秒よりも長く３０秒よりも短い所定の時間Ｔ１にわたって持続し、したがって、第２のサブ段階ＳＦ２と比べた場合には非常に長い。第３のサブ段階ＳＦ３は、５秒よりも長く３０秒よりも短い所定の時間Ｔ３にわたって持続し、したがって、第２のサブ段階ＳＦ２と比べた場合には非常に長い。第１のサブ段階ＳＦ１及び第３のサブ段階ＳＦ３が同じ持続時間を有してもよい。

洗浄段階ＷＦが１日に何回か繰り返され、特に図４に示されるように所定の時間の長さにわたって所定回数繰り返される場合には、非常に良好な結果が得られる。この図４では、１つの洗浄段階と次の洗浄段階との間の時間が異なる（参照符号Ｐ１及びＰ２を参照）が、それを周期的に繰り返すことが更に容易な場合がある。通常の動作状態下では、１日当たりの繰り返し数が１〜１０回の範囲内、一般的には約４回に選択される。

前述の措置により、また、適切な予防措置を伴って、洗浄段階が動作中の任意の時間に行なわれてもよい。しかしながら、ガスタービンエンジンの始動時及び停止時には洗浄が不要である。

これまでに説明してきたこと、特にノズル解決策及び洗浄プロセス解決策は、一般にガスタービンエンジン、特にそのコンプレッサに適用される（例えば、図１参照）。

洗浄プロセスの特徴の幾つかは、図１の実施形態ではノズル４の形態によって実施されてもよい。

洗浄プロセスの特徴の幾つかは、図１の実施形態では制御ユニット１９によって実施されてもよい。

１ コンプレッサ
２ ベルマウス
３ バレットノーズ
４ ノズル
５ ストラット
６ 入口ガイドベーン
７ ブレード
８ ロータのシャフト
９ ケーシング
１５ マニホールド
１９ 制御ユニット
２０ 円筒体
２０−１ 第１の端部
２０−２ 第１の中間部分
２０−３ 第２の中間部分
２０−４ 第２の端部
２１ 導管
２１−１ 開始部
２１−２ 終端部
２２ 凹部
Ｇ ガス
Ｌ 洗浄液体物質

Claims (9)

1. ガスタービンエンジンのコンプレッサ（１）へ向けて液体物質を噴射するためのノズル（４）において、
   − 前記液体物質を放出するための端部を有する長尺体（２０）と、
   − 前記長尺体（２０）の内部にあって前記端部に至るまで延びる前記液体物質のための導管（２１）と、
   − 前記端部に位置される凹部（２２）であって、前記導管（２１）が前記凹部（２２）で終端する、凹部（２２）と、
   を備え、
   前記凹部（２２）が前記長尺体（２０）の側面へ向けて開放し、前記導管（２１）が前記凹部（２２）の底部に対して接線方向にある、ノズル（４）。
2. 前記長尺体（２０）が円筒体である請求項１記載のノズル。
3. 前記凹部（２２）が前記長尺体（２０）の直径方向にしたがって配置される請求項１又は２記載のノズル。
4. 前記凹部（２２）の断面の形状は、一部が平坦であるとともに、一部が湾曲している請求項１乃至３のいずれか１項記載のノズル。
5. 前記凹部（２２）の断面の形状が円弧又は放物線又は双曲線を成している請求項４記載のノズル。
6. 前記凹部（２２）の断面の形状の平坦部と前記凹部（２２）の断面の形状の湾曲部とを接合する部分が前記凹部（２２）の底部に対応する請求項４又は５記載のノズル。
7. 前記導管（２１）は、第１の端部（２０−１）に第１の断面を有するとともに、第２の端部（２０−４）に更に小さい第２の断面を有する請求項１乃至６のいずれか１項記載のノズル。
8. 前記導管（２１）が前記凹部（２２）に近いボトルネックを有する請求項７記載のノズル。
9. コンプレッサ（１）と、前記コンプレッサの下流側のタービンと、前記コンプレッサ（１）の入口へ向けて洗浄液体物質を噴射するための複数のノズル（４）とを備えるガスタービンエンジンであって、前記ノズル（４）が請求項１乃至８のいずれか１項記載のノズルであるガスタービンエンジン。