JP7085198B2 - 吸気冷却装置および吸気冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は吸気冷却装置と吸気冷却方法に関するものであり、詳細には、ガスタービンの吸気側に設置され、噴霧ノズルが設けられた吸気ダクトを有する吸気冷却装置と吸気冷却方法に関するものである。

ガスタービンでは、大気中から燃焼用空気を取り込んで圧縮機で圧縮し、燃焼器で燃焼させることにより、タービンを回転させて発電させる。この際、圧縮機に供給される空気の温度が高くなると、空気の密度が低下して、タービンの出力が低下する。タービンの出力は大気温度に比例するため、特に大気温度が高い夏季には、タービンの出力低下が著しい。そこで、ガスタービンに供給される空気を冷却する方法として、ガスタービンの吸気空気に水を噴霧して冷却する方法が知られている。例えば、特許文献１には、ガスタービンの吸気側に設置される吸気ダクトの吸気口にノズルを設置して水を噴霧する吸気冷却装置が開示され、特許文献２には、ガスタービンの吸気ダクトに二流体ノズルを設置し、ガスタービンの圧縮機から得られた圧縮空気を二流体混合器を介して二流体ノズルに供給する吸気冷却装置が開示され、特許文献３には、ガスタービンの吸気ダクト内に吸気旋回手段を設け、その下流側に旋回式一流体ノズル等を設置して水を噴霧する吸気冷却装置が開示されている。

特開２０１４－２２７９４５号公報 特開２００２－１９５０５３号公報 特開２０１２－２６３９７号公報

ガスタービンの吸気空気に水を噴霧して冷却する場合、ガスタービン入口の温度をできるだけ一定に保ったり、あるいは細かく制御することが望まれる。これにより、ガスタービンの急激な出力変更を避けることができ、タービン本体への負荷を下げることができる。しかし、例えば特許文献３に開示されるような旋回式一流体ノズルを用いた場合や、その他一般的な噴霧ノズルを用いた場合は、１つのノズルからの噴霧量を大きく変動させることは難しい。噴霧量を下げるために供給水圧を下げると、噴霧する水の粒径が大きくなり、吸気空気の効率的な冷却が難しくなるためである。一方、ノズルを多数設置し、噴霧に使用するノズル数を変えることにより、全体としての噴霧量を調節する方法が考えられる。しかしこの方法では、噴霧量が段階的に変化することになるため、噴霧量を連続的に変化させたり、細かな噴霧量の制御をすることが難しい。また、噴霧に使用するノズル数が少ない場合は、吸気ダクト内で噴霧ムラが生じ、効率的な吸気空気の冷却が難しくなる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスタービンの吸気空気に水を噴霧して冷却する際に、噴霧量を連続的に変化させたり細かく制御することができる吸気冷却装置および吸気冷却方法を提供することにある。

本発明は、以下の発明を含む。
［１］ガスタービンの吸気側に設置され、噴霧ノズルが設けられた吸気ダクトを有する吸気冷却装置であって、
前記噴霧ノズルは、
先端部に設けられた噴口と、
前記噴口を一方側に有し、他方側に液体排出管に連通した液体排出口を有し、噴口と液体排出口の間に主流路供給口が設けられた主流路と、
前記主流路供給口に連通し、主流路内に旋回流が形成されるように液体を供給する液体供給流路と
を有することを特徴とする吸気冷却装置。
［２］主流路は、主流路供給口から噴口の間に、ノズル先端に向かって内径が漸減する縮径部を有する［１］に記載の吸気冷却装置。
［３］吸気ダクトには噴霧ノズルが複数設けられ、複数の噴霧ノズルの液体供給流路に連通して液体供給管が設けられ、複数の噴霧ノズルの液体排出口に連通して液体排出管が設けられ、液体供給管と液体排出管は、吸気ダクトの上流側から見て、少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置されている［１］または［２］に記載の吸気冷却装置。
［４］噴霧ノズルは、前記噴口として、内側噴口とそれよりもノズル先端側に位置する外側噴口を有し、主流路の一方側に内側噴口が設けられ、外側噴口に連通して気体供給流路が設けられている［１］～［３］のいずれかに記載の吸気冷却装置。
［５］気体供給流路は、内側噴口を囲んで、ノズル先端に向かって内側噴口の中心軸線側に傾斜した先端傾斜部を有する［４］に記載の吸気冷却装置。
［６］先端傾斜部において、気体供給流路は、ノズル先端に向かって、内側噴口の中心軸線に対する垂直断面の断面積が狭くなっている［５］に記載の吸気冷却装置。
［７］気体供給流路は、最も狭い箇所での隙間間隔が０．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下である［４］～［６］のいずれかに記載の吸気冷却装置。
［８］気体供給流路は、圧縮空気が供給されるものである［４］～［７］のいずれかに記載の吸気冷却装置。
［９］気体供給流路は、一方側が外側噴口に連通し、他方側がガスタービンの圧縮機に連通しており、気体供給流路に前記圧縮機からの圧縮空気が供給される［４］～［７］のいずれかに記載の吸気冷却装置。
［１０］気体供給流路は、一方側が外側噴口に連通し、他方側が吸気ダクト内部に連通しており、気体供給流路に吸気ダクト内を流れる空気が供給される［４］～［７］のいずれかに記載の吸気冷却装置。
［１１］吸気ダクトには噴霧ノズルが複数設けられ、複数の噴霧ノズルの液体供給流路に連通して液体供給管が設けられ、複数の噴霧ノズルの液体排出口に連通して液体排出管が設けられ、複数の噴霧ノズルの気体供給流路に連通して気体供給管が設けられ、気体供給管は、液体供給管および／または液体排出管と、吸気ダクトの上流側から見て、少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置されている［４］～［１０］のいずれかに記載の吸気冷却装置。
［１２］噴霧ノズルは内筒部と外筒部を有し、内筒部の内部に主流路が形成され、内筒部と外筒部の間の空間に気体供給流路が形成される［４］～［１１］のいずれかに記載の吸気冷却装置。
［１３］吸気ダクト内には、少なくとも一部が吸気ダクト内の流れ方向に対して非平行となるように配置された整流部材が設けられ、整流部材によって吸気ダクト内の流速が高められる高流速領域が形成され、噴霧ノズルは、高流速領域に、ノズル先端が吸気ダクトの下流側を向くように、吸気ダクト内に設置されている［１］～［１２］のいずれかに記載の吸気冷却装置。
［１４］［１］～［１３］のいずれかに記載の吸気冷却装置を用い、吸気ダクトに取り込まれる空気または吸気ダクト内を流通する空気に水を噴霧して冷却することを特徴とする吸気冷却方法。

本発明の吸気冷却装置および吸気冷却方法は、ガスタービンの吸気冷却に用いる噴霧ノズルとして、先端部に噴口が設けられ、当該噴口を一方側に有し、他方側に液体排出管に連通した液体排出口を有し、前記噴口と前記液体排出口の間に主流路供給口が設けられた主流路と、当該主流路供給口に連通し、主流路内に旋回流が形成されるように液体を供給する液体供給流路とを有する噴霧ノズルを用いるものである。当該噴霧ノズルを用いれば、主流路に水を一定圧力で供給しつつ、主流路に供給された水を液体排出管へ返送する量を調節することにより、噴口から噴霧される水の粒径を小さく維持したまま、噴口からの噴霧量を変動させることができる。そのため、吸気ダクト内でできるだけ均一に水を噴霧しつつ、水の噴霧量を連続的に変化させたり、噴霧量を細かく制御をすることが可能となる。

本発明の吸気冷却装置に用いられる噴霧ノズルの一例を示し、噴霧ノズルの軸方向断面図を表す。 図１に示した噴霧ノズルのＩＩ－ＩＩ断面図の例を表す。 図１に示した噴霧ノズルを備えた吸気冷却装置の構成例を表す。 本発明の吸気冷却装置に用いられる噴霧ノズルの他の一例を示し、噴霧ノズルの軸方向断面図を表す。 本発明の吸気冷却装置に用いられる噴霧ノズルの他の一例を示し、噴霧ノズルの軸方向断面図を表す。 図５に示した噴霧ノズルを備えた吸気冷却装置の構成例を表す。 図５に示した噴霧ノズルを備えた吸気冷却装置の構成例を表す。 本発明の吸気冷却装置に用いられる噴霧ノズルの他の一例を示し、噴霧ノズルの軸方向断面図を表す。 複数の噴霧ノズルを液体供給管と液体排出管と気体供給管で繋いで吸気ダクト内に設置した構成例を表す。 図９に示した噴霧ノズルおよび各配管のＸ－Ｘ断面図を表す。 図１に示した噴霧ノズルの周りに整流部材を設置した構成例を表す。 図１１に示した噴霧ノズルと整流部材を備えた吸気冷却装置の構成例を表す。 図１１に示した噴霧ノズルと整流部材を吸気ダクト内に設置した構成例を表す。

本発明は、ガスタービンの吸気側に設置され、ガスタービンの燃焼用空気を冷却するための吸気冷却装置に関するものである。本発明の吸気冷却装置は、ガスタービンの吸気ダクトに噴霧ノズルが設けられたものであり、この噴霧ノズルから水を噴霧することによって、水の蒸発潜熱により吸気空気が冷却され、質量流量が高められる。このように吸気空気を冷却することによって、吸気の質量流量を増大させてガスタービンに供給し、燃焼器内で燃焼することにより、ガスタービンの出力を向上させることができる。

水の噴霧によって吸気空気を冷却する場合、できるだけ水を微粒化することが望ましく、これにより水の蒸発時間を短くすることができ、効率的な空気の冷却が実現できる。ガスタービンの吸気空気は、ガスタービン入口での温度をできるだけ一定に保ったり、あるいは細かく制御することが望まれる。これにより、ガスタービンの急激な出力変更を避けることができ、タービン本体への負荷を下げることができる。

本発明者らは、ガスタービンの吸気ダクトに設置する噴霧ノズルとして、これまで衝突式ノズルや旋回式ノズルの使用を検討してきた。これらのノズルを用いれば、比較的小粒径の水滴を噴霧することができる。衝突式ノズルは、ノズル本体の先端部から出た直進棒流を、ノズル本体の先端部の延長線上に設けられた衝突ピンに衝突させて、微粒化するノズルである。衝突式ノズルとしては、例えば、特開平９－９４４８７号公報や米国特許第７３２０４４３号明細書等に開示されるノズルを用いることができる。旋回式ノズルは、筒状のノズル本体の先端側に噴射孔を有するノズルチップを備え、当該ノズルチップのノズル本体内面側に噴射孔から放射状に延びる複数の溝（有底溝）が形成されたノズルである。ノズル本体の噴射孔から出る流体は、ノズル本体の先端側でノズルチップの溝を通り旋回流に形成され、噴射孔から霧状に噴射される。旋回式ノズルとしては、例えば、特開２００８－１０４９２９号公報や特開２００９－３６３１６号公報に開示されるノズルを用いることができる。

しかし、衝突式ノズルや旋回式ノズルでは、１つのノズルからの噴霧量を大きく変動させることは難しい。噴霧量を下げるために供給水圧を下げると、噴霧する水滴の粒径が大きくなり、蒸発に時間を要し、効率的な空気冷却が難しくなるためである。これらのノズルを用いて水の噴霧量を調節するためには、仕様上の噴霧量が比較的少ないノズルを多数設置し、噴霧に使用するノズル数を変えることにより、全体としての噴霧量を調節する方法が考えられる。しかしこの方法では、水の噴霧量が段階的に変化することになるため、噴霧量を連続的に変化させたり、細かな噴霧量の制御をすることが難しい。また、噴霧に使用するノズル数が少ない場合は、吸気ダクト内で噴霧ムラが生じ、効率的な吸気冷却が難しくなる。

そこで本発明では、ガスタービンの吸気冷却に用いる噴霧ノズルとして、先端部に噴口が設けられ、当該噴口を一方側に有し、他方側に液体排出管に連通した液体排出口を有し、前記噴口と前記液体排出口の間に主流路供給口が設けられた主流路と、当該主流路供給口に連通し、主流路内に旋回流が形成されるように液体を供給する液体供給流路とを有する噴霧ノズルを用いる。当該噴霧ノズルを用いれば、主流路に水を一定圧力で供給しつつ、主流路に供給された水を液体排出管へ返送する量を調節することにより、噴口から噴霧される水の粒径を小さく維持したまま、噴口からの噴霧量を変動させることができる。そのため、吸気ダクト内でできるだけ均一に水を噴霧しつつ、水の噴霧量を連続的に変化させたり、噴霧量を細かく制御をすることが可能となる。

以下、本発明で用いる噴霧ノズルの構成例を図面を参照して説明する。なお、本発明は図面に示した態様に限定されるものではない。

図１および図２には本発明で用いる噴霧ノズルの第１実施態様が示され、図１には、噴霧ノズルの軸方向断面図が示され、図２には、図１に示した噴霧ノズルのＩＩ－ＩＩ断面図の例が示されている。また、図３には、噴霧ノズルを含む本発明の吸気冷却装置の構成例が示されている。図１および図２に示した噴霧ノズルは、水のみ（高圧水）を噴射する一流体ノズルとなっている。なお、噴霧ノズルの軸方向とは、噴霧ノズルの基端側から先端側に延びる方向を意味し、噴霧ノズルの軸方向断面とは、噴霧ノズルの軸方向に沿った断面を意味する。

図１に示した噴霧ノズル１（１Ａ）は、先端部に設けられた噴口２と、噴口２を一方側に有し、他方側に液体排出管に連通した液体排出口４を有し、噴口２と液体排出口４の間に主流路供給口５が設けられた主流路３と、主流路供給口５に連通し、主流路３内に旋回流が形成されるように液体を供給する液体供給流路８を有する。主流路３は、ノズル軸方向の少なくとも一部において内面が筒形状に形成され、その一方端に噴口２が設けられ、他方端に液体排出口４が設けられ、噴口２と液体排出口４の間の側面に主流路供給口５が設けられることが好ましい。噴口２は、ノズル先端側から見て円形に形成されることが好ましい。噴口２の直径は０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。

主流路供給口５は、主流路３の内側面に設けられる。図１に示した噴霧ノズル１Ａでは、主流路３の筒形状に形成された部分、すなわち主流路３の円筒部の内周面に主流路供給口５が形成されている。主流路供給口５に連通して、液体供給流路８が設けられる。液体供給流路８は、ノズル先端側から見て、主流路供給口５から主流路３の内周面の略接線方向に延びるように設けられる。図２（ａ）では、液体供給流路８が直線状に延びるように設けられ、図２（ｂ）では、液体供給流路８が曲線状に延びるように設けられており、いずれの場合も、液体供給流路８が主流路供給口５から主流路３の内周面の略接線方向に延びるように設けられている。噴霧ノズル１Ａは、液体供給流路８から主流路供給口５を通じて主流路３内に水を供給することにより、主流路３内に旋回流が形成される。液体は主流路３内を遠心力で旋回し、微粒化しながら主流路３内をノズル先端に向かって進み、噴口２から水が噴霧される。

主流路３の他方側には液体排出管２２に連通した液体排出口４が設けられる。液体排出管２２には圧力制御弁が設けられ、圧力制御弁によって液体排出口４からの排出圧力を制御することができ、これにより噴口２からの噴霧量を調節することができる。例えば、圧力制御弁の開度を高めることによって、主流路３の液体排出口４からの排出量を増やし、噴口２からの噴霧量を減らすことができる。そのため、液体供給流路８からの供給圧力を一定に保ちつつ、噴口２からの噴霧量を任意に調整することが可能となる。また、液体供給流路８からの供給圧力を一定に保つことができるため、噴霧量の増減に関わらず、噴口２から噴霧される水の粒径を小さく保持することができる。

主流路３内において、旋回流は、少なくとも主流路供給口５よりもノズル先端側に形成されることが好ましく、従って、液体供給流路８内の水の流れは、主流路供給口５においてノズル先端側に向かう速度ベクトルを有していることが好ましい。従って、水は、液体供給流路８の基端側（すなわちノズル先端側と反対側）から液体供給流路８に導入することが好ましい。そのために、図１では、液体供給流路８の基端側に液体流入口９が設けられている。液体流入口９は液体供給管に連通している。

主流路３には、主流路供給口５から噴口２の間に、ノズル先端に向かって内径が漸減する縮径部６が設けられることが好ましい。縮径部６では、主流路３の内側面が切頂円錐状に形成されている。主流路３内に縮径部６を設けることにより、液体の旋回速度（角速度）が縮径部６で高まり、主流路３内で液体をより微粒化することができる。

主流路３には、主流路供給口５と液体排出口４の間に、内径が狭まった小径部７が設けられることが好ましい。これにより、主流路３内において、主流路供給口５から液体排出口４に向かった水が、再び主流路供給口５側へ戻ることを抑えることができる。主流路３において、小径部７は、それよりもノズル先端側および基端側と比べて内径が小さく形成されていることが好ましい。

なお、図１および図２では、主流路３に主流路供給口５が２つ設けられているが、主流路供給口５は１つのみ設けられてもよく、３つ以上設けられてもよい。主流路供給口５が複数設けられる場合は、主流路供給口５は、主流路３の断面周方向に対して略等間隔に設けられることが好ましい。主流路供給口５が複数設けられる場合、その数は８以下が好ましく、６以下がより好ましく、４以下がさらに好ましい。

図３には、噴霧ノズル１Ａを備えた吸気冷却装置の構成例を示した。図３に示した吸気冷却装置は、ガスタービン３４の吸気側に設置された吸気ダクト３１を有し、吸気ダクト３１に噴霧ノズル１Ａが設けられたものである。吸気ダクト３１は、上流側にダクト内に空気を取り込む吸気口３２が設けられ、吸気ダクト３１の下流側がガスタービン３４の入口に接続し、吸気ダクト３１を通過した空気がガスタービン３４の圧縮機３５に導入される。圧縮機３５で圧縮された空気は燃焼器３６で燃焼されて燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスによってタービン３７を回転させ、タービン３７と同軸上に連結された発電機３８にタービン３７の回転エネルギーを伝えて発電する。

吸気口３２にはフィルタ３３が設置されていることが好ましい。フィルタ３３を設置することにより、吸気口３２から取り込まれた空気から細かい異物が取り除かれ、ガスタービン３４の損傷を防ぐことができる。吸気口３２は、１つのみ設けられてもよく、２つ以上設けられてもよい。吸気口３２が複数設けられる場合、各吸気口にフィルタが設けられることが好ましい。吸気口３２は、多方向から空気を取り込むように設けられてもよい。なお、吸気ダクト３１において、吸気口３２は、フィルタ３３を含んでそれより上流側の部分に相当する。

吸気ダクト３１には、フィルタ３３の下流側にサイレンサが設けられてもよい（図示せず）。サイレンサによって、ガスタービン３４から発生し吸気ダクト３１を通って外部に洩れる音が低減される。サイレンサは、例えば、吸音板、または吸音材を貼った仕切板で吸気ダクト３１の内部を区切ることにより形成することができる。例えば、吸気ダクト３１の延在方向に対する垂直断面で見て、吸気ダクト３１を所定の一方向に分割したスプリッター型サイレンサや、吸気ダクト３１を縦横に分割したセル型サイレンサなどを用いることができる。

噴霧ノズル１Ａは、吸気ダクト３１のいずれの位置に設置されてもよい。図３では、噴霧ノズル１Ａは、吸気ダクト３１内のフィルタ３３の下流側に設けられているが、例えばフィルタ３３の吸込側（上流側）に設けられてもよい。なお、噴霧ノズル１Ａは、吸気ダクト３１において、少なくともフィルタ３３の下流側に設けられることが好ましい。吸気ダクト３１にサイレンサが設けられる場合は、フィルタ３３とサイレンサの間に噴霧ノズル１Ａが設けられることが好ましい。このような位置に噴霧ノズル１Ａを設けることにより、ガスタービン３４に導入する空気の温度制御が容易になる。すなわち、吸気ダクト３１内に取り込まれた空気の全部が噴霧ノズル１Ａからの噴霧によって冷却され、また噴霧した水の蒸発時間を十分に確保しやすくなる。なお、予備冷却のために、吸気口３２であって、フィルタ３３の吸込側に噴霧ノズルを設けてもよい。また、サイレンサの下流側にも噴霧ノズルを設けて、ガスタービン３４に導入する空気を多段で冷却してもよい。

噴霧ノズル１Ａは、ノズル先端が吸気ダクト３１の下流側を向くように、吸気ダクト３１内に設置されていることが好ましい。この場合、噴霧ノズル１Ａの噴口２が吸気ダクト３１の延在方向と略平行に向くように設置されてもよく、吸気ダクト３１の延在方向に対して斜め方向に向くように設置されてもよいが、好ましくは前者の態様で噴霧ノズル１Ａが設けられる。すなわち、吸気ダクト３１内の空気の流れに沿うように噴霧ノズル１Ａから水が噴射されることが好ましい。これにより、噴口２から噴霧された水が吸気ダクト３１内の空気の流れによってより微粒化され、噴霧された水の速やかな蒸発が実現できる。なお、噴霧ノズル１Ａからは、ある程度の噴射角度で水が噴霧されることが好ましく、例えば噴霧ノズル１Ａの先端を頂点とした円錐状に噴霧されることが好ましい。噴射角度（円錐の頂点の角度）は、例えば３０°以上が好ましく、５０°以上がより好ましく、また１２０°以下が好ましく、９０°以下がより好ましい。

吸気ダクト３１内には複数の噴霧ノズル１Ａが設けられることが好ましく、より好ましくは吸気ダクト３１の延在方向に対する垂直断面において複数の噴霧ノズル１Ａが設けられる。複数の噴霧ノズル１Ａは、吸気ダクト３１の延在方向に対する垂直断面において、一方向と他方向に複数並んで設けられることが好ましい。吸気ダクト３１内に複数の噴霧ノズル１Ａを設けることにより、吸気ダクト３１の断面でより均一に水を噴霧することが可能となる。噴霧ノズル１Ａは、例えば吸気ダクト３１の断面積１ｍ²当たり４個～１００個設置することが好ましく、８個～５０個がより好ましい。噴霧ノズル１Ａを複数設置する場合の各噴霧ノズル１Ａからの噴霧量は同一であっても異なっていてもよい。吸気ダクト３１の延在方向に対する垂直断面において、吸気空気ができるだけ均一に冷却されるように、各噴霧ノズル１Ａからの噴霧量を適宜設定することが好ましい。

噴霧ノズル１Ａは、液体流入口９が液体供給管２１に連通し、液体排出口４が液体排出管２２に連通している。そして、液体供給管２１が貯水タンク２３に繋がっており、液体排出管２２が貯水タンク２３に繋がっていることが好ましい。この場合、貯水タンク２３から液体供給管２１を通って液体供給流路８に水が供給され、この水が主流路供給口５を通って主流路３内に供給されるようになる。そして、主流路３内に供給された水の一部が噴口２から噴霧されるとともに、他部が液体排出口４から排出され、液体排出管２２を通って貯水タンク２３に戻すことができる。これにより、液体排出口４から排出された水を有効活用することができる。

液体排出管２２には圧力制御弁２５が設けられることが好ましい。また、液体供給管２１にも圧力制御弁２４が設けられることが好ましい。液体供給管２１の圧力制御弁２４の開度を調節することによって、噴霧ノズル１Ａの液体供給流路８に供給する水の供給圧力や供給量を制御し、噴口２から噴霧される水の粒径を調整することができる。液体排出管２２の圧力制御弁２５の開度を調節することによって、液体排出口４からの排出圧力を制御し、液体排出口４から排出あるいは返送される水の量を調整し、噴口２からの水の噴霧量を変えることができる。例えば、吸気ダクト３１での冷却効率を高める必要がある場合は、噴口２からの噴霧量を増加させるために、液体排出口４からの水の排出量（返送量）を減らすように操作する。噴霧ノズル１Ａは、液体供給管２１の圧力制御弁２４によって噴霧ノズル１Ａの液体流入口９への供給圧力を一定に維持しつつ、液体排出管２２の圧力制御弁２５によって液体排出口４からの排出圧力を調節することで、噴口２から噴霧される水の粒径を微細に維持したまま、噴口２から噴霧される水の噴霧量を細かく制御することができる。

噴霧ノズル１Ａの液体流入口９への供給圧力（ゲージ圧）は、例えば、０．５ＭＰａ～２０ＭＰａの範囲で調節することが好ましく、２ＭＰａ～１５ＭＰａの範囲で調節することがより好ましい。噴霧ノズル１Ａの液体排出口４からの排出圧力（ゲージ圧）は、例えば、０ＭＰａ～１５ＭＰａの範囲で調節することが好ましく、０ＭＰａ～１２ＭＰａの範囲で調節することがより好ましい。１つの噴霧ノズル１Ａからの噴霧量は特に限定されないが、例えば、０．１～２０００Ｌ／ｈｒの範囲で調整することが好ましい。また、１つの噴霧ノズル１Ａからの最大噴霧量／最小噴霧量の比が４倍以上であることが好ましく、６倍以上がより好ましく、８倍以上がさらに好ましい。これにより１つの噴霧ノズル１Ａからの噴霧量を幅広い範囲で連続的に調整することができる。１つの噴霧ノズル１Ａからの最大噴霧量／最小噴霧量の比の上限は、最小噴霧量での噴霧圧力を確保する点から、例えば２０倍以下、あるいは１５倍以下が好ましい。

噴霧ノズル１Ａ（具体的には液体供給流路８）に供給する水の供給圧力は、液体排出口４からの排出圧力に関わらず基本的に一定にすることが好ましい。これにより、噴口２からの噴霧量に関わらず、噴口２から噴霧される水の粒径をほぼ一定にすることができる。例えば、供給圧力の変動幅が１０％以内となることが好ましく、５％以内がより好ましい。供給圧力の変動幅は、（最大供給圧力－最小供給圧力）／最大供給圧力により求められる。供給圧力は、ポンプの脈動の影響を除いた値とし、例えば１０秒平均値を用いる。

噴霧ノズル１Ａからの噴霧量は、吸気ダクト３１内のフィルタ３３よりも上流側の空気の温度や湿度、あるいは吸気口３２から取り込まれる空気の温度や湿度と、目標とする冷却温度に応じて適宜調整することが好ましい。例えば、吸気ダクト３１内のフィルタ３３よりも上流側の位置や吸気ダクト３１の吸気口３２の吸込側に温度計と湿度計を設置し、この測定結果に基づき液体排出管２２の圧力制御弁２５の開度を調節することにより、ガスタービン３４に導入される空気の温度を細かく制御することができる。また、ガスタービン３４の入口にも温度計を設置し、ガスタービン３４に導入される空気の温度が意図した通り冷却されているか確認し、必要に応じてフィードバック制御することが好ましい。

本発明の吸気冷却装置によれば、噴霧ノズル１Ａからの噴霧量を減らしても、主流路３に水を一定圧力で供給することができるため、噴口２から噴霧される水の粒径が粗大化せず、噴霧量が多い場合と同様に微細な粒子径に保持できる。そのため、吸気ダクト３１に取り込まれる空気の温度変化が大きい場合でも、噴口２から噴霧される水の粒径を小さく維持したまま、噴口２からの噴霧量を変えることができ、ガスタービン３４に導入される空気の温度を一定に保ったり、細かく制御することが可能となる。

本発明の吸気冷却装置に用いられる一流体ノズルの他の構成例について、図４を参照して説明する。図４には本発明で用いる噴霧ノズルの第２実施態様が示され、噴霧ノズルの軸方向断面図が示されている。

図４に示した噴霧ノズル１（１Ｂ）は、上記に説明した噴霧ノズル１Ａとほぼ同じ構成を有しているが、主流路３の形状と液体供給流路８の設置態様が噴霧ノズル１Ａと異なる。噴霧ノズル１Ａでは、図１に示すように、液体供給流路８と主流路３との接続部において、液体供給流路８が主流路３の延在方向に対して略垂直に延びるように設けられていたが、噴霧ノズル１Ｂでは、図４に示すように、液体供給流路８と主流路３との接続部において、液体供給流路８がノズル先端に向かって主流路３側に傾斜して延びている。このように、液体供給流路８は、ノズル先端に向かって主流路３側に傾斜して延び主流路供給口５に到達する部分を有していてもよい。液体供給流路８がこのように形成されていれば、主流路３内において、ノズル先端側に向かう旋回流が形成されやすくなり、噴口２から噴霧される水の粒径をより微細化しやすくなる。

ノズル軸方向断面において、液体供給流路８と主流路３との接続部における液体供給流路８と主流路３とのなす角、すなわち主流路供給口５を中心とした液体供給流路８と主流路３のなす角は、２０°以上が好ましく、３０°以上がより好ましく、また９０°以下が好ましい。

図４に示した噴霧ノズル１Ｂはまた、主流路３の形状や液体供給流路８の主流路３への接続態様（すなわち主流路３への主流路供給口５の設置箇所）の点でも、図１に示した噴霧ノズル１Ａとは異なる。噴霧ノズル１Ａは、主流路３の円筒部に主流路供給口５が設けられていたが、噴霧ノズル１Ｂは、主流路３の縮径部６に主流路供給口５が設けられている。主流路供給口５はこのように、主流路３の噴口２と液体排出口４の間であれば、主流路３のいずれの箇所に形成されてもよい。

噴霧ノズル１Ｂでは、主流路供給口５が縮径部６の最も基端側に設けられている。そして、液体供給流路８が、ノズル軸方向断面で見て、主流路供給口５から縮径部６の側面の延長方向に延びるように形成されている。このように液体供給流路８が形成されていれば、噴口２から噴霧される水をより微粒化しやすくなる。噴霧ノズル１Ｂにおいても、縮径部６は、主流路３の主流路供給口５から噴口２の間に形成されている。

噴霧ノズル１Ｂでは、主流路３で、縮径部６の基端側に隣接して小径部７が設けられている。主流路３には、小径部７がこのような形態で設けられてもよい。

噴霧ノズル１Ｂの吸気冷却装置への適用に関する詳細、例えば、噴霧ノズル１Ｂの液体供給管や液体排出管への接続態様、噴霧ノズル１Ｂの吸気ダクトへの設置態様、噴霧ノズル１Ｂの操作条件等の詳細は、上記の噴霧ノズル１Ａにおけるこれらの説明が参照される。

本発明では、ガスタービンの吸気冷却に用いる噴霧ノズルとして、水と空気を噴射する二流体ノズルを用いてもよい。この場合の噴霧ノズルとしては、噴口として、内側噴口とそれよりもノズル先端側に位置する外側噴口を有し、上記に説明した主流路の一方側に内側噴口が設けられ、外側噴口に連通して気体供給流路が設けられているものが好ましく用いられる。図５には、このような噴霧ノズルとして、本発明の噴霧ノズルの第３実施態様が示され、噴霧ノズルの軸方向断面図が示されている。

図５に示した噴霧ノズル１（１Ｃ）は、噴口として、内側噴口２とそれよりもノズル先端側に位置する外側噴口１０を有するものである。噴霧ノズル１Ｃは、内側噴口２を一方側に有し、他方側に液体排出管に連通した液体排出口４を有し、内側噴口２と液体排出口４の間に主流路供給口５が設けられた主流路３と、主流路供給口５に連通し、主流路３内に旋回流が形成されるように液体を供給する液体供給流路８と、外側噴口１０に連通して設けられた気体供給流路１１を有する。つまり、噴霧ノズル１Ｃは、上記に説明した一流体ノズルにさらに、外側噴口１０に連通した気体供給流路１１が設けられたものである。従って、主流路３と液体供給流路８に関する構成は、上記の噴霧ノズル１Ａや噴霧ノズル１Ｂの説明が参照される。図５には、図１に示した噴霧ノズル１Ａにさらに気体供給流路１１が設けられた構造を有する噴霧ノズルの構成例を示したが、噴霧ノズル１Ｃは、図４に示した噴霧ノズル１Ｂにさらに気体供給流路１１が設けられた構造を有するものであってもよい。

噴霧ノズル１Ｃは、旋回流によって主流路３内で一次微粒化された水が内側噴口２から噴射され、ここに気体供給流路１１を流れる空気や外側噴口１０から噴射された空気が衝突することで二次微粒化される。そのため、噴霧ノズル１Ｃによれば、さらに微粒化された水を噴霧することができる。また、外側噴口１０から噴射された空気によって、噴霧ノズル１Ｃからの噴霧角度が過度に広がることが抑制され、噴霧の勢いを強めて吸気ダクト内の空気との混合を促進して、冷却効率を高めることができる。

噴霧ノズル１Ｃはまた、従来の二流体ノズルと比較して、供給空気量を大幅に低減することができるという利点も有する。例えば、従来の二流体ノズルでは、噴霧量を広い範囲で変化させつつ微粒化性能を高めるためには、気水比１０００程度が必要となるため、比較的大きなコンプレッサーが必要となる。この場合、大規模な追加設備が必要となるとともに、ランニングコストが増大する。また、供給空気用の気体供給管が大きくなり、吸気の圧力損失を招く。これに対して、噴霧ノズル１Ｃは、上記に説明した一流体ノズルの構造を内部に有することにより、内側噴口２から噴霧される水の粒径を小さく維持したまま、内側噴口２からの噴霧量を変動させることができ、気水比を大幅に下げることができる。例えば、コンプレッサーを用いて０．２ＭＰａ～０．６ＭＰａ（ゲージ圧）の圧縮空気を気体供給流路１１に供給する場合、気水比を２０～３００とすることができる。

外側噴口１０は、ノズル先端側から見て、少なくとも一部が内側噴口２と重なる位置にあることが好ましい。より好ましくは、外側噴口１０は、ノズル先端側から見て、内側噴口２の全部と重なる位置にある。すなわち、外側噴口１０は内側噴口２よりも大きいことが好ましい。

内側噴口２と外側噴口１０は、ノズル先端側から見て円形に形成されることが好ましい。また、ノズル先端側から見て、外側噴口１０の中心は内側噴口２の中心と一致する位置にあることが好ましい。内側噴口２の直径は０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。外側噴口１０の直径は０．５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下であることが好ましい。

気体供給流路１１は外側噴口１０から噴射するための空気が通る流路である。気体供給流路１１は、一方側（すなわちノズル先端側）に外側噴口１０が設けられ、他方側（すなわち基端側）に気体流入口１２が設けられることが好ましい。気体流入口１２から気体供給流路１１に空気が流入し、外側噴口１０から空気が噴射される。気体流入口１２は、例えばコンプレッサーが設けられた気体供給管に連通し、コンプレッサーで生成した圧縮空気を気体流入口１２を通して気体供給流路１１に供給することができる。

気体供給流路１１は、ノズル軸方向の垂直断面において、主流路３を取り囲むように設けられることが好ましい。図５では、噴霧ノズル１Ｃは内筒部１４と外筒部１５を有し、内筒部１４の内腔に主流路３が形成され、内筒部１４と外筒部１５の間の空間に気体供給流路１１が形成されている。外側噴口１０は、外筒部１５の一方端に形成されている。また、内筒部１４の側壁部内部に液体供給流路８が形成されている。

気体供給流路１１は、内側噴口２を囲んで、ノズル先端に向かって内側噴口２の中心軸線側に傾斜した先端傾斜部１３を有することが好ましい。先端傾斜部１３は、噴霧ノズル１Ｃを側面から見て、すなわち噴霧ノズル１Ｃの軸方向において、少なくとも内側噴口２と重なる位置に形成され、気体供給流路１１がノズル先端に向かって内側噴口２の中心軸線側に傾斜するように形成される。内側噴口２の中心軸線とは、内側噴口２をノズル先端側から見たときの内側噴口２の中心を通り、主流路３の延在方向に延びる線を意味する。気体供給流路１１に先端傾斜部１３を設けることによって、内側噴口２から噴射された水が、気体供給流路１１を流れる空気または外側噴口１０から噴射された空気によって効果的に剪断され、噴霧ノズル１Ｃから噴霧される水をより微粒化することができる。

気体供給流路１１において、先端傾斜部１３は、内側噴口２の中心軸線に対して２０°以上９０°以下の角度で傾斜して設けられることが好ましく、３０°以上６０°以下の角度で傾斜して設けられることがより好ましい。気体供給流路１１の延在方向は、噴霧ノズル１Ｃの軸方向断面において、内筒部１４と外筒部１５に挟まれた空間の中心線延在方向によって定められ、先端傾斜部１３の傾斜角度は、気体供給流路１１の中心線延在方向の先端傾斜部１３における内側噴口２の中心軸線に対する角度を意味する。噴霧ノズル１Ｃは、内筒部１４の外側面の先端部がテーパー状に形成され、内側噴口２の中心軸線に対して２０°以上９０°以下の角度で傾斜するように形成されていることが好ましく、３０°以上６０°以下の角度で傾斜するように形成されていることがより好ましい。また、外筒部１５の内側面が、噴霧ノズル１Ｃの軸方向において少なくとも内側噴口２と重なる位置で、内側噴口２の中心軸線に対して２０°以上９０°以下の角度で傾斜するように形成されていることが好ましく、３０°以上６０°以下の角度で傾斜するように形成されていることがより好ましい。

先端傾斜部１３において、気体供給流路１１は、ノズル先端に向かって、内側噴口２の中心軸線に対する垂直断面の断面積が狭くなっていることが好ましい。あるいは、先端傾斜部１３において、内筒部１４の外側面と外筒部１５の内側面の隙間間隔が、ノズル先端に向かって狭くなっていることが好ましい。これにより、気体供給流路１１を流れる空気がノズル先端側に進むに従って高速化され、噴霧ノズル１Ｃから噴霧される水をより微粒化することができる。

気体供給流路１１は、最も狭い箇所での隙間間隔が０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましく、また１０．０ｍｍ以下が好ましく、６．０ｍｍ以下がより好ましい。すなわち、内筒部１４の外側面と外筒部１５の内側面の隙間間隔は、最も狭い箇所で０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．５ｍｍ以上がより好ましく、また１０．０ｍｍ以下が好ましく、６．０ｍｍ以下がより好ましい。これにより、気体供給流路１１を流れる空気量を確保しやすくなるとともに、気体供給流路１１を流れる空気または外側噴口１０から噴射される空気による剪断力（内側噴口２から噴射された水の剪断力）を高めやすくなる。

噴霧ノズル１Ｃは、外側噴口１０と内側噴口２の間の空間で、内側噴口２から噴射された水が気体供給流路１１を流れる空気と混合される内部混合タイプであってもよく、噴霧ノズル１Ｃの外部空間で、内側噴口２から噴射された水が外側噴口１０から噴射された空気と混合される外部混合タイプであってもよく、これらの両者が組み合わさったタイプであってもよい。内部混合タイプの噴霧ノズル１Ｃの場合、外側噴口１０と内側噴口２の間に内部混合空間が確保されることが好ましく、例えば、気体供給流路１１のノズル先端側での内筒部１４の外側面と外筒部の内側面の隙間間隔を０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下とすることが好ましい。外部混合効果を高めた噴霧ノズル１Ｃの場合は、例えば、気体供給流路１１のノズル先端側での内筒部１４の外側面と外筒部の内側面の隙間間隔を０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

噴霧ノズル１Ｃの吸気冷却装置への適用に関する詳細、例えば、噴霧ノズル１Ｃの液体供給管や液体排出管への接続態様、噴霧ノズル１Ｃの吸気ダクトへの設置態様、噴霧ノズル１Ｃの操作条件等の詳細は、上記の噴霧ノズル１Ａにおけるこれらの説明が参照される。なお、噴霧ノズル１Ｃは、上記に説明した一流体ノズル（例えば、噴霧ノズル１Ａや噴霧ノズル１Ｂ）に気体供給流路１１が付加された構成となっており、気体供給流路１１へは様々な方法で空気を供給することができる。

図６と図７には、噴霧ノズル１Ｃが設置された吸気冷却装置の構成例を示した。図６と図７に示した吸気冷却装置は、図３に示した吸気冷却装置において、噴霧ノズル１Ａの代わりに噴霧ノズル１Ｃを設置したものである。従って、以下において、上記の図３に係る説明と重複する部分の説明を省略する。

図６に示した吸気冷却装置では、噴霧ノズル１Ｃの気体流入口１２が気体供給管２６に連通し、気体供給管２６にコンプレッサー２７が設置されている。コンプレッサー２７で生成した圧縮空気が、噴霧ノズル１Ｃの気体流入口１２を通して気体供給流路１１に供給される。これにより、内側噴口２から噴射された水に気体供給流路１１を流れる空気や外側噴口１０から噴射された空気が衝突し、さらに微粒化された水を噴霧ノズル１Ｃから噴霧することができる。また、外側噴口１０から噴射された空気によって、噴霧ノズル１Ｃからの噴霧角度が過度に広がることが抑制され、噴霧の勢いを強めて吸気ダクト３１内を流れる空気との混合が促進され、冷却効率を高めることができる。

図７に示した吸気冷却装置では、気体供給管２６の一方側が噴霧ノズル１Ｃの気体流入口１２に連通し、他方側がガスタービン３４の圧縮機３５に連通している。すなわち、噴霧ノズル１Ｃの気体供給流路１１がガスタービン３４の圧縮機３５に連通し、気体供給流路１１に圧縮機３５からの圧縮空気が供給されるようになっている。図７に示した吸気冷却装置では、噴霧ノズル１Ｃに供給する圧縮空気を生成するためのコンプレッサーが不要となるため、設備コストの低減を図ることができる。

本発明の吸気冷却装置では、二流体ノズルに供給する空気として、吸気ダクト内を流れる空気を用いることもできる。この場合は、吸気ダクト内を流れる空気を噴霧ノズルの気体供給流路に取り込みやすくするために、図８に示したように、気体流入口が広げられた噴霧ノズルが好適に用いられる。図８には、本発明の噴霧ノズルの第４実施態様が示され、噴霧ノズルの軸方向断面図が示されている。

図８に示した噴霧ノズル１（１Ｄ）は、上記に説明した噴霧ノズル１Ｃと基本構成は同じであるが、気体供給流路１１の気体流入口１２が噴霧ノズル１Ｄの基端側に大きく開口している。気体供給流路１１は、一方側が外側噴口１０に連通し、他方側が吸気ダクト３１の内部に連通しており、気体供給流路１１に吸気ダクト３１内を流れる空気が供給されるようになっている。従って、噴霧ノズル１Ｄは、噴霧ノズル１Ｃとは異なり、気体流入口１２に圧縮空気等を供給する気体供給管は接続されない。

噴霧ノズル１Ｄは、ノズル先端が吸気ダクト３１の下流側を向くように設置され、気体供給流路１１の気体流入口１２が吸気ダクト３１の上流側に開いていることが好ましい。このように噴霧ノズル１Ｄを吸気ダクト３１内に設置することにより、吸気ダクト３１内を流れる空気が気体供給流路１１に取り込まれやすくなる。気体供給流路１１に流入した空気は、外側噴口１０から噴射され、微粒化された水が噴霧ノズル１Ｄから噴霧される。

本発明の吸気冷却装置は、吸気ダクト内に複数の噴霧ノズルが設けられることが好ましい。この場合、吸気ダクト内には液体供給管や液体排出管あるいはさらに気体供給管も設置されることとなる。しかし、このように多数の配管を吸気ダクト内に設置した場合、吸気ダクト内での圧力損失が高まり、ガスタービンの吸気空気量が確保できなくなるおそれがある。従って、吸気ダクトに噴霧ノズルを複数設ける場合は、次のように液体供給管や液体排出管や気体供給管を設置することが好ましい。

噴霧ノズル１Ａ、噴霧ノズル１Ｂ、噴霧ノズル１Ｄのように、液体供給口に連通して液体供給管が設けられ、液体排出口に連通して液体排出管が設けられる場合は、液体供給管と液体排出管は、吸気ダクトの上流側から見て、少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置されることが好ましい。このように液体供給管と液体排出管を配置することにより、これらの配管を吸気ダクト内に設置することによる圧力損失の増加を抑えることができる。なお、各配管の延在方向や重なりは、吸気ダクトにおいて、噴霧ノズル１とそれに繋がる各配管が設置された箇所をその上流側から見て判定するものとする。

噴霧ノズル１Ｃのように、気体流入口に連通して気体供給管がさらに設けられる場合は、液体供給管と液体排出管と気体供給管は、吸気ダクトの上流側から見て、少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置されていることが好ましい。この場合、液体供給管と液体排出管と気体供給管のうちの少なくも２つが互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置されていればよいが、好ましくは、気体供給管が、吸気ダクトの上流側から見て、液体供給管および／または液体排出管と少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置される。より好ましくは、気体供給管と液体供給管の少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置され、かつ気体供給管と液体排出管の少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置される。気体供給管は液体供給管と液体排出管よりも口径あるいは断面積が大きくなる傾向となるため、このように各配管を配置することにより、吸気ダクトの上流側から見て、コンパクトに各配管を配置することができる。吸気ダクトの圧力損失の増加を抑える点からは、気体供給管の断面（気体供給管の延在方向に対する垂直断面）の形状は、吸気ダクトの延在方向に長く、その垂直方向に短く形成されていることが好ましい。また、気体供給管内に液体供給管および／または液体排出管を配置することによって、気体供給管が液体供給管および／または液体排出管と重なるように配置されていてもよい。

図９および図１０には、複数の噴霧ノズル１Ｃを吸気ダクト内に設置する際に、複数の噴霧ノズル１Ｃを液体供給管と液体排出管と気体供給管で接続した構成例が示されている。図１０は図９のＸ－Ｘ断面図を表す。図９および図１０において、矢印Ｗは吸気ダクト内の空気の流れる方向を表す。

図９および図１０では、吸気ダクト３１内に、噴霧ノズル１Ｃが、吸気ダクト３１の延在方向に対する垂直断面において複数設置されている。図９および図１０に示した噴霧ノズル１Ｃは、吸気ダクト３１の上流側から見て、液体供給流路８の液体流入口９と気体供給流路１１の気体流入口１２が互いに９０°ずれて配置されている。図９および図１０では、複数の噴霧ノズル１Ｃの液体流入口９に連通して液体供給管２１が設けられ、複数の噴霧ノズル１Ｃの液体排出口４に連通して液体排出管２２が設けられている。そして、液体供給管２１と液体排出管２２が、吸気ダクト３１の上流側から見て、少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置されている。さらに、複数の噴霧ノズル１Ｃの気体流入口１２に連通して気体供給管２６が設けられており、気体供給管２６内に液体供給管２１と液体排出管２２が配置されている。その結果、気体供給管２６が、液体供給管２１と液体排出管２２と、吸気ダクト３１の上流側から見て、少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置されている。このように各配管を配置することにより、これらの配管を吸気ダクト３１内に設置することによる圧力損失の増加を抑えることができる。

噴霧ノズル１と液体供給管２１と液体排出管２２、あるいはさらに気体供給管２６は、吸気ダクト３１の上流側から見て、吸気ダクト３１の断面積（吸気ダクト３１の内部空間の断面積）の５０％以下を占めることが好ましく、４０％以下がより好ましく、３０％以下がさらに好ましい。これにより、吸気ダクト３１での圧力損失の増加を抑えることができる。

本発明の吸気冷却装置では、噴霧ノズルから噴霧された水がより微粒化されるようにする点から、噴霧ノズルが吸気ダクト内の流速が５ｍ／ｓ以上となる位置に設置されていることが好ましい。このような流速となる位置で水を噴霧することによって、噴霧した水の微粒化が効果的に促進される。噴霧ノズルを設置する位置の流速は、より好ましくは８ｍ／ｓ以上であり、さらに好ましくは１０ｍ／ｓ以上であり、さらにより好ましくは１２ｍ／ｓ以上である。当該流速の上限は特に限定されず、例えば５０ｍ／ｓ以下であってもよく、３０ｍ／ｓ以下であってもよく、２０ｍ／ｓ以下であってもよい。なお、上記に説明した流速は、噴霧ノズルの先端部分（一流体ノズルの場合は噴口であり、二流体ノズルの場合は外側噴口である）での流速を意味する。

吸気ダクト内で、噴霧ノズルが設置された位置での流速を高める点から、吸気ダクト内には整流部材が設けられることが好ましい。この場合、整流部材は、少なくとも一部が吸気ダクト内の流れ方向に対して非平行となるように配置され、整流部材によって吸気ダクト内の流速が高められる高流速領域が形成され、この高流速領域に、ノズル先端が吸気ダクトの下流側を向くように、噴霧ノズルが設置されることが好ましい。整流部材は吸気ダクト内の空間に設けられ、整流部材によって噴霧ノズルを囲む空間の断面積（吸気ダクトの延在方向に対する垂直断面の面積）が吸気ダクトの上流側から下流側にいくに従って狭くなる縮流部が形成されることが好ましい。噴霧ノズルは、吸気ダクトの延在方向において、整流部材による縮流部が形成される範囲にノズル先端が位置するように配置されることがより好ましい。

図１１～図１３には、噴霧ノズルの周りに整流部材が設けられた吸気冷却装置の構成を示した。図１１には、噴霧ノズルと整流部材を、噴霧ノズルの軸方向断面で見た図を示し、図１２には、噴霧ノズルと整流部材が吸気ダクト内に設置された吸気冷却装置の構成例を示し、図１３には、吸気ダクト内に設置した噴霧ノズルと整流部材を、その上流側から見た図を示している。なお、図１１～図１３には、噴霧ノズル１Ａの周りに整流部材を設けた構成例を示したが、整流部材とともに設置される噴霧ノズルはこれに限定されない。

吸気ダクト３１内には、少なくとも一部が吸気ダクト３１内の空気の流れ方向Ｗに対して非平行となるように配置された整流部材４１が設けられている。整流部材４１によって、吸気ダクト３１内の流速が高められる高流速領域が形成される。図１１では、整流部材４１の上流側開口４２から下流側開口４３に向かうまでの間で、噴霧ノズル１の周りの整流部材４１で囲まれた部分の断面積が縮小する縮流部が形成され、これにより吸気ダクト３１内を流れる空気の流速が高められる。図１１では、高流速領域は、吸気ダクト３１内の空気の流れ方向Ｗに対して、整流部材４１の途中から下流側開口４３の下流側に至る範囲に形成される。噴霧ノズル１は、高流速領域に、ノズル先端が吸気ダクト３１の下流側を向くように、吸気ダクト３１内に設置されており、これにより、噴霧ノズル１から噴霧された水の微粒化が促進される。

整流部材４１の上流側開口４２の開口幅や開口面積は適宜設定すればよいが、例えば、上流側開口４２の開口面積が噴霧ノズル１の設置面積（吸気ダクト３１の上流側から見た投影面積）の５倍以上となることが好ましく、１０倍以上がより好ましく、１５倍以上がさらに好ましい。整流部材４１の下流側開口４３の開口面積は、上流側開口４２の開口面積の２０％以上が好ましく、３０％以上がより好ましく、４０％以上がさらに好ましく、また９０％以下が好ましく、８０％以下がより好ましく、７０％以下がさらに好ましい。

噴霧ノズル１は、吸気ダクト３１の延在方向に対する垂直断面において、一方向と他方向に複数並んで設けられ、整流部材４１の上流側開口４２は、吸気ダクト３１の延在方向に対する垂直断面の全体を覆うように設けられることが好ましい。また、各噴霧ノズル１に対応して、上流側開口４２がそれぞれ設けられることが好ましい。図１３には、そのように噴霧ノズル１と整流部材４１を設置した例を示しており、上流側開口４２が、各噴霧ノズル１に対応して、上流側から見て四角形状で密に並んで配置されている。なお、上流側開口４２の形状は四角形状に限定されず、例えば三角形状や六角形状等でもよく、いわゆる格子状に上流側開口４２が配置されることが好ましい。一方、下流側開口４３は各噴霧ノズル１を中心とした円形状に設置されることが好ましく、これにより噴霧ノズル１の周囲の流速が均等に高められ、噴霧ノズル１から噴霧された水を均一に微粒化しやすくなる。

噴霧ノズルは、吸気ダクト内での速やかな蒸発を実現する点から、平均粒子径が３０μｍ以下の水滴を噴霧するものであることが好ましい。なお、ここで説明した水滴の平均粒子径は、吸気ダクト内で空気が実質的に流れていない状態でノズルから噴霧された水に対して、位相ドップラー粒子分析計を用い、ノズルの先端から３０ｃｍ先の地点での水滴の粒子径分布を測定したときのザウター平均粒子径を意味する。噴霧ノズルから噴霧される水滴の平均粒子径は２５μｍ以下がより好ましく、２０μｍ以下がさらに好ましい。当該水滴の平均粒子径の下限値は特に限定されないが、例えば１μｍ以上であってもよく、５μｍ以上であってもよく、８μｍ以上であってもよい。

本発明はまた、上記に説明した吸気冷却装置を用い、吸気ダクトに取り込まれる空気または吸気ダクト内を流通する空気に水を噴霧して冷却する吸気冷却方法も提供する。吸気ダクトや噴霧ノズルの詳細は上記の説明が参照される。噴霧ノズルは、吸気ダクトの吸気口またはその近傍に設置され、吸気ダクトに取り込まれる空気に水を噴霧して冷却するものであってもよく、吸気ダクト内に設置され、吸気ダクト内を流通する空気に水を噴霧して冷却するものであってもよい。本発明の吸気冷却方法によれば、噴霧ノズルから噴霧される水の粒径を小さく維持したまま、噴霧ノズルからの噴霧量を広い範囲にわたって変動させることができる。そのため、吸気ダクト内でできるだけ均一に水を噴霧しつつ、水の噴霧量を連続的に変化させたり、噴霧量を細かく制御をすることが可能となる。

１： 噴霧ノズル
２： 噴口（内側噴口）
３： 主流路
４： 液体排出口
５： 主流路供給口
６： 縮径部
７： 小径部
８： 液体供給流路
９： 液体流入口
１０： 外側噴口
１１： 気体供給流路
１２： 気体流入口
１３： 先端傾斜部
１４： 内筒部
１５： 外筒部
２１： 液体供給管
２２： 液体排出管
２３： 貯水タンク
２４： 圧力制御弁
２５： 圧力制御弁
２６： 気体供給管
３１： 吸気ダクト
３２： 吸気口
３３： フィルタ
３４： ガスタービン
４１： 整流部材

Claims (10)

1. ガスタービンの吸気側に設置され、一流体ノズルである噴霧ノズルが設けられた吸気ダクトを有する吸気冷却装置であって、
   前記噴霧ノズルは、
   先端部に設けられた噴口と、
   前記噴口を一方側に有し、他方側に液体排出管に連通した液体排出口を有し、前記噴口と前記液体排出口の間に主流路供給口が設けられた主流路と、
   前記主流路供給口に連通し、前記主流路内に旋回流が形成されるように液体を供給する液体供給流路と
   を有することを特徴とする吸気冷却装置。
2. 前記主流路は、前記主流路供給口から前記噴口の間に、ノズル先端に向かって内径が漸減する縮径部を有する請求項１に記載の吸気冷却装置。
3. 前記吸気ダクトには前記噴霧ノズルが複数設けられ、
   前記複数の噴霧ノズルの前記液体供給流路に連通して液体供給管が設けられ、
   前記複数の噴霧ノズルの前記液体排出口に連通して液体排出管が設けられ、
   前記液体供給管と前記液体排出管は、前記吸気ダクトの上流側から見て、少なくとも一部が互いに同じ方向に延在しかつ重なって配置されている請求項１または２に記載の吸気冷却装置。
4. 前記液体供給管と前記液体排出管は、前記吸気ダクト内を流通する空気に露出している請求項３に記載の吸気冷却装置。
5. 前記主流路は前記噴霧ノズルの軸方向に延び、前記噴口は、前記主流路の軸方向の一方側に設けられている請求項１～４のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
6. 前記主流路は前記噴霧ノズルの軸方向に延び、前記主流路に前記主流路供給口が複数設けられている請求項１～５のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
7. 前記噴霧ノズルは前記噴口を１つのみ有する請求項１～６のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
8. 前記噴霧ノズルは、ノズル先端が前記吸気ダクトの下流側に向かって、前記噴口が前記吸気ダクトの延在方向と略平行に向くように、前記吸気ダクト内に設置されている請求項１～７のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
9. 前記吸気ダクト内には、少なくとも一部が前記吸気ダクト内の流れ方向に対して非平行となるように配置された整流部材が設けられ、前記整流部材によって前記吸気ダクト内の流速が高められる高流速領域が形成され、
   前記噴霧ノズルは、前記高流速領域に、ノズル先端が前記吸気ダクトの下流側を向くように、前記吸気ダクト内に設置されている請求項１～８のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の吸気冷却装置を用い、前記吸気ダクトに取り込まれる空気または前記吸気ダクト内を流通する空気に水を噴霧して冷却することを特徴とする吸気冷却方法。

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