JP2005147148A - 流体をターボ機械内に分配するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械内部のガス流路内に流体の分配を可能にするための装置及び方法を提供する。
【解決手段】ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配することになる装置を取付ける方法は、ケーシング９４の内面に沿ってケーシング溝１０６を機械加工する段階と、ケーシング溝１０６と流体連通した少なくとも１つのポート１１４をケーシング９４内に機械加工する段階と、ケーシング溝１０６と流体連通した内部空洞を少なくとも１つのステータブレード１０内に機械加工する段階と、内部空洞と流体連通した少なくとも１つのオリフィス２６をステータブレードのオリフィス表面１８に機械加工する段階と、流体供給源を少なくとも１つのポート１１４に結合する段階とを含む。
【選択図】図１５

Description

本発明の方法及び装置は、ターボ機械の作動における改善に関する。より具体的には、この改善は、ターボ機械内部のガス流路内への流体の分配に関する。

ターボ機械は、様々な有用な用途に用いられている。航空、船舶輸送、発電及び化学処理は、全てこれまで様々な設計のターボ機械から恩恵を受けている。一般的な技術用語に関して、「ターボ機械」という用語は、それを横切る流体とエネルギー交換する1つ又はそれ以上の環状のブレード列を備えたあらゆる機械を意味する。ターボ機械の実例には、ファン、幾つかの種類の圧縮機、タービン、ポンプ及びガスタービンがある。

水又は低温のガスのような流体物質をターボ機械に添加して、ターボ機械の効率を増大させることができる。ガスタービンの圧縮機又は圧縮機セクションに水を添加する場合、このような方法は、湿り圧縮と呼ばれる。湿り圧縮は、流入ガスを加圧（圧縮）するために必要な仕事量を軽減することによってターボ機械システムにおける出力増大を可能にする。この熱力学的利点は、「潜熱中間冷却」によって圧縮機内部で実現されるが、圧縮機に導入されたガスに添加された水（又は他の幾つかの適当な液体）は、添加した液体を伴ったガスが圧縮されるにつれて、蒸発によってそのガスを冷却する。このことに関して、添加した液体は、「蒸発性液体ヒートシンク」として概念化することができる。従って、湿り圧縮法は、仕事の増分量（添加液体を含まないガスを圧縮するのに必要であったと思われる）を節減する。圧縮機仕事量の低減を利用して、ガスタービンの同じ正味出力を生成する（従って、効率を高める）のに必要な燃料の量を低減するか、或いはガスタービンの同じ総出力に利用できる仕事の増分量を増大させて、例えば、ターボ機械に取付けられた発電機のような負荷を駆動する（単一シャフト機械の場合に）か又は圧縮機速度を増大させてより多くの質量流量を供給するようにする（単一シャフト及びデュアルシャフト機械の両方において価値をもつことができる）。

出力増大への付加的な増分貢献が、例えば蒸発した添加液体によってもたらされた僅かな質量流量の増加によってガスタービンのタービンセクション内で実現可能である。さらに、出力増大への更なる増分貢献が、ガス流量の増加によってもたらされるようになるが、このことは大型の地上設置発電用ガスタービンにおいて毎分１０〜２０ガロンの第１の液体増分で起こることが知られている。湿り圧縮は、燃料の供給量が変化しない場合にはタービンの燃焼温度を低下させ、低下した燃焼温度によりガスタービンの総出力が低下することに注目されたい。しかしながら、圧縮仕事量の軽減は、ガスタービンの総出力の低下よりも大きいので、ガスタービンの正味出力は増大する。圧縮機から吐出される低温の（乾きガス圧縮に比較して）ガス／蒸発液体混合物の温度を乾き圧縮におけるガスタービンの燃焼温度まで上昇させるために燃料の供給量を増加する場合、湿り圧縮作用により実現される価値は、必要付加燃料の価値よりも大きくなり、システム全体としての作動に付加される価値が増すことになる。

液体をターボ機械に添加することの危険性は、回転及び非回転ブレードへの流体物質の衝突による侵食である。湿り圧縮（特に大型のガスタービンシステムにおける）についての別の難問は、ターボ機械内での局所的かつ不均一な冷却（添加液体の不均一な分配による）に関するものであり、この局所的かつ不均一な冷却は、ターボ機械システムの構造的構成部品を変形させて、熱応力によりまたハウジングの内壁及び関連するシールに対するロータの摩擦により損傷を引き起こすようなるおそれがある。

危険性の更に大きな要素は、熱衝撃の発生可能性から生じ、この熱衝撃は、（１）ターボ機械が実質的に熱力学的平衡に達した場合、及び（２）ターボ機械に添加されているエネルギーに対するフィードフォワード補正なしに液体添加を突然終了させた場合に起こる。すなわち、この危険性は、このように蒸発性液体ヒートシンクが無くなった場合に、ターボ機械の内部作動温度の、損傷を与える可能性がある突然の変化により生じる。

液体の圧力を利用して液滴を生成する液圧式アトマイザは、普通に入手できるが、流れる液体が少なすぎるか又は粒径が大きすぎる液滴を生成する。アトマイザを出るときに瞬間的に気化するように液体を加熱することによって液滴径を小さくすることができるが、液体に加えられる熱消費率は大きな出力量に相当する。空気補助式アトマイザは普通に入手でき、ターボ機械のガス流路内に小さい液滴を高い液体流量で生成することができるが、ハードウェアが嵩張るので流れを著しく妨げずにターボ機械のガス流路内に挿入することができない。従って、アトマイザは、流れを妨げるのを回避するために外側ケーシング内に挿入される。しかし、液体の液滴は、該液適の粒径が小さくかつ低い運動量のために外側ケーシング付近にとどまる傾向があるので、液滴の分配（分布）が不充分になり、このことによってターボ機械のガス流ストリームに液体を添加することによる効率改善が大幅に制限される。別の欠点は、空気補助式アトマイザ内で用いる霧化用空気の加圧は、大量の出力を必要とすることである。
特表２００２−５１９５５８号公報

必要なものは、ターボ機械への液体の添加がターボ機械システム内で実施されるのを可能にしかつ前記の欠点の一部又は全てを解消することができる方法及びシステムである。

ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置の実施形態は、ガス流路内に流体を導入するための手段を含み、その手段がガス流路内に配置されることに関する。

さらに、ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置の別の実施形態は、少なくとも１つターボ機械段における少なくとも１つステータブレードと、ステータブレードの内部と流体連通した流体チャネルと、流体チャネルと流体連通した流体供給源と、ステータブレードのオリフィス表面に設置されかつ該ステータブレードの内部と流体連通した少なくとも１つのオリフィスとを含むことに関する。

さらに、ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置の別の実施形態は、少なくとも１つのターボ機械段における少なくとも１つのステータブレードと、ガスチャネルと、ステータブレードの内部に設置されかつガスチャネルの周りに多孔アニュラスを形成してそれからの流体が該ガスチャネル内に流れるのを可能にするように構成された流体チャネルと、流体チャネルと流体連通した流体供給源と、ステータブレードのオリフィス表面に設置されかつガスチャネルと流体連通した少なくとも１つのオリフィスとを含むことに関する。

さらに、ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置の別の実施形態は、その内部全体にわたって多孔性材料を含み、多孔性材料がその最大圧力表面の部分及びそのオリフィス表面の部分に露出している、少なくとも１つのターボ機械段における少なくとも１つのステータブレードと、ステータブレードの内部に設置されかつ該ステータブレードの内部に流体を供給するように構成された流体チャネルと、流体チャネルと流体連通した流体供給源とを含み、ステータブレードが、ターボ機械のガス流路から最大圧力表面を通してガスを受入れかつ流体チャネルによって供給された流体と混合するように構成にされ、また霧化した流体が、オリフィス表面を通してステータブレードから流出することに関する。

さらに、ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置の別の実施形態は、その内部の部分全体にわたる空洞とそのオリフィス表面の部分の多孔性材料とを含む、少なくとも１つのターボ機械段における少なくとも１つのステータブレードと、ステータブレードの内部に設置されかつ該ステータブレードの内部に流体を供給するように構成された流体チャネルと、流体チャネルと流体連通した流体供給源とを含み、ステータブレードが、流体チャネルからその内部に流体を受入れるように構成にされ、流体が内部からオリフィス表面の多孔性材料を通して流れてターボ機械のガス流路に流入するのを可能にすることに関する。

さらに、ターボ機械内部のガス流路内に霧化した流体を分配するための本発明装置の実施形態は、外部供給源からの流体を加熱するように構成された熱交換器と、その内部の部分全体にわたって空洞を含む、少なくとも１つのターボ機械段における少なくとも１つのステータブレードと、ステータブレードのオリフィス表面に設置されかつ空洞と連通結合された少なくとも１つのアトマイザとを含み、ステータブレードが、熱交換器と連通結合されて空洞内に加熱された流体を受入れ、その後加熱された流体がアトマイザオリフィスを通して空洞から流出してターボ機械のガス流路に流入することに関する。

ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置のさらに別の実施形態は、外部供給源からの流体を加熱するように構成された熱交換器と、少なくとも１つのターボ機械段における少なくとも１つのステータブレードと、ステータブレードのオリフィス表面近傍に設置されたチューブと、チューブの側面に設置されかつ空洞に連通結合された少なくとも１つのオリフィスとを含み、チューブが、熱交換器と連通結合されて空洞内に加熱された流体を受入れ、その後加熱された流体がオリフィスを通して空洞から流出してターボ機械のガス流路に流入することに関する。

ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置のさらに別の実施形態は、振動発生器に作動結合された振動プレートを備えた少なくとも１つのチャンバを含む、少なくとも１つのターボ機械段における少なくとも１つのステータブレードと、ステータブレードの内部に設置されかつチャンバに連通結合された流体チャネルと、チャンバと流体連通しかつステータブレードのオリフィス表面に設置された少なくとも1つのオリフィスと、流体チャネルと流体連通した流体供給源とを含み、チャンバが、流体がオリフィスを通して該チャンバから流出してターボ機械のガス流路に流入する前に、流体チャネルを通して該チャンバに供給された流体に脈動を与えるように構成されることに関する。

ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置のさらに別の実施形態は、３６０度ケーシングと該ケーシングの内面から半径方向に延びる少なくとも１つのステータブレードとを含む少なくとも1つのターボ機械段と、ケーシングの内面に設置されたケーシング溝と、ステータブレードの内部に設置されかつケーシング溝と流体連通したステータブレード空洞と、ケーシングに設置されかつケーシング溝と流体連通したポートと、ステータブレードのオリフィス表面に設置されかつステータブレード空洞と流体連通した少なくとも1つのオリフィスとを含むことに関する。

ターボ機械内部のガス流路内に霧化した流体を分配するための本発明装置の別の実施形態は、３６０度ケーシングと該ケーシングの内面から半径方向に延びる少なくとも１つのステータブレードとを含む少なくとも1つのターボ機械段と、ケーシングの内面に設置されたケーシング溝と、ステータブレードの内部に設置されかつケーシング溝と流体連通したステータブレード空洞と、ケーシングに設置されかつケーシング溝と流体連通したポートと、ステータブレードのオリフィス表面に設置されかつステータブレード空洞と流体連通した少なくとも1つのオリフィスを有する少なくとも１つのアトマイザとを含むことに関する。

ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための本発明装置の別の実施形態は、少なくとも１つのターボ機械段における少なくとも１つのステータブレードと、ステータブレードのオリフィス表面近傍に設置されたチューブと、チューブの側面に設置された少なくとも１つのオリフィスと、バイオネット状チューブと流体連通した流体供給源とを含むことに関する。

ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配することになる装置を取付ける本発明の方法の実施形態は、ケーシングの内面に沿ってケーシング溝を機械加工する段階と、ケーシング溝と流体連通した少なくとも１つのポートをケーシング内に機械加工する段階と、ケーシング溝と流体連通した内部空洞を少なくとも１つのステータブレード内に機械加工する段階と、内部空洞と流体連通した少なくとも１つのオリフィスをステータブレードのオリフィス表面に機械加工する段階と、少なくとも１つのポートに流体供給源を結合する段階とを含むことに関する。

次に、同じ要素には同様に符号付けした、例示的な実施形態である各図を参照する。

本明細書では、本発明の装置及び方法の幾つかの実施形態を、例示であって限定ではないものとして図１〜図１７を参照して説明する。

エア・フォイル型の実施形態
ターボ機械のガス流路内に流体を導入することは、望ましい。流体が液体である場合、液体が蒸発するときにその液体はガスを冷却し、それによってターボ機械の効率を増大させる。流体が低温のガスである場合、その低温ガスはターボ機械の流路内のガスを冷却し、それによって同様にターボ機械の効率を増大させることになる。また、液体が流路に流入するとき液体を霧化して、液体がより容易に蒸発することができるようにすることも望ましい。液体を霧化することは、その液体を極めて小さい液滴に細分化することを意味する。さらに、ターボ機械の内部に添加される液体を霧化することは、ターボ機械内でブレードの侵食を引き起こすおそれがある液体の大きい液滴の形成を防止するために重要である。液体を霧化することはまた、ターボ機械全体にわたって液体をより均一に分配する（分布させる）ことを可能にする。図１は、ターボ機械の内部に添加された液体を霧化するのを助ける本発明装置の１つの実施形態を示す。図１は、１つのステータブレード１０の斜視図を示す。ステータブレードはまた、一般にベーンとしても知られている。ステータブレード１０内には、流体チャネル１４が設けられる。流体チャネル１４には、液体供給源を作動結合することができる。１つの実施形態では、液体は、ターボ機械のケーシングを通して外部チャネル２０によって流体チャネル１４に供給することができる。外部チャネルは、外部液体供給源に結合することができる。流体チャネル１４は、ステータブレード１０のオリフィス表面１８に沿って半径方向に分散配置された少なくとも１つのオリフィス（図１には示していないが図２に示す）を通して液体がステータブレードから流出することを可能にする。このように１つ以上のオリフィスをステータブレード１０の表面上に半径方向に分散配置することにより、ターボ機械のガス流路全体にわたる液体の半径方向の分配を高める。一般的には、ステータブレードの前縁は、一般的により低い圧力を有する後縁よりも高い圧力を有する。通常、前縁と後縁との間にはステータブレードにおける最大圧力低下があると言える。しかしながら、高圧表面が前縁と一致することがなくかつ／又は低圧表面が後縁と一致することがないように、ステータブレードを設計することもできる。さらに、最大圧力低下は、本明細書に開示した実施形態では必ずしも必要ではない。従って、ステータブレードの「オリフィス表面」は、実施形態が機能するためには、ステータブレード内の空洞又はステータブレードの表面のような差圧を有する位置に対して最小限の必要圧力低下を生じるステータブレードの表面であろう。同様に、ステータブレードの最大圧力低下表面として特定される表面は、本発明の実施形態が機能するためには、オリフィス表面に対して最大圧力低下を生じるようなステータブレードの表面である。

実施形態では、流体チャネル１４は、複数のチャネル１６に分割することができ、チャネル１６の各々がステータブレード１０の後縁のオリフィスと流体連通することができる。それに限定されないが、ステータブレードの大きさとターボ機械内に注入する必要があると判断された流体量のような様々な要因に応じてチャネル１６の数をより多くするか又は少なくすることが可能である。オリフィス表面１８に近接して設置されているのは、２つのエア・フォイル２２である。

エア・フォイル２２は、流出する流体をオリフィス表面１８で霧化するのに役立つ。この霧化のメカニズムは、空気補助式ノズルのような空気補助式アトマイザに関して公知である霧化のメカニズムに類似している。空気補助式の霧化及び本明細書に開示したエア・フォイルの両方における霧化のメカニズムは、高い相対速度を有するガスが、低い相対速度を有する液体と相互作用をなすものである。ガスと液体との間の接触面において剪断応力が発生する。この剪断応力は、液体内に摂動を引き起こし、そのことが最終的には液体を粒径が小さい液滴に分割し、それによって液体を霧化する。従って、ステータブレード１０の周りを流れるガスは、空気補助式の霧化で用いられる外部霧化用空気と同じ働きをする。従って、ステータブレードの周りを流れるガスは、エア・フォイル２２によって導かれて、ステータブレード１０のオリフィス表面１８のオリフィスから流出する液体と相互作用する。ガスは、オリフィスから流出する液体に対して非常に高い速度を有するので、液体を霧化する。別の実施形態では、エア・フォイル２２は、ステータブレード１０を作るのに用いられたのと同じ材料で作られる。１つの実施形態では、エア・フォイル２２は、ステータブレード１０がターボ機械の内側シェルから延びているのと同様の方法でターボ機械の内側シェルから延びる。

液体をステータブレードの内部に供給しかつステータブレードのオリフィス表面１８に設置されたオリフィスを通して流出させることは、ターボ機械のガス流路全体にわたって液体を極めて均一に分配することができるという利点を有する。段の全てのステータブレードが液体をターボ機械のガス流路に供給するオリフィスを有する場合にこの利点は増大する。

図２は、図１に示す実施形態の上面図を示す。この図では、オリフィス表面１８にオリフィス２６を見ることができる。１つの実施形態では、ターボ機械が１７５ＭＷガスタービンである場合に、１つの段における各ステータブレードへの液体の流量は、約０．０１ｌｂ／秒であり、またオリフィス２６は直径が約１０ミルである。

図３は、エア・フォイル／ステータブレード構成の別の実施形態を示す。図示したステータブレード１０は、流体チャネル１４及びオリフィス２６を備える。しかしながら、この実施形態では、ステータブレード１０に隣接して２つのエア・フォイル２２を設けるのではなく、単一の双方向流エア・フォイル構造体３０を設けている。単一の双方向流エア・フォイル構造体３０は、各オリフィス２６よりも大きくかつ各オリフィスと同一直線上にある少なくとも１つ大径のオリフィス３４を有する。従って、液体がオリフィス２６の何れかから流出するとき、その液体は、エア・フォイル構造体３０により該液体に向かって導かれるガスによって作用を受ける。その後液体は、それぞれの大径オリフィス３４に向けられそれを通って流れる。実施形態では、オリフィス２６は、その直径を１０ミルとすることができ、またより大径のオリフィス３４は、その直径を約１００ミルとすることができる。この方法は、液体を霧化するのに役立つ。図４はエア・フォイル構造体の部分正面図である。

従って、上述の実施形態は、ターボ機械内部のガス流路内に霧化した流体を分配するための装置を示す。オリフィスがステータブレード１０に沿って半径方向に分散配置されている場合、霧化した液体をターボ機械のガス流路内部で半径方向に分配することができる。

逆起泡作用型の実施形態
液体にガス気泡を添加することが液体を霧化するのに役立つことは、起泡システムとして公知である。ガス気泡は、液体のストリームを閉じ込めた表面の小開口を通してガスストリームを流すことによって形成される。しかしながら、この実施形態は、ガスを閉じ込めた表面の小開口を通して液体が流れ、それによって霧化した液体を生成する逆起泡作用として説明することができるものを用いる。小開口を通して液体を流すことの利点は、その場合ガスストリームを流すのに必要な圧力低下がより少なく、また同じ圧力低下でガスを供給するのに必要であると思われるよりも少ないエネルギーを用いることによって液体のストリームにおけるより大きい圧力低下が得られることである。

図５は、本発明装置の逆起泡型の実施形態を示す。この実施形態では、図示したステータブレード１０は、オリフィス表面１８を備える。液体をステータブレードに供給しオリフィス２６を通してオリフィス表面１８から流出させる流体チャネル１４が設けられる。しかしながら、この実施形態ではさらに、ステータブレード１０の最大圧力表面４６又はその近くのどちらかに開口４２を有するガスチャネル３８が設けられる。流体チャネル１４は、ガスチャネル３８の周りにアニュラス５０を形成する。１つの実施形態では、アニュラスは、約０．１２５インチの外径を有し、またアニュラスの多孔表面は、長さが約０．５インチで約０．０６２５インチの直径を有し、直径が約１０〜１００ミクロンである約２０〜５０個の孔をチューブの表面に分散配置したステンレス鋼製チューブで形成することができる。このチューブは、約０．０１％〜約０．４％の範囲の等価多孔率を有し、ここで、多孔率は、気孔空間を構成する材料の全体ボリュームによる分数である。別の実施形態では、多孔表面は、約０．０１％〜約０．４％の等価多孔率を有する燒結ステンレス鋼製チューブによって形成することができる。さらに別の実施形態では、多孔表面は、約０．０１％〜約０．４％の等価多孔性を有するメッシュスクリーンとすることができる。流体チャネル１４に供給される液体は、高圧下の液体とすることができる。

ターボ機械のガス流路からのガスは、最大圧力表面４６又はその近くの開口４２を通してステータ１０に流入する。開口４２は、ガスをガスチャネル３８内に導入する。高圧液体は、流体チャネル１４を通して流入し、多孔アニュラス５０を通過してガスチャネル３８内に流れ、そこでガスと混合する。液体が多孔アニュラス５０を通過すると圧力低下が生じ、この圧力低下が、液体がガスチャネル３８内のガスと混合するときに液体を霧化するのに役立つ。燒結ステンレス鋼のような多孔性材料で利用される霧化のメカニズムは、単にオリフィスを通して液体を押出して該液体を霧化する霧化メカニズムに類似している。燒結ステンレス鋼のような燒結材料は、多くの小さい通路から成っており、この小さい通路が本質的に多くのオリフィスとして作用する。液体が燒結表面を通過するには比較的大きな圧力低下が必要であるが、液体を加圧するの必要な出力は、同じ圧力低下でガスを加圧するのに必要な出力よりも少ない。ターボ機械が１７５ＭＷガスタービンである１つの実施形態では、圧力は、約３０００ｐｓｉａとすることができる。

最大圧力表面からオリフィス表面までのステータブレード１０にわたる圧力低下により、アトマイザを通して液体／ガス混合物が押出されることになる。液体／ガス混合物は、オリフィス２６を通してガスチャネル３８から流出し、そこでさらに別の圧力低下が起こり、液体をさらに霧化させる。図６は、図５に示すステータブレード１０の上面図を示す。

逆起泡装置の別の実施形態では、ステータブレード１０の開口４２に流入するターボ機械からのガスを用いるのではなく、外部供給源からのガスをガスチャネル３８に供給することができる。ガスは、液体を流体チャネル１４に供給する方法に類似した方法でステータブレード１０に供給することができる。

多孔質材型の実施形態
図７は、本発明装置の別の実施形態を示す。ブレード基部５４から延びるステータブレード１０の部分破断図が示されており、ブレードはターボ機械の内側シェル内に挿入される。ステータブレード内に設置されていのは、ステータブレード１０の内部に水を供給する流体チャネル１４である。この実施形態では、ステータブレードの内部は多孔質材（多孔性材料）を含む。別の実施形態では、多孔質材は、約０．０１６％〜約０．４％に等価な多孔率を有する燒結ステンレス鋼とすることができる。ステータブレード１０の多孔質材は、ステータブレードの最大圧力表面４６でガス流路に露出している。同様に、ステータブレードのオリフィス表面１８でも、多孔質材が露出している。ターボ機械内のガスは、その最大圧力表面４６において露出多孔質材を通してステータブレード１０に流入する。ステータブレード１０の多孔質材内部で、ガスは流体チャネル１４によって供給された液体と混合し、そこで液体が霧化される。ガスと霧化した液体の混合物は、オリフィス表面１８を通してステータブレード１０から流出し、ターボ機械の流れの中に流入する。図８は、図７のステータブレード１０の上面図を示す。

図９は、本発明装置の別の実施形態を示す。ステータブレード１０は、そのオリフィス表面１８にのみ多孔質材を含む。ステータブレード１０の内部は、ステータブレード空洞４８を含む。液体が、流体チャネル１４によってステータブレード空洞４８に供給される。従って、流体チャネルにより液体がステータブレード空洞４８に供給されると、液体はオリフィス表面１８の多孔質材を通して空洞４８から流出し、そこで液体は、該液体がターボ機械の流れに流入するときに霧化される。図１０は、図９に示すステータブレード１０の上面図を示す。ステータブレード１０のオリフィス表面は多孔質材を含む。ステータブレードの外部表面の残り部分は、ステータブレードの製作に普通用いられる標準的な非多孔性材料とすることができる。

熱交換器型の実施形態
この実施形態では、ターボ機械のガス流路内に霧化した液体を導入するためのガス補助式アトマイザを備えたステータブレードの少なくとも１つの段を、熱交換器と組合せて使用して、霧化される液体を加熱すること及び霧化過程を補助するために用いられるガスを冷却することの両方を行う。上述のように、液体を注入し該液体がガス流路内で蒸発することによって主圧縮機ガス流が冷却される場合、それに限定されないが圧縮機のような軸流ターボ機械に必要な仕事量は軽減される。蒸発が起これば起こるほど、冷却が大きくなる。従って、蒸発を高めるために、注入される液体は、該液体が液滴内の表面張力の減少により一層容易に蒸発することになるように加熱されるのが望ましい。さらに、霧化用ガスが冷却された場合、その密度及び粘度が増大する。従って、極めて高速度の霧化用ガスが液体と相互作用した場合、ガスの密度及び粘度の増大によりガスと液体との間の接触面においてより大きい剪断応力が発生することになる。このより大きい剪断応力が、液体内により大きい摂動を引き起こし、液体の霧化を高めることになる。液体の予熱で失われた冷却能力の量は、蒸発潜熱が比熱よりも遙かに大きいので、蒸発過程で得られる冷却能力の量よりも遙かに少ない。

図１１は、熱交換器装置の実施形態を示す概略図である。ターボ機械６２も、示されている。ガス管路６６は、ターボ機械の後半の段の区域から加熱されかつ加圧されたガスを得る。液体が、ポンプ７４によって流体管路７０を通してシステム内に圧送される。ガス管路６６及び流体管路７０は、熱交換器５８に結合される。従って、熱交換器５８は、ガス管路６６からの加熱加圧ガスを用いて流体管路７０からの液体を加熱する。同様に、流体管路７０内の比較的低温の液体は、ガス管路６６内の加熱加圧ガスを冷却する。いったん熱交換器５８を通り抜けると、冷却されたガス及び加熱された液体は、ステータブレード空洞４８に導かれる。空洞４８内部では、冷却されたガスは、該ガスが空洞内の液体と相互作用するときに高い相対速度を有するので霧化用ガスとなる。霧化した液体は次に、ステータブレード１０のオリフィス表面上にある、ガス補助式アトマイザのオリフィス２６を通して流出する。熱交換器５８は、それに限定されないが、コイル形熱交換器、プレート形熱交換器又はシェル・チューブ形熱交換器から選択することができる。本明細書で用いる場合の「アトマイザ」は、単にオリフィスで構成されることも可能であるが、さらに、それに限定されないが、補助空気用通路、液体用スワールベーン及び他の液体霧化補助用装置のような付加的なハードウェアを含むことができる。

ターボ機械６２が約１０００ｌｂ／秒のガスを圧縮する圧縮機である場合の１つの実施形態では、およそ１０ｌｂ／秒の液体が特定の段におけるステータブレード１０を通して圧縮機のガス流の中に注入されることになり、またおよそ１ｌｂ／秒の霧化用ガスがその特定の段におけるステータブレード１０内で用いられることになる。例えば、特定の段内に１００個のステータブレード１０が設けられ、かつ各ステータブレード１０がガス補助式アトマイザを有するように構成されている場合、ステータブレード当たり約０．１ｌｂ／秒の水をガス流路内に注入することになり、また各ステータブレードは、約０．０１ｌｂ／秒の霧化用ガスを用いることになる。

脈動型の実施形態
この実施形態では、液体の霧化が、多くの小径のオリフィスと流体連通したチャンバ内の液体に脈動を与えることによって達成される。脈動を与えることは、極めて高い振動数でチャンバの表面（振動プレート）を振動させることによって達成される。振動プレートを振動させるための幾つかの振動発生器が存在し、それらの一部には、それに限定されないが、圧電アクチュエータ、バイメタルストリップ、温度変動を発生する熱電対又は静電パルスを発生するコンデンサがある。

液体チャンバ内でパルスを発生させることは、液体を霧化するメカニズムをもたらす。高速ガスを用いて液体と相互作用させて液体内に摂動を引き起こし、それによって小さい液滴を形成するのに代えて、本実施形態は、より直接的な方法を用いる。振動プレートの振動によって液体に摂動を生じさせ、それによって液体を小さい液滴に分割する。圧電アクチュエータを用いることの利点は、ガス補助式アトマイザと比較して必要な補助動力が少なくてすむことである。別の利点は、脈動アトマイザの寸法が小さいことである。

図１２は、本発明の脈動装置の実施形態を示す。液体を２つのチャンバ７８に供給する流体チャネル１４を有するステータブレード１０を示している。チャンバ７８の各々は、圧電アクチュエータ８２によって作用を受ける。圧電アクチュエータ８２は、振動プレート８６を動かすように反復作動して、チャンバ７８内の液体が振動プレート８６の動きによって生じる脈動としても知られている圧力波を受けるようにする。１つの実施形態では、脈動速度を約１〜１０ＭＨｚにし、流入液体の圧力を約３０ｐｓｉａにすることになる。チャンバ７８内の液体に対する圧力波の作用は、液体が小径のオリフィス９０を通って流出するときに、その液体を霧化するのに役立つ。オリフィスは、その直径を１０ミクロン程度とすることができる。脈動アトマイザの厚さを１００ミクロン程度とし、また長さを５インチ程度とすることができる。このような脈動アトマイザは、ステータベーンの空気力学的特性を阻害せずに、その他の点では変更されていないステータベーンの後縁に沿って表面に取付けることができる。

図１３は、圧電アクチュエータ８２の１つの拡大図である。この図には、流体チャネル１４によって供給される１つのチャンバ７８と、振動プレート８６と、圧電アクチュエータ８２と、３つの小径のオリフィス９０とが示されている。圧電アクチュエータは、チャンバ７８の液体内に圧力波を生成するような方法で振動プレート８６を動かすように反復作動して、液体が小径のオリフィス９０を通して流出するときに、その液体が霧化することになるようにする。

プレナム空洞型の実施形態
ターボ機械は、上述の実施形態を組み入れるように新たに製造することができる。ケーシングは、外部供給源からの液体をステータブレード１０に供給するように製造することができる。ターボ機械の内部に液体を供給する１つの公知の方法は、外部供給源から液体を受入れるための設定数の外部ポート継手を備えたプレナム空洞を製造時にケーシング内に形成することである。プレナム空洞は、ケーシングの全周の周りで延びて、ターボ機械の全周の周りに液体の流れを分配することができる。しかしながら、この空洞がケーシングの一体部分として形成されていない場合の改造整備においては、プレナム空洞を形成しなければならない。これ迄は、ケーシングを貫通して穿孔したポート備えたケーシングの周りで外部配管を用いて外部液体を供給するようにして、プレナム空洞を形成していた。この方法は、少数のポートを使用できる場合には実施可能であるが、多数のポートが必要な場合には、この方法は有効ではない。例えば、外部液体がターボ機械の１００個ブレードの段において全てのステータブレードの内部と連通しているとした場合、１００個のポートをケーシング内に穿孔する必要があることになる。これほど多数のポートは、構造健全性を損なう危険性を生じる可能性があり、従ってこのようなポートの数を減少させることが望ましい。

図１４は、ターボ機械の内部に液体を分配するための装置のプレナム空洞型の実施形態を示す。この実施形態は、ターボ機械の改造整備には特に有用なものとなる。図１４には、ケーシング９４及びステータブレード１０を示している。ケーシングの内面は、該ケーシング内面の３６０度の全周に円周方向に機械加工されたケーシング溝１０６を有する。ここに開示した実施形態では、ケーシング溝は、ターボ機械ケーシングの全３６０度を通して延びているが、他の実施形態では、各々がケーシングのおよそ１８０度にわたる２つのケーシング溝を設けるか、或いは各々がケーシングのおよそ１２０度にわたる３つの溝を設けるなど、その他同様にすることができる。ケーシング溝１０６は、ターボ機械の全周で延びるプレナム空洞１１０を形成する。プレナム空洞１１０には、単一もしくは複数のポート１１４によって外部供給源から液体を供給することができる。プレナム１１０の全周に供給するわずか１つのポート１１４のみを設けるようにし、従ってケーシング９４を貫通して穿孔するポートの数を制限することが可能になり、それによってケーシングの構造健全性を保つことができることに注目することが重要である。ケーシング９４とステータブレード１０との間の合わせ面は、それに限定されないが、ロープシールのような一対の固定シール１１８によってシールすることができる。使用することができる他のシールには、ケーシング又はステータブレードの熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する金属シール及び耐熱性エポキシシールが含まれる。さらに、ステータブレード１０は個々のブレードが組立体内で互いに重なった状態になり、それによって溝１０６と流体連通した潜在的漏れ経路を形成するブレード間ギャップが存在する可能性がある。このブレード間ギャップは、各ブレード対間の固定シール１２２によってシールすることができるる。固定シール１２２は、それに限定されないが、ロープシールとすることができる。さらに、ケーシング又はステータブレードの熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する金属製のシールを用いることができ或いは耐熱性エポキシ製のシールを用いることができる。何らかの漏れにより漏れ流体の無制御な霧化を引き起こし、また漏れ流体は結果としてより大きい液滴径で霧化する可能性があるので、前述の漏れ経路をシールすることは重要である。プレナム空洞１１０は、ステータブレード空洞４８と連通している。ステータブレード空洞４８は、ステータブレード１０のオリフィス表面付近における、前述の霧化実施形態の何れかのオリフィス２６と連通している。

図１５は、本発明のプレナム空洞の別の実施形態を示す。この実施形態では、ターボ機械の段における各ステータブレードの上面にも溝１０２が機械加工されている。他の実施形態では、ステータブレードの全てではなく少ない数のステータブレードが、その中にステータブレード溝１０２を機械加工されることができ、例えば、全ての他のステータブレードにはその中に溝を機械加工し、従って全ての他のステータブレードにより大きなプレナム空洞を形成することができる。

次に、この実施形態をターボ機械に改造する方法を説明する。ターボ機械から上部ケーシングを取外す。ケーシングの内面の３６０度の周囲内にケーシング溝１０６を機械加工する。ケーシング溝１０６と流体連通した少なくとも１つのポート１１４を、ケーシング内に機械加工する。ターボ機械の段における少なくとも１つのステータブレード内にステータブレード空洞４８及びオリフィス２６を機械加工する。新たに形成したプレナム空洞１１０に液体を供給する外部チャネルに少なくとも１つのポート１１４を結合した状態で、ターボ機械を再び組立てる。

１つの実施形態では、ケーシング溝１０６は、幅が１．５インチでありまた深さが０．２５インチである。ステータブレード溝も設けた別の実施形態では、ケーシング溝は、幅が１．５インチ、深さが０．１２５インチであり、またステータブレード溝は、長さが１．２５インチ、深さが０．１２５インチ、幅が０．２５インチである。オリフィス２６は、直径を１０ミルとすることができる。

バイオネット状チューブ型の実施形態
本発明装置の別の実施形態では、１つまたは多数のステータブレードの伴流領域内に、多孔バイオネット状チューブを配置する。１つ又は多数のステータブレードの伴流領域内にバイオネット状チューブを通して中間冷却媒体として液体を導入することは、あらゆる空気力学的悪影響を最少にする。この開示した実施形態の別の利点は、この実施形態がステータブレード自体のような他の構成部品を広範囲に改造せずに現用のターボ機械に改造を施すことができることである。

図１６は、バイオネット状チューブ装置の実施形態を示す。ケーシング９４から延びるステータブレード１０を示している。ステータブレード１０のオリフィス表面１８近傍には、同様にケーシング９４から延びるバイオネット状チューブ１３０が配置される。バイオネット状チューブ１３０は、該バイオネット状チューブが完全にステータブレード１０の伴流内に位置するように小さい外径を有する。１つの実施形態では、バイオネット状チューブの１３４の外径は、約０．２５インチである。バイオネット状チューブ１３０は、オリフィスを備えるように多孔になっている。オリフィス２６は、最大の霧化になるような又は最大の伴流運動量増加になるような方向に面する。図１７は、ステータブレード１０及びバイオネット状チューブ１３０の概略上面図を示す。破線１３４は、ステータブレード１０を離れたガス流の伴流跡を表す。図１７で分かるように、バイオネット状チューブ１３０は、破線１３４で示す伴流内に配置される。１つの実施形態では、オリフィスは、直径が約１０ミルとすることができる。バイオネット状チューブが該バイオネット状チューブによって供給した液体の余剰運動量で伴流の運動量不足を補充する場合、バイオネット状チューブによって空気力学的利点を得ることができる。バイオネット状チューブは、加熱された液体及び冷却されたガスを熱交換器からステータブレードを通して送出する代わりに、バイオネット状チューブを通して加熱された液体及び冷却されたガスを送出するような場合に、熱交換器型の実施形態と組合せることができる。

高圧区域ノズル型の実施形態
流体がステータブレードの高圧表面付近でターボ機械のガス流路に流入する場合、流体がノズルから流出して流体流に対向するか又はほぼ対向する方向に流れているガス流と相互作用するときにさらに霧化が起こることが最近分かってきた。従って、別の実施形態では、ステータブレードの高圧表面に又はその近傍にノズルを設置して対向してくるガス流内に流体を導入し、それによって流体の良好な霧化を生じるようにすることができる。

上記には、ターボ機械のガス流路内に液体を導入する実施形態を説明してきたが、ターボ機械の流路内に低温のガス（それに限定されないが、低温の窒素ガスのような）を導入してターボ機械内のガス流を冷却することによって、同様の利点を達成することができる。従って、上記の実施形態の全ては、液体だけてなくガスをターボ機械のガス流路内に導入することも含むことになる。

例示的な実施形態を参照して、本発明の方法及び装置の実施形態を説明してきたが、本発明の方法及び装置の実施形態の技術的範囲から逸脱することなく、実施形態の要素に様々な変更を加えまたそれら要素を均等物と置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ステータブレード及びエア・フォイルの斜視図。 ステータブレード及びエア・フォイルの上面図。 ステータブレード及びエア・フォイルの別の実施形態の上面図。 エア・フォイルの正面図。 逆起泡装置を有するステータブレードの斜視図。 図５のステータブレードの上面図。 多孔性材料を含むステータブレードの斜視図。 図７のステータブレードの上面図。 多孔性材料がその後縁に設置されたステータブレードの斜視図。 図９のステータブレードの上面図。 熱交換器を有するターボ機械の概略図。 脈動装置を有するステータブレードの斜視図。 図１２の脈動装置の拡大図。 プレナム空洞を有するステータブレード及びケーシングの側面図。 プレナム空洞を有するステータブレード及びケーシングの別の実施形態を示す図。 ステータブレード及びバイオネット状チューブの側面図。 ステータブレード及びバイオネット状チューブの上面図。

符号の説明

１０ ステータブレード
１４ 流体チャネル
１８ ステータブレードのオリフィス表面
２０ 外部チャネル
２６ オリフィス
３８ ガスチャネル
４６ ステータブレードの最大圧力表面
４８ ステータブレード空洞
９４ ケーシング
１０２ ステータブレード溝
１０６ ケーシング溝
１１０ プレナム空洞
１１４ ポート
１３０ バイオネット状チューブ

Claims (10)

1. ターボ機械（６２）内部のガス流路内に流体を分配するための装置であって、
   ガス流路内に流体を導入するための手段を含み、
   前記手段がガス流路内に配置されている、
   装置。
2. 霧化した流体が、ステータブレード（１０）近傍の低圧区域においてガス流路に流入する、請求項１記載の装置。
3. ターボ機械（６２）内部のガス流路内に流体を分配するための装置であって、
   少なくとも１つターボ機械（６２）段における少なくとも１つステータブレード（１０）と、
   前記ステータブレード（１０）の内部と流体連通した流体チャネル（１４）と、
   前記流体チャネル（１４）と流体連通した流体供給源と、
   前記ステータブレード（１０）のオリフィス表面に設置されかつ該ステータブレード（１０）の内部と流体連通した少なくとも１つのオリフィス（２６）と、
   を含む装置。
4. ターボ機械（６２）内部のガス流路内に流体を分配するための装置であって、
   少なくとも１つのターボ機械（６２）段における少なくとも１つのステータブレード（１０）と、
   ガスチャネル（３８）と、
   前記ステータブレード（１０）の内部に設置されかつ前記ガスチャネル（３８）の周りに多孔アニュラス（５０）を形成してそれからの流体が前記ガスチャネル（３８）内に流れるのを可能にするように構成された流体チャネル（１４）と、
   前記流体チャネル（１４）と流体連通した流体供給源と、
   前記ステータブレード（１０）のオリフィス表面に設置されかつ前記ガスチャネル（３８）と流体連通した少なくとも１つのオリフィス（２６）と、
   を含む装置。
5. ターボ機械（６２）内部のガス流路内に流体を分配するための装置であって、
   内部全体にわたって多孔性材料を含み、前記多孔性材料が最大圧力表面（４６）の部分及びオリフィス（２６）表面（１８）の部分に露出している、少なくとも１つのターボ機械（６２）段における少なくとも１つのステータブレード（１０）と、
   前記ステータブレード（１０）の内部に設置されかつ該ステータブレード（１０）の内部に流体を供給するように構成された流体チャネル（１４）と、
   前記流体チャネル（１４）と流体連通した流体供給源と、
   を含み、
   前記ステータブレード（１０）が、前記ターボ機械（６２）のガス流路から最大圧力表面（４６）を通してガスを受入れかつ前記流体チャネル（１４）によって供給された流体と混合するように構成にされ、また霧化した流体が、前記オリフィス（２６）表面（１８）を通してステータブレード（１０）から流出する、
   装置。
6. ターボ機械内部のガス流路内に流体を分配するための装置であって、
   内部の部分全体にわたる空洞とオリフィス（２６）表面（１８）の部分の多孔性材料とを含む、少なくとも１つのターボ機械（６２）段における少なくとも１つのステータブレード（１０）と、
   前記ステータブレード（１０）の内部に設置されかつ該ステータブレード（１０）の内部に流体を供給するように構成された流体チャネル（１４）と、
   前記流体チャネル（１４）と流体連通した流体供給源と、
   を含み、
   前記ステータブレード（１０）が、前記流体チャネル（１４）からその内部に流体を受入れるように構成にされかつ流体が前記内部から前記オリフィス（２６）表面（１８）の多孔性材料を通して流れて前記ターボ機械（６２）のガス流路に流入するのを可能にする、
   装置。
7. ターボ機械（６２）内部のガス流路内に霧化した流体を分配するための装置であって、
   外部供給源からの流体を加熱するように構成された熱交換器（５８）と、
   内部の部分全体にわたって空洞を含む、少なくとも１つのターボ機械（６２）段における少なくとも１つのステータブレード（１０）と、
   前記ステータブレード（１０）のオリフィス表面に設置されかつ前記空洞と連通結合された少なくとも１つのアトマイザと、
   を含み、
   前記ステータブレード（１０）が前記熱交換器（５８）と連通結合されて前記空洞内に加熱された流体を受入れ、その後前記加熱された流体が前記アトマイザオリフィス（２６）を通して空洞から流出して前記ターボ機械（６２）のガス流路に流入する、
   装置。
8. ターボ機械（６２）内部のガス流路内に流体を分配するための装置であって、
   外部供給源からの流体を加熱するように構成された熱交換器（５８）と、
   少なくとも１つのターボ機械（６２）段における少なくとも１つのステータブレード（１０）と、
   前記ステータブレード（１０）のオリフィス表面近傍に設置されたチューブと、
   前記チューブの側面に設置されかつ前記空洞に連通結合された少なくとも１つのオリフィス（２６）と、
   を含み、
   前記チューブが、前記熱交換器（５８）と連通結合されて前記空洞内に加熱された流体を受入れ、その後前記加熱された流体が前記オリフィス（２６）を通して空洞から流出して前記ターボ機械（６２）のガス流路に流入する、
   装置。
9. ターボ機械（６２）内部のガス流路内に流体を分配するための装置であって、
   振動発生器に作動結合された振動プレート（８６）を備えた少なくとも１つのチャンバ（７８）を含む、少なくとも１つのターボ機械（６２）段における少なくとも１つのステータブレード（１０）と、
   前記ステータブレード（１０）の内部に設置されかつ前記チャンバ（７８）に連通結合された流体チャネル（１４）と、
   前記チャンバ（７８）と流体連通しかつ前記ステータブレード（１０）のオリフィス表面に設置された少なくとも1つのオリフィス（２６）と、
   前記流体チャネル（１４）と流体連通した流体供給源と、
   を含み、
   前記チャンバ（７８）が、流体が前記オリフィス（２６）を通して該チャンバ（７８）から流出して前記ターボ機械（６２）のガス流路に流入する前に、前記流体チャネル（１４）を通して該チャンバ（７８）に供給された流体に脈動を与えるように構成されている、
   装置。
10. ターボ機械（６２）内部のガス流路内に流体を分配するための装置であって、
    ３６０度ケーシング（９４）と前記ケーシング（９４）の内面から半径方向に延びる少なくとも１つのステータブレード（１０）とを含む少なくとも1つのターボ機械（６２）段と、
    前記ケーシング（９４）の内面に設置されたケーシング溝（１０６）と、
    前記ステータブレード（１０）の内部に設置されかつ前記ケーシング溝（１０６）と流体連通したステータブレード空洞（４８）と、
    前記ケーシング（９４）に設置されかつ前記ケーシング溝（１０６）と流体連通したポート（１１４）と、
    前記ステータブレード（１０）のオリフィス表面に設置されかつ前記ステータブレード空洞（４８）と流体連通した少なくとも1つのオリフィス（２６）と、を含む装置。

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