JP2002355583A - 霧化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大容量で微細水滴の噴霧が、少ない空気量で得
られ、さらに噴霧エリアの水滴密度を均一にするクロス
噴霧大容量霧化スプレーノズルを提供するにある。 【解決手段】供給する気体および液体が混合される混合
部と、該混合部の下流側に設けられるノズル先端オリフ
ィスと、該ノズル先端オリフィスの前端から大気に向け
てすり鉢状に広がるように開口する噴霧口と、該噴霧口
の中央底部に配置され、かつ噴霧口の壁面との間に狭い
噴射流路を形成する噴射駒と、前記噴射流路に向けて成
形用気体を噴射する噴射スリットを有することを特徴と
するクロス噴霧大容量霧化スプレーノズル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体を霧化散布す
るスプレーノズルに係わり、特にガスタービン発電シス
テムの圧縮機の吸気に大量の微細水滴を散布するのに好
適な大容量の２流体霧化スプレーノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】水、薬液、液体燃料などの液体を散布す
るノズルの一種に、空気などの気体と混合して狭い隙間
から噴射し液体を霧化（アトマイズ）する方式のノズル
が従来から知られており、２流体霧化スプレーノズルな
どと呼ばれ、市販品も各種みることができる。

【０００３】この種の具体例としては、例えば、特開昭
５７−２７１５８号公報では、気水混合器を用いないで
高速気流に水を注入し、気流により水を霧化し、円錐状
にスプレー水を散布するようにしたノズルについて開示
している。また、特開昭６１−１７１５６１号公報で
は、扁平な噴霧パターンを作り、その散布方向を変えら
れるようにした塗料の噴霧ノズルについて開示してい
る。さらに、実公昭６３−３８９３２号公報では、気体
・液体をノズル内で混合し、ノズル先端のスリット（オ
リフィス）から噴出させ、散布液体の微細化を図るよう
にしたノズルについて開示している。

【０００４】ところで、近年、総合的な熱効率の点か
ら、ガスタービンを用いたコンバインドサイクル発電シ
ステムが広く採用されているようになっているが、この
ようなガスタービンを用いたシステムでは、夏期の吸気
温度の上昇により出力が低下する特徴がある。近年、こ
のような吸気温度の上昇による影響に対処するため、圧
縮機上流側の吸気に２０μｍ以下の粒径に微粒化した水
滴を噴霧し、その蒸発熱により吸気温度の上昇を抑え、
さらに質量流量を増加させることで増出力を得る方法が
採用されている。現状では、この水滴の噴霧に圧縮機か
ら抽気する高温空気（約２５０℃）を用いる内部混合型
２流体霧化スプレーノズルが採用されており、その性能
は、噴霧分布が扇型で散布水量が毎時４２リットル、気
水比（空気の体積流量／水の体積流量）が約５００で平
均水滴径が１６μｍ以下である。このノズルの水滴径は
常温、高温空気を使用しても変わりがない。

【０００５】圧縮機上流の空気室に噴霧する水量は噴霧
水と吸気空気の重量比で約１％である。したがって、ノ
ズルにより噴霧する水量は、ガスタービンの容量にもよ
るが、かなり大量の水となる。このため、複数個の２流
体霧化スプレーノズルを用い、多数のノズルから一斉に
噴霧するようにしている。例えば、１００メガワットの
ガスタービンシステムでは、散布水量が毎時４２リット
ルの大容量噴霧ノズルを使用した場合、約２００個のノ
ズルが必要となる。この時に使用される圧縮機から抽気
される空気による損失は出力の約２％に相当し、電気出
力換算で約２メガワットである。

【０００６】また、使用されている従来ノズルの噴霧角
度が１１０°と広いため、ノズルの設置は、空気室の中
央部に集中して設置され、空気室壁側を流れる吸気には
水滴の同伴が少なく空気室内での水滴分布にアンバラン
スが発生する。これにより、圧縮機内での気流に乱れが
生じ安定性が保たれなくなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、噴
霧に必要とする空気量と噴霧される水量の比である気水
比についての配慮がされていない。つまり、損失となる
空気量の削減の対策がなされておらず、水滴の微細化と
大容量化に問題があった。また、ガスタービンシステム
の圧縮機吸気室には、多数のノズルが設置されるが、こ
の吸気室内の水滴密度の均一性については配慮がなされ
ていない問題があった。

【０００８】霧化装置の２流体霧化スプレーノズルで使
用される空気量は、ガスタービンシステムから見れば損
失となるので、出来るだけ水滴に含まれる空気量を少な
くする必要である。

【０００９】ちなみに、従来技術の気水比５００のノズ
ルでは、抽気による損失が発電出力の２％に相当し、気
水比２５０のノズルではその損失が発電出力の１％とな
り、従来技術の半分となる。従来技術では、注水量が毎
時４２リットルで気水比が約５００で平均水滴径が約１
６μｍである。この水滴径もできる小さくすることが望
まれる。

【００１０】本発明は、上記の問題に対処し、多量の水
滴を少ない空気量で霧化できる霧化装置を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、気体および液
体が混合される混合部の下流側に設けられるノズル先端
オリフィスと、該ノズル先端オリフィスの前端から大気
に向けてすり鉢状に広がるように開口する噴霧口と、該
噴霧口の中央底部に配置され、かつ噴霧口の壁面との間
に噴射流路を形成する噴射駒と、前記噴射流路に向けて
成形用並びに液体微細化用気体を噴射する噴射スリット
を有することを特徴とする。

【００１２】このように空気・水を混合して狭い噴射流
路の小孔より噴出させることで、高流速飛散効果を得る
ことができる。

【００１３】また本発明は、前記混合部へ供給される空
気量よりも前記噴射スリットへ供給される空気量を多く
し、しかも空気量の割合を約１／３:２／３にしたこと
を特徴する。

【００１４】このように散布水に空気を衝突させること
で水滴を微細化するせん断力効果を期待できるとともに
散布水の方向を変えることによるせん断効果も期待でき
る。しかも、微細水滴の散布範囲を広範囲にすることが
できる。

【００１５】さらに、外部混合でガスタービンシステム
の圧縮機から抽気する高温空気（約２５０℃）を使用す
ることにより、注入空気の持つ熱エネルギー有効利用が
図られ、散布水のさらなる微細水滴を達成できる。

【００１６】更に具体的に述べる。

【００１７】本発明は、前記噴射スリットを等間隔に４
個配置して十字状または×字状の噴霧を形成し、かつ多
数のスプレーノズルを縦横に並べ、かつ十字状噴霧と×
字状噴霧のものが互い違いになるように配置したことを
特徴とする。

【００１８】これにより、小量空気での大量水の微細水
滴化および噴霧エリアの水滴密度の均一化を達成でき
る。しかも、一次空気（注入空気の約１／３）と注入水
を混合部内で混ぜ、ノズル先端オリフィスの噴霧口に備
える噴射駒との隙間から噴出させるとすることで、高流
速飛散効果が得られる。

【００１９】さらに噴射スリットより噴射される二次空
気（注入空気の約２／３）を４つに分岐し、一次空気と
水との混合水の噴出直後の部分に噴出させ、こうして外
部混合させる構成とすることで、水滴を微細化するせん
断力効果を期待できるとともに散布水の方向を変えるこ
とによるせん断効果も期待できる。加えて、微細水滴の
散布範囲を広角４方向（十字、×字型）とし、さらに、
この外部混合でガスタービンシステムの圧縮機から抽気
する高温空気（約２５０℃）を使用することにより、注
入空気の持つ熱エネルギー有効利用が図られる。そし
て、散布水のさらなる微細水滴を達成できるとともに該
ノズルを多数設置する噴霧ヘッダ構造では、十字噴霧ノ
ズルと×字噴霧ノズルを一つおきに並べて設置すること
で該ノズルの噴霧エリア全体を均一な水滴密度とするこ
とができる。

【００２０】また本発明は、前記噴射スリットを等間隔
に３個配置して三方向形状の噴霧を形成させ、かつ多数
のスプレーノズルを縦横に並べ、隣り合うスプレーノズ
ルの噴霧が重ならないように配置したことを特徴とす
る。

【００２１】これにより、小量空気での大量水の微細水
滴化および噴霧エリアの水滴密度の均一化が達成され
る。しかも、一次空気（注入空気の約１／３）と注入水
を混合器内で混ぜ、ノズル先端オリフィスの噴霧口に備
える噴射駒との隙間から噴出させるとすることで、高流
速飛散効果を得ることができる。さらに二次空気（注入
空気の約２／３）を３つに分岐し、一次空気と水との混
合水の噴出直後の部分に噴出させ外部混合させる構造と
することで、水滴を微細化するせん断力効果を期待でき
るとともに散布水の方向を変えることによるせん断効果
も期待できる。加えて、微細水滴の散布範囲を広角３方
向とし、さらに、この外部混合でガスタービンシステム
の圧縮機から抽気する高温空気（約２５０℃）を使用す
ることにより、注入空気の持つ熱エネルギー有効利用が
図られる。そして、散布水のさらなる微細水滴を達成で
きるとともに該ノズルを多数設置する噴霧ヘッダ構造で
は、該３方向噴霧ノズルを並べて設置し、ノズル設置間
隔を前述したノズルよりさらに密にすることで噴霧エリ
ア全体をさらに均一な水滴密度とすることができる。

【００２２】更に本発明は、前述したように前記混合部
へ供給される空気量よりも前記噴射スリットへ供給され
る空気量を多くし、しかも空気量の割合を約１／３:２
／３にした特徴を有するが、これの主なる狙いは散布水
の微細水滴化の促進にある。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、空気・水を使用する２流体
ノズルである本発明のクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルについて、図示の実施形態により詳細に説明する。

【００２４】ここで、図１は本発明によるクロス噴霧大
容量霧化スプレーノズルの水滴微細化機構の説明図、図
２は本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノズル
の実施例である十字および×字噴霧ノズルの構造図、図
３は本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノズル
の噴霧状態を示す図、図４は本発明によるクロス噴霧大
容量霧化スプレーノズルの１つの噴霧パターンである×
字噴霧パターンを示す図、図５は本発明によるクロス噴
霧大容量霧化スプレーノズルの１つの噴霧パターンであ
る十字噴霧パターンを示す図、図６は本発明によるクロ
ス噴霧大容量霧化スプレーノズルの１つの噴霧パターン
である三方噴霧パターンを示す図、図７は本発明による
クロス噴霧大容量霧化スプレーノズルの特性図、図８は
本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノズルをガ
スタービン発電システムに設置した図、図９は従来ノズ
ルである扇型噴霧２流体ノズルを集合した場合のスプレ
ー噴霧図、図１０は本発明によるクロス噴霧大容量霧化
スプレーノズルである十字噴霧パターンと×字噴霧パタ
ーンを組合わせて集合した場合のスプレー噴霧図、図１
１は本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノズル
である三方噴霧パターンを集合した場合のスプレー噴霧
図、図１２は本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレ
ーノズルである三方噴霧パターンの配列ピッチを狭くし
て集合した場合のスプレー噴霧図を示す。

【００２５】まず、図１を用いて本発明によるクロス噴
霧大容量霧化スプレーノズルの水滴微細化機構を説明す
る。

【００２６】ノズルに流入する空気は、右の矢印で示す
ようにノズル内に流入し、一次、二次空気に分岐され
る。この時、中央部（混合部に供給する気体の気体供給
路）を通過する一次空気は全体空気量の約１／３の空気
量で、二次空気（分岐供給流路を流れる空気）は全体空
気量の約２／３である。ノズルに注入する水は、図中上
部から入りノズル内部で一次空気と混合し、ノズル先端
から大粒の水滴として噴出する。二次空気は、ノズル先
端で噴出する上記大粒の水滴に向い４方向から噴出しノ
ズル外部で混合する。したがって、水滴の噴霧分布は左
図に示すようにクロス分布となる。なお、ガスタービン
システムにこのノズルを設置し使用する場合、空気は圧
縮機から抽気した高温（約２５０℃）空気を使用する。

【００２７】図２を用いて本発明によるクロス噴霧大容
量霧化スプレーノズルの構造を説明する。ここで説明す
るノズルは、水滴の噴霧分布が十字または×字のもので
ある。本ノズルは、空気導入フランジ１、水導入フラン
ジ２、ボディ３、キャップ４、空気分岐フランジ５、広
角の噴霧駒６で構成されている。

【００２８】ノズルに流入する空気は、空気導入フラン
ジ１の空気系取付け穴から流入し、分岐フランジ５で中
央部を通過する一次空気（全体空気量の約１／３）とノ
ズル先端に導かれる二次空気（全体空気量の約２／３）
に分けられる。ここで、一次空気は分岐フランジ５の中
央通路７を通りノズル先端に導かれるが、その途中で上
部水導入フランジ２から流入し、小孔オリフィス８、隙
間９を通過してきた水と混合部１０で混ぜられ広角噴霧
駒６の固定部１１の隙間１２、ノズル先端オリフィス１
３内を通過して放出される。この時、放出される水・空
気の混合液はある程度の水滴径となり、広角の噴霧駒６
の作用により広角に噴出する。二次空気は、分岐フラン
ジ５のオリフィス１４から入り通路１５、空気溜室１６
を経由してノズル先端のスリツト１７から中央に向い放
出される。これにより、中央から放出され、一次空気と
水との混合液で形成される水滴と衝突し、水滴の微細化
が促進される。

【００２９】スプレーノズルの構成について更に詳しく
述べる。

【００３０】スプレーノズルの中央には、気体の気体供
給路としての中央通路７が備わる。気体供給路の上流側
には圧力空気を取り込む空気取り込み口が連通するよう
に設けられる。気体供給路の下流側には混合部１０が連
通するように設けられる。混合部１０の下流側はスプレ
ーノズルの先端側に備わるノズル先端オリフィス１３に
流路としての隙間１２を介して連通している。ノズル先
端オリフィス１３の前側には、ノズル先端オリフィス１
３を中心として大気に向けてすり鉢状に広がるように開
口する噴射口が設けられる。この噴射口は、ボディ３、
キャップ４に前側に跨るようにして形成されている。

【００３１】噴霧駒６は、噴射口の中央底部に置かれる
ように配置される。この噴霧駒６は固定部１１に支持さ
れる。噴霧駒６は噴射口の壁面に向くところは、円錐台
形状をしている。この円錐台はノズル先端オリフィス１
３に向かって先が細くなるようなっている。噴霧駒６の
円錐台の外周と噴射口の壁面との間に狭い噴射流路が形
成される。この噴射流路から放射状に噴霧される。

【００３２】噴射流路に連通するスリット１７は、スリ
ット１７の先側が噴射流路に交差するように臨んでい
る。スリット１７には、前記気体供給路から分岐した分
岐供給路を介して空気が供給される。

【００３３】さて、混合部１０で混合された流体は、ノ
ズル先端オリフィス１３、噴射流路を通過して噴射口か
ら大気に向けて噴霧となって噴射される。この噴射され
る流体は、予め混合部１０で空気と良く混合されたもの
が狭い噴射流路から勢い良く噴出されるので細かい水滴
の噴霧になるのである。噴射口は鉢状に広がる形状をし
ているので、大きく広がる噴霧になる。

【００３４】しかも、噴射流路に向けてスリット１７よ
り高圧の圧搾空気が噴出するので、噴射口から噴射され
る噴霧は後述するような噴霧パターンに形成される。こ
れに加え、高圧の圧搾空気で噴射口から噴射される噴霧
の水滴粒子は更に細かくされるのである。

【００３５】また、狭い噴射流路は、すり鉢状に広がる
ように開口する噴射口と、ノズル先端オリフィス１３に
向かって先が細くなる円錐台の噴霧駒６とで形成される
ので、所定の間隔が保たれまま延在する狭い流路が形成
されるのである。この延びる狭い流路により、より安定
して噴霧が形成されるのである。

【００３６】図２の（ハ）は、図２の（イ）のＡ−Ａ断
面を示し、×字噴霧パターンのノズル先端スリツト１７
の配置を示す。図２の（ニ）は、図２の（イ）のＡ−Ａ
断面を示し、十字噴霧パターンのノズル先端スリツト１
７の配置を示す。そして、ノズル先端のスリツト１７か
らの噴出空気は矢印１８で示す。図２の（ホ）は、図２
の（イ）のＢ−Ｂ断面を示し、広角噴霧駒６の固定部１
１の形状を示したものである。

【００３７】この形状のノズルにおける水滴の噴霧分布
１９を図３、４、５で説明する。ここで、図３に示すも
のは図５に示す十字噴霧パターンでの噴霧状況を示す。
図４は十字噴霧パターンを形成するノズル先端のスリツ
ト１７を９０°ずらした場合×字噴霧パターンを示して
いる。このノズルにおける噴霧角度は約８０°である。

【００３８】図６はノズル先端のスリツト１７を１２０
°ずらして３つ設けた場合の三方噴霧パターンを示すも
のである。

【００３９】図７は上記した本発明であるクロス噴霧大
容量霧化スプレーノズルの噴霧パターンにおけるノズル
特性を示す。ここで、横軸は噴霧水量を、左縦軸は気水
比を、右縦軸はザウター平均水滴径を示す。図中の細い
実践は気水比を示し、破線は空気・水が常温でのザウタ
ー平均水滴径を、太い実践はガスタービンシステムの圧
縮機から抽気する２５０℃の空気を用いた場合のザウタ
ー平均水滴径を示している。これから、従来技術の内部
混合型２流体ノズルでは、気水比が約５００でザウター
平均水滴径が約１６μｍ（常温、高温空気２５０℃使用
でも同じ）であるに対して本発明のノズルでは、常温条
件における気水比が約５００（Ｄ点）で約１３μｍ（Ｅ
点）であり、ガスタービンシステムの圧縮機から抽気す
る高温空気を使用した場合は約１０μｍ（Ｆ点）となり
性能が向上しているのが分かる。本発明によるクロス噴
霧大容量霧化スプレーノズルと従来技術である内部混合
型２流体ノズルとをガスタービンシステムの実機条件
（空気温度２５０℃）で比較すると、従来技術では水量
が毎分０．７リットル（毎時４２リットル）で気水比が
５００でザウター平均水滴径が約１６μｍに対して本発
明によるノズルは噴霧水量が毎分０．７リットル（毎時
４２リットル）で気水比が従来技術の半分の２５０（Ａ
点）でザウター平均水滴径が約１６μｍ（Ｃ点）となる
ことがわかる。

【００４０】ちなみに、常温条件における従来技術の内
部混合型２流体ノズルの性能は、噴霧水量が毎分０．７
リットル（毎時４２リットル）で気水比が５００でザウ
ター平均水滴径が約２０μｍであるが、本発明によるノ
ズルでは、気水比が２５０でもザウター平均水滴径が約
１８μｍ（Ｂ点）となりで約２μｍ水滴径が小さくな
る。これらのことから、本発明であるクロス噴霧大容量
霧化スプレーノズルをガスタービンシステムに採用する
ことで水滴径を同じとした場合、気水比を半分にでき
る、すなわち使用空気量を従来技術の半分にすることが
できる。したがって、圧縮機から抽気される損失となる
空気量が半分になることから、従来損失であった発電出
力の約２％が１％削減されることになる。

【００４１】上記実施例では、本発明によるクロス噴霧
大容量霧化スプレーノズルについて記したが、以後に、
このノズルを実機のガスタービン発電システムに設置す
る実施例について説明する。

【００４２】図８に本発明によるノズルをガスタービン
発電システムに設置した例を示す。

【００４３】ガスタービン発電システムの基本構成機器
は、吸気を圧縮する圧縮機２０、圧縮した空気に燃料を
注入して燃焼させる燃焼器２１、その燃焼ガスが基とな
り回転するタービン２２、この回転による電気を発生さ
せる発電機２３である。この発電機２３には変電設備２
４、電気を送電する送電端２５接続されている。このよ
うな構成でのガスタービン発電システムでの運転は、初
期状態で別設備であるモータ（図示せず）により回転さ
せ、燃料タンク２６、ポンプ２７、調節弁２８、フイル
ター２９等で構成される燃料供給系から燃料を燃焼器２
１に供給しバーナ３０により燃焼させる。定常状態にな
ったら、別設備であるモータを切り離し、燃焼させるこ
とで定常運転状態を形成する。タービン２２からの排ガ
ス３１は排ガス処理装置（ＮＯＸ、ＳＯＸ等の除去）３
２、スタック３３を経由して大気に放出される。

【００４４】圧縮機２０の上流側である空気室３４内部
には、吸気量を調整するルーバー３５、消音するサイレ
ンサー３６、本発明の主要である噴霧システムが収納さ
れている。この噴霧システムの空気室内の構成は、水ヘ
ッダ３７、その水ヘッダからクロス噴霧大容量霧化スプ
レーノズル４０に水を供給する水注入管３８、空気ヘッ
ダ３９、その空気ヘッダからクロス噴霧大容量霧化スプ
レーノズル４０に空気を供給する空気注入管４１により
構成されている。この噴霧システムにおける空気ヘッダ
への空気の供給は、圧縮機２０で加圧された空気を抽出
しフイルター４２を経由して、流量調節弁４３で調節さ
れ空気ヘッダ３９に供給される。したがって、圧縮機か
ら抽気される空気はシステム損失となり、従来技術では
発電出力の約２％が損失となるが、本発明であるクロス
噴霧大容量霧化スプレーノズルを使用することでこの損
失を１％にすることができる。水の供給は、給水タンク
４４からポンプ４５により、水処理装置４６、フイルタ
ー４７を経由して流量調節弁４８で調節され水ヘッダ３
７に供給される。このような構成の噴霧システムから噴
霧された水滴は吸気４９に同伴され圧縮機２０に流入す
る。

【００４５】圧縮機２０に流入する水滴は、出来るだけ
細かい方が望ましい。少なくとも、噴霧される水滴の大
きさがザウター平均径で２０μｍ以下を達成するように
したのである。水滴径が大きいと圧縮機に流入する気流
にうまく乗らない、また、大きな水滴のまま圧縮機内に
流入するとエロージョン（２０μｍ以上で発生可能性あ
り）の原因となる。さらに、圧縮機内での蒸発が遅れ気
化潜熱による効果が減少し、熱効率向上への貢献度が小
さくなるからである。

【００４６】なお、上記した条件の気水比を満たし、そ
れに加え水滴径を１６μｍ以下とすることがより望まし
いのである。

【００４７】ここで、ザウター平均粒径とはレーザ測定
法で計測した散布水粒径を表す一般的な指標で、通常水
滴径として用いられる。

【００４８】また、スプレーノズルを設置する位置から
圧縮機入口までの距離が比較的短いことから、噴霧位置
から距離をおかないで空気室内の水滴密度が均一になる
ような噴霧分布を持つスプレーノズルをに用いる。

【００４９】それは、圧縮機に流入する気流に水滴の濃
淡があると、圧縮機内での水滴の蒸発位置が移動し、安
定した特性が得られなくなり、運転制御に支障をきたす
からである。

【００５０】空気室の壁等の構造物に衝突し再結合した
大粒の水滴は水となりドレーン管５０より外部に排水さ
れる。このようなシステムで構成されるガスタービン発
電システムでは、制御監視用コンピュータ５１に燃料、
空気、水フィルター情報、発電出力情報が入力され状態
把握される。さらに発電出力の調整はこのコンピュータ
５１からの制御命令により燃料、空気量、水量が制御さ
れる。

【００５１】以下に吸気４９に同伴され圧縮機２０に流
入する水滴の作用を示す。

【００５２】圧縮機２０に流入する水滴は、作動流体の
重量流量を増加させ、圧縮機２０内で気化する。この作
動流体は、気化が完了するとさらに断熱圧縮を受ける。
その際水蒸気の定圧比熱は圧縮機２０内の代表的な温度
（約３００℃）近傍では、空気の約２倍となり、熱容量
的には空気換算で気化する水滴の重量の約２倍の空気が
作動流体として増したのと等価となる。圧縮機２０の動
力は、圧縮機２０出入口の作動流体のエンタルピの差に
等しく作動流体のエンタルピは温度に比例するので、圧
縮機２０出口の作動流体温度が下がると、圧縮機２０の
所要動力もそれにつれて低減することができる。したが
って、圧縮機２０内に流入する水滴の粒径はできるだけ
小さくし、早めに気化させることで圧縮機２０出口の温
度を低く抑えることが効率向上に重要となる。本発明に
よるクロス噴霧大容量霧化スプレーノズルは、使用する
空気量が従来技術の半分で水滴径が従来技術と同等の約
１６μｍ以下の微細水滴を達成できることから有効であ
る。圧縮機２０で加圧された作動流体は、燃焼器２１で
燃料の燃焼により昇温された後タービン２２に流入して
膨張し仕事を行う。この仕事はタービンの軸出力と呼ば
れタービンの出入口作動流体のエンタルピの差に等し
い。燃料の投入量は、タービン２２入口のガス温度が所
定の温度を超えないように制御される。たとえば、ター
ビン２２出入口の作動流体温度が本発明適用前の値と等
しくなるように燃焼器２１への燃料量を制御する。この
ような燃焼温度一定制御がおこなわれると、先に述べた
ように圧縮機２０出口の温度が低下している分だけ燃料
投入量が増すことになる。また、燃焼温度が不変かつ流
入水滴の重量割合が吸気の数パーセント程度であれば、
タービン２２入口部の圧力と圧縮機２０出口圧力は水滴
注入の有無で近似的に変わらないので、タービン２２出
口温度Ｔ４も変化しない。よって、タービン２２の軸出
力は水滴注入の有無で変化しないことになる。一方、タ
ービン２２の正味出力は、タービン２２の出力から圧縮
機２０の動力を差し引いたものであるから、結局本発明
を適用することで圧縮機２０の動力が低減した分だけタ
ービン２２の正味出力を増すことができる。今、吸気４
９の温度をＴ１、圧縮機２０の出口の温度をＴ２、燃焼
器２１の温度をＴ３、タービン２２出口温度をＴ４とす
ると、タービン２２の電気出力Ｅはタービン２２の軸出
力Ｃｐ（Ｔ３−Ｔ４）から圧縮機２０の仕事Ｃｐ（Ｔ２
−Ｔ１）を差し引いて得られ、近似的に次式（１）で表
される。

【００５３】 Ｅ＝（Ｔ３−Ｔ４）−（Ｔ２−Ｔ１）・・・・・・・・・・・・・（１） 通常、燃焼温度Ｔ３は一定となるように運転されるの
で、圧縮機２２の出口温度Ｔ２が水滴の注入によりＴ
２’に低下すると、圧縮機２０の仕事の低下分に等価な
増出力Ｃｐ（Ｔ２−Ｔ２’）が得られることになる。

【００５４】一方、ガスタービン発電システムの効率η
は近似的に次式（２）で与えられる。

【００５５】 η＝１−（Ｔ４−Ｔ１）／（Ｔ３−Ｔ２）・・・・・・・・・・・（２） これから、Ｔ２’＜Ｔ２であるから、右辺第２項は小さ
くなるので水滴注入で効率も向上する。

【００５６】圧縮機２０内の温度低下割合は注入水滴が
多いほど大きくなるので、前述したように空気・水の噴
霧量を制御することにより、増出力割合をコントロール
できる。

【００５７】以上、ここでは、ガスタービン発電システ
ムの圧縮機上流側に設置する噴霧システムの全体構成と
噴霧水滴の作用および効果について記したが、以下に
は、この噴霧システムに設置するノズルから噴出する微
細水滴の噴霧パターンの違いによる効果について説明す
る。

【００５８】ガスタービン発電システムの圧縮機上流側
に設置する噴霧システムでは、空気室３４内で噴霧水滴
の密度差が発生すると圧縮機内での気流に乱れが生じ安
定性の確保が難しくなることから、空気室３４内での水
滴噴霧は限られたエリアにいかに均等に噴霧するか重要
となる。

【００５９】一つのスプレーノズルで大量の水を霧化で
きるようにすることで、大容量のガスタービン発電シス
テムに使用するスプレーノズル個数を少なくできるた
め、限られたエリアにスプレーノズルを配置でき、結果
的にガスタービン発電システムの小型化が可能になる。

【００６０】図９、１０、１１に性能が同じノズルから
の噴霧分布が干渉しないようにノズルを縦横同じピッチ
で配列した場合の噴霧分布を示す。ここで、図９は従来
技術による扇型噴霧２流体ノズルを使用した場合の噴霧
状況を示す。図１０は本発明によるクロス噴霧大容量霧
化スプレーノズルで十字および×字に噴霧するノズルを
１つおきに設置した場合の噴霧状況を示す。図１１は本
発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノズルで三方
に噴霧するノズルを設置した場合の噴霧状況を示す。こ
れから、図１０に示す十字および×字に噴霧するノズル
を１つおきに設置した場合が空気室３４内に最も均一に
噴霧されることがわかる。このように同じピッチ配列で
ノズルを設置する場合は十字および×字噴霧ノズルを使
用することが良いが、ピッチ配列の距離を短くし、沢山
のノズルを設置する場合は、図９と図１１に示す扇型、
三方噴霧ノズルが有効となる。ただし、図９の扇型噴霧
パターンでは、ノズル設置構造上の限界はあるが縦方向
の配列ピッチを短くすることは可能である。しかし、横
方向の配列ピッチは噴霧分布が干渉するため変更は不可
である。図１１に示した三方噴霧ノズルの配列は、図１
２に示すように縦横のノズル配列ピッチを変えることが
でき、より密集した噴霧が可能となる。これらのことか
ら、限られたエリアで噴霧水量が多い場合は三方噴霧ノ
ズルを使用し、噴霧水量が少ない場合は十字、×字噴霧
ノズルを使用すると良いことが分かる。

【００６１】以上のことから、本発明のクロス噴霧大容
量霧化スプレーノズルを使用することで、使用空気量を
従来の半分にでき、システム損失を従来の半分に軽減で
きるとともに空気室内の水滴密度を均一にすることで圧
縮機内の気流の乱れを軽減でき、ガスタービンシステム
の安定性が確保できる。

【００６２】以上述べた本発明の良さをまとめると次の
とおりである。 （１）、スプレー水の微細化を促進することで、空気・
水を混合して小孔より噴出させる高流速飛散効果を有す
る。 （２）、散布水に空気を衝突させることで水滴を微細化
するせん断力効果を有する。 （３）、散布水の方向を変えることによるせん断効果を
有する。 （４）、注入空気の持つ熱エネルギー有効利用効果を組
み合わせたノズル構造と成っており、２流体霧化スプレ
ーノズルに使用する空気量を従来技術の半分に削減で
き、水滴径を従来技術と同等の約１６μｍ以下で大量の
微細水滴を噴霧することができる。 （５）、注入空気の持つ熱エネルギー有効利用効果を組
み合わせたノズル構造と成っており、課題であった２流
体霧化スプレーノズルに使用する空気量を従来技術の半
分にすることでガスタービンシステム損失を半分に削減
でき、水滴径を従来技術と同等の約１６μｍ以下で大量
の微細水滴を十字噴霧パターンと×字噴霧パターンに噴
霧することができる。これによって、ノズルの噴霧エリ
ア全体を均一な水滴密度とすることができる。 （６）注入空気の持つ熱エネルギー有効利用効果を組み
合わせたノズル構造と成っており、課題であった２流体
霧化スプレーノズルに使用する空気量を従来技術の半分
にすることでガスタービンシステム損失を半分に削減で
き、水滴径を従来技術と同等の約１６μｍ以下で大量の
微細水滴を三方噴霧パターンに噴霧することができる。
これによって、噴霧エリア全体の水滴密度をさらに密で
均一な水滴密度とすることができる。 （７）、注入空気の持つ熱エネルギー有効利用効果を組
み合わせたノズル構造とすることができ、特にノズル先
端で水滴化された熱容量の小さくなった水滴に圧縮機か
ら抽気する高温空気を大量に衝突させることで飛散効果
および蒸発効果を効率良く行うことができ水滴径を常温
空気使用時より約２．μｍ小さくできる。 （８）、ガスタービン発電システムに本発明のクロス噴
霧大容量霧化スプレーノズルを使用すると、従来技術で
ある内部混合型２流体ノズルの使用空気の半分で同じ水
滴径を得ることができることから、システム損失を従来
技術の半分にすることができ高効率を達成できる。ま
た、このノズルで構成する噴霧システムを圧縮機上流の
空気室内に設置することで、空気室内の水滴密度を均一
にすることができ、圧縮機内の気流の乱れを軽減し、ガ
スタービンシステムの安定性が確保できる。

【００６３】上記実施例はクロス噴霧大容量霧化スプレ
ーノズルに関するものであるが、本発明はクロス噴霧大
容量霧化装置、燃料霧化装置、塗料霧化装置、薬剤霧化
装置に適用できるものである。

【００６４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、スプ
レー水の微細化を促進することで、空気・水を混合して
小孔より噴出させる高流速飛散効果を有する。また散布
水に空気を衝突させることで水滴を微細化するせん断力
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルの水滴微細化機構の説明図。

【図２】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルの実施例である十字および×字噴霧ノズルの構造
図。

【図３】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルの噴霧状態を示す図。

【図４】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルの１つの噴霧パターンである×字噴霧パターンを示
す図。

【図５】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルの１つの噴霧パターンである十字噴霧パターンを示
す図。

【図６】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルの１つの噴霧パターンである三方噴霧パターンを示
す図。

【図７】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルの特性図。

【図８】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレーノ
ズルをガスタービン発電システムに設置した図。

【図９】従来ノズルである扇型噴霧２流体ノズルを集合
した場合のスプレー噴霧図。

【図１０】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレー
ノズルである十字噴霧パターンと×字噴霧パターンを組
合わせて集合した場合のスプレー噴霧図。

【図１１】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレー
ノズルである三方噴霧パターンを集合した場合のスプレ
ー噴霧図。

【図１２】本発明によるクロス噴霧大容量霧化スプレー
ノズルである三方噴霧パターンの配列ピッチを狭くして
集合した場合のスプレー噴霧図。

【符号の説明】

１…空気導入フランジ、２…水導入フランジ、３…ボデ
ィ、４…キャップ、５…空気分岐フランジ、６…広角噴
霧駒、７…中央通路、８…小孔オリフィス、９…隙間、
１０…混合部、１１…固定部、１２…隙間、１３…ノズ
ル先端オリフィス、１４…オリフィス、１５…通路、１
６…空気溜室、１７…スリツト、１８…噴出空気、１９
…噴霧分布、２０…圧縮機、２１…燃焼器、２２…ター
ビン、２３…発電機、２４…変電設備、２５…送電端、
２６…燃料タンク、２７…ポンプ、２８…調節弁、２９
…フィルター、３０…バーナ、３１…排ガス、３２…排
ガス処理装置、３３…スタック、３４…空気室、３５…
ルーバー、３６…サイレンサー、３７…水ヘッダ、３８
…水注入管、３９…空気ヘッダ、４０…スプレーノズ
ル、４１…空気注入管、４２…フィルター、４３…流量
調節弁、４４…給水タンク、４５…ポンプ、４６…水処
理装置、４７…フィルター、４８…流量調節弁、４９…
吸気、５０…ドレーン管、５１…制御監視用コンピュー
タ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 唐澤 英年 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 村田 英太郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所火力・水力事業部内 Ｆターム(参考） 4F033 AA01 AA07 AA13 BA03 CA01 CA11 DA03 DA04 EA06 GA01 GA11 HA03 JA02 LA04 NA01 QA01 QA05 QA07 QB02Y QB03X QB14X QB17 QB18 QD03 QD14 QD23 QE05 QE09 QE21

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】供給する気体および液体が混合される混合
   部と、該混合部の下流側に設けられるノズル先端オリフ
   ィスと、該ノズル先端オリフィスの前端から大気に向け
   てすり鉢状に広がるように開口する噴霧口と、該噴霧口
   の中央底部に配置され、かつ噴霧口の壁面との間に噴射
   流路を形成する噴射駒と、前記噴射流路に向けて成形用
   並びに液体微細化用気体を噴射する噴射スリットを有す
   ることを特徴とする霧化装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載されたものにおいて、 前記噴射駒は前記ノズル先端オリフィスに向けて先細の
   円錐台形部を有することを特徴とする霧化装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載したものにおい
   て、 前記混合部に供給する気体の気体供給路と、該気体供給
   流路から分岐され、かつ前記噴射スリットに連通する分
   岐供給流路を有することを特徴とする霧化装置。
4. 【請求項４】請求項１から３のいずれか一つにおいて、 前記噴射スリットを複数個設けたことを特徴とする霧化
   装置。
5. 【請求項５】請求項１から４のいずれか一つにおいて、 前記噴射スリットを３個または４個とし、かつ等間隔に
   配置したことを特徴とする霧化装置。
6. 【請求項６】請求項１から５のいずれか一つにおいて、 前記気体は、前記混合部への供給量よりも前記噴射スリ
   ットへの供給量を多くしたことを特徴とする霧化装置。
7. 【請求項７】請求項６の記載において、 前述した供給する気体の量は、約１／３:２／３にした
   ことを特徴する霧化装置。
8. 【請求項８】請求項１から４のいずれか一つにおいて、 前記噴射スリットを等間隔に４個配置して十字状または
   ×字状の噴霧を形成することを特徴とする霧化装置。
9. 【請求項９】請求項１から４のいずれか一つにおいて、 前記噴射スリットを等間隔に３個配置して三方向形状の
   噴霧を形成することを特徴とする霧化装置。
10. 【請求項１０】請求項８の記載において、 多数のスプレーノズルを縦横に並べ、かつ十字状噴霧と
    ×字状噴霧のものが互い違いになるように配置したこと
    を特徴とする霧化装置。
11. 【請求項１１】請求項９の記載において、 多数のスプレーノズルを縦横に並べ、かつ隣り合うスプ
    レーノズルの噴霧が重ならないように配置したことを特
    徴とする霧化装置。
12. 【請求項１２】請求項１から１１のいずれか一つにおい
    て、 霧化装置をガスタービン発電システムの圧縮機の上流側
    に配置することを特徴とする噴霧供給装置。
13. 【請求項１３】請求項１から７のいずれか一つにおい
    て、 前記液体として燃焼用の燃料を使用することを特徴とす
    る燃料霧化装置。
14. 【請求項１４】請求項１から７のいずれか一つにおい
    て、 前記液体として塗料を使用することを特徴とする塗料霧
    化装置。
15. 【請求項１５】請求項１から７のいずれか一つにおい
    て、 前記液体として散布用の薬剤を使用することを特徴とす
    る薬剤霧化装置。