JP2005009409A - 液体微粒化装置及びガスタービン燃焼器の液体微粒化装置、液体微粒化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い液体供給圧力範囲において良好な微粒化特性を得ることができ、且つ、気体供給量を低減することができる液体微粒化装置を提供する。
【解決手段】液体を噴出する液体ノズル１５と、この液体ノズル１５を覆うように設けられ、液体ノズル１５から噴出した液体と気体とを混合して噴霧する噴霧ノズル１６と、この噴霧ノズル１６に、液体ノズル１５に供給される液体の圧力又は流量に応じて気体の供給及び停止を行う空気圧縮機１０、遮断弁１１及びコントローラ２０と、このコントローラ２０の制御により遮断弁１１が閉弁して空気供給が停止した際に、液体ノズル１５から噴出した液体を衝突させる固体壁１７とを備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼機器、薬剤散布機器、加湿器、医療機器等に設けられ、燃料、薬剤、水等の液体を微粒化する液体微粒化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体微粒化装置は多方面で使用されており、その微粒化方式も多岐に渡っているが、一般にはその方式は一流体方式と二流体方式とに大別できる。
【０００３】
上記一流体方式は液体の噴射圧力を利用して微粒化させる方式である。このため、液体の供給圧力が高く（すなわち供給流量が多く）噴出速度が速くなるほど微粒化が促進される特性を有する。
【０００４】
このような一流体方式を採用した液体微粒化装置としては、液体を固体壁に衝突させて微粒化するものがある（例えば、特許文献１参照）。ここでは、液体ノズル（ノズル本体）の下流側に固体壁（軸部材）を設置し、液体ノズルから噴出した液体を固体壁に衝突させることで微粒化するようになっている。
【０００５】
一方、もう１つの方式である二流体方式は、液体を噴出すると共に液体以外の媒体、例えば空気や蒸気、窒素等を高速で噴出し、そのせん断力によって液体を微粒化させる方式である。このため、液体の供給流量が少ないほど液体と媒体との速度差が大きくなり、媒体によるせん断作用が大きくなるため、微粒化が促進される特性を有する。
【０００６】
このような二流体方式を採用した液体微粒化装置としては、液体を噴出する液体ノズルと、この液体ノズルの外周側に設けられ液体ノズルから噴出した液体に気体（空気）を供給する気体ノズル（空気ノズル）と、この気体ノズルに気体を供給する気体供給装置（空気供給装置）とを備えた液体微粒化装置がある（特許文献２参照）。ここでは、液体ノズルから噴出した液体の外周を覆うように噴出された気体が液体を搬送して固体壁に衝突させるようになっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−９４４８７号公報
【特許文献２】
特開平６−２２６１４９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記特許文献１記載の従来技術によれば、液体の供給圧力が高く（すなわち供給流量が多く）液体ノズルからの噴出速度が速いほど、液体の運動エネルギが増大するので固体壁との衝突による微粒化特性を向上することができるが、液体の供給開始時又は供給停止時等、供給圧力が低く（すなわち供給流量が少なく）液体の噴出速度が遅い場合には、液体の運動エネルギが減少するために微粒化特性が低下し、固体壁に衝突した液体が微粒化されずに壁面を伝って液垂れ等を起こす恐れがあった。
【０００９】
一方、上記特許文献２記載の従来技術によれば、気体ノズルから噴出した気体が液体を搬送する構成としているので、液体の供給圧力が低く液体ノズルからの噴出速度が遅い場合であっても、流速の速い気体流で液滴を搬送して固体壁に衝突させることができるようになっている。したがって、上記特許文献１記載の従来技術では微粒化特性が低下してしまう液体の供給開始時又は供給停止時等においても、微粒化特性の低下を防止することができる。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献２記載の従来技術は、液体供給圧力が低い場合にも良好な微粒化特性を得るために液体を噴出する間は常に気体を速い速度で噴出する構造となっており、気体供給量が多大となってしまう。その結果、気体供給装置の規模が大きくなり、コストも増大してしまう。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い液体供給圧力範囲において良好な微粒化特性を得ることができ、且つ、気体供給量を低減することができる液体微粒化装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明の液体微粒化装置は、液体を噴出する第１の液体ノズルと、この第１の液体ノズルを覆うように設けられ、前記第１の液体ノズルから噴出した液体と気体とを混合して噴霧する噴霧ノズルと、この噴霧ノズルに、前記第１の液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量に応じて気体の供給及び停止を行う第１の気体供給装置と、この第１の気体供給装置の供給停止時に、前記第１の液体ノズルから噴出した液体を衝突させる第１の固体壁とを備えるものとする。
【００１３】
本発明においては、例えば圧力検出手段又は流量検出手段によって液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量を検出し、制御装置等によってその検出値と所定のしきい値との大小を比較するようにすることで、液体ノズルから噴出する液体が固体壁との衝突によって良好に微粒化されるかどうかを判定することが可能である。すなわち、例えば液体圧力又は流量が所定のしきい値以下の場合には、液体ノズルから噴出する液体の噴出速度が遅く固体壁への衝突によって良好な微粒化特性が得られないものとみなし、気体供給装置で噴霧ノズルに気体を供給する。その結果、液体ノズルから噴出した液体は気体と混合されその気体のせん断力によって微粒化されて、噴霧ノズルから噴霧される。一方、液体圧力又は流量が所定のしきい値より大きい場合には、液体ノズルから噴出する液体の噴出速度が速く固体壁への衝突によって良好な微粒化特性が得られるものとみなし、気体供給装置から噴霧ノズルへの気体の供給を停止する。その結果、液体ノズルから噴出した液体は固体壁に衝突して微粒化される。
【００１４】
このようにして、液体の供給開始時又は供給停止時等、液体の供給圧力が低く（すなわち供給流量が少なく）液体ノズルからの液体の噴出速度が遅い場合であっても、気体供給装置から供給される気体のせん断力によって液体を良好に微粒化して噴霧することができ、また液体の供給圧力が高く（すなわち供給流量が多く）液体の噴出速度が速い場合には固体壁との衝突により液体を良好に微粒化することができるので、広い液体供給圧力範囲において良好に微粒化することが可能である。さらに、液体の供給圧力が高く（すなわち供給流量が多く）液体の噴出速度が速い場合には気体供給装置からの気体の供給を停止するので、気体供給量を低減することができる。したがって、本発明の液体微粒化装置によれば、広い液体供給圧力範囲において良好な微粒化特性を得ることができ、且つ、気体供給量を低減することができる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記第１の気体供給装置は、前記第１の液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量が所定のしきい値以下である場合には前記噴霧ノズルに気体を供給し、液体の圧力又は流量が所定のしきい値より大きい場合には前記噴霧ノズルへの気体の供給を停止するものとする。
【００１６】
（３）上記（１）又は（２）において、また好ましくは、前記噴霧ノズルは、前記第１の固体壁に衝突しないように前記第１の液体ノズルから噴出した液体と気体とを混合して噴霧するものとする。
【００１７】
（４）上記目的を達成するために、また本発明の液体微粒化装置は、液体を噴出する第２の液体ノズルと、この第２の液体ノズルから噴出した液体と混合するように気体を噴出する気体ノズルと、この気体ノズルに、前記第２の液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量に応じて気体の供給及び停止を行う第２の気体供給装置と、この第２の気体供給装置の供給停止時に、前記第２の液体ノズルから噴出した液体を衝突させる第２の固体壁とを備えるものとする。
【００１８】
（５）上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンに供給する燃焼ガスを生成するために、圧縮機から導入される圧縮空気に液体燃料を微粒化して混合するガスタービン燃焼器の液体微粒化装置において、液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、この液体燃料ノズルを覆うように設けられ、前記液体燃料ノズルから噴出した液体燃料と気体とを混合して噴霧する燃料噴霧ノズルと、この燃料噴霧ノズルにガスタービン負荷に応じて気体の供給及び停止を行う第３の気体供給装置と、この第３の気体供給装置の供給停止時に、前記液体燃料ノズルから噴出した液体燃料を衝突させる第３の固体壁とを備えるものとする。
【００１９】
これにより、ガスタービンの起動や昇速、低負荷運転時のように液体燃料ノズルへ供給される液体燃料の圧力又は流量が小さいときであっても良好な微粒化特性を得ることができ、ＮＯｘの発生量を抑制できる。また、ガスタービンの定格負荷運転時においては燃料噴霧ノズルへの気体の供給を停止することにより、気体供給量を低減することができる。その結果、気体供給装置の規模が増大するのを抑制し、コストの増大を抑制することが可能である。
【００２０】
（６）上記目的を達成するために、本発明は、液体ノズルから液体を噴出し、固体壁に衝突させることにより液体を微粒化する液体微粒化方法において、前記液体ノズルへ供給される液体の圧力又は流量が小さく、前記固体壁への衝突によって良好な微粒化特性が得られない場合には、気体供給装置で気体ノズルへ気体を供給し、前記液体ノズルから噴出した液体と前記気体ノズルから噴出した気体とを混合させて液体を微粒化し、前記液体ノズルへ供給される液体の圧力又は流量が大きく、前記固体壁への衝突によって良好な微粒化特性が得られる場合には、前記気体供給装置から前記気体ノズルへの気体の供給を停止する方法とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の液体微粒化装置及び液体微粒化方法、ガスタービン燃焼器の液体微粒化装置の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の液体微粒化装置及び液体微粒化方法の第１の実施の形態を図１乃至図４を参照しつつ以下に説明する。
【００２２】
図１は本発明の液体微粒化装置の第１の実施の形態の全体構成を概略的に表す図である。
この図１において、本実施の形態の液体微粒化装置は、微粒化ノズル２と、この微粒化ノズル２に液体を供給するための液体供給系統３と、微粒化ノズル２に空気を供給するための空気供給系統４とを備えている。液体供給系統３は液体タンク５、昇圧ポンプ６、流量調整弁７、圧力計８、及び流量計９を備えており、液体タンク５内の液体は昇圧ポンプ６で昇圧され、流量調整弁７で所定の流量に調整された後に微粒化ノズル２に供給されるようになっている。また、空気供給系統４は空気圧縮機１０、遮断弁１１、圧力調整弁１２、圧力計１３、及び流量計１４を備えており、空気圧縮機１０からの圧縮空気は圧力調整弁１２で所定の圧力に調整されて微粒化ノズル２に供給されるようになっている。
【００２３】
微粒化ノズル２は、上記液体供給系統３から供給される液体を噴出する液体ノズル１５と、この液体ノズル１５の外周を覆うように設けた噴霧ノズル１６と、この噴霧ノズル１６の噴出方向下流側（図１中右側）端部に設けた固体壁１７とを備えている。液体ノズル１５には噴出方向側（図１中右側）に液体を噴出するための液体噴出孔１８が設けられ、噴霧ノズル１６には上記液体噴出孔１８から噴出した液体と空気供給系統４から供給される空気とを混合して噴霧するための噴霧孔１９が噴霧方向側（図１中右側）に設けられている。この噴霧孔１９はその軸心線Ａと上記液体噴出孔１８の軸心線Ｂとの角度がαとなるように下流側に行くにつれて径方向外側に拡大するように傾斜して設けられており、噴霧孔１９から噴霧された噴霧空気が固体壁１７に衝突しないように図られている。なお、上記角度αは噴霧ノズル１６及び固体壁１７の形状等に応じて適宜の値に設定されている。また、噴霧孔１９は、空気供給系統４から噴霧ノズル１６に空気が供給されていないときには液体噴出孔１８から噴出された液体が孔内を通過して固体壁１７に衝突可能なように形成されている。
【００２４】
前記の圧力計８（又は流量計９。以下かっこ内対応関係同様）は液体ノズル１５に供給される液体の圧力ｐ（又は流量ｑ）の検出値をコントローラ２０に出力するようになっており、コントローラ２０はこの入力された圧力ｐ（又は流量ｑ）と予め記憶されている（又は適宜設定入力してもよい）所定のしきい値ｐ１（又はしきい値ｑ１）とを比較するようになっている。すなわち、コントローラ２０は入力された圧力ｐ（又は流量ｑ）が所定のしきい値ｐ１（又はしきい値ｑ１）以下の場合には、液体ノズル１５から噴出する液体の噴出速度が遅く固体壁１７への衝突によって良好な微粒化特性が得られないものとみなし、遮断弁１１を開弁して噴霧ノズル１６に空気を供給する。一方、入力された圧力ｐ（又は流量ｑ）が所定のしきい値ｐ１（又はしきい値ｑ１）より大きい場合には、液体ノズル１５から噴出する液体の噴出速度が速く固体壁１７への衝突によって良好な微粒化特性が得られるものとみなし、遮断弁１１を閉弁して噴霧ノズル１６への空気の供給を停止するようになっている。
【００２５】
以上において、液体ノズル１５は特許請求の範囲各項記載の液体を噴出する第１の液体ノズルを構成し、空気圧縮機１０、遮断弁１１及びコントローラ２０は噴霧ノズルに第１の液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量に応じて気体の供給及び停止を行う第１の気体供給装置を構成し、固体壁１７は第１の液体ノズルから噴出した液体を衝突させる第１の固体壁を構成する。
【００２６】
次に、上記構成の本発明の液体微粒化装置及び液体微粒化方法の第１の実施の形態の動作及び作用を以下に説明する。
液体ノズル１５への液体の供給圧力が低く、供給流量が少ない場合には、圧力計８（又は流量計９）からコントローラ２０に出力された圧力ｐ（又は流量ｑ）が所定のしきい値ｐ１（又はしきい値ｑ１）以下となるため、コントローラ２０の制御により遮断弁１１が開弁して噴霧ノズル１６に空気が供給される。図２はこのときの液体の微粒化方法を示す微粒化ノズル２の側断面図である。
【００２７】
この図２に示すように、遮断弁１１が開弁することにより空気供給系統４から供給された空気流２５は、噴霧ノズル１６内に導入されて液体ノズル１５の液体噴出孔１８から噴出された液体流２６と混合され、噴霧孔１９から高速の噴霧液滴２７となって噴霧される。このようにすることで、液体噴出孔１８から噴出された液体流２６を空気流２５のせん断力によって微粒化しつつ噴霧できるので、液体の供給圧力が低いため噴出速度が遅く固体壁１７への衝突によっては良好な微粒化特性が得られない場合であっても、良好に微粒化することができる。またこのとき、前述したように噴霧孔１９が傾斜して設けられていることから噴霧孔１９から噴霧された噴霧液滴２７は固体壁１７に衝突しないように噴霧される。したがって、噴霧液滴２７が固体壁１７に衝突する場合に起こりうる液滴の再結合による液垂れを防止することができる。
【００２８】
一方、液体ノズル１５への液体の供給圧力及び供給流量が大きくなると、圧力計８（又は流量計９）からコントローラ２０に出力された圧力ｐ（又は流量ｑ）が所定のしきい値ｐ１（又はしきい値ｑ１）より大きくなるため、コントローラ２０の制御により遮断弁１１が閉弁して噴霧ノズル１６への空気供給が停止する。図３はこのときの液体の微粒化方法を示す微粒化ノズル２の側断面図である。
【００２９】
この図３に示すように、空気供給系統４から噴霧ノズル１６に空気が供給されないため、液体噴出孔１８から噴出された液体は液柱２８となって噴霧孔１９内を通過して固体壁１７に衝突し、微粒化される。
【００３０】
以上のような動作によって良好な微粒化特性が得られることを、以下に図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態の液体微粒化装置の微粒化特性と、一般的な衝突型の一流体方式を用いた構造（液体ノズルから噴出した液体を固体壁に衝突させて微粒化する構造、すなわち前述した従来技術の特許文献１に記載したような構造。図示省略）及び二流体方式を用いた構造（すなわち、液体ノズルから噴出した液体に空気ノズルから噴出した空気を衝突させて、その空気のせん断力により液体を微粒化させる構造。図示省略）の微粒化特性とを比較した図であり、横軸に液体供給圧力、縦軸に液体の粒子径を示している。なお、この図４において、実線は本実施の形態の液体微粒化装置の微粒化特性、１点鎖線は上記一流体方式構造の微粒化特性、大きな破線は上記二流体方式構造の微粒化特性、小さな破線は本実施の形態における空気供給圧力（すなわち圧力計１３の指示値）である。
【００３１】
この図４中１点鎖線に示すように、上記一流体方式構造では、液体の供給圧力が高いほど液体ノズルからの噴出速度が速くなり液体の運動エネルギが増大するため、固体壁との衝突によって生成される液滴の粒子径は小さくなり微粒化特性は向上するが、上述した供給圧力が低く液体の噴出速度が遅い領域においては、液体の運動エネルギが減少するために粒子径が大幅に大きくなり微粒化特性が低下する。
【００３２】
一方、上記二流体方式構造では、液体の供給圧力が低く噴出速度が遅い領域においては流速の速い空気流との速度差が大きくなり空気流によるせん断力が増大して液体の微粒化が一層促進されるため、図４中大きな破線に示すように液体の供給圧力が低い領域で特に微粒化特性が良好となる。しかしながら、液体の供給圧力が高い領域においては、液体流量が増加するために空気流によるせん断力が減少し、微粒化特性は低下する。
【００３３】
これに対し、本実施の形態の液体微粒化装置においては、先に詳述したように液体供給圧力がしきい値ｐ１となるまでは空気圧縮機１０で噴霧ノズル１６に空気を供給して液体ノズル１５から噴出する液体を空気流のせん断力で微粒化し、液体供給圧力がしきい値ｐ１より大きくなると噴霧ノズル１６への空気の供給を停止して液体ノズル１５から噴出する液体を固体壁１７に衝突させて微粒化する。すなわち、本実施の形態によれば、液体供給圧力がしきい値ｐ１以下の領域では上記二流体方式構造と同様の微粒化方式を採用し、液体供給圧力がしきい値ｐ１より大きい領域では上記一流体方式構造と同様の微粒化方式を採用することで、図４中実線に示すように両者の微粒化特性の優れた部分のみを足し合わせた微粒化特性を得ることができる。これにより、広い液体供給圧力範囲において良好な微粒化特性を得ることが可能となる。
【００３４】
さらに本実施の形態によれば、通常、二流体方式構造では液体供給圧力が高くなり液体の流量が増加した際に低流量時と同等の微粒化特性を得ようとすると、その分空気供給量を増加させる必要があるのに対し、液体の供給圧力がｐ１より高くなると空気の供給を停止するので、空気供給量を大幅に低減することができる。これにより、空気圧縮機１０を含めた空気供給系統４の規模を減少することができ、コストを低減できる。
【００３５】
次に、本発明の液体微粒化装置及び液体微粒化方法の第２の実施の形態を図５を参照しつつ説明する。本実施の形態は、液体ノズルから噴出する液体を固体壁の代わりに噴霧ノズルの噴霧孔内壁に衝突させて微粒化するものである。
【００３６】
図５は本発明の液体微粒化装置の第２の実施の形態の全体構成を概略的に表した図である。なお、この図５において、前述の第１の実施の形態における図１と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
【００３７】
この図５に示すように、噴霧ノズル１６′には液体ノズル１５の液体噴出孔１８から噴出した液体と空気供給系統４から供給される空気とを混合して噴霧するための噴霧孔３０が設けられており、この噴霧孔３０は、空気供給系統４の空気供給停止時に液体噴出孔１８から噴出された液体がこの噴霧孔３０の内壁３０ａに衝突するように形成されている。このような構成により、液体ノズル１５に供給される液体の圧力が低い場合には図５中小枠（１）に示すように液体と空気とを混合して微粒化し、液体供給圧力が高い場合には図５中小枠（２）に示すように液体を噴霧孔内壁３０ａに衝突させて微粒化するようになっている。
【００３８】
以上において、噴霧孔内壁３０ａは特許請求の範囲各項記載の第１の液体ノズルから噴出した液体を衝突させる第１の固体壁を構成する。
【００３９】
以上のような構成の本実施の形態によれば、前述の第１の実施の形態における固体壁１７が不要となるので微粒化ノズル２′の構造を簡素化でき、その上で第１の実施の形態と同様に広い液体供給圧力範囲において良好な微粒化特性を得ることができ、且つ、空気供給量を低減することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態においては液体ノズル１５から噴出した液体を噴霧孔内壁３０ａに衝突させるため、液体の一部が内壁３０ａを伝って液垂れし、噴霧ノズル１６′内部に流入することが懸念されるが、例えば液体供給圧力が高い場合に空気供給系統４からの空気供給を完全に停止せずに少量の空気を供給するようにすれば、上記噴霧ノズル１６′内への液滴の流入を防止することが可能である。また、この液滴流入防止のための空気供給量を増加すれば、噴霧孔内壁３０ａに衝突して微粒化した液体を空気流のせん断力によってさらに微粒化させることができる。
【００４１】
次に、本発明の液体微粒化装置及び液体微粒化方法の第３の実施の形態を図６を参照しつつ説明する。本実施の形態は、前述の第１及び第２の実施の形態では液体ノズルから噴出する液体と空気とを噴霧ノズルの内部で混合させたのに対し、ノズルの外部で混合するようにしたものである。
【００４２】
図６は本発明の液体微粒化装置の第３の実施の形態の全体構成を概略的に表した図である。なお、この図６において、前述の第１の実施の形態における図１と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
【００４３】
この図６に示すように、微粒化ノズル２″は、噴出方向下流側（図６中右側）先端部に固体壁１７′を一体的に設けられ、空気供給系統４から供給される空気を空気噴出孔３１から噴出する空気ノズル３２と、この空気ノズル３２の外周を覆うように設けられ、液体供給系統３から供給される液体を液体噴霧孔１８′から噴出する液体ノズル１５′とを備えている。上記空気噴出孔３１は空気を空気ノズル３２の径方向外側に向けて噴出するように形成されており、この空気噴出孔３１から噴出した空気流は液体ノズル１５′の液体噴出孔１８′から噴出した液体に対してほぼ直角方向から衝突するようになっている。このような構成により、液体ノズル１５′に供給される液体の圧力が低い場合には、図６中小枠（１）に示すように液体噴出孔１８′から噴出した液体に空気噴出孔３１から噴出した空気流３４を略直角に衝突させてそのせん断力により微粒化するようになっている。なおこのとき、液体と空気とが混合した噴霧空気流３３は略直角方向に衝突する空気流３４により外周側に偏向し、固体壁１７′に衝突しないようになっている。また、液体供給圧力が高い場合には図６中小枠（２）に示すように空気噴出孔３１からの噴出を停止して液体を固体壁１７′に衝突させて微粒化するようになっている。
【００４４】
以上において、液体ノズル１５′は請求項４記載の液体を噴出する第２の液体ノズルを構成し、空気圧縮機１０、遮断弁１１及びコントローラ２０は気体ノズルに第２の液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量に応じて気体の供給及び停止を行う第２の気体供給装置を構成し、固体壁１７′は第２の液体ノズルから噴出した液体を衝突させる第２の固体壁を構成する。
【００４５】
以上のような構成の本実施の形態によれば、前述の第１及び第２の実施の形態と同様に広い液体供給圧力範囲において良好な微粒化特性を得ることができ、且つ、空気供給量を低減することができる。さらに、前述の第１及び第２の実施の形態においては液体ノズルから噴出する液体と空気とを噴霧ノズルの内部で混合する構成としたので噴霧ノズル内に液滴が流入する可能性があったが、本実施の形態によれば液体ノズル１５′及び空気ノズル３２の外部で液体と空気とを衝突させて混合するようにしたので、ノズル内部に液滴が流入する恐れがなく、液体微粒化装置の信頼性を向上することができる。
【００４６】
次に、本発明のガスタービン燃焼器の液体微粒化装置の実施の形態を図７を参照しつつ説明する。
図７は本発明のガスタービン燃焼器の液体微粒化装置の実施の形態を備えたガスタービンプラントの全体構成を概略的に表した図である。
【００４７】
この図７に示すように、本実施の形態のガスタービンプラントは、主として、空気を圧縮して高圧の圧縮空気（以下、適宜燃焼用空気と記載する）を生成する圧縮機４１と、この圧縮機４１から導入される圧縮空気と燃料とを混合して燃焼ガスを生成する燃焼器４２と、この燃焼器４２で生成された燃焼ガスが導入されるガスタービン４３とから構成されている。なお、圧縮機４１とガスタービン４３とは連結されている。
【００４８】
上記燃焼器４２は、燃焼ガスを生成する燃焼室４４と、この燃焼室４４を内部に形成する内筒４５と、この内筒４５の上流側端部に設けられ、上記燃焼室４４内に液体燃料を微粒化して噴霧する燃料ノズル４６と、この燃料ノズル４６と内筒４５との間に設けられ、保炎性を高めるために圧縮機４１から導入される燃焼用空気に旋回作用を与える旋回器４７と、これら内筒４５、燃料ノズル４６、及び旋回器４７等を内部に収納した外筒４８と、この外筒４８に支持され、燃焼室４４内で燃焼用空気と噴霧燃料とを混合した可燃混合気を点火させる点火栓４９とを備えている。このような構成により、圧縮機４１からの圧縮空気は外筒４８内に導入された後旋回器４７を経て燃焼室４４内に導入され、そこで燃料ノズル４６から噴霧される液体燃料と混合されて、この可燃混合気が燃焼室４４内で点火栓４９により点火されて燃焼し、燃焼によって生成した燃焼ガスがガスタービン４３に噴射されてガスタービン４３を駆動する。これにより、図示しないガスタービン４３に連結された発電機が駆動して発電するようになっている。
【００４９】
燃料ノズル４６には液体燃料供給系統５０から液体燃料が、空気供給系統５１から空気が供給されるようになっている。液体燃料供給系統５０は液体燃料タンク５２、昇圧ポンプ５３、圧力調整弁５４、遮断弁５５、流量調整弁５６、圧力計５７、及び流量計５８を備えており、液体燃料タンク５２内の液体燃料は昇圧ポンプ５３で昇圧され、圧力調整弁５４で吐出圧力を調整されて、流量調整弁５６で所定の流量に調整された後に燃料ノズル４６に供給されるようになっている。また、空気供給系統５１は空気圧縮機６０、遮断弁６１、圧力調整弁６２、圧力計６３、及び流量計６４を備えており、空気圧縮機６０からの圧縮空気は圧力調整弁６２で所定の圧力に調整されて燃料ノズル４６に供給されるようになっている。
【００５０】
燃料ノズル４６は、上記液体燃料供給系統５０から供給される液体燃料を噴出する液体燃料ノズル６５と、この液体燃料ノズル６５の外周を覆うように設けた燃料噴霧ノズル６６と、この燃料噴霧ノズル６６の噴出方向下流側（図７中右側）端部に設けた固体壁６７とを備えている。液体燃料ノズル６５には噴出方向側（図７中右側）に液体燃料を噴出するための液体燃料噴出孔６８（図７中小枠（１）も参照）が設けられ、燃料噴霧ノズル６６には上記液体噴出孔６８から噴出した液体と空気供給系統５１から供給される空気とを混合して噴霧するための燃料噴霧孔６９（図７中小枠（１）も参照）が噴霧方向側（図７中右側）に設けられている。この燃料噴霧孔６９はその軸心線Ｃ（図７中小枠（１）参照）と上記液体燃料噴出孔６８の軸心線Ｄ（図７中小枠（１）参照）との角度がβとなるように傾斜して設けられており、燃料噴霧孔６９から噴霧された噴霧燃料が固体壁６７に衝突しないように図られている。また、燃料噴霧孔６９は、空気供給系統５１から燃料噴霧ノズル６６に空気が供給されていないときには液体燃料噴出孔６８から噴出された液体燃料が孔内を通過して固体壁６７に衝突可能なように形成されている。
【００５１】
本実施の形態においては、液体燃料ノズル６５に供給される液体燃料の圧力又は流量に応じて空気供給系統５１から燃料噴霧ノズル６６に空気を供給することによって、ガスタービン４３の運転負荷状況に応じた空気供給がなされるようになっている。すなわち、前記の圧力計５７（又は流量計５８。以下かっこ内対応関係同様）は液体燃料ノズル６５に供給される液体燃料の圧力ｐ′（又は流量ｑ′）の検出値をコントローラ７０に出力するようになっており、コントローラ７０はこの入力された圧力ｐ′（又は流量ｑ′）と予め記憶されている（又は適宜設定入力してもよい）所定のしきい値ｐ′１（又はしきい値ｑ′１）とを比較するようになっている。すなわち、コントローラ７０は入力された圧力ｐ′（又は流量ｑ′）が所定のしきい値ｐ′１（又はしきい値ｑ′１）以下の場合には、遮断弁６１を開弁して燃料噴霧ノズル６６に空気を供給する。一方、入力された圧力ｐ′（又は流量ｑ′）が所定のしきい値ｐ′１（又はしきい値ｑ′１）より大きい場合には、遮断弁６１を開弁して噴霧ノズル６６への空気の供給を停止するようになっている。
【００５２】
以上において、空気圧縮機６０、遮断弁６１及びコントローラ７０は請求項５記載の燃料噴霧ノズルにガスタービン負荷に応じて気体の供給及び停止を行う第３の気体供給装置を構成し、固体壁６７は液体燃料ノズルから噴出した液体燃料を衝突させる第３の固体壁を構成する。
【００５３】
次に、上記構成の本発明のガスタービン燃焼器の液体微粒化装置の実施の形態の動作を以下に説明する。
本実施の形態においては、前述した本発明の液体微粒化装置の第１の実施の形態と同様に、燃焼器４２の点火や低負荷時等、液体燃料ノズル６５への液体燃料の供給圧力が低く供給流量が少ない場合に、コントローラ７０の制御により遮断弁６１が開弁して燃料噴霧ノズル６６に空気が供給される。これにより、液体燃料噴出孔６８から噴出された液体燃料は空気流のせん断力によって微粒化されて、燃料噴霧孔６９から噴霧される。一方、高負荷や定格負荷時等、液体燃料ノズル６５への液体燃料の供給圧力及び供給流量が大きくなると、コントローラ７０の制御により遮断弁６１が閉弁して噴霧ノズル６６への空気供給が停止する。これにより、液体燃料噴出孔６８から噴出された液体燃料は燃料噴霧孔６９内を通過して固体壁６７に衝突し、微粒化される。
【００５４】
以上のように動作する本実施の形態のガスタービン燃焼器の液体微粒化装置によれば、以下の作用が得られる。ここでは、前述した一般的な衝突型の一流体方式構造（すなわち従来技術の特許文献１に記載したような構造）の燃料ノズルを燃焼器４２に適用した場合を比較例とし、本実施の形態で得られる作用について説明する。
【００５５】
すなわち、一般にガスタービンプラントでは、ガスタービン４３の起動時（すなわち燃焼器４２の点火時）には、液体燃料の供給圧力が低く供給流量が少なくなる。したがって、上記比較例の場合には、液体燃料の微粒化特性が低下する。その結果、通常、液体燃料の燃焼は燃焼用空気との混合により燃料が蒸発し形成された可燃混合気が外部からの熱を受けることによって燃焼に至るものであることから、このように微粒化特性が低下すると、液体燃料の蒸発量や燃焼用空気中への分散が減少して液体燃料と燃焼用空気との混合が充分に行われないため、点火不具合を起こす恐れがあった。
【００５６】
さらに、上記比較例では、起動後の低負荷運転状態においても液体燃料の供給圧力が低く微粒化特性が低下する場合があり、このような状態で燃焼が継続されると、上述したように液体燃料と燃焼用空気との混合が充分に行われないことから局所的な高温領域の発生によるＮＯｘ排出量の増加を招く恐れがある。また、微粒化特性の低下から液体燃料ノズル６５や固体壁６７等の燃焼器４２の構成部品に液垂れが生じ、その垂れた液体燃料が発火した場合にはそれら構成部品の損傷を招く恐れがあった。
【００５７】
またさらに、上記比較例では、ガスタービン４３の停止時においても液体燃料の供給を停止する際に液体燃料の供給圧力が低下するため、上記と同様に液体燃料が燃焼器構成部品に液垂れを生じる可能性がある。また、液体燃料の供給を停止すると、液体燃料ノズル６５内には液体燃料が滞留し、この滞留した液体燃料が周囲の熱を受けて固体化して、液体燃料噴出孔６８等を閉塞する恐れがあった。このような事態を防止するために、通常、ガスタービン燃焼器では液体燃料の供給停止後には空気等を液体燃料ノズル６５内に導入し、ノズル内部の液体燃料の滞留を防止するように構成しているが、空気導入のタイミング等によってはこのような閉塞の発生を完全には防止することができなかった。
【００５８】
これに対し、本実施の形態においては、ガスタービン４３の起動時等、液体燃料の供給圧力が低い場合には、燃料噴霧ノズル６６に空気を供給してその空気流のせん断力によって液体燃料を微粒化して噴霧するようにし、且つ前述したように燃料噴霧孔６９から噴霧された噴霧燃料は固体壁６７に衝突しないように構成している。これにより、ガスタービン４３の起動時においても液体燃料を良好に微粒化して噴霧を行うことができ、燃焼器４２の点火の信頼性を向上することができる。
【００５９】
また本実施の形態によれば、起動後の低負荷運転状態においても、液体燃料の供給圧力が低い場合には燃料噴霧ノズル６６に空気を供給して空気流のせん断力により液体燃料を良好に微粒化するため、液体燃料と燃焼用空気との混合を充分に行うことが可能であり、ＮＯｘ排出量の増加や液垂れによる燃焼器構成部品の損傷を防止することができる。
【００６０】
さらに本実施の形態によれば、ガスタービン４３が定格負荷運転状態になった場合には、液体燃料の供給圧力が高くなるので燃料噴霧ノズル６６への空気の供給を停止し、液体燃料を固体壁６７に衝突させることによって良好に微粒化することができる。
【００６１】
以上のように、本実施の形態によれば、ガスタービン４３の起動（燃焼器４２の点火）から低負荷領域を経て定格負荷運転状態に至るまで、広いガスタービン負荷範囲において良好な微粒化特性を得ることが可能となる。
【００６２】
さらに本実施の形態によれば、ガスタービン４３が定格負荷運転となって液体供給圧力が高くなると空気供給を停止するので、微粒化特性を維持するために液体供給圧力の上昇と共に空気供給量を増加させる必要のある前述した二流体方式構造に比べ、空気供給量を大幅に低減することができる。これにより、空気圧縮機６０を含めて空気供給系統５１の設備規模を減少することができると共にコストを低減できる。
【００６３】
またさらに、ガスタービン４３の停止時においても、本実施の形態によれば燃料噴霧ノズル６６に空気を供給して微粒化した上で噴霧するので、上述したような液体燃料の液垂れが生じるのを防止することができる。さらに、空気供給系統５１から供給された空気が液体燃料ノズル６５の外周を流れる際に液体燃料ノズル６５を冷却するため、液体燃料ノズル６５内に液体燃料が滞留した場合であっても液体燃料の固体化による液体燃料噴出孔６８等の閉塞を防止することができる。
【００６４】
さらに、本実施の形態においては、前述したように燃料噴霧孔６９を傾斜角βだけ傾斜して設けると共に、固体壁６７の衝突面６７ａをノズル軸心線から傾斜角γだけ傾斜させて形成する（図７中小枠（１）参照）ことで、噴霧燃料を旋回器４７から供給される燃焼用空気に向かって噴霧できるので、噴霧燃料と燃焼用空気との混合が一層促進され、点火特性や燃焼安定性の向上、ＮＯｘ排出量の低減作用を得ることができる。
【００６５】
なお、以上説明してきた本発明の液体微粒化装置及び液体微粒化方法の第１乃至第３の実施の形態、及びガスタービン燃焼器の液体微粒化装置の実施の形態においては、液体供給圧力が低い場合に液体（液体燃料）を空気のせん断力をもって微粒化するようにしたが、空気に限らず、例えば蒸気、窒素等の他の媒体を用いて微粒化するようにしてもよい。
【００６６】
また、以上説明してきた本発明の液体微粒化装置及び液体微粒化方法の第１乃至第３の実施の形態、及びガスタービン燃焼器の液体微粒化装置の実施の形態においては、液体の圧力又は流量（ガスタービン負荷）に応じて空気を供給又は停止するようにしたが、これに限らず、例えば液体の圧力又は流量（ガスタービン負荷）が減少するにつれ徐々に空気供給量を増加する等、空気供給量を可変に制御するようにしてもよい。この場合、広い液体供給圧力範囲（ガスタービン負荷範囲）において良好且つより均一な微粒化特性を得ることが可能である。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、液体の供給圧力が低く液体ノズルからの液体の噴出速度が遅い場合には、気体供給装置から供給される気体のせん断力によって液体を微粒化し、液体の供給圧力が高く液体の噴出速度が速い場合には、固体壁との衝突により液体を微粒化する。これにより、広い液体供給圧力範囲において良好な微粒化特性を得ることができる。さらに、液体の供給圧力が高く液体の噴出速度が速い場合に気体供給装置からの気体の供給を停止するので、気体供給量を低減することができる。したがって、広い液体供給圧力範囲において良好な微粒化特性を得ることができ、且つ、気体供給量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体微粒化装置の第１の実施の形態の全体構成を概略的に表す図である。
【図２】本発明の液体微粒化装置の第１の実施の形態において、供給圧力が低い場合の液体の微粒化方法を示す微粒化ノズルの側断面図である。
【図３】本発明の液体微粒化装置の第１の実施の形態において、供給圧力が高い場合の液体の微粒化方法を示す微粒化ノズルの側断面図である。
【図４】本発明の液体微粒化装置の第１の実施の形態の微粒化特性と、一般的な衝突型の一流体方式構造及び二流体方式構造による微粒化特性とを比較した図である。
【図５】本発明の液体微粒化装置の第２の実施の形態の全体構成を概略的に表す図である。
【図６】本発明の液体微粒化装置の第３の実施の形態の全体構成を概略的に表す図である。
【図７】本発明のガスタービン燃焼器の液体微粒化装置の実施の形態を備えたガスタービンプラントの全体構成を概略的に表す図である。
【符号の説明】
１０ 空気圧縮機（第１の気体供給装置；第２の気体供給装置）
１１ 遮断弁（第１の気体供給装置；第２の気体供給装置）
１５ 液体ノズル（第１の液体ノズル）
１５′ 液体ノズル（第２の液体ノズル）
１６ 噴霧ノズル
１７ 固体壁（第１の固体壁）
１７′ 固体壁（第２の固体壁）
２０ コントローラ（第１の気体供給装置；第２の気体供給装置）
３０ａ 内壁（第１の固体壁）
３２ 気体ノズル
４１ 圧縮機
４２ 燃焼器
４３ ガスタービン
６０ 空気圧縮機（第３の気体供給装置）
６１ 遮断弁（第３の気体供給装置）
６５ 液体燃料ノズル
６６ 燃焼噴霧ノズル
６７ 固体壁（第３の固体壁）
７０ コントローラ（第３の気体供給装置）

Claims (6)

1. 液体を噴出する第１の液体ノズルと、
   この第１の液体ノズルを覆うように設けられ、前記第１の液体ノズルから噴出した液体と気体とを混合して噴霧する噴霧ノズルと、
   この噴霧ノズルに、前記第１の液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量に応じて気体の供給及び停止を行う第１の気体供給装置と、
   この第１の気体供給装置の供給停止時に、前記第１の液体ノズルから噴出した液体を衝突させる第１の固体壁とを備えたことを特徴とする液体微粒化装置。
2. 請求項１記載の液体微粒化装置において、前記第１の気体供給装置は、前記第１の液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量が所定のしきい値以下である場合には前記噴霧ノズルに気体を供給し、液体の圧力又は流量が所定のしきい値より大きい場合には前記噴霧ノズルへの気体の供給を停止することを特徴とする液体微粒化装置。
3. 請求項１又は２記載の液体微粒化装置において、前記噴霧ノズルは、前記第１の固体壁に衝突しないように前記第１の液体ノズルから噴出した液体と気体とを混合して噴霧することを特徴とする液体微粒化装置。
4. 液体を噴出する第２の液体ノズルと、
   この第２の液体ノズルから噴出した液体と混合するように気体を噴出する気体ノズルと、
   この気体ノズルに、前記第２の液体ノズルに供給される液体の圧力又は流量に応じて気体の供給及び停止を行う第２の気体供給装置と、
   この第２の気体供給装置の供給停止時に、前記第２の液体ノズルから噴出した液体を衝突させる第２の固体壁とを備えたことを特徴とする液体微粒化装置。
5. ガスタービンに供給する燃焼ガスを生成するために、圧縮機から導入される圧縮空気に液体燃料を微粒化して混合するガスタービン燃焼器の液体微粒化装置において、
   液体燃料を噴出する液体燃料ノズルと、
   この液体燃料ノズルを覆うように設けられ、前記液体燃料ノズルから噴出した液体燃料と気体とを混合して噴霧する燃料噴霧ノズルと、
   この燃料噴霧ノズルにガスタービン負荷に応じて気体の供給及び停止を行う第３の気体供給装置と、
   この第３の気体供給装置の供給停止時に、前記液体燃料ノズルから噴出した液体燃料を衝突させる第３の固体壁とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の液体微粒化装置。
6. 液体ノズルから液体を噴出し、固体壁に衝突させることにより液体を微粒化する液体微粒化方法において、
   前記液体ノズルへ供給される液体の圧力又は流量が小さく、前記固体壁への衝突によって良好な微粒化特性が得られない場合には、気体供給装置で気体ノズルへ気体を供給し、前記液体ノズルから噴出した液体と前記気体ノズルから噴出した気体とを混合させて液体を微粒化し、
   前記液体ノズルへ供給される液体の圧力又は流量が大きく、前記固体壁への衝突によって良好な微粒化特性が得られる場合には、前記気体供給装置から前記気体ノズルへの気体の供給を停止することを特徴とする液体微粒化方法。

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