JP2016001078A - 噴霧ノズル、噴霧ノズルを備えた燃焼装置、及びガスタービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】噴霧流体の微粒化を促進させることが可能であり、噴霧流体中の固形分による摩耗を抑制することが可能な噴霧ノズル、及びこの噴霧ノズルを備えた燃焼装置を提供する。【解決手段】内部混合室２７と、内部混合室２７に噴霧流体１１を供給する噴霧流体流路２３、２４と、内部混合室２７に噴霧用媒体１２を供給する噴霧用媒体流路２９、３０と、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合流体１３を噴霧する出口孔４１と、内部混合室２７と出口孔４１を接続する混合流体流路３１、３２を備える。混合流体流路３１、３２を流れる混合流体１３は、合流部３５で合流して、出口孔４１から噴霧される。内部混合室２７は、噴霧流体１１を内部混合室２７に噴霧する中間噴出孔２６を備える。中間噴出孔２６は、噴霧流体流路２３、２４の合流部２５に設けられる。噴霧流体流路２３、２４を流れる噴霧流体１１は、合流部２５で合流して、中間噴出孔２６から噴霧される。【選択図】図１

Description

本発明は、噴霧ノズル及び噴霧ノズルを備えた燃焼装置に関し、特に、気体（噴霧用媒体）を使用して液体燃料（噴霧流体）を微粒化する二流体噴霧方式の噴霧ノズル、及びこの噴霧ノズルを備えた燃焼装置に関する。

ガスタービンの燃焼器等の燃焼装置では、多種の燃料に対応できる燃料の多様化と環境性能の向上との両立が求められる。

燃料の多様化に対し、一部のガスタービンでは、燃料の供給状況に応じて、天然ガスに代表される燃料ガスに加え、軽油やＡ重油等の液体燃料も使用する、いわゆるデュアルフューエルと呼ばれる燃焼器が使用される。この燃焼器では、気体燃料と液体燃料の双方が使用可能なので、燃料の供給状況が変化しても運転を継続することが可能である。

ガスタービンの環境性能の向上に対しては、主に燃焼により排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化窒素（ＣＯ）、及び煤塵の低減が求められる。窒素酸化物の低減については、空気中の窒素が高温で酸化されて生じるサーマルＮＯｘの低減を中心に開発が進められている。サーマルＮＯｘの低減には、燃料に過剰な空気を予め混合させたうえで燃焼させる希薄予混合燃焼方式の適用が有効である。この燃焼方式では、燃焼空間での燃料と空気との比率が一定となり、空気量が多いことから局所的な高温場を生成せず、サーマルＮＯｘの生成を抑制できる。一方、燃料に対し空気の割合が多いので、安定燃焼範囲が限られる。また、燃焼温度が低い場合には、未燃焼分としてＣＯや煤塵が生じやすい。

ガスタービン燃焼器に液体燃料を使用する際も、上記の希薄予混合燃焼方式の適用が窒素酸化物の低減に望ましい。液体燃料の場合、希薄予混合燃焼させるには、燃焼前に液体状の燃料成分を予め気化させて空気と混合する必要がある。この際、液体燃料を微粒化すると、液体燃料の重量当たりの表面積が増加し、気化しやすくなる。また、液体燃料を微粒化することで気化させずに燃焼させる場合も、重量当たりの表面積が増加することで燃焼反応が速くなる。このため、未燃焼分が発生しにくくなり、燃焼装置から発生するＣＯや煤塵の量を低減できる。このように、液体燃料の燃焼では、微粒化が環境性能の向上に対して重要な項目の１つとなる。

液体燃料を微粒化する噴霧ノズルのひとつに、液体燃料（噴霧流体）と空気や蒸気などの気体（微粒化のための噴霧用媒体）とを供給し、両者を混合することで微粒化する二流体噴霧方式がある。一般に、二流体噴霧方式は、噴霧用媒体を用いずに噴霧流体を微粒化する一流体噴霧方式に比べて、大容量の噴霧での微粒化性能が高い。また、液体燃料の供給量が変わっても、微粒化性能の変化が小さい。このため、二流体噴霧方式は、燃焼負荷が変化する燃焼装置で一般に使用される。

二流体噴霧方式の噴霧ノズル（以下、単に「噴霧ノズル」と記載する）では、微粒化性能を高めると共に噴霧用媒体の使用量や圧力を低減して、噴霧に必要なエネルギー使用量を減らすことが求められる。このため、噴霧用媒体の混合方法等の検討がされてきた。

特許文献１には、噴霧流体と噴霧用媒体を上流側の空間（内混合室）で混合させ、混合後の流体（以下、「混合流体」と記載する）を複数の出口孔から噴出させる内部混合方式の噴霧ノズルの例が記載されている。特許文献１に記載の噴霧ノズルでは、内混合室で噴霧流体と噴霧用媒体の流れ方向が変わることで混合が進み、噴霧流体が微粒化する。また、混合流体は、出口孔から高速で噴出することで周囲の気体との速度差が生じ、混合流体中の噴霧流体にせん断力が働き、噴霧流体の微粒化が進む。

特許文献２には、噴霧流体と噴霧用媒体の混合流体を対向させて流し、出口孔近傍で混合流体を衝突させることで、噴霧流体の微粒化を促進させる噴霧ノズルが記載されている。特許文献２に記載されているような噴霧ノズルは、出口孔から扇状に混合流体が噴出し、その噴霧形状からファンスプレー式とも呼ばれる。ファンスプレー式の噴霧ノズルでは、噴霧流体が噴霧用媒体と混合して微粒化するほか、混合流体が出口孔から扇型に噴出するので混合流体と周囲の気体との境界面が多く、周囲の気体との速度差で混合流体中の噴霧流体にせん断力が働き、噴霧流体の微粒化が進む。

特開昭６２−１８６１１２号公報 特開平９−２３９２９９号公報

特許文献１に記載された二流体噴霧ノズルは、噴霧流体と噴霧用媒体を内部混合室で混合させ、混合流体を複数の出口孔から噴出させる。微粒化は、主に、内部混合室での撹拌による混合（撹拌混合）と、出口孔から混合流体が高速で噴出した際の周囲の気体との速度差によるせん断力による。しかし、噴霧流体と噴霧用媒体は、その密度差により分離しやすい。特に、体積が大きく混合流体の流速が低下する内部混合室では、流速の低い部分で両者が分離して、噴霧流体と噴霧用媒体の混合比率の局所的なばらつきが大きくなりやすい。この場合には、内部混合室での撹拌混合が進まず、微粒化が進まないという課題がある。また、内部混合室の下流側の壁面に噴霧流体と噴霧用媒体を衝突させて撹拌混合を促進させる際、噴霧流体中の固形分（粗大粒子）が壁面に衝突することで壁面が摩耗し、噴霧ノズルの交換頻度が多くなるという課題もある。

特許文献２に記載された二流体噴霧ノズルは、噴霧流体と噴霧用媒体を複数の混合部で混合する。しかし、混合流体が高速で流れるので、一般に流路内での混合時間が短く、混合が充分に進まないという課題がある。また、混合部では上流側から接続する噴霧流体の流路と噴霧用媒体の流路が交差することから、噴霧流体中の固形分が内部混合室の壁面に衝突することで壁面が摩耗しやすいという課題もある。

本発明の目的は、噴霧流体の微粒化を促進させることが可能であり、噴霧流体中の固形分による摩耗を抑制することが可能な噴霧ノズル、及びこの噴霧ノズルを備えた燃焼装置を提供することである。

本発明による噴霧ノズル、噴霧ノズルを備えた燃焼装置、及びガスタービンプラントは、次のような特徴を有する。

燃料である噴霧流体と前記噴霧流体を微粒化するための気体である噴霧用媒体とを混合して混合流体を形成する内部混合室と、前記内部混合室に前記噴霧流体を供給する一対の噴霧流体流路と、前記内部混合室に前記噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体流路と、前記混合流体を外部に噴霧する出口孔とを備える。前記出口孔は、前記内部混合室の下流側に設けられる。前記内部混合室は、前記噴霧流体を前記内部混合室に噴霧する中間噴出孔を備える。一対の前記噴霧流体流路は、前記噴霧流体の流れの下流側で互いに接続する。前記中間噴出孔は、一対の前記噴霧流体流路が互いに接続する合流部に設けられる。一対の前記噴霧流体流路を流れる前記噴霧流体は、前記噴霧流体流路の前記合流部で互いに合流して、前記中間噴出孔から噴霧される。

本発明によれば、噴霧流体の微粒化を促進させることが可能であり、噴霧流体中の固形分による摩耗を抑制することが可能な噴霧ノズル、及びこの噴霧ノズルを備えた燃焼装置を提供することができる。

本発明の第１実施例による噴霧ノズルの先端部の、軸方向に沿う断面図。 図１の噴霧ノズルを噴霧流体の供給方向の下流側から見た正面図。 図１の切断線Ａ−Ａにおける噴霧ノズルの断面図。 従来の噴霧ノズルの先端部の、軸方向に沿う断面図。 本発明の第１実施例の変形例による噴霧ノズルについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図。 本発明の第１実施例の別の変形例による噴霧ノズルについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図。 本発明の第１実施例の別の変形例による噴霧ノズルについて、先端部の、軸方向に沿う断面図。 本発明の第１実施例の別の変形例による噴霧ノズルについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図。 本発明の第２実施例による噴霧ノズルの先端部の、軸方向に沿う断面図。 図９の噴霧ノズルを噴霧流体の供給方向の下流側から見た正面図。 図９の切断線Ａ−Ａにおける噴霧ノズルの断面図。 本発明の第３実施例によるガスタービン燃焼器が設置されたガスタービンプラントの全体構成を示す概略図。

本発明の実施例による噴霧ノズルと、この噴霧ノズルを備えた燃焼装置とガスタービンプラントについて、図面を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一の要素には同一の符号を付け、これらの要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。以下の実施例において、「噴霧流体」とは燃料（特に液体燃料）であり、「噴霧用媒体」とは噴霧流体を微粒化するための気体である。また、「上流」と「下流」とは、噴霧流体や混合流体の流れについての上流と下流をそれぞれ意味する。

本発明の第１実施例による噴霧ノズル１０について、図１〜８を用いて説明する。

図１は、本実施例による噴霧ノズル１０の先端部の、軸方向（Ｘ方向）に沿う断面図である。図１において、Ｘ方向は、噴霧ノズル１０の軸方向であり、噴霧流体の供給方向である。図２は、図１の噴霧ノズル１０を噴霧流体の供給方向の下流側から見た正面図である。図３は、図１の切断線Ａ−Ａにおける噴霧ノズル１０の断面図であり、噴霧ノズル１０の内部混合室２７の位置において、噴霧ノズル１０を噴霧流体の供給方向の下流側から見た断面図である。図２、３において、Ｙ方向は、噴霧ノズル１０の径方向である。

また、図４は、従来の噴霧ノズル１００の先端部の、軸方向（Ｘ方向）に沿う断面図であり、本実施例による噴霧ノズル１０との違いを示す。

また、図５は、本実施例の変形例による噴霧ノズル１０ａについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図である。図６は、本実施例の別の変形例による噴霧ノズル１０ｂについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図である。図７は、本実施例の別の変形例による噴霧ノズル１０ｃについて、先端部の、軸方向（Ｘ方向）に沿う断面図である。図８は、本実施例の別の変形例による噴霧ノズル１０ｄについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図である。

図１〜３に示した本実施例の噴霧ノズル１０は、噴霧ノズル内筒部４６と、噴霧ノズル内筒部４６の外周に位置する噴霧ノズル外筒部４７とを備え、液体燃料が噴霧流体１１として圧力を加えて供給され、噴霧流体１１と異なる気体が噴霧用媒体１２として圧力を加えて供給される。噴霧ノズル内筒部４６の内部には内部混合室２７が形成され、噴霧ノズル外筒部４７には出口孔４１、４２が形成される。噴霧ノズル１０は、内部混合室２７で噴霧流体１１と噴霧用媒体１２を混合して混合流体１３を形成し、この混合流体１３を噴霧ノズル１０の先端部に設けた出口孔４１、４２から外部に噴霧する。すなわち、本実施例の噴霧ノズル１０は、噴霧用媒体１２を使用して噴霧流体１１（液体燃料）を微粒化する二流体噴霧ノズルの１つである。

噴霧ノズル１０の最上流側には、噴霧流体１１が流れる噴霧流体供給流路２１と、噴霧用媒体１２が流れる噴霧用媒体供給流路２２が設けられる。噴霧流体供給流路２１は、一対の噴霧流体流路２３、２４という２つの流路に分岐し、噴霧流体１１を下流側に流す。噴霧用媒体供給流路２２は、噴霧ノズル１０の軸に垂直な断面での形状が環状であり、噴霧用媒体流路２９、３０という２つの流路に分岐し、噴霧用媒体１２を下流側に流す。噴霧用媒体流路２９、３０は、噴霧用媒体供給流路２２と内部混合室２７とを接続する。噴霧流体１１は、軽油やＡ重油等の液体燃料であり、噴霧用媒体１２には、加圧された空気や蒸気が一般的に用いられる。

内部混合室２７は、上流側隔壁４３、下流側隔壁４４、及び側面隔壁４５に囲まれて形成された空間であり、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２とが供給されて混合流体１３を形成し、混合流体１３を出口孔４１、４２に向けて流出させる。上流側隔壁４３は、噴霧ノズル内筒部４６の内部で、噴霧流体１１の流れの上流側に位置する。下流側隔壁４４は、噴霧ノズル内筒部４６の内壁であり、噴霧流体１１の流れの下流側に位置し、上流側隔壁４３に対向する。側面隔壁４５は、噴霧ノズル内筒部４６の内壁であり、噴霧ノズル１０の軸方向（Ｘ方向）に沿って（すなわち噴霧流体１１の流れに沿って）延在する壁面である。内部混合室２７には、一対の混合流体流路３１、３２と一対の混合流体流路３３、３４とが接続され、内部混合室２７で形成された混合流体１３は、混合流体流路３１〜３４に分岐して流れる。混合流体流路３１、３３は、内部混合室２７に接続する開口部が下流側隔壁４４に設けられ、混合流体流路３２、３４は、内部混合室２７に接続する開口部が側面隔壁４５に設けられる。

以下、噴霧ノズル１０の上流側から出口孔４１、４２までの噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の流れを説明する。

噴霧流体１１は、噴霧流体供給流路２１から分岐した一対の噴霧流体流路２３、２４を流れる。噴霧流体流路２３、２４は、下流側にある合流部２５で互いに接続しており、噴霧流体流路２３、２４を流れる噴霧流体１１を流下させる流路である。噴霧流体流路２３、２４を流れる噴霧流体１１は、合流部２５に向かって流れ、合流部２５で互いに合流（衝突）し、合流部２５に位置するように設けられた中間噴出孔２６から内部混合室２７に、噴霧１４として噴霧される。中間噴出孔２６は、内部混合室２７の上流側隔壁４３の中央に設けられる。

図３に示すように、内部混合室２７の上流側隔壁４３には、溝２８が、噴霧流体流路２３、２４が互いに接続する方向と直交する方向に延在するように（図３の左右方向に延在するように）設けられている。図１に示した合流部２５（図３には示さず）は、溝２８と組み合わさり、合流部２５と溝２８の連通部が中間噴出孔２６となる。溝２８は、合流部２５で合流（衝突）した、噴霧流体流路２３を流れてきた噴霧流体１１と噴霧流体流路２４を流れてきた噴霧流体１１とを、合流方向（噴霧流体流路２３と噴霧流体流路２４との接続方向、すなわち図３の上下方向）と直交する方向（図３の左右方向）に広げて噴霧する役割を果たす。

一方、噴霧用媒体１２は、図１に示すように、噴霧用媒体供給流路２２から噴霧用媒体流路２９、３０を通り、噴霧用媒体流路２９、３０の出口から内部混合室２７に供給され、流れ１８のように流れる。噴霧用媒体流路２９、３０の出口は、内部混合室２７の上流側隔壁４３に設けられ、内部混合室２７に向かって開口する。噴霧用媒体１２は、内部混合室２７内で、噴霧流体１１と混合する。

噴霧流体１１は、中間噴出孔２６から内部混合室２７に流入する際に、噴霧流体流路２３、２４の接続方向に薄く、この接続方向に垂直な方向（溝２８の延在方向）に広がる扁平で扇形の噴霧１４となる。扇形の噴霧１４の、内部混合室２７内の周囲気体との境界部分では、周囲気体との流速差で噴霧流体１１にせん断力が働き、噴霧流体１１は微粒化する。また、噴霧流体１１が噴霧用媒体１２と混合することで、両者の流速差により噴霧流体１１にせん断力が働き、噴霧流体１１は微粒化する。

内部混合室２７で混合した噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合流体１３は、内部混合室２７から、噴霧ノズル１０の下流側の混合流体流路３１〜３４に分岐して流れる。図１、２に示すように、噴霧ノズル１０では、一対の混合流体流路３１と混合流体流路３２は、下流側にある合流部３５で互いに接続しており、合流部３５に位置するように設けられた出口孔４１から噴霧ノズル１０外へ混合流体１３を噴霧する。また、一対の混合流体流路３３と混合流体流路３４は、下流側にある合流部３６で互いに接続しており、合流部３６に設けられた出口孔４２から噴霧ノズル１０外へ混合流体１３を噴霧する。

図２に示すように、噴霧ノズル１０には、溝３７が、混合流体流路３１、３２が互いに接続する方向と直交する方向に延在するように（図２の左右方向に延在するように）設けられており、溝３８が、混合流体流路３３、３４が互いに接続する方向と直交する方向に延在するように設けられている。図１に示した合流部３５、３６（図２には示さず）は、それぞれ、溝３７、３８と組み合わさり、合流部３５と溝３７の連通部が出口孔４１となり、合流部３６と溝３８の連通部が出口孔４２となる。溝３７は、混合流体流路３１、３２を流れてきて合流部３５で互いに合流（衝突）した混合流体１３を、合流方向（混合流体流路３１と混合流体流路３２との接続方向、すなわち、図２の上下方向）と直交する方向（図２の左右方向）に広げて噴出させる役割を果たす。溝３８は、混合流体流路３３、３４を流れてきて合流部３６で互いに合流（衝突）した混合流体１３を、合流方向（混合流体流路３３と混合流体流路３４との接続方向、すなわち、図２の上下方向）と直交する方向（図２の左右方向）に広げて噴出させる役割を果たす。

混合流体１３は、出口孔４１から噴霧ノズル１０外へ噴出される際に、混合流体流路３１、３２の接続方向に薄く、これらの接続方向に垂直な方向（溝３７の延在方向）に広がる扁平で扇形の噴霧１５となる。また、混合流体１３は、出口孔４２から噴霧ノズル１０外へ噴出される際に、混合流体流路３３、３４の接続方向に薄く、これらの接続方向に垂直な方向（溝３８の延在方向）に広がる扁平で扇形の噴霧１６となる。扇形の噴霧１５、１６の、噴霧ノズル１０外の気体との境界部分では、噴霧ノズル１０外の気体との流速差で混合流体１３内の噴霧流体１１にせん断力が働き、噴霧流体１１は微粒化する。

本実施例による噴霧ノズル１０では、噴霧流体１１は、主に以下の項目（Ａ）〜（Ｅ）に示す効果により、微粒化が進む。
（Ａ）噴霧流体１１が中間噴出孔２６から内部混合室２７に流入する際の、扇形の噴霧１４と内部混合室２７内の気体との流速差による微粒化。
（Ｂ）内部混合室２７での噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合。
（Ｃ）内部混合室２７から分岐した混合流体流路３１〜３４での噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合。
（Ｄ）混合流体１３の合流部３５、３６での衝突による、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合。
（Ｅ）混合流体１３が出口孔４１、４２から噴霧ノズル１０外へ噴霧される際の、扇形の噴霧１５、１６と噴霧ノズル１０外の気体との流速差による微粒化。

項目（Ａ）は、噴霧流体１１が内部混合室２７内に噴霧される際に、噴霧流体１１の有する運動量で主に噴霧流体１１の微粒化が進む効果を示す。項目（Ｂ）は、噴霧用媒体１２が内部混合室２７内に噴霧される際に、噴霧用媒体１２の有する運動量で主に噴霧流体１１の微粒化が進む効果を示す。どちらの場合も、噴霧流体１１とその周囲気体（噴霧用媒体１２も含む）との速度差により噴霧流体１１の表面にせん断力が働き、噴霧流体１１の微粒化が進む。なお、内部混合室２７が噴霧ノズル１０の軸方向に長い形状であり、内部混合室２７内で噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合流体１３の流速が低下すると、噴霧流体１１の表面張力により噴霧流体１１の粒子の合体が進み、混合流体１３中の噴霧流体１１の粒子径が増加することがある。

項目（Ｃ）、（Ｄ）は、混合流体流路３１〜３４内で噴霧流体１１と噴霧用媒体１２とが混合することによる、噴霧流体１１の微粒化が進む効果を示す。混合流体１３の流速が変化すると、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２は、互いの密度差で慣性に違いが生じ、互いに速度差が生じる。この速度差により噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の境界面にせん断力が働き、噴霧流体１１の微粒化が進む。混合流体１３の流速が変化する要因としては、流路の壁面の境界層、流路の屈曲部、及び流路の合流部での衝突などがある。特に合流部では流速の変化が大きく、噴霧流体１１の微粒化が進む。一方、流速差が少ない場合では、噴霧流体１１の表面張力により噴霧流体１１の合体が進み、噴霧流体１１の粒子径が増加することがある。

項目（Ｅ）は混合流体１３が出口孔４１、４２から噴霧される際に、混合流体１３の有する運動量で主に噴霧流体１１の微粒化が進む効果を示す。混合流体１３とその周囲気体との流速差により噴霧流体１１の表面にせん断力が働き、噴霧流体１１の微粒化が進む。また、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２は、互いの密度差で慣性に違いが生じ、互いの境界面にせん断力が働き、噴霧流体１１の微粒化が進む。

本実施例による噴霧ノズル１０では、噴霧流体１１が内部混合室２７内に噴霧される際と、混合流体１３が出口孔４１、４２から外部に噴霧される際に、扇形の噴霧を形成し、項目（Ａ）〜（Ｅ）に示す効果で噴霧流体１１の微粒化が進む。

流体を互いに衝突させて扁平で扇形の噴霧１４と噴霧１５、１６を形成する噴霧形式を、特にファンスプレー式噴霧と呼ぶ。扁平で扇形の噴霧は、一般的な円錐状の噴霧に比べて、周囲気体との境界部が長く、周囲気体との流速差によるせん断力が働きやすい。このため、扁平で扇形の噴霧１４と噴霧１５、１６は、一般的な円錐状の噴霧に比べて微粒化が良いという特徴がある。また、扁平で扇形の噴霧１４と噴霧１５、１６は、噴出時に一方向に拡散することと周囲気体とのせん断力が強く働くことにより、一般的な円錐状の噴霧に比べて、噴霧の運動量が早く低下する。このため、噴霧中の固形分（粗大粒子）が内部混合室２７の壁面に衝突しにくくなり、固形分の壁面への衝突により壁面が摩耗するのを抑制することができる。

本実施例による噴霧ノズル１０は、特に、上記の項目（Ａ）、（Ｂ）によって噴霧流体１１の微粒化を促進させることに特徴を有する。分岐した流路（噴霧流体流路２３、２４）の合流部２５で噴霧流体１１を衝突させて内部混合室２７に噴霧し、噴霧用媒体１２と混合させる（項目（Ａ）、（Ｂ））。さらに、分岐した流路（噴霧流体流路３１、３２と混合流体流路３３、３４）の合流部３５、３６でそれぞれ混合流体１３を衝突させて、出口孔４１、４２から噴霧ノズル１０外へ噴霧する（項目（Ｃ）〜（Ｅ））。このような２段階の噴霧を経ることで、本実施例による噴霧ノズル１０では、以下の１）〜３）に示す噴霧流体１１の微粒化を促進させる効果が生じる。
１）噴霧１４、１５、１６と周囲気体との境界部の拡大による効果。
２）噴霧１４の流速の減衰による、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２との速度差の拡大による効果。
３）噴霧１４の流速の減衰と噴霧流体１１の微粒化による、内部混合室２７の隔壁への噴霧流体１１の付着抑制による効果。

以下では、本実施例による噴霧ノズル１０と図４に示す従来の噴霧ノズル１００とを対比することで、本実施例による噴霧ノズル１０が有する噴霧流体１１の微粒化を促進させる効果について説明する。

図４に示す従来の噴霧ノズル１００について、本実施例の噴霧ノズル１０と異なる部分について説明する。図４に示す従来の噴霧ノズル１００では、噴霧流体１１の流路（噴霧流体流路２３）が分岐しておらず、噴霧流体流路２３は、噴霧流体供給流路２１と、噴霧流体流路２３の出口であり内部混合室２７の上流側隔壁４３に設けられた中間噴出孔２６ｃとを接続し、噴霧流体１１を互いに衝突させずに中間噴出孔２６ｃから内部混合室２７に供給する。すなわち、従来の噴霧ノズル１００では、噴霧流体供給流路２１に接続された噴霧流体流路２３は、分岐することなく噴霧流体供給流路２１と内部混合室２７とを直接連結しており、噴霧流体１１は、噴霧流体流路２３を通ってそのまま（他の流路を流れた噴霧流体１１と衝突せずに）中間噴出孔２６ｃから内部混合室２７に流入する。従って、噴霧流体１１は、内部混合室２７に入ると円錐状に拡散し、噴霧１７を形成する。

上記の１）の効果は、前述のとおり、ファンスプレー式噴霧ノズルに特有の効果である。本実施例の噴霧ノズル１０が内部混合室２７に噴出させる扁平で扇形の噴霧１４は、従来の噴霧ノズル１００が噴出させる一般的な円錐状の噴霧１７に比べて、周囲気体との境界部が長く、周囲気体との流速差によるせん断力が働きやすい。このため、扁平で扇形の噴霧１４では、従来の噴霧ノズル１００が噴出させる一般的な円錐状の噴霧１７に比べて、噴霧流体１１の微粒化が促進される。以上は噴霧１４について説明したが、噴霧１５、１６についても同様に噴霧流体１１の微粒化が促進される。

上記の２）の効果は、ファンスプレー式噴霧ノズルと内部混合室２７とを組み合わせたことにより生じる、本実施例による噴霧ノズル１０が奏する特有の効果である。ファンスプレー式噴霧ノズルでは、流体（噴霧流体１１）を互いに衝突させて噴霧１４を形成するため、噴霧流体１１の衝突と拡散により、噴霧１４は流速の減衰が進む。一方、内部混合室２７という閉空間に噴出する噴霧用媒体１２の流れ１８は、周囲の気体量が少ないために混合による流速の減衰が進まず、流速が大きいままである。このため、噴霧流体１１の噴霧１４と噴霧用媒体１２の流れ１８とは、互いの速度差が大きくなる。このため、内部混合室２７では、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２との速度差によるせん断力により、噴霧流体１１の微粒化が進む。

この噴霧流体１１の微粒化の効果を大きくするには、中間噴出孔２６と噴霧用媒体流路２９、３０の出口との間隔をできるだけ大きくとり、噴霧流体１１の噴霧１４の流速が減衰した後に噴霧流体１１と噴霧用媒体１２とが混合することが望ましい。本実施例では、図１、３に示すように、噴霧用媒体流路２９、３０の出口は、上流側隔壁４３の径方向の最外部、すなわち側面隔壁４５に沿うように設け、中間噴出孔２６と噴霧用媒体流路２９、３０の出口との間隔を大きくしている。

図１に示す本実施例の噴霧ノズル１０では、噴霧用媒体１２は、流れ１８に示すように、内部混合室２７の側面隔壁４５に沿って下流側に流れ、下流側隔壁４４の近くから反転して上流側に流れ、噴霧流体１１の噴霧１４と混合する。このようにして噴霧用媒体１２が噴霧流体１１と混合することで、両者の速度差によるせん断力が大きくなり、噴霧流体１１の微粒化が進む。

一方、図４に示す従来の噴霧ノズル１００の場合では、噴霧流体１１は、他の流路を流れた噴霧流体１１と衝突せず円錐状に噴出するので、流速の減衰が遅れる。さらに、噴霧流体１１は、噴霧用媒体１２の流れと同一方向に流れながら噴霧用媒体１２と混合するので、両者の速度差は小さく、せん断力による噴霧流体１１の微粒化は進まない。従来の噴霧ノズル１００でも、内部混合室２７の下流側隔壁４４の近傍で噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の流れ方向が変わる際に、両者の慣性の違いにより両者に速度差が生じ、噴霧流体１１の微粒化が進むと考えられる。しかし、この際、噴霧流体１１は、微粒化が進んでいないので粒子径が大きく、一部の粒子は、大きな慣性により下流側隔壁４４に付着し、粒子径が大きくなることもある。さらに、噴霧流体１１の粒子内の固形分（粗大粒子）が内部混合室２７の壁面に衝突し、壁面が摩耗するおそれがある。

上記の３）の効果も、ファンスプレー式噴霧ノズルと内部混合室２７とを組み合わせたことにより生じる、本実施例による噴霧ノズル１０が奏する特有の効果である。上述したように、ファンスプレー式噴霧ノズルである中間噴出孔２６を内部混合室２７の入口に設けることで、噴霧１４は流速の減衰が進む。また、噴霧流体１１を微粒化することで、噴霧流体１１は、重量当たりの表面積が大きくなり、噴霧１４の表面（境界）での抵抗力が増して慣性が弱まる。このため、噴霧流体１１は、内部混合室２７内の流れに追随しやすくなる。そこで、図１に示すように、内部混合室２７の側面隔壁４５に沿って噴霧用媒体１２の流れ１８を形成することで、側面隔壁４５に噴霧流体１１の粒子が到達しにくくなり、側面隔壁４５への噴霧流体１１の粒子の付着を抑制できる。

特にファンスプレー式噴霧では、噴霧の中央部で比較的に粒子径が大きく、外周部で粒子径が小さい。このため、側面隔壁４５に向かって流れる噴霧１４の外周部では粒子径が小さく、特に噴霧流体１１の流れは、内部混合室２７内の流れに追随しやすくなる。従って、側面隔壁４５へ噴霧流体１１の粒子が付着し、側面隔壁４５で粗大粒子が生成し、側面隔壁４５の壁面が摩耗するのを抑制できる。この粗大粒子の生成と壁面の摩耗を抑制する効果を大きくするには、噴霧用媒体流路２９、３０の出口を側面隔壁４５に沿って形成すると共に、噴霧用媒体１２の噴出速度を速くすることが望ましい。

一方、図４に示す従来の噴霧ノズル１００の場合では、噴霧流体１１の微粒化が進まないため、噴霧流体１１の粗大粒子が内部混合室２７内を流れる。粗大粒子は、重量当たりの表面積が小さいので、表面での抵抗力が小さく、慣性が大きくなり、内部混合室２７内の流れに追随しにくい。この結果、噴霧流体１１は、前述したように内部混合室２７の下流側隔壁４４に付着するうえに、内部混合室２７内での流れにより側面隔壁４５にも付着し、壁面の摩耗を引き起こすおそれがある。

このように、中間噴出孔２６からファンスプレー式噴霧として噴霧流体１１を噴出させることで、噴霧流体１１の粒子の流速の減衰が速くなる。一方、内部混合室２７において、噴霧用媒体１２は、閉空間内を流れることで拡散が遅く、流速が速く、乱れが強い。このため、本実施例による噴霧ノズル１０のようにファンスプレー式噴霧ノズルと内部混合室２７とを組み合わせることで、前述の（Ａ）と（Ｂ）の効果による微粒化促進を図ることができる。この微粒化促進の効果により、噴霧流体１１は、内部混合室２７の下流側では微粒化が進み、気体の流れに追随しやすくなるので、壁面への衝突頻度が低下する。また、噴霧流体１１は、粒子径が小さいので慣性が小さい。このため、噴霧流体１１の粒子内の固形分（粗大粒子）が壁面に衝突することによる、内部混合室２７の壁面の摩耗は低減する。なお、この効果は、内部混合室２７に限らず、その下流側の混合流体流路３１〜３４や出口孔４１、４２でも同様に得られる。

なお、図１、３に示すように、本実施例による噴霧ノズル１０では、噴霧流体１１が噴出する中間噴出孔２６は、噴霧流体流路２３、２４の合流部２５と溝２８で形成される（中間噴出孔２６は、合流部２５と溝２８の連通部である）。溝２８を設けることにより、扁平で扇形の噴霧１４が形成しやすくなる。しかし、溝２８を設けず、両端が開口している管状流路の一端を合流部２５に接続し、この管状流路の他端を中間噴出孔２６としてもよい。このような構成でも扇形の噴霧１４を形成できるので、溝２８を省略することができる。

また、混合流体１３が外部へ噴出する出口孔４１は、混合流体流路３１、３２の合流部３５と溝３７で形成される。溝３７を設けることにより、扇形の噴霧１５を形成しやすくなる。しかし、溝３７を設けず、両端が開口している管状流路の一端を合流部３５に接続し、この管状流路の他端を出口孔４１としてもよい。このような構成でも扇形の噴霧１５を形成できるので、溝３７を省略することができる。同様に、溝３８を設けず、両端が開口している管状流路の一端を合流部３６に接続し、この管状流路の他端を出口孔４２としても、扇形の噴霧１６を形成できるので、溝３８を省略することができる。

また、図１、３に示すように、本実施例の噴霧ノズル１０では、中間噴出孔２６は、内部混合室２７の上流側隔壁４３の中央に設けられ、噴霧用媒体流路２９、３０の出口は、溝２８の延在方向に直交する方向（図３の上下方向）に、溝２８を挟んで並んで設けられている（すなわち、噴霧用媒体流路２９、３０の出口は、噴霧流体流路２３、２４が互いに接続する方向に並んで設けられている）。中間噴出孔２６と噴霧用媒体流路２９、３０の出口とをこのように設け、内部混合室２７の側面隔壁４５に沿って噴霧用媒体１２の流れを形成することで、側面隔壁４５に噴霧流体１１の粒子が到達しにくくなる。なお、前述したように、扇形の噴霧１４の外周部は中央部に比べて粒子径が小さく、周囲の気体に追随して流れやすいので、噴霧用媒体流路２９、３０の出口は、図１、３に示すような位置に配置しなくてもよい。図５、６を用いて、噴霧用媒体流路の出口が図１、３と異なる噴霧ノズルの例を説明する。

図５は、本実施例の変形例による噴霧ノズル１０ａについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図である。内部混合室２７の上流側隔壁４３に設けられた噴霧用媒体流路２９ａの出口は、図５に示すように、その数が１つであり、中間噴出孔２６と溝２８の周囲を囲むように環状に設けてもよい。噴霧用媒体流路２９ａの出口を環状とすることで、側面隔壁４５に沿って噴霧用媒体が流れ、噴霧流体１１の粒子が付着しにくくなるという効果が得られる。このとき、噴霧用媒体流路２９ａの出口は、内部混合室２７の側面隔壁４５に沿うように設け、中間噴出孔２６と噴霧用媒体流路２９ａの出口との間隔を大きくするのが望ましい。

図６は、本実施例の別の変形例による噴霧ノズル１０ｂについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図である。噴霧用媒体流路２９、３０の出口は、図６に示すように、溝２８の延在方向（図３の左右方向）に、溝２８を挟んで並んで設けてもよい。

また、図１に示すように、本実施例の噴霧ノズル１０では、噴霧ノズル１０の軸に垂直な断面における内部混合室２７の断面積（横断面積）が、軸方向（Ｘ方向）において一定であるが、一定でなくてもよい。図７を用いて、内部混合室２７の横断面積が図１と異なる噴霧ノズルの例を説明する。

図７は、本実施例の別の変形例による噴霧ノズル１０ｃについて、先端部の、軸方向（Ｘ方向）に沿う断面図である。図７に示すように、噴霧ノズル１０ｃの軸方向に垂直な断面における内部混合室２７の断面積（横断面積）は、軸方向に沿って上流側から下流側に向かうにつれて小さくなっている。下流側で内部混合室２７の横断面積を小さくすることで、混合流体１３の流速を速くすることができる。低流速で乱れが少ない条件では、噴霧流体１１の粒子は、重力や表面張力により互いに合体が進み、粒子径が増加することがある。しかし、下流側で内部混合室２７の横断面積を小さくし、混合流体１３の流速を速くすることで、噴霧流体１１の粒子径の増加を妨げることができる。

なお、内部混合室２７は、上流側から下流側に向かうにつれて横断面積を小さくする方が望ましい。これは、前記のファンスプレー式噴霧ノズルと内部混合室２７とを組み合わせた効果を大きくするためには、中間噴出孔２６と噴霧用媒体流路２９、３０の出口との間隔が大きい方が望ましいからである。

また、内部混合室２７の形状は、中間噴出孔２６から噴出させる扁平で扇形の噴霧１４の形状に合わせた扁平な形状としてもよい。内部混合室２７のこのような形状は、側面隔壁４５に噴霧流体１１の粒子が付着しにくくなるという効果が得られるので望ましい。

また、図１〜３に示すように、本実施例の噴霧ノズル１０では、１つの中間噴出孔２６と２つの出口孔４１、４２を備えるが、これらの数は１つでも２つ以上の複数でもよい。複数の中間噴出孔２６や出口孔４１、４２を備えることで、噴霧ノズル１０の構造は複雑になるが、扁平で扇形の噴霧１４〜１６はより薄くなり、周囲の気体との速度差によるせん断力が強く働くという効果が得られる。このため、噴霧流体１１は微粒化しやすくなる。中間噴出孔２６と出口孔４１、４２の数に応じて、噴霧流体流路と混合流体流路の数（対の数）を定める。例えば、中間噴出孔を２つ設ける場合には、噴霧流体流路の数を４つ（二対）にし、出口孔を１つ設ける場合には、混合流体流路の数を２つ（一対）にする。図８を用いて、中間噴出孔を２つ設けた噴霧ノズルの例を説明する。

図８は、本実施例の別の変形例による噴霧ノズル１０ｄについて、図１の切断線Ａ−Ａに対応する位置における断面図である。噴霧ノズル１０ｄは、４つの噴霧流体流路２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂと、２つの溝２８ａ、２８ｂと、２つの中間噴出孔２６ａ、２６ｂを備える。噴霧流体流路２３ａ、２４ａは、一対の噴霧流体流路であり、噴霧流体流路２３ｂ、２４ｂは、一対の噴霧流体流路である。溝２８ａは、噴霧流体流路２３ａ、２４ａが互いに接続する方向と直交する方向に延在するように設けられており、溝２８ｂは、噴霧流体流路２３ｂ、２４ｂが互いに接続する方向と直交する方向に延在するように設けられている。中間噴出孔２６ａは、溝２８ａと組み合わさっており、中間噴出孔２６ｂは、溝２８ｂと組み合わさっている。中間噴出孔２６ａ、２６ｂは、溝２８ａ、２８ｂの延在方向に並んで設けられている。なお、噴霧ノズル１０ｄは、図５に示した噴霧ノズル１０ａと同様に、噴霧用媒体流路２９ａの出口は、その数が１つであり、中間噴出孔２６ａ、２６ｂと溝２８ａ、２８ｂの周囲を囲むように設けられている。

また、噴霧用媒体流路の出口の数は、図５、８に示すように１つでもよく、図３、６に示すように２つでもよく、図示していないが３つ以上でもよい。従って、中間噴出孔と噴霧用媒体流路の出口のうち、少なくとも一方を複数設けてもよい。このようにすると、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２との混合を進めることができ、両者の速度差によるせん断力によって噴霧流体１１の微粒化を促進することができる。

また、図１に示すように、本実施例の噴霧ノズル１０は、その先端部が噴霧ノズル内筒部４６と噴霧ノズル外筒部４７とを備えるが、噴霧ノズル内筒部４６と噴霧ノズル外筒部４７とが一体となった噴霧ノズル筒部を備える構造であってもよい。

噴霧ノズル１０の出口孔４１、４２から外部に噴出する混合流体１３中の噴霧流体１１は、直径で１００μｍ未満、できれば５０μｍ以下に微粒化させることが望ましい。微粒化した噴霧流体１１は、体積に占める表面積が大きく、燃焼室からの熱放射により昇温し蒸発し易い。また、液滴としての燃焼反応も速い。

一方、直径で１５０μｍ以上の粗大粒子は、蒸発や燃焼をし難く、未燃焼分として一酸化炭素（ＣＯ）や煤塵を排出する原因となる。また、噴霧流体と空気との混合が悪いので、窒素酸化物の排出の原因となる。

本実施例による噴霧ノズル１０では、微粒化性能が高く、噴霧流体１１の微粒子を増やすことで燃焼反応の促進に寄与することができる。なお、微粒化の程度は、噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給圧力や噴霧用媒体１２の量（噴霧流体１１に対する噴霧用媒体１２の割合）により調整できる。本実施例による噴霧ノズル１０では、これらの条件を適切に設定することにより、噴霧流体１１の直径を５０μｍ以下にすることが可能である。

ガスタービン燃焼器に液体燃料を使用する場合、希薄予混合燃焼が窒素酸化物の低減に有効である。希薄予混合燃焼では、燃料に過剰な空気を予め混合させたうえで燃焼させることで、燃焼時の温度を均一とし、高温部で発生するサーマルＮＯｘを抑制する。液体燃料を使用する場合には、燃焼前に液体状の燃料成分を予め気化させて空気と混合する必要がある。噴霧ノズル１０の微粒化性能を高めて、微粒子を増やすことで液体燃料を微粒化すると、液体燃料の重量当たりの表面積が増加し、気化しやすくなる。また、液体燃料を微粒化することで、燃料が気化せずに燃焼する場合も重量当たりの表面積が増加するため、燃焼反応が速くなる。このため、未燃焼分が発生しにくくなり、燃焼装置から発生するＣＯや煤塵の量を低減できる。

また、本実施例の噴霧ノズル１０をガスタービン燃焼器の噴霧ノズルに適用した場合、扁平で扇形の噴霧１５、１６が形成されるので、噴霧１５、１６の運動量は、一般的な円錐状の噴霧に比べて速く低下する。噴霧流体１１が微粒化して形成された噴霧粒子は、燃焼器内の気流に従って流れることで、噴霧ノズル１０を備えたガスタービン燃焼器の燃焼室の隔壁に付着し難くなる。このため、噴霧粒子がガスタービン燃焼器の燃焼室の隔壁に付着することによる燃焼や、液体燃料の変質によるコーキング等の障害を起こし難くなる。

なお、本実施例の噴霧ノズル１０を、燃料と空気とを別途に供給し燃焼させる拡散燃焼方式の燃焼器やボイラに適用した場合も、微粒化により液体燃料を予め気化する割合が増えるので、燃料と空気とをよく混合することができ、窒素酸化物を低減することができる。また、燃料の微粒化により重量当たりの表面積が増加することで、燃料の燃焼反応が速くなり、ＣＯや煤塵の量を低減することができる。

また、燃料の微粒化性能を高めることで、噴霧用媒体１２の使用量をより減らしたり、噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給圧力をより低くしたりしても、燃料を微粒化することができる。このため、噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給や加圧に必要なエネルギーの消費量を低減できる。さらに、未燃焼分であるＣＯと煤塵の量が低減することで、噴霧ノズル１０を備えた燃焼装置に投入する余剰な空気を削減できる。余剰な空気が減ると、燃焼排ガス量も低下し、燃焼排ガスとともに燃焼装置外に放出される顕熱を低下させ、熱効率を高めることができる。

本発明の第２実施例による噴霧ノズル５０について、図９〜１１を用いて説明する。

図９は、本実施例による噴霧ノズル５０の先端部の、軸方向（Ｘ方向）に沿う断面図である。図９において、Ｘ方向は、噴霧ノズル５０の軸方向であり、噴霧流体の供給方向である。図１０は、図９の噴霧ノズル５０を噴霧流体の供給方向の下流側から見た正面図である。図１１は、図９の切断線Ａ−Ａにおける噴霧ノズル５０の断面図であり、噴霧ノズル５０の内部混合室２７の位置において、噴霧ノズル５０を噴霧流体の供給方向の下流側から見た断面図である。図２、３において、Ｙ方向は、噴霧ノズル５０の径方向である。

本実施例による噴霧ノズル５０は、図１〜３を用いて説明した第１実施例の噴霧ノズル１０と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成は説明を省略し、相違する部分についてのみ以下に説明する。また、本実施例による噴霧ノズル５０が奏する効果のうち、第１実施例で説明した効果については、説明を省略する。

本実施例による噴霧ノズル５０は、混合流体１３を出口孔４１、４２から噴霧ノズル５０の外部に噴霧する部分の構造が、第１実施例の噴霧ノズル１０と異なる。本実施例の噴霧ノズル５０は、第１実施例の噴霧ノズル１０が備える混合流体流路３１〜３４（図１を参照）を備えず、内部混合室２７の下流側にあって内部混合室２７を形成する下流側隔壁４４が噴霧ノズル５０の出口側（下流側）の表面に近接する位置に設けられる。噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合流体１３を外部に噴霧する出口孔４１、４２は、下流側隔壁４４に設けられ、内部混合室２７と噴霧ノズル５０の外部とを直接接続する。混合流体１３は、内部混合室２７から出口孔４１、４２を通って噴霧ノズル５０外へ噴霧される。

混合流体１３は、出口孔４１、４２から噴霧ノズル５０外へ噴出される際に、円錐状の噴霧１９、２０となる。円錐状の噴霧１９、２０の、噴霧ノズル５０外の気体との境界部分では、噴霧ノズル５０外の気体との流速差で混合流体１３内の噴霧流体１１にせん断力が働き、噴霧流体１１は微粒化する。

本実施例による噴霧ノズル５０では、噴霧流体１１は、主に以下の項目（Ａ）、（Ｂ）、（Ｆ）及び（Ｅ）に示す効果により、微粒化が進む。
（Ａ）噴霧流体１１が中間噴出孔２６から内部混合室２７に流入する際の、扇形の噴霧１４と内部混合室２７内の気体との流速差による微粒化。
（Ｂ）内部混合室２７での噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合。
（Ｆ）出口孔４１、４２内での混合流体１３の流れによる、下流側隔壁４４での液膜のせん断による微粒化。
（Ｅ）混合流体１３が出口孔４１、４２から噴霧ノズル５０外へ噴霧される際の、噴霧１９、２０と噴霧ノズル５０外の気体との流速差による微粒化。

なお、項目（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｅ）は、第１実施例で説明したものと同じである。ただし、出口孔４１、４２から噴霧される噴霧１９、２０が円錐状となるため、噴霧１９、２０は、第１実施例の噴霧ノズル１０での扁平で扇形の噴霧１５、１６に比べて、周囲気体との境界部が短い。また、一般に、噴霧中の噴霧流体１１の粒子の流速は、第１実施例の噴霧ノズル１０に比べて、減衰が遅れる。

項目（Ｆ）は、混合流体１３が内部混合室２７から出口孔４１、４２を通って外部に噴出する際の流路が、急縮小と急拡大をするために生じる効果である。特に、内部混合室２７の隔壁に付着した噴霧流体１１の液膜は、そのまま出口孔４１、４２から排出されると粗大粒子となる。流路の急縮小と急拡大により混合流体１３の流れ幅が急縮小と急拡大をすることで、出口孔４１、４２の部分では、混合流体１３と壁面との境界層が発達せず、壁面近傍には速い流れが形成される。このため、壁面に付着した噴霧流体１１の液膜にはこの速い流れによりせん断力が働き、噴霧流体１１が微粒化する。ただし、噴霧流体１１が液膜から微粒化することと、速い流れが形成される部分が出口孔４１、４２の部分と短いことのために、本実施例の噴霧ノズル５０では、一般に、噴霧流体１１の粒子の粒子径は、円錐状の噴霧１９、２０の外周部で比較的に大きく、内部で小さい。

本実施例による噴霧ノズル５０は、第１実施例の噴霧ノズル１０が有する効果に加えて、内部混合室２７の下流側での流路が簡素化されるため、製作が容易であるという効果も有する。また、下流側の流路が簡素化されることで、流路の壁面の摩耗する箇所が減少し、噴霧ノズル５０の寿命の拡大に寄与するという利点も有する。

本実施例による噴霧ノズル５０は、特に、上記の項目（Ａ）、（Ｂ）によって噴霧流体１１の微粒化を促進させることに特徴を有する。分岐した流路（噴霧流体流路２３、２４）の合流部２５で噴霧流体１１を衝突させて内部混合室２７に噴霧し、噴霧用媒体１２と混合させる（項目（Ａ）、（Ｂ））。さらに、混合流体１３を出口孔４１、４２から噴霧ノズル５０外へ高速で噴霧する（項目（Ｆ）、（Ｅ））。このような２段階の噴霧を経ることで、本実施例による噴霧ノズル５０では、第１実施例の噴霧ノズル１０と同様に、以下の１）〜３）に示す噴霧流体１１の微粒化を促進させる効果が生じる。なお、以下の１）〜３）に示す効果は、第１実施例で説明したものと同じであるので、ここでは説明を省略する。
１）噴霧１４と周囲気体との境界部の拡大による効果。
２）噴霧１４の流速の減衰による、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２との速度差の拡大による効果。
３）噴霧１４の流速の減衰と噴霧流体１１の微粒化による、内部混合室２７の隔壁への噴霧流体１１の付着抑制による効果。

第１実施例でも説明したが、上記の２）と３）の効果は、ファンスプレー式噴霧ノズルと内部混合室２７とを組み合わせたことにより生じる、本実施例による噴霧ノズル５０が奏する特有の効果である。

また、図９に示すように、本実施例の噴霧ノズル５０では、噴霧ノズル５０の軸に垂直な断面における内部混合室２７の断面積（横断面積）が、軸方向（Ｘ方向）において一定であるが、第１実施例の噴霧ノズル１０ｃと同様に、一定でなくてもよい。例えば、第１実施例で説明した図７に示すように、噴霧ノズル５０の軸に垂直な断面における内部混合室２７の横断面積が、軸方向に沿って上流側から下流側に向かうにつれて小さくなってもよい。

また、第１実施例で説明したように、内部混合室２７の形状は、中間噴出孔２６から噴出させる扁平で扇形の噴霧１４の形状に合わせた扁平な形状としてもよい。

また、図９〜１１に示すように、本実施例の噴霧ノズル５０では、１つの中間噴出孔２６と２つの出口孔４１、４２を備えるが、これらの数は１つでも２つ以上の複数でもよい。複数の中間噴出孔２６や出口孔４１、４２を備えることで、噴霧ノズル５０の構造は複雑になるが、噴霧の数が増えることで周囲の気体との境界面が増えて、せん断力が強く働くという効果が得られる。このため、噴霧流体１１は微粒化しやすくなる。本実施例の噴霧ノズル５０では、内部混合室２７の下流側が第１実施例の噴霧ノズル１０よりも簡素な構造のため、出口孔４１、４２の数を増加することが比較的容易である。

また、図９に示すように、本実施例の噴霧ノズル５０は、その先端部が噴霧ノズル内筒部４６と噴霧ノズル外筒部４７とを備えるが、噴霧ノズル内筒部４６と噴霧ノズル外筒部４７とが一体となった噴霧ノズル筒部を備える構造であってもよい。

本実施例の噴霧ノズル５０をガスタービン燃焼器の噴霧ノズルに適用した場合、円錐状の噴霧１９、２０の広がり範囲は、出口孔４１、４２の下流側でも狭い。しかし、噴霧１９、２０の噴出方向を適正に与えることで、噴霧流体１１が微粒化して形成された噴霧粒子は、ガスタービン燃焼器の燃焼室の隔壁に付着し難くなる。この結果、噴霧粒子がガスタービン燃焼器の燃焼室の隔壁に付着することによる燃焼や、液体燃料の変質によるコーキング等の障害を起こし難くなる。

本発明の実施例による、噴霧ノズルを備えた燃焼装置について、図１２を用いて説明する。本実施例では、噴霧ノズルを備えた燃焼装置として、ガスタービン燃焼器を例示する。本実施例において、ガスタービン燃焼器は、第１実施例で示した噴霧ノズル１０を備えるものとするが、第２実施例で示した噴霧ノズル５０を備えてもよい。

図１２は、本実施例によるガスタービン燃焼器６７が設置されたガスタービンプラントの全体構成を示す概略図である。図１２に示すガスタービンプラントは、圧縮機６６と、ガスタービン燃焼器６７と、タービン６８と、発電機６９を備える。圧縮機６６は、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気６１を生成し、ガスタービン燃焼器６７に供給する。ガスタービン燃焼器６７は、燃焼用空気６１と燃料６２（液体燃料）とを導入し、燃料６２を燃焼して、高温の燃焼ガス６３（燃焼排ガス）を発生させる燃焼装置である。タービン６８は、ガスタービン燃焼器６７で発生した燃焼ガス６３を導入し、燃焼ガス６３によって駆動され、発電機６９を回転させて発電させると共に圧縮機６６を駆動する。発電機６９は、タービン６８によって駆動され、電力を発生する。また、ガスタービン燃焼器６７は、燃料６２を導入する噴霧ノズル１０を備える。

本実施例では、ガスタービンプラントにおいて、タービン６８で得られた動力で発電機６９を駆動して発電する例を示すが、タービン６８で得られた動力を他の回転機械に使用しても構わない。

本実施例によるガスタービン燃焼器６７は、燃焼用空気６１を導入する外筒７１と、外筒７１に取り付けられたエンドカバー７２とを備え、外筒７１とエンドカバー７２とで密閉された圧力容器を構成している。エンドカバー７２には、エンドカバー７２を貫通するようにして噴霧ノズル１０が設けられる。

外筒７１の内部には、燃焼室７３ａを内部に備える内筒７３と、内筒７３の下流に位置するトランジションピース７４が設けられる。燃焼室７３ａは、燃焼用空気６１と噴霧ノズル１０から噴霧された燃料６２とが供給され、燃焼用空気６１と燃料６２とを混合させて燃焼させ、燃焼ガス６３を生成する燃焼空間である。トランジションピース７４は、燃焼ガス６３の流路であり、上流側が燃焼室７３ａに接続され、下流側が燃焼ガス６３の排出口に接続され、燃焼室７３ａからこの排出口に向かって流路が狭くなっていく。外筒７１は、トランジションピース７４の下流側でタービン６８に接続される。

燃焼用空気６１は、外筒７１と内筒７３との間の空間を通り、内筒７３の最上流部（図１２のエンドカバー７２側）から内筒７３内に供給される。燃料６２は、噴霧ノズル１０から内筒７３内の燃焼室７３ａに噴霧される。燃焼室７３ａに噴霧された燃料６２は、燃焼用空気６１と混合されて混合ガスとなり、この混合ガスは、点火栓７５により点火されると燃焼を開始する。

ガスタービン燃焼器６７では、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び煤塵の低減が求められる。このため、内筒７３には、燃焼用空気６１と燃料６２の混合を改良するために、燃焼用空気６１に旋回流を与える旋回器７６や、空気取入口７７が設けられる。旋回器７６と空気取入口７７により、燃焼用空気６１を燃焼室７３ａに流入させる際に、燃焼用空気６１の噴出方向、流速、及び流量配分を調整することができる。

本実施例によるガスタービン燃焼器６７に燃料６２（液体燃料）を供給する燃料供給系統について説明する。燃料供給系統は、燃料６２を収容する燃料タンク８２と、ガスタービン燃焼器６７に設置された噴霧ノズル１０とを接続する系統であり、燃料タンク８２に収容された燃料６２を噴霧ノズル１０に供給する。燃料供給系統は、燃料タンク８２と、燃料タンク８２から燃料６２を移送する移送ポンプ８３と、移送ポンプ８３で移送する燃料６２の量を調節する移送調整弁８４を備える。さらに、移送ポンプ８３及び移送調整弁８４の下流側には、燃料６２を加圧する高圧ポンプ８５と、燃料６２の圧力を調節する圧力調整弁８６が設置されている。さらに、高圧ポンプ８５及び圧力調整弁８６の下流側には、燃料６２の供給を遮断する遮断弁８７と、燃料６２の流量を調節する流量調整弁８８と燃料流量計８９と、燃料６２を分配する燃料分配器９０が設置されている。燃料分配器９０で分配された燃料６２は、噴霧ノズル１０に供給される。

また、圧縮機６６で圧縮された燃焼用空気６１の一部は、噴霧用空気６４としてガスタービン燃焼器６７に供給される。圧縮機６６で圧縮された燃焼用空気６１の一部は、高圧圧縮機９２で圧縮され、高圧圧縮機９２の下流側に設置した圧力・流量調整弁９３と空気分配器９４を介して、噴霧用空気６４として噴霧ノズル１０に供給される。

以上のようにして、噴霧ノズル１０には、噴霧流体１１としての燃料６２（液体燃料）と、噴霧用媒体１２としての噴霧用空気６４が供給される。

噴霧用空気６４は、燃料６２の微粒化に用いられるほか、燃料６２の供給の開始時や停止時に流路や噴霧ノズル１０内の残留物を除去するパージ用の空気としても用いられる。

なお、噴霧用空気６４は、本実施例のように、圧縮機６６で圧縮して得られた燃焼用空気６１を圧縮して用いる方法のほかに、専用の圧縮機で得られた圧縮空気を用いることも可能である。また、噴霧用空気６４の代わりに、蒸気を噴霧用媒体１２として供給することも可能である。

本実施例によるガスタービン燃焼器６７では、燃料６２として液体燃料を使用する場合を例示したが、本発明によるガスタービン燃焼器は、気体燃料と液体燃料を燃料として使用することもできる。すなわち、本発明によるガスタービン燃焼器は、気体燃料の供給系統と液体燃料の供給系統とを有し、燃料の供給状況に応じて気体燃料と液体燃料とを使用できる、いわゆるデュアルフューエルと呼ばれるガスタービン燃焼器にも適用できる。

液体燃料は、直径で１００μｍ未満、できれば５０μｍ以下に微粒化させることが望ましい。微粒化した液体燃料は、体積に占める表面積が大きく、燃焼室７３ａからの熱放射により昇温し蒸発し易い。また、液滴としての燃焼反応も速い。

一方、直径で１５０μｍ以上の粗大粒子は、蒸発や燃焼をし難く、未燃焼分としてＣＯや煤塵を排出する原因となる。また、噴霧流体１１（燃料気体）と燃焼用空気６１との混合が悪いので、窒素酸化物の排出の原因となる。

本実施例によるガスタービン燃焼器６７では、噴霧ノズル１０により噴霧流体１１の微粒子を増やすことで燃焼反応の促進に寄与することができる。なお、微粒化の程度は、噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給圧力や噴霧用媒体量（噴霧流体１１に対する噴霧用媒体１２の割合）により調整できる。

以上に示したように、本実施例による燃焼装置であるガスタービン燃焼器６７は、第１実施例による噴霧ノズル１０（または第２実施例による噴霧ノズル５０）を備え、噴霧ノズル１０から噴霧する混合流体１３中の噴霧流体１１の微粒化を促進できると共に、微粒化性能の向上により、噴霧用媒体１２の使用量の低減と噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給圧力の低減とを両立させることができる。噴霧用媒体１２の使用量の低減と噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給圧力の低減により、加圧や供給に使用なエネルギーの消費量を低減できる。また、噴霧ノズル１０の摩耗や流路内でのコーキングを抑制し、噴霧ノズル１０の寿命を延ばすことができる。

さらに、噴霧流体１１の微粒化により、液体燃料の単位重量当たりの表面積が増加するので、燃焼反応を速く進めることができる。この結果、酸素の消費が進み、窒素酸化物の発生を抑え、かつ燃焼装置出口での未燃焼分であるＣＯや煤塵の量を低減することができ、燃焼効率を高くできる。

なお、燃焼装置が、燃料と空気を別途に供給し燃焼させる拡散燃焼方式の燃焼器やボイラであっても、本発明による噴霧ノズルを用いて噴霧流体を微粒化することにより、窒素酸化物、ＣＯ、及び煤塵の低減効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成を追加・削除・置換することが可能である。

１０、１０ａ〜１０ｄ、５０…噴霧ノズル、１１…噴霧流体、１２…噴霧用媒体、１３…混合流体、１４〜１７、１９、２０…噴霧、１８…噴霧用媒体の流れ、２１…噴霧流体供給流路、２２…噴霧用媒体供給流路、２３、２３ａ、２３ｂ、２４、２４ａ、２４ｂ…噴霧流体流路、２５…合流部、２６、２６ａ〜２６ｃ…中間噴出孔、２７…内部混合室、２８、２８ａ、２８ｂ…溝、２９、３０…噴霧用媒体流路、２９ａ…噴霧用媒体流路、３１〜３４…混合流体流路、３５、３６…合流部、３７、３８…溝、４１、４２…出口孔、４３…上流側隔壁、４４…下流側隔壁、４５…側面隔壁、４６…噴霧ノズル内筒部、４７…噴霧ノズル外筒部、６１…燃焼用空気、６２…燃料、６３…燃焼ガス、６４…噴霧用空気、６６…圧縮機、６７…ガスタービン燃焼器、６８…タービン、６９…発電機、７１…外筒、７２…エンドカバー、７３…内筒、７３ａ…燃焼室、７４…トランジションピース、７５…点火栓、７６…旋回器、７７…空気取入口、８２…燃料タンク、８３…移送ポンプ、８４…移送調整弁、８５…高圧ポンプ、８６…圧力調整弁、８７…遮断弁、８８…流量調整弁、８９…燃料流量計、９０…燃料分配器、９２…高圧圧縮機、９３…圧力・流量調整弁、９４…空気分配器、１００…従来の噴霧ノズル。

Claims (12)

1. 燃料である噴霧流体と前記噴霧流体を微粒化するための気体である噴霧用媒体とを混合して混合流体を形成する内部混合室と、
   前記内部混合室に前記噴霧流体を供給する一対の噴霧流体流路と、
   前記内部混合室に前記噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体流路と、
   前記混合流体を外部に噴霧する出口孔と、
   前記内部混合室と前記出口孔とを接続し、前記混合流体が流れる一対の混合流体流路と、を備え、
   一対の前記混合流体流路は、前記混合流体の流れの下流側で互いに接続し、
   前記出口孔は、一対の前記混合流体流路が互いに接続する合流部に設けられ、
   一対の前記混合流体流路を流れる前記混合流体は、前記混合流体流路の前記合流部で互いに合流して、前記出口孔から噴霧され、
   前記内部混合室は、前記噴霧流体を前記内部混合室に噴霧する中間噴出孔を備え、
   一対の前記噴霧流体流路は、前記噴霧流体の流れの下流側で互いに接続し、
   前記中間噴出孔は、一対の前記噴霧流体流路が互いに接続する合流部に設けられ、
   一対の前記噴霧流体流路を流れる前記噴霧流体は、前記噴霧流体流路の前記合流部で互いに合流して、前記中間噴出孔から噴霧される、
   ことを特徴とする噴霧ノズル。
2. 燃料である噴霧流体と前記噴霧流体を微粒化するための気体である噴霧用媒体とを混合して混合流体を形成する内部混合室と、
   前記内部混合室に前記噴霧流体を供給する一対の噴霧流体流路と、
   前記内部混合室に前記噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体流路と、
   前記混合流体を外部に噴霧する出口孔と、を備え、
   前記内部混合室は、前記噴霧流体を前記内部混合室に噴霧する中間噴出孔を備え、
   一対の前記噴霧流体流路は、前記噴霧流体の流れの下流側で互いに接続し、
   前記中間噴出孔は、一対の前記噴霧流体流路が互いに接続する合流部に設けられ、
   一対の前記噴霧流体流路を流れる前記噴霧流体は、前記噴霧流体流路の前記合流部で互いに合流して、前記中間噴出孔から噴霧される、
   ことを特徴とする噴霧ノズル。
3. 一対の前記混合流体流路と前記出口孔とを複数備え、
   複数の前記出口孔のそれぞれは、一対の前記混合流体流路が互いに接続する前記合流部のそれぞれに設けられる請求項１に記載の噴霧ノズル。
4. 前記出口孔を複数備える請求項２に記載の噴霧ノズル。
5. 前記内部混合室は、前記噴霧用媒体流路の出口を備え、
   前記中間噴出孔と前記噴霧用媒体流路の前記出口とのうち、少なくとも一方を複数備え、
   前記中間噴出孔を複数備える場合には、一対の前記噴霧流体流路を複数備え、複数の前記中間噴出孔のそれぞれは、一対の前記噴霧流体流路が互いに接続する前記合流部のそれぞれに設けられる請求項１または２に記載の噴霧ノズル。
6. 前記内部混合室は、前記中間噴出孔と連通する溝を備え、
   前記溝は、一対の前記噴霧流体流路が互いに接続する方向と直交する方向に延在するように設けられる請求項１または２に記載の噴霧ノズル。
7. 前記内部混合室は、前記噴霧用媒体流路の出口を２つ備え、
   前記噴霧用媒体流路の２つの前記出口は、前記溝の延在方向に直交する方向に、前記溝を挟んで設けられる請求項６に記載の噴霧ノズル。
8. 前記内部混合室は、前記噴霧用媒体流路の出口を備え、
   前記噴霧用媒体流路の前記出口は、前記噴霧ノズルの軸方向に延在する前記内部混合室の壁面に沿って、前記中間噴出孔の周囲を囲むように環状に設けられる請求項１または２に記載の噴霧ノズル。
9. 前記内部混合室は、前記噴霧ノズルの軸方向に垂直な断面積が、前記混合流体の流れの下流に向かうにつれて小さくなる請求項１または２に記載の噴霧ノズル。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の噴霧ノズルを備え、
    前記噴霧ノズルには、前記噴霧流体として液体燃料が供給され、前記噴霧用媒体として空気または蒸気が供給され、
    前記噴霧ノズルは、前記噴霧流体と前記噴霧用媒体との前記混合流体を噴霧する、
    ことを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
11. 請求項１から９のいずれか１項に記載の噴霧ノズルを備え、
    液体燃料と燃焼用空気とを混合させて燃焼させ、前記液体燃料は前記噴霧ノズルから噴霧され、
    前記噴霧ノズルには、前記噴霧流体として前記液体燃料が供給され、前記噴霧用媒体として前記燃焼用空気の一部が供給され、
    前記噴霧ノズルは、前記噴霧流体と前記噴霧用媒体との前記混合流体を噴霧する、
    ことを特徴とする噴霧ノズルを備えた燃焼装置。
12. 液体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器と、
    前記液体燃料を収容する燃料タンクと、
    空気を圧縮して燃焼用空気を生成し、前記燃焼用空気を前記ガスタービン燃焼器に供給する圧縮機と、
    前記ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備え、
    前記ガスタービン燃焼器は、請求項１０または１１に記載の噴霧ノズルを備えた燃焼装置であり、
    前記噴霧ノズルは、前記燃料タンクに収容された前記液体燃料が供給され、前記ガスタービン燃焼器に前記液体燃料を噴霧する、
    ことを特徴とするガスタービンプラント。

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