JP3826196B2 - Pre-filmer type air blast atomization nozzle - Google Patents
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Description
本発明は、液体を気流によって微粒化するエアブラスト微粒化ノズルに関するもので、特に液体を環状液膜形成面上に液膜として広げてから気流により微粒化するプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルに関し、更には、ガスタービン燃焼器などの連続燃焼装置において燃焼器室内に流入する空気流により液体燃料を微粒化するプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルに関する。 The present invention relates to an air blast atomizing nozzle that atomizes a liquid by an air current, and more particularly to a prefilmer type air blast atomizing nozzle that spreads a liquid as a liquid film on an annular liquid film forming surface and then atomizes by an air current. Furthermore, the present invention relates to a pre-filmer type air blast atomizing nozzle that atomizes liquid fuel by an air flow flowing into a combustor chamber in a continuous combustion apparatus such as a gas turbine combustor.
ガスタービン燃焼器においては、燃焼室内に流入する空気流によって液体燃料を微粒化する燃料ノズルとして、先端部が薄肉になった円筒状の液膜形成体の内周面上に燃料の液膜を形成し、その液膜を前記液膜形成体の内側及び外側を流れる空気流により先端部の下流の自由空間において微粒化する方式を採用した燃料ノズルが実用化されている。この方式の燃料ノズルは、当初、ガスタービンの燃料ノズルとして実用化されたが、燃料以外の液体の微粒化にも使用することができ、空気の代わりに蒸気等の気体を利用することもできる。この方式による燃料ノズルは、液体を薄い液膜にして気流に曝すことにより液体を微細な粒子に分裂させることから、特にプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルと呼ばれている。 In a gas turbine combustor, as a fuel nozzle for atomizing liquid fuel by an air flow flowing into a combustion chamber, a fuel liquid film is formed on the inner peripheral surface of a cylindrical liquid film forming body having a thin tip. A fuel nozzle that employs a method of forming and atomizing the liquid film in a free space downstream of the tip portion by an air flow flowing inside and outside the liquid film forming body has been put into practical use. This type of fuel nozzle was initially put into practical use as a fuel nozzle for gas turbines, but can also be used for atomization of liquids other than fuel, and gas such as steam can be used instead of air. . The fuel nozzle by this method is called a prefilmer type air blast atomizing nozzle because it breaks the liquid into fine particles by exposing the liquid to a thin liquid film and exposing it to an air stream.
図6は、従来のガスタービン用のプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルの代表的な形態を示している。この従来技術によるプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズル6では、液体は液膜形成体12の壁の中に設けられた環状の液体マニホールド17から複数の流出孔19を通って液膜形成体12の内周面で形成される液膜形成面12b上に流出するようになっている。周方向にできるだけ一様な厚さの液膜を形成するために、流出する液体が液膜形成面12b上で旋回するように、流出孔19は液膜形成面12bに対して傾斜して形成されている。複数の流出孔19の代わりに、全周にわたって開口するスリットが形成されることもある。図6に示す微粒化ノズルに類似した形態のものが、例えば、特許文献1に開示されている。
環状室の形態を持つ液体マニホールド17を形成する方法は、この環状空間の壁面が表面となるように少なくとも2個の部分に分割し、それらを機械加工した後、全周を溶接又は高温ロー付けにより一体にするか、あるいは精密鋳造により製作するかである。前者の方法では、不完全な接合に起因した微小な隙間からの液体の漏れや、溶ロー材の環状空間への流れ込みによる流路の閉塞などの欠陥が生じやすく、歩留まりが悪いことから製作費が高くなるという問題がある。一方、精密鋳造は少量生産には向かない。また、航空機用ガスタービンの燃料ノズルとして使用する場合には、燃料ノズルが燃焼器への高温高圧の空気に曝されるために、燃料ノズルの細い燃料流路内で燃料が過熱されてベーパーロックやコーキングが起きやすい。そうした現象が発生するのを防止するため、燃料流路が配設される部分の表面積(濡れ面積)をできる限り小さくし、さらに燃料ノズル表面からの熱流入を抑制するため表面と燃料流路との間に断熱層を設ける、いわゆる熱遮蔽が施される。しかしながら、環状室が設けられている液膜形成体は、外周面に加えて内周面も高温空気流に曝されるので流入熱量が多く、また形状が単純でないので熱遮蔽構造も複雑になる。充分な熱遮蔽を施そうとすると環状部分の壁が必然的に厚くなるので、空気流を液膜に効果的に接触させるのに最適な流路形状が採用できない、あるいは燃料ノズルの外形寸法が大きくなってしまう等の問題もある。
The method of forming the
上記の液膜形成体の壁の中に環状形態の液体マニホールドを形成する際の問題点を解決するため、液体微粒化ノズルの中心軸上に円筒状の液体噴射器を配設し、その外周に円筒状の液膜形成体を同軸に配設し、液体噴射器の側壁に開口する複数の液体噴射孔から液体を放射状に噴射し、液膜形成体の内周面に衝突させて膜状に広げる方式(非特許文献1)が提案されている。図7は、その方式を採用した微粒化ノズルとしてのプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルの代表的な形態を示している。プレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズル7においては、液体噴射器19の内部に形成されている液体マニホールド17に送り込まれた液体は複数の液体噴射孔23から放射状に噴射される。液体噴流は、液膜形成体12の内周面として形成されている液膜形成面12bに衝突し、その上に液膜13となって広がる。液膜形成面12bと燃料噴射器19の外周面との間に形成されている微粒化気流環状流路16aには複数の微粒化気流旋回羽根15aが配設されている。微粒化気流旋回羽根15aによる旋回気流は、液膜形成体12の先端部12aより下流において自由空間に流出した液膜13を分裂させる役割に加え、液膜13を液膜形成面12bに沿って液膜形成体12の先端部12aにまで広げる役目も持つ。プレフィルマー式エアブラスト燃料ノズル7は、プレフィルマー式エアブラスト燃料ノズル6と異なり、環状の燃料マニホールドを備えていないので、主要部分は機械加工だけで製作でき、その結果、歩留まりも高いので製作コストが下がる。燃料噴射器は円筒で外径も小さいので、簡易な熱遮蔽によって燃料の過熱を防止することができる、液膜形成体も薄肉円筒で済む、燃料ノズル全体の最大径を小さくできる、という利点がある。
しかし、図7に示すようなプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルには以下の問題がある。定格流量よりかなり少ない燃料流量で作動させる場合には、噴出速度が小さいために燃料噴流24は、図8に模式的に示すように微粒化気流によって下流に曲げられ、液柱の状態で微粒化される。この問題は、噴射器19の表面の噴射孔23と液膜形成面12bとの半径方向距離が大きくなる大型の燃料燃料ノズルの場合には顕著になる。燃料噴流24の直径も大きくなるので、微粒化気流旋回羽根15aによる旋回気流が交差気流となって燃料を微粒化しやすくなることとあいまって、燃料噴流を液柱の状態で液膜形成面に到達させるのが難しい。液柱の交差気流による微粒化は、一般に、同一速度の平行気流による液膜の微粒化に比べて劣ることが知られている。噴出速度がさらに小さい場合には、噴流は勢いがないので液は図9に模式的に示すように噴射器19の表面上を伝って下流に流れ、中心体の先端で合流し液塊25となる。液塊25は、先端部19aでは気流速度が速くないために分裂するものの、粗大粒子となる。また、液体噴射量が一定の場合、噴出速度を大きくするには噴射孔23を小さくするか、噴射孔23の数を少なくするしかないが、噴射孔23を小さくすると詰まりが生じやすくなり、他方、噴射孔23の数を少なくすると噴流相互の周方向距離が大きくなるので、周方向に一様な厚さの液膜を形成することが難しい。ガスタービン燃焼器に使用する場合、燃料微粒化の劣化や燃料空気比の偏りはいずれも、NOxの生成を増大させる。
However, the prefilmer type air blast atomizing nozzle as shown in FIG. 7 has the following problems. When operating at a fuel flow rate much lower than the rated flow rate, the jet velocity is small, so that the
上記のように、液体微粒化ノズルの中心軸上に円筒状の液体噴射器を配設し、その外側に円筒状の液膜形成体を同軸に配設し、液体噴射器の側壁に開口した複数の液体噴射孔から液体を放射状に噴射し、液膜形成体の内周面に衝突させて膜状に広げ、その液膜を気流の作用により微粒化するプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルにおいては、液体の噴出速度が小さい場合でも液膜が確実に形成され、広い液体流量範囲にわたって良好な微粒化を実現する上で解決すべき課題がある。 As described above, a cylindrical liquid ejector is disposed on the central axis of the liquid atomizing nozzle, and a cylindrical liquid film forming body is coaxially disposed on the outer side thereof, and is opened on the side wall of the liquid ejector. In a pre-filmer type air blast atomizing nozzle that sprays liquid radially from a plurality of liquid injection holes, collides with the inner peripheral surface of the liquid film forming body and spreads it into a film shape, and atomizes the liquid film by the action of air current However, there is a problem to be solved in order to realize a fine atomization over a wide liquid flow rate range by reliably forming a liquid film even when the liquid ejection speed is low.
本発明の目的は、液体噴流を液膜形成体の内周面に衝突させて膜状に広げ、その液膜を気流により微粒化するプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルにおいて、液体の噴出速度が小さい場合でも液膜が確実に形成され、その結果、広い液流量範囲にわたって良好な微粒化が可能であり、また、ガスタービン燃焼器の燃料ノズルとして使用すれば、エンジンの広い作動範囲にわたってNOxや未燃焼成分の生成を抑制することができる新規なプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルを提供することである。 An object of the present invention is to make a liquid jet flow collide with the inner peripheral surface of a liquid film forming body to spread it into a film shape, and in a prefilmer type air blast atomization nozzle that atomizes the liquid film by an air flow, the liquid ejection speed is Even when it is small, a liquid film is reliably formed, and as a result, good atomization is possible over a wide liquid flow range, and when used as a fuel nozzle of a gas turbine combustor, NOx and NOx are spread over a wide operating range of the engine. It is an object of the present invention to provide a novel prefilmer type air blast atomization nozzle capable of suppressing the generation of unburned components.
この発明は上記課題を解決するためになされたもので、本発明によるプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルは、液体マニホールドを備えた円筒状の中心体の外側に複数の微粒化気流旋回羽根を周方向に配設した液体供給筒と、前記液体供給筒の外側に同軸に配設された1個以上の断面環状で内周面が液膜形成面を形成する筒状の液膜形成体で構成された液膜形成部と、前記液膜形成体の最外周に同軸に配設されたシュラウドとで構成され、前記液体マニホールドから延びる液体分配流路が前記微粒化気流旋回羽根の内部に配設され且つ前記微粒化気流旋回羽根の翼端において外側端面に開いて開口しており、前記液体マニホールドから前記液体分配流路に分流した液体が前記液体分配流路の開口から前記液膜形成体の液膜形成面上に流出して液膜を形成し、前記液膜が主として前記微粒化気流旋回羽根により旋回が与えられた気流の作用により微粒化されることから成っている。 The present invention has been made to solve the above problems, prefilmer type air blast atomizing nozzle according to the present invention, a plurality of atomizing air flow swirl vanes in the outer cylindrical central body provided with a fluid manifold-hold A liquid supply cylinder in which the inner peripheral surface forms a liquid film formation surface with one or more cross-sectional rings arranged coaxially on the outer side of the liquid supply cylinder And a liquid distribution channel extending from the liquid manifold is formed inside the atomized airflow swirl vane. is opened by opening the outer end surface at the tip of the arranged by and the atomized air flow swirling vanes, the liquid liquid diverted to said liquid distribution channel from the liquid manifold-hold from the opening of the liquid distribution passage Flow over the liquid film forming surface of the film former And a liquid film is formed, is made from being atomized by the action of the liquid film is given mainly turning by the atomization air flow swirl vanes airflow.
この発明によるプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルにおいては、微粒化気流旋回羽根の内部には液体マニホールドから延びて微粒化気流旋回羽根の翼端で開口する液体分配流路が配設されているので、液体は液体マニフォールドから液体分配流路に分流し、微粒化気流旋回羽根の翼端の開口から液膜形成体の液膜形成面上に流出して液膜を形成する。そのため、液は液柱の状態で微粒化気流に直接曝されることはなく液膜形成面に到達するので、液体流量が少ない場合でも液膜形成面に液膜が確実に形成され、その結果、広い液体流量範囲にわたって良好な微粒化が可能になる。このプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルをガスタービン燃焼器の燃料ノズルとして使用すれば、エンジンの広い作動範囲にわたってNOxや未燃焼成分の生成を抑制することができる。 In the prefilmer type air blast atomization nozzle according to the present invention, a liquid distribution flow path extending from the liquid manifold and opening at the blade end of the atomization air flow swirl vane is disposed inside the atomization air flow swirl vane. The liquid is branched from the liquid manifold to the liquid distribution channel, and flows out from the opening at the blade tip of the atomized airflow swirl vane onto the liquid film forming surface of the liquid film forming body to form a liquid film. Therefore, since the liquid reaches the liquid film forming surface without being directly exposed to the atomized airflow in the state of the liquid column, the liquid film is reliably formed on the liquid film forming surface even when the liquid flow rate is small. Good atomization is possible over a wide liquid flow rate range. If this prefilmer type air blast atomization nozzle is used as a fuel nozzle of a gas turbine combustor, the generation of NOx and unburned components can be suppressed over a wide operating range of the engine.
また、本発明によるプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルにおいては、前記シュラウドの内周面と前記液膜形成部の最外周に位置する最外周液膜形成体の外周面との間に形成されるシュラウド環状流路に、前記最外周液膜形成体の先端部より上流位置に複数のシュラウド気流旋回羽根を配設することができる。このようにすると、微粒化された粒子とシュラウド環状流路を流れる空気との混合を著しく促進できるだけでなく、シュラウド気流旋回羽根の羽根角度により噴霧の半径方向の広がりを調節できるという利点がある。羽根角度を小さくすれば広がりの小さい噴霧流を形成でき、大きくすれば広がりの大きい噴霧流とすることができる。 In the prefilmer type air blast atomization nozzle according to the present invention, the nozzle is formed between the inner peripheral surface of the shroud and the outer peripheral surface of the outermost peripheral liquid film forming body located at the outermost peripheral portion of the liquid film forming portion. A plurality of shroud airflow swirl vanes can be disposed in the shroud annular channel at a position upstream from the tip of the outermost peripheral liquid film forming body. In this way, not only can the mixing of the atomized particles and the air flowing through the shroud annular channel be significantly promoted, but there is also an advantage that the spread of the spray in the radial direction can be adjusted by the blade angle of the shroud airflow swirl blade. If the blade angle is decreased, a spray flow having a small spread can be formed, and if the blade angle is increased, a spray flow having a large spread can be obtained.
上記プレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルにおいて、前記液体マニホールドは、互いに独立する2個以上のサブマニホールドからなり、前記微粒化気流旋回羽根の内部に配設された前記液体分配流路はグループに分けられ、前記各グループごとに前記サブマニホールドに繋がり、前記サブマニホールドには前記サブマニホールドに流入する液体の流量を遮断あるいは調節する弁を配設した配管を接続することができる。このようにすれば、燃料の周方向又は半径方向の分布を調節することが可能になる。ガスタービン燃焼器においては、高出力運転時にはNOxが生成されやすいので燃料を空気とできるだけ一様混合することが必要なのに対し、低出力条件や始動時などでは、燃料空気比が高出力運転時に比べて小さく、空気の温度が低いために、燃料を一様に混合したのでは燃料が希薄すぎて点火ができないとか、火炎が不安定で、燃焼が不完全になりやすいので、燃料を空間的に偏在化させることが好ましい。本発明によるプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルの上記の形態では、燃料を周方向又は半径方向に偏在化させることも可能になるので、エンジンの始動が確実になるとともに、運転範囲全体にわたって燃焼と排気の性能をともに向上させることができるという利点がある。なお、液体分配流路のグループ数をサブマニホールドの個数と同数とすることができる。この場合、各サブマニホールド毎をそれぞれ液体分配流路の異なるグループに対応させることができる。 In the prefilmer-type air blast atomization nozzle, the liquid manifold is composed of two or more sub-manifolds independent from each other, and the liquid distribution channels disposed inside the atomized airflow swirl vanes are divided into groups. Each group is connected to the sub-manifold, and the sub-manifold can be connected to a pipe provided with a valve for blocking or adjusting the flow rate of the liquid flowing into the sub-manifold. In this way, it is possible to adjust the distribution in the circumferential direction or the radial direction of the fuel. In a gas turbine combustor, NOx is likely to be generated during high output operation, so it is necessary to mix the fuel with air as uniformly as possible. Because the fuel is too diluted to ignite because the air temperature is low and the air temperature is low, the flame is unstable and the combustion tends to be incomplete. It is preferable to make it unevenly distributed. In the above-described form of the pre-filmer type air blast atomizing nozzle according to the present invention, it is possible to unevenly distribute the fuel in the circumferential direction or the radial direction, so that the engine can be started reliably and the entire operation range can be combusted. There is an advantage that the exhaust performance can be improved together. The number of liquid distribution channel groups can be the same as the number of sub-manifolds. In this case, each sub-manifold can correspond to a different group of liquid distribution channels.
本発明のプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルは、液体マニフォールドを備えた円筒状の中心体の外側に複数の微粒化気流旋回羽根を周方向に配設した液体供給筒と、前記液体供給筒の外側に同軸に配設された1個以上の断面環状で内周面が液膜形成面を形成する筒状の液膜形成体で構成された液膜形成部と、前記液膜形成体の最外周に同軸に配設されたシュラウドとで構成され、前記液体マニホールドから延びる液体分配流路が前記微粒化気流旋回羽根の内部に配設され且つ前記微粒化気流旋回羽根の翼端において開口しているので、液体は液体マニフォールドから液体分配流路に分流し、微粒化気流旋回羽根の翼端の開口から液膜形成体の液膜形成面上に流出して液膜を形成する。そのため、液は微粒化気流に直接さらされることなく液膜形成面に到達するので、液体の噴出速度が小さい場合でも液膜が確実に形成される。液膜が主として微粒化気流旋回羽根により旋回が与えられた気流の作用により微粒化されるので、広い液流量範囲にわたって良好な微粒化が可能になる。ガスタービン燃焼器の燃料ノズルとして使用すれば、エンジンの広い作動範囲にわたってNOxや未燃焼成分の生成を抑制できる。 The prefilmer type air blast atomization nozzle of the present invention includes a liquid supply cylinder in which a plurality of atomized airflow swirl vanes are arranged in the circumferential direction outside a cylindrical central body having a liquid manifold, and the liquid supply cylinder A liquid film forming section formed of a cylindrical liquid film forming body having an annular shape with one or more cross-sections disposed coaxially on the outer side and having an inner peripheral surface forming a liquid film forming surface; And a liquid distribution passage extending from the liquid manifold is disposed inside the atomized airflow swirl blade and opens at a blade end of the atomized airflow swirl blade. Therefore, the liquid is diverted from the liquid manifold to the liquid distribution channel, and flows out from the opening at the blade tip of the atomizing airflow swirl vane onto the liquid film forming surface of the liquid film forming body to form a liquid film. Therefore, since the liquid reaches the liquid film forming surface without being directly exposed to the atomized airflow, the liquid film is reliably formed even when the liquid ejection speed is low. Since the liquid film is atomized mainly by the action of the airflow swirled by the atomized airflow swirl blade, good atomization can be achieved over a wide liquid flow rate range. If used as a fuel nozzle of a gas turbine combustor, the generation of NOx and unburned components can be suppressed over a wide operating range of the engine.
また、本発明によるプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルは、前記シュラウドの内周面と前記液膜形成部の最外周に位置する最外周液膜形成体の外周面との間に形成されるシュラウド環状流路に、前記最外周液膜形成体の先端部より上流位置に複数のシュラウド気流旋回羽根を配設することができる。このようにすると、微粒化された粒子とシュラウド環状流路を流れる空気との混合を著しく促進できるだけでなく、シュラウド気流旋回羽根の羽根角度を変えることにより噴霧の半径方向の広がりを調節できるという利点がある。羽根角度を小さくすれば広がりの小さい噴霧流を形成でき、大きくすれば広がりの大きい噴霧流とすることができる。 The prefilmer type air blast atomizing nozzle according to the present invention is a shroud formed between the inner peripheral surface of the shroud and the outer peripheral surface of the outermost peripheral liquid film forming body located on the outermost peripheral surface of the liquid film forming portion. A plurality of shroud airflow swirl vanes can be disposed in the annular channel at a position upstream from the tip of the outermost peripheral liquid film forming body. In this way, not only can the mixing of the atomized particles and the air flowing through the shroud annular channel be significantly promoted, but the radial spread of the spray can be adjusted by changing the blade angle of the shroud airflow swirl blade. There is. If the blade angle is decreased, a spray flow having a small spread can be formed, and if the blade angle is increased, a spray flow having a large spread can be obtained.
上記プレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズルにおいて、前記液体マニホールドは、互いに独立する2個以上のサブマニホールドからなり、前記微粒化気流旋回羽根の内部に配設された前記液体分配流路はグループに分けられ、前記各グループごとに前記サブマニホールドにつながり、前記サブマニホールドには前記サブマニホールドに流入する液体の流量を遮断あるいは調節する弁を配設した配管を接続することができる。このようにすれば、配管に配設した弁の開度を操作することによって燃料の周方向又は半径方向の分布を調節することが可能になる。ガスタービン燃焼器においては、高出力運転時にはNOxが生成されやすいので、燃料をできるだけ一様に空気と混合することが必要なのに対し、低出力条件や始動時などでは、燃料空気比が高出力運転時に比べて小さく、空気の温度が低いために、燃料を一様に混合したのでは燃料が希薄すぎて点火ができないとか、火炎が不安定で燃焼が不完全に成りやすいので、燃料を空間的に偏在化させることが好ましい。本発明による上記の形態では、燃料を周方向又は半径方向に偏在化させることも可能になるので、エンジンの始動が確実になるとともに、運転範囲全体にわたって燃焼と排気の性能をともに向上させることができるという利点がある。 In the prefilmer-type air blast atomization nozzle, the liquid manifold is composed of two or more sub-manifolds independent from each other, and the liquid distribution channels disposed inside the atomized airflow swirl vanes are divided into groups. Each group is connected to the sub-manifold, and a pipe provided with a valve for blocking or adjusting the flow rate of the liquid flowing into the sub-manifold can be connected to the sub-manifold. In this way, it is possible to adjust the distribution in the circumferential direction or the radial direction of the fuel by manipulating the opening degree of the valve disposed in the pipe. In a gas turbine combustor, NOx is likely to be generated during high-power operation, so it is necessary to mix the fuel with air as uniformly as possible. Because it is small compared to the time and the temperature of the air is low, if the fuel is mixed evenly, the fuel is too dilute and cannot be ignited, or the flame is unstable and combustion tends to be incomplete, so the fuel is spatially separated. It is preferable to make it unevenly distributed. In the above-described form according to the present invention, the fuel can be unevenly distributed in the circumferential direction or the radial direction, so that the engine can be reliably started and the combustion and exhaust performance can be improved over the entire operation range. There is an advantage that you can.
図1は、本発明によるプレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズル(以下、実施例の説明においては、単に「微粒化ノズル」と称する)の第1実施例を示す縦断面図である。なお、この図1を含め、各縦断図に示す微粒化ノズルにおいて用いられる微粒化気流旋回羽根(以下、実施例の説明においては、単に「旋回羽根」と称する)については、簡易的な表現を用いて表示している。図1に示す微粒化ノズル1においては、図6及び図7に示す従来の微粒化ノズル6,7と同等の機能を奏する構成要素及び部位には、同じ符号を付している。微粒化ノズル1は、中心体10aの周囲に複数の旋回羽根15aを配設した液体供給筒10と、内周側に回転体表面から成る液膜形成面12bを備え且つ液体供給筒10と同軸に配設された断面環状の単一の液膜形成体12からなる液膜形成部11と、液膜形成体12の外周に同軸に配設された断面環状のシュラウド14とで構成されている。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a prefilmer type air blast atomizing nozzle (hereinafter simply referred to as “atomizing nozzle” in the description of the embodiments) according to the present invention. In addition, the atomized airflow swirl blade (hereinafter simply referred to as “swirl blade” in the description of the embodiment) used in the atomization nozzle shown in each longitudinal view including FIG. 1 is simply expressed. It is displayed using. In the
旋回羽根15aの内部には、旋回羽根15aの外側端面に開く開口10cと液体供給筒10の中心体10aの内部に配設された液体マニホールド17とを連通する液体分配流路18が配設されている。液体マニホールド17からの液体は、液体分配流路18を通った後、開口10cから液膜形成体12の液膜形成面12b上に流出し、液膜形成面12b上で液膜13を形成する。液膜13は、主として、旋回羽根15aによる旋回気流により微粒化される。液膜形成体12の外側で且つシュラウド14の内側に形成されている環状流路16bを流れるシュラウド気流は、液膜13が液膜形成体12の先端12aにおいて液膜形成体12の外周面に回りこむのを抑制する作用を奏し、粗大粒子の発生を防止する。
Inside the
この実施例において、環状流路16bの羽根が旋回羽根ではない場合には、シュラウド気流には旋回が与えられていないので、噴霧の広がりは抑えられる。環状通路16bに旋回羽根15aと同方向のシュラウド気流用の旋回羽根を配設し、その取付角を増加すると、シュラウド気流の旋回が強まり、噴霧の半径方向への広がりが促進される。逆に、旋回羽根15aと逆方向のシュラウド気流用の旋回羽根を配設し、その取付角を増加すると、シュラウド気流と旋回羽根15aによる気流との干渉作用により気流との混合は促進されるが、噴霧の半径方向への広がりは抑制される。ガスタービン燃焼器の燃料ノズルとして使用する場合は、中心軸上に既燃ガスの再循環領域を形成することが火炎の安定には不可欠なので、取付角50°内外で旋回羽根が配設される。図1では、液膜形成面12bは、直円筒面として描かれているが、下流側に向かって滑らかに拡大するテーパ面であってもよい。また、図の簡素化のため、先端側の上下端縁を結ぶ線は省略してある。
In this embodiment, when the blades of the
図2は、本発明による微粒化ノズルの第2実施例を示す縦断面図である。図2に示す微粒化ノズル2においては、図1に示す微粒化ノズル1と同等の機能を奏する主要な構成要素及び部位については同じ符号を付すことで、再度の説明を省略する。微粒化ノズル2は、液膜形成部として2個の液膜形成体12c,12dが燃料供給筒10と同軸に配設され、それに対応して旋回羽根15aの内部には液体マニホールド17から液膜形成体12c,12dのそれぞれに液体を供給する液体分配流路18a,18bが設けられている点で微粒化ノズル1と異なる。液膜形成体12dは、その環状の上流端を旋回羽根15aの後縁の切込みに挿入することで支持されている。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the atomizing nozzle according to the present invention. In the
微粒化ノズル2は、2個の液膜形成体12c,12dを備えており、それらの先端部の周長は単一の液膜形成体12を採用した微粒化ノズル1よりも長いので、液体の流量が同一であれば、液膜が薄くなり微粒化性能が向上する。また、これら2個の液膜形成体12c,12dは、短い軸方向距離で液体粒子の半径方向分散の均一化を図る必要がある場合にも有効である。なお、液膜形成体12c,12dへの液体の配分は、液体分配流路18a,18bの流路抵抗により調節可能である。
The
図3は、本発明による微粒化ノズルの第3実施例を示す縦断面図である。図3に示す微粒化ノズル3においては、図1や図2に示されている微粒化ノズル1,2と同等の機能を奏する主要な構成要素及び部位については同じ符号を付すことで、再度の説明を省略する。微粒化ノズル3は、液体マニホールドとして配設された独立した2個のサブマニホールド17a,17bを備えている。図3には省略されているが、それらの上流にはそれぞれのサブマニホールド17a,17bに流入する液体の流量を遮断あるいは調節する弁を配設した配管が接続されている。図2に示した微粒化ノズル2との違いは、独立したサブマニホールド17a,17bを配設したことにより液膜形成体12c,12dへの流量配分を変更可能にしたことである。微粒化ノズル3をガスタービンの燃料ノズルとして使用すると、エンジンの異なる作動条件に適した燃料の半径方向分布を実現でき、広い作動範囲で高い燃焼効率とNOxの排出低減が可能になる。即ち、燃料流量が少ない低出力時には液膜形成体12dにのみ燃料を供給し、高出力時には液膜形成体12cにも燃料を供給し、その間の出力時に両者の流量比を調節することによって燃焼の最適化を可能にする。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a third embodiment of the atomizing nozzle according to the present invention. In the
図4は、本発明による微粒化ノズルの第4実施例を示す図であり、(a)は縦断面図、(b)はAOA横断面、(c)はBO’B横断面である。図4において、微粒化ノズル1、2、3と同等の機能を奏する主要な構成要素及び部位については同じ符号を付すことにより、それらについての再度の説明を省略する。図4に示す微粒化ノズル4と図1に第1実施例として示した微粒化ノズル1は、ともに液膜形成体を1個だけ備えているという共通点があるが、微粒化ノズル4はサブマニホールドを2個備え、それに対応して微粒化気流旋回羽根を2つにグループ化している点が異なっている。流旋回羽に周方向に連続した番号をつけ、偶数番号のついた旋回羽根の内部に配設されている液体分配流路はサブマニホールド17aに集まり、奇数番号のついた旋回羽根の内部に配設されている液体分配流路はサブマニホールド17bに集まるようにし、これら2系統の流量配分をサブマニホールド17a,17bにそれぞれ接続された配管20a,20bに設けられた弁21a,21bによって調節することにより、周方向の燃料分布を変えることができる。
FIG. 4 is a view showing a fourth embodiment of the atomizing nozzle according to the present invention, wherein (a) is a longitudinal sectional view, (b) is an AOA transverse section, and (c) is a BO'B transverse section. In FIG. 4, the same components as those of the
図5は、本発明による微粒化ノズルの第5実施例を示す縦断面図である。図5において、微粒化ノズル1、2、3、4と同等の機能を奏する主要な構成要素及び部位については同じ符号を付すことにより、それらについての再度の説明を省略する。図5に示す微粒化ノズル5と図4に第4実施例として示した微粒化ノズル4との違いは、微粒化ノズル5は微粒化ノズル4に、サブマニホールド17cを1個追加し、それに対応して液膜形成体12bを2個にしたことである。微粒化ノズル5においては、周方向だけでなく、半径方向にも液体の分散を調整することが可能になる。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a fifth embodiment of the atomizing nozzle according to the present invention. In FIG. 5, the same components as those of the
1,2,3,4,5 プレフィルマー式エアブラスト微粒化ノズル
10 液体供給筒 10a 中心体
10c 開口 11 液膜形成部
11a 液膜形成体 11b 液膜形成体
12,12c,12d 液膜形成体
12a 液膜形成体先端 12b 液膜形成面
13 液膜
14 シュラウド 15a 微粒化気流旋回羽根
15b シュラウド気流用の旋回羽根
16a 微粒化気流環状流路 16b シュラウド環状流路
17 液体マニホールド 17a サブマニホールド
17b サブマニホールド 17c サブマニホールド
18 液体分配流路 18a 液体分配流路
18b 液体分配流路 18c 液体分配流路
19 液体噴射器
20a,20b 配管
21a,21b 弁
1, 2, 3, 4, 5 Prefilmer type air
20a,
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