JP3901508B2 - ガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル、噴霧ノズルシステム及びガスタービン発電システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン発電システムの圧縮機の吸気温度を低下させることにより吸気密度を増加させ、発電出力を上昇させることを目的として大量の微細水滴を噴霧するガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル、噴霧ノズルシステム及びガスタービン発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。しかし、このようなガスタービンを用いた発電システムは、夏季等の気温の高い時期において吸気温度が上昇することにより出力が低下する特徴がある。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微細水滴を噴霧し、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。
【０００３】
現状では、水単体を用いる１流体噴霧ノズルで大量の水を霧化（水滴径：ザウター平均で約２０μｍ以下）することが困難であることから、圧縮機から抽気する空気を用いた２流体噴霧ノズルが採用されている。
【０００４】
また、夏季の出力回復及び出力向上を図る文献上の提案としては次のようなものがある。
【０００５】
まず１流体（水単体）噴霧ノズルを用いるものとして、特開平９−３０３１６０号公報や特開平８−２８４６８５号公報には、圧縮機上流の吸気室内に水ポンプの吐出圧力で水を散布する１流体水単体噴霧ノズルを設置した構成が記載されている。また、特開平１１−９３６９２号公報には、熱交換器を利用した空気冷却器と１流体噴霧ノズルを併用したシステムが記載されている。
【０００６】
特開平１０−２３８３６５号公報には、空気の流れを利用する霧吹き構造の１流体噴霧ノズルを採用して噴霧水滴の微細化を達成し、圧縮機内の翼に発生するエロージョンを防止する構成が記載されている。
【０００７】
また、２流体（水−空気）噴霧ノズルを用いるものとして、特開平９−２３６０２４号公報、特開平１１−１３４８６号公報、特開平１１−７２０２９号公報には、圧縮機上流の吸気室内に水ポンプの吐出圧力と圧縮機出口の空気で水を微細化し噴霧する２流体スプレーノズルを設置する構成が記載されている。
【０００８】
更に、ガスタービン増出力用以外の噴霧ノズルとして、特開平９−９４４８７号公報には、屋内外の空間演出用あるいは室内外の冷却加湿用の１流体噴霧ノズル単体において、１穴から少量の高圧水を噴出させて扁平な傾斜面に衝突させて霧化させる構造が記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
夏季の吸気温度の上昇に伴うガスタービン出力低下を抑制する目的で、噴霧ノズルを使用して圧縮機上流側の吸気に微細水滴を噴霧し、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、有効性を高める場合の課題として以下に示すものがある。
【００１０】
課題１：システム損失をできるだけ少なくすること。
理由：噴霧ノズルを使用する目的は、夏季等におけるタービン出力の低下を防止することである。よって、噴霧ノズルの使用によりシステム損失が生じることは極力避けなければならない。
【００１１】
課題２：できるだけ大量の水を微小水滴に霧化すること。
理由：圧縮機入口に配置された空気室内の限られた空間にノズルを設置するため、少量噴霧ノズルを数多く設置すると、コスト高になるばかりでなく空気流れの抵抗になり圧縮機への空気流入量の低下につながる可能性がある。
【００１２】
課題３：噴霧される水滴の大きさがザウター平均径で２０μｍ以下を達成すること。
理由：水滴径が大きいと圧縮機に流入する気流にうまく乗らず、また、大きな水滴のまま圧縮機内に流入すると圧縮機の翼でのエロージョンの原因となる。さらに、圧縮機内での蒸発が遅れて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。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。
【００１３】
課題４：負荷需要に応じたガスタービン運転モードに対応する噴霧水滴量の制御が行えること。
理由：ガスタービン部分負荷運転では、失火の原因ともなることから、ノズルからの噴霧水滴量を制御し、必要以上の水滴噴霧にならないようにする必要がある。
【００１４】
まず、現状採用されているガスタービン増出力用の２流体噴霧ノズル及び特開平９−２３６０２４号公報、特開平１１−１３４８６号公報、特開平１１−７２０２９号公報に記載の２流体噴霧ノズルでは、上記課題１を達成することができない。
【００１５】
つまり、２流体噴霧ノズルでは、例えば１個当たりで毎時４２リットルの水量を散布する場合、使用する空気量は３５０ＮＬ／ｍｉｎとなる。また、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、かなり大量の水が必要となり、多数のノズルを用いて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発電システムでは、散布水量が毎時４２リットルの２流体噴霧ノズルを使用した場合、約２００個のノズルが必要となり、使用空気量も７０Ｎｍ^３／ｍｉｎとなる。この時に使用される空気を圧縮機から抽気されることにより生じる損失は出力の約２％に相当し、電気出力換算で約２メガワットもの大きな出力損失となる。
【００１６】
特開平９−３０３１６０号公報、特開平８−２８４６８５号公報、特開平１１−９３６９２号公報には１流体噴霧ノズルが開示されているが、具体的なノズル構造の開示や部分負荷運転の開示がない。よって上記課題２〜４を達成することができない。
【００１７】
特開平１０−２３８３６５号公報に記載の１流体噴霧ノズルも、上記課題２〜４を達成することができない。つまり、特開平１０−２３８３６５号公報に記載の霧吹き構造の１流体噴霧ノズルでは大量の微細水滴噴霧を実現するのは困難であり、また水滴の大きさをザウター平均径で２０μｍ以下に微細化することも難しく、また部分負荷運転についての記載もない。
【００１８】
上記特開平９−８４４８７号公報に記載の１流体噴霧ノズルはガスタービン増出力用ではない。また、仮にこのノズルをガスタービン発電システムの増出力用に適用したとしても、１個当たりの噴霧量が少ないことからノズルの必要設置数が多くなり、それによる設備コストの増加及び圧縮機への空気流入量の低下といった問題が生じ、上記課題２を解決することはできない。
【００１９】
また、そのノズルを、空気室内において風速５ｍ／ｓ程度の圧縮機の吸気流れ中で使用した場合には、その空気流れにより衝突面の下流側にある支持部材（Ｊ字状の曲がりピン）に飛散水滴が当たり、水滴が結合し、ザウター平均径で２０μｍより大きい水滴が多くできてしまう。つまり、結果的に上記課題３を解決することはできない。
【００２０】
更に、上記特開平９−８４４８７号公報に記載の１流体噴霧ノズルはガスタービン増出力用ではなく、ガスタービン発電システムの部分負荷運転において失火を防ぐために空気室内に噴霧する全体の水滴量を適切に制御することについては記載されておらず、上記課題４を解決することはできない。
【００２１】
本発明の目的は、ガスタービン発電システムのシステム損失を少なくし、かつ大量の水を微細水滴に霧化でき、かつ空気流れ中においても十分微細な水滴を噴霧できるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル、噴霧ノズルシステム及びガスタービン発電システムを提供することにある。
【００２３】
【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、本発明は、空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した空気と燃料が供給されて燃焼を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機とを備えるガスタービン発電システムに設置され、前記圧縮機の入口に微細水滴を噴霧し、圧縮機の吸気温度を低下させ吸気密度を増加させるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、複数の水ジェットを噴出させるノズル本体と、前記ノズル本体に放射状に固定された複数のターゲットとを備え、前記複数のターゲットはそれぞれ先端部に傾斜面を有し、これらの傾斜面に前記複数の水ジェットをそれぞれ衝突させ噴霧水滴を微細化するものであり、前記複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面の先端部はそれぞれ円弧状に加工され、前記複数の水ジェットのそれぞれを、前記傾斜面先端部の前記円弧の中心部に衝突させる構成とし、前記複数のターゲットのそれぞれについて、前記傾斜面に０．３〜０．５ＭＰａの低圧水を衝突させ、このとき∝型に類似した水膜を形成する位置を前記傾斜面への水流衝突位置として設定するものとする。
【００２４】
このように高圧１流体噴霧ノズルを採用することにより、圧縮機からの空気の抽気を必要としないため、高圧２流体噴霧ノズルと比較してシステム損失を極めて少なくすることができる。
【００２５】
また、１つのノズル本体にターゲットを複数設けることにより、合計水量を多くすることができ、大量の水を微細水滴に霧化することができる。
【００２６】
更にターゲットをノズル本体に放射状に固定することにより、空気流れ中に噴霧した飛散水滴がそのまま気流に乗ることができ、空気流れ中においても十分微細な水滴を噴霧することができる。
また、複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面の先端部はそれぞれ円弧状に加工され、複数の水ジェットのそれぞれを、傾斜面先端部の円弧の中心部に衝突させることにより、傾斜面上における水ジェットの衝突点から水膜がちぎれるまでの距離が一様となり、水を一様に微細化させることができる。
更に、複数のターゲットのそれぞれについて、傾斜面に０．３〜０．５ＭＰａの低圧水を衝突させ、このとき∝型に類似した水膜を形成する位置を傾斜面への水流衝突位置として設定することにより、傾斜面の円弧の中心に正確に水ジェットを衝突させることができる。
【００２７】
（２）また上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した空気と燃料が供給されて燃焼を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機とを備えるガスタービン発電システムに設置され、前記圧縮機の入口に微細水滴を噴霧し、圧縮機の吸気温度を低下させ吸気密度を増加させるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、複数の水ジェットを噴出させるノズル本体と、前記ノズル本体に放射状に固定された複数のターゲットとを備え、前記複数のターゲットはそれぞれ先端部に傾斜面を有し、これらの傾斜面に前記複数の水ジェットをそれぞれ衝突させ噴霧水滴を微細化するものとし、更に、前記ノズル本体の前記複数のターゲットの上流側に位置する部分に壁を設け、ターゲットと壁の間に減圧領域を形成し、前記複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面の先端部はそれぞれ円弧状に加工され、前記複数の水ジェットのそれぞれを、前記傾斜面先端部の前記円弧の中心部に衝突させる構成とし、前記複数のターゲットのそれぞれについて、前記傾斜面に０．３〜０．５ＭＰａの低圧水を衝突させ、このとき∝型に類似した水膜を形成する位置を前記傾斜面への水流衝突位置として設定するものとする。
【００２８】
これにより上記（１）で述べたように、ガスタービン発電システムのシステム損失を少なくし、かつ大量の水を微細水滴に霧化でき、かつ空気流れ中においても十分微細な水滴を噴霧できる。また、ターゲットの上流側のノズル本体上に壁を設け、ターゲットと壁の間に減圧領域を形成することにより、個々のターゲットでの噴霧幅が広がり微細水滴間の衝突の回避、圧力振動の誘発が可能となり、水滴をさらに微細化することができる。
また、傾斜面上における水ジェットの衝突点から水膜がちぎれるまでの距離が一様となり、水を一様に微細化させることができる。
更に、傾斜面の円弧の中心に正確に水ジェットを衝突させることができる。
【００３３】
（３）上記（１）又は（２）のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、好ましくは、前記複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面が、鏡面仕上げの平坦面、凹型曲率面、凸型曲率面のいずれかであるものとする。
【００３４】
これにより水ジェット噴出方向で見た個々のターゲット傾斜面における微細水滴の噴霧角度を、平坦面の場合を基準にして凹型曲率面ではそれより大きく、また凸型曲率面ではそれより小さくするよう選択変更でき、噴霧パターンを任意に調整することができる。
【００３５】
（４）上記（１）〜（３）のいずれかのガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、好ましくは、前記ノズル本体に着脱可能なオリフィス板を設け、このオリフィス板に設けた複数の小穴より前記複数の水ジェットを噴出させるとともに、前記複数のターゲットは前記ノズル本体に着脱可能に設けられた基板に放射状に設けられたものとし、前記オリフィス板及びターゲットの基板を交換することで前記オリフィス板の穴数、径及び前記複数のターゲットの数を変えて噴霧流量を変えるものとする。
【００３６】
これにより高圧１流体噴霧ノズルにおける噴霧流量を容易に調整することができる。
【００３７】
（５）上記（１）〜（３）のいずれかのガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、好ましくは、前記複数のターゲットは前記ノズル本体に着脱可能に設けられた基板に放射状に設けられたものとし、その基板を交換することで前記ターゲットの傾斜面の角度を変えて微小水滴の噴霧角度を変えるものとする。
【００３８】
これにより水ジェット噴出方向で見たノズル全体の噴霧角度及びターゲット傾斜面の傾斜方向で見た個々のターゲット傾斜面における微細水滴の噴霧角度や飛散距離を選択変更することができ、噴霧パターンを任意に調整することができる。
【００４３】
（６）また、上記目的を達成するために、本発明は、空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した空気と燃料が供給されて燃焼を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機と、前記圧縮機の入口に微細水滴を噴霧し、圧縮機の吸気温度を低下させ吸気密度を増加させる複数のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルとを備えるガスタービン発電システムにおいて、前記複数のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルは、それぞれ、複数の水ジェットを噴出させるノズル本体と、前記ノズル本体に放射状に固定された複数のターゲットとを備え、前記複数のターゲットはそれぞれ先端部に傾斜面を有し、これらの傾斜面に前記複数の水ジェットをそれぞれ衝突させ噴霧水滴を微細化するものであり、前記複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面の先端部はそれぞれ円弧状に加工され、前記複数の水ジェットのそれぞれを、前記傾斜面先端部の前記円弧の中心部に衝突させる構成とし、前記複数のターゲットのそれぞれについて、前記傾斜面に０．３〜０．５ＭＰａの低圧水を衝突させ、このとき∝型に類似した水膜を形成する位置を前記傾斜面への水流衝突位置として設定するものとする。
【００４４】
これにより上記（１）で述べたように、ガスタービン発電システムのシステム損失を少なくし、圧縮機の吸気に対して大量の水を微細水滴に霧化し、また空気流れ中においても十分微細な水滴を噴霧でき、その結果ガスタービンの熱効率の高効率化が可能となって夏季の吸気温度の上昇に伴うガスタービン出力低下を抑制することができる。
また、傾斜面上における水ジェットの衝突点から水膜がちぎれるまでの距離が一様となり、水を一様に微細化させることができる。
更に、傾斜面の円弧の中心に正確に水ジェットを衝突させることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００４６】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルの軸方向断面図である。図１において、本実施の形態に係るガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル１００は、図示しない配管が接続されるフランジ１と、塵の流入を阻止するフィルター２と、ボディ３と、高圧水１０を噴出する４つの小穴４が設けられたオリフィス板５と、このオリフィス板５をボディ３との間で挟みつけ、かつオリフィス板５の小穴４と同じピッチに開いた穴６を有するキャップ７と、オリフィス板５の小穴４と整合する位置に４つのターゲット８を一体に設けたターゲット部材５１と、そのターゲット部材５１をキャップ７に固定するボルト９とを備えている。
【００４７】
フランジ１は、ネジ部１ａでボディ３にネジ止めされ、かつ内部に軸方向通路１ｂが形成されている。ネジ部１ｂには、図示しない配管から高圧水１０が供給され、この高圧水１０はフィルター２を介してボディ３の内部に流入する。
【００４８】
ボディ３の内部には、高圧水１０が流入可能な環状配置の多数の連通穴１１と、連通穴１１の下流側でこれら連通穴１１に連通する環状溝１２とが形成されている。
【００４９】
オリフィス板５は、キャップ７を外すことによりボディ３から交換可能であり、小穴４はボディ３の環状溝１２に開口している。
【００５０】
キャップ７は、ネジ部７ａでボディ３の外周にネジ止めされ、穴６はオリフィス板５の小穴４より少し大きめに設けられ、オリフィス板５の小穴４から噴出する水ジェット１３が接触しない構造となっている。
【００５１】
ターゲット部材５１は、図２に示すように基板５４を有し、この基板５４の中央部に穴５４ａが開けられ、この穴５４ａにボルト９を通すことにより、キャップ７の中央突出端部７ｂに同軸的に固定されている。４つのターゲット８は、基板５４の外周に放射状に一体に設けられている。
【００５２】
図３は、図２のＸ部で示すターゲット８の先端を拡大した正面図及び側面図であり、ターゲット８の先端には、高圧水噴出方向５２に対して傾斜角度Ｄ°（本実施例では５０°）をなす傾斜面５３が設けられている。傾斜面５３は、平坦かつ鏡面仕上げされている。また、傾斜面５３の先端部は半円形状に形成されている。
【００５３】
ここで、フランジ１とボディ３とキャップ７は、複数の水ジェットを噴出させるノズル本体を構成する。
【００５４】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル１００の動作を説明する。
図１において、高圧１流体噴霧ノズル１００に流入する高圧水１０は、フランジ１、フィルター２、ボディ３に設けられた多数の連通穴１１及び環状溝１２を経由して、オリフィス板５の小穴４から例えば約７〜１０ＭＰａの高圧力で、キャップ７の外部に糸状の水ジェット１３となって放出される。オリフィス板５の小穴４から噴出した糸状の水ジェット１３は、前方のターゲット８の先端の傾斜面５３に衝突し、微細水滴１４となり、矢印１５で示す方向に噴霧される。このときの水ジェット１３の衝突及び水滴の飛散状況について図４を用いて説明する。なお、ここに示すターゲット８は、ターゲット部材５１の複数（４つ）のターゲット８のうちの１つを示すものであり、傾斜面５３に水ジェット１３を衝突させた状態を拡大して正面及び側面から示すものである。
【００５５】
図４において、噴出した水ジェット１３は、幅Ｗ０で平坦かつ鏡面仕上げされた傾斜面５３の半径Ｒ０の先端部半円形状の中心部に衝突し、傾斜方向に沿って水膜１６として流れ、傾斜面５３から離れると同時に水膜１６がちぎれ飛散し、噴霧水滴径が約２０μｍ以下の微細水滴１４となり噴霧される。このとき、図１に示すようにターゲット８より下流側には支持部材等の障害物は存在せず、噴霧された微細水滴１４は障害物に衝突することなく微細なまま拡散する。
【００５６】
以上のように構成した本実施の形態においては、１流体噴霧ノズルであるので、２流体噴霧ノズルのような圧縮機からの抽気（発電出力損失の約２％相当）は不要であり、ガスタービン発電システムのシステム損失を少なくし、より高効率の運用が可能となる。例えば、高圧１流体噴霧ノズルを１００メガワットのガスタービン発電システムに使用した場合の出力損失は、約２５キロワット程度の高圧ポンプの使用電力だけである。これは、圧縮機からの抽気を必要とする高圧２流体噴霧ノズルを使用する場合（約２メガワット）の約１．２５％であり、発電出力損失としては０．０２５％であって、従来の高圧２流体噴霧ノズルを使用した場合の２％に比較して極めて少ない。
【００５７】
また、１つの高圧１流体噴霧ノズル１００に、ターゲット８を放射状に複数（本実施の形態では４つ）設ける構成であるので、１つのノズルで大量の微細水滴が得られる。その結果、ノズル設置個数を削減でき、システムコストを削減できるとともに、ガスタービンの圧縮機が吸入する空気の流れ中に配置してもその空気流れに対する抵抗損失、すなわち吸気圧力損失を減少することができる。
【００５８】
また、ターゲット８がノズル本体の中心軸から放射状に設けられているので、ターゲット８の下流側には飛散水滴１４が当たる障害物がなく、微細なまま気流に乗ることができる。このため、圧縮機の翼に対するエロージョンを回避でき、さらに圧縮機内での蒸発が早くなって気化潜熱による効果が大きくなり、熱効率向上への貢献度が大きくなる。
【００５９】
次に、水ジェット１３の衝突位置が正しいかどうかの判定方法、水ジェット１３が衝突するターゲット８の傾斜面５３の表面形状、傾斜面５３の角度、ターゲット８の本数について考察する。
【００６０】
微細水滴１４を得るための最も重要な条件は水ジェット１３の衝突位置であり、ターゲット８先端の傾斜面５３の半円中心部に衝突することが最も望ましい。この衝突位置が正しいかどうかを判定する方法として、高圧水の代わりに０．３〜０．５ＭＰａ程度の低圧水を衝突させる方法がある。図５は、０．３〜０．５ＭＰａ程度の低圧水を適切な位置に衝突させた場合に形成される水膜１６Ａの形状を示す図である。この図５に示すように、低圧水を衝突させた時に形成される水膜１６Ａの形状がいわゆる比例記号の∝型になれば、水ジェット１３は正しい位置、つまり半円中心部に衝突しており、微細な水滴が得られる。逆に水膜１６Ａがこのような形を形成しないときは、水ジェット１３は正しい位置に衝突しておらず、飛散する水滴に粒径の大きい水滴が混合することになる。
【００６１】
ターゲット８先端の傾斜面５３の表面形状としては、図３に示すような平坦面に限られず、他にも図６に示すような凹型曲率面５３Ａ（曲率Ｒ１）や、図７に示すような凸型曲率面５３Ｂ（曲率Ｒ２）がある。傾斜面が平坦面である場合を基準とすると、凹型曲率面５３Ａの場合には水ジェット１３噴出方向で見た個々のターゲット傾斜面５３における微細水滴１４の噴霧角度Ｃ°（図１、図４参照）はそれより大きくなり、凸型曲率面５３Ｂの場合には逆にそれより小さくなる。
【００６２】
ターゲット８先端の傾斜面５３の傾斜角度Ｄ°は、本実施の形態では上記のように５０°とした。この場合、水ジェット１３の噴出方向１５で見たノズル全体の噴霧角度Ａ°（図１参照）は１００°程度の広範囲に形成されるものとなり、その結果、比較的短い距離で水滴密度を均一にさせることができる。これにより、実機のガスタービン発電システムによっては、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場合があり、そのため噴霧された水滴の密度が均一となる前に水滴の濃淡が残ったままの気流が圧縮機に流入すると、圧縮機内での水滴の蒸発位置が移動して安定した出力特性が得られなくなり、運転制御に支承をきたす場合があるが、そのような問題を解決することができる。
【００６３】
また、傾斜面５３の傾斜角度Ｄ°は適宜変えることができる。傾斜角度Ｄ°を変えることにより、ノズル全体噴霧角度Ａ°やターゲット傾斜面５３の傾斜方向で見た個々のターゲット傾斜面５３における微細水滴１４の噴霧角度Ｂ°（図１、図４参照）、微細水滴１４の飛散距離Ｌ２（後述）を変えることができる。傾斜角度Ｄ°を小さくすると、ノズル全体噴霧角度Ａ°及びターゲット噴霧角度Ｂ°が小さくなり、かつ飛散距離Ｌ２が長くなる。図８は、ターゲット８及び小穴４をそれぞれ４つ設けた本実施の形態の構成において、各ターゲット傾斜面５３の傾斜角度Ｄ°を同じにした場合の噴霧パターンであり、図９は、各ターゲット傾斜面５３の傾斜角度Ｄ°を２つの対で異ならせた場合の噴霧パターンである。図８のように、ターゲット傾斜角Ｄ°を全て同じにした場合は、それぞれのターゲット８からの噴霧範囲が同じになるが、図９のようにターゲット傾斜角Ｄ°を小さく変えた場合はターゲット８からの噴霧範囲が狭くなり、遠くまで飛散することになる。
【００６４】
また、ターゲット部材５１に設けられるターゲット８の数、及びそれらと同数に設けられるオリフィス板５の小穴４の数も、適宜変えることができる。図１０は基板５４Ａの外周に８つのターゲット８を設けたターゲット部材５１Ａを示す。この場合、それに合わせて８つの小穴４を設けたオリフィス板を使用する。図１１は、各ターゲット傾斜面５３の傾斜角度Ｄ°を同じにした場合の噴霧パターンを示し、図１２は、各ターゲット傾斜面５３の傾斜角度Ｄ°を４つの対で異ならせた場合の噴霧パターンを示す。４本足ターゲット部材５１の場合と同様、図１１のようにターゲット傾斜角Ｄ°を同じにした場合は、それぞれのターゲット８からの噴霧範囲が同じになるが、図１２のようにターゲット傾斜角Ｄ°を小さく変えた場合はターゲット８からの噴霧範囲が狭くなり、遠くまで飛散することになる。
【００６５】
以上このようにターゲット傾斜面５３の傾斜角度Ｄ°及びターゲット８の数を変えることで、色々な噴霧パターンを得ることが可能である。したがって、実機ガスタービンに設置する場合、ノズルを設置する空気室の大きさ等の設置条件を考慮したノズルとすることができる。
【００６６】
また、小穴４の数や穴径を変更する場合は、キャップ７を外してボディ３からオリフィス板５を交換すればよく、またターゲット８の数や形状を変更する場合は、ボルト９を外してキャップ７の中央突出端部７ｂターゲット部材５１を交換すればよいため、上記の噴霧パターンや噴霧水量の変更を容易に行うことができる。
【００６７】
本発明の第２の実施の形態による高圧１流体噴霧ノズルを図１３により説明する。図中、図１に示す部分と同等の部分には同じ符号を付し説明を省略する。
【００６８】
図１３において、本発明の第２の実施の形態に係わるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル１００Ａはキャップ７Ａを有し、このキャップ７Ａには穴６が開口する水滴噴霧エリア側であってターゲット８の上流側にヒサシ状の傾斜壁（以下、単にヒサシという）１７が形成されている。
【００６９】
このような構造とすることで、微細水滴１４の噴霧により誘発される空気流れ１８がヒサシ１７に邪魔されて中心部のエリア１９に入りにくくなり、その結果減圧領域１９の部分が減圧されることになる。このような減圧領域１９が生じることにより、噴霧された微細水滴１４が減圧領域１９に向かう矢印方向２０の方向に吸引されるため、ターゲット噴霧幅２１（上記のターゲット噴霧角度Ｃ°と同等）が広くなり、そのため、微細水滴１４どうしが衝突することにより水滴の粒径が大きくなるのを防ぐことができる。また、減圧領域１９では断続的な空気の流入により圧力振動が発生してするため、この圧力振動によりさらなる水滴の微細化が促進される。ここで、ヒサシ１７の先端の突出長さは、減圧効果によりターゲット噴霧幅２１にて噴霧される微細水滴１４がヒサシ１７の先端に接触しないような距離Ｌを保つものとする。なお、この図１３に示すような傾斜壁からなるヒサシ１７を形成せずに、中心軸に直交する壁としてもよく、この場合でも、若干効果は低くなるもののターゲット８の上流側周囲に減圧効果を発生することができる。
【００７０】
図１４は第１の実施の形態の高圧１流体噴霧ノズル１００からの噴霧状況を示す図であり、図１５は第２の実施の形態の高圧１流体噴霧ノズル１００Ａからの噴霧状況を示す図である。これらの図を比較して分かるように、減圧領域１９が生じない第１の実施の形態の高圧１流体噴霧ノズル１００では、噴霧水滴１４の飛出し運動エネルギーが大きく、ノズル全体噴霧幅Ｗが広くなるとともに水滴１４の飛散距離Ｌ２も長くなる。一方、減圧領域１９が生じる第２の実施の形態の高圧１流体噴霧ノズル１００Ａでは、噴霧水滴１４が減圧領域１９へ吸引されて噴霧水滴１４の飛出し運動エネルギーが小さくなるため、ノズル全体噴霧幅Ｗが狭くなると共に水滴１４の飛散距離Ｌ２も短くなる。しかし減圧効果が作用するために、噴霧水滴１４の粒径が小さくなる。
【００７１】
従って、本実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、合計水量を多くして飛散水滴１４を微細なまま気流に乗せることができるとともに、キャップ７Ａにヒサシ１７を形成していることにより、その下流側に減圧領域１９を強制的に作り、ターゲット噴霧幅２１を広げて微細水滴１４間の衝突の回避、及び圧力振動の誘発が可能となり水滴１４をさらに微細化することが可能となる。
【００７２】
次に、上記したガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルを設置したガスタービン発電システムを参考例として図１６及び図１７により説明する。
【００７３】
図１６は、参考例に係わる高圧１流体噴霧ノズルを備えたガスタービン発電システムの側面断面図である。
【００７４】
図１６において、ガスタービン発電システム３００は、吸気３９を圧縮する圧縮機２２と、圧縮した空気に燃料を注入して燃焼させる燃焼器２３と、その燃焼ガスのエネルギーにより回転するタービン２４と、このタービン２４の回転により駆動されて電気を発生させる発電機２５と、圧縮機２２の入口に設置されている空気室２９と、空気室２９の入口に設置されている噴霧ノズルシステム２００とを備えている。
【００７５】
燃焼器２３には、燃焼用のバーナ２７が設けられている。発電機２５には、変電設備を経由して電気を送電する送電端２６が接続されている。
【００７６】
空気室２９の内部には、吸気量を調整するルーバー３０と、消音するサイレンサー３１と、噴霧ノズルシステム２００の高圧１流体噴霧ノズル１００が接続されたヘッダー３３と、飛散物を取り除くトラッシュスクリーン７１が収納されている。また、圧縮機２２、タービン２４、発電機２５は同一軸により連結されている。なお、圧縮機２２とタービン２４はそれぞれ別軸となってギヤ等により連結されていてもよい。
【００７７】
噴霧ノズルシステム２００の詳細を図１７により説明する。
図１７において、噴霧ノズルシステム２００は、噴霧する水を貯水する水タンク３４と、水タンク３４に接続された高圧ポンプ３５と、高圧ポンプ３５の吐出口に接続された主弁３６と、主弁３６の吐出口に接続されたフィルター３７と、フィルター３７の出口に接続された供給管６１と、供給管６１にそれぞれ接続された１０系統のノズル装置６２とを備えている。
【００７８】
ノズル装置６２は、供給管６１に接続された系統開閉弁３８と、各系統開閉弁３８の出側に接続された上述した高圧１流体噴霧ノズル１００及びヘッダー３３とを備えている。ヘッダー３３には、１１個の高圧１流体噴霧ノズル１００が取り付けられている。
【００７９】
以上のように構成した参考例のガスタービン発電システム３００の運転に際しては、まず、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、図示しない燃料供給系から燃料を燃焼器２３に供給し、燃焼用バーナ２７により着火して燃焼させる。定常状態になったら、別設備であるモータを切り離し、燃焼を継続させることで定常運転状態を維持する。タービン２４からの排ガス２８は、蒸気タービンのボイラに流入させて再利用されるか、又は排ガス処理装置でＮＯｘ、ＳＯｘ等の除去を行い、大気に放出される。
【００８０】
また、空気室２９を通過して圧縮機２２に吸入される吸気３９は、噴霧ノズルシステム２００の高圧１流体噴霧ノズル１００から噴霧される微細水滴１４を含んで密度が増加した噴霧済み吸気４０となり、圧縮機２２に流入する。この時、吸気３９の温度が下げられると同時に圧縮機２２に流入する流体の重量流量が増加する。
【００８１】
次に、吸気３９に含まれて圧縮機２２に流入する水滴の作用を示す。
圧縮機２２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２２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２２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２２の動力は、圧縮機２２出入口の作動流体のエンタルピ差に等しく、作動流体のエンタルピは温度に比例するので、圧縮機２２出口の作動流体温度が下がると、圧縮機２２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２２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２２出口の温度を低く抑えることが効率向上に重要となる。上述した本発明による高圧１流体噴霧ノズル１００は、噴霧水滴径を約２０μｍ以下に達成できることから有効である。
【００８２】
圧縮機２２で加圧された作動流体は、燃焼器２３で燃料の燃焼により昇温された後タービン２４に流入して膨張し仕事を行う。この仕事はタービン２４の軸出力と呼ばれ、タービン２４の出入口作動流体のエンタルピ差に等しい。
【００８３】
燃料の投入量は、タービン２４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２４出入口の作動流体温度が、本発明の高圧１流体噴霧ノズル１００設置前の値と等しくなるように燃焼器２３への燃料量を制御する。このような燃焼温度一定制御が行われると、先に述べたように噴霧水滴により圧縮機２２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。
【００８４】
また、燃焼温度が不変かつ流入水滴の重量割合が噴霧済み吸気４０の数パーセント程度であれば、タービン２４入口部の圧力と圧縮機２２の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２４出口温度Ｔ４も変化しない。よって、タービン２４の軸出力は水滴注入の有無で変化しないことになる。
【００８５】
一方、タービン２４の正味出力は、タービン２４の出力から圧縮機２２の動力を差し引いたものであるから、結局本発明の高圧１流体噴霧ノズル１００により噴霧することで圧縮機２２の動力が低減した分だけタービン２４の正味出力を増すことができる。
【００８６】
ここで、噴霧済み吸気４０の温度をＴ１、圧縮機２２の出口の温度をＴ２、燃焼器２３の温度をＴ３、タービン２４出口温度をＴ４とすると、タービン２４の電気出力Ｅは、タービン２４の軸出力Ｃｐ（Ｔ３−Ｔ４）から圧縮機２２の仕事Ｃｐ（Ｔ２−Ｔ１）を差し引いて得られ、近似的に次式で表される。
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Ｔ２’に低下すると、圧縮機２２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。
【００８７】
一方、ガスタービン発電システム３００の効率ηは近似的に次式で与えられる。
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。
【００８８】
従って、参考例のガスタービン発電システム３００によれば、高圧１流体噴霧ノズル１００を複数備える噴霧ノズルシステム２００により、圧縮機２２の吸気３９に対して大量かつ微細な水滴を噴霧することができるため、夏季の吸気温度の上昇に伴うガスタービン出力低下を抑制することができる。その結果、ガスタービン発電システムの夏季の吸気温度上昇に伴う出力低下を回避できることから、季節に係わりなく高効率運転が可能となる。
【００８９】
また、圧縮機２２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、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することができる。
【００９０】
次に、噴霧ノズルシステム２００を用いたガスタービン部分負荷運転時の対応について説明する。
ガスタービン発電システム３００は、発電電力量の調整のために部分負荷運転を行うが、その場合、噴霧水滴量も同様に部分負荷運転に応じて調整する必要がある。本実施の形態の噴霧ノズルシステム２００では、高圧ポンプ３５の駆動により供給される水量を、１０個の系統の系統開閉弁３８のうちの全開の数を増減させて調整し、発電負荷に対応して１０％毎に全体の噴霧水量を増減制御することが可能となる。
【００９１】
従って、参考例による噴霧ノズルシステム２００によれば、負荷需要に応じたガスタービン運転モードに対応する噴霧水滴量の制御が可能となる。
【００９２】
なお、参考例では、１０系統のノズル装置６２を設けて部分負荷運転に１０％づつ対応できるようにしたが、噴霧系統数はこれに限られない。
【００９３】
また、例えば５０％部分負荷運転を行う場合には、１つおきのノズル装置を作動させることにより空気室２９内の水滴分布を均一化することができる。このように作動させるノズル装置６２の配置も考慮することで、空気室２９内の水滴分布を制御することも可能である。
【００９４】
また参考例では、本発明の第１の実施の形態による高圧１流体噴霧ノズル１００を各ノズル装置６２に設置したが、これに限られず第２の実施の形態による高圧１流体噴霧ノズル１００Ａを設置する構成としてもよい。
【００９５】
【発明の効果】
本発明によれば、高圧１流体噴霧ノズルを採用するので、圧縮機からの空気の抽気を必要としないため、高圧２流体噴霧ノズルと比較してシステム損失を極めて少なくすることができる。また、１つのノズル本体にターゲットを複数設けるので、合計水量を多くすることができ、大量の水を微細水滴に霧化することができる。更に、ターゲットをノズル本体に放射状に固定するので、空気流れ中に噴霧した飛散水滴がそのまま気流に乗ることができ、空気流れ中においても十分微細な水滴を噴霧することができる。
【００９６】
また、本発明によれば、複数系統の各々に弁を設置し、この弁を開閉することにより水量の切替制御を行い、所定割合おきに噴霧量を調整可能とするので、負荷需要に応じたガスタービン運転モードに対応する噴霧水滴量の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態によるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルの軸方向断面図である。
【図２】 外周に４つのターゲットを設けたターゲット部材の正面図及び側面図である。
【図３】 傾斜面が平坦面に形成されたターゲットの正面図及び側面図である。
【図４】 ターゲットに水ジェットを衝突させた場合の水滴発生状況を示す図である。
【図５】 ターゲットに低圧水を衝突させた場合の水膜形成状況を示す図である。
【図６】 傾斜面が凹型曲率面に形成されたターゲットの正面図及び側面図である。
【図７】 傾斜面が凸型曲率面に形成されたターゲットの正面図及び側面図である。
【図８】 ４つのターゲットを備えて各傾斜面の傾斜角度が全て同じ高圧１流体噴霧ノズルによる噴霧分布を示す図である。
【図９】 ４つのターゲットを備えて各傾斜面の傾斜角度を２つの対で異ならせた高圧１流体噴霧ノズルによる噴霧分布を示す図である。
【図１０】 外周に８つのターゲットを設けたターゲット部材の正面図及び側面図である。
【図１１】 ８つのターゲットを備えて各傾斜面の傾斜角度が全て同じ高圧１流体噴霧ノズルによる噴霧分布を示す図である。
【図１２】 ８つのターゲットを備えて各傾斜面の傾斜角度を４つの対で異ならせた高圧１流体噴霧ノズルによる噴霧分布を示す図である。
【図１３】 本発明の第２の実施の形態によるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルの軸方向断面図である。
【図１４】 本発明の第１の実施の形態の高圧１流体噴霧ノズルからの噴霧状況を示す図である。
【図１５】 本発明の第２の実施の形態の高圧１流体噴霧ノズルからの噴霧状況を示す図である。
【図１６】 参考例に係わる高圧１流体噴霧ノズルを備えたガスタービン発電システムの側面断面図である。
【図１７】 参考例に係わる高圧１流体噴霧ノズルを備えた噴霧ノズルシステムの正面図である。
【符号の説明】
１ フランジ
２ フィルター
３ ボディ
４ 小穴
５ オリフィス板
６ 穴
７，７Ａ キャップ
８ ターゲット
９ ボルト
１０ 高圧水
１１ 連通穴
１２ 環状溝
１３ 水ジェット
１４ 微細水滴
１６，１６Ａ 水膜
１７ ヒサシ
１８ 空気流れ
１９ 減圧領域（中央部エリア）
２１ ターゲット噴霧幅
２２ 圧縮機
２３ 燃焼器
２４ タービン
２５ 発電機
２９ 空気室
３３ ヘッダー
３４ 水タンク
３５ 高圧ポンプ
３６ 主弁
３７ フィルター
３８ 系統開閉弁
３９ 吸気
４０ 噴霧済み吸気
５１，５１Ａ ターゲット部材
５３，５３Ａ，５３Ｂ 傾斜面
５４，５４Ａ 基板
６１ 供給管
６２ ノズル装置
１００ 第１の実施の形態のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル
１００Ａ 第２の実施の形態のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル
２００ 噴霧ノズルシステム
３００ ガスタービン発電システム
Ｄ 傾斜角度
Ａ ノズル全体噴霧角度
Ｂ ターゲット噴霧角度
Ｃ ターゲット噴霧角度
Ｗ ノズル全体噴霧幅
Ｌ２ 飛散距離

Claims (6)

1. 空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した空気と燃料が供給されて燃焼を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機とを備えるガスタービン発電システムに設置され、前記圧縮機の入口に微細水滴を噴霧し、圧縮機の吸気温度を低下させ吸気密度を増加させるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、
   複数の水ジェットを噴出させるノズル本体と、
   前記ノズル本体に放射状に固定された複数のターゲットとを備え、
   前記複数のターゲットはそれぞれ先端部に傾斜面を有し、これらの傾斜面に前記複数の水ジェットをそれぞれ衝突させ噴霧水滴を微細化するものであり、
   前記複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面の先端部はそれぞれ円弧状に加工され、前記複数の水ジェットのそれぞれを、前記傾斜面先端部の前記円弧の中心部に衝突させる構成とし、
   前記複数のターゲットのそれぞれについて、前記傾斜面に０．３〜０．５ＭＰａの低圧水を衝突させ、このとき∝型に類似した水膜を形成する位置を前記傾斜面への水流衝突位置として設定することを特徴とするガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル。
2. 空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した空気と燃料が供給されて燃焼を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機とを備えるガスタービン発電システムに設置され、前記圧縮機の入口に微細水滴を噴霧し、圧縮機の吸気温度を低下させ吸気密度を増加させるガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、
   複数の水ジェットを噴出させるノズル本体と、
   前記ノズル本体に放射状に固定された複数のターゲットとを備え、
   前記複数のターゲットはそれぞれ先端部に傾斜面を有し、これらの傾斜面に前記複数の水ジェットをそれぞれ衝突させ噴霧水滴を微細化するものとし、
   更に、前記ノズル本体の前記複数のターゲットの上流側に位置する部分に壁を設け、ターゲットと壁の間に減圧領域を形成し、
   前記複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面の先端部はそれぞれ円弧状に加工され、前記複数の水ジェットのそれぞれを、前記傾斜面先端部の前記円弧の中心部に衝突させる構成とし、
   前記複数のターゲットのそれぞれについて、前記傾斜面に０．３〜０．５ＭＰａの低圧水を衝突させ、このとき∝型に類似した水膜を形成する位置を前記傾斜面への水流衝突位置として設定することを特徴とするガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル。
3. 請求項１又は２記載のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、前記複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面が、鏡面仕上げの平坦面、凹型曲率面、凸型曲率面のいずれかであることを特徴とするガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、前記ノズル本体に着脱可能なオリフィス板を設け、このオリフィス板に設けた複数の小穴より前記複数の水ジェットを噴出させるとともに、前記複数のターゲットは前記ノズル本体に着脱可能に設けられた基板に放射状に設けられたものとし、前記オリフィス板及びターゲットの基板を交換することで前記オリフィス板の穴数、径及び前記複数のターゲットの数を変えて噴霧流量を変えることを特徴とするガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル。
5. 請求項１〜３記載のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルにおいて、前記複数のターゲットは前記ノズル本体に着脱可能に設けられた基板に放射状に設けられたものとし、その基板を交換することで前記ターゲットの傾斜面の角度を変えて微小水滴の噴霧角度を変えることを特徴とするガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズル。
6. 空気を圧縮して吐出する圧縮機と、前記圧縮機から吐出した空気と燃料が供給されて燃焼を行う燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機と、前記圧縮機の入口に微細水滴を噴霧し、圧縮機の吸気温度を低下させ吸気密度を増加させる複数のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルとを備えるガスタービン発電システムにおいて、
   前記複数のガスタービン増出力用高圧１流体噴霧ノズルは、それぞれ、
   複数の水ジェットを噴出させるノズル本体と、
   前記ノズル本体に放射状に固定された複数のターゲットとを備え、
   前記複数のターゲットはそれぞれ先端部に傾斜面を有し、これらの傾斜面に前記複数の水ジェットをそれぞれ衝突させ噴霧水滴を微細化するものであり、
   前記複数のターゲットのそれぞれに設けられた傾斜面の先端部はそれぞれ円弧状に加工され、前記複数の水ジェットのそれぞれを、前記傾斜面先端部の前記円弧の中心部に衝突させる構成とし、
   前記複数のターゲットのそれぞれについて、前記傾斜面に０．３〜０．５ＭＰａの低圧水を衝突させ、このとき∝型に類似した水膜を形成する位置を前記傾斜面への水流衝突位置として設定することを特徴とするガスタービン発電システム。

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