JP6168914B2 - 噴霧ノズル及び燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、噴霧ノズル及び燃焼装置に係り、特に、液体燃料に空気や蒸気などの噴霧媒体を混合することで液体燃料を微粒化させる噴霧ノズルとこの噴霧ノズルを備えた燃焼装置に関する。

噴霧ノズルの方式としては、一般に、噴霧流体（液体燃料など）を加圧し、その圧力エネルギーを利用して微粒化する圧力噴霧方式と、噴霧流体に空気や蒸気などの噴霧媒体を混合することで微粒化する二流体噴霧方式がある。これらの方式は、加圧した噴霧流体の噴出方法や噴霧媒体の混合方法によって細分化される。二流体噴霧方式を用いた噴霧ノズルとしては、例えば、特許文献１及び２に記載のものがある。

特許文献１記載の噴霧ノズルは、液体燃料と噴霧媒体をＹ字状の流路で混合し、噴出させる。液体燃料は、噴霧媒体と混合され、また高速で噴出されることにより微細化される。

特許文献２記載の噴霧ノズルは、液体流出穴より噴出される液体に対して交差するように気体を衝突させて混合流体を生成し、さらに噴射口近傍で対向させた混合流体を互いに衝突させ、噴出させる。液体は、気体と衝突して混合することにより、また混合流体として互いに衝突することにより微細化される。混合流体同士を衝突させることで、液体同士を衝突させた場合よりも微細化が促進される。なお、特許文献２記載の噴霧ノズルは、液体を噴射口から扇状に噴霧することから、ファンスプレイ式噴霧ノズルとも呼ばれる。

特開２０１０−１２７５１８号公報 特開平９−２３９２９９号公報

液体燃料の燃焼では、噴霧粒子径が大きいほど燃焼反応が遅く、燃焼効率が低下したり、煤塵や一酸化炭素が発生し易くなる。一方、噴霧粒子径が小さい場合でも燃焼用空気との混合が不十分だと、噴霧粒子の周囲の燃焼用空気が不足することにより、煤塵や一酸化炭素が発生し易くなる。このため、液体燃料の燃焼では、微粒化と共に噴霧粒子と燃焼用空気との混合特性に留意する必要がある。

そして、本発明者等の検討によれば、液体燃料を噴霧させて燃焼させる場合、噴霧粒子の粒子径と運動量が、火炎の安定化（噴霧の着火の促進）および燃焼用空気との混合促進（未燃分の低減，煤塵抑制）に重要であることが分かっている。

例えば、粒子径１００μｍ未満（出来れば５０μｍ以下）で粒子化した液体燃料の粒子（以下、微粒子という）は、運動量が小さく、また体積当たりの表面積が大きいため燃焼し易い。このため、これらの微粒子を噴霧ノズル近傍に滞留させることにより、噴霧の着火が早まり、火炎の安定化や燃焼反応の促進に寄与する。

また、例えば、粒子径１００μｍ以上３００μｍ未満で粒子化した液体燃料の粒子（以下、大粒子という）は、微粒子よりも運動量が大きく、噴霧ノズルの周囲の気体との衝突によって減速しにくい。このため、噴霧ノズルから離れた位置で燃焼用空気と混合させることにより、燃焼反応が促進し、未燃分や煤塵の発生を抑制できる。

また、例えば、直径３００μｍ以上で粒子化した液体燃料の粒子（以下、粗大粒子という）は、大粒子よりも運動量が大きいものの、体積当たりの表面積が大粒子に比べて小さいため、燃焼反応は大粒子よりも遅い。このため、粗大粒子の生成は未燃分や煤塵の発生源となり易い。

特許文献１記載の噴霧ノズルでは、液体燃料と噴霧媒体の混合流体を噴出孔から高速で噴出するため、混合流体の運動量が高い。また、噴霧中の比較的大きな噴霧粒子（大粒子）と微細化された噴霧粒子（微粒子）は同じ方向に噴出されるため、微粒子が大粒子に同伴され易い。このため、噴霧ノズル近傍に滞留する微粒子が少なく、火炎が安定し難いという課題がある。

また、特許文献２記載の二流体ノズル（噴霧ノズル）では、扇型噴霧の両端部は運動量が低く、噴霧ノズル近傍に滞留する微粒子が特許文献１に比べて多くなる。しかし、扇型噴霧の場合、噴霧角度が広いため、扇型噴霧の両端部の微粒子が噴出孔端部の壁面に接触して合体し、粗大粒子となって飛散することで、煤塵の発生源となる可能性がある。

本発明の目的は、扇型噴霧の両端部において粗大粒子の生成を抑制するとともに微粒化を促進することが可能な噴霧ノズルと、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。

上記目的を達成するため、スリット状に形成された噴出孔を有する外側部材と、前記噴出孔の長手方向中間部の上流側において前記噴出孔の長手方向と直交するように形成された混合流体流路溝部と、前記混合流体流路溝部に混合流体を供給する複数の混合流体流路と、前記噴出孔の長手方向両端部壁面の上流側おいて前記長手方向と直交するように形成された２つの噴霧媒体流路溝部とを有する内側部材とを備える。

本発明によれば、扇型噴霧の両端部において粗大粒子の生成を抑制するとともに、微粒化を促進することが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る噴霧ノズルの正面側の平面図。 本発明の第１の実施例に係る噴霧ノズルの背面側の平面図。 本発明の第１の実施例に係る噴霧ノズルの断面図。 本発明の第１の実施例に係る噴霧ノズルの断面図。 本発明の第１の実施例に係る噴霧ノズルの断面図。 本発明の第１の実施例に係る噴出孔周辺の断面図。 本発明の第１の実施例に係る噴出孔周辺の平面図。 本発明の第１の実施例の変形例に係る噴出孔周辺の断面図。 本発明の第２の実施例に係る噴霧ノズルの背面側の平面図。 本発明の第２の実施例に係る噴霧ノズルの断面図。 本発明の第２の実施例に係る噴霧ノズルの断面図。 本発明の第２の実施例に係る噴霧ノズルの断面図。 本発明の第３の実施例に係る噴霧ノズルの背面側の平面図。 本発明の第３の実施例に係る噴霧ノズルの断面図。 本発明の第４の実施例に係る燃焼装置の一例を示す概略図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

本発明の第１の実施例について、図１〜図８を用いて説明する。

図１は、本実施例に係る噴霧ノズルの正面側の平面図であり、図２は、噴霧ノズルの背面側の平面図である。図３〜図５は、図１又は図２に示す噴霧ノズルのＡＡ線，ＢＢ線，ＣＣ線それぞれにおける断面図である。

噴霧ノズル１は、液体燃料と空気や蒸気などの噴霧媒体を混合して噴霧するものであり、図１〜図５に示すように外側部材１ａと内側部材１ｂとで構成されている。外側部材１ａには、図１に示すように４つのスリット状の噴出孔３が形成されている。内側部材１ｂの正面側の表面には、図１に示すように流路溝部１３，２４，２５が形成されている。内側部材１ｂの背面には、図２に示すように中央部に液体燃料供給部１０が形成され、外周部に噴霧媒体供給部２０が形成されている。内側部材１ｂの内部には、図３に示すように噴霧媒体供給部２０をそれぞれ流路溝部２４，２５（以下、噴霧媒体流路溝部）に接続する流路２２，２３（以下、噴霧媒体流路）が形成され、図５に示すように液体燃料供給部１０及び噴霧媒体供給部２０を流路溝部１３に接続する流路１１，１２，２１が形成されている。

液体燃料供給部１０及び噴霧媒体供給部２０には、それぞれ図示しない供給系統（ノズル管等）から液体燃料及び噴霧媒体が供給される。液体燃料供給部１０に供給された液体燃料は、流路１１，１２を介して流路溝部１３に供給される。噴霧媒体供給部２０に供給された噴霧媒体は、流路２１，１２を介して流路溝部１３に供給されると共に、噴霧媒体流路２２，２３を介してそれぞれ噴霧媒体流路溝部２４，２５に供給される。流路１１（以下、液体燃料流路という）を介して流路１２に供給される液体燃料と流路２１（以下、噴霧媒体流路という）を介して流路１２に供給される噴霧媒体は、流路１２内で混合流体となり、流路溝部１３（以下、混合流体流路溝部１３という）に供給される。このように流路１２は、液体燃料と噴霧媒体の混合流体を供給する混合流体流路を構成している。

図１において、混合流体流路溝部１３及び噴霧媒体流路溝部２４，２５は、内側部材１ｂの正面側の表面に同心円状に形成されている。混合流体流路溝部１３は、４つの噴出孔３それぞれの長手方向中間部（以下単に、中間部という）においてそれぞれの長手方向と直交し、噴霧媒体流路溝部２４，２５は、４つの噴出孔３の長手方向両端部（以下単に、両端部という）の壁面３ａ，３ａの上流側においてそれぞれの長手方向と直交している。噴出孔３と混合流体流路溝部１３とが交差する位置には、混合流体が噴出する混合流体出口孔１３ａが形成され、噴出孔３と噴霧媒体流路溝部２４，２５とが交差する位置には、それぞれ噴霧媒体が噴出する噴霧媒体出口孔２４ａ，２５ａが形成されている。

混合流体流路１２を介して混合流体流路溝部１３に供給された混合流体は、噴出孔３の中間部の上流側で衝突した後、混合流体出口孔１３ａから噴出し、図４に示すように扇形の噴霧２を形成する。このように混合流体を互いに衝突させて扇形に噴霧させる方式を一般にファンスプレイ式噴霧という。図１において、噴霧媒体流路２２，２３を介して噴霧媒体流路溝部２４，２５に供給された噴霧媒体は、噴霧媒体出口孔２４ａ，２５ａから噴出する。

ここで、従来型のファンスプレイ式噴霧の問題点について、図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、それぞれ本実施例に係る噴出孔３周辺の断面図及び平面図である。従来型のファンスプレイ式噴霧では、図６に示すように噴出孔３の長手方向に沿って薄い扇型の噴霧２が形成されるため、噴霧角度が広くなる。そのため、噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａに微細化した液体燃料の粒子が衝突し、衝突した微粒子同士が合体して粗大粒子を形成する可能性がある。粒子径が３００μｍ以上の粗大粒子は体積当たりの表面積が小さく、燃焼反応が微粒子や大粒子に比べて遅いため。未燃分や煤塵の発生源となりやすい。

また、特に薄厚の外側部材１ａで構成された噴霧ノズルを、熱負荷の高い条件で運用した場合、外側部材１ａが熱変形することにより外側部材１ａと内側部材１ｂの間隙が拡大し、この間隙に液体燃料の粒子が侵入することで、粗大粒子が生成される恐れがある。そのため、外側部材１ａには、ある程度の厚みが必要となる。しかし、外側部材１ａを厚くすると、噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａの高さが増すため、液体燃料の粒子が噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａと衝突する頻度が増し、粗大粒子の形成が促進される。従って、外側部材１ａの熱変形を抑制しつつ、噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａへの噴霧２の衝突を防止することが重要となる。

〜効果〜
本実施例では、図６に示すように噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａの上流側にそれぞれ噴霧媒体流路溝部２４、２５が形成されているため、噴霧媒体出口孔２４ａ，２５ａから噴出される噴霧媒体が、噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａに沿った流れ２６，２６を形成する。すなわち、図７において、噴霧媒体出口孔２４ａ、２５ａから噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａに沿って噴霧媒体のみが均一に噴出することにより、噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａ全体が噴霧媒体の流れによって覆われるため、混合流体出口孔１３ａから噴出される液体燃料の粒子が噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａに衝突することを確実に防止できる。さらに、噴霧媒体出口孔２４ａ，２５ａから噴出される噴霧媒体のせん断力で噴霧２の微粒化をより促進できる。さらに、図中の矢印２７，２７で示すように、混合流体流路溝部２４，２５から外側部材１ａと内側部材１ｂの間隙にも噴霧媒体を流通させることで、液体燃料の粒子が間隙に侵入することを防止し、部材同士の固着や各部材の熱変形も抑制できる。また、外側部材１ａに形成される噴出孔３の長手方向の長さを変更するだけで噴霧媒体出口孔２４ａ，２５ａの開口面積を変更できるため、噴霧媒体の噴出量を容易に調整できる。また、噴霧媒体流路溝部２４，２５が噴出孔３の長手方向と直交する方向に形成されているため、噴出孔３の形成位置が加工精度によって噴出孔３の長手方向と垂直な方向にずれた場合でも、噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａに沿って均一に噴霧媒体を噴出させることができるため、噴霧ノズル１の製作が容易となる。

〜変形例〜
本実施例では、図７に示すように噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａは円弧形状であるが、その他の形状（例えば矩形状）であっても良い。また、噴霧媒体流路溝部２４、２５は、図１に示すように内側部材１ｂの全周にわたって形成されているが、噴出孔３近傍のみに形成しても良い。

本実施例に係る噴霧ノズル１は、図１に示すように外側部材１ａに噴出孔３を４つ形成し、各々の噴出孔３から異なった方向に噴霧２を形成することで、火炎を４つに分割するように構成されている。火炎を分割することにより、火炎全体の表面積が大きくなり、火炎からの放射冷却の効果が高まる。このため、高温で生成しやすい窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することができる。また、火炎を分割することにより燃焼用空気が火炎の周囲から混合しやすくなるため、未燃分や煤塵の発生を低減できる。さらに、噴出孔３を多く設けるほど、液体燃料の噴出量を増やし燃焼量を増やすことができる。但し、本発明は、分割火炎を必須の構成要件とするものではないため、外側部材１ａに形成する噴出孔の数は、３つ以下あるいは５つ以上でも良い。

本実施例では、噴霧媒体流路溝部２４，２５の断面形状は、図６に示すように矩形であるが、図８に示すように逆三角形としても良い。この場合、噴霧媒体流路溝部２４Ａ，２５Ａの混合流体流路溝部１３側の壁面２４Ａａ，２５Ａａが、それぞれ噴出孔３の中央下流側に向かうように傾斜しているため、噴霧媒体出口孔２４ａ，２５ａから噴出される噴霧媒体は、噴霧２の中心に向かう流れ２６Ａ，２６Ａを形成する。これにより、噴霧２の噴霧角度をさらに抑制でき、液体燃料の微粒子が噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａに衝突することをより確実に防止できる。

本発明の第２の実施例に係る噴霧ノズルについて、図９〜図１２を用いて説明する。図９は、本実施例に係る噴霧ノズルの背面側の平面図であり、図１０〜図１２は、図９に示す噴霧ノズル１ＡのＡＡ線，ＢＢ線，ＣＣ線それぞれにおける断面図である。

本実施例に係る噴霧ノズル１Ａと第１の実施例に係る噴霧ノズル１（図１〜図５に示す）との違いは、内側部材背面の液体燃料供給部と噴霧媒体供給部の配置と内側部材内部の流路構造にある。以下、第１の実施の形態に係る噴霧ノズル１との相違点を中心に説明する。

本実施の形態に係る噴霧ノズル１Ａの内側部材１Ａｂは、図９に示すように背面中央部に噴霧媒体供給部５０が形成され、背面外周部に液体燃料供給部４０が形成されている。液体燃料供給部４０は、図１２に示すように流路４１，５４を介して混合流体流路溝部１３に接続され、噴霧媒体供給部５０は、図１０に示すように流路５１，５２を介してそれぞれ噴霧媒体流路溝部２４，２５に接続されると共に、図１２に示すように流路５３，５４を介して混合流体流路溝部１３に接続されている。

液体燃料供給部４０に供給された液体燃料は、流路４１，５４を介して混合流体流路溝部１３に供給され、噴霧媒体供給部５０に供給された噴霧媒体は、流路５１，５２を介してそれぞれ噴霧媒体流路溝部２４，２５に供給されると共に、流路５３，５４を介して混合流体流路溝部１３に供給される。流路５４は、液体燃料を供給する流路４１（以下、液体燃料流路という）と噴霧媒体を供給する流路５３（以下、噴霧媒体流路）とに接続しており、液体燃料と噴霧媒体の混合流体を供給する混合流体流路を構成している。

上記のように構成した噴霧ノズルにおいても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

本発明の第３の実施例に係る噴霧ノズルについて、図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は、本実施例に係る噴霧ノズルの背面図であり、図１４は、図１３に示す噴霧ノズル１ＢのＣＣ線における断面図である。なお、噴霧ノズル１ＢのＡＡ線及びＢＢ線における断面図は、それぞれ図３及び図４と同様である。

本実施例に係る噴霧ノズル１Ｂと第１の実施例に係る噴霧ノズル１（図１〜図５に示す）との違いは、内側部材内部の流路構造にある。以下、第１の実施の形態に係る噴霧ノズル１との相違点を中心に説明する。

本実施の形態に係る内側部材１Ｂｂにおいては、図１３又は図１４に示すように、それぞれの混合流体流路１２は、噴霧媒体供給部２０と噴霧媒体流路２１，２８を介して接続されている。

本実施例に係る混合流体流路１２では、液体燃料流路１１から供給される液体燃料の流れに対し、２つの噴霧媒体流路２１，２８を介して供給される噴霧媒体が二方向から挟み込むように合流する。

特に、液体燃料に対し一方向のみから噴霧媒体を合流させる方式の噴霧ノズルを噴霧媒体流量が少ない運用形態で使用した場合、液体燃料への噴霧媒体の合流によるミキシング効果が低くなるため、噴霧される液体燃料の粒子径が全体的に大きくなり、それに伴い噴出孔３の両端部壁面３ａ，３ａで生成される粗大粒子の粒子径がさらに大きくなる恐れがある。

本実施例では、液体燃料流路１１を介して供給される液体燃料に対し、２つの噴霧媒体流路２１，２８を介して二方向から噴霧媒体を合流させることで、同じ流量の噴霧媒体を一方向から合流させた場合よりもミキシング効果を高めることができる。

上記のように構成した噴霧ノズルにおいては、第１の実施例と同様の効果が得られると共に、噴霧媒体の流量が少ない運用形態でも液体燃料の微粒化を促進することができる。

本発明の第４の実施例に係る燃焼装置について、図１５を用いて説明する。図１５は、本実施例に係る燃焼装置の一例を示す概略図である。図１５に示すように、燃焼装置１００は、燃焼炉３３と、燃焼炉３３に燃焼用空気を供給する保護管３１と、保護管３１に内包され、燃焼炉３３内に向けて配置された第１の実施例に係る噴霧ノズル１と、噴霧ノズル１に液体燃料と噴霧媒体を供給するノズル管３０と、ノズル管３０に液体燃料を供給する液体燃料供給ライン１４と、ノズル管３０に噴霧媒体を供給する噴霧媒体供給ライン２９とを備えている。図中の矢印３４は、燃焼用空気の流れを示している。

燃焼装置１００は、所定の液体燃料、噴霧媒体及び燃焼用空気を燃焼炉３３内に供給し、安定燃焼させることで、必要な熱量を確保する。このように構成された燃焼装置１００は、例えば発電用ガスタービンの燃焼装置として用いられる。

噴霧ノズル１からの噴霧２の噴霧角度が大きい場合、噴霧２を構成する液体燃料の微粒子が、保護管３１や噴霧ノズル１の周辺に存在する構造材（図示せず）に衝突し、粗大粒子の生成により煤塵が増大し、あるいは液体燃料が高温の構造材に固着してコーキングが発生する恐れがある。

上記のように構成した燃焼装置においては、第１の実施例と同様の効果が得られると共に、噴霧角度が抑えられることで燃焼装置１００を構成する構造材への噴霧２の衝突が抑制され、安定燃焼に加えて、煤塵濃度の低減、コーキングの発生を抑制できる。なお、本実施例に係る燃焼装置１００は、第２又は第３の実施例に係る燃焼ノズル１Ａ又は１Ｂを備える構成としても良い。

１ 噴霧ノズル
１ａ 外側部材
１ｂ 内側部材
２ 噴霧
３ 噴出孔
３ａ 両端部壁面
１０ 液体燃料供給部
１１ 液体燃料流路
１２ 混合流体流路
１３ 混合流体流路溝部
１３ａ 混合流体出口孔
１４ 液体燃料供給ライン
２０ 噴霧媒体供給部
２１〜２３，２８ 噴霧媒体流路
２４，２５ 噴霧媒体流路溝部
２４ａ，２５ａ 噴霧媒体出口孔
２４Ａａ，２５Ａａ 溝部の壁面
２６，２７ 噴霧媒体の流れ
２９ 噴霧媒体供給ライン
３０ ノズル管
３１ 保護管
３２ 燃焼用空気流路
３３ 燃焼炉
３４ 燃焼用空気の流れ
４０ 液体燃料供給部
４１ 噴霧媒体流路
５０ 噴霧媒体供給部
５１〜５３ 噴霧媒体流路
５４ 混合流体流路
１００ 燃焼装置

Claims (4)

1. 液体燃料と噴霧媒体とを混合した混合流体を扇型に噴霧する噴霧ノズルにおいて、
   スリット状に形成された噴出孔を有する外側部材と、
   前記噴出孔の長手方向中間部の上流側において前記噴出孔の長手方向と直交するように形成された混合流体流路溝部と、前記混合流体流路溝部に混合流体を供給する複数の混合流体流路と、前記噴出孔の長手方向両端部壁面の上流側おいて前記長手方向と直交するように形成された２つの噴霧媒体流路溝部とを有する内側部材とを備えることを特徴とする噴霧ノズル。
2. 請求項１記載の噴霧ノズルにおいて、
   前記複数の混合流体流路のそれぞれが、液体燃料を供給する液体燃料流路に噴霧媒体を供給する噴霧媒体流路を二方向から接続することにより形成されたことを特徴とする噴霧ノズル。
3. 請求項１又は２に記載の噴霧ノズルにおいて、
   前記２つの噴霧媒体流路溝部の前記混合流体流路溝部側の壁面のそれぞれが、前記噴出孔の中央下流側に向かって傾斜していることを特徴とする噴霧ノズル。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の噴霧ノズルを備えたことを特徴とする燃焼装置。

Images