JPH11200891A - 水噴霧方式高温排気冷却器 - Google Patents

水噴霧方式高温排気冷却器

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JPH11200891A
JPH11200891A JP1317998A JP1317998A JPH11200891A JP H11200891 A JPH11200891 A JP H11200891A JP 1317998 A JP1317998 A JP 1317998A JP 1317998 A JP1317998 A JP 1317998A JP H11200891 A JPH11200891 A JP H11200891A
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Shigeru Hayashi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、加圧燃焼器試験設備等が加圧ガス
の温度、圧力、流量が変化する状態で運転されるもので
あっても、その冷却器容器内の水位をある範囲内に制御
することが可能な冷却系を提供することを目的とするも
のである。 【解決手段】 この発明は、噴霧ノズルより噴霧された
後蒸発しなかった水を外部に排出せずに冷却器容器の底
部に溜め、それを繰り返して噴霧に使用するようにする
と共に、蒸気として容器外に持ち去られた量の水だけを
外部から冷却器容器内に供給する構成とすることで、噴
霧水量は冷却器容器から排水として排出される水量によ
って制約を受けないので、噴霧水量を従来装置より多く
設定でき、空間の液滴密度を高めると共に、冷却器容器
壁面の冷却にも十分な噴霧水量を確保できて冷却効果を
高められる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温加圧ガスを扱
う装置が加圧ガスを大気中に排気する際に用いられる冷
却器であって、特にジェットエンジンやガスタービンの
燃焼器の開発に使われている加圧燃焼器試験設備におけ
る水噴霧方式排気冷却器に関する。
【0002】
【従来の技術】圧力の高い高温ガスを扱う装置におい
て、高温ガスを大気中に排気する際、高温ガスの流れる
配管や弁、消音器などの使用温度の制限のためにガスを
冷却する必要が生じる。ジェットエンジンやガスタービ
ンの燃焼器の開発に用いられる加圧燃焼器試験設備もそ
の1例である。図4にその加圧燃焼器試験設備の全体構
成を示す。この設備においては、図に示されるように、
試験部10の上流側に流量調整弁11、下流側に調圧弁12を
備えることによって試験部の圧力と流量が独立して変え
られるようになっている。調圧弁の下流には消音器や排
気筒が設けられる。燃焼器13からの燃焼ガス14は千数百
度にもなるが、調圧弁12の使用温度の上限は数百度であ
るので、試験部と調圧弁との間に排気冷却器15を置き、
燃焼ガスの温度を下げる必要がある。そのような高温ガ
スの冷却器として、高温排気中に水を直接噴霧し、主と
して水の蒸発潜熱により排気ガスの温度を下げる方式の
冷却器が用いられる。本発明は、この種の水噴霧方式の
排気冷却器である。
【0003】図4に示す排気冷却器15は、現在使用され
ている水噴霧排気冷却器の典型であるが、貯水槽16の水
は圧送ポンプ17により噴霧ノズル18に供給され、霧状に
噴霧されて燃焼器13からの高温の排気ガス14と混合す
る。壁面を積極的に冷却するために一部の水を容器19の
壁面に向けて噴霧しすることもある。冷却器の適正な状
態では、調圧弁12からは噴霧が蒸発してできた水蒸気と
排気ガスとの混合気だけが排出され、未蒸発の水はすべ
て底部の排水口20から外部へ吐出される。この排水は、
大型の設備では貯水槽16に戻され、噴霧水として再使用
される。
【0004】上記の方式の基本的な問題は、噴霧水量が
蒸気の状態で容器から排出される水量と、容器の排水口
からの水として吐出される水量の和に等しくなれば、そ
の冷却系は定常状態となり安定となるが、なかなかそう
はならないという点にある。例えば、噴霧水量が少なす
ぎると容器下部の排水口から水に混じって排気ガスが流
出する事態が生じ、ガスが漏れる時には容器の圧力が低
下し、排水通路が水で満たされると冷却器容器内部の圧
力は上昇し、その水が排出されると又急激に圧力が下が
る、という繰り返しで脈動するようになる。
【0005】また、逆に噴霧水量が多くなりすぎた場合
を想定する。排水口からは水だけが、調圧弁からは水蒸
気と排気ガスの混合気だけが排出されている正常な動作
状態において、何らかの理由でガス温度が上昇し、冷却
のため噴霧水量を増やす必要が生じたとする。増加した
噴霧水がすべて蒸気に変わることはあり得ないので、液
面は上昇し続けるので、やがて水が調圧弁に流れ込むよ
うになる。調圧弁の部分的な閉塞では、上昇する試験部
の圧力を設定値に戻すように調圧弁の開度が制御される
結果、通常、大きな圧力振動には発展しないが、流量が
変化し、さらには流量調整弁の制御との干渉によって圧
力と流量を一定に保てなくなる。噴霧水量がさらに増え
て、調圧弁の通路が水によって間歇的に閉塞されるよう
になると大きな圧力変動が生じる。
【0006】この様な問題を解決する手段として、排水
口に可変開度の弁を設け、この弁の開度を制御すること
によって容器内の水位をある範囲内に制御することが考
えられる。しかしこの方法は、試験設備が加圧ガスの温
度、圧力、流量が基本的に変化しない状態で運転される
ものであれば問題はなく容易に制御できるが、大幅に変
わるような設備では期待する制御は困難である。すなわ
ち排水口からの排水量は弁の開度のみならず容器内の圧
力にも大きく依存するからである。そしてその容器内圧
力は蒸気の発生量に影響されるが、それは加圧ガスの温
度、流量、水噴霧量、噴霧の微粒化の程度など様々な変
量が関係している。従って、その制御は複雑で、制御が
暴走する方向に働く危険性もある。また、冷却器容器内
の圧力変動は試験部にも及ぶ。圧力変動が大きくなると
燃焼器への燃料流量もそれにつれて変動し、冷却器容器
内の圧力変動を大きくする。場合によっては、燃料流量
が瞬間的に限界以下になって火か消えることもあり、そ
うなると、いったん燃料を完全に止め、試験を中断しな
ければならない。可燃性の混合気が試験部、冷却冷却器
容器、排気筒を満たすことになるので、何らかの原因で
この大量の混合気に火が着くと爆轟にいたり、大災害に
なる可能性すらある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、加圧燃焼器
の試験設備が加圧ガスの温度、圧力、流量の変化する状
態で運転されるものであっても、その冷却器容器内の水
位をある範囲内に制御することを可能とし、安定した動
作が実現できる冷却系を提供することを目的とするもの
である。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は上記の課題を
解決するためになされたもので、噴霧ノズルより噴霧さ
れた後蒸発しなかった水は外部に排出せずに蒸発器の冷
却器容器の底部に溜め、それを繰り返して噴霧に使用す
るようにし、蒸気として容器外に持ち去られた量の水だ
けを外部から冷却器容器内に供給するようにしたもので
ある。
【0009】
【作用】このようにすれば、噴霧水量は冷却器容器から
持ち去られる量(本発明では蒸発量のみ、従来装置では
蒸発量と排水量の和)によって制約を受けないので、噴
霧水量を従来装置より多く設定できる。そのため空間の
液滴密度を高めることができ、冷却効果が大きくなると
共に、冷却器容器壁面の冷却にも十分な噴霧水量を確保
できるといった利点がある。また、噴霧される水の温度
は外部から直接供給する場合より高いので、冷却器容器
内での水の蒸発量が増加し、結果的に冷却性能が向上す
る。このことは、沸点上昇のためにより大きな冷却熱量
が要求される加圧条件下では特に有効である。したがっ
て、本発明により可能となる噴霧水量の増大と蒸発率の
増大は、冷却器容器の小型化を可能にする。
【0010】また、従来の装置では、条件によるものの
一般には蒸発割合は本発明のものに比べて小さく、噴霧
された水の大部分は排水されてしまうため、水資源を浪
費していた。それに対し、本発明によれば、容器に供給
された水は繰返し循環されて蒸気として使用されるの
で、著しい節約になる。更に、従来の装置では圧力の高
い排気中に直接噴霧する必要があるので、噴霧に必要な
圧力よりも冷却器内の圧力(すなわち試験圧力)の分だ
け高い吐出圧のポンプが必要である。これに対して、こ
の発明の装置は、冷却器容器内の下部に溜まった未蒸発
の水を外部に排出せずに、圧送ポンプで直接噴霧ノズル
から噴霧する方式であるため、この水の給配は加圧容器
内で完結することとなり、その圧力ポンプは試験圧力に
関係なく噴霧するに必要な吐出圧が得られれば良いこと
になる。したがって、本発明の圧送ポンプは過大の馬力
・容量のものを求める必要はなく、設備や消費電力の面
でも大幅なコストダウンとなる。なお、蒸発によって排
気冷却器から持ち去られる量の水は外部から輸送ポンプ
を介して冷却器に供給されるようになっているが、この
ポンプは試験圧力を越える吐出圧を必要とするが、噴霧
する従来の方式よりも低くてすみ、また必要な吐出流量
も遥かに小さくてよく、全体としては、コストと電力の
節約になる。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施例の一つであ
る。冷却器容器底部の溜り部21と水噴霧ノズル18とは、
圧送ポンプ17と配管22により接続されている。底部溜り
部の水面位置23は水面計24で検知され、設定レべル以下
になると水が外部から輸送ポンプ25により供給される。
冷却器容器19の壁面を濡らすように供給してもよい。ま
た圧送ポンプと配管を冷却器容器内に設置することによ
って、圧送ポンプ自体の耐圧は噴霧に必要な圧力(通常
は数気圧)にまで下げることができる。
【0012】図2は本発明の第2の実施例である。これ
は圧送ポンプの代わりに、燃焼器試験設備に供給される
空気の一部を冷却器容器内に噴出させ、その負圧を利用
して水を噴霧ノズルに吸い上げ、噴出空気によって噴霧
する点に特徴がある。一般に、この方式の気流微粒化装
置は細かい噴霧を作ることができ、蒸発割合を増加させ
ることができ、冷却器容器の小型化を可能にする利点が
ある。また、噴霧水量の制御は供給する空気流量を適宜
変更することで達成できる。なお、供給する空気は冷却
器容器内の混合気を循環させる方式を採ることも可能で
あるが、その際に必要となるポンプは、加圧容器内での
給配となるため高馬力のものでなくてよいものの、新た
に余分のポンプを必要とするため、本実施例のように流
量調整弁で一部大気中に放出している加圧ガスを利用す
るのが合理的といえる。
【0013】図3は本発明の第3の実施例である。これ
は試験器からの燃焼ガスが冷却器容器内に接線方向から
流入されるように管と略ロート形状の容器を接続し、そ
の排気により冷却器容器内に旋回流を発生させ、サイク
ロンの原理で噴霧中の未蒸発液滴を効率よく分離させる
ものである。噴霧中の大きな液滴は冷却器容器19の壁面
に衝突して、下方に流れ、蒸気と燃焼ガスとの混合気だ
けが中心軸上の排気筒28から調圧弁に導かれる。液滴が
調圧弁に流入するのを防止しエロージョンを防ぐ効果
と、冷却器容器壁面上に液膜が形成されるので、冷却器
容器の温度上昇を抑制できるという効果が期待される。
そして、この実施例において安定した旋回流を形成する
ためには、円筒状の排気筒が容器と同軸位置に該容器上
部から燃焼ガスの流入口より下方まで延在するように
し、容器の下方部は略ロート状に構成することが好まし
い。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、噴霧水量は冷却器容器
から排水として排出される水量によって制約を受けない
ので、噴霧水量を従来装置より多く設定できる。そのた
め空間の液滴密度を高めることができ、冷却効果が大き
くなると共に、冷却器容器壁面の冷却にも十分な噴霧水
量を確保できるといった利点がある。また、噴霧される
水の温度は外部から直接供給する場合より高いので、冷
却器容器内での水の蒸発量が増加し、結果的に冷却性能
が向上する。この噴霧水量の増大と蒸発率の増大は、冷
却器容器の小型化を可能にする。
【0015】また、本発明によれば、容器に供給された
水は繰返し循環されて蒸気として使用されるので、著し
い節約になる。更に、この発明の装置は、冷却器容器内
の下部に溜まった未蒸発の水を外部に排出せずに、圧送
ポンプで直接噴霧ノズルから噴霧する方式であるため、
この水の給配は加圧容器内で完結することとなり、その
圧力ポンプは試験圧力に関係なく噴霧するに必要な吐出
圧が得られれば良いことになり、本発明の圧送ポンプは
過大の馬力・容量のものを求める必要はなく、設備や消
費電力の面でも大幅なコストダウンとなる。
【0016】更に、圧送ポンプの代わりに、燃焼器試験
設備に供給される空気の一部を冷却器容器内に噴出さ
せ、その負圧を利用して水を噴霧ノズルに吸い上げ、噴
出空気によって噴霧する構成を採用すると、この気流微
粒化装置によって細かい噴霧を作ることができ、蒸発割
合を増加させることができ、冷却器容器の小型化を可能
にすることができる。
【0017】また更に、試験器からの排気が冷却器容器
内に接線方向から流入されるように管と容器を接続し、
その排気により冷却器容器内に旋回流を発生させる様な
構成を採用すれば、サイクロンの原理で噴霧中の未蒸発
液滴を効率よく分離させることができ、噴霧中の大きな
液滴は冷却器容器19の壁面に衝突して、下方に流れ、混
合気だけを効率よく排気させることができる。液滴が調
圧弁に流入するのを防止しエロージョンを防ぐ効果と、
冷却器容器壁面上に液膜が形成されるので、冷却器容器
の温度上昇を抑制できるという効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す図
【図2】本発明の第2実施例を示す図
【図3】本発明の第3実施例を示す図
【図4】従来からの加圧燃塩器試験設備の全体構成図
【符号の説明】
10 試験部 11 流量調整弁 12 調圧弁 13 燃焼器 14 燃焼ガス 15 排気冷却器 16 貯水槽 17 圧送ポンプ 18 噴霧ノズル 19 冷却器容器 20 排水口 21 底部溜り部 22 水配管 23 液面位置 24 水面計 25 輸送ポンプ 26 加圧空気配管 27 気流微粒化ノズ
ル 28 排気筒

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ジェットエンジンやガスタービンの加圧
    燃焼試験設備の水噴霧排気冷却器において、冷却器容器
    内の底部に溜まった水を噴霧ノズルに給送するための配
    管及びその供給量を調整できるポンプと、冷却器の容器
    内の液面を検出するための液面計と、この液面計の信号
    を受け、冷却器から持ち去られた量の水を冷却器容器内
    に供給するポンプとを備えたことを特徴とする水噴霧排
    気冷却器。
  2. 【請求項2】 上記の冷却器容器内の底部に溜まった水
    を噴霧ノズルに給送するポンプに代え、加圧燃焼器試験
    設備に供給される加圧空気の一部を上記噴霧ノズルに導
    く配管と、この空気流による負圧によって冷却器容器内
    の水を吸い上げ噴霧する気流微粒化ノズルを備えたこと
    を特徴とする請求項1記載の水噴霧排気冷却器。
  3. 【請求項3】 冷却器容器が縦置きの円筒形耐圧容器
    で、この冷却器容器内に旋回流の場を形成するように側
    壁にあけられた接線方向の燃焼ガス流入口と、冷却器容
    器の上部壁面に冷却器容器と同軸上に取り付けられ、上
    記燃料ガス流入口より下方まで延在する円筒状の出口を
    備えたことを特徴とする請求項1記載の水噴霧排気冷却
    器。
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