JP2014029118A - 噴霧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ガスタービン圧縮機の吸気噴霧冷却では噴霧する液滴を微細化することが好ましい。しかし、一方で極微細化した場合、吸気への液滴の追従性が良くなり局在化する課題が生じる。
【解決手段】
ガスタービンの吸気に微細液滴を噴霧して冷却する噴霧装置において、気流高速域に外縁部から中心部に向けて微細液滴を噴霧するように噴霧ノズルを配置したことを特徴とする。細分化された気流は下流の低速域で合流し、混合均一化後、回転対称である圧縮機に送られる。給水管や噴霧ノズルなどのデバイスは低速域に置き、気流を妨げないようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンの吸気を噴霧冷却する噴霧装置に関する。

特許文献１には、吸気噴霧冷却用に複数の噴霧ノズルを配置した例が示されている。噴霧ノズルには加圧した液体が送られ、吸気に噴霧し微粒化される。液滴が均一に混合するように、噴霧ノズルは乱れの大きいサイレンサの背後に設置される。

液滴サイズの縮小は、液滴群の表面積を増やし蒸発を容易にする。これは特に、圧縮機段落内での吸気冷却に適している。通常、液滴が圧縮機内を通過する時間は短く、速やかな蒸発が求められるからである。さらに、液滴サイズの縮小により気流への追従性が高まり、圧縮機翼への衝突、付着が減少する。液滴サイズの縮小、すなわち、微粒化が重要となる。

なお、極微粒化に適した噴霧ノズルとして、特許文献２に開示された技術がある。旋回型の噴霧ノズルから高温水を噴霧し、フラッシュ蒸発により微粒化を促進するものであり、数μmの極微細な液滴が生成されると記載されている。

特開２０１１−７１９０号公報 国際公開第９９／６７５１９号

本願発明者等による実験の結果、新たな事実として、液滴の微粒化が促進されると、液滴が局在化することが分かった。これは、噴霧ノズルの孔から噴出する液滴の速度が一定のとき、微粒化により気流から受ける抵抗が増え、噴霧直後から気流に追従することによる。

このため、極微細化が可能な噴霧ノズルをサイレンサ出口に設置したとしても、極微細化によって生じる液滴の局在化という本質的な解決とはならない。

本発明の目的は、極微細化により生じる液滴の局在化を緩和した噴霧装置を提供することである。

本発明では、細分化された気流高速域に外縁部から噴霧し、中心部へ極微細化された液滴を到達させるように噴霧装置を構成するものである。細分化された気流は下流の低速域で合流し、混合均一化後、回転対称である圧縮機に送られる。

極微細化された液滴でも局在化が緩和され、合体粗大化が抑制される。圧縮機には極微細な液滴が均一に混合した状態の気流が入るため、高い冷却効果が得られる。

本発明の一実施例である噴霧装置をガスタービンに適用した全体構成図である。 図１に示すＸ部の拡大図である。 本発明の実施例２である噴霧装置の拡大図である。 図３におけるサイレンサの後流から見た投影図である。 本発明の実施例３である噴霧装置の拡大図である。 棒状の吸音体を格子に配置した状態を示す図である。 本実施例の噴霧装置による噴霧方式の原理を示す図である。 本発明の実施例４である噴霧装置を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の噴霧装置をガスタービンへ適用した構成図である。ここに１００は吸気ダクト、１１０はフィルター、１２０はサイレンサ、１２１は吸音体、２１２は圧縮機、２１２は燃焼器、２１３はタービン、３００は噴霧ノズル、３０１は給水管である。

吸気ダクト１００に吸気された空気は、フィルター１１０で粉塵が除去された後、サイレンサ１２０を経由し、圧縮機２１１に導かれる。フィルター１１０には通常、HEPAフィルターなどが用いられるが、吸気冷却と湿式フィルターを兼ねた蒸発冷却器を用いても良い。

吸音体１２１の背後（出口）には噴霧ノズル３００が置かれ、噴霧ノズル３００からは、吸気の高速域に水が噴霧される。サイレンサ１２０から遠ざかると伴に吸気の流れは広がり、高速域は周囲と混合し平均速度に近づく。

図２は図１に示すＸ部の拡大図である。図中、Ｗは吸音体１２１間の幅、Ｌは吸音体１２１出口から噴霧孔３０１までの距離である。また、吸音体１２１出口部のＡ地点と、それより後流側のＢ地点，Ｃ地点における流体の流速分布を図中に示している。

通常、高速域がほぼ均一化（図２のＣ−Ｃ地点）するのは、吸音体間幅Ｗの５〜２０倍であり、噴霧位置（噴霧孔３０１の位置）を吸音体１２１出口から高速域の幅Ｗの１〜２倍以内に置く、すなわち、 Ｌ＜２Ｗ の関係とすることが好ましい。なお、給水管３１０や噴霧ノズル３００のデバイスは低速域（流体の流れ方向から見て吸音体１２１の投影面の領域内）に設置し、気流を妨げないようにしている。

本実施例では、極微細化された液滴を細分化した吸気の高速域に外縁部から噴霧し中心部へ到達させている。噴霧された液滴は極微細のため高速域の流れに追従する。細分化された気流は低速域で合流し、混合均一化するため吸気ダクト１００の全体に広がることになる。その後、回転対称である圧縮機２１１に送られる。圧縮機２１１には極微細化された液滴が均一に分布し流入するため、高い蒸発冷却の効果が得られる。なお、噴霧ノズルには高圧水を送り微粒化する、いわゆる一流体ノズルを用いることを想定しているが、一流体ノズルの一つであるスワール型噴霧ノズルに１００℃以上の高温水を加圧し送ることも可能である。

図３は本発明の第２の実施例を示す図である。吸音体１２１から近い順に第一の噴霧ノズル３００ａおよび第二の噴霧ノズル３００ｂを設けている。極微粒化した場合、局在化が問題となるから噴霧ノズル当たりの流量は少ない方が好ましい。そこで、本実施例では噴霧ノズル当たりの流量を少なくし、第一の噴霧ノズル３００ａで高速域の中央領域に、第二の噴霧ノズル３００ｂで高速域の周辺領域に噴霧する。そのために、第一の噴霧ノズル３００ａのノズル噴霧孔は第二の噴霧ノズル３００bより、高速域の中央領域側に位置させ、かつ噴霧する角度を中央に向かせる。すなわち、 角度α＞角度β の条件を満たすようにする。

図４は、板状の吸音体１２１に対する噴霧ノズルの配置をサイレンサ１２０の後流から見た投影図である。吸音体１２１は、板状の場合、通常、上下方向に配置されるが、上下方向に第一の噴霧ノズル３００ａと第二の噴霧ノズル３００ｂを交互に置き、それぞれに給水管３１０ａと３１０ｂで水を供給する。さらに、隣りあう吸音体１２１に属する対向する噴霧ノズルの属性は第一には第二の、第二には第一の噴霧ノズルを割り当てる。これにより、噴霧同士の重なりを避けるようにする。

図５は吸音体１２１の左右への噴霧ノズルへの給水を分離した実施例である。図３，４に示す実施例では、隣り合う高速域に噴霧する噴霧ノズル３００ａ，３００ｂは共通の給水管３１０ａ，３１０ｂを用いていたが（２つの噴霧ノズル
に対して１つの給水管を設置）、本実施例では噴霧ノズルのそれぞれに個別の給水管３１０ａ，３１０ｂを設ける。このように噴霧ノズルごとに独立して給水管を接続することの利点は、噴霧量を段階的に変える時、どの噴霧ノズルに給水するかを細かく選択でき、吸気室１００内での均一性が保たれることである。

図６は棒状の吸音体を格子に配置した実施例であり、図４と同様に吸音体１２１に対する噴霧ノズルの配置をサイレンサ１２０の後流から見た投影図である。第一、第二の噴霧ノズル３００ａ、３００ｂは吸音体１２１の４方周辺に配置され、給水管３１０ａ、３１０ｂが接続される。個々の給水管には吸気室１００の外側から給水される。

〔原理〕
図７は、上述した各実施例による噴霧方式の原理を示す図である。細分化された気流高速域に外縁部から噴霧し中心部へ極微細化された液滴を到達させる。細分化された気流は下流の低速域で流れに対し横方向に拡大する。その後、合流し、混合均一化され、回転対称である圧縮機２１１に送られる。給水管３１０や噴霧ノズル３００などのデバイスは低速域に置き、気流を妨げないようにする。高速域はサイレンサ後流に限らない。

図８は、本発明の他の実施例であり、微粒化に超音波を用いた構成図を示している。ここに新たに３２０は超音波微粒化素子である。超音波微粒化素子３２０はピエゾ素子３２１、水タンク３２２、隔壁３２３が層状に配置され、隔壁３２３には極微細な孔３２４が多数設けられる。ピエゾ素子３２１の両面に高周波の電圧が印加される構造となっている。ピエゾ素子３２１から発生した超音波は水タンク３２２の水中を伝播し、隔壁に設けられた断面積が縮小する伝播路で強度が増幅し、孔３２４近傍の水を強く揺さぶる。孔からは微粒化した液滴が層状の素子の垂直方向に放出される。このような微粒化機構はJ. M. Meacham,他" Droplet formation and ejection from a micromachined ultrasonic droplet generator: Visualization and scaling", PHYSICS OF FLUIDS 17, 100605 2005に開示されている。

超音波微粒化素子３２０は好ましくは翼型に類似した形状をとり、流動抵抗が低減される。断面積が縮小したスロート部（その近傍部を含む）で超音波微粒化がなされる。図８ではサイレンサ後流の高速域に超音波微粒化素子３２０が配置される実施例を示したが、配置場所はサイレンサ後流に限るものではない。翼間のスロート部で吸気が高速化されためである。本実施例では翼型の超音波微粒化素子３２０間の流路断面積がスロート部で縮小した後、拡大するため、スロート部から噴霧された液滴は気流の中心部に到達し、スロートの下流から噴霧された液滴は吸気の周辺部に噴霧される。この状況は図３と同様である。

超音波微粒化の利点は均一なサイズの粒径を発生させることである。粒径が揃うことによって、気流への追従性が等しくなり液滴の衝突が少なくなる。このため、多量に噴霧しても合体粗大化が生じにくくなる。

１００ 吸気ダクト
１１０ フィルター
１２０ サイレンサ
１２１ 吸音体
２１２ 圧縮機
２１２ 燃焼器
２１３ タービン
３００ 噴霧ノズル
３１０ 給水管
３２０ 超音波微粒化素子

Claims (7)

1. ガスタービンの吸気に微細液滴を噴霧して冷却する噴霧装置において、
   気流高速域に外縁部から中心部に向けて微細液滴を噴霧するように噴霧ノズルを配置したことを特徴とする噴霧装置。
2. 請求項１に記載の噴霧装置において、
   前記噴霧ノズルは、サイレンサ吸音体の背後の低速域に配置され、
   前記サイレンサ吸音体間の流路の幅をＷ、前記サイレンサ吸音体の出口から前記噴霧ノズルの噴霧孔までの距離をＬとするとき、Ｌ＜２Ｗの関係としたことを特徴とする噴霧装置。
3. 請求項２に記載の噴霧装置において、
   前記噴霧ノズルは、気流高速域の中心部へ噴霧する第一の噴霧ノズルと、気流高速域の周辺部に噴霧する第二の噴霧ノズルにより構成することを特徴とする噴霧装置。
4. 請求項２に記載の噴霧装置において、
   サイレンサ吸音体の背後の低速域から隣り合う高速域に液滴を噴霧するように噴霧ノズルを複数配置するとともに、個々の噴霧ノズル毎に独立して給水管を接続することを特徴とする噴霧装置。
5. 請求項４に記載の噴霧装置において、
   複数の噴霧ノズルに対して段階的に噴霧量を増加させることを特徴とする噴霧装置。
6. 請求項１に記載の噴霧装置において、
   サイレンサ吸音体の出口側に翼型の超音波微粒化素子を並置し、翼間スロート近傍から気流高速域に液滴を噴霧するように構成したことを特徴とする噴霧装置。
7. 請求項１に記載の噴霧装置において、
   前記噴霧ノズルに一流体ノズルを用い、100℃以上の高温水を加圧し噴霧することを特徴とする噴霧装置。