JP3929874B2

JP3929874B2 - High-pressure single-fluid atomizing nozzle for increased output of gas turbines

Info

Publication number: JP3929874B2
Application number: JP2002319443A
Authority: JP
Inventors: 久道井上; 英年唐澤; 英太郎村田
Original assignee: Hitachi Ltd; Kyoritsu Gokin Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Kyoritsu Gokin Co Ltd
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: JP2004150409A

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への吸気中に微細水滴を噴霧し、温度を低下させて吸気密度を増加させ、発電出力を上昇させるガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルに関する。
【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傾向がある。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て増潤させ、その蒸発熱により吸気温度の上昇を抑え、更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】
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。
まず、１流体（水単体）霧化ノズルを用いるものとしては、特開平９−３０３１６０号公報や特開平８−２８４６８５号公報に、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流体水単体霧化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流体霧化ノズルを併用したシステムが記載されている。水単体を噴霧する１流体ノズルとしては、特開平１０−２３８３６５号公報に、気体流の増湿を目的として、気体の流れを利用する霧吹き構造の１流体霧化ノズルを管内に配置した構成が記載されている。
【０００４】
その一方で、現状では、水単体を用いる１流体霧化ノズルで大量の水を霧化する（水滴径をザウター平均で約２０μｍ以下にする）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流体霧化ノズルが採用されている場合が多い。その２流体（水−空気）霧化ノズルを用いるものとしては、特開平９−２３６０２４号公報、特開平１１−１３４８６号公報、特開平１１−７２０２９号公報等に、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。更に特開平９−９４４８７号公報には、ガスタービン発電システムの吸気増湿ではないが、屋内外の空間演出用、あるいは室内外の冷却加湿用として、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。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−３０３１６０号公報
【特許文献２】
特開平８−２８４６８５号公報
【特許文献３】
特開平１１−９３６９２号公報
【特許文献４】
特開平１０−２３８３６５号公報
【特許文献５】
特開平９−２３６０２４号公報
【特許文献６】
特開平１１−１３４８６号公報
【特許文献７】
特開平１１−７２０２９号公報
【特許文献８】
特開平９−９４４８７号公報
【０００６】
【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ために、霧化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する場合の課題としては、以下のようなことが挙げられる。
【０００７】
第一に、そもそも霧化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り、霧化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。よって、第一の課題としては、霧化ノズルを設けることによるシステム損失をできるだけ少なくすることが挙げられる。
【０００８】
第二に、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、ノズルの噴霧量が少ない場合、トータルで所望の噴霧量を確保するためには、霧化ノズルの設置数がそれだけ増加する。その結果、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。従って、第二の課題としては、小型で、しかもできるだけ大量の水を微小水滴に霧化できるようにすることが挙げられる。
【０００９】
第三に、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。更に、この場合、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。即ち、第三の課題としては、噴霧される水滴の大きさがザウター平均径で２０μｍ以下となるようにすることが挙げられる。なお、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あり、通常水滴径として用いられる。
【００１０】
以上の課題に対し、まず、２流体霧化ノズルでは、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。従って、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流体霧化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。従って、現状採用されているガスタービン増出力用の２流体霧化ノズル及び特開平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流体霧化ノズルでは、上記第一の課題を解決することができない。
【００１１】
一方、特開平９−３０３１６０号公報や、特開平８−２８４６８５号公報、特開平１１−９３６９２号公報には１流体霧化ノズルが開示されているが、具体的なノズル構造の開示がなく、上記第二及び第三の課題を達成するものであるとは言えない。
【００１２】
また、特開平１０−２３８３６５号公報に記載の１流体霧化ノズルも、上記第二及び第三の課題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流体霧化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い。
【００１３】
更に、上記特開平９−９４４８７号公報に記載の１流体霧化ノズルはガスタービン増出力用ではなく、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、上記第二の課題を解決することはできない。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、水滴同士が付着し合い、ザウター平均径で２０μｍより大きい水滴が多くなってしまう。つまり、結果的に上記第三の課題を解決することはできない。
【００１４】
本発明の目的は、小型でシステム損失が極力少なく、大量の水を微細水滴に霧化することができるガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルを提供することにある。
【００１５】
【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、圧縮機からの吸気を燃料と共に燃焼させることで生じる燃焼ガスによりタービンを回転させ、そのタービンの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するガスタービン発電システムに設置され、前記圧縮機への吸気中に液体を噴霧し、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流体霧化ノズルにおいて、高圧液体を導入する液体導入管部と、この液体導入管部からの高圧液体を軸方向にジェット流として噴射する複数のオリフィス、及び各オリフィスから噴射されたジェット流にそれぞれ干渉し、衝突したジェット流を霧化し微細液滴とする複数のターゲットを有するノズル部と、霧化された微細液滴と干渉しないよう、前記ターゲットとの間に微細液滴が通過する間隙を介するように前記ノズル部の周方向を覆う筒状のカバー部とを一体構成して成り、要求される噴霧流量に応じた数だけ、前記オリフィス及びこれに対応する前記ターゲットを備え、５ＭＰａ以上の範囲内で前記ジェット流の噴射圧力が調整されることを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、複数のターゲットはそれぞれターゲット先端に向け傾斜した傾斜面を有し、このターゲット傾斜面にオリフィスから噴射される高圧液体のジェット流が衝突することにより、瞬時にジェット流がザウター平均２０μｍ以下の微細液滴に霧化され、傾斜面で跳ね返った微細液滴が、各ターゲットとカバー部との間から連続的にノズル外側に向け噴霧される。そして、本発明においては、上記の液体導入管部、ノズル部、カバー部を、例えば溶接等により接続し、一体化することにより小型化が図られている。
【００１７】
また、例えば吸気配管等、狭隘な設置空間に霧化ノズルを設置する場合であっても、上記霧化ノズルは上記カバー部を備えているので、吸気配管に穿設した取付け穴に霧化ノズル先端を差し込み、ノズル先端が僅かに吸気配管内に臨む状態でカバー部を吸気配管に溶接することにより、ノズル先端の吸気配管内における流路抵抗はほとんどなく、吸気の圧力損失を生じさせることを極力抑えることができる。また、一体構造とすることでノズル自体の小型化が図られているので、設置スペースを取らず、設置しても流路抵抗が小さいため圧力損失は非常に小さくなる。更に、ガスタービン発電システムのシステム損失を考えた場合、本発明は１流体霧化ノズルであるため、圧縮機からの抽気を必要とする２流体霧化ノズルと比較して、システム損失も極めて少なくすることができる。
【００１８】
そして、なおかつ、オリフィス及びこれに対応したターゲットを複数有しているので、オリフィス及びターゲットが共に１つしかない場合と比べ、ノズル１個当りで大量の噴霧水量を確保することができ、少ない設置数でも大量の水を微細水滴を噴霧することができる。
また、本願発明者等は、本発明の霧化ノズルにおいて、噴射圧力が５ＭＰａ以上のとき、ザウター平均水滴径が概ね２０μｍ以下となることを知見した。従って、本発明によって、微細水滴を保ったまま噴霧流量を容易に調整することができる。
（２）上記目的を達成するために、また本発明は、圧縮機からの吸気を燃料と共に燃焼させることで生じる燃焼ガスによりタービンを回転させ、そのタービンの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するガスタービン発電システムに設置され、前記圧縮機への吸気中に液体を噴霧し、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流体霧化ノズルにおいて、高圧液体を導入する液体導入管部と、この液体導入管部からの高圧液体を軸方向にジェット流として噴射する複数のオリフィス、及び各オリフィスから噴射されたジェット流にそれぞれ干渉し、衝突したジェット流を霧化し微細液滴とする複数のターゲットを有するノズル部と、霧化された微細液滴と干渉しないよう、前記ターゲットとの間に微細液滴が通過する間隙を介するように前記ノズル部の周方向を覆う筒状のカバー部とを一体構成して成り、前記ジェット流が衝突する前記複数のターゲットの先端部は、その先端に向かって前記ジェット流の噴射方向に傾斜した傾斜面となっており、前記ターゲットの傾斜面は、平坦に鏡面仕上げされていることを特徴とする。
本発明の場合、ターゲットの傾斜面が平坦に鏡面仕上げされているので、液膜の厚さを薄くでき、微細水滴への霧化が促進される。
（３）上記目的を達成するために、また本発明は、圧縮機からの吸気を燃料と共に燃焼させることで生じる燃焼ガスによりタービンを回転させ、そのタービンの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するガスタービン発電システムに設置され、前記圧縮機への吸気中に液体を噴霧し、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流体霧化ノズルにおいて、高圧液体を導入する液体導入管部と、この液体導入管部からの高圧液体を軸方向にジェット流として噴射する複数のオリフィス、及び各オリフィスから噴射されたジェット流にそれぞれ干渉し、衝突したジェット流を霧化し微細液滴とする複数のターゲットを有するノズル部と、霧化された微細液滴と干渉しないよう、前記ターゲットとの間に微細液滴が通過する間隙を介するように前記ノズル部の周方向を覆う筒状のカバー部とを一体構成して成り、前記ジェット流が衝突する前記複数のターゲットの先端部は、その先端に向かって前記ジェット流の噴射方向に傾斜した傾斜面となっており、前記ターゲットの傾斜面は、要求される微細液滴の噴霧角度に応じた傾斜角度を有していることを特徴とする。
本発明の場合、ターゲットの傾斜面が要求される微細液滴の噴霧角度に応じた傾斜角度を有しているので、噴霧範囲を任意に調整することができる。
【００１９】
（４）上記（１）において、好ましくは、前記高圧液体が衝突する前記複数のターゲットの先端部は、その先端に向かって前記ジェット流の噴射方向に傾斜した傾斜面を形成している。
【００２０】
（５）上記（２）から（４）のいずれかにおいて、また好ましくは、前記傾斜面の先端部は略半円形状に形成され、前記ジェット流は、その略半円形状の先端部のほぼ中心位置に衝突する。
【００２１】
本発明によれば、傾斜面におけるジェット流の衝突位置が、半円形状のターゲット先端のほぼ中心位置であるため、衝突してから液膜がちぎれるまでの距離がほぼ一様となり、高圧液体をほぼ一様に霧化させることができる。このとき、本発明においては、カバー部が設けられているため、例えばジェット流の噴射方向が吸気の流れとほぼ直角となるように設置せざるを得ない場合でも、オリフィスからのジェット流はカバー部により保護されているため、吸気の流れに影響されず、ジェット流をターゲット先端のほぼ中心位置に正確に衝突させることができ、常に安定した噴霧状態を確保することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１（ａ）は本発明の第１実施の形態によるガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルの軸方向断面図、図１（ｂ）はそれを図１（ａ）の右側から見た図である。これら図１（ａ）及び図１（ｂ）において、本実施の形態に係る高圧１流体霧化ノズル１００は、高圧水１を導く液体導入管部２と、この液体導入管部２の先端内側に嵌合したノズル部３と、このノズル部３を周方向から囲うよう液体導入管部２の先端外側に嵌合した筒状のカバー部４とで概略構成されており、これら液体導入管部２、ノズル部３、カバー部４は、ノズル部３及びカバー部４が共に液体導入管部２に溶接されることにより、一体化されている。
【００２９】
上記液体導入管部２は、図示しない配管に接続され、この配管からの高圧水１は、ノズル部３に導かれるようになっている。このとき、配管と液体導入管部２との接続構造は、特に限定されるものではないが、例えば互いにネジ部を設けてニップル等を介して接続する構造でも良いし、公知のワンタッチ着脱式のカップリング部品を介した接続構造としても良い。また、高圧水１中の塵埃を除去するフィルタを液体導入管部２中に設けること等も考えられる。
【００３０】
図２は、ノズル部３の概略構成を表す斜視図である。
この図２と先の図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ノズル部３は、液体導入管部２に嵌合したオリフィス部５と、高圧１流体霧化ノズル１００先端に位置するターゲット部６と、これらオリフィス部５及びターゲット部６を接続する軸部７とで構成されている。
【００３１】
オリフィス部５には、小径のオリフィス８が、周方向にほぼ等ピッチで複数（この例では４つ）軸方向に穿設されている。但し、各オリフィス８は、噴射するジェット流９を細糸状にするために極力高い加工精度で仕上げる必要があり、例えば放電加工等で仕上ることが好ましい。また、各オリフィス８には、それぞれ液体導入管部２内に臨む上流側において、拡径された導入水整流部１０が設けられている。この導入水整流部１０の設定長さは長い方が好ましい。
【００３２】
ターゲット部６は、図２に示すように、軸部７を介してオリフィス部５に接続した基部１１と、この基部１１に径方向に放射状に突設された複数（これの例では４つ）のターゲット１２とで構成されている。これらターゲット１２は、それぞれ先端部が各オリフィス８から噴射されたジェット流９に干渉するように設けられている。
【００３３】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ図２のＡ部で示すターゲット１２の先端を拡大した正面図及び側面図である。
これら図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ターゲット１２の先端には、軸方向に対して角度Ｂだけ傾斜した傾斜面１３が設けられている。この傾斜面１３は、平坦に鏡面仕上げされており、その先端部は半径Ｒの半円形状に形成されている。各オリフィス８から噴射されたジェット流９は、各ターゲット１２の傾斜面１３の半円状先端部のほぼ中心位置（詳細には先端からの距離が２／Ｒの位置）に衝突し霧化されると共に、各ターゲット１２の先端とカバー部４との間から傾斜面１３の傾斜角Ｂに応じて外側に向かって噴霧される。この噴霧される微細水滴１４の噴霧角度は、傾斜面１３の傾斜角Ｂを調整することで調整可能となっている。
【００３４】
また、噴霧される微細水滴１４は、角度Ｗの広がりを持って噴霧されるため、カバー部４の先端部内壁には、先端に向かって内径が広がるようにテーパ部１５が設けられ、噴霧される微細水滴１４に干渉しないよう配慮されている。
【００３５】
なお、各オリフィス８とターゲット１２の傾斜面１３（衝突面）との距離は、あまり短いと跳ね返った微細水滴１４の一部がカバー部４の内壁やオリフィス部５に飛散し、粒の大きな水滴となり液垂れ現象が発生してしまう可能性がある。従って、小穴オリフィス８とターゲット１２の傾斜面１３との距離、即ち軸部７の長さは、こうした液垂れ現象が発生しない程度の距離とすることが望ましい。
【００３６】
次に、上記構成の本実施の形態によるガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル１００の動作を説明する。
図１において、図示しない配管から液体導入管部２内に導かれた高圧水１は、導入水整流部１０から流入し、オリフィス８を介して軸線方向に噴射される。各オリフィス８から噴射されたジェット流９は、その進路上にあるターゲット１２の傾斜面１３に衝突することで微細水滴化され、噴霧水滴９としてターゲット１２の先端とカバー部４との間の隙間から噴射（噴霧）される。
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上昇により出力が低下する傾向があるが、このような微細化された噴霧水滴９が、圧縮機上流側の吸気に噴霧されることで吸気が増潤され、その蒸発熱により吸気温度が低下し、吸気の質量流量が増加し、システムの増出力化を図ることができる。
【００３７】
以下、本実施の形態により得られる作用効果を順次説明する。
▲１▼液体導入管部、ノズル部、カバー部を一体構成したことの作用
図４は、高圧１流体ノズル１００を、例えば吸気配管等といった狭隘な気体流路に設置した状態を断面で表す図である。この図４において、高圧１流体ノズル１００は、先端部が吸気配管２０の内部に僅かに臨む状態でそのカバー部４と吸気配管２０の外周部とを全周溶接することにより、吸気配管２０に対して固定されている。そして、吸気は、高圧１流体ノズル１００から噴霧された微細水滴１４と共に吸気配管２０内を矢印２１方向に流れる。
【００３８】
このような狭隘な空間にノズルを設置する場合、吸気配管２０の流路内にノズル先端を臨ませなければならないため、ノズル自体が大きければ、それだけ流路内の流路抵抗が大きくなり、吸気の圧力損失が大きくなる。また、仮にカバー部４がない場合、高圧１流体ノズル１００は、液体導入管部２がノズル部３を吸気配管２０に対して溶接することになり、その先端が吸気配管２０内に大きく突出することになる。
【００３９】
それに対し、本実施の形態の高圧１流体ノズル１００は、液体導入管部２、ノズル部３、カバー部４を互いに溶接して一体的に構成することにより小型化（例えばカバー部４の径で約７ｍｍ程度）することができる。
【００４０】
また、上記高圧１流体ノズル１００は、先端にカバー部４を有しているので、カバー部４を吸気配管２０に対して溶接することで、その先端部が僅かに吸気配管２０内に臨む状態で固定することができ、設置しても吸気配管２０内で流路抵抗となることもほとんどなく、カバー部のないノズルを設置した場合と比べ、吸気の圧力損失を著しく低減することができる。
【００４１】
更に、ノズル部３がカバー部４で囲われているので、オリフィス８から噴射されるジェット流９がカバー部４により保護され、吸気の流れによってジェット流９に横方向への力が作用することがなく、各ジェット流９が、正確に対応するターゲット１２の既定位置に衝突し、吸気の低流速エリア、高流速エリアに関わらず、安定した噴霧水滴９の噴射状態を保つことができる。
【００４２】
また、ターゲット部６よりも下流側に何等構成部材がないため、ターゲット１２に衝突して噴霧された微細水滴１４が、噴霧後に何かの構成部材に衝突して水滴同士が付着し合って大粒化することがない。従って、微細水滴１４を、非常に小さな粒径を保ったまま圧縮機への吸気中に噴霧し、そこで効率的に気化させることができる。
【００４３】
▲２▼導入水整流部１０による作用
本実施の形態の高圧１流体霧化ノズル１００では、オリフィス８からのジェット流９は高速となるため上流側の流れが乱れると、これに影響を受け、噴出されるジェット流９は、細糸状の水単体の流れとはならず、空気の混入した太いものとなる。その結果、ジェット流９のターゲット１２への衝突範囲が広範囲となり、衝突エネルギーが分散するために、微細水滴１４として要求される水滴径が得られなくなる。
【００４４】
そこで、本実施の形態においては、オリフィス８の上流側に拡径された導入水整流部１０が設けられているため、直接オリフィス８に高圧水が導かれるよりも流路抵抗が小さくなり、オリフィス８へ導入される高圧水１がここで整流されるため、オリフィス８から空気混入量の少ない細糸状のジェット流９を噴出することができ、所望の水滴径の微細水滴１４を得ることができる。
【００４５】
▲３▼オリフィス８の放電加工による作用
仮に、オリフィス８をドリル加工で仕上た場合、オリフィス８の内壁面が粗面となり、ジェット流９に乱れが生じるため、空気が混入した太いジェット流９が噴射されてしまい、ターゲット１２に対する衝突部位が広範囲になり、衝突エネルギーが分散してしまう。
それに対し、先の図３（ａ）に模式的に示したように、本実施の形態では、オリフィス８は放電加工等で高精度に仕上加工されるため、オリフィス８の内壁面を、面粗度の非常に低い滑らかな面に仕上げることができる。従って、オリフィス８から噴射されるジェット流９を、ターゲット１２へのジェット流９の規定の衝突位置（即ちターゲット１２先端から距離Ｒ／２の位置）に正確に衝突させることができる。
【００４６】
なお、仮にオリフィス８をドリル加工する場合、ジェット流９が太くなるため、各オリフィス８のオリフィス部５における穿設位置をやや径方向内側にずらし、図３（ａ）に示したよりもターゲット１２先端位置より内側にジェット流９が衝突するようにすることが好ましい。
【００４７】
▲４▼カバー部４のテーパ部１５による作用
仮に、ターゲット１２に衝突した微細水滴１４がカバー部４に衝突すると、カバー部４に水滴が付着し噴霧水滴が大粒になると共に、液垂れが生じてしまう。また、カバー部４は、ジェット流９の側方を覆い、吸気流れの影響からジェット流９のターゲット１２への衝突位置が規定位置からずれることを防止するものであるため、その先端部の位置は最低限ノズル先端部５の先端位置に対応する位置となる。また、図１に示すように、カバー部４の先端位置は、ジェット流９がターゲット１２に衝突した後に発生する微細水滴１４に干渉しないように設ける必要がある。加えてカバー部４の外径は、そのまま高圧１流体霧化ノズル１００の最大径となるため、できるだけ小さい方が好ましい。
【００４８】
以上の条件を踏まえた上で、仮にカバー部４にテーパ部１５がない場合、微細水滴１４の噴霧幅Ｗに干渉しないように、ターゲット１２との間の間隙を大きく取らねばならず、それだけカバー部４の径を大きくしなければならなくなる。それに対し、本実施の形態においては、カバー部４先端部の内周側にテーパ部１５を設けてあるので、テーパ部１５がない場合と比べて小径のカバー部４を用いても、カバー部４が微細水滴１４に干渉しないようにすることができる。
【００４９】
▲５▼ターゲットの傾斜面１３による作用
本実施の形態においては、ターゲット１２の傾斜面１３の傾斜角度を変えることで微細水滴１４の噴霧角度を調整することができる。従って、予め要求される微細水滴１４の噴霧角度に応じ、各ターゲット１２の傾斜面１３の傾斜角度Ｂを調整することにより、要求の噴霧角度で微細水滴１４を噴霧することができる。また、各ターゲット１２の傾斜面１３の表面は、鏡面に近い程、形成される水膜が薄くなり微細水滴１４がより微細化される。従って、本実施の形態においては、傾斜面１３を鏡面仕上げすることにより、非常に粒径の小さな微細水滴１４を噴霧することができる。
【００５０】
▲６▼システム損失の抑制
ここで、図５は、噴霧水滴径分布を示すグラフで、横軸は噴霧分布中心からの半径方向距離、縦軸はザウター平均水滴径をそれぞれ表している。この図５において、曲線ａ，ｂはそれぞれ噴霧圧力が５ＭＰａ〜９ＭＰａ，４ＭＰａでの水滴分布、点線矢印は微細水滴の到達範囲の端部をそれぞれ示している。但し、測定位置はノズル先端から５０ｍｍの位置とした。
この図５に示すように、本実施の形態では、噴霧圧力５ＭＰａ〜９ＭＰａで噴霧することで、ザウター平均水滴径２０μｍ以下の微細水滴が噴霧できることが分かる。
【００５１】
また、図６は、４つのターゲットを備えた本実施の形態の高圧１流体霧化ノズル１００の流量特性を示すグラフで、横軸は噴霧圧力（ノズル内圧）、縦軸は噴霧水量をそれぞれ示している。但し、この図６は、噴霧圧力７ＭＰａが、ノズルの定格流量である場合を示している。
この図６に示すように、噴霧圧力５ＭＰａ〜９ＭＰａで噴霧水量が１．００Ｌ／ｍｉｎ〜１．３６Ｌ／ｍｉｎとなり、噴霧圧力を５ＭＰａ〜９ＭＰａの間で調整することにより、定格流量（７ＭＰａ）を中心に±１５％の噴霧水量の調整が可能であることが分かる。
【００５２】
以上のように、本実施の形態は、１流体霧化ノズルを採用し十分に微細化された微細水滴１４を噴霧することができる。従来の圧縮機からの抽気を必要とする２流体霧化ノズルを用いた場合、圧縮機からの抽気により全体の約２％相当の発電出力損失が生じるが、本実施の形態においては、圧縮機からの抽気を必要としないので、その分、ガスタービン発電システムのシステム損失が少なく、より高効率の運用が可能となる。例えば、本実施の形態の高圧１流体霧化ノズル１００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、高圧水１を圧送するための高圧ポンプの使用電力（例えば約２５キロワット程度）だけである。これは、圧縮機からの抽気を必要とする２流体霧化ノズルを使用する場合の使用電力（例えば約２メガワット程度）の約１．２５％であり、発電出力損失としては、全体の０．０２５％であって、従来の２流体霧化ノズルを使用した場合の発電出力損失（約２％）に比較して極めて少ない。
【００５３】
また、本実施の形態においては、ターゲット１２を複数（本実施の形態では４つ）設けたので、４本のジェット流９を同時に霧化することができ、１つのノズルで大量の微細水滴１４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共に、先に図４で説明したように、ノズルを小型にすることで吸入空気の流れ中に配置してもその空気流れに対する吸気圧力損失を減少させることができる。また、十分に微細化された微細水滴１４を噴霧することができるので、圧縮機の翼に対するエロージョンも回避できると共に、圧縮機内での蒸発が迅速に行われ気化潜熱による効果が効率的に得られ、熱効率が向上する。
【００５４】
以上のように、本実施の形態の高圧１流体霧化ノズル１００をガスタービン発電システムに設置した場合、発電効率を向上させることができる。
【００５５】
なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）にそれぞれ軸方向断面図及びこの軸方向断面図の右側から見た図を示したように、ターゲット１２を８つ設けた高圧１流体霧化ノズル２００の場合には、オリフィス８の口径が同じであれば、ターゲット１２が４つの高圧１流体霧化ノズル１００に比べて２倍の噴霧流量を得ることができる。先の図６において、高圧１流体霧化ノズル１００では、噴霧圧力を７ＭＰａとした場合、約１．１８Ｌ／ｍｉｎの水の噴霧ができることになるが、高圧１流体霧化ノズル２００では噴霧圧力が同じであれば、その倍の約２．３６Ｌ／ｍｉｎの流量を噴霧することができることになる。従って、図７の高圧１流体霧化ノズル２００のように、ターゲット数を増加させた場合、ノズル１個当りの噴霧流量が増加する分、ノズル設置数を低減させられるため、４ターゲットノズルである高圧１流体霧化ノズル１００と比しても、システムコストをより削減できると共に、吸入空気の流れ中に配置しても、配置数が少なくて済むため、空気流れに対する吸気圧力損失を更に減少させることができる。
【００５６】
▲７▼コーンコラップスの防止
噴霧水滴９は、各ターゲット１２の傾斜面１３に衝突し、軸方向に対して前方にほぼ角度Ｂ〜角度Ｂ＋Ｗ程度傾斜しつつも、それぞれ径方向外側に噴出されるため、全体的に見ると、円錐状でなく４角錐状（図７の高圧１流体霧化ノズル２００では８角錐状）に噴霧される。そのため、４方向（図７の場合８方向）に飛散する各噴霧水滴９間には間隙２２が形成され、この間隙２２を介することにより、各噴霧水滴９で形作られる角錐（噴霧領域）の中央部（内側）にある、各ターゲット部６前方空間に外気が流入する。噴霧雰囲気が高温、高圧の場合、噴霧水滴中に外気が流入しないと、しばしば噴霧領域の中央部が減圧され噴霧領域そのものが縮小してしまい、水滴同士が付着し合って噴霧水滴径が大きくなってしまう現象（コーンコラップス現象）が生じる場合がある。それに対し、本実施の形態においては、間隙２２を介して外気が噴霧領域内に流通するので、噴霧領域中の減圧領域の発生を抑制しコーンコラップス現象の発生を防止することができる。従って、本実施の形態は高温、高圧の雰囲気に噴霧する場合にも、十分に適用性を有する。
【００５７】
以上においては、本発明のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルの実施の形態について示したが、以下、以上の高圧１流体霧化ノズル１００（又は２００）を設置したガスタービン発電システムについて説明する。
【００５８】
図８は、本発明のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルを備えたガスタービン発電システムの概略構成図である。
この図８において、ガスタービン発電システムは、吸気３０を圧縮する圧縮機３１と、圧縮した空気に燃料を注入して燃焼させる燃焼器３２と、その燃焼ガスのエネルギーにより回転するタービン３３と、このタービン３３の回転により駆動されて電気を発生させる発電機３４と、圧縮機３１の入口に設置された空気室３５と、この空気室３５内に微細水滴１４を噴霧する噴霧システム３６を備えている。
【００５９】
ここで、燃焼器３２には、燃焼用のバーナ３７が設けられ、燃焼ガスは消音器３８を経由して外部に排気ガス３９として放出される。燃焼器３２には、燃料タンク４０に貯留された燃料が、燃料ポンプ４１によって吐出され供給される。この燃料供給系統の途中には、フィルタ４２が設けられており、供給燃料中の異物はこのフィルタ４２によって除去される。また、供給燃料の流量は、流量計４３によって検出され、この流量計４３の検出値を基に、図示しない制御装置等によって流量コントロール弁４４の開度調整を行うことにより、燃料流量が所望の値となるよう制御される。また、発電機３４には、変電設備を経由して電気を送電する送電端４５が接続されている。
【００６０】
噴霧システム３６においては、噴霧する水は、貯水タンク４７に貯水されており、この貯水タンク４７に接続された高圧ポンプ４８により吐出され、主供給管４９及びこれに接続した複数の分岐管５０、ヘッダー５１を介し、各ヘッダー５１に多数設けられた高圧１流体霧化ノズル１００（又は２００）から噴霧される。高圧ポンプ４８からの吐出圧力は、圧力センサ５２により検出され、この圧力センサ５２の検出値を基に圧力コントロール弁５３が制御されることにより、所望値に調整されるようになっている。また、主供給管４９中を流れる水の流量は、流量計５４によって検出され、この流量計５４の検出値を基に流量コントロール弁５５が作動することにより、所望値に制御されるようになっている。また、流量コントロール弁５５の下流側には、フィルタ５６が設けられており、このフィルタ５６によって主供給管４９中を流れる水に混入する異物を除去するようになっている。また、主供給管４９、分岐管５０には、それぞれ供給水圧力を検出する圧力センサ５７、ＯＮ／ＯＦＦモータ弁５８が設けられている。なお、空気室３５には噴霧した微細水滴１４の凝結水滴を排出するためのドレン弁５９が設置されている。
【００６１】
以上のように構成した本実施形態のガスタービン発電システムの運転に際しては、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、燃料供給系から燃料を燃焼器３２に供給し、燃焼用バーナ３７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３３からの排気ガス３９は、蒸気タービンのボイラ（図示せず）に流入させて再利用されるか、又は排ガス処理装置（図示せず）でＮＯｘ、ＳＯｘ等の除去を行い、大気に放出される。
【００６２】
また、空気室３５を通過して圧縮機３１に吸入される吸気３０は、噴霧システム３６の高圧１流体霧化ノズル１００（又は２００）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６０となり、圧縮機３１に流入する。この時、吸気３０の温度が下げられると同時に圧縮機３１に流入する流体の重量流量が増加する。
【００６３】
次に、吸気３０に含まれて圧縮機３１に流入する水滴の作用を示す。
圧縮機３１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３１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３１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３１の動力は、圧縮機３１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３１出口の作動流体温度が下がると、圧縮機３１の所要動力もそれにつれて低減することができる。従って、圧縮機３１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３１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流体霧化ノズル１００（又は２００）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。
【００６４】
圧縮機３１で加圧された作動流体は、燃焼器３２で燃料の燃焼により昇温された後タービン３３に流入して膨張し仕事を行う。この仕事はタービン３３の軸出力と呼ばれ、タービン３３の出入口作動流体のエンタルピ差に等しい。
【００６５】
燃料の投入量は、タービン３３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３３出入口の作動流体温度が、本発明の高圧１流体霧化ノズル１００（又は２００）設置前の値と等しくなるように燃焼器３２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３１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。
【００６６】
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３０の数パーセント程度であれば、タービン３３入口部の圧力と圧縮機３１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３３出口温度Ｔ４も変化しない。よって、タービン３３の軸出力は水滴注入の有無で変化しないことになる。
【００６７】
一方、タービン３３の正味出力は、タービン３３の出力から圧縮機３１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流体霧化ノズル１００（又は２００）により噴霧することで圧縮機３１の動力が低減した分だけタービン３３の正味出力を増すことができる。
【００６８】
ここで、噴霧済み吸気３０の温度をＴ１、圧縮機３１の出口の温度をＴ２、燃焼器３２の温度をＴ３、タービン３３出口温度をＴ４とすると、タービン３３の電気出力Ｅは、タービン３３の軸出力Ｃｐ（Ｔ３−Ｔ４）から圧縮機３１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３１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３１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。
【００６９】
一方、ガスタービン発電システムの効率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。
【００７０】
従って、本実施の形態のガスタービン発電システムによれば、高圧１流体霧化ノズル１００（又は２００）を複数備える噴霧システム３６により、圧縮機３１の吸気３０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。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、液体導入管部、ノズル部、カバー部を、例えば溶接等により接続し一体化することにより、小型化を図ることができる。これにより、設置スペースを省スペース化することができ、ノズル取付部での圧力損失を低減することができる。特に、カバー部を備えているので、吸気配管等に設置する場合、配管側部に対し、配管内に僅かに先端が臨む状態でカバー部を配管に溶接することにより、配管内へのノズル先端の突出部が著しく小さくでき、流路抵抗を極力抑えることもできる。また、圧縮機からの抽気を使用して液体の微細化を図る２流体ノズルと比較して、抽気を使用せずに微細液滴を噴霧することができる。従って、システム損失を極力抑えることができる。また、オリフィス及びこれに対応したターゲットを複数設けることにより、ノズル１つ当りの噴霧水量を増加させることができ、少数のノズルで大量の水を微細水滴に霧化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルの実施の形態の軸方向断面図、及びこの図の右側から見た図である。
【図２】ノズル部の概略構成を表す斜視図である。
【図３】図２のＡ部で示すターゲットの先端を拡大した正面図及び側面図である。
【図４】本発明のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルを、例えば吸気配管等といった狭隘な気体流路に設置した状態を断面で表す図である。
【図５】噴霧水滴径分布を示すグラフで、横軸は噴霧分布中心からの半径方向距離、縦軸はザウター平均水滴径をそれぞれ表している。
【図６】４つのターゲットを備えた本発明のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルの流量特性を示すグラフで、横軸は噴霧圧力（ノズル内圧）、縦軸は噴霧水量をそれぞれ示している。
【図７】８つのターゲットを備えた本発明のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルの実施の形態の軸方向断面図、及びこの図中右側から見た図である。
【図８】本発明のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルを備えたガスタービン発電システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１高圧水（高圧液体）
２液体導入管部
３ノズル部
４カバー部
８オリフィス
９ジェット流
１２ターゲット
１３傾斜面
１４微細液滴
３１圧縮機
３３タービン
１００ガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル
２００ガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output that sprays fine water droplets during intake into a compressor of a gas turbine power generation system, lowers temperature to increase intake density, and increases power generation output. .
[0002]
[Prior art]
In recent years, combined cycle power generation systems using gas turbines have been widely adopted from the viewpoint of overall thermal efficiency. However, the power generation system using such a gas turbine tends to have a lower output due to an increase in intake air temperature at a high temperature such as summer. In order to deal with the effects of such a rise in intake air temperature, spraying and increasing the amount of fine water droplets on the intake air upstream of the compressor suppresses the rise in intake air temperature due to the evaporation heat and further increases the mass flow rate. A method of obtaining an increased output is employed.
[0003]
There are the following proposals in the literature for output recovery and output improvement in summer.
First, as a one-fluid (single water) atomizing nozzle, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-303160 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-284585 disclose that water is sprayed at the discharge pressure of a water pump into an intake chamber upstream of a compressor. The structure which installed the 1 fluid water single atomization nozzle to perform is described. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-93692 describes a system using an air cooler using a heat exchanger and a one-fluid atomizing nozzle. As a one-fluid nozzle for spraying water alone, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-238365 has a configuration in which a one-fluid atomizing nozzle having a spray structure using a gas flow is arranged in a pipe for the purpose of increasing the gas flow. Are listed.
[0004]
On the other hand, at present, it is difficult to atomize a large amount of water with a single fluid atomizing nozzle using water alone (the water droplet diameter is set to about 20 μm or less on the Sauter average), and therefore, air is extracted from the compressor. In many cases, a two-fluid atomizing nozzle using air is employed. As those using the two-fluid (water-air) atomizing nozzle, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-236024, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-13486, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-72029, etc. A configuration is described in which a two-fluid spray nozzle is provided that atomizes and sprays water with the discharge pressure of the water pump and the air at the outlet of the compressor. Further, Japanese Patent Laid-Open No. 9-94487 discloses that a small amount of high-pressure water is ejected from one hole for indoor / outdoor space production or indoor / outdoor humidification, although it is not intake air humidification of a gas turbine power generation system. A structure in which a flat inclined surface is made to collide is described.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-9-303160
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-284485
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-93692
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-238365
[Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-236024
[Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-13486
[Patent Document 7]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-72029
[Patent Document 8]
JP-A-9-94487
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to suppress the gas turbine output decrease due to the rise in intake air temperature in summer, the following issues are encountered when spraying fine water droplets on the intake air upstream of the compressor using an atomizing nozzle. It is done.
[0007]
First, the purpose of using the atomizing nozzle is to prevent a decrease in turbine output in summer and the like, and system loss due to the use of the atomizing nozzle must be avoided as much as possible. Therefore, the first problem is to minimize the system loss due to the provision of the atomizing nozzle.
[0008]
Secondly, since the nozzle is installed in a limited space in the air chamber arranged at the compressor inlet, when the spray amount of the nozzle is small, in order to ensure the desired spray amount in total, The number of installations increases accordingly. As a result, not only is the cost high, but there is a possibility that air flow resistance will be generated and the amount of air flowing into the compressor will be reduced. Therefore, the second problem is to make it possible to atomize as much water as possible into small water droplets with a small size.
[0009]
Third, if the water droplet diameter is large, the airflow flowing into the compressor will not be satisfactorily applied, and if the water droplets flow into the compressor with large water droplets, erosion at the compressor blades will be caused. Furthermore, in this case, the evaporation in the compressor is delayed, the effect of vaporization latent heat is reduced, and the contribution to improving the thermal efficiency is reduced. That is, the third problem is that the size of the sprayed water droplets is 20 μm or less in terms of the Sauter average diameter. The Sauter average particle size is a general index representing the sprayed water particle size measured by the laser measurement method, and is usually used as the water droplet size.
[0010]
In response to the above problems, first, in the two-fluid atomizing nozzle, for example, when spraying an amount of 42 liters of water per hour, the amount of air used is 350 NL / min. The amount of water sprayed in the air chamber upstream of the compressor is about 1% in terms of the weight ratio of the spray water to the intake air. Accordingly, although the amount of water sprayed by the nozzles depends on the capacity of the gas turbine, a considerably large amount of water is required, and spraying is performed simultaneously using a large number of nozzles. For example, in a 100 megawatt gas turbine power generation system, when a two-fluid atomizing nozzle with a sprayed water amount of 42 liters per hour is used, about 200 nozzles are required and the amount of air used is 70 Nm.³/ Min. The loss caused by extracting the air used at this time from the compressor corresponds to about 2% of the output, which is a large output loss of about 2 megawatts in terms of electrical output. Therefore, a two-fluid atomizing nozzle for increasing the output of a gas turbine currently used and a two-fluid atomizing nozzle described in JP-A-9-236024, JP-A-11-13486, and JP-A-11-72029 Then, the first problem cannot be solved.
[0011]
On the other hand, JP-A-9-303160, JP-A-8-284665, and JP-A-11-93692 disclose a one-fluid atomizing nozzle, but there is no disclosure of a specific nozzle structure. It cannot be said that the second and third problems are achieved.
[0012]
Also, the one-fluid atomizing nozzle described in JP-A-10-238365 cannot achieve the second and third problems. That is, it is difficult to realize a large amount of fine water droplet spraying with the single-fluid atomizing nozzle having a spray structure described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-238365, and the water droplet size is reduced to 20 μm or less in terms of the Sauter average diameter. It is also difficult to do.
[0013]
Further, the one-fluid atomizing nozzle described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-94487 is not for increasing the output of a gas turbine. Even if this nozzle is applied for increasing the output of a gas turbine power generation system, a single spray atomizing nozzle is used. Since the amount is small, the required number of nozzles is increased, resulting in problems such as an increase in equipment cost and a decrease in the amount of air flowing into the compressor, and the second problem cannot be solved. In addition, when the nozzle is used in the intake air flow of a compressor having a wind speed of about 5 m / s in the air chamber, the air flow causes the support member (J-shaped bending pin) on the downstream side of the collision surface. The splashed water droplets hit each other, and the water droplets adhere to each other, resulting in an increase in water droplets having a Sauter average diameter of more than 20 μm. That is, as a result, the third problem cannot be solved.
[0014]
An object of the present invention is to provide a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output capable of atomizing a large amount of water into fine water droplets with a small size and minimal system loss.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  (1) AboveNoteIn order to achieve the objective, the present invention is installed in a gas turbine power generation system that rotates a turbine by combustion gas generated by burning intake air from a compressor together with fuel and converts the rotational energy of the turbine into electric energy. In a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for increasing output of a gas turbine that sprays liquid during intake of air into the compressor and lowers intake air temperature of the compressor and increases intake air density, a liquid introduction pipe portion that introduces high-pressure liquid; , A plurality of orifices for injecting high-pressure liquid from the liquid introduction pipe portion as jet streams in the axial direction, and a plurality of orifices that interfere with the jet streams ejected from the orifices and atomize the colliding jet streams to form fine droplets A gap through which the fine droplets pass between the nozzle portion having the target and the target so as not to interfere with the atomized fine droplets And a cylindrical cover portion that covers the circumferential direction of the nozzle portion as via integrally constituted formedThe number of the orifices and the corresponding targets corresponding to the required spray flow rate are provided, and the jet pressure of the jet flow is adjusted within a range of 5 MPa or more..
[0016]
In the present invention, each of the plurality of targets has an inclined surface inclined toward the tip of the target, and the jet flow of high-pressure liquid ejected from the orifice collides with the target inclined surface, so that the jet flow instantaneously becomes the Sauter average. The fine droplets that are atomized into fine droplets of 20 μm or less and bounce off the inclined surface are sprayed continuously from between the targets and the cover portion toward the outside of the nozzle. And in this invention, size reduction is achieved by connecting and integrating said liquid introduction pipe | tube part, a nozzle part, and a cover part by welding etc., for example.
[0017]
Further, even when the atomizing nozzle is installed in a narrow installation space such as an intake pipe, the atomizing nozzle includes the cover portion, so the atomizing nozzle is installed in a mounting hole drilled in the intake pipe. By inserting the tip and welding the cover to the intake pipe with the nozzle tip slightly facing the intake pipe, there is almost no flow resistance in the intake pipe at the tip of the nozzle, causing pressure loss of the intake. It can be suppressed as much as possible. Further, since the nozzle itself is miniaturized by adopting an integrated structure, the pressure loss is very small because the flow path resistance is small even if it is installed without taking up installation space. Furthermore, when considering the system loss of the gas turbine power generation system, since the present invention is a one-fluid atomizing nozzle, the system loss is extremely small compared to a two-fluid atomizing nozzle that requires extraction from the compressor. can do.
[0018]
  In addition, since there are a plurality of orifices and targets corresponding thereto, a large amount of spray water can be secured per nozzle as compared to the case where there is only one orifice and one target, and the number of installations is small. Even a large amount of water can be sprayed with fine water droplets.
  In addition, the inventors of the present application have found that in the atomization nozzle of the present invention, when the injection pressure is 5 MPa or more, the Sauter average water droplet diameter is approximately 20 μm or less. Therefore, according to the present invention, the spray flow rate can be easily adjusted while maintaining fine water droplets.
  (2) In order to achieve the above object, the present invention also provides a gas turbine that rotates a turbine by combustion gas generated by burning intake air from a compressor together with fuel, and converts the rotational energy of the turbine into electric energy. A high-pressure liquid is introduced into a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output that is installed in a power generation system and sprays liquid during intake of the compressor to lower the intake temperature of the compressor and increase the intake density. A liquid introduction pipe section, a plurality of orifices that inject high-pressure liquid from the liquid introduction pipe section as jet streams in the axial direction, and the jet streams ejected from the orifices, respectively. In order to prevent interference with the atomized fine liquid droplets and the nozzle part having a plurality of targets to be liquid droplets, the fine liquid And a cylindrical cover portion covering the circumferential direction of the nozzle portion so as to pass through a gap through which the nozzles pass, and the tip portions of the plurality of targets with which the jet flow collides are directed toward the tips. The inclined surface is inclined in the jet direction of the jet flow, and the inclined surface of the target is flat mirror-finished.
  In the case of the present invention, since the inclined surface of the target is mirror-finished flat, the thickness of the liquid film can be reduced and atomization into fine water droplets is promoted.
  (3) In order to achieve the above object, the present invention also provides a gas turbine for rotating a turbine by combustion gas generated by burning intake air from a compressor together with fuel, and converting the rotational energy of the turbine into electric energy. A high-pressure liquid is introduced into a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output that is installed in a power generation system and sprays liquid during intake of the compressor to lower the intake temperature of the compressor and increase the intake density. A liquid introduction pipe section, a plurality of orifices that inject high-pressure liquid from the liquid introduction pipe section as jet streams in the axial direction, and the jet streams ejected from the orifices, respectively. In order to prevent interference with the atomized fine liquid droplets and the nozzle part having a plurality of targets to be liquid droplets, the fine liquid And a cylindrical cover portion covering the circumferential direction of the nozzle portion so as to pass through a gap through which the nozzles pass, and the tip portions of the plurality of targets with which the jet flow collides are directed toward the tips. The inclined surface is inclined in the jet direction of the jet flow, and the inclined surface of the target has an inclination angle corresponding to a required spray angle of fine droplets.
  In the case of the present invention, since the inclined surface of the target has an inclination angle corresponding to the required spray angle of fine droplets, the spray range can be arbitrarily adjusted.
[0019]
  (4In (1) above, preferably, the tip portions of the plurality of targets with which the high-pressure liquid collides form an inclined surface inclined in the jet direction of the jet flow toward the tips.
[0020]
  (5) Above (2)To any of (4)Preferably, the tip end portion of the inclined surface is formed in a substantially semicircular shape, and the jet flow collides with a substantially central position of the substantially semicircular tip portion.
[0021]
According to the present invention, since the collision position of the jet flow on the inclined surface is substantially the center position of the semicircular target tip, the distance from the collision to the tearing of the liquid film becomes almost uniform, and the high pressure liquid is It can be atomized almost uniformly. At this time, since the cover portion is provided in the present invention, the jet flow from the orifice is covered even if the jet flow must be installed so that the jet flow direction is substantially perpendicular to the flow of the intake air. Since it is protected by the portion, the jet flow can be accurately collided with the substantially central position of the tip of the target without being influenced by the flow of the intake air, and a stable spray state can always be ensured.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is an axial sectional view of a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for increasing output of a gas turbine according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a view from the right side of FIG. FIG. 1A and 1B, a high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 according to the present embodiment includes a liquid introduction pipe section 2 that guides the high-pressure water 1 and the inside of the tip of the liquid introduction pipe section 2. And a cylindrical cover portion 4 fitted to the outside of the tip end of the liquid introduction tube portion 2 so as to surround the nozzle portion 3 from the circumferential direction. These liquid introduction tube portions 2, the nozzle part 3 and the cover part 4 are integrated by welding the nozzle part 3 and the cover part 4 to the liquid introduction pipe part 2 together.
[0029]
The liquid introduction pipe section 2 is connected to a pipe (not shown), and the high-pressure water 1 from the pipe is guided to the nozzle section 3. At this time, the connection structure between the pipe and the liquid introduction pipe portion 2 is not particularly limited. For example, a structure in which a screw portion is provided to connect each other via a nipple or the like may be used. It is good also as a connection structure via a coupling component. It is also conceivable to provide a filter for removing dust in the high-pressure water 1 in the liquid introduction pipe portion 2.
[0030]
FIG. 2 is a perspective view illustrating a schematic configuration of the nozzle unit 3.
As shown in FIG. 2 and FIG. 1A and FIG. 1B, the nozzle portion 3 is provided at the tip of the orifice portion 5 fitted to the liquid introduction tube portion 2 and the tip of the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100. It is comprised by the target part 6 located, and the axial part 7 which connects these orifice parts 5 and the target part 6. FIG.
[0031]
A plurality of (four in this example) axial directions of small-diameter orifices 8 are formed in the orifice portion 5 at substantially equal pitches in the circumferential direction. However, each orifice 8 needs to be finished with a machining accuracy as high as possible in order to make the jet stream 9 to be injected into a thin thread shape, and is preferably finished by, for example, electric discharge machining. Further, each orifice 8 is provided with an introduction water rectification unit 10 having an enlarged diameter on the upstream side facing the liquid introduction pipe unit 2. The set length of the introduced water rectifying unit 10 is preferably long.
[0032]
As shown in FIG. 2, the target portion 6 includes a base portion 11 connected to the orifice portion 5 via the shaft portion 7, and a plurality of (four in this example) radially projecting from the base portion 11. And the target 12. Each of these targets 12 is provided such that its tip part interferes with the jet flow 9 ejected from each orifice 8.
[0033]
FIGS. 3A and 3B are a front view and a side view, respectively, in which the tip of the target 12 indicated by part A in FIG. 2 is enlarged.
As shown in FIG. 3A and FIG. 3B, an inclined surface 13 that is inclined by an angle B with respect to the axial direction is provided at the tip of the target 12. The inclined surface 13 is mirror-finished flat, and its tip is formed in a semicircular shape with a radius R. The jet stream 9 ejected from each orifice 8 collides with the substantially central position (specifically, the distance from the tip is 2 / R) of the semicircular tip of the inclined surface 13 of each target 12 and is atomized. At the same time, spraying is performed outward from between the tip of each target 12 and the cover portion 4 according to the inclination angle B of the inclined surface 13. The spray angle of the fine water droplets 14 to be sprayed can be adjusted by adjusting the tilt angle B of the tilted surface 13.
[0034]
Further, since the fine water droplets 14 to be sprayed are sprayed with a spread of an angle W, a tapered portion 15 is provided on the inner wall of the distal end portion of the cover portion 4 so that the inner diameter spreads toward the distal end. Consideration is made so as not to interfere with the fine water droplets 14.
[0035]
If the distance between each orifice 8 and the inclined surface 13 (collision surface) of the target 12 is too short, a part of the fine water droplet 14 that has bounced off is scattered on the inner wall of the cover portion 4 or the orifice portion 5, resulting in a water droplet having a large particle size. This may cause a dripping phenomenon. Therefore, it is desirable that the distance between the small hole orifice 8 and the inclined surface 13 of the target 12, that is, the length of the shaft portion 7, be a distance that does not cause such a liquid dripping phenomenon.
[0036]
Next, the operation of the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 for increasing output of the gas turbine according to the present embodiment having the above-described configuration will be described.
In FIG. 1, the high-pressure water 1 introduced into the liquid introduction pipe portion 2 from a pipe (not shown) flows from the introduction water rectification portion 10 and is jetted in the axial direction through the orifice 8. The jet stream 9 ejected from each orifice 8 is made into fine water droplets by colliding with the inclined surface 13 of the target 12 on the path, and the gap between the tip of the target 12 and the cover portion 4 as the sprayed water droplet 9. Is sprayed (sprayed).
The power generation system using a gas turbine has a tendency that the output decreases due to an increase in the intake air temperature when the temperature is high such as in summer, but such atomized water droplets 9 are sprayed on the intake air upstream of the compressor. As a result, the intake air is increased and the heat of evaporation lowers the intake air temperature, increasing the mass flow rate of the intake air and increasing the output of the system.
[0037]
Hereinafter, the operational effects obtained by the present embodiment will be sequentially described.
(1) The effect of integrally configuring the liquid introduction pipe, nozzle and cover
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state where the high-pressure one-fluid nozzle 100 is installed in a narrow gas flow path such as an intake pipe. In FIG. 4, the high pressure one-fluid nozzle 100 is welded to the intake pipe 20 by welding the cover part 4 and the outer periphery of the intake pipe 20 with the tip part slightly facing the inside of the intake pipe 20. It is fixed against. Then, the intake air flows in the direction of the arrow 21 in the intake pipe 20 together with the fine water droplets 14 sprayed from the high-pressure one-fluid nozzle 100.
[0038]
When a nozzle is installed in such a narrow space, the tip of the nozzle must face the flow path of the intake pipe 20, so that the larger the nozzle itself, the greater the flow resistance in the flow path, The pressure loss increases. Further, if the cover portion 4 is not provided, the high-pressure one-fluid nozzle 100 is such that the liquid introduction pipe portion 2 welds the nozzle portion 3 to the intake pipe 20, and the tip protrudes greatly into the intake pipe 20. It will be.
[0039]
On the other hand, the high-pressure one-fluid nozzle 100 of the present embodiment is reduced in size (for example, with the diameter of the cover portion 4) by integrally forming the liquid introduction pipe portion 2, the nozzle portion 3, and the cover portion 4 by welding them together. About 7 mm).
[0040]
Further, since the high-pressure one-fluid nozzle 100 has the cover portion 4 at the tip, the tip portion slightly faces the intake pipe 20 by welding the cover portion 4 to the intake pipe 20. Even if installed, there is almost no flow resistance in the intake pipe 20, and the pressure loss of the intake can be remarkably reduced as compared with the case where a nozzle without a cover is installed.
[0041]
Furthermore, since the nozzle part 3 is surrounded by the cover part 4, the jet flow 9 injected from the orifice 8 is protected by the cover part 4, and a lateral force acts on the jet flow 9 by the flow of the intake air. Therefore, each jet stream 9 collides with a predetermined position of the target 12 precisely corresponding to each other, and a stable spray state of the sprayed water droplets 9 can be maintained regardless of the low flow velocity area and the high flow velocity area of the intake air.
[0042]
Further, since there are no components on the downstream side of the target portion 6, the fine water droplets 14 that are sprayed by colliding with the target 12 collide with some components after spraying and the water droplets adhere to each other to form large particles. It will not become. Therefore, the fine water droplets 14 can be sprayed in the intake air to the compressor while maintaining a very small particle diameter, and can be efficiently vaporized there.
[0043]
(2) Action by the introduced water rectification unit 10
In the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 of the present embodiment, the jet flow 9 from the orifice 8 becomes high speed, and therefore, when the upstream flow is disturbed, the jet flow 9 is affected by this, and the jet flow 9 to be ejected is a fine thread shape. It does not flow in the form of water alone, but becomes thick with air. As a result, the collision range of the jet stream 9 on the target 12 becomes wide and the collision energy is dispersed, so that the water droplet diameter required as the fine water droplet 14 cannot be obtained.
[0044]
Therefore, in the present embodiment, since the introduction water rectification unit 10 having an enlarged diameter is provided on the upstream side of the orifice 8, the flow resistance becomes smaller than that in which high pressure water is directly guided to the orifice 8, and the orifice Since the high-pressure water 1 introduced into the water 8 is rectified here, a fine-filament jet stream 9 with a small amount of air can be ejected from the orifice 8 and fine water droplets 14 having a desired water droplet diameter can be obtained. .
[0045]
(3) Action by electric discharge machining of orifice 8
If the orifice 8 is finished by drilling, the inner wall surface of the orifice 8 becomes rough, and the jet stream 9 is disturbed. Therefore, a thick jet stream 9 in which air is mixed is injected, and a collision site with respect to the target 12 is generated. Becomes a wide range, and the collision energy is dispersed.
On the other hand, as schematically shown in FIG. 3A, in the present embodiment, the orifice 8 is finished with high precision by electric discharge machining or the like, so that the inner wall surface of the orifice 8 is roughened. A smooth surface with a very low degree can be finished. Therefore, the jet stream 9 ejected from the orifice 8 can be accurately collided with a predetermined collision position of the jet stream 9 to the target 12 (that is, a position at a distance R / 2 from the tip of the target 12).
[0046]
If the orifice 8 is drilled, since the jet stream 9 becomes thick, the drilling position of each orifice 8 in the orifice portion 5 is slightly shifted inward in the radial direction, and the tip end of the target 12 than shown in FIG. It is preferable to make the jet stream 9 collide with the inside of the position.
[0047]
(4) Action by the taper portion 15 of the cover portion 4
If the fine water droplet 14 colliding with the target 12 collides with the cover portion 4, the water droplet adheres to the cover portion 4 and the sprayed water droplet becomes large and liquid dripping occurs. Further, the cover 4 covers the side of the jet flow 9 and prevents the collision position of the jet flow 9 on the target 12 from being shifted from the specified position due to the influence of the intake air flow. Is a position corresponding to the tip position of the nozzle tip 5 at a minimum. Further, as shown in FIG. 1, the front end position of the cover portion 4 needs to be provided so as not to interfere with the fine water droplets 14 generated after the jet stream 9 collides with the target 12. In addition, since the outer diameter of the cover part 4 becomes the maximum diameter of the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 as it is, the smaller one is preferable.
[0048]
In consideration of the above conditions, if the cover portion 4 does not have the taper portion 15, the gap between the target 12 and the target 12 must be made large so as not to interfere with the spray width W of the fine water droplets 14, and the cover is covered accordingly. The diameter of the part 4 must be increased. On the other hand, in the present embodiment, since the tapered portion 15 is provided on the inner peripheral side of the front end portion of the cover portion 4, even if the cover portion 4 having a small diameter is used compared to the case without the tapered portion 15, the cover portion It is possible to prevent 4 from interfering with the fine water droplets 14.
[0049]
(5) Action by the inclined surface 13 of the target
In the present embodiment, the spray angle of the fine water droplets 14 can be adjusted by changing the inclination angle of the inclined surface 13 of the target 12. Therefore, the fine water droplets 14 can be sprayed at the required spray angle by adjusting the tilt angle B of the inclined surface 13 of each target 12 according to the spray angle of the fine water droplets 14 required in advance. Further, the closer the surface of the inclined surface 13 of each target 12 is to a mirror surface, the thinner the water film that is formed and the finer the water droplets 14 become. Therefore, in the present embodiment, the fine water droplets 14 having a very small particle diameter can be sprayed by mirror-finishing the inclined surface 13.
[0050]
(6) Suppress system loss
Here, FIG. 5 is a graph showing the spray water droplet size distribution, in which the horizontal axis represents the radial distance from the center of the spray distribution, and the vertical axis represents the Sauter average water droplet size. In FIG. 5, curves a and b indicate the water droplet distribution when the spray pressure is 5 MPa to 9 MPa and 4 MPa, respectively, and the dotted arrows indicate the end of the reach range of the fine water droplets. However, the measurement position was 50 mm from the nozzle tip.
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, it is understood that fine water droplets having a Sauter average water droplet diameter of 20 μm or less can be sprayed by spraying at a spray pressure of 5 MPa to 9 MPa.
[0051]
FIG. 6 is a graph showing the flow characteristics of the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 according to the present embodiment having four targets. The horizontal axis represents the spray pressure (nozzle internal pressure), and the vertical axis represents the amount of spray water. ing. However, FIG. 6 shows a case where the spray pressure of 7 MPa is the rated flow rate of the nozzle.
As shown in FIG. 6, when the spray pressure is 5 MPa to 9 MPa, the amount of spray water becomes 1.00 L / min to 1.36 L / min, and the rated flow rate (7 MPa) is adjusted by adjusting the spray pressure between 5 MPa and 9 MPa. It can be seen that the spray water amount can be adjusted to ± 15% in the center.
[0052]
As described above, the present embodiment employs a one-fluid atomizing nozzle and can spray fine water droplets 14 that are sufficiently miniaturized. When a two-fluid atomizing nozzle that requires extraction from a conventional compressor is used, power generation output loss corresponding to about 2% of the total is generated by extraction from the compressor. In this embodiment, the compressor Therefore, there is little system loss of the gas turbine power generation system, and more efficient operation is possible. For example, the output loss when the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 of the present embodiment is used in a 100 megawatt gas turbine power generation system is the power used by the high-pressure pump for pumping the high-pressure water 1 (for example, about 25 kilowatts). ) Only. This is about 1.25% of the electric power used (for example, about 2 megawatts) when using a two-fluid atomizing nozzle that requires bleed air from the compressor. 025%, which is very small compared to the power generation output loss (about 2%) when the conventional two-fluid atomizing nozzle is used.
[0053]
In this embodiment, since a plurality of targets 12 (four in this embodiment) are provided, four jet streams 9 can be atomized simultaneously, and a large number of fine water droplets 14 can be obtained with one nozzle. Is obtained. As a result, the number of nozzles installed can be reduced, the system cost can be reduced, and the intake pressure relative to the air flow can be reduced even if the nozzle is arranged in the flow of intake air as described in FIG. Loss can be reduced. In addition, since sufficiently fine water droplets 14 can be sprayed, erosion of the blades of the compressor can be avoided, and evaporation within the compressor can be performed quickly, and the effect of latent heat of vaporization can be obtained efficiently. , Improve thermal efficiency.
[0054]
As described above, when the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 of the present embodiment is installed in a gas turbine power generation system, power generation efficiency can be improved.
[0055]
7 (a) and 7 (b), respectively, a high-pressure one-fluid atomizing nozzle provided with eight targets 12, as shown in an axial sectional view and a view seen from the right side of the axial sectional view, respectively. In the case of 200, if the orifice 8 has the same diameter, the target 12 can obtain a spray flow rate twice that of the four high-pressure one-fluid atomizing nozzles 100. In FIG. 6, when the spray pressure is 7 MPa, the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 can spray about 1.18 L / min of water. If it is the same, it is possible to spray a flow rate of about 2.36 L / min. Accordingly, when the number of targets is increased as in the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 200 of FIG. 7, the number of nozzles can be reduced by the amount of increase in the spray flow rate per nozzle, so that there are four target nozzles. Compared with the high-pressure single-fluid atomizing nozzle 100, the system cost can be further reduced, and even if it is arranged in the flow of intake air, the number of arrangements can be reduced, so that the intake pressure loss with respect to the air flow is further reduced. be able to.
[0056]
▲ 7 ▼ Prevention of corn collapse
The sprayed water droplets 9 collide with the inclined surfaces 13 of the respective targets 12 and are each ejected outward in the radial direction while being inclined about the angle B to the angle B + W forward with respect to the axial direction. , Sprayed in a quadrangular pyramid shape (in the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 200 of FIG. 7, an octagonal pyramid shape) instead of a conical shape. Therefore, a gap 22 is formed between each sprayed water droplet 9 that scatters in four directions (eight directions in the case of FIG. 7), and the center of the pyramid (spray region) formed by each sprayed water droplet 9 is formed through this gap 22. Outside air flows into the space in front of each target portion 6 in the portion (inner side). When the spray atmosphere is high temperature and high pressure, if the outside air does not flow into the spray water droplets, the central part of the spray region is often decompressed and the spray region itself shrinks, and the water droplets adhere to each other and the spray water droplet diameter increases. May occur (cone collapse phenomenon). On the other hand, in the present embodiment, since the outside air circulates in the spray region through the gap 22, it is possible to suppress the occurrence of the decompression region in the spray region and prevent the occurrence of the cone collapse phenomenon. Therefore, this embodiment has sufficient applicability even when sprayed in a high temperature and high pressure atmosphere.
[0057]
In the above, although the embodiment of the high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output of the present invention has been shown, hereinafter, the gas turbine power generation system in which the above-described high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 (or 200) is installed. explain.
[0058]
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a gas turbine power generation system including the high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output according to the present invention.
In FIG. 8, a gas turbine power generation system includes a compressor 31 that compresses intake air 30, a combustor 32 that injects fuel into the compressed air and burns, a turbine 33 that rotates by the energy of the combustion gas, A generator 34 that is driven by the rotation of the turbine 33 to generate electricity, an air chamber 35 installed at the inlet of the compressor 31, and a spray system 36 that sprays the fine water droplets 14 into the air chamber 35 are provided. .
[0059]
Here, the combustor 32 is provided with a burner 37 for combustion, and the combustion gas is discharged to the outside as an exhaust gas 39 via a silencer 38. The fuel stored in the fuel tank 40 is discharged and supplied to the combustor 32 by the fuel pump 41. A filter 42 is provided in the middle of the fuel supply system, and foreign matters in the supplied fuel are removed by the filter 42. Further, the flow rate of the supplied fuel is detected by the flow meter 43, and based on the detected value of the flow meter 43, the opening amount of the flow rate control valve 44 is adjusted by a control device (not shown) or the like, so that the fuel flow rate is desired. Controlled to be a value. The power generator 34 is connected to a power transmission end 45 that transmits electricity via a substation facility.
[0060]
In the spray system 36, water to be sprayed is stored in a water storage tank 47, discharged by a high-pressure pump 48 connected to the water storage tank 47, and a main supply pipe 49 and a plurality of branch pipes 50 connected thereto. It sprays from the high pressure 1 fluid atomization nozzle 100 (or 200) provided in each header 51 through the header 51. FIG. The discharge pressure from the high-pressure pump 48 is detected by the pressure sensor 52, and the pressure control valve 53 is controlled based on the detection value of the pressure sensor 52, so that the discharge pressure is adjusted to a desired value. The flow rate of water flowing through the main supply pipe 49 is detected by the flow meter 54, and the flow rate control valve 55 is operated based on the detected value of the flow meter 54, so that the flow rate is controlled to a desired value. ing. A filter 56 is provided on the downstream side of the flow rate control valve 55, and foreign matters mixed in the water flowing in the main supply pipe 49 are removed by the filter 56. The main supply pipe 49 and the branch pipe 50 are provided with a pressure sensor 57 and an ON / OFF motor valve 58 for detecting the supply water pressure, respectively. The air chamber 35 is provided with a drain valve 59 for discharging condensed water droplets of the sprayed fine water droplets 14.
[0061]
In operation of the gas turbine power generation system of the present embodiment configured as described above, first, a motor (not shown), which is a separate facility, is rotated in an initial state, and fuel is supplied from the fuel supply system to the combustor 32. The combustion burner 37 ignites and burns. When the steady state is reached, the motor, which is another facility, is disconnected and the combustion is continued to maintain the steady operation state. The exhaust gas 39 from the turbine 33 flows into a steam turbine boiler (not shown) and is reused, or NOx, SOx, etc. are removed by an exhaust gas treatment device (not shown) and released to the atmosphere. Is done.
[0062]
Further, the intake air 30 that is sucked into the compressor 31 through the air chamber 35 includes the fine water droplets 14 sprayed from the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 (or 200) of the spray system 36, and the spray has an increased density. It becomes the finished intake air 60 and flows into the compressor 31. At this time, the weight flow rate of the fluid flowing into the compressor 31 increases simultaneously with the temperature of the intake air 30 being lowered.
[0063]
Next, the action of water droplets included in the intake air 30 and flowing into the compressor 31 will be described.
Water droplets flowing into the compressor 31 increase the weight flow rate of the working fluid and are vaporized in the compressor 31. The working fluid is further subjected to adiabatic compression when vaporization is completed. At that time, the constant-pressure specific heat of water vapor is about twice that of air in the vicinity of the typical temperature (about 300 ° C.) in the compressor 31, and the heat capacity is about twice as much as the weight of water droplets vaporized in terms of air. Equivalent to increased working fluid. The power of the compressor 31 is equal to the enthalpy difference of the working fluid at the inlet / outlet of the compressor 31 and the enthalpy of the working fluid is proportional to the temperature. Therefore, when the working fluid temperature at the outlet of the compressor 31 decreases, the required power of the compressor 31 also increases. It can be reduced accordingly. Therefore, it is important for efficiency improvement to keep the temperature of the outlet of the compressor 31 low by making the particle diameter of the water droplets flowing into the compressor 31 as small as possible and vaporizing as early as possible. The above-described high-pressure single-fluid atomizing nozzle 100 (or 200) according to the present invention is effective because the sprayed water droplet diameter can be reduced to about 20 μm or less.
[0064]
The working fluid pressurized by the compressor 31 is heated by combustion of fuel in the combustor 32 and then flows into the turbine 33 to expand and work. This work is called the axial output of the turbine 33 and is equal to the enthalpy difference of the inlet / outlet working fluid of the turbine 33.
[0065]
The amount of fuel input is controlled so that the gas temperature at the inlet of the turbine 33 does not exceed a predetermined temperature. For example, the fuel amount to the combustor 32 is controlled so that the working fluid temperature at the inlet / outlet of the turbine 33 becomes equal to the value before the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 (or 200) of the present invention is installed. When such constant combustion temperature control is performed, the amount of fuel input is increased by the amount that the temperature at the outlet of the compressor 31 is lowered due to the spray water droplets as described above.
[0066]
Further, if the combustion temperature is constant and the weight ratio of the inflowing water droplets is about several percent of the sprayed intake air 30, the pressure at the inlet of the turbine 33 and the outlet pressure of the compressor 31 do not change approximately depending on whether water droplets are injected or not. The turbine outlet temperature T4 does not change. Therefore, the shaft output of the turbine 33 does not change with or without water droplet injection.
[0067]
On the other hand, since the net output of the turbine 33 is obtained by subtracting the power of the compressor 31 from the output of the turbine 33, the compressor is finally sprayed by the high-pressure one-fluid atomizing nozzle 100 (or 200) of the present invention. The net output of the turbine 33 can be increased by the amount by which the power of 31 is reduced.
[0068]
Here, assuming that the temperature of the sprayed intake air 30 is T1, the outlet temperature of the compressor 31 is T2, the temperature of the combustor 32 is T3, and the outlet temperature of the turbine 33 is T4, the electrical output E of the turbine 33 is It is obtained by subtracting the work Cp (T2-T1) of the compressor 31 from the shaft output Cp (T3-T4), and is approximately expressed by the following equation.
E = (T3-T4)-(T2-T1) (1)
Normally, the combustion temperature T3 is operated so as to be constant. Therefore, when the outlet temperature T2 of the compressor 31 is lowered to T2 ′ due to the injection of water droplets, the increased output Cp (T2 equivalent to the reduced work of the compressor 31 is obtained. -T2 ') is obtained.
[0069]
On the other hand, the efficiency η of the gas turbine power generation system is approximately given by the following equation.
η = 1- (T4-T1) / (T3-T2) (2)
From this, since T2 '<T2, the second term on the right-hand side becomes small, so that the efficiency is improved by water droplet injection.
[0070]
Therefore, according to the gas turbine power generation system of the present embodiment, a large amount of fine water droplets are sprayed to the intake air 30 of the compressor 31 by the spray system 36 including a plurality of high-pressure one-fluid atomizing nozzles 100 (or 200). Therefore, it is possible to suppress a decrease in gas turbine output accompanying an increase in intake air temperature in summer. As a result, it is possible to avoid a decrease in output due to a rise in intake air temperature in the summer of the gas turbine power generation system, so that highly efficient operation is possible regardless of the season.
[0071]
【The invention's effect】
According to the present invention, the liquid introduction tube portion, the nozzle portion, and the cover portion can be reduced in size by connecting and integrating them, for example, by welding or the like. Thereby, an installation space can be saved and the pressure loss in a nozzle attachment part can be reduced. In particular, since it is equipped with a cover, when installing in an intake pipe, etc., the nozzle tip into the pipe is welded to the pipe with the cover facing the pipe slightly with the tip facing the pipe side. The projecting portion can be made extremely small, and the flow path resistance can be suppressed as much as possible. Further, compared with a two-fluid nozzle that uses a bleed air from a compressor to make the liquid finer, fine droplets can be sprayed without using the bleed air. Therefore, system loss can be suppressed as much as possible. In addition, by providing a plurality of orifices and targets corresponding thereto, the amount of spray water per nozzle can be increased, and a large amount of water can be atomized into fine water droplets with a small number of nozzles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an axial sectional view of an embodiment of a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output according to the present invention, and a diagram viewed from the right side of the figure.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a nozzle portion.
FIGS. 3A and 3B are a front view and a side view in which a tip of a target shown by part A in FIG. 2 is enlarged.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which the high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output according to the present invention is installed in a narrow gas flow path such as an intake pipe.
FIG. 5 is a graph showing the sprayed water droplet size distribution, wherein the horizontal axis represents the radial distance from the spray distribution center, and the vertical axis represents the Sauter average water droplet size.
FIG. 6 is a graph showing the flow characteristics of a high-pressure single-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output according to the present invention having four targets, where the horizontal axis indicates the spray pressure (nozzle internal pressure) and the vertical axis indicates the amount of spray water. ing.
FIG. 7 is an axial sectional view of an embodiment of a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output according to the present invention having eight targets, and a diagram viewed from the right side in the figure.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a gas turbine power generation system including a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 High-pressure water (high-pressure liquid)
2 Liquid inlet tube
3 Nozzle part
4 Cover part
8 Orifice
9 Jet flow
12 Target
13 Inclined surface
14 Fine droplets
31 Compressor
33 Turbine
100 High-pressure 1-fluid atomizing nozzle for gas turbine increased output
200 High-pressure 1-fluid atomizing nozzle for increased output of gas turbine

Claims

It is installed in a gas turbine power generation system that rotates a turbine by combustion gas generated by combusting intake air from a compressor together with fuel, and converts the rotational energy of the turbine into electric energy, and liquid is introduced into the intake air to the compressor. In a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output that sprays and lowers the intake air temperature of the compressor and increases the intake air density,
A liquid introduction pipe section for introducing a high-pressure liquid, a plurality of orifices for injecting the high-pressure liquid from the liquid introduction pipe section as a jet flow in the axial direction, and a jet colliding with and colliding with the jet flow ejected from each orifice The nozzle unit having a plurality of targets that atomize the flow to form fine droplets and the nozzle unit through a gap through which the fine droplets pass between the target and the target so as not to interfere with the atomized fine droplets A cylindrical cover part covering the circumferential direction of
The number of the orifices and the corresponding targets corresponding to the required spray flow rate is provided, and the jet pressure of the jet flow is adjusted within a range of 5 MPa or more, and the high pressure for increasing the gas turbine output power 1 fluid atomizing nozzle.

It is installed in a gas turbine power generation system that rotates a turbine by combustion gas generated by combusting intake air from a compressor together with fuel, and converts the rotational energy of the turbine into electric energy, and liquid is introduced into the intake air to the compressor. In a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output that sprays and lowers the intake air temperature of the compressor and increases the intake air density,
A liquid introduction pipe section for introducing a high-pressure liquid, a plurality of orifices for injecting the high-pressure liquid from the liquid introduction pipe section as a jet flow in the axial direction, and a jet colliding with and colliding with the jet flow ejected from each orifice The nozzle unit having a plurality of targets that atomize the flow to form fine droplets and the nozzle unit through a gap through which the fine droplets pass between the target and the target so as not to interfere with the atomized fine droplets A cylindrical cover part covering the circumferential direction of
The tip portions of the plurality of targets with which the jet flow collides are inclined surfaces inclined in the jet direction of the jet flow toward the tips,
A high-pressure one-fluid atomizing nozzle for increasing output of a gas turbine, wherein the inclined surface of the target is mirror-finished flat.

It is installed in a gas turbine power generation system that rotates a turbine by combustion gas generated by combusting intake air from a compressor together with fuel, and converts the rotational energy of the turbine into electric energy, and liquid is introduced into the intake air to the compressor. In a high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output that sprays and lowers the intake air temperature of the compressor and increases the intake air density,
A liquid introduction pipe section for introducing a high-pressure liquid, a plurality of orifices for injecting the high-pressure liquid from the liquid introduction pipe section as a jet flow in the axial direction, and a jet colliding with and colliding with the jet flow ejected from each orifice The nozzle unit having a plurality of targets that atomize the flow to form fine droplets and the nozzle unit through a gap through which the fine droplets pass between the target and the target so as not to interfere with the atomized fine droplets A cylindrical cover part covering the circumferential direction of
The tip portions of the plurality of targets with which the jet flow collides are inclined surfaces inclined in the jet direction of the jet flow toward the tips,
An inclined surface of the target has an inclination angle corresponding to a required spray angle of fine droplets.

2. The high-pressure one-fluid atomization nozzle for gas turbine increase output according to claim 1, wherein tip ends of the plurality of targets with which the jet flow collides are inclined surfaces inclined in the jet direction of the jet flow toward the tip. A high-pressure one-fluid atomizing nozzle for increasing output of a gas turbine, characterized in that

5. The high-pressure one-fluid atomizing nozzle for gas turbine increase output according to claim 2, wherein a tip portion of the inclined surface is formed in a substantially semicircular shape, and the jet flow has a substantially semicircular shape. A high-pressure one-fluid atomizing nozzle for increasing output of a gas turbine, which collides with a substantially central position of a tip portion.