JP3929874B2 - ガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル - Google Patents
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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７０Ｎｍ３／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
【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７０Ｎｍ３／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
Claims (5)
- 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ガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル。 - 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ガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル。 - 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ガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル。 - 請求項１記載のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルにおいて、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いることを特徴とするガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル。
- 請求項２〜４のいずれかに記載のガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズルにおいて、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ことを特徴とするガスタービン増出力用高圧１流体霧化ノズル。
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