JP4049893B2 - 圧力噴霧化ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼技術分野に係わる。本発明は圧力噴霧化ノズルであって、混合室を備えたノズル体を有し、該ノズル体がノズル孔を介して外室と接続されている形式のものに関する。ノズル体は噴霧化しようとする液体のための第１の供給通路を有し、この供給通路を通って前記液体が圧力下で、かつ旋回流なしで前記室に供給可能である。ノズル体の前記室内には噴霧化しようとする液体の一部のため又は噴霧化しようとする第２の液体のための別の供給通路が開口しており、この別の供給通路を通って前記液体の１部又は第２の液体が圧力下でかつ旋回流を伴って供給可能である形式のものに関する。このようなノズルは例えばＤＥ／９６０８３４９．４号明細書により公知である。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼させられる油が機械的に細かく分散させられる噴霧化バーナは公知である。約１０〜４００μｍの直径を有する細かい小滴（油霧）が形成され、この小滴は燃焼空気と混合させられて火炎において気化されかつ燃焼させられる。圧力噴霧化器（Lueger-Lexikon der Technik, Verlags-Anstalt Stuttgart, １９６５、巻７、頁６００参照）においては、オイルポンプにより油は高圧で噴霧化ノズルに供給される。ほぼ接線方向に延びるスリットを介して油は旋回流室に達し、ノズル孔を介してノズルから噴射される。これにより、油滴は２つの運動成分、軸方向と半径方向の運動成分を有することになる。回転する中空円筒体としてノズル孔から出る油膜は遠心力に基づき中空円錘体として拡がる。該中空円錘体の縁は不安定な振動に晒されかつ小さな油滴に分散させられる。噴霧化された油は開き角が多かれ少なかれ大きい円錘体を形成する。
【０００３】
しかしながら、最近の燃焼室、例えば原理的な構造がＥＰ０３２１８０９Ｂ１号明細書に記載されているダブルコーン型構造の前混合バーナにおいて鉱物性燃料を少ない有害物質で燃焼させる場合には、液状の燃料の噴霧化に対する特別な要求が課される。
【０００４】
この要求とは主として以下の通りである。
【０００５】
1. 油滴が燃焼の前に完全に気化するためには油滴の大きさは小さいものでなければならない。
【０００６】
2. 油霧の開き角（拡がり角）は特に高められた圧力のもとで燃焼させる場合には小さいものでなければならない。
【０００７】
3. 気化燃料が火炎フロントに達する前に燃焼空気と完全に前混合されるように、圧縮された燃焼空気質量流内にできるだけ十分な深さで侵入できるためには、油滴は高い速度と高いインパルスを有していなければならない。
【０００８】
このためには、約１００バールまでの圧力を有する公知の構造形式を有する、空気援助された噴霧化器及び旋回流ノズル（圧力噴霧化器）はほとんど適さない。何故ならばこれらのノズルもしくは噴霧化器は小さな拡がり角を可能にせず、噴霧化質が制限されておりかつ油滴スプレーのインパルスがわずかであるからである。
【０００９】
旋回流で火炎が安定化された旋回流安定化バーナ（例えばダブルコーン構造形式のバーナ）においては、旋回流発生器と旋回流の消滅により生じるリサイクル領域との間に、液状の燃料の混入と気化とのための範囲が与えられる。良好な前気化を達成するためには燃料は細かく噴霧化されて流れ内へ噴き込まれなければならない。これはもっとも簡単には圧力噴霧化ノズルで行われる。しかしながら細かい油滴が旋回流域に晒されると、この結果として遠心力に基づき油滴が外方へ投げ飛ばされることになる（サイクロン作用）。旋回流発生器もしくは混合管壁が燃料で濡らされる結果、混合が劣化させられかつ壁に沿って火炎がバックフラッシュし、燃料分解に基づく堆積物の形成が発生する惧れがある。
【００１０】
したがって前記の如き燃料の不十分な気化と前混合との結果として、火炎温度を局部的に下げるため、ひいてはＮｏｘの形成を低減させるために、水の添加が必要になる。供給された水はしばしば、それ自体はわずかなＮｏｘを生ぜしめるが火炎安定のためにきわめて重要である火炎ゾーンを破壊するので、しばしば不安定な状態、例えば火炎の拍動及び／又は完全燃焼性の悪化をもたらし、ＣＯ放出量の上昇をもたらすからである。
【００１１】
改善は、ＥＰ−０４９６０１６Ｂ１号明細書によって公知である高圧噴霧化ノズルで達成される。この高圧噴霧化ノズルは渦流室が内部に構成されているノズル体を有し、この渦流室が少なくとも１つのノズル孔を介して外室と接続され、この渦流室には圧力下で供給可能な、噴霧化しようとする液体のために少なくとも１つの供給通路が設けられている。この高圧噴霧化ノズルの特徴は、渦流室へ開口する供給通路がノズル孔の横断面よりもファクタ２〜１０大きいことである。この配置により渦流室内に、ノズルの出口までの距離で鎮静しない高い渦流レベルを生ぜしめることに成功した。液体ジェット流はノズル孔の前で生ぜしめられた渦流により、外室において、すなわちノズル孔から出たあとで迅速に崩壊させられる。この場合には２０゜及びそれ以下の低い拡がり角が与えられる。油滴の大きさも同様にきわめて小さい。
【００１２】
ガスタービンバーナを液状燃料で運転する場合には、ガスタービンの全負荷範囲（公称負荷条件に対する約１０％から１２０％の燃料質量流）に亘って、全範囲において有害物質の少ない、安定した燃焼を所定の空気流域で可能にする油滴スプレーを生ぜしめることが望まれている。
【００１３】
ガスタービンバーナにおいて液状の燃料を噴霧化するために上記の高圧噴霧化ノズルを使用することは、全負荷と過負荷（１００〜１２０％）とに際して、希望に応じて、高すぎない圧力（１００バール）とわずかな油滴寸法とをもたらすが、この場合には狭いスプレー角にもとづき望ましくない壁の濡らしと炭化とは回避されている。
【００１４】
しかしながら部分負荷では燃料前圧は総燃料質量流が減少することに基づき低下する。しかし、圧力噴霧化器のための噴霧化に必要なエネルギは燃料前圧を介して与えられているので、この負荷範囲においては噴霧化質が劣化させられ、空気流への燃料スプレーの侵入深さが低い燃料前圧によって浅くなる。
【００１５】
この欠点はＤＥ１９６０８３４９．４号明細書による、すでに述べたツウステージ式の圧力噴霧化ノズルによって除かれる。この圧力噴霧化ノズルは全負荷運転と過負荷運転とに際して旋回流のない渦流発生マスタステージを介してかつ部分負荷及び低負荷運転では付加的に又は圧力旋回流ステージだけを介して運転される。しかしながらこの解決手段では渦流が高いことに基づき渦流発生マスタステージのジェット流において、きわめて狭いスプレー角（＜１５゜）は可能ではない。しかし、バーナ空気に強い旋回流が与えられる所定の使用例にとっては、きわめて狭い燃料スプレー角度は、壁堆積を回避するために必要である。原理的にはこのためには噴流ノズル、いわゆるプレーンジェットが適している。しかしながらこれはバーナの点火のために不適当な噴霧化しか生ぜしめない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記欠点をすべて回避することを目的としている。本発明の課題は、前述の形式の圧力噴霧化ノズルであって、簡単な構造形式を有し、そのつどの運転条件に正確に適合させられたスプレー角もしくは噴霧化度で、噴霧化しようとする液体が噴霧化される形式のものを開発することである。この場合には、特に小さいスプレー角も実現させたい。噴霧化は抑えられ、液体流が延時されて崩壊させられるようにしたい。さらにこの圧力噴霧化ノズルの有効な運転法も提案したい。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、内部に混合室が構成されているノズル体を有し、該混合室がノズル出口孔を介して外室と接続されておりかつ噴霧化しようとする液体のための供給孔を有する第１の供給通路を有し、前記供給通路を通って前記液体が旋回流なしでかつ圧力下で供給可能であり、この場合、前記混合室内に、噴霧化しようとする液体の１部のため又は第２の噴霧化しようとする液体のための別の供給通路が開口しており、この供給通路を通して前記液体の前記部分又は前記第２の液体が圧力下でかつ旋回流を伴って供給可能であり、この場合、第１の供給通路の供給孔とノズル出口孔とが同一の軸線の上に位置している形式の圧力噴霧化ノズルにおいて、ノズル出口孔の出口側の直径が最高でも供給孔の直径と同じでかつノズル出口孔の長さが、ノズル出口孔の出口側の直径の少なくとも２倍から最大１０倍であることにより解決された。
【００１８】
本発明の利点は、とりわけ、ノズルのスプレー角をきわめて小さい角度まで、つまり有害な渦流のないフルジェット流まで減少できることである。これによって、旋回流で安定化されたバーナの旋回流域の特殊性が考慮されるようになった。他面においては、細かく噴霧化する従来の圧力噴霧化ノズルの運転形式は維持することができる。これらの極限の間では滑らかな調整によって、あらゆる運転状態の調節、つまりスプレー角と噴霧化度との調節が可能である。先に述べた、ノズル出口孔の直径に対する長さの比を維持することにより、一方では旋回流ステージからの旋回流が強く減少されすぎないこと、ひいては圧力噴霧化運転における噴霧化が十分になることが達成され、他方ではフルジェット流の拡散が十分に小さく、油滴が遠心力で不都合に外方へ投げ飛ばされなくなる。
【００１９】
特に有利であることは圧力噴霧化ノズルが供給孔の直径よりも小さい直径をノズル出口孔の出口側に有していることである。このノズル出口孔の直径は供給孔の直径の約７倍にしたい。これによって全圧力降下の大部分が出口開口を介して達成され、フルジェット流の高い安定性が達成されるようになる。
【００２０】
さらに、ノズル出口孔が第１の管の蓋に配置され、この第１の管内に直径の小さい第２の管が挿入され、この第２の管が前記蓋まで達し、第２の管の蓋側の端部に少なくとも１つのスリットが設けられ、このスリットが接線方向に向けられて、旋回流通路を形成しており、かつスリットが第１の管と第２の管との間のリング室を前記室に接続しており、この室からノズル出口孔が外室に通じており、この場合、前記室が主として蓋と、第２の管の内壁と、第２の管における充填片とによって制限されており、かつ供給孔が充填片にノズル出口孔と同じ軸上に配置されている変化実施例が特に有利である。このノズルには構造形式が簡単であるという長所がある。
【００２１】
さらにノズル出口孔がその全長に亘って一定の横断面を有している本発明による圧力噴霧化ノズルも利点をもって使用することができる。この圧力噴霧化ノズルは製造がきわめて容易である。
【００２２】
これに対し、ノズル出口孔がその全長に亘って、流れ方向に連続的に減少する横断面を有する、本発明によるツウステージ型の圧力噴霧化ノズルが使用されると、収斂する部分に基づき、有利には旋回流ステージにおいて、噴霧化しようとする液体の均一な加速が達成される。摩擦損失はノズル出口孔が一定の横断面を有するノズルが設けられている変化実施例の場合よりもわずかである。この幾何学的形状でフルジェット流ステージでの運転に際して噴霧化が抑えられ、液体流の崩壊が遅延させられる。
【００２３】
さらに有利であることは、本発明による圧力噴霧化ノズルが入口側の端部に入口半径を有するノズル出口孔を有し、この入口半径が少なくとも混合室の半径と同じ大きさであることである。これにより出口孔への入口における流れの剥離が阻止されかつ流れ損失もしくは速度が高い場合に発生する惧れのあるキャビテーションが阻止される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図面には本発明を理解するために必要な部材だけが示されている。例えば図示されていないものは、ノズルの個々のステージを流れる液体流の値に影響を及ぼす調整機構である。媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００２５】
以下図１から５を用いて本発明の実施例を説明する。
【００２６】
図１から３は本発明の第１実施例を示している。この場合、図１は圧力噴霧化ノズルを部分断面図で示し、図２と図３は異なった平面に沿った断面図である。
【００２７】
圧力噴霧化ノズルはノズル体３０を有し、該ノズル体３０は流れ方向で見た端部において、円錐状の蓋３２で閉鎖されている第１の管３１から成っている。蓋３２の中央にはノズル孔３３が配置されている。このノズル孔３３の長手軸線は符号３４で示されている。本発明によればノズル出口孔３３の長さはノズル出口孔の出口側の直径の少なくとも２倍から最大１０倍である。管３１内には第１の管３１の内径よりも小さい外径を有する第２の管３５が挿入されている。この管３５は蓋３２まで達しかつこの上に支持されている。両方の管３１と３５との間のリング室３６は噴霧化しようとする液体３７又は噴霧化しようとする液体の一部を供給するために役立つ。管３５の、蓋３２に支持されている端部には、４つの接線方向のスリット３８が設けられている。これらのスリット３８はリング室３６を室３９に接続している。室３９はスリット３８を通って流入する、噴霧化しようとする液体３７の旋回流室として役立つ。室３９は蓋３２の内壁と第２の管３５の内壁並びに第２の管３５内に挿入され、該管３５内に固定された充填片４０が制限している。この充填片４０はスリット３８の上縁と同じ高さに位置しているが、図示されていない別の実施例ではスリット３８の上縁から間隔を有していることもできる。充填片４０には、噴霧化しようとする液体３７のためもしくは噴霧化しようとする第２の液体のための供給孔４１が配置されている。この供給孔４１は供給通路４２から室３９への旋回流のない液体の流入を可能にする。供給孔４１はノズル出口孔３３と同じ軸線３４上に位置している。供給孔４１はこの第１の実施例ではその全長Ｌに亘って一定の直径ｄ_ｚを有している。この直径ｄ_ｚはノズル出口孔３３の直径ｄ_ａに比して大きく選択されている。有利にはｄ_ｚに対するｄ_ａの比はほぼ０．７である。この場合にはフルジェットステージでのノズルの運転に際してフルジェット流の良好な安定化が達成される。何故ならばこの場合には全圧力降下の大部分がノズル出口孔を介して発生するからである。さらにノズルの機能にとってはノズル出口孔３３の出口側の直径ｄ_ａに対するノズル出口孔３３の長さも特に有意義である。これは本発明によれば２から１０までの範囲にある。すなわち直径に対する長さの比が大きすぎると、旋回流ステージの旋回流は大きく減少され過ぎ、圧力噴霧運転における噴霧化が不十分になる。これに対し、ノズル出口孔３３の直径に対する長さの比が小さすぎるとフルジェット流は大きすぎる拡散を有することになり油滴が遠心力の作用で不都合に外方へ投げ出されることになる。
【００２８】
本発明による圧力噴霧化ノズルは２つのステージ、つまりフルジェット流ステージ（図２参照）と圧力旋回流ステージ（図３参照）とを有している。これらの２つのステージは要求に応じて一緒に又は個別に稼働させることができる。
【００２９】
図示された実施例とは異なって圧力噴霧ノズルは図示の実施例よりも多くの又は少ないスリット３８を備えていることができる。同様に通路を円周に亘って別の形式で分配することも可能である。スリット３８の代わりに他の旋回流発生器、例えば羽根を通路３６内に配置しておくことができる。この旋回流発生器は、噴霧させようとする液体が通路３６から旋回させられて室３９内に侵入させられるようにする。
【００３０】
図４には、フルジェット流ステージと旋回流ステージとを有する本発明によるツウステージ型の圧力噴霧化ノズルが部分断面図で示されている。先に述べた実施例に対するノズルの構造の目標は、ノズル出口孔３３が一定の直径を有しておらず、直径が流れ方向で見て、ノズル出口孔の全長Ｌに亘って本来の出口に向って連続的に減少していることである。これは第１の実施例に対し、ノズルにおける液体流の均一な加速が行われ、旋回流ステージにおける摩擦損失が回避され、フルジェット流ステージにおいて渦流が発生しないかもしくは存在する場合には減少させられかつ液体の噴霧化が抑えられるという付加的な利点が得られる。
【００３１】
図５にはフルジェット流ステージと旋回流ステージとを有する本発明によるツウステージ型の圧力噴霧化ノズルの第３実施例が部分縦断面図で示されている。ノズルの構造は、先に述べた第１実施例とは、この場合にもノズル出口孔３３が一定の直径を有していないことだけにより異なっている。この第３実施例においてはノズル出口孔は、室３９の半径Ｒ_ｋとほぼ同じ大きさである入口半径Ｒ_ｅを有している。この場合にも摩擦損失は少なくなる。
【００３２】
本発明のノズルは例えば、旋回流安定化型のガスタービン又はボイラバーナ、例えばダブルコーン構造形式のバーナに組込まれ、そのつどのバーナ流域の要求もしくはガスタービン燃焼室又はボイラの運転状態に、必要であれば運転中にも適合させることができる。点火と部分負荷運転では、例えばノズルは液体３７（この場合には燃料）が供給通路３６と旋回流通路３８とを介して（又は通路３６内に配置された旋回流発生器を介して）、高圧下でかつ旋回させられて室３９内に達しかつノズル出口孔３３を介して燃焼室内へ、細かく噴霧された液滴でノズル噴射させられて圧力旋回流ステージで運転される。回転する運動によってノズル孔３３においては中空円錐流が生ぜしめられる。総燃料量が増大するにつれて、したがって液滴が外へ投げ飛ばされる危険が増大するにつれて、燃料が通路４２と、ノズル出口孔３３と同一軸線上にある供給孔４１とを介して、旋回させられることなく室３９へもたらされ、そこから燃料がノズル出口孔３３を介してフルジェット流として燃焼室へ噴射されることでフルジェット流ノズルへ移行させられることになる。フルジェット流ノズルのスプレー角はきわめて小さく、＜５゜である。
【００３３】
両方のステージを同時に稼働させることもできる。この場合には室３９内には両方の燃料流の混合が行われる。
【００３４】
ガスタービンの運転条件によってはノズルを１つのステージだけにおいて稼働させることができる。この場合には全負荷と過負荷とに際してはできるだけ小さなスプレー角が得られるようにしたいので、例えばフルジェット流ステージだけが利用され、旋回流通路３８を通って流れる燃料質量流は完全に遮断される。さらに負荷範囲に応じて異なる液体、例えば水と油、を通路３６，３８と４２，４１とを介して室３９に供給し、それらを混合したあとで噴霧することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】フルジェット流ステージと旋回流ステージとを有する本発明の圧力噴霧化ノズルの第１実施例の部分縦断面図。
【図２】図１の圧力噴霧化ノズルのフルジェット流ステージ範囲の横断面図。
【図３】図１の圧力噴霧化ノズルの旋回流ステージ範囲の横断面図。
【図４】フルジェット流ステージと旋回流ステージとを有する本発明の圧力噴霧化ノズルの第２実施例の部分縦断面図。
【図５】フルジェット流ステージと旋回流ステージとを有する本発明による圧力噴霧化ノズルの第３実施例の部分縦断面図。
【符号の説明】
３０ ノズル体、 ３１ 第１の管、 ３２ 蓋、 ３３ ノズル出口孔、 ３４ ノズルの長手軸線、 ３５ 第２の管、 ３６ リング室、 ３７ 噴霧しようとする液体、 ３７′ 第２の噴霧しようとする液体、 ３８ スリット、 ３９ 旋回流室、 ４０ 充填片、 ４１ 供給孔、 ４２ 供給通路

Claims (10)

1. 内部に混合室（３９）が構成されているノズル体（３０）を有し、該混合室（３９）がノズル出口孔（３３）を介して外室と接続されておりかつ噴霧化しようとする液体（３７）のための供給孔（４１）を有する第１の供給通路（４２）を有し、前記供給通路（４２）を通って前記液体（３７）が旋回流なしでかつ圧力下で供給可能であり、この場合、前記混合室（３９）内に、噴霧化しようとする液体（３７）の１部のため又は第２の噴霧化しようとする液体（３７′）のための別の供給通路（３６）が開口しており、この供給通路（３６）を通して前記液体（３７）の前記部分又は前記第２の液体（３７′）が圧力下でかつ旋回流を伴って供給可能であり、この場合、第１の供給通路（４２）の供給孔（４１）とノズル出口孔（３３）とが同一の軸線（３４）の上に位置している形式の圧力噴霧化ノズルにおいて、
   （イ）ノズル出口孔（３３）の出口側の直径（ｄａ）が最高でも供給孔（４１）の直径（ｄｚ）と同じであり、
   （ロ）ノズル出口孔（３３）の長さ（Ｌ）がノズル出口孔（３３）の出口側の直径（ｄａ）の少なくとも２倍から最大１０倍までである、
   ことを特徴とする、圧力噴霧化ノズル。
2. ノズル出口孔（３３）の出口側の直径（ｄａ）が、前記供給孔（４１）の直径（ｄｚ）の約０．７倍である、請求項１記載の圧力噴霧化ノズル。
3. ノズル出口孔（３３）が第１の管（３１）の蓋（３２）に配置され、第１の管（３１）に直径の小さい第２の管（３５）が挿入され、この第２の管（３５）が前記蓋（３２）まで達しており、第２の管（３５）の蓋側の端部に少なくとも１つのスリット（３８）が設けられており、該スリット（３８）が接線方向に向けられかつ旋回流通路を形成しておりかつ該スリット（３８）が第１の管（３１）と第２の管（３５）との間のリング室（３６）を前記室（３９）と接続しており、この室（３９）からノズル出口孔（３３）が外室へ通じており、この場合、前記室（３９）が主として前記蓋（３２）と第２の管（３５）の内壁と第２の管（３５）における充填片（４０）とで制限されており、前記充填片（４０）における供給孔（４１）がノズル出口孔（３３）と同じ軸線（３４）の上に配置されている、請求項１又は２記載の圧力噴霧化ノズル。
4. ノズル出口孔（３３）がその全長（Ｌ）に亘って一定の横断面を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力噴霧化ノズル。
5. ノズル出口孔（３３）がその全長（Ｌ）に亘って流れ方向に漸次減少する横断面を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力噴霧化ノズル。
6. ノズル出口孔（３３）が入口側の端部に、少なくとも室（３９）の半径（Ｒｋ）と同じ大きさである入口半径（Ｒａ）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力噴霧化ノズル。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載した圧力噴霧化ノズルを、旋回流で安定化されたバーナにおいて稼働させる方法であって、点火時と部分負荷運転において、噴霧化しようとする前記液体（３７）の１部又は噴霧化しようとする前記液体（３７′）の１部を供給通路（３８）を介して旋回させて室（３９）に供給しかつそこで強く旋回させられた流れを生ぜしめ、次いでこの流れをノズル出口孔（３３）を通して外室にもたらして、ノズルを圧力旋回流ステージを介して稼働させ、旋回流ステージを介して供給された液体（３７，３７′）の割合を総液体質量流の増加と共に減少させる形式のものにおいて、ノズルを全負荷及び過負荷運転に際して、液体（３７）を供給孔（４１）を介して室（３９）に供給し、そこからノズル出口孔（３３）を通ってフルジェット流として外室に送ることでフルジェット流ステージを介して稼働させることを特徴とする、圧力噴霧化ノズルを運転する方法。
8. 両方のステージの間で滑らかな切換えを行う、請求項７記載の方法。
9. 両方のステージを同時にかつ処理量を変化させて実施することが可能である、請求項７記載の方法。
10. 両方のステージの一方だけを稼働させる、請求項７記載の方法。

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