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水噴霧方式高温排気冷却器 新技術説明会

国内特許コード P04A006950
整理番号 KN000426
掲載日 2005年3月18日
出願番号 特願平10-013179
公開番号 特開平11-200891
登録番号 特許第2934848号
出願日 平成10年1月8日(1998.1.8)
公開日 平成11年7月27日(1999.7.27)
登録日 平成11年6月4日(1999.6.4)
発明者
  • 林 茂
出願人
  • 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
発明の名称 水噴霧方式高温排気冷却器 新技術説明会
発明の概要 【課題】 本発明は、加圧燃焼器試験設備等が加圧ガスの温度、圧力、流量が変化する状態で運転されるものであっても、その冷却器容器内の水位をある範囲内に制御することが可能な冷却系を提供することを目的とするものである。
【解決手段】 この発明は、噴霧ノズルより噴霧された後蒸発しなかった水を外部に排出せずに冷却器容器の底部に溜め、それを繰り返して噴霧に使用するようにすると共に、蒸気として容器外に持ち去られた量の水だけを外部から冷却器容器内に供給する構成とすることで、噴霧水量は冷却器容器から排水として排出される水量によって制約を受けないので、噴霧水量を従来装置より多く設定でき、空間の液滴密度を高めると共に、冷却器容器壁面の冷却にも十分な噴霧水量を確保できて冷却効果を高められる。
従来技術、競合技術の概要


圧力の高い高温ガスを扱う装置において、高温ガスを大気中に排気する際、高温ガスの流れる配管や弁、消音器などの使用温度の制限のためにガスを冷却する必要が生じる。ジェットエンジンやガスタービンの燃焼器の開発に用いられる加圧燃焼器試験設備もその1例である。図4にその加圧燃焼器試験設備の全体構成を示す。この設備においては、図に示されるように、試験部10の上流側に流量調整弁11、下流側に調圧弁12を備えることによって試験部の圧力と流量が独立して変えられるようになっている。調圧弁の下流には消音器や排気筒が設けられる。燃焼器13からの燃焼ガス14は千数百度にもなるが、調圧弁12の使用温度の上限は数百度であるので、試験部と調圧弁との間に排気冷却器15を置き、燃焼ガスの温度を下げる必要がある。そのような高温ガスの冷却器として、高温排気中に水を直接噴霧し、主として水の蒸発潜熱により排気ガスの温度を下げる方式の冷却器が用いられる。本発明は、この種の水噴霧方式の排気冷却器である。
図4に示す排気冷却器15は、現在使用されている水噴霧排気冷却器の典型であるが、貯水槽16の水は圧送ポンプ17により噴霧ノズル18に供給され、霧状に噴霧されて燃焼器13からの高温の排気ガス14と混合する。壁面を積極的に冷却するために一部の水を容器19の壁面に向けて噴霧しすることもある。冷却器の適正な状態では、調圧弁12からは噴霧が蒸発してできた水蒸気と排気ガスとの混合気だけが排出され、未蒸発の水はすべて底部の排水口20から外部へ吐出される。この排水は、大型の設備では貯水槽16に戻され、噴霧水として再使用される。
上記の方式の基本的な問題は、噴霧水量が蒸気の状態で容器から排出される水量と、容器の排水口からの水として吐出される水量の和に等しくなれば、その冷却系は定常状態となり安定となるが、なかなかそうはならないという点にある。例えば、噴霧水量が少なすぎると容器下部の排水口から水に混じって排気ガスが流出する事態が生じ、ガスが漏れる時には容器の圧力が低下し、排水通路が水で満たされると冷却器容器内部の圧力は上昇し、その水が排出されると又急激に圧力が下がる、という繰り返しで脈動するようになる。
また、逆に噴霧水量が多くなりすぎた場合を想定する。排水口からは水だけが、調圧弁からは水蒸気と排気ガスの混合気だけが排出されている正常な動作状態において、何らかの理由でガス温度が上昇し、冷却のため噴霧水量を増やす必要が生じたとする。増加した噴霧水がすべて蒸気に変わることはあり得ないので、液面は上昇し続けるので、やがて水が調圧弁に流れ込むようになる。調圧弁の部分的な閉塞では、上昇する試験部の圧力を設定値に戻すように調圧弁の開度が制御される結果、通常、大きな圧力振動には発展しないが、流量が変化し、さらには流量調整弁の制御との干渉によって圧力と流量を一定に保てなくなる。噴霧水量がさらに増えて、調圧弁の通路が水によって間歇的に閉塞されるようになると大きな圧力変動が生じる。
この様な問題を解決する手段として、排水口に可変開度の弁を設け、この弁の開度を制御することによって容器内の水位をある範囲内に制御することが考えられる。しかしこの方法は、試験設備が加圧ガスの温度、圧力、流量が基本的に変化しない状態で運転されるものであれば問題はなく容易に制御できるが、大幅に変わるような設備では期待する制御は困難である。すなわち排水口からの排水量は弁の開度のみならず容器内の圧力にも大きく依存するからである。そしてその容器内圧力は蒸気の発生量に影響されるが、それは加圧ガスの温度、流量、水噴霧量、噴霧の微粒化の程度など様々な変量が関係している。従って、その制御は複雑で、制御が暴走する方向に働く危険性もある。また、冷却器容器内の圧力変動は試験部にも及ぶ。圧力変動が大きくなると燃焼器への燃料流量もそれにつれて変動し、冷却器容器内の圧力変動を大きくする。場合によっては、燃料流量が瞬間的に限界以下になって火か消えることもあり、そうなると、いったん燃料を完全に止め、試験を中断しなければならない。可燃性の混合気が試験部、冷却冷却器容器、排気筒を満たすことになるので、何らかの原因でこの大量の混合気に火が着くと爆轟にいたり、大災害になる可能性すらある。

産業上の利用分野


本発明は、高温加圧ガスを扱う装置が加圧ガスを大気中に排気する際に用いられる冷却器であって、特にジェットエンジンやガスタービンの燃焼器の開発に使われている加圧燃焼器試験設備における水噴霧方式排気冷却器に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
ジェットエンジンやガスタービンの加圧燃焼試験設備の水噴霧排気冷却器において、冷却器容器内の底部に溜まった水を噴霧ノズルに給送するための配管及びその供給量を調整できるポンプと、冷却器の容器内の液面を検出するための液面計と、この液面計の信号を受け、冷却器から持ち去られた量の水を冷却器容器内に供給するポンプとを備えたことを特徴とする水噴霧排気冷却器。

【請求項2】
上記の冷却器容器内の底部に溜まった水を噴霧ノズルに給送するポンプに代え、加圧燃焼器試験設備に供給される加圧空気の一部を上記噴霧ノズルに導く配管と、この空気流による負圧によって冷却器容器内の水を吸い上げ噴霧する気流微粒化ノズルを備えたことを特徴とする請求項1記載の水噴霧排気冷却器。

【請求項3】
冷却器容器が縦置きの円筒形耐圧容器で、この冷却器容器内に旋回流の場を形成するように側壁にあけられた接線方向の燃焼ガス流入口と、冷却器容器の上部壁面に冷却器容器と同軸上に取り付けられ、上記燃料ガス流入口より下方まで延在する円筒状の出口を備えたことを特徴とする請求項1記載の水噴霧排気冷却器。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP1998013179thum.jpg
出願権利状態 登録
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