CN104334972B - 燃料喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种向来自压缩机的压缩空气供给燃料并使其燃烧的燃料喷射装置，设置先导燃料喷射阀(21)、主燃料喷射阀(23)和空气喷射单元(25)，主燃料喷射阀(23)配置在所述先导燃料喷射阀的外周，空气喷射单元(25)配置在先导燃料喷射阀的出口端部与主燃料喷射阀之间；在所述空气喷射单元上设置隔壁板(71)、火焰稳定板(73)、第一开口(75)和第二开口(77)，隔壁板(71)从燃烧室区划空气喷射单元，火焰稳定板(73)设置在隔壁板的下游侧，第一开口(75)在所述火焰稳定板与所述先导燃料喷射阀的出口端部之间，并在下游侧开口，第二开口(77)设置在所述隔壁板上，向所述火焰稳定板与所述隔壁板之间供给压缩空气；在所述火焰稳定板上设置相对轴心向径向外侧倾斜下游方向倾斜的倾斜部(73b)。

Description

燃料喷射装置

相关申请

本申请要求2012年6月7日申请的日本专利申请2012-129681的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。

技术领域

本发明涉及一种燃料喷射装置，该燃料喷射装置例如用于燃气涡轮发动机等，具备组合多个燃料喷嘴而成的复合型燃料喷射阀。

背景技术

近年来，出于对环境的考虑，要求减少从燃气轮机排出的NOx(氮氧化物)等有害物质。现有的航空器用燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴为扩散燃烧方式，在该方式下，由于以理论配合比(量論比)进行燃烧反应，因此火焰温度变高。由于NOx的排出量具有相对火焰温度呈指数增加的性质，因此降低火焰温度成为限制NOx排出量的有效対策，但在燃气轮机高温高压化进展的现状下，通过现有的扩散燃烧方式来限制NOx的排出量存在极限。

为了限制火焰温度，稀薄燃烧方式的燃料喷射阀认为是有效的。稀薄燃烧是指减少相对于空气的燃料比例使其燃烧的方法，与现有的扩散燃烧方式相比，通过使用该方法的稀薄燃烧能够大大降低火焰温度。另一方面，由于稀薄燃烧方式的火焰温度低，因此存在不稳定且不完全燃烧的倾向。因此，使用如下的同心燃料喷射阀，其在同轴上将先导喷射阀配置于内侧，将主喷射阀配置于外侧，利用先导喷射阀通过使用扩散燃烧方式来保持低输出下的稳定燃烧，并且在高输出下，除了利用先导喷射阀进行的扩散燃烧，还利用主喷射阀进行稀薄燃烧，实现低NOx。

在同心燃料喷射阀中，在仅先导喷射阀运转的低输出时，主喷射阀的流道上也有大量空气流动，因此该空气与先导燃烧相干扰，有先导喷射阀的燃烧效率或点火性/火焰稳定性变差的危险。为了克服这个问题，已提出使先导燃烧区域与主燃烧区域在很大程度上分开，来限制在低输出时的主通道的空气与先导燃烧间的干扰，并且在中间输出时，先导燃烧区域与主燃烧区域适度干扰，实现主燃烧区域的稳定燃烧(例如，参照专利文献1)，还提出有将燃料向燃烧室的轴心上的逆流区域集中喷射，来提高低输出时的燃烧效率(例如，日本专利申请2011-125481号说明书)等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4800523号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

但是，在专利文献1的装置中，由于在先导燃烧区域与主燃烧区域之间留有干涉区域，因此在低输出时的燃烧效率并不充分。并且，如果像日本专利申请2011-125481号说明书那样，向轴心上的逆流区域集中性地喷射燃料，则在该区域燃料变得过多，容易产生烟尘。

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种燃料喷射装置，其能够限制因燃料过多导致的烟尘产生，并且在低输出时及中间输出时的任意情况下都能够得到高燃烧效率。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明的燃料喷射装置向来自压缩机的压缩空气供给燃料并使其燃烧，具备先导燃料喷射阀、主燃料喷射阀和空气喷射单元，所述先导燃料喷射阀配置在该燃料喷射装置的径向中心部，向燃烧室内喷射燃料；所述主燃料喷射阀配置在所述先导燃料喷射阀的外周，向所述燃烧室内喷射燃料与空气的预混合气；所述空气喷射单元配置在所述先导燃料喷射阀的出口端部与所述主燃料喷射阀之间，向所述燃烧室内喷射所述压缩空气；所述空气喷射单元具有隔壁板、火焰稳定板、第一开口和第二开口；所述隔壁板从所述燃烧室区划所述空气喷射单元；所述火焰稳定板设置在所述隔壁板的下游侧；所述第一开口设置在所述火焰稳定板与所述先导燃料喷射阀的出口端部之间，并在下游侧开口；所述第二开口设置在所述隔壁板上，向所述火焰稳定板与所述隔壁板之间的流入空间供给压缩空气；所述火焰稳定板具有相对轴心向径向外侧倾斜下游方向倾斜的倾斜部。可以设置所述第二开口，例如作为形成在所述隔壁板的由所述火焰稳定板覆盖的部分上的轴心方向的通孔。此外，所述倾斜部优选与所述隔壁板大致平行地延伸。

根据所述结构，通过具有上述倾斜部的火焰稳定板，可有效地防止先导燃烧区域与主空气流间的干扰，在提高火焰稳定性的同时提高燃烧效率。而且，由于从第二开口供给的空气流入所述火焰稳定板与所述隔壁板之间的流入空间来冷却火焰稳定板，因此可防止火焰稳定板烧坏。进而，通过将空气从第一开口供给燃烧室内，能够在避免先导燃烧区域燃料过多的状态，因此能够限制烟尘产生。

在本发明的一个实施方式中，优选地，所述火焰稳定板具有周壁部，所述周壁部与所述倾斜部的上游侧连接，并沿轴心方向延伸形成所述第一开口的外周。根据该结构，从第二开口供给的空气不会流入内径侧，而切实地向径向外侧倾斜下游方向导出，因此能够更切实地实现燃烧效率的提高和烟尘的限制。

在本发明的一个实施方式中，优选地，所述先导燃料喷射阀与所述主燃料喷射阀之间通过间隔壁连接，所述间隔壁在所述空气喷射单元的下游侧形成压缩空气的存储空间，在所述间隔壁上形成有向所述存储空间导入压缩空气的导入口。根据该结构，通过间隔壁形成压缩空气的存储空间，通过该存储空间从第一开口及第二开口喷射压缩空气，因此可使从第一开口及第二开口喷射的空气分布均匀化。

在本发明的一个实施方式中，优选地，在所述先导燃料喷射阀上设置有使压缩空气绕轴心旋转的旋流器。根据该结构，由于通过旋流器使从先导燃料喷射阀喷射的燃料向径向外侧扩散，因此可确保利用火焰稳定板的火焰稳定性，更切实地提高燃烧效率。

权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合，都包含在本发明中。特别是权利要求书的各权利要求的两项以上的任意组合，也包含在本发明中。

附图说明

通过参照附图对下述优选实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应利用其确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多幅附图上相同的附图标记表示相同或相应部分。

图1是表示具备本发明的一个实施方式的燃料喷射装置的燃气涡轮发动机的燃烧器。

图2是表示本发明的一个实施方式的燃料喷射装置的剖视图。

图3是放大表示图2的空气喷射单元的剖视图。

图4是放大表示图2的主燃料喷射阀的剖视图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的优选实施方式进行说明。图1表示具备本发明的一个实施方式的燃料喷射装置1的燃气涡轮发动机的燃烧器CB。该燃烧器CB在由燃气涡轮发动机的没有图示的压缩机供给的压缩空气CA中混合燃料并使其燃烧，将通过该燃烧产生的高温/高压的燃烧气体送入涡轮来驱动涡轮。

燃烧器CB为环型，通过与发动机旋转轴心C同心配置的环状的外罩3和其内侧的环状的内罩5，构成具有环状内部空间的燃烧器壳7。在该燃烧器壳7的环状的内部空间中，环状的燃烧筒9与燃烧器壳7同心配置。燃烧筒9由环状的外衬套11和在其内侧同心配置的环状的内衬套13构成，在内部形成有环状的燃烧室15。在燃烧筒9的顶壁上，以与发动机旋转轴心C同心，即在燃烧筒9的周向上等间隔地配设有向燃烧室15内喷射燃料的多个燃料喷射装置1。

各燃料喷射装置1具备先导燃料喷射阀21和主燃料喷射阀23。主燃料喷射阀23包围先导燃料喷射阀21外周地与先导燃料喷射阀21的轴心C1同心设置，生成预混合气。各燃料喷射装置1通过安装在燃烧器壳7上的轴杆部26支承在燃烧器壳7上。贯通外罩3及外衬套11，用来进行点火的火花塞IG以朝向燃烧筒9的径向，并且前端接近燃料喷射装置1的配置被设置。

从压缩机进给的压缩空气CA通过围绕发动机旋转轴心C在周向上等间隔配置的多个空气取入管27导入燃烧器壳7的环状的内部空间。导入的压缩空气CA在供给燃料喷射装置1的同时，从分别在燃烧筒9的外衬套11及内衬套13上形成的多个空气导入口供给燃烧室15内。轴杆部26形成有燃料配管单元U，该燃料配管单元U具备第一燃料供给***F1和第二燃料供给***F2，所述第一燃料供给***F1向先导燃料喷射阀21供给用于扩散燃烧的燃料，第二燃料供给***F2向主燃料喷射阀23供给用于稀薄预混合燃烧的燃料。

图2表示燃料喷射装置1的详细结构。如前所述，燃料喷射装置1具备先导燃料喷射阀21和主燃料喷射阀23，所述先导燃料喷射阀21位于径向中心部，所述主燃料喷射阀23配置在燃料喷射装置1的径向外侧，即先导燃料喷射阀21的外周上，进而，燃料喷射装置1还具备设置在先导燃料喷射阀21的出口端部与主燃料喷射阀23之间的空气喷射单元25。

先导燃料喷射阀21具有先导燃料喷射部件31、空气供给部33和锥状的先导喷嘴37，所述先导燃料喷射部件31与轴杆部26连接，喷射燃料，所述空气供给部33设置在先导燃料喷射部件31的径向外侧，供给压缩空气CA，所述锥状的先导喷嘴37形成先导流道35，该先导流道35将来自先导燃料喷射部件31的燃料和来自空气供给部33的压缩空气CA预混合，向燃烧室15内喷射。在先导燃料喷射部件31的内部，在径向中央部上形成有成为燃料通道的燃料供给路39。先导燃料喷射部件31的燃料供给路39与形成在轴杆部26内的成为燃料通道的第一燃料导入通道41连通。

更详细地，在先导燃料喷射部件31的径向外侧配置有内侧筒状体43，在内侧筒状体43的径向外侧配置有外侧筒状体45，进而，在外侧筒状体45的径向外侧配置有圆筒状的先导套筒47，该先导套筒47的下游侧的前端部形成为所述先导喷嘴37。通过该先导套筒47，来区划先导燃料喷射阀21和其外侧的空气喷射单元25。内侧筒状体43及外侧筒状体45的前端部(下游侧端部)分别形成为直径向下游侧缩小的锥状。

在先导燃料喷射部件31上设置有多个沿径向延伸的燃料喷射孔49。此外，在内侧筒状体43与外侧筒状体45之间形成有先导内侧空气通道53，在外侧筒状体45与先导套筒47之间形成有先导外侧空气通道55。这些空气通道53、55形成空气供给部33。在各空气通道53、55的上游部，分别设置有使压缩空气CA绕轴心旋转的先导内侧旋流器S1及先导外侧旋流器S2。从燃料喷射孔49喷射出的燃料与从空气通道53、55流入的压缩空气CA被同时送入下游侧。

在先导套筒47与主内侧套筒61之间形成有空气喷射单元25，所述主内侧套筒61配置在所述先导套筒47的径向外侧，形成主燃料喷射阀23的内周壁。先导燃料喷射阀21的先导套筒47与主燃料喷射阀23的主内侧套筒61通过环状的间隔壁63连接。间隔壁63与主内侧套筒61整体形成，设置在成为先导套筒47的先导喷嘴37的出口端部37a附近的轴向位置上。在间隔壁63上，作为轴心方向的通孔的导入口65设置在周向的多处。通过间隔壁63的导入口65，通过了形成在间隔壁63上游侧的压缩空气CA的压缩空气通道67的压缩空气CA，向形成在间隔壁63下游侧的存储空间69导入。

形成空气喷射单元25的主内侧套筒61的下游侧端部形成为直径向下游扩大的形状。在该主内侧套筒61下游侧端部上，设置有向径向内侧的上游方向倾斜的环状的隔壁板71。通过隔壁板71来区划燃烧室15和空气喷射单元25。在隔壁板71的内径侧端部上安装有火焰稳定板73。

火焰稳定板73具有筒状的周壁部73a和倾斜部73b，所述周壁部73a沿轴心方向延伸，所述倾斜部73b的直径从周壁部的下游侧端部向下游侧扩大。即，火焰稳定板73的倾斜部相对轴心向径向外侧倾斜下游方向倾斜。火焰稳定板73的周壁部73a安装在隔壁板71的内径侧端部上。此外，如图3所示，火焰稳定板73的倾斜部73b在与隔壁板71之间留有间隙的状态下，以与隔壁板71大致平行的倾斜角度延伸。换言之，火焰稳定板73的倾斜部73b在与隔壁板71之间留有间隙的状态下，覆盖隔壁板71的内径侧端部的下游侧。

在火焰稳定板73与先导喷嘴37的下游端部之间形成径向的环状间隙，该间隙形成在下游侧开口的作为第一开口的内径侧空气喷射开口75。此外，在隔壁板71被火焰稳定板73覆盖的部分上，形成有在轴心方向上贯通的作为第二开口的外径侧空气喷射开口77。导入至存储空间69的压缩空气CA的一部分从内径侧空气喷射开口75沿轴心方向向燃烧室15内喷射，其余的一部分通过外径侧空气喷射开口77，流入作为隔壁板71与火焰稳定板73之间的间隙的流入空间79后，从作为流入空间79下游端的喷射口79a向燃烧室15内的径向外侧喷射。

如图2所示，主燃料喷射阀23具有环状的预混合气通道81、主外侧空气通道83和主内侧空气通道85，所述预混合气通道81将预混合气向燃烧室15导出并喷射，所述主外侧空气通道83使压缩空气CAa从轴心方向的上游侧流入预混合气通道81，所述主内侧空气通道85使压缩空气CAr从径向内侧向径向外侧流入预混合气通道81。在主内侧套筒61的外侧，形成主喷嘴的圆筒状的主外侧套筒86同心配置，在主内侧套筒61与主外侧套筒86之间形成有主预混合气通道81。这些预混合气通道81、主外侧空气通道83及主内侧空气通道85形成在主燃料喷射阀23上生成预混合气的主流道87。在主外侧空气通道83及主内侧空气通道85上，分别设置有使压缩空气CAa、CAr绕轴心旋转的主外侧旋流器SW3、主内侧旋流器SW4。

进而，在主燃料喷射阀23上设置有从轴心方向上游侧向主内侧空气通道85喷射燃料的多个主燃料喷射孔89。多个主燃料喷射孔89绕轴心C1在周向上以等间隔配置在主外侧空气通道83的径向内侧。各主燃料喷射孔89形成为从环状的燃料导入室91向轴心方向下游侧突出的，例如设置在圆柱状的主燃料喷射部件93的中心部上的通孔。

此外，主燃料喷射部件93设置成与设置在凸缘状的隔壁95上的轴向的通孔97相对，所述凸缘状的隔壁95形成所述主内侧空气通道85的前壁(上游侧壁)。如图4所示，这样形成的主燃料喷射部件93与凸缘状隔壁95的各通孔97之间的环状的间隙形成引导空气供给通道99，该引导空气供给通道99与燃料喷射装置1外部的空气通道及压缩空气通道67连通，从轴心方向的上游侧向主内侧空气通道85喷射压缩空气CA。即，引导空气供给通道99沿着来自主燃料喷射部件93的主燃料喷射孔89的燃料F的流动，从轴心方向的上游侧向主内侧空气通道85喷射压缩空气Car。

另外，如图2所示，在燃料喷射装置1中，作为包括先导燃料喷射阀21的先导喷射部件31及主燃料喷射阀23的主喷射部件93的上游侧结构体的第一阀单元101，其通过轴杆部26支承在燃烧器壳3上，作为包括所述先导喷嘴37及所述主喷嘴的下游侧结构体的第二阀单元103，通过设置在主外侧套筒86的下游侧端部的外周上的支承凸缘105支承在燃烧筒9上。第一阀单元101与第二阀单元103分别分开装配，之后，通过将第一阀单元101嵌入第二阀单元103，来装配燃料喷射装置1。这样，第一阀单元101相对第二阀单元103自由装卸地被形成。

下面对这样构成的燃料喷射装置1的动作进行说明。如图3所示，在低输出时，通过从先导燃料喷射阀21喷射的燃料F及从作为第一开口的内径侧空气喷射开口75喷射的空气A1，在燃烧室15内的先导燃料喷射阀21的下游侧部分形成先导燃烧区域S。另一方面，从主燃料喷射阀23喷射的空气在先导燃烧区域S的外侧形成主空气流MA。由于火焰稳定板73具有相对轴心向径向外侧倾斜下游方向倾斜的倾斜部73b，因此可有效地防止先导燃烧区域S与主空气流MA间的干扰，在先导燃烧区域S上切实地稳定火焰，同时提高燃烧效率。因此，不仅在中输出时，在低输出时也能够提高燃烧效率。而且，由于从作为第二开口的外径侧空气喷射开口77供给的空气A2流入火焰稳定板73与隔壁板71之间的流入空间79而冷却火焰稳定板73，因此可防止火焰稳定板73烧坏。另外，为了更切实地防止先导燃烧区域S与主空气流MA间的干扰，火焰稳定板73优选从隔壁板71离开0.7～2.0mm，更加优选离开1.0mm程度。

进而，通过从内径侧空气喷射开口75供给空气A1，能够避免在先导燃烧区域S成为燃料过多的状态，因此可限制烟尘产生。

此外，通过在火焰稳定板73上设置与倾斜部73b的上游侧连接，并沿轴心方向延伸，形成内径侧空气喷射开口75的外周的周壁部73a，从外径侧空气喷射开口77供给的空气不会流入内径侧，而切实地向径向外侧倾斜下游方向导出。因此，能够更切实地实现燃烧效率的提高及烟尘的限制。

此外，在本实施方式中，所述先导燃料喷射阀21与所述主燃料喷射阀23之间通过间隔壁63连接，所述间隔壁63在所述空气喷射单元25的下游侧形成压缩空气CA的存储空间69，在所述间隔壁63上形成有向存储空间69导入压缩空气的导入口65。通过该存储空间63，从第一开口及第二开口喷射的空气分布均匀化。

进而，通过在先导燃料喷射阀21上设置的先导内侧旋流器SW1及先导外侧旋流器SW2，从先导燃料喷射阀21喷射的燃料切实地向径向外侧扩散。由此，可确保利用火焰稳定板73的火焰稳定性，更切实地提高燃烧效率。

如前所述，虽然参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种追加、改变或删除。因此，这样的内容也包含在本发明的范围内。

附图标记说明

1―燃料喷射装置

15―燃烧室

21―先导燃料喷射阀

23―主燃料喷射阀

25―空气喷射单元

69―流入空间

71―隔壁板

73―火焰稳定板

73b―倾斜部

75―内侧空气喷射开口(第一开口)

77―外径侧空气喷射开口(第二开口)

Claims (6)

1.一种燃料喷射装置，向来自压缩机的压缩空气供给燃料并使其燃烧，

具备先导燃料喷射阀、主燃料喷射阀和空气喷射单元；

所述先导燃料喷射阀配置在该燃料喷射装置的径向中心部，向燃烧室内喷射燃料；

所述主燃料喷射阀配置在所述先导燃料喷射阀的外周，向所述燃烧室内喷射燃料与空气的预混合气；

所述空气喷射单元配置在所述先导燃料喷射阀的出口端部与所述主燃料喷射阀之间，向燃烧室内喷射所述压缩空气；

所述空气喷射单元具有隔壁板、火焰稳定板、第一开口和第二开口；所述隔壁板从所述燃烧室区划所述空气喷射单元；所述火焰稳定板设置在所述隔壁板的下游侧；所述第一开口设置在所述火焰稳定板与所述先导燃料喷射阀的出口端部之间，并在下游侧开口；所述第二开口设置在所述隔壁板上，向所述火焰稳定板与所述隔壁板之间的流入空间供给压缩空气；

所述火焰稳定板具有相对轴心向径向外侧倾斜下游方向倾斜的倾斜部。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其特征在于，设置所述第二开口，作为形成在所述隔壁板的由所述火焰稳定板覆盖的部分上的轴心方向的通孔。

3.根据权利要求1或2所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述倾斜部与所述隔壁板大致平行地延伸。

4.根据权利要求1至2中任意一项所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述火焰稳定板具有周壁部，所述周壁部与所述倾斜部的上游侧连接，并沿轴心方向延伸形成所述第一开口的外周。

5.根据权利要求1至2中任意一项所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述先导燃料喷射阀与所述主燃料喷射阀之间通过间隔壁连接，所述间隔壁在所述空气喷射单元的下游侧形成压缩空气的存储空间，在所述间隔壁上形成有向所述存储空间导入压缩空气的导入口。

6.根据权利要求1至2中任意一项所述的燃料喷射装置，其特征在于，在所述先导燃料喷射阀上设置有使压缩空气绕轴心旋转的旋流器。