JP2000028141A - 予混合燃料インジェクタ―およびそのセンタボディ - Google Patents
予混合燃料インジェクタ―およびそのセンタボディInfo
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Abstract
による異なる寸法の変化を許容する。 【解決手段】 インサート40はセンタボディ32のシ
ェル38に堅固に固定されており、燃料供給チューブ4
2がシェル38に堅固にろう接合されている。異なる寸
法の変化を許容するためにチューブ42は、スパイラル
状に曲げられている。シェル38とインサート40間で
滑りがないことで、摩耗によるリークが起こらず、二次
空気が正確に供給される。チューブ42に対してシェル
38が膨張したときに、インサート40がシェル38内
部に後退することがないため、シェル38内部への火炎
の流入が防げる。チューブ42の湾曲は、その固有振動
数がエンジンの運転中に受ける振動数よりも著しく大き
くなるように設定されている。
Description
よび二次燃料−空気をガスタービンエンジンの燃焼室に
導入するための予混合燃料インジェクターに関し、特に
二次燃料と二次空気を輸送し導入するための改良された
構成を有する予混合燃料インジェクターに関する。
12月20日出願の米国特許出願08/771,408
号の名称“火炎噴射の2つの気流の接線流入型ノズ
ル”、1996年12月20日出願の米国特許出願08
/771,409号の名称“2つの気流の接線流入型ノ
ズルによる火炎放射方法”、1997年12月15日出
願の米国特許出願08/991,032号の名称“ブラ
ッフボディ予混合燃料インジェクターおよび燃料と空気
の予混合方法”、1998年3月24日出願の米国特許
出願09/046,903号の名称“耐久性が改善され
た火炎安定燃料インジェクター”、1998年5月18
日出願の米国特許出願09/080,485号の“予混
合燃料インジェクターと操作方法”の技術を含む。
用されるような産業用ガスタービンエンジンにおいて、
窒素酸化物(NOx)や他の望ましくない排出物の厳重な
規制が課題となっている。このような排出物を最小にす
るために、産業用ガスタービンは、接線流入型インジェ
クターとして知られるタイプの予混合燃料インジェクタ
ーを備えている。一般的な接線流入型インジェクター
は、軸方向に延びたセンタボディと、前部隔壁と後部隔
壁の間に軸方向に延びた一対の弓形スクロールを備えて
いる。スクロールはセンタボディを中心に半径方向に離
して配置されており、環状の混合室を画定している。ス
クロールはさらに半径方向に互いに離間されて一対の空
気取入れスロットを画定しており、各スロットによって
一次燃焼空気の流れが混合室内に接線方向に流入する。
それぞれのスクロールは、流入してくる空気の流れに一
次燃料を導入するために、軸方向に配列された燃料導入
通路の列を備えている。インジェクターの後部隔壁は、
一次燃料と一次空気をエンジンの燃焼室に流入させるた
めに噴射ポートを備えており、この噴射ポートの最後端
部は燃料インジェクター放出面を画定している。
壁に取り付けられた基部、後部平面を有する噴射インサ
ート、ほぼ切頭円錐体である空洞のシェル、を備えてい
る。シェルは、基部から軸方向に延びており、混合室の
半径方向内側の境界と二次空気供給管路の半径方向外側
の境界を区画している。噴射インサートは、基部から軸
方向に離して配置されてシェルの後端部にちょうど(snu
gly)嵌まっており、軸方向に面する後部平面が、セン
タボディ後縁とインジェクター放出面との双方に対し軸
方向で同一位置に並んでいる。インサートとシェルの後
端部は相互に接するが、インサートは、基部から二次空
気供給管路内を直線状に延びている二次燃料供給チュー
ブにのみ固定されている。このように、インサートは、
シェルの後端部により半径方向に、二次燃料供給チュー
ブにより軸方向に支持されている。シェルとインサート
の間に堅固な接合がないことは、熱により発生する異な
る寸法の変化に応じて、シェルとインサートが軸方向に
相対的に摺動することを可能にし、インジェクターの損
傷を防止する。センタボディのシェルは900°F(4
82℃)程度の高温に達するが、燃料供給チューブは2
00°F(93℃)以下の温度の燃料に接する。このこ
とから、センタボディのシェルは軸方向に大きく膨張す
るが、燃料供給チューブは軸方向に比較的小さく膨張
し、異なる寸法の変化が生じる。
混合室に入り、センタボディの周囲で旋回し、完全に混
合する。この旋回状態の燃料−空気混合物は混合室を軸
方向に流れ、インジェクター放出面を通過し、エンジン
の燃焼室に入り、ここで点火され燃焼される。完全に混
合された燃料−空気混合物は燃焼室の火炎温度を均一に
低く保ち、NOxの抑制に不可欠な、無害な完全燃焼を促
進する。同時に、二次空気の流れは基部内の孔を通って
空気供給管路に入り、二次燃料の流れは燃料供給チュー
ブを通る。噴射インサートは、二次空気流および二次燃
料流を、複数の分散した空気噴流および燃料噴流に分
け、かつ、これらの噴流を燃焼室に導入する。二次燃料
と二次空気は、燃焼火炎が、インサートの露出した後端
部に固定されて空間的に安定することを助長する。この
結果、多大な損傷が生じる混合室内への火炎の吸い込み
が防止される。空間的に安定した火炎は、さらに、気体
−熱音響共鳴、火炎の空間的な不安定性に関する現象、
エンジンの構造上の多大な損傷を発生させる現象が生じ
る可能性を最小化する。そして、インサート後面はセン
タボディ後縁と軸方向で同一位置に並んでいるため、固
定された空間的に安定な燃焼火炎は、全体的にセンタボ
ディの外部で燃焼され、そのためにセンタボディ内部の
熱による損傷を防止できる。
流入型燃料インジェクターは多数の利点を有するが、潜
在的な欠点がないことはない。特に、インサートとシェ
ルの間に堅固な接合がないことは、熱による損傷を防止
するためには望ましいが、長期間、無故障とするには完
全ではない。インサートとシェルの並列した表面間の相
対的な滑りはこれらの表面を浸食し、インサートとシェ
ルとの適切な嵌合状態を損なう。この摩耗が進行する
と、インサートとシェルの間に狭い環状隙間が発生し、
その結果インサートは自由に振動できるようになる。イ
ンサートの振動は、燃料供給チューブとセンタボディ基
部の間の接合に過大な応力を与え、これを破壊し得る。
さらに、少量だが不規則な量の二次空気がこの環状隙間
を通過してリークし、排気排出物が増加し、あるいはイ
ンサートに固定された状態を維持しようとする火炎の能
力が損なわれる。加えて、燃料供給チューブに長さ方向
のどの部分で破断が起こっても、インサートは、インジ
ェクターから脱落してしまい、エンジンが異物による大
きな損傷を受ける可能性がある。最後に、燃料供給チュ
ーブに対するシェルの軸方向への異なる寸法の熱膨張
は、インサート後面をシェル内部へ軸方向に後退させる
可能性がある。インサート最後部の表面に固定されてい
る燃焼火炎は、シェル内部へ部分的に後退し、火炎の熱
による損傷が起こり得る。
ィシェルの異なる寸法の変化を許容し、耐久性に優れ、
動作特性が低下せず、異物損傷を引き起こす部品脱落の
危険性がない予混合燃料インジェクターが必要である。
合燃料インジェクターはセンタボディのシェルに堅固に
固定された二次燃料−空気噴射インサートを備えてお
り、このインサートには、異なる寸法の変化を許容する
ために少なくとも二次元で曲げられた二次燃料供給チュ
ーブが接続されている。本発明の一つの特徴によると、
燃料供給チューブは、その固有振動数がエンジンの運転
中にチューブが励起される最大の振動数より高くなるよ
うに、曲げられている。本発明の一つの詳細な実施例で
は、チューブはほぼ360°の範囲に亘るスパイラル状
に巻かれている。本発明のインジェクターの主な利点
は、インジェクターの部品間での相対的な滑りによる摩
耗を生じることなく、異なる寸法の変化を許容する能力
を有することである。この結果、異物による損傷の危険
性が最小になり、排気排出物が少なく火炎が空間的に安
定するという望ましい動作特性の耐久性が長期間におい
て得られる、という利点を生じる。
型予混合燃料インジェクター10は、前部隔壁12と、
燃料−空気噴射ポート16が貫通した後部隔壁14とを
備えている。このインジェクターは、さらに隔壁12,
14間に延びた一対のスクロール18a,18bからな
るスクロールアッセンブリ18を備えている。それぞれ
のスクロール18a,18bは、スロット24として示
す一対の一次空気取入れスロットを画定するために、燃
料インジェクター軸22から半径方向に離れて位置して
いる。それぞれのスクロール18a,18bはさらに一
次燃料供給マニホールド26と、通路28として示すよ
うな軸方向に並んだ一次燃料導入通路の列と、を備えて
いる。
ール18a,18bと協働して環状混合室34を半径方向
で区画しているセンタボディ32を備えている。このセ
ンタボディ32は、基部36と、空洞でかつ、ほぼ切頭
円錐形であるシェル38と、二次燃料−空気噴射インサ
ート40と、二次燃料供給チューブ42と、を備えてい
る。基部36は二次燃料流出口44を有し、かつ前部隔
壁12に取り付けられている。シェル38は基部36か
ら軸方向に延びており、混合室34の半径方向内側の境
界と、二次空気供給管路46の径方向外側の境界とを画
定している。図2において最も良く示されているよう
に、インサート40は、衝撃板54を一体に備えたハウ
ジング52と、流体分配器56と、二次燃料流入口62
を有するプラグ58と、先端キャップ64と、を備えて
いる。流体分配器56は円筒形中央開口部66と円錐形
プレナム68とを備えている。燃料分配室72及び燃料
マニホールド74が、前記のハウジング52と分配器5
6とプラグ58とによって画定されており、分配器56
内に設けられた燃料分配通路76の列によって相互に連
結されている。ハウジング52内の二次燃料通路78
は、燃料マニホールド74をエンジンの燃焼室82に接
続している。同様に、衝撃板54、先端キャップ64、
ハウジング52内にそれぞれ設けられた二次空気経路8
4,86,88によって二次空気が燃焼室82に導入さ
れる。インサート40は、基部36から軸方向に間隔を
空けて配置されており、先端キャップ64の平らな火炎
安定面92が、シェル38の後縁つまりへり94ならび
にインジェクター放出面96と軸方向に同一位置に並ぶ
ように、シェル38の後端部によって囲まれている。イ
ンサート40は流体的に密な(fluid tight)ろう接合
98によってシェル38に堅固に固定されている。
出口44と供給チューブ42との間で流体を連通させる
ために、第1のろう接合104によって基部36に堅固
に固定された二次燃料取入れ口先端102を備えてい
る。供給チューブ42は、さらに供給チューブ42とプ
ラグ58内の二次燃料流入口62の間で流体を連通させ
るために、第2のろう接合108によってインサート4
0に堅固に固定された二次燃料排出口先端106を有し
ている。原則では、接合104,108の一方もしく双
方が、シェル38と供給チューブ42における異なる寸
法の変化を許容するために非堅固な接合、すなわちすべ
り面接合である。しかし実際には、堅固な接合のみが確
実に流体を密(fluid tight)にシールする。
によって損傷しないようにするためだけでなく、シェル
38と燃料供給チューブ42の異なる熱膨張により最も
著しく発生する異なる寸法の変化に適応するために剛体
である。これらの基準は少なくとも2次元で曲げられた
チューブによって満たされる。そして、この湾曲の正確
な状態は、チューブがエンジン運転中に受けると思われ
る振動の周波数のスペクトルを一部考慮して定められて
いる。このチューブは、その固有振動数がストレートチ
ューブほど高くはないものの、エネルギー容量が問題と
なると判断されるいかなる振動モードよりも明らかに高
くなるように曲げられる。この湾曲は、さらに、異なる
寸法の変化に応じてわずかにチューブが弾性変形するこ
とを可能にしている。
によって製造される産業用エンジンにおいて利用される
ものである。このチューブ42は、インコネル625
(商標)から形成され、内径0.180インチ(4.5
7mm)、外径0.250インチ(6.35mm)、二
次燃料流出口44から二次燃料流入口62までの直線距
離幅は約8.2インチ(208mm)である。このチュ
ーブ42は、かなりのエネルギー容量を有する450H
zの一次振動モードとエネルギー容量が小さな高次(す
なわち高い周波数)の振動モードとによって励起される
と思われる。振動モードの相対的なエネルギー容量か
ら、450Hzのモードのみが懸念される。多数の候補
形状について分析したところ、長さが約9.7インチ
(246mm)で、ほぼ360°の範囲に亘って三次元
的な渦巻線状に巻かれているものが好適であった。すな
わち、このチューブは、懸念される周波数より約20%
高い約540Hzの固有振動数を有し、かつ燃料供給チ
ューブ42とセンタボディ32のシェル38との異なる
寸法の変化を吸収するように十分に柔軟である。
一次空気取入れスロット24から混合室34に入る。気
体状の一次燃料が一次燃料導入通路28から発生し、流
れてくる気流に入る。一次燃料と一次空気は混合室34
に入り、センタボディ32の周りで旋回し、完全に混合
する。その旋回状態の燃料−空気混合物は、混合室34
および燃料−空気噴射ポート16を軸方向に流れ、燃焼
室82に入り、ここで点火されて燃焼される。同時に、
二次空気は、センタボディ32の基部36内の孔(図示
せず)を通って二次空気供給管路46に入り、二次空気
通路84,86、88を通って燃焼室82に流れる。一
方、燃料供給チューブ42からの二次気体燃料は、燃料
分配室72、燃料分配通路76、燃料マニホールド7
4、二次燃料通路78を通過する。エンジンの運転中、
一次空気と二次空気は、センタボディ32のシェル38
の温度を900°F(482℃)まで上昇させるのに十
分なほど熱い。しかし、燃料供給チューブ42は、20
0°F(93℃)以下の温度の燃料が流れるので、比較
的低温状態に維持される。従って、センタボディ32
は、シェル38に流入した熱エネルギあるいはシェル3
8から持ち出された熱エネルギーに応じて軸方向に膨張
しもしくは収縮する。インサート40とシェル38の間
の堅固な接合98によって、インサート40は基部36
に対して相対的に変位する。燃料チューブ42は、この
相対変位に適応するためにわずかに曲がる。
の燃料供給チューブと、燃料供給チューブによって軸方
向に支持され、堅固に固定されない状態で、シェルによ
って半径方向に支持されるインサートと、を備えた従来
技術におけるインジェクターよりも多数の利点を有す
る。相対的なすべりがシェル38とインサート40の間
に存在しないので摩耗の可能性がなく、従ってインサー
ト40の半径方向外側の表面とシェル38の半径方向内
側の表面との間で狭い環状隙間の進行が防止される。結
果として、インサート40はシェル38に対し移動する
ことがなく、かつ接合104に対して過大な応力を加え
ることがない。また摩耗の環状隙間が存在しないことに
より、二次空気の全てがインサート40の適切な経路を
通して意図したように確実に計量され、その結果、排気
組成物や火炎安定性が悪影響を受けることがない。さら
に、インサート40の位置がシェル38に対して不変で
あるので、シェル38がチューブ42に対して膨張する
ときに、インサート40の火炎安定面92は、シェル内
部へ後退せずに、シェル38のへり94と軸方向に整列
した状態を維持する。この結果、燃焼室82の火炎は、
熱による激しい損傷が起こりうるシェル38内部へ部分
的に後退することがなく、全体的にシェル38の外側に
保持される。最後に、開示された構成では燃料供給チュ
ーブ42が破損してもインサート40を解放しないの
で、エンジンの異物による損傷の可能性を最小化する。
但し、ほとんど起こり得ない燃料供給チューブ42とろ
う接合98とにおける二重の破損が生じた場合には、イ
ンサート40が解放される。
明されたが、請求項の内容から逸脱することなく、形態
や詳細において様々な変更が可能であることは当業者に
とって明らかだろう。
燃料インジェクターの切欠斜視図。
サートとの関係を示すセンタボディの後部先端の拡大断
面図。
の3−3線に沿った断面図。
Claims (14)
- 【請求項1】 タービンエンジン用の予混合燃料インジ
ェクターであって、前記予混合燃料インジェクターは、 スクロールアッセンブリと、 前記スクロールアッセンブリから半径方向に離して配置
され、かつ前記スクロールアッセンブリと協働して一次
燃料を一次空気流と混合させる混合室を画定するセンタ
ボディと、を備えており、前記センタボディは、 燃料流出口を有する基部と、 前記基部から軸方向に延び、かつ前記混合室の半径方向
内側の境界と二次燃料供給管路の半径方向外側の境界を
画定するシェルと、 燃料流入口を有し、前記基部から軸方向に離れて配置さ
れるとともに前記シェルにより囲まれ、かつ該シェルに
堅固に固定されたインサートと、 前記二次燃料供給管路内に延び、かつ取入れ口先端と排
出口先端とを有する燃料供給チューブと、を備え、 前記取入れ口先端は、前記燃料流出口と前記燃料供給チ
ューブとの間で流体を連通させるために第1の接合によ
り前記基部に堅固に固定されており、前記排出口先端
は、前記燃料供給チューブと前記燃料流入口との間で流
体を連通させるために第2の接合によりインサートに堅
固に固定されており、前記燃料供給チューブは、シェル
と該燃料供給チューブとの異なる寸法の変化を許容する
ために少なくとも2次元で曲げられていることを特徴と
する予混合燃料インジェクター。 - 【請求項2】前記第1の接合と前記第2の接合は流体的
に密であることを特徴とする請求項1記載の燃料インジ
ェクター。 - 【請求項3】 前記燃料供給チューブは、懸念される最
大の振動数を含む運転中の振動を受けるものであって、
前記チューブはその固有振動数が前記最大振動数より高
くなるように曲げられていることを特徴とする請求項1
記載の燃料インジェクター。 - 【請求項4】 前記寸法の変化は熱により起こることを
特徴とする請求項1記載の燃料インジェクター。 - 【請求項5】 前記燃料供給チューブは3次元で曲げら
れていることを特徴とする請求項1記載の燃料インジェ
クター。 - 【請求項6】 前記燃料供給チューブは実質的に渦巻線
形状に曲げられていることを特徴とする請求項5記載の
燃料インジェクター。 - 【請求項7】 前記渦巻線形状は約360°の範囲に亘
ることを特徴とする請求項6記載の燃料インジェクタ
ー。 - 【請求項8】 予混合燃料インジェクターのセンタボデ
ィであって、前記センタボディは、 燃料流出口を有するセンタボディ基部と、 前記基部から軸方向に延び、かつ空気供給管路の半径方
向外側の境界を画定するシェルと、 燃料流入口を有し、かつ前記基部から軸方向に離れて配
置されるとともに前記シェルにより囲まれ、かつ該シェ
ルに堅固に固定されているインサートと、 前記二次燃料供給管路内に延び、かつ取入れ口先端と排
出口先端とを有する燃料供給チューブと、を備え、 前記取入れ口先端は、前記燃料流出口と前記燃料供給チ
ューブとの間で流体を連通させるために第1の接合によ
り前記基部に堅固に固定されており、前記排出口先端
は、前記燃料供給チューブと前記燃料流入口との間で流
体を連通させるために、第2の接合によりインサートに
堅固に固定されており、前記燃料供給チューブは、シェ
ルと該燃料供給チューブとの異なる寸法の変化を許容す
るために少なくとも2次元で曲げられていることを特徴
とするセンタボディ。 - 【請求項9】 前記第1の接合と前記第2の接合は流体
的に密であることを特徴とする請求項8記載のセンタボ
ディ。 - 【請求項10】 前記燃料供給チューブは、懸念される
最大の振動数を含む運転中の振動を受けるものであっ
て、前記チューブはその固有振動数が前記最大振動数よ
り高くなるように曲げられていることを特徴とする請求
項8記載のセンタボディ。 - 【請求項11】 前記寸法の変化は熱により起こること
を特徴とする請求項8記載のセンタボディ。 - 【請求項12】 前記燃料供給チューブは3次元で曲げ
られていることを特徴とする請求項8記載のセンタボデ
ィ。 - 【請求項13】 前記燃料供給チューブは実質的に渦巻
線形状に曲げられていることを特徴とする請求項12記
載のセンタボディ。 - 【請求項14】 前記渦巻線形状はほぼ360°の範囲
に亘ることを特徴とする請求項13記載のセンタボデ
ィ。
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