JP5193695B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体燃料を微粒化し、空気と混合させて燃焼に供する燃料噴射装置に係り、特に、ガスタービン機関の燃焼器用に用いられ、圧力噴射ノズルであるパイロットノズルを中心に配置するとともに、その周囲に旋回流式のエアブラストノズルであるメインノズルを配置してなるハイブリッド方式の燃料噴射装置の改良に関するものである。

図２は、ガスタービン機関の燃焼器の断面図である。１は、略円筒形状のケーシングであり、その内部には、図示しないコンプレッサからの圧縮空気が矢印で示すように下方から供給される。このケーシング１の内部には略円筒形状の燃焼筒２が設置されている。燃焼筒２の上端部には燃料噴射装置３が下向きに取り付けられている。この燃料噴射装置３は、ケーシング１の外から供給された液体燃料を微粒化し、ケーシング１内に供給された前記圧縮空気と混合して燃焼筒２の内部での燃焼に供する。燃焼筒２内で生成された高温の燃焼ガスは、燃焼筒２の外にある図示しない出力タービンに導かれて主軸の駆動に供せられる。

図３は、前記燃料噴射装置３の拡大断面図である。この燃料噴射装置３は、圧力噴射ノズルであるパイロットノズル４を中心に配置するとともに、前記パイロットノズル４の外側に旋回流式のエアブラストノズルであるメインノズル５を設けたハイブリッド方式の燃料噴射装置３である。前記パイロットノズル４と前記メインノズル５の間には、接線方向に連通する空気流通孔から空気の供給を受けて旋回流を生成する周状の内側空気通路６が設けられている。また、前記メインノズル５の外側には、スワーラで旋回流を生成する周状の外側空気通路７が設けられている。

この燃料噴射装置３を作動させた場合、パイロットノズル４の周囲には、メインノズル５用である内側空気通路６からの旋回空気が通常は流れており、パイロットノズル４の付近には空気速度の低い領域が生じる。このような空気の低速度領域にあるパイロットノズル４の先端部にはカーボン８が付着しやすく、このようなカーボン８の堆積はしばしば着火性やエミッションの悪化の原因となるという問題があった。

図４は、図３に示した燃料噴射装置３と同様の構造を有するハイブリッド方式の燃料噴射装置３であり、図３と機能上対応する部分には図３と同一の符号を付して説明する。この燃料噴射装置３ａは、圧力噴射のパイロットノズル４を中心に配置し、エアブラストノズルであるメインノズル５をその周囲に設け、パイロットノズル４とメインノズル５の間にはスワーラで旋回流を生成する周状の内側空気通路６が設けられ、メインノズル５の外側にはスワーラで旋回流を生成する周状の外側空気通路７が設けられ、さらに、外側空気通路７の周囲には燃焼筒２内に再循環領域を形成する作用を有するスワーラ９が取り付けられている。そして、内側空気通路６とパイロットノズル４の間には、パイロットノズル４の先端部にカーボンが堆積しないようにするためのカーボンシールド１０が設けられている。カーボンシールド１０は筒状の部材であり、パイロットノズル４の先端部が開口部から外に突出しないように、パイロットノズル４の先端部の全体を内部に納めている。そして、カーボンシールド１０の開口部の内面は、通路面積が広がらないように内方に突出した凸部１１とされており、パイロットノズル４の周囲における空気流速を上げるように構成されている。カーボンシールド１０とパイロットノズル４の間にはスワーラなどはなく、カーボンシールド１０内の空気流には旋回成分がない。

図４に示した燃料噴射装置３によれば、カーボンシールド１０によって空気の直流がパイロットノズル４の周囲に形成されるので、パイロットノズル４に付着するカーボンは飛ばされて堆積しなくなる。しかしながら、図４中に噴射角度を矢印で示すように、その空気の直流を形成するために空気の噴射角度が絞られて噴射角度が減少するため、燃焼筒２内で局部的に燃料リッチな領域が形成されるため、スモーク（煤）の生成量が多くなってしまう。

このように、パイロットノズル４の周囲に流速の早い空気を供給することでパイロットノズル４にカーボンが付着するのを防止する技術は存在していたが、そのような流速の早い空気流はパイロットノズル４の噴霧角度に影響を及ぼして廃棄エミッションを悪化させる場合があるという問題があった。

図５は、図４に示した燃料噴射装置３ａと同様の構造を有するハイブリッド方式の燃料噴射装置３ｂであり、図３と機能上対応する部分には図３と同一の符号を付して説明する。図４の燃料噴射装置３a との構造上の差異は、カーボンシールド１０とパイロットノズル４との間にスワーラ１２が設けられており、カーボンシールド１０内の空気流に旋回成分を与えている点である。

図５に示した燃料噴射装置３ｂによれば、カーボンシールド１０の内側にスワーラ１２によって空気を導入しているので、カーボンシールド１０から出る空気は旋回流となり、図５中に矢印で示すように噴霧角度が大きくなるため、噴射角度の減少により燃焼筒２内で局部的に燃料リッチな領域が形成されてスモーク（煤）の生成量が多くなるという問題は解決されるが、噴霧角度の拡大により旋回流がカーボンシールド１０の内面に近づくため、カーボンシールド１０の内面（内側に湾曲した凸部１１）にカーボン８が付着してしまう。

このように、パイロットノズル４の周囲に旋回流を供給することでパイロットノズル４の噴霧角度が小さすぎることによる排気エミッション悪化の問題を解決する技術は存在していたが、そのようなパイロットノズル４の噴霧角度の拡大は、その旋回空気流をパイロットノズル４の噴口付近に供給するためのカーボンシールド１０にカーボン８を付着させてしまう場合があるという問題があった。

本発明は、以上説明した従来の種々の問題点を一挙に解決するガスタービン用の燃料噴射装置を提供することを課題としている。すなわち、圧力噴射のパイロットノズルを中心に配置し、エアブラストノズルであるメインノズルをその周囲に設けたハイブリッド方式の燃料噴射装置において、パイロットノズル付近に空気の直流を生成することにより、パイロットノズル及びその他の部材に対するカーボン付着を効果的に防止し、同時にパイロットノズル付近の空気流に適度な旋回を与えることでパイロットノズルの噴霧角度を適正に拡大して排気エミッション悪化（スモーク発生）の問題を改善することができる燃料噴射装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された燃料噴射装置は、
圧力噴射式のパイロットノズルと、前記パイロットノズルの外側に設けられた旋回流によるエアブラスト式の周状のメインノズルと、前記パイロットノズルと前記メインノズルの間に設けられて旋回流が生成される周状の内側空気通路と、前記メインノズルの外側に設けられて旋回流が生成される周状の外側空気通路とを備え、ガスタービン機関の燃焼器に装着される燃料噴射ノズルにおいて、
前記パイロットノズルの本体は円柱状であって、噴口が開口している先端部は略半球状であり、
前記内側空気通路と前記パイロットノズルの間に、前記パイロットノズルの本体を外挿して中心軸上に収納する円筒形であって、その開口部は通路面積が広がらないように前記パイロットノズルの略半球状の先端部に沿って内方に向けて湾曲した形状とされて前記パイロットノズルの周面と一定の隙間を有するとともに開口端からパイロットノズルの噴口が開口した略半球状の先端部が突出するカーボンシールドを設けることにより、
前記カーボンシールドと前記パイロットノズルの間を直進的に流れる空気流により、前記パイロットノズルの周面に沿って流れ、前記パイロットノズルの先端部の周囲に空気流速が低下しない旋回の無い空気流を生成するように構成したことを特徴としている。

請求項２に記載された燃料噴射装置は、請求項１記載の燃料噴射装置において、
前記カーボンシールドの前記開口部の前記開口端から直進的に流れ出る空気流の外側部分が前記内側空気通路からの旋回流に誘引されて前記メインノズルからの燃料噴霧角度を狭めない程度に減速するように構成したことを特徴としている。

本発明の燃料噴射装置によれば、パイロットノズルの噴口よりも上流で開口しているカーボンシールドからは空気が直進的に吹き出し、これがパイロットノズルの周面に沿って流れるので、パイロットノズル本体へのカーボン付着が防止される。また、カーボンシールドの開口部の近傍における直進的な空気の流速は十分であるため、カーボンシールドの開口部の内面にカーボンが付着することもない。一方、カーボンシールドからの空気の直進的な吹き出しによる上述したカーボン付着防止の効果は維持しつつ、パイロットノズルの噴口よりも上流において、カーボンシールドからの直進的な空気の流れのうち、特に外側の部分は、内側空気通路からの旋回流との混合によって流速が適度に減速されるので、過度の直進流によりパイロット噴射角度が押し狭められる不都合は解消され、パイロット噴射角度は適度に拡大されるので、噴射角度狭小による排気エミッション悪化は防止される。

本発明の実施形態を図１を参照して説明する。
図１は、ガスタービン機関の燃焼器に設けられた本発明の実施形態である燃料噴射装置２０の断面図である。この図において、空気の流れは矢印で示しているが、実線の矢印は旋回のない空気の流れを示し、破線の矢印は旋回空気の流れを示している。なお、燃料噴射装置２０以外の構造、すなわちこの燃料噴射装置２０が取り付けられるガスタービン機関乃至その燃焼器自体の構成は図２を参照して説明した従来の構造と同一である。

本例の燃料噴射装置２０は、前述したハイブリッド方式の燃料噴射装置であり、圧力噴射のパイロットノズル２１を中心部に配置し、エアブラストノズルである周状のメインノズル２２をその周囲に設け、パイロットノズル２１とメインノズル２２の間にはスワーラ２３で旋回流を生成する周状の内側空気通路２４を設け、メインノズル２２の外側にはスワーラ２５で旋回流を生成する周状の外側空気通路２６を設け、さらに、外側空気通路２６の外側には燃焼筒２内に再循環領域を形成する作用を有するスワーラ９が取り付けられている。

そして、内側空気通路２４とパイロットノズル２１の間には、パイロットノズル２１の周囲に旋回の無い流速の高い直進的な空気流を生成し、パイロットノズル２１の先端部にカーボンが堆積しないようにするためのカーボンシールド３０が設けられている。このカーボンシールド３０とパイロットノズル２１の間にはスワーラなどはなく、後述するようにカーボンシールド３０内の空気流は旋回成分がない直進流となる。

本例のカーボンシールド３０は、従来カーボンシールドと呼ばれていた部材とパイロットノズル２１へのカーボン付着を防止する目的においては一致するが、構造・機能が異なる点において、従来のカーボンシールドとは異なる構成である。

本例のカーボンシールド３０は概略筒状の部材であり、旋回のない流速の高い空気流が生成されるようにパイロットノズル２１の周面との間隙を一定として通路面積が広がらないようになっている。すなわち、パイロットノズル２１の本体は円柱状であって、噴口３５が開口している先端部は略半球状であり、これに対しカーボンシールド３０はパイロットノズル２１の本体を外挿して中心軸上に収納する円筒形であって、その開口部３１は、通路面積が広がらないように、パイロットノズル２１の略半球状の先端部に沿って内方に向けてやや湾曲した形状（窄まった形状）となっている。このため、パイロットノズル２１の先端部の周囲における空気流速は低下せず、パイロットノズル２１の先端部へのカーボン付着が防止される効果が得られる。

なお、パイロットノズル２１の先端部よりも上流にあるカーボンシールド３０の開口部３１の内側では、流速の高い直進的な空気流が流れているので、カーボンシールド３０の開口部３１の内側へのカーボン付着が防止されることは言うまでもない。

また、本例のカーボンシールド３０によれば、カーボンシールド３０の開口部３１からはパイロットノズル２１の噴口３５が設けられた略半球状の先端部が突出している。このため、カーボンシールド３０からの旋回のない空気流（シュラウドエア）の外側の部分は、パイロットノズル２１の噴口３５よりも上流で外側の旋回空気と混ざり、パイロットノズル２１の噴口３５からの燃料の噴霧角度を狭めない程度にまで減速されることにより、図１に示すように、メインノズル２２からの燃料Ａの噴霧角度に対し、パイロットノズル２１からの燃料Ｂの噴霧角度が適当な大きさとなるため、排気エミッションへの影響が低減されてスモークが減少する効果が得られる。

このように、本例の燃料噴射装置２０によれば、パイロットノズル２１の噴口３５よりも上流にあるカーボンシールド３０の開口部３１からは空気が直進的に吹き出し、これがパイロットノズル２１の周面に沿って流れるので、パイロットノズル２１の本体へのカーボン付着が防止される。また、カーボンシールド３０の開口部３１の近傍における直進的な空気の流速は十分であるため、カーボンシールド３０の開口部３１の内面にカーボンが付着することもない。一方、カーボンシールド３０からの空気の直進的な吹き出しによるカーボン付着防止効果は維持しつつ、パイロットノズル２１の噴口３５よりも上流において、図１中の開口部３１から分かれる短い破線の矢印で示す旋回流と、短い実線の矢印で示す直進流とで表すように、カーボンシールド３０からの直進的な空気の流れのうち、特に外側の部分は、内側空気通路２４からの旋回流に誘引され、またこの旋回流との混合により、流速が適度に減速される。このため、過度の直進流によりパイロット噴射角度が押し狭められる不都合は解消され、パイロット噴射角度はメインノズル２２からの噴射角度に対して適度に拡大されるので、噴射角度狭小による排気エミッション悪化も防止される。

図１は、ガスタービン機関の燃焼器に設けられた本発明の実施形態である燃料噴射装置の断面図である。 図２は、従来のガスタービン機関の燃焼器の断面図である。 図３は、従来のガスタービン機関の燃焼器に取り付けられたカーボンシールドのない燃料噴射装置の断面図である。 図４は、従来のガスタービン機関の燃焼器に取り付けられたカーボンシールドを有する燃料噴射装置のうち、カーボンシールドからの空気流に旋回成分がないものを示す断面図である。 図５は、従来のガスタービン機関の燃焼器に取り付けられたカーボンシールドを有する燃料噴射装置のうち、カーボンシールドからの空気流に旋回成分があるものを示す断面図である。

符号の説明

１…ケーシング
２…燃焼筒
２０…燃料噴射装置
２１…パイロットノズル
２２…メインノズル
２４…内側空気通路
２６…外側空気通路
３０…カーボンシールド
３１…カーボンシールドの開口部
３５…パイロットノズルの噴口

Claims (2)

1. 圧力噴射式のパイロットノズル（２１）と、前記パイロットノズルの外側に設けられた旋回流によるエアブラスト式の周状のメインノズル（２２）と、前記パイロットノズルと前記メインノズルの間に設けられて旋回流が生成される周状の内側空気通路（２４）と、前記メインノズルの外側に設けられて旋回流が生成される周状の外側空気通路（２６）とを備え、ガスタービン機関の燃焼器に装着される燃料噴射装置（２０）において、
   前記パイロットノズルの本体は円柱状であって、噴口（３５）が開口している先端部は略半球状であり、
   前記内側空気通路と前記パイロットノズルの間に、前記パイロットノズルの本体を外挿して中心軸上に収納する円筒形であって、その開口部（３１）は通路面積が広がらないように前記パイロットノズルの略半球状の先端部に沿って内方に向けて湾曲した形状とされて前記パイロットノズルの周面と一定の隙間を有するとともに開口端からパイロットノズルの噴口が開口した略半球状の先端部が突出するカーボンシールド（３０）を設けることにより、
   前記カーボンシールドと前記パイロットノズルの間を直進的に流れる空気流により、前記パイロットノズルの周面に沿って流れ、前記パイロットノズルの先端部の周囲に空気流速が低下しない旋回の無い空気流を生成するように構成したことを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記カーボンシールド（３０）の前記開口部（３１）の前記開口端から直進的に流れ出る空気流の外側部分が前記内側空気通路（２４）からの旋回流に誘引されて前記メインノズル（２２）からの燃料噴霧角度を狭めない程度に減速するように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置（２０）。

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