CN106796033B - 燃料喷射装置 - Google Patents

Abstract

在燃气轮机燃烧器用燃料喷射装置(1)中，设置有：配置在该燃料喷射装置的轴心(C)上的引燃燃料喷射阀(3)、包围该引燃燃料喷射阀的外周的环状的主燃料喷射阀(5)、以及向轴心方向后方喷射燃料的多个主燃料喷射孔(21)，所述主燃料喷射阀(5)具有燃料流路形成部(15)、位于燃料流路形成部的内周侧的内环部(17)以及位于外周侧的外环部(19)，所述燃料流路形成部与所述内环部之间的空间以及所述燃料流路形成部与所述外环部之间的空间中的一方形成环状的引燃燃料供给路(33)，另一方形成环状的主燃料供给路(35)。

Description

燃料喷射装置

相关申请

本申请要求2014年8月18日申请的日本专利申请2014-165803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

本发明涉及一种在燃气涡轮发动机的燃烧器中使用的、具备燃料喷射阀的燃料喷射装置。

背景技术

近年来，出于对环境的担忧，一直在谋求降低从燃气涡轮发动机排出的NOx(氮氧化物)等有害物质。作为现有的航空器用燃气轮机燃烧器的燃料喷射阀的方式，已知有扩散燃烧方式。在该扩散燃烧方式中，燃烧反应根据计量混合比而进行，故火焰温度高。NOx的排出量具有相对于火焰温度呈指数性增加的性质，因此降低火焰温度成为用于抑制NOx的排出量的有效对策。然而，在推进燃气涡轮发动机的高温高压化的现状下，通过现有的扩散燃烧方式来抑制NOx的排出量存在局限性。

为了抑制火焰温度，稀薄燃烧方式的燃料喷射阀是有效的。稀薄燃烧是减少燃料相对于空气的比例而燃烧的方法。通过使用该稀薄燃烧方式，相较于现有的扩散燃烧方式，能够大幅降低火焰温度。另一方面，在稀薄燃烧方式中，由于火焰温度低，因此具有不稳定且不完全燃烧的倾向。因此，提出了一种同心型的燃料喷射装置，其呈同心状地在内侧配置引燃燃料喷射阀、在外侧配置主燃料喷射阀(例如，参照专利文献1)。该同心型的燃料喷射装置，其在低输出时，通过使用基于引燃燃料喷射阀的扩散燃烧方式来保持稳定的燃烧，并且在高输出时，在由引燃燃料喷射阀进行扩散燃烧的基础上，通过主燃料喷射阀进行稀薄燃烧，实现低NOx。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6898926号说明书

发明内容

(一)要解决的技术问题

但是，在同心型燃料喷射装置中，其在高输出时使主燃料喷射阀和引燃燃料喷射阀双方工作，而在低输出时，仅使引燃燃料喷射阀工作，而主燃料喷射阀不工作。因此，在主燃料喷射阀不工作的低输出时，主燃料喷射阀的燃料管内的燃料不流通。因此，在低输出时存在以下情况，即，由于在主燃料喷射阀的周围流动的高温空气的热，使残留于主燃料喷射阀的燃料管内的燃料发生焦化(coking)，燃料管阻塞。

另一方面，在专利文献1所述的、从主燃料喷射阀向径向外侧喷射燃料的类型的燃料喷射装置中，无法避免径向尺寸的增大，不适合需要小型的燃料喷射装置的用途。

为了解决上述的课题，本发明的目的在于，提供一种主燃料喷射阀为能够在径向上小型化的构造，并且能够有效地防止主燃料喷射阀内焦化的燃料喷射装置。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明的燃料喷射装置，其用于燃气轮机的燃烧器，具备：引燃燃料喷射阀(日语：パイロット燃料噴射弁)，其配置于该燃料喷射装置的轴心上；环状的主燃料喷射阀，其与所述引燃燃料喷射阀呈同心状配置，并包围该引燃燃料喷射阀的外周；多个主燃料喷射孔，其在所述主燃料喷射阀上沿周向分离地配置并向轴心方向后方喷射燃料，所述主燃料喷射阀具有：环状的燃料流路形成部、位于该燃料流路形成部的内周侧的内环部以及位于所述燃料流路形成部的外周侧的外环部，所述燃料流路形成部与所述内环部之间的空间以及所述燃料流路形成部与所述外环部之间的空间中的一个空间形成环状的引燃燃料供给路，该引燃燃料供给路向所述引燃燃料喷射阀供给燃料；另一个空间形成环状的主燃料供给路，该主燃料供给路向所述主燃料喷射阀的燃料喷射孔供给燃料。

根据该结构，通过使主燃料喷射阀构成为轴向喷射的类型，来抑制装置的径向尺寸，并通过由环状的燃料流路形成部、内环部以及外环部形成引燃燃料供给路以及主燃料供给路，能够在不使用主燃料供给路的情况下，例如在低输出时，通过流经引燃燃料供给路的燃料来冷却主燃料供给路。即，能够以简易的构造有效防止主燃料供给路的焦化。

在本发明的一个实施方式中，优选地，所述引燃燃料供给路位于所述主燃料供给路的径向内侧。根据该结构，向配置于径向内侧的引燃燃料喷射阀供给燃料的燃料供给路的结构被简化。

在本发明的一个实施方式中，优选地，还具备：主外壳，其覆盖所述主燃料喷射阀；支承环，其配置于所述主外壳的内方，前端部支承于所述主外壳，后端部支承所述主燃料喷射阀。根据该结构，通过将主外壳和主燃料喷射阀在隔开的状态下连结，能够抑制作为支承部件的支承环的热膨胀差导致的应力的发生。进一步地，通过由作为环状部件的支承环，相对于主外壳呈周状地支承主燃料喷射阀，从而相对于机械振动也能够牢固地进行支承。

在本发明的一个实施方式中，优选地，还具备：引燃燃料导入路，其形成于所述引燃燃料供给路的下游侧，且将燃料导入所述引燃燃料喷射阀；引燃外壳，其覆盖所述引燃燃料导入路，所述引燃燃料喷射阀以相对于所述引燃外壳能够在轴向上滑动的方式安装。根据该结构，能够在引燃燃料喷射阀的支承中避免热膨胀。

权利要求书和/或说明书和/或附图所公开的至少两个结构的任意组合也包含在本发明中。特别地，权利要求书各权利要求中两个以上的任意组合，也包含在本发明中。

附图说明

通过参照附图对以下优选的实施方式进行说明，可更清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应被用于确定本发明的范围。本发明的范围由附上的权利要求书确定。在附图中，多个附图中的相同的符号表示相同或相当的部分。

图1是表示本发明一个实施方式的燃料喷射装置的剖视图。

图2是放大表示图1的燃料喷射装置一部分的剖视图。

图3是表示图1的燃料喷射装置内的燃料的流路的立体图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。图1表示本发明一个实施方式的燃料喷射装置1。该燃料喷射装置1在燃气涡轮发动机的燃烧器中使用，用于向从燃气涡轮发动机的压缩机供给的压缩空气中混合燃料，并在燃烧器的燃烧室E中使其燃烧，将通过该燃烧而产生的高温、高压的燃烧气体输送至涡轮从而驱动涡轮。本实施方式的燃料喷射装置1与未图示的发动机旋转轴心呈同心状且等间隔地配设有多个。此外，在以下的说明中，将燃料喷射装置1的轴心C方向上的燃烧室E侧称为后侧，将其相反侧称为前侧。对构成实施方式的单元的名称附加的“后”、“前”也是同样的意思。

燃料喷射装置1具备：在燃料喷射装置1的旋转轴心C上配置的引燃燃料喷射阀3、以及以包围引燃燃料喷射阀3的外周的方式与引燃燃料喷射阀3的轴心C呈同心状设置的主燃料喷射阀5。从引燃燃料喷射阀3喷射的扩散燃烧用的燃料，与通过引燃部旋流器SW1而来的空气混合，并向燃烧器的燃烧室E供给。另一方面，从主燃料喷射阀5喷射的稀薄燃烧用的燃料，与通过主外部旋流器SW2以及主内部旋流器SW3而来的空气预混合，作为稀薄的预混合气向燃烧室E供给。各燃料喷射装置1通过形成燃料配管单元U的杆部(日语：ステム部)9而支承于燃烧器的外壳(未图示)。燃料配管单元U具备：导入向引燃燃料喷射阀3供给的用于扩散燃烧的燃料的第一燃料导入系统F1、以及导入向主燃料喷射阀5供给的用于稀薄预混合燃烧的燃料的第二燃料导入系统F2。

图2放大表示燃料喷射装置1的一部分的构造。如上所述，燃料喷射装置1具备：位于径向中心部的引燃燃料喷射阀3；以及配置于燃料喷射装置1的径向外侧、即引燃燃料喷射阀3的外周的主燃料喷射阀5。主燃料喷射阀5具有：将燃料导入主燃料喷射阀5内的燃料导入区11、以及使从燃料导入区11导入的燃料沿主燃料喷射阀5的周向流通的环状的燃料流通区13。燃料导入区11与燃料配管单元U连接。

主燃料喷射阀5具备：形成环状的燃料流路形成部的燃料流路形成体15、形成位于燃料流路形成体15(燃料流路形成部)的内周侧的内环部的内环17、以及形成位于燃料流路形成体15(燃料流路形成部)的外周侧的外环部的外环19。

燃料流路形成体15具有：形成燃料流通区13的圆筒状的燃料流路形成体环状部15a、以及从该燃料流路形成体环状部15a向轴心方向前方突出设置而形成燃料导入区11的燃料流路形成体基端部15b。在燃料流路形成体15的后端面，在周向上形成有多个轴心方向的贯通孔，这些贯通孔作为向轴心方向后方喷射燃料的主燃料喷射孔21发挥作用。各主燃料喷射孔21形成于在轴心方向上突出设置的主燃料喷射喷嘴23内。

在燃料流路形成体环状部15a的内周面上，形成有在整个圆周上延伸的内周侧周向槽25。在燃料流路形成体环状部15a的外周面上，形成有在整个圆周上延伸的外周侧周向槽27。另外，在燃料流路形成体基端部15b的内周面上，形成有在轴心方向上延伸的内周侧轴心方向槽29。在燃料流路形成体基端部15b的外周面上，形成有在轴心方向上延伸的外周侧轴心方向槽31。

内环17具有：形成燃料流通区13的内环环状部17a、以及从该内环环状部17a向轴心方向突出设置并形成燃料导入区11的内环导入部17b。同样地，外环19具有：形成燃料流通区13的外环环状部19a、以及从该外环环状部19a向轴心方向突出设置并形成燃料导入区11的外环导入部19b。

内环17是以内环环状部17a覆盖燃料流路形成体15的内周侧周向槽25，且内环导入部17b覆盖燃料流路形成体15的内周侧轴心方向槽29的方式配置的。通过该配置，在燃料流路形成体15与内环17之间形成的空间(即，内周侧周向槽25内的空间以及内周侧轴心方向槽29内的空间)形成向引燃燃料喷射阀3供给燃料的环状的引燃燃料供给路33。

另一方面，外环19是以外环环状部19a覆盖燃料流路形成体15的外周侧周向槽27，且外环导入部19b覆盖燃料流路形成体15的外周侧轴心方向槽31的方式配置的。通过该配置，在燃料流路形成体15与外环19之间形成的空间(即，外周侧周向槽27以及外周侧轴心方向槽31内的空间)形成向主燃料喷射阀5供给燃料的环状的主燃料供给路35。

此外，在本实施方式中，考虑到在主燃料喷射阀5的径向内侧配置有引燃燃料喷射阀3的结构，为了将燃料供给系统的结构简化，如图3所示，是以引燃燃料供给路33位于主燃料供给路35的径向内侧的方式构成的。当然，也可以将位于径向内侧的燃料流路形成体15与内环17之间的空间作为主燃料供给路35，将位于径向外侧的燃料流路形成体15与外环19之间的空间作为引燃燃料供给路33而形成。

如图2所述，在燃料喷射装置1中，进一步地，设置有覆盖主燃料喷射阀5的主外壳37。主外壳37通过后述的支承环41支承主燃料喷射阀5。通过主外壳37，阻碍从周围的高温空气向主燃料喷射阀5的热传导。

主外壳37是由形成燃料喷射装置1的前部的底壁部37a、覆盖主燃料喷射阀5的径向内侧的内筒部37b、覆盖内筒部37b的后部的后壁部37c、以及从后壁部37c的外周端向前方设置而覆盖主燃料喷射阀5的径向外侧的外筒部37d组成的。底壁部37a是与杆部9一体设置的。在主外壳37的后壁部37c的与上述主燃料喷射喷嘴23对应的部分上，在周向上等间隔地设置有用于喷射从主燃料喷射喷嘴23而来的燃料的多个喷射口。另外，外筒部37d通过例如焊接的方式牢固地接合在底壁部37a上。

支承环41是作为圆筒状的部件而形成的，具有与从主燃料喷射阀5的后端面到主外壳37的前端面为止的轴心方向长度几乎相同的轴心方向尺寸。在支承环41的前端部上设置有向内径侧突出的凸缘状的前端凸缘部45。在本实施方式中，前端凸缘部45具有朝向后方依次半径变大的两阶的阶梯。另一方面，在支承环41的后端部上设置有向外径侧突出的凸缘状的后端凸缘部47。

这样形成的支承环41，其前端部支承于主外壳37。详细而言，将支承环41的前端部的外周面41a，通过例如钎焊的方式接合在主外壳37的底壁部37a的内周缘部上，并且将主外壳37的内筒部37b的前端部嵌合在支承环41的前端凸缘部45的前侧阶梯部45a上，从而将支承环41支承于主外壳37。另外，在支承环41与主外壳37之间，形成有径向间隙G1。详细而言，支承环41的前端凸缘部45如上所述具有两阶的阶梯，因此在支承环41的前端部支承于主外壳37的状态下，在支承环41的内周面与主外壳37的内筒部的外周面之间，形成有与前端凸缘部45的后侧阶梯部45b的径向阶梯相当的径向间隙G1。

另一方面，在支承环41的后端部支承有主燃料喷射阀5。详细而言，在支承环41的后端凸缘部47上从前方嵌合主燃料喷射阀5的内环17的后端部。在本实施方式中，在内环17的后端部上形成有向径向内侧略微突出并与上述后端凸缘部47抵接的抵接缘部17c。因此，主燃料喷射阀5的后端部支承于支承环41的后端部。在该状态下，在支承环41与主燃料喷射阀5之间，形成有径向间隙G2。详细而言，在支承环41的外周面与主燃料喷射阀5的内周面(即内环17的内周面)之间，形成有与抵接缘部17c的突出高度相当的径向间隙G2。此外，主燃料喷射阀5的形成环状的燃料流通区13的部分，仅通过其后端部支承于支承环41的后端部，从而支承于主外壳37。换言之，主燃料喷射阀5的前端面、外周面以及后端面与主外壳37的内壁面之间也存在间隙。

此外，支承环41的前端部支承于主外壳37的结构不限于图示的例子。例如，也可以构成为：支承环41的前端部不设置前端凸缘部45而以直线状形成，支承环41的前端部以与主外壳37的底壁部37a以及内筒部37b在径向上接触。在这样构成的情况下，通过主外壳37与支承环41之间的在轴心C方向上的滑动，能够抑制热膨胀所引起的在轴心C方向上的应力的发生。另外，支承环41支承主燃料喷射阀5的结构，不限于图示的例子。例如，根据主燃料喷射阀5与支承环41的尺寸的大小关系，支承环41的后端部也可以构成为嵌合在主燃料喷射阀5的前端部、轴心C方向的中央部上进行支承。另外，支承环41支承主燃料喷射阀5的结构，即内环17与支承环41的连接结构不限于嵌合。例如，可以通过焊接、钎焊等方式固定，也可以将内环17和支承环41作为一体件形成。或者，也可以采用使内环17和支承环41以能够沿轴心C方向滑动的方式接触的结构。在该情况下，支承环41在径向上支承主燃料喷射阀5。

这样，将因从压缩机导入的周围的压缩空气而容易变得高温的主外壳37、和通过引燃燃料的流通被冷却的主燃料喷射阀5在隔开的状态下连结，从而能够抑制作为支承部件的支承环41的热膨胀差导致的应力的发生。进一步地，通过由作为环状部件的支承环41，相对于主外壳37呈周状地支承主燃料喷射阀5，从而相对于机械振动也能够牢固地支承主燃料喷射阀5。

另外，通过在主外壳37与支承环41之间形成径向间隙G1，在支承环41与主燃料喷射阀5之间形成径向间隙G2，使空气介于各间隙中，从而能够抑制容易变得高温的主外壳37的热向主燃料喷射阀5、特别是主燃料供给路35传导。其结果为，抑制主燃料供给路35的焦化的发生。此外，从抑制热传导的观点来看，优选在支承环41与主燃料喷射阀5之间形成间隙G2，但也可以采用支承环41和主燃料喷射阀5的内环17直接接触的结构，省略间隙G2。

在引燃燃料供给路33的下游侧，形成有将燃料导入引燃燃料喷射阀3的引燃燃料导入路51。详细而言，在燃料流路形成体15的基端部15b的内周面上，形成有与内周侧轴心方向槽29平行地延伸的内周侧导出用槽53，从由该内周侧导出用槽53形成的引燃燃料供给路33的下游端部向径向内侧，配设有形成引燃燃料导入路51的引燃燃料导出管55。

引燃燃料导入路51(引燃燃料导出管55)被引燃外壳57覆盖。该引燃外壳57形成为与引燃燃料导入路51以及引燃燃料喷射阀3的形状对应的大致L字形状的管状部件。引燃燃料喷射阀3以相对于引燃外壳57能够在轴心C方向上滑动的方式安装。

引燃燃料喷射阀3具有：沿轴心C延伸且形成引燃燃料导入路51的下游部的引燃燃料喷射阀支承管59、以及支承于该引燃燃料喷射阀支承管59的引燃燃料喷射喷嘴61。引燃燃料喷射喷嘴61与引燃燃料导入路51连通，并具有喷射从引燃燃料导入路51导入的燃料的引燃燃料喷射孔63。在本实施方式的引燃燃料喷射喷嘴61上，如图3所示，形成有在径向上呈放射状延伸的多个(图示的例中为四个)燃料喷射孔63。

引燃燃料喷射阀支承管59在其下游侧端部(即后端部)上，具有在该支承管的轴心方向上凹陷的嵌合凹部59a。通过使形成于引燃燃料喷射喷嘴61的上游侧端部(即前端部)的嵌合凸部61a嵌合在引燃燃料喷射阀支承管59的嵌合凹部59a上，从而将引燃燃料喷射喷嘴61与引燃燃料喷射阀支承管59连结。

另外，引燃燃料喷射阀支承管59的下游侧端部的外径形成为比引燃燃料喷射阀支承管59的其他部分的外径更大，并且比覆盖引燃燃料喷射阀支承管59的下游侧端部的引燃外壳57的后端部的内径略小。这样，引燃燃料喷射阀3在通过引燃燃料导出管55支承于主外壳37的同时，通过引燃外壳57以能够在轴心C方向上滑动的方式被支承。

这样，通过以相对于引燃外壳57能够在轴心C方向上滑动的方式支承引燃燃料喷射阀3，能够在引燃燃料喷射阀3的支承中避免热膨胀。

如以上所说明地，根据本实施方式的燃料喷射装置1，通过将主燃料喷射阀5构成轴向喷射的类型，抑制装置的径向尺寸，并通过由环状的燃料流路形成体15、内环17以及外环19形成引燃燃料供给路33以及主燃料供给路35，能够在不使用主燃料供给路35的情况下，例如在低输出时，通过流经引燃燃料供给路33的燃料来冷却主燃料供给路35。即，能够以简易的构造有效防止主燃料供给路35的焦化。

如上所述，参照附图对本发明优选的实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种补充、变更或删除。因此，这样的装置也包含在本发明的范围内。

附图标记说明

1：燃料喷射装置；

3：引燃燃料喷射阀；

5：主燃料喷射阀；

15：燃料流路形成体(燃料流路形成部)；

17：内环(内环部)；

19：外环(外环部)；

21：主燃料喷射孔；

33：引燃燃料供给流路；

35：主燃料供给流路；

37：主外壳；

41：支承环。

Claims (4)

1.一种燃料喷射装置，其用于燃气轮机的燃烧器，

具备：

引燃燃料喷射阀，其配置于该燃料喷射装置的轴心上；

环状的主燃料喷射阀，其与所述引燃燃料喷射阀呈同心状配置并包围该引燃燃料喷射阀的外周；

多个主燃料喷射孔，其在所述主燃料喷射阀上沿周向分离地配置并向轴心方向后方喷射燃料；

主外壳，其覆盖所述主燃料喷射阀，

所述主燃料喷射阀具有：环状的燃料流路形成部、位于该燃料流路形成部的内周侧的内环部以及位于所述燃料流路形成部的外周侧的外环部，

所述燃料流路形成部与所述内环部之间的空间以及所述燃料流路形成部与所述外环部之间的空间中的一个空间形成环状的引燃燃料供给路，该引燃燃料供给路向所述引燃燃料喷射阀供给燃料；另一个空间形成环状的主燃料供给路，该主燃料供给路向所述主燃料喷射阀的燃料喷射孔供给燃料。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述引燃燃料供给路位于所述主燃料供给路的径向内侧。

3.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其特征在于，还具备：

支承环，其配置于所述主外壳的内方，前端部支承于所述主外壳，后端部支承所述主燃料喷射阀。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料喷射装置，其特征在于，还具备：

引燃燃料导入路，其形成于所述引燃燃料供给路的下游侧，且将燃料导入所述引燃燃料喷射阀；

引燃外壳，其覆盖所述引燃燃料导入路，

所述引燃燃料喷射阀以相对于所述引燃外壳能够在轴向上滑动的方式安装。