JP2002512339A - アンチコーキング用の燃料噴射弁のパージ装置 - Google Patents

アンチコーキング用の燃料噴射弁のパージ装置

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JP2002512339A JP2000544924A JP2000544924A JP2002512339A JP 2002512339 A JP2002512339 A JP 2002512339A JP 2000544924 A JP2000544924 A JP 2000544924A JP 2000544924 A JP2000544924 A JP 2000544924A JP 2002512339 A JP2002512339 A JP 2002512339A
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ガスタービンエンジンの燃料噴射弁におけるコークスの堆積を防止するためのエアパージ装置に関し、特に、１次燃料噴射弁の比較的小さなオリフィスによる圧力式のアトマイザにおけるコークスの堆積を防止するためのエアパージ装置に関する。エアパージ装置は、エンジン停止時に作動し、エンジン停止後延長された所定のパージ期間、例えば１〜１．５時間、噴射弁のオリフィスを通して冷却空気を連続して排気する。噴射弁の温度が１５０°Ｆ（６６℃）を下回るのを検出して熱電対のスイッチにより送風機が停止するまで、燃料ラインに接続されバッテリーにより電源供給された送風機によって、噴射弁を通って冷却空気が流れる。この低温においては、コークスの形成は起こらず、エンジン作動中は、効果的な燃焼によって、コークスの形成は最小限に抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの燃料噴射弁におけるコークスの堆積を防止
するためのエアパージ装置に関し、特に、１次燃料噴射弁の小さなオリフィスに
よる圧力式のアトマイザにおけるコークスの堆積を防止するためのエアパージ装
置に関する。
【０００２】
【背景技術】
本発明者は、エンジン停止後、エンジンにかなり熱が残留するため、噴射弁の
濡れた表面にある燃料が分解し、コークスが堆積することに気が付いた。
【０００３】 コークスの堆積によって、燃料噴射弁のオリフィスが狭くなる。適切な整備が
ないと、コーキングによって不安定な燃焼になり、最終的にエンジンは動かなく
なる。燃料噴射弁は、たいてい、比較的整備し難いエンジン内部に位置する。噴
射弁の使用寿命を延ばすと、かなりの維持費用の節約と休止時間の低減になる。
【０００４】 エンジン停止後、長時間、上昇する高温のガスが蓄積しエンジンの上部領域を
かなり加熱するので、特に重要なのは、エンジンの上側に向かって配置してある
噴射弁にある小さなオリフィスである。本発明者は、コークスの堆積がエンジン
の上部領域において極端に生じているのを観察し、その観察の結果、原因は、エ
ンジン停止後、燃料が分解し続いてコークスの堆積が起こるのに十分な温度で高
温のガスが蓄積することにある、と気付いた。
【０００５】 この問題は、先行技術においては通常認められていず、特に、エンジン停止後
、エンジンの上部領域において高温のガスが蓄積する影響については、評価され
ていなかった。先行技術において、噴射弁のパージ装置はいくつか存在するが、
これらの装置は、噴射弁から燃料をエアパージし、エンジン停止時に燃料マニホ
ールドから燃料を排出するためのものである。
【０００６】 先行技術において、エンジン停止後の燃料によって濡れた表面の状態について
は、考慮されているようには見えない。恐らく、重大な副次的な影響を伴わずに
燃料は全てすぐに蒸発してしまうものと思い込まれていたのであろう。
【０００７】 例えば、シュルツ（Ｓｃｈｕｌｔｚ）に与えられた米国特許第３，５４１，７
８８号においては、エンジン停止時に液体燃料ノズルから燃料を排出するための
装置が提供され、マンソン（Ｍａｎｓｓｏｎ）等に与えられた米国特許第４，０
９５，４１８号においては、圧縮空気により噴射弁から燃料を吹き飛ばすあるい
はパージするための装置が提供されている。両方とも、エンジン停止時に、噴射
弁からエンジンの中に燃料が漏れるのを防止するために、ストップバルブが作動
する。先行技術の装置は、噴射ノズルの内部から燃料を回収することのみに関係
するものである。高温の燃焼室ガスに関連して、燃料により濡れた噴射弁表面に
ついては、全く考慮されていない。
【０００８】 別の先行技術であるデーヴィス（Ｄａｖｉｅｓ）等に与えられた米国特許第３
，３４４，６０２号においては、圧縮空気により噴射弁から残留する燃料を噴出
するガスタービンエンジン噴射弁のための燃料パージ装置が提供されている。こ
の米国特許（公報第２欄、第２０〜２８行）においては、パージ中に、減速した
エンジンコンプレッサとタービンロータが回転したまま、エンジンに十分な空気
を流し、エンジンの燃焼領域から噴出・パージされる燃料を排出することに、特
に留意される。
【０００９】 ガスタービンエンジンの推奨される作動は、エンジンが完全に停止する前のア
イドリング中にエンジンを冷却することである。しかしながら、エンジンをアイ
ドリングしたまま貨物の積み降ろしや乗客が降りるのを安全に行えないので、実
際上、小型航空機の操縦士は、たいてい、エンジンをアイドリングすることはな
い。
【００１０】 先行技術においては、燃料により濡れた噴射弁の表面にその後起こることは考
慮されていない。エンジンロータの回転が徐々に止まるにつれて、エンジンを通
る空気の流れは減少する。エンジンの金属部品、特に燃焼室は、エンジンが停止
した後、１時間は高温のままである。これらのエンジン領域からの熱は、周囲の
金属製のエンジン構造に伝達し、また、エンジン内の比較的静止した空気と熱交
換し、最終的に放散する。
【００１１】 燃焼室の周囲のエンジン部品は、断熱材として機能し、熱を保持しかつ空気の
循環を妨げる。作動中のガスタービンエンジンを通る空気の流れは、軸方向に向
けられ、エンジン構造は全て、軸方向の空気の流れに対する抵抗を最小限に抑え
るように形成してある。しかしながら、ロータの回転が止まると、軸方向の空気
の流れも止まり、エンジン内の高温の空気がエンジンの上部に上昇し、そこに閉
じ込められる。高温の空気は、高温のエンジン部品との接触により発生し、金属
製のエンジン構造を通した伝達とともに、最終的に燃焼室から熱を放散する。エ
ンジンが停止した直後、燃焼室の上部に閉じ込められた高温の空気によって、燃
焼室のこの部分の急速な冷却は妨げられる。
【００１２】 濡れた噴射弁の表面にある燃料と燃焼室の隣接部分に保持される熱の組み合わ
せによって、燃料の分解とコークスの堆積が生じる。燃焼室の上部領域において
エンジン停止後２５０°Ｆ（１２１℃）までの温度が測定されている。この高温
において、コーキングが発生する。
【００１３】 エンジン作動中、噴射弁の内部を燃料が通過し、また噴射弁の外部を空気が通
過することによって、噴射弁は効果的に冷却され、エンジン作動中に、問題とな
るほどコークスは発生しない。しかしながら、エンジン停止後、従来の装置にお
いては、噴射弁は冷却されない。閉じ込められ燃焼室の上部に蓄積した高温の空
気は、濡れた表面の燃料が分解しコークス層を形成するような温度まで噴射弁を
加熱するのに十分である。コークスの形成は、非常に狭いオリフィスを使用する
場合、特に有害であり、１インチ（２５．４ｍｍ）の数千分の一程度のコークス
層によって、燃料効率が無視できないほど減少する。
【００１４】
【発明の開示】
本発明のエアパージ装置は、エンジン停止時に作動し、エンジン停止後延長さ
れた所定のパージ期間、例えば１〜１．５時間、噴射弁のオリフィスを通して冷
却空気を連続して排気する。
【００１５】 噴射弁の温度が１５０°Ｆ（６６℃）を下回るのを検出して熱電対のスイッチ
により送風機が停止するまで、燃料ラインに接続されバッテリーにより電源供給
された送風機によって、噴射弁を通って冷却空気が流れる。この低温においては
、コークスの形成は起こらない。エンジン作動中は、効果的な燃焼と噴射弁の冷
却によって、コークスの形成は最小限に抑えられる。
【００１６】 本発明は、以下の利点を提供するものである。
【００１７】 （１）燃料が、所定の延長された期間に亘って噴射弁から完全にパージされる
。
【００１８】 （２）連続した正圧と噴射弁からの空気の流れによって、高温の燃焼ガスが噴
射弁に逆流するのが防止される。
【００１９】 （３）噴射弁の燃料により濡れた表面が、パージする空気の流れに長い間さら
された後、より完全に乾燥する。
【００２０】 （４）噴射弁が、エンジン停止後、内側から空気により冷却され、コークスの
形成が生じる温度を下回る温度に噴射弁の温度が維持される。
【００２１】 特に、本発明は、燃料ラインから液体燃料を供給する少なくとも１つの噴射弁
を含む燃焼室の上流に吸気エアコンプレッサを備えるガスタービンエンジンにお
いて、 アンチコーキングのための燃料噴射弁のパージ装置であって、このパージ装置
は、燃料ラインと冷却空気源に接続され、エンジン停止時から開始する所定のパ
ージ期間の間、連続して燃料オリフィスを通して冷却空気を排気するエアパージ
手段、エンジン停止の検出時にエアパージ手段を駆動するエンジン停止検出スイ
ッチ手段、所定の許容温度を下回る噴射弁温度の検出時にエアパージ手段を停止
させるパージ終了スイッチ手段を備える、本改良を提供する。
【００２２】 本発明のさらなる詳細と利点は、下記の図面と詳細な説明から明らかになるで
あろう。
【００２３】 本発明を容易に理解するために、本発明の好ましい一実施態様を、付随する図
面を参照して、実施例により説明する。
【００２４】
【発明を実施するための最良の形態】
図１には、付随する燃料噴射弁を備えた環状のガスタービンエンジンの燃焼室
の部分破断斜視図が示してある。逆流燃焼室が、内板１、外板２、端部壁３の間
に規定してある。エンジンコンプレッサからの軸方向の圧縮された空気の流れが
、ダクト板４の内面を通過する。一般的な燃料噴射弁５が、端部壁３を通して取
り付けてあり、噴射弁ベース６によりダクト板４の上に支持してある。
【００２５】 この実施態様に示すように、燃料噴射弁５は、１次燃料マニホールド７により
供給される１次燃料オリフィス（図示せず）を備え、この１次燃料マニホールド
７は、燃料噴射弁５のように周囲を取り巻く環状の燃料の噴射弁ベース６に接続
してエンジンを取り巻いている。１次燃料マニホールド７には、図１の矢印に示
すように、１次燃料ライン８を通して液体燃料が供給される。
【００２６】 同様に、燃料噴射弁５は、２次燃料マニホールド９と２次燃料ライン１０によ
り供給される２次燃料オリフィス（図示せず）を備える。１次燃料オリフィスは
、従来技術のように、２次燃料オリフィスに比較してより小さな大きさである。
この実施態様に示すように、アンチコーキングのための燃料噴射弁のパージ装置
は、１次燃料ライン８にのみ連通している。しかしながら、本発明は、同様に２
次燃料ライン１０にも適用できることは、理解されるであろう。しかしながら、
アンチコーキング装置を１次燃料ライン８に取り付けることによって経費が最小
になるという利点が得られることが予想される。１次燃料オリフィスの大きさは
、比較的小さく、そのような狭いオリフィスに対する薄いコークス層の影響は、
より大きな２次オリフィスに対する同じ厚みのコークス層の影響より大きい。そ
のうえ、１次燃料マニホールド７、１次燃料ライン８を伴う小さな１次オリフィ
スは、本発明の目的を達成するために必要な圧縮空気は比較的少ない体積で十分
である。いっそう大きな２次燃料装置は、同じ目的を達成するために、よりいっ
そう大きな体積の圧縮空気が必要となるであろう。しかしながら、本発明を２次
燃料ラインに適用するか決定するのは、設計の選択事項であり、本発明の範囲を
制限するものではない。
【００２７】 アンチコーキングのための燃料噴射弁のパージ装置それ自体を参照すると、図
１には、エアパージのための送風機１１を備える本装置の一実施態様が例示して
ある。送風機１１は、中継ボックス１３を介してバッテリー１２により電源供給
される。送風機１１は、例えばエンジンの外部からの、冷却空気源に接続した吸
気口１４を備える。送風機１１から出た圧縮空気は、圧縮空気導管１５を介して
１次燃料ライン８に導かれる。１次燃料ライン８の上流に圧縮した冷却空気が逆
流するのを防止するために、パージ逆止弁１６が、１次燃料ライン８に配置して
ある。圧縮空気導管１５も同様に、エアパージのための送風機１１に燃料が逆流
するのを防止するために、エアパージのための送風機１１と１次燃料ライン８の
間に配置した燃料逆止弁１７を備える。
【００２８】 従って、作動時に送風機１１は、冷却空気を、圧縮空気導管１５を通り、１次
燃料ライン８を通り、１次燃料マニホールド７に到達させ、噴射弁ベース６を通
り、それぞれの燃料噴射弁５の１次燃料オリフィスを通して、連続して排気する
。エンジンの停止が開始すると、所定の長さのパージ期間が開始し、延長された
時間の間、継続する。バージ期間の長さは、制御装置にプログラムすることがで
きる。
【００２９】 制御装置は、エンジンの停止を検出すると送風機を駆動するエンジン停止検出
スイッチ１８を備える。いろいろな電子的または機械的検出スイッチを使用する
ことができるが、ここに示した実施態様において、エンジン停止検出スイッチ１
８は、エンジン空気圧検出スイッチである。エンジンが作動していると、コンプ
レッサ装置からの圧縮空気は、ダクト板４に亘って送られる。接続されたバッテ
リー１２により電源供給されたエンジン空気圧検出装置スイッチであるエンジン
停止検出スイッチ１８によって、エンジン内の空気圧が所定の作動空気圧を下回
るのが検出されると、送風機１１が駆動される。空気圧の減少は、エンジン停止
の確実な指標となるが、使用することが可能な当業者に知られているその他の指
標がある。
【００３０】 送風機１１は、停止信号を受け取るまで、燃料噴射弁５の１次燃料オリフィス
を通して冷却空気を連続して排気する。中継ボックス１３に接続したバージ終了
スイッチ１９によって、噴射弁の温度が所定の許容温度を下回るのが検出される
と、バッテリー１２と送風機１１の間の回路を遮断するように停止信号が与えら
れる。バージ終了スイッチ１９は、燃焼室（ここでは外板２）に取り付けた熱電
対から構成することもできる。燃焼室の壁である外板２に取り付けた熱電対であ
るパージ終了スイッチ１９によって検出された温度は、噴射弁の温度に比例する
。熱電対であるパージ終了スイッチ１９は、燃料噴射弁５自体に取り付けること
も可能であり、あるいは、噴射弁の温度の合理的に正確な推定値が得られる隣接
した構造部にとりつけることも可能である。許容温度は１５０°Ｆ（６６℃）に
設定すると、燃料噴射弁５やその燃料アトマイズオリフィスにおけるコークスが
問題となる堆積を防止するのに十分である。しかしながら、どのような範囲の温
度を設定するかは、設計者の選択に任される。
【００３１】 上述した説明が、簡単なアンチコーキングのための燃料噴射弁のパージ装置に
関することは理解されよう。いっそうの特性向上は、ここに開示した本発明の範
囲内において提供される。例えば、中継ボックス１３は、より精巧な制御装置に
置き換えて、操縦士や整備作業員がパージ動作を直接制御できるようにすること
も可能である。そのうえ、より正確に判断するために、エンジン停止検出スイッ
チ１８やパージ終了スイッチ１９を燃焼室やエンジン全体に複数取り付けること
もできる。
【００３２】 上述した説明や付随する図面は、本発明者が現在考えている具体的な好ましい
実施態様に関するものであるが、本発明は、その広い側面において、説明、例示
した要素の機械的、機能的等価物を含むことも理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 環状のガスタービンエンジンの燃焼室の部分破断斜視図であって、特に１次お
よび２次燃料マニホールドと燃料ラインを備えた燃料噴射弁を示してあり、アン
チコーキング装置は、逆止弁を備える１次燃料ライン、送風機、バッテリーによ
り電源供給された制御装置、燃焼吸気ダクトに取り付けた圧力センサ（パージ開
始）スイッチ、燃焼室の外壁に取り付けた熱電対（パージ停止）スイッチ、に接
続してあるのを示す。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料ラインから液体燃料を供給する少なくとも１つの噴射弁を
    含む燃焼室の上流に吸気エアコンプレッサを備えるガスタービンエンジンにおい
    て、 前記燃料ラインと冷却空気源に接続され、エンジン停止時から開始する所定
    のパージ期間の間、連続して燃料オリフィスを通して冷却空気を排気するエアパ
    ージ手段、 エンジン停止の検出時に前記エアパージ手段を駆動するエンジン停止検出ス
    イッチ手段、 所定の許容温度を下回る噴射弁温度の検出時に前記エアパージ手段を停止さ
    せるパージ終了スイッチ手段、 を備えることを特徴とするアンチコーキングのための燃料噴射弁のパージ装置
    。
  2. 【請求項２】 前記燃料ラインに、前記燃料ラインの上流に冷却空気が逆流す
    るのを防止するパージ逆止弁手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載
    のパージ装置。
  3. 【請求項３】 前記エアパージ手段と前記燃料ラインの間に、前記エアパージ
    手段に燃料が逆流するのを防止する燃料逆止弁手段をさらに備えることを特徴と
    する請求項１記載のパージ装置。
  4. 【請求項４】 前記エンジン停止検出スイッチ手段は、エンジン空気圧検出ス
    イッチからなることを特徴とする請求項１記載のパージ装置。
  5. 【請求項５】 前記パージ終了スイッチ手段は、前記燃焼室に取り付けた熱電
    対スイッチからなることを特徴とする請求項１記載のパージ装置。
  6. 【請求項６】 前記許容温度は、１５０°Ｆであることを特徴とする請求項５
    記載のパージ装置。
  7. 【請求項７】 前記エアパージ手段は、送風機からなることを特徴とする請求
    項１記載のパージ装置。
  8. 【請求項８】 前記エアパージ手段は、送風機からなり、前記エンジン停止検
    出スイッチ手段は、エンジン空気圧検出スイッチからなり、前記パージ終了スイ
    ッチ手段は、前記燃焼室に取り付けた熱電対スイッチからなり、前記送風機、前
    記エンジン空気圧検出スイッチ、前記熱電対スイッチは、電気的にバッテリーに
    より電源供給されることを特徴とする請求項１記載のパージ装置。
  9. 【請求項９】 それぞれの燃料噴射弁は、１次および２次燃料ラインによりそ
    れぞれ供給される１次および２次燃料オリフィスを備え、前記１次燃料オリフィ
    スは、前記２次燃料オリフィスに比較してより小さな大きさであり、前記パージ
    装置は、前記１次燃料ラインに連通していることを特徴とする請求項８記載のパ
    ージ装置。
JP2000544924A 1998-04-17 1999-04-19 アンチコーキング用の燃料噴射弁のパージ装置 Pending JP2002512339A (ja)

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US09/061,278 US6125624A (en) 1998-04-17 1998-04-17 Anti-coking fuel injector purging device
US09/061,278 1998-04-17
PCT/CA1999/000338 WO1999054610A1 (en) 1998-04-17 1999-04-19 Anti-coking fuel injector purging device

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