JP2022150960A - ガスタービン用燃料ノズル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用燃料ノズル装置内に供給される圧縮空気の圧力損失を低減する。【解決手段】ガスタービンエンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料ノズル装置であって、所定の軸線方向に延び、燃焼室内に突出する外筒と、外筒の基端を閉じる後端壁と、外筒の中間部の内周から外筒の遊端部に向けて同軸的に延出し、かつその遊端部にて第１噴出口を画定し、外筒の遊端部と協働して第１噴出口を同軸的に外囲する環状の第２噴出口を画定する先細の円錐筒体と、後端壁を貫通して、円錐筒体の基端部の内周面に向けて開かれた燃料噴出ポートに至る燃料通路と、外筒の、円錐筒体の基端部及び燃料噴出ポートに隣接する部分間の部分に、接線方向の成分を含むように貫通形成された第１空気導入路と、外筒の、円錐筒体の基端部及び遊端部間の部分に、接線方向の成分を含むように貫通形成された第２空気導入路とを含む燃料ノズル装置を提供する。【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービン用燃料ノズル装置に関する。

ガスタービンに於いては、燃焼器内で、圧縮された空気に向けてケロシン等の燃料を噴射して形成された混合気を燃焼することにより、タービンを駆動する燃焼ガスが得られる。そのとき、効率的な燃焼を達成するために、燃料を良好に霧化或いは気化させること、すなわち燃料を空気と良好に混合することが望まれる。

特許文献１には、液体を供給する中心筒と、中心筒を同軸的に外囲する基端及びその前方に向けて同軸的に延出する先細の遊端を有する円錐筒体と、円錐筒体の外周を同軸的に外囲する外筒とを有するノズル装置が開示されている。中心筒と円錐筒体の内周との間には、環状の第１の空気通路が画定され、円錐筒体の外周と外筒の内周との間には、第２の空気通路が画定される。両空気通路はそれぞれ狭窄部を含み、これらの狭窄部には、ノズルに供給される加圧空気の高速流が形成される。その結果、これらの領域に負圧が形成され、中心筒から液体がジェット流をなして噴射されることで、第１の空気通路に導入された加圧空気と混合する。この混合流の流れは、第２の空気通路に導入される加圧空気により更に加速される。また、これらの空気通路にはスワラが設けられることから、加圧空気の高速流は旋回流をなし、その結果、液体を高度に微粒化することができる。

特開２００９－２９７５８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のノズル装置は、高速の加圧空気流を発生させることにより、液体を微粒化させるものである。一方、ガスタービンに於いては、圧縮空気室と燃焼室との間の圧力差が比較的小さいため、高速の加圧空気流を得ることができない。したがって、このノズル装置を、そのままガスタービン用燃料ノズルに適用することができない。

本発明は、このような問題点を鑑み、燃料を効率よく燃焼できるガスタービン用燃料ノズル装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の一態様は、ガスタービンエンジン（１０）の燃焼室（５２）内に燃料を噴射する燃料ノズル装置（１００）であって、所定の軸線方向に延び、前記燃焼室内に突出する外筒（１０１）と、前記外筒の基端を閉じる後端壁（１０２）と、前記外筒の中間部の内周から前記外筒の遊端部に向けて同軸的に延出し、かつその遊端部にて第１噴出口（１１８）を画定し、前記外筒の前記遊端部と協働して前記第１噴出口を同軸的に外囲する環状の第２噴出口（１１９）を画定する先細の円錐筒体（１０４）と、前記後端壁を前記軸線方向に貫通して、前記円錐筒体の基端部の内周面に向けて開かれた燃料噴出ポート（１０９）に至る燃料通路（１０８）と、前記外筒の、前記円錐筒体の前記基端部と前記燃料噴出ポートに隣接する部分との間の部分に、接線方向の成分を含むように貫通形成された第１空気導入路（１１１）と、前記外筒の、前記円錐筒体の前記基端部と前記遊端部との間の部分に、接線方向の成分を含むように貫通形成された第２空気導入路（１１３）とを含む燃料ノズル装置を提供する。

この態様によれば、燃料と圧縮空気とを良好に混合することができ、燃焼室内での燃焼効率を高めることができる。

また、上記の構成において、前記後端壁の前面が平坦であって、前記第１空気導入路の後縁が、前記後端壁の前記前面に略整合しているとよい。

この構成によれば、燃料噴出ポートから噴射される高速の燃料ジェットに向けて、空気を、抵抗を受けることなく第１空気導入路から効率的に導入することができる。

また、上記の構成において、前記第１空気導入路の入口及び前記第２空気導入路の入口が、前記軸線方向について近接配置されているとよい。

この構成によれば、ノズル装置の軸線方向長を最小化し、かつ与えられた軸線方向長をもって、両空気導入路から導入される流れを、一層良好な旋回流となるようにすることができる。

また、上記の構成において、前記燃料通路が、周方向に所定角度で傾斜しているとよい。

この構成によれば、燃料噴出ポートから円錐筒体内に噴出される燃料を、第１空気導入路から導入される加圧空気の旋回方向と同じ方向で、周方向に旋回できる。これにより、円錐筒体の内表面に付着する燃料の液膜を、より均一な厚みに形成することが可能となり、燃料を良好に霧化できる。

また、上記の構成において、前記燃料通路が、前記燃料が前記円錐筒体の内表面に衝当する向きに噴射されるように構成されているとよい。

この構成によれば、燃料噴出ポートから円錐筒体内に噴出されて円錐筒体の内表面に付着する燃料の液膜を、より均一な厚みに形成することが可能となり、燃料を良好に霧化できる。

また、上記の構成において、前記外筒が、互いに同軸的な前部筒体（１０５）及び後部筒体（１０６）を含み、前記円錐筒体の後端に、径方向外側を向くフランジ（１０７）が形成され、前記フランジが、前記前部筒体の後端と前記後部筒体の前端との間に挟持されているとよい。

この構成によれば、燃料ノズル装置の組付けが容易となる。

また、上記の構成において、前記第１空気導入路の前記入口及び前記第２空気導入路の前記入口が、前記軸線方向に長い矩形又は長円形形状を有するとよい。

この構成によれば、第１空気導入路の入口及び第２空気導入路の入口の面積を大きく取ることができるため、第１空気流路及び第２空気流路に於ける圧力損失を低減することができる。

また、上記の構成において、前記外筒が、前記第２噴出口の前方に延出する先太のテーパ状内周面を有するとよい。

この構成によれば、第１噴出口及び第２噴出口から噴射される流れが良好になる。

また、上記の構成において、前記外筒の前記円錐筒体の前部を外囲する部分が、前記第２噴出口に向けて先細のテーパ状内周面を有するとよい。

この構成によれば、外筒の内周面及び円錐筒体の外周面によって画定される空間が前方に向けて先細となるため、この空間を通過する旋回流が増強される。

また、上記の構成において、前記第１空気導入路を画定する前記外筒の内周部分が、前方を向く肩面を有し、前記燃料噴出ポートが、前記肩面にて開口しているとよい。

この構成によれば、ノズル装置の構造が簡単になり、ノズル装置の形成が容易となる。

本発明によれば、燃料と圧縮空気とを良好に混合することができ、燃焼室内での燃焼効率を高めることができるガスタービン用燃料ノズル装置が提供される。

本発明の実施形態に係る燃料ノズル装置が設けられたガスタービンを示す断面図 前記燃料ノズル装置を示す斜視図 前記燃料ノズル装置を示す断面図 前記燃料ノズル装置を図３に於けるＩＶ－ＩＶ線について見た断面図 前記燃料ノズル装置を図３に於けるＶ－Ｖ線について見た断面図 本発明の変形実施例に於ける燃料通路を示す燃料ノズル装置の断面図

以下では、本発明に係る燃料ノズル装置１００を航空機用のガスタービンエンジン１０に用いた実施形態について、図を参照して説明する。まず、本実施形態の燃料ノズル装置１００が用いられるガスタービンエンジン１０の概要を、図１を参照して説明する。

ガスタービンエンジン１０は、中心軸線Ｘについて互いに同軸に配置された略円筒状のアウタケーシング１２及びインナケーシング１４を有する。インナケーシング１４の内部において、低圧系回転軸２０は、前部第１ベアリング１６及び後部第１ベアリング１８によって、回転自在に支持されている。高圧系回転軸２６は、低圧系回転軸２０を中心軸線Ｘについて同軸的に外囲する中空軸をなし、前部第２ベアリング２２及び後部第２ベアリング２４によって、インナケーシング１４及び低圧系回転軸２０に回転自在に支持されている。

低圧系回転軸２０はインナケーシング１４より前方に突出した略円錐形状の先端部２０Ａを含む。先端部２０Ａの外周には、周方向に複数のフロントファン２８が設けられている。フロントファン２８の下流側のアウタケーシング１２には、複数のステータベーン３０が周方向に所定の間隔をおいて設けられている。ステータベーン３０の下流側には、アウタケーシング１２とインナケーシング１４との間に形成された円環状断面形状を有するバイパスダクト３２と、インナケーシング１４に同軸に、すなわち中心軸線Ｘに同軸に形成された円環状断面形状を有する空気圧縮用ダクト３４とが並列に設けられている。

空気圧縮用ダクト３４の入口部には、軸流圧縮機３６が設けられている。軸流圧縮機３６は、低圧系回転軸２０の外周に設けられた前後２列の動翼列３８と、インナケーシング１４に設けられた前後２列の静翼列４０とを、軸線方向に互いに隣接して交互に有する。

空気圧縮用ダクト３４の出口部には、遠心圧縮機４２が設けられている。遠心圧縮機４２は、高圧系回転軸２６の外周に設けられたインペラ４４を有する。空気圧縮用ダクト３４の出口部、すなわちインペラ４４の直上流位置には、空気圧縮用ダクト３４を横切るストラット４６がインナケーシング１４に設けられている。遠心圧縮機４２の出口部には、インナケーシング１４に固定されたディフューザ５０が設けられている。

ディフューザ５０の下流側には、ガスタービン用燃焼器５４が設けられている。ガスタービン用燃焼器５４は、中心軸線Ｘを中心とする円環状の燃焼室５２を画定している。ディフューザ５０からは、圧縮空気が、圧縮空気室５６を介して燃焼室５２に向けて供給される。

インナケーシング１４には、燃焼室５２に燃料を噴射する複数の燃料噴射ノズル７０が、中心軸線Ｘ周りの周方向に所定の間隔をおいて取り付けられている。各燃料噴射ノズル７０は、燃焼室５２に向けて燃料を噴射する。燃焼室５２内では、燃料噴射ノズル７０から噴射される燃料及び圧縮空気室５６から供給される圧縮空気の混合気の燃焼によって、高温の燃焼ガスが生成される。

燃焼室５２の下流側には、高圧タービン６０及び低圧タービン６２が設けられている。高圧タービン６０は、燃焼室５２の出口部に固定された静翼列５８と、高圧系回転軸２６の外周に固定された動翼列６４とを含む。低圧タービン６２は、高圧タービン６０の下流側に位置し、インナケーシング１４に固定された複数の静翼列６６と、低圧系回転軸２０の外周に設けられた複数の動翼列６８とを、軸線方向に互いに隣接して交互に有する。

ガスタービンエンジン１０の始動に際しては、図示しないスタータモータによって高圧系回転軸２６が回転駆動されることで行われる。高圧系回転軸２６が回転駆動されると、遠心圧縮機４２によって圧縮された圧縮空気が燃焼室５２に供給され、燃焼室５２にて混合気が燃焼することで燃料ガスが発生する。燃料ガスは、動翼列６４、６８に噴き付けられ、高圧系回転軸２６及び低圧系回転軸２０を回転させる。これにより、フロントファン２８が回転すると共に、軸流圧縮機３６及び遠心圧縮機４２が運転されることで、圧縮空気が燃焼室５２に供給される。これにより、ガスタービンエンジン１０は、スタータモータの停止後も運転を継続する。

また、ガスタービンエンジン１０の運転中にフロントファン２８が吸い込んだ空気の一部は、バイパスダクト３２を通過して後方に噴き出され、推力を発生する。フロントファン２８が吸い込んだ空気の残部は、燃焼室５２に供給されて燃料との混合気として燃焼して燃料ガスを発生させる。燃焼ガスは、低圧系回転軸２０及び高圧系回転軸２６の回転駆動に寄与した後、後方に噴き出されて推力を発生する。

次に、本実施形態に係る燃料ノズル装置１００の詳細を説明する。図２及び図３は、燃料ノズル装置１００を詳細に示す。燃料ノズル装置１００は、燃焼室５２の後端から燃焼室５２の内部に向けて突出する外筒１０１を含む。外筒１０１は、ガスタービンエンジン１０の中心軸線Ｘと異なる中心軸線Ａを中心として、軸線方向に延びる筒体である。外筒１０１の後端のやや前方には後端壁１０２が設けられ、後端壁１０２の後面及び外筒１０１の内周面によって燃料室１０３が画定されている。燃料室１０３は、外筒１０１と同軸に配置される円筒体であって、図示されていない燃料配管に接続されて燃料の供給を受けるようにされている。

外筒１０１の軸線方向中間部の内周面には、外筒１０１と同軸に配置されて軸線方向に延びる先細の筒体である円錐筒体１０４の基端（大径端）が結合され、円錐筒体１０４の遊端（小径端）は、外筒１０１の前端に達している。本実施形態では、外筒１０１は、互いに同軸をなす前部筒体１０５及び後部筒体１０６からなる。円錐筒体１０４の基端には、径方向外側に延びるフランジ１０７が設けられている。フランジ１０７は、前部筒体１０５と後部筒体１０６との間に挟持されており、前部筒体１０５、後部筒体１０６、及びフランジ１０７は、溶接又はロウ付けにより結合されている。

前部筒体１０５は、一定の外径を有する筒体をなし、後部筒体１０６の前端は、前部筒体１０５の外径と略同径である。燃料室１０３を画定する後部筒体１０６の後端の外径は、その前端よりも拡大されている。後端壁１０２の前面は略平坦であって、後部筒体１０６の外周が、後方に向けて拡径し始める領域に対応する。後部筒体１０６の前端付近の内周面は、燃料室１０３の内周面よりも径方向内側に位置する。

燃料室１０３の外周部分に対応する後端壁１０２には、６本の燃料通路１０８が、周方向に所定間隔をおいて軸線方向に貫通形成されている。本実施形態では、後部筒体１０６の前端の内周が円錐筒体１０４の基端の内周よりもやや小径であることにより、図４に示すように、後部筒体１０６の前端の内周に、軸線方向に延在して前方を向く環状の肩面１１０が形成されている。また、燃料通路１０８の前端は燃料噴出ポート１０９をなし、環状の肩面１１０の前面にて開口している。これらの燃料噴出ポート１０９は、円錐筒体１０４の後方を向く後端面と円錐筒体１０４の円錐面をなす内周面との境界近傍に配置されている。特に、燃料噴出ポート１０９の延長が、円錐筒体１０４の円錐面或いは後端面に接続する曲面領域に突き当たるようにするとよい。

後部筒体１０６の側壁の、後端壁１０２と円錐筒体１０４の基端との間の領域には、周方向に配列された複数の第１空気導入路１１１が貫通形成されている。第１空気導入路１１１は、前後方向に長い長円形形状或いは矩形形状を有し、径方向に対して接線方向に傾斜して延在している。第１空気導入路１１１の後縁部は、後端壁１０２の平坦な前面に略整合する。本実施形態では、第１空気導入路１１１の後縁部は、後端壁１０２の平坦な前面により画定されている。図４に示すように、燃料通路１０８は、互いに隣接する第１空気導入路１１１間の、後部筒体１０６の側壁の内周面近傍に位置している。第１空気導入路１１１は、円錐筒体１０４の内周面により画定される第１空気流路１１２に連通している。すなわち、第１空気導入路１１１は、後端壁１０２の前方に画定される円筒形の通路をなす第１空気流路１１２の上流部に直接連通している。

前部筒体１０５の側壁の、円錐筒体１０４の基端の直前の領域には、周方向に配列された複数の第２空気導入路１１３が貫通形成されている。第２空気導入路１１３は、略正方形断面を有し、径方向に対して、第１空気導入路１１１と同一の接線方向に傾斜して延在している。図５に示すように、第２空気導入路１１３は、円錐筒体１０４の外周面及び前部筒体１０５の内周面により画定される第２空気流路１１４に連通している。また、第１空気導入路１１１の入口及び第２空気導入路１１３の入口は、軸線方向について近接配置されている。

前部筒体１０５の前端は、円錐筒体１０４の前端よりもやや前方に位置する。前部筒体１０５の内周面は、円錐筒体１０４の前端よりも後方に位置する先細部１１５と、円錐筒体１０４の前端よりも前方に位置する先太部１１６と、先細部１１５と先太部１１６との間にあって、円錐筒体１０４の前端に略対応する位置に設けられた狭窄部１１７とを含む。このように、前部筒体１０５の内周面は、円錐筒体１０４の外周面に同軸的に対峙している。したがって、円錐筒体１０４の前端は、円形をなす第１空気流路１１２の第１噴出口１１８を形成し、前部筒体１０５の前端と狭窄部１１７との間の部分は、第２空気流路１１４の第２噴出口１１９を形成する。

次に、燃料ノズル装置１００の作動の要領を説明する。燃料室１０３には加圧された燃料が導入され、燃料通路１０８を通過した後、燃料噴出ポート１０９を介して第１空気流路１１２に高速のジェット流として噴出される。このとき、この燃料の流れにより周囲に負圧が形成され、圧縮空気室５６から導入された圧縮空気が、第１空気導入路１１１を介して第１空気流路１１２に吸い込まれる。また、第１空気導入路１１１が径方向に対して接線方向に傾斜していることにより、第１空気流路１１２に吸い込まれた圧縮空気は旋回流を形成し、燃料が良好に霧化或いは気化されることとなる。また、第１空気流路１１２は先細の円錐形をなしていることから、この旋回流は、前方に進むにしたがって旋回速度が増大しつつ、第１噴出口１１８から燃焼室５２に向けて噴射される。このとき、第１噴出口１１８から噴射された噴出流は、第２空気導入路１１３を介して第２空気流路１１４内に導入された圧縮空気を第２噴出口１１９から吸い出すこととなる。特に、第２噴出口１１９が、第２空気流路１１４に於けるその上流側及び下流側に比して狭窄していることから、第２噴出口１１９に於ける圧縮空気の良好な流れが実現される。また、第２空気導入路１１３が傾斜していることにより、第２空気流路１１４から吸い出される圧縮空気は旋回流を形成し、第１噴出口１１８から噴出される混合気と良好に混合されることとなる。

ここで、後端壁１０２の前面は平坦であって、第１空気導入路１１１の後縁は、後端壁１０２の前面に略整合している。これにより、燃料噴出ポート１０９から噴射される高速の燃料ジェットに向けて、空気を、抵抗を受けることなく第１空気導入路１１１から効率的に導入することができる。

また、燃料噴出ポート１０９から噴出した燃料のうちの相当量は、円錐筒体１０４の内面に衝当する。これにより、燃料が内表面に付着することで、或いは内表面に沿って流れることで、燃料の霧化或いは気化が促進される。

更に、第１空気導入路１１１及び第２空気導入路１１３は、軸線方向に長い矩形又は長円形形状を有する。これにより、第１空気導入路１１１及び第２空気導入路１１３の面積を大きく取ることができるため、圧縮空気室５６内から供給される圧縮空気の量を増加することができる。また、第１空気導入路１１１及び第２空気導入路１１３は、軸線方向について近接配置されている。これにより、燃料ノズル装置１００の軸線方向長さを最小化し、かつ与えられた軸線方向長をもって、第１空気導入路１１１及び第２空気導入路１１３から導入される圧縮空気の流れを、一層良好な旋回流となるようにすることができる。

図６に示すように、本発明の変形実施例では、燃料通路１０８が周方向に所定角度で傾斜している。これにより、燃料噴出ポート１０９から噴出される燃料が、軸線方向成分及び周方向成分の速度を有する旋回流となるため、燃料を更に良好に霧化或いは気化できる。

以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、前部筒体１０５及び後部筒体１０６の対向端部にねじ部を設け、フランジ１０７を両筒体間で挟持するように、両筒体を互いにねじ結合することにより、前部筒体１０５、後部筒体１０６、及びフランジ１０７を一体的に組み付けることもできる。

１０ ：ガスタービンエンジン
５２ ：燃焼室
１００：燃料ノズル装置
１０１：外筒
１０２：後端壁
１０３：燃料室
１０４：円錐筒体
１０５：前部筒体
１０６：後部筒体
１０８：燃料通路
１０９：燃料噴出ポート
１１０：肩面
１１１：第１空気導入路
１１２：第１空気流路
１１３：第２空気導入路
１１４：第２空気流路
１１５：先細部
１１６：先太部
１１７：狭窄部
１１８：第１噴出口
１１９：第２噴出口
Ａ ：燃料ノズル装置の中心軸線
Ｘ ：ガスタービンの中心軸線

Claims (10)

1. ガスタービンエンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料ノズル装置であって、
   所定の軸線方向に延び、前記燃焼室内に突出する外筒と、
   前記外筒の基端を閉じる後端壁と、
   前記外筒の中間部の内周から前記外筒の遊端部に向けて同軸的に延出し、かつその遊端部にて第１噴出口を画定し、前記外筒の前記遊端部と協働して前記第１噴出口を同軸的に外囲する環状の第２噴出口を画定する先細の円錐筒体と、
   前記後端壁を前記軸線方向に貫通して、前記円錐筒体の基端部の内周面に向けて開かれた燃料噴出ポートに至る燃料通路と、
   前記外筒の、前記円錐筒体の前記基端部と前記燃料噴出ポートに隣接する部分との間の部分に、接線方向の成分を含むように貫通形成された第１空気導入路と、
   前記外筒の、前記円錐筒体の前記基端部と前記遊端部との間の部分に、接線方向の成分を含むように貫通形成された第２空気導入路とを含む、燃料ノズル装置。
2. 請求項１に記載の燃料ノズル装置であって、
   前記後端壁の前面が平坦であり、前記第１空気導入路の後縁が、前記後端壁の前記前面に略整合することを特徴とする燃料ノズル装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料ノズル装置であって、
   前記第１空気導入路の入口及び前記第２空気導入路の入口が、前記軸線方向について近接配置されていることを特徴とする燃料ノズル装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料ノズル装置であって、
   前記燃料通路が、周方向に所定角度で傾斜していることを特徴とする燃料ノズル装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料ノズル装置であって、
   前記燃料通路が、前記燃料が前記円錐筒体の内表面に衝当する向きに噴射されるように構成されていることを特徴とする燃料ノズル装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料ノズル装置であって、
   前記外筒が、互いに同軸的な前部筒体及び後部筒体を含み、
   前記円錐筒体の後端に、径方向外側を向くフランジが形成され、
   前記フランジが、前記前部筒体の後端と前記後部筒体の前端との間に挟持されていることを特徴とする燃料ノズル装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料ノズル装置であって、
   前記第１空気導入路の前記入口及び前記第２空気導入路の前記入口が、前記軸線方向に長い矩形又は長円形形状を有することを特徴とする燃料ノズル装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料ノズル装置であって、
   前記外筒が、前記第２噴出口の前方に延出する先太のテーパ状内周面を有することを特徴とする燃料ノズル装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料ノズル装置であって、
   前記外筒の前記円錐筒体の前部を外囲する部分が、前記第２噴出口に向けて先細のテーパ状内周面を有することを特徴とする燃料ノズル装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料ノズル装置であって、
    前記第１空気導入路を画定する前記外筒の内周部分が、前方を向く肩面を有し、
    前記燃料噴出ポートが、前記肩面にて開口することを特徴とする燃料ノズル装置。

Images