JP3612331B2 - 半径方向に取り付けられる空気噴出型燃料噴射弁 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジン用の燃料ノズルに関する。
背景技術
ガスタービンエンジンは、動力型飛行機に世界中で広く用いられている。このエンジンは、一つあるいは複数の燃焼器でもって燃料と空気の混合物を燃焼させることにより、飛行機を飛ばすための推力を発生する。燃料ノズルは、上記の混合物を、素早い混合ならびに効率のよい燃焼のために適当な形で、各燃焼器内に噴霧する。
最も一般的な形式の燃料ノズルは、エンジンの運転中に生じる種々の燃料流量条件の範囲に亙って、燃料の細かな微粒子つまり液滴を均一に形成するために、加圧霧化方式を採用している。商業的な利用のためには、燃料ノズルは、（ａ）空気流量の割合が低いときに効率よく霧化できること、（ｂ）高出力時に燃料を均一に霧化できること、（ｃ）エンジン運転条件の範囲に亙って噴霧特性を予測でき、かつ制御可能であること、が必要である。当業者においては、この列挙した事項に加えて、燃料ノズルの他の特性も求められていることが知られている。
ガスタービンエンジン用の燃料ノズルの設計が進歩しているにも拘わらず、さらなる改良が要求されている。本発明は、このような改良を提供するものである。
発明の概要
本発明に係る燃料ノズルは、上流側端部と、下流側端部と、一つの軸とを有しており、また、ノズルステムと、ノズルチップと、これらのノズルステムおよびノズルチップの組立体を囲むノズル外筒とから構成されている。ノズルは、該ノズルを通って下流側へ延びる第1,第２空気通路を含む。第１空気通路は、環状で、かつ半径方向内側へ収束していく断面形状を有している。第２空気通路は、ステムを通り、かつ円周方向に離間した複数個の孔から構成されている。それぞれの孔は、第１空気通路から半径方向外側に離れている。ノズルは、さらに、該ノズルを通して下流側に延びる燃料ギャラリを有する。この燃料通路は、環状の断面形状を有し、かつ互いに対向するとともに半径方向内側に収束する複数の面によって構成されている。この燃料ギャラリは、半径方向で、上記第１空気通路と第２空気通路の中間に離れている。また、燃料を、燃料ギャラリを構成する上記の面の略接線方向に沿った角度でもって該ギャラリ内に流入させるように構成された手段を有している。また上記外筒は、該外筒内への空気の流入を可能とする入口手段と、空気および燃料を外筒の外部へ流すための出口手段とを含んでいる。
本発明に係るノズルの重要な特徴は、容易に分解できることである。この特徴により、例えば、ガスタービンエンジンの管理者にとって重要な事項であるノズルの素早い清掃や検査が可能となる。
本発明の他の特徴および利点は、本発明の実施例を示した添付図面から理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、ガスタービンエンジンの燃焼器部の概略を示す断面図である。
図２は、図１の２−２線に沿った断面図である。
図３は、図２の３−３線に沿った断面図である。
図４は、本発明に係るステムの下流側端部の斜視図である。
図５は、本発明に係るステムの下流側の端面の正面図である。
発明を実施するための最良の形態
図１は、ガスタービンエンジンの燃焼器部５の概略を示す断面図である。エンジンの中心軸は、参照符号Ａ−Ａでもって示されている。エンジンの上流側端部は参照符号10でもって、下流側端部は参照符号15でもってそれぞれ示されている。燃焼器部５の重要な特徴は、燃焼器16および燃料ノズル18である。エンジンの運転中、空気および燃料は、矢印20で示すように、ノズル18を通して燃焼器16内へ流れ、かつエンジンのタービン部25へ流れる。燃料と空気との混合物は、ノズル18の近傍に設けられた点火器（図示せず）によって点火される。タービン部25の第１段は、周方向に離間した複数のタービンベーン35の列によって始まっている。一般的に、燃焼器部の外側の境界は、燃焼器ダクト40によって規定される。ノズルの上流側端部は、参照符号44でもって、下流側端部は、参照符号46でもって、それぞれ示されており、またノズルの中心軸がＮ−Ｎ線で示されている。
図２は、図１の２−２線に沿ったノズル18の断面図である。ノズル18は、ノズル外筒50と、ノズルステム55と、チップアッセンブリ60と、を備えている。外筒50は、円筒形状をなし、かつ上端部65と下端部70とを有している。外筒の本体は、内壁面75と外壁面80とを有する外筒壁82によって画定されている。外筒の内部空間90に空気が流入し得るように、外筒壁82を貫通して入口部85が設けられている。望ましくは、外筒50は、該外筒50の周方向に略等間隔離れた少なくとも３個の入口部を備えている。外筒50の中心軸は、ノズル18の中心軸Ｎ−Ｎに一致している。
外筒50は、さらに、その上端部65に肩部95を備えており、かつこの肩部95は、上面100および下面105を有している。肩部95は、外筒50から外周側に延びており、図１に示されているように、ノズル18は、燃焼器ダクト40に、参照符号109でもって全体を示す支持構造を介して、固定的に保持されている。外筒50の下面105は、ダクト40の外表面107の上に乗っている。また図２に示されているように、外筒50は、特異形状をなす出口部110を備えている。この出口部110は、外筒壁82を外筒下端部70において貫通しており、後述するように、エンジン運転中は、空気および燃料が該出口部110を通過して燃焼器16内に流入する。
ノズルステム55は、上端部115と下端部120とを有する。外筒50と同様に、ステム上端部115に、肩部122を備えており、この肩部122の下面125は、外筒の肩部95の上面100の上に乗っている。必要に応じ、シム127が外筒の面100とステムの面125との間に、配設される。
ステム55は、液体が通流可能な形で燃料マニホルド（図示せず）と連通した通路135を備えている。この燃料通路135は、燃料フィルタ146と、燃料マニホルドからチップ60へ向かう燃料の流量割合を制御する流れ制限器148と、を備えている。燃料は、通路135を通って燃料チャンネル140内に流入する。上記燃料チャンネル140は、互いに離間しているステム55とチップ60の各表面によって画成される。チャンネル140は、チップ60の周縁部に沿って延びる環状をなしている。ステム55は、さらに、周方向に離間した複数個の外周側空気孔145を備えている。この空気孔145は、ステムの外部壁171を貫通し、かつステム55の軸方向下流側の端面を通って延びている。空気孔145は、好ましくは、断面において円形であり、チップ60の中心軸Ｂ−Ｂに対し、図4,図５に最もよく示されているように、複合角度でもって配置されている。この空気孔145の複合角度によって、各空気孔145を通過する空気は、軸方向の速度成分のほか、接線方向の速度成分を有するものとなる。図２に最もよく示されているように、ステム55と外筒50のそれぞれ軸方向に延びた各表面は、両者間を液密シールするように互いに嵌合している。特に、外筒50の表面141は、ステム55の表面142に嵌合し、外筒50の表面143はステム55の表面144に嵌合している。嵌合面141,142,143,144は、いずれも、ノズル18および外筒50の中心軸Ｎ−Ｎに沿って延びている。この特徴によって、ステム55を中心軸Ｎ−Ｎに沿って持ち上げれば、外筒50ひいては燃焼器16から抜き取ることが可能である。従来の設計によるノズルの場合のように、ノズル18全体を燃焼器16から取り外す必要はない。本発明に係るノズル18を利用することにより、機上で、ステム55やノズルチップアッセンブリ60の検査を容易に行うことができる。
円筒形状をなす外筒50には、楕円形状をなす出口部110が加工されている。加工用工具は、外筒50に対し、中心軸Ｎ−Ｎと平行に向けられ、かつ出口部110を形成するように、楕円形の経路に沿って動かされる。ステム55と外筒50とを組み付けたときに正確に嵌合し合う面141,142,143,144を形成するように、同様の加工工程が、ノズルステム55に対しても行われる。一旦、組み立てられると、ステム55は、外筒50内に、密封状態でかつ取り外し可能に係合する。
燃料チップアッセンブリ60は、ステム55内に収容されている。このチップアッセンブリ60は、上流側端部150と下流側端部155とを有する。燃料および空気は、該チップ60を通して概ね下流側方向へ流れ、燃焼器16内へ流入して、ここで点火される。上述したように、ステム55とチップ60とによって、チップ60の周囲に沿った燃料チャンネル140を形成している。チャンネル140の内側の境界は、チップ外周壁167の外表面165によって規定され、かつチャンネル140の外側の境界は、ステム壁171の内表面170によって規定される。チャンネル140の上流側の限界は、Ｃ型シール部材175によって規定される。上記シール部材175は、隣り合った形で離れているステムおよびチップの各表面165,170の間で保持されている。チャンネル140の下流側の限界は、図２に示されているように、チップ壁167の上で半径方向に延びている突起180によって規定される。この突起180は、ステム壁171に嵌合している。
本発明に係るノズルの一つの利点は、分解、および逆の組み立てが容易なことである。チップ60は、ステム55内に、密封状態でかつ取り外し可能に係合している。特に、皿型ワッシャ173およびスプリングクリップ177によって、チップアッセンブリ60がステム55内に保持される。クリップ177は、チップの上面181より僅かに下方においてステム55の周方向に沿って形成されたノッチ179内に保持されている。必要に応じ、チップアッセンブリ60をロー付けなどによってステム55に永久的に取り付け、ワッシャ173およびクリップ177を省略することもできる。しかしながら、ロー付けによる構造では、簡単に組み立てたり分解することができないので、本発明の好ましい例ではない。
チップアッセンブリ60は、燃料チャンネル140の下流側でかつ半径方向内側に、燃料スワラギャラリ185を備えている。このギャラリ185およびチャンネル140は、両者間に設けられた複数の計量孔190からなる手段を介して、液体が通流するように連通している。図２に示されているように、計量孔190は、燃料チャンネル140の下流端を規定する突起180および上流端を規定するＣ型シール部材175からそれぞれ軸方向に離間している。燃料ギャラリ185の内側および外側の境界は、チップアッセンブリ60の内周側に延びている壁167,206の各表面によって規定される。特に、図２に示されているように、ギャラリ185の外側の境界は壁167の内表面200によって規定され、ギャラリ185の内側の境界は壁206の外表面205によって規定される。各表面200,205は、互いに半径方向内側へ向かって収束し、これによって半径方向内側へ収束するようにギャラリ185が形成されているとともに、環状の燃料絞り点（pinch point）207が形成されている。換言すれば、燃料ギャラリ185の径は、下流側へ向かって減少している。後述するように、ギャラリ185から流れ出た燃料は、絞り点207において高速空気流と接触し、これにより燃料の霧化が生じる。
図３は、図２の３−３線に沿ったチップアッセンブリ60の断面を示している。図３に示すように、計量孔190はそれぞれ中心軸Ｄ−Ｄ、Ｄ′−Ｄ′、Ｄ″−Ｄ″を有しており、それぞれギャラリ壁167の内表面200の接線方向に沿っている。内表面200および外表面205は、相互に、かつチップ60の中心軸Ｂ−Ｂに向かって収束するので、燃料はギャラリ185を通して螺旋状に旋回しつつ下流側へ向かう。そして、燃料絞り点207を通過し、ここでノズル18を通過する空気流と接触する。
さらに図２に示されているように、チップアッセンブリ60は、該チップ60を通して下流側へ空気を流すために、半径方向に離れた一対の空気通路217,220を備えている。内側の空気通路217は、チップ60の中心軸Ｂ−Ｂに沿って流れる空気噴流を生成すべく、構成および配置されている。この第１の空気通路217は、好ましくは、円形の断面形状を有し、その径は、軸方向下流側へ向かって減少している。第２の空気通路220は、第１つまり内側の空気通路217の外周側にある。この外側空気通路220は、環状をなし、かつ第１空気通路217と同軸状にある。好ましくは、図２に示されているように、空気通路217,220は、燃料絞り点207の上流側で互いに合流している。
内側空気通路217の外周側の境界は、壁221の内表面219によって規定されている。外側空気通路220の外周側の境界は、壁206の内表面235によって規定されており、内周側の境界は、壁221の外表面240によって規定されている。
空気は、チップ60の上流側端部150近傍にある複数個の周方向に離れた計量孔245を通して、第２の空気通路220に流入する。これらの計量孔245の中心軸は、チップ60の中心軸Ｂ−Ｂに対し接線方向に傾いている。上述したようにチップ60を通して下流側へ延びる環状空気通路220を形成するために、各計量孔245は互いに合流している。計量孔245が、チップ60の中心軸から一定半径離れた位置で該中心軸に対し一定角度傾いて加工されているので、通路220を通して流れる空気は、接線方向の速度成分を有する。さらに、上述したように、第１空気通路217と第２空気通路220とが、ノズル18内で核となるチップ空気を形成するように合流している。この結果、一般的に言えば、通路217,220を通る空気は、通路220の径が縮小することにより、連続したフィルム状のものとなる。
本発明に係る燃料ノズルの動作中には、燃料は、ステム55の燃料通路135を通してチップアッセンブリ60へ流入する。チップ60へ達する前に、燃料は、最初に燃料通路135内に配設された流れ制限器148を通過し、次に、やはり燃料通路135内に配設された燃料フィルタ146を通過する。燃料は、環状の燃料チャンネル140から計量手段となる孔190を介して燃料ギャラリ185に流入する。燃料通路135および燃料チャンネル140は、ノズル18のできるだけ下流側位置で燃料をチップ60へ供給するように、構成ならびに配置されている。この設計によって、ノズル18内部で燃料の粘結（coking）が生じる可能性が最小となる。この粘結は、チップの上流側端部からチップの下流側端部へ燃料を流すために複雑な通路構造を備えている従来の多くのノズルにおいて問題となるものである。図２に示されているように、燃料は、燃料マニホルドから燃料ギャラリ185へほぼ直線的に流れる。燃料が燃料チャンネル140から燃料ギャラリ185へ流れる際に通る計量孔190は、燃料ギャラリ185の外周面200の接線方向に加工されている。このような孔185の構造および配置によって、燃料が下流側方向へ流れるに従い、燃料に旋回成分が付与される。もし燃料ノズルの特殊な動作特性が必要とするならば、孔190が、軸方向に沿った成分をもつこともできる。燃料ギャラリ185内で、燃料は、下流側へ螺旋状の流路でもって流れ、絞り点207へ至る。絞り点207に達すると、燃料は、チップ60を通して、ならびにステム55を通して、流れてきた空気と接触する。特に、燃料は、チップ60の空気通路217,220を通ってきた空気と最初に接触する。燃料がこの空気と接触することにより、燃料は空気の表面に乗り、かつチップを通って高速で流れてきた空気により生じる剪断応力によって引き伸ばされる。燃料は、また、空気がチップ孔145を通過することにより生じる圧力低下によって、チップアッセンブリ60の外方へ加速される。燃料フィルムの両側を通る高速空気流の組み合わせによって、ノズルを出る際に、そのフィルムが圧しつぶされることになる。このように圧しつぶす作用は、フィルムを加速し、かつその厚さを薄くする。そして、ある点で、フィルムは最終的に霧化し、効率良い燃焼に必要な薄い液滴になる。燃料のノズル18内への逆流は、チップ60中央の噴出領域217を通して流れる空気流によって防止される。
本発明に係る燃料ノズルは、その技術の状態に重要な改良を与えるものである。コスト面での効率のみならず、環境的な責任もある燃料の効率良い燃焼を可能とする。本発明のノズルは、特に、小型ガスタービンの市場において有用である。
本発明を特に実施例に基づいて図示し、かつ説明したが、当業者にとっては、本発明の本質および範囲を逸脱せずに、本発明の形態および細部について、前述した、あるいは他の種々の変更、省略、付加をなすことができることは、理解できるであろう。

Claims (14)

1. 上流側端部と、下流側端部と、中心軸とを有してなるガスタービンエンジン用の燃料ノズルであって、
   ノズルステムと、
   ノズルチップアッセンブリと、
   これらのステムおよびチップアッセンブリを囲むノズル外筒と、
   を備えてなり、
   さらに、該ノズルは、該ノズルを通って下流側へ延びる第1,第２空気通路を備え、上記第１空気通路は、環状で、かつ内周側へ収束していく断面形状を有し、上記第２空気通路は、上記ステムを通り、かつ円周方向に離間した複数個の孔から構成され、それぞれの通路は、上記第１空気通路から半径方向外側に離れており、
   また該ノズルは、さらに、該ノズルを通して下流側に延びる燃料ギャラリを有し、この燃料ギャラリは、互いに対向するとともに半径方向内側に収束する複数の面によって構成された環状でかつ内周側へ収束する断面形状を有し、また、上記燃料ギャラリは、半径方向で、上記第１空気通路と第２空気通路の中間に離れて位置しており、
   さらに、該ノズルは、燃料を、上記燃料ギャラリを構成する上記の面の略接線方向に沿った角度でもって該ギャラリ内に流入させるように構成された手段を有し、
   上記外筒は、該外筒内への空気の流入を可能とする入口手段と、空気および燃料を外筒の外部へ流すための出口手段とを含んでいる、
   ことを特徴とする燃料ノズル。
2. 上記チップアッセンブリが、上記ステム内に密封状態でかつ取り外し可能に係合していることを特徴とする請求項１記載の燃料ノズル。
3. 上記チップアッセンブリが、上記システムに周方向に沿って延びるノッチ内に保持されたスプリングクリップによって、上記ステム内に係合していることを特徴とする請求項２記載の燃料ノズル。
4. 上記ノズルステムが、上記ノズル外筒内に密封状態でかつ取り外し可能に係合していることを特徴とする請求項２記載の燃料ノズル。
5. 上記ステムと上記外筒とが、ノズルの中心軸に沿って延びる面に沿って互いに嵌合していることを特徴とする請求項４記載の燃料ノズル。
6. 上記チップアッセンブリが、上記ステム内に恒久的に係合していることを特徴とする請求項１記載の燃料ノズル。
7. 上記チップアッセンブリが上記ステムにロー付けされていることを特徴とする請求項１記載の燃料ノズル。
8. 上記燃料ギャラリへ燃料を流す上記の手段は、上記燃料ギャラリから外周側に離れた環状の燃料チャンネルと、上記燃料ギャラリと上記燃料チャンネルとの間に延びた複数個の計量孔と、を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料ノズル。
9. 上記計量孔は、上記燃料ギャラリを画定する表面の一方に対し接線方向となった中心軸を有することを特徴とする請求項８記載の燃料ノズル。
10. 上記燃料ギャラリへ燃料を流す上記の手段は、燃料マニホルドから上記燃料チャンネルへ延びた燃料通路をさらに含むことを特徴とする請求項８記載の燃料ノズル。
11. 上記外筒内への空気の流入を可能とする上記の手段は、上記外筒の壁を貫通した複数個の孔を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料ノズル。
12. 円柱状をなす第３空気通路をさらに有し、該第３空気通路は上記チップアッセンブリ内で上記第１空気通路と合流していることを特徴とする請求項１記載の燃料ノズル。
13. 上記の周方向に離れた複数個の孔の各々が、円形断面形状を有することを特徴とする請求項１記載の燃料ノズル。
14. 上流側端部と、下流側端部と、中心軸とを有してなるガスタービンエンジン用の燃料ノズルであって、
    ノズルステムと、
    ノズルチップアッセンブリと、
    これらのステムおよびチップを囲むノズル外筒と、
    を備えてなり、
    さらに、該ノズルは、該ノズルを通って下流側へ延びる第1,第2,第３空気通路を備え、上記第１空気通路は、上記チップの互いに対向するとともに内周側に収束する面でもって規定された環状の断面形状を有し、上記第２空気通路は、上記ステムを通り、かつ円周方向に離間した複数個の孔から構成され、それぞれの孔が、円形断面形状を有するとともに上記第１空気通路から半径方向外側に離れており、上記第３空気通路は、円形断面形状を有し、また、上記第１空気通路と上記第３空気通路とが上記チップアッセンブリ内で合流しており、
    また該ノズルは、さらに、該ノズルを通して下流側に延びる燃料ギャラリを有し、この燃料ギャラリは、互いに対向するとともに半径方向内側に収束する複数の面によって構成された環状の断面形状を有し、また、上記燃料ギャラリは、半径方向で、上記第１空気通路と第２空気通路の中間に離れて位置しており、
    また該ノズルは、上記燃料ギャラリの外周側に燃料チャンネルを有し、
    さらに該ノズルは、上記燃料チャンネルと上記燃料ギャラリとの間に延びた複数個の計量孔を有し、各孔が、上記ギャラリの一方の面に対し接線方向に中心軸を有し、
    上記外筒は、該外筒内への空気の流入を可能とする複数の入口手段と、空気および燃料を外筒の外部へ流すための単一の出口手段とを含んでいる、
    ことを特徴とする燃料ノズル。

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