JP3863210B2 - ガス又は液体燃料タービンのための燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス又は液体燃料燃焼タービンに使用するための燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
産業用燃焼タービンに関する排ガス汚染規制は、年々厳しくなってきている。そのようなタービン即ちエンジンから排出される汚染物の主たる群の１つは、窒素酸化物（ＮＯｘ）である。本発明の目的は、一定範囲の燃料供給圧（即ち、パワー設定値）に亙ってＮＯｘ放出量を低レベルに抑えることができるタービン用燃料噴射装置を提供することである。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、燃料の供給源と混合するための少くとも１つの空気流を創生するための手段と、該空気流に近接しているが、該空気流から少くとも部分的に遮蔽された帯域内へ燃料を噴射するための燃料噴射手段とから成り、それによって該帯域内に燃料豊富流体のポケットが生成されるようにしたタービン用燃料噴射装置を提供する。
【０００４】
本発明の別の側面においては、燃料の供給源と混合するための少くとも１つの空気流を創生し、その空気流に近接しているが、その空気流から少くとも部分的に遮蔽された帯域内へ燃料を噴射し、それによって、該帯域内に燃料豊富流体ポケットを生成することから成るタービン用燃料噴射装置の作動方法が提供される。
【０００５】
空気流を創生するための前記手段は、渦流器によって構成することが好ましく、複数の羽根を備えたものとし、渦流器はタービンの燃焼器の長手軸線を中心とする環状であり、各羽根が上記空気流を創生する働きをする。それらの羽根は、渦流器の本体に形成したスロットの壁によって形成することができ、スロットは、燃焼器のプレチャンバー領域に対して接線方向に向けることができる。
【０００６】
燃料をプレチャンバー内に直接噴射するための追加の、即ち第２燃料噴射装置を設けることができる。
第１燃料噴射装置のノズル及び第２燃料噴射装置のノズルは、それぞれ燃焼器の長手軸線を中心とする円形配列体として単一のブロック内に形成することができる。
【０００７】
渦流器は、上記帯域を画定するための遮蔽体として機能する壁を有するものとすることが好ましい。
渦流器は、それを囲繞する領域からプレチャンバーに向けて内方へ流れる空気流をそれぞれ形成するための複数の手段を含むものとすることができる。各空気流形成手段は、それぞれ個別の燃料噴射ノズルに組み合わせることができ、上記帯域を遮蔽するために該ノズルの半径方向外側にバリヤーを有するものとすることができる。このバリヤーは、上述した接線方向のスロットの端壁を構成するものとすることができ、バリヤーの軸方向の深さは、スロットの軸方向の深さの半分未満とすることができる。
渦流器は、上記端壁から延長した軸方向のボスによって構成することができ、該端壁は、ボスの直径より大きい直径を有するものとすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、ガスタービンエンジンの燃焼器１を示す。燃焼器１は、円筒形の外壁２と、円筒形の内壁３（図１の下半分では、外観図で示されている）とから成り、内壁２と、外壁３の間に、燃焼のための酸素を供給することの他に、内壁３によって画定される主燃焼チャンバー５を冷却する働きもする空気を通すための環状通路４が画定されている。
【０００９】
主燃焼チャンバー５自体は、一次燃焼帯域６と、中間燃焼帯域７と、稀釈帯域８ら成っている。環状通路４から主燃焼チャンバー５内へ空気を導入するための多数の穴９が内壁３に穿設されている。燃焼器１の円筒形の内壁３は、別の部品の円筒形壁１２に連接した切頭円錐形壁１１に取り付けられたテーパ部分１０を有している。壁１１と１２とで、図１でみて主燃焼チャンバー５の左側にプレチャンバー１３を画定している。
【００１０】
プレチャンバー１３の上流端即ち図１でみて左端に、燃料噴射器組立体１４が設けられている。この燃料噴射器組立体１４は、燃料噴射ブロック１５と渦流器１６から成り、燃料噴射ブロック１５と渦流器１６の間に図１及び２に示されるように中間プレート１７が介設されている。
渦流器１６は、空気を図２に矢印１８で示される空気流として半径方向内方へ差向け、空気を燃料噴射ブロック１５に形成された複数の噴出口（ジェット）から噴射される燃料とその燃料の圧力に応じて一定の度合にまで後述する態様で混合する働きをする。
【００１１】
渦流器１６は、図２に示されるように、径の大きい円形壁又はリムから延長したボス２９と、リム２６及びボス２９を貫通して穿設された軸方向の孔３０と、リム２６の面に孔３０に対して接線方向に削設された複数のスロット３１から成る。スロット３１は、図３の断面図にみられるように、ボス２９を越えて半径方向に延長している。スロット３１の軸方向の深さは、壁２６の厚さより大きいので、スロット３１の外端は、図２に示されるように空気流１８に露呈される。
渦流器１６を囲繞する領域からスロット３１に流入した空気は、孔３０接線方向に流れ、孔３０内で円運動を起す。
【００１２】
燃料噴射ブロック１５は、噴射ノズル２０の半径方向外側配列体と、噴射ノズル２３を備えた中間環状燃料チャンバー２２とから成る。各ノズル２３は、各空気流がそれぞれ対応するノズル２３に組合わされるように渦流器のスロット３１の経路にあに配置されている。
【００１３】
中央噴射孔２１は、点火器を収容するために利用してもよく、あるいは、追加の空気又は代替燃料を供給するのに利用してもよいが、そのことは、本発明にとって重要なものではないから、これ以上説明しない。
【００１４】
ノズル２０を通して渦流器１６へ送られる燃料の供給は、低パワーから高パワーの範囲で作動しているときは、燃焼器１のための主燃料供給源を構成する。
【００１５】
再び図１を参照して説明すると、直接燃料噴射のための供給は、ノズル２３によって行われる。
この直接燃料噴射は、最低限のパワー設定値が設定されているとき、エンジンの始動時における火炎の安定度を高めるために空気／燃料混合物を補充するのに有用である。パワー設定値が高くされるにつれて、それに応じて直接燃料噴射の量が少なくされる。ある種の用途においては、直接燃料噴射を省除し、ノズル２０を通しての主燃料供給だけに依存することも可能である。
【００１６】
最大限パワーにおいては、燃料の圧力は、中間プレート１７に形成された孔２５を通り、スロット３１の端部内の帯域（図２参照）を通って軸方向に噴射するのに十分な圧力である。燃料のジェット（噴射流）は、、この帯域３２を越えたところで空気１８の半径方向／接線方向の流れに露呈され、スロット３１内へ引込まれて、予備混合された燃料／空気供給源を創生する。
【００１７】
しかしながら、低パワー設定値において、燃料圧が低下されると、燃料ジェット３２は、帯域３２に入るが、主空気流１８に到達せず、余り混合されない状態でスロット３１を閉鎖しているプレート１７の壁２８に接触しスロット３１に沿って流れ、プレチャンバー１３の領域に達する。渦流器１６の外側壁２６（即ち、スロット３１の、ノズル２０より半径方向外側に位置する端壁）は、燃料流を半径方向の空気流１８から遮蔽するバリヤーとして機能する。このバリヤーは、少くとも低燃料圧のときに機能する。
スロット３１内のプレート１７に近接した領域２７は、更なる遮蔽帯域として機能し、その帯域内に燃料豊富ガスのポケットが生成される。ある負荷条件下では実質的に生の（空気が混合していない）燃料がプレート１７の面２８に沿って半径方向内方へ膜の状態で流れる。これらの燃料豊富ガスのポケットは、プレチャンバー１３内へ、次いで主燃焼チャンバー５内へ吸引されるときにもそのまま残存する傾向がある。低パワーの条件下では全体として燃料／空気混合物は希薄である（燃料濃度が薄い）が、これらの燃料豊富ガスのポケットが、少くとも低パワー設定値において火炎の安定を維持するのを助成する働きをする。
図に示されるように、壁２６の軸方向の深さは、スロット３１の軸方向の深さの２分の１未満である。
【００１８】
燃料圧が高くなると、即ち、高パワー設定値においてはノズル２０からの燃料のジェットは、渦流器１６内の主空気流１８内へより深く噴出するので、均一な希薄燃料混合物となり、ＮＯｘの発生を抑止する。
【００１９】
各孔２４（図２参照）及び環状の燃料チャンバー２２への燃料の供給は、互いに独立して制御してもよく、あるいは、共通に制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、燃焼器の燃焼チャンバーと、それに組合わされた燃料噴射装置の軸方向の断面図である。
【図２】図２は、図１の一部分の拡大図である。
【図３】図３は、図１のIII-III に沿ってみた燃焼器の端面図である。
【符号の説明】
１：燃焼器
５：主燃焼チャンバー
１３：プレチャンバー
１４：燃料噴射器組立体
１５：燃料噴射ブロック
１６：渦流器
１７：中間プレート
１８：空気流
２０：噴射ノズル
２１：中央噴射孔
２２：中間環状燃料チャンバー
２３：噴射ノズル
２６：壁
２９：孔
３０：軸方向の孔
３１：スロット

Claims (13)

1. 燃料の供給源と混合するための少くとも１つの空気流を創生するための手段と、該空気流に近接しているが、該空気流から少くとも部分的に遮蔽された帯域内へ燃料を噴射するための第１燃料噴射ノズルとから成り、それによって該帯域内に燃料豊富流体のポケットが生成されるようにしたタービン用燃料噴射装置であって、
   少くとも１つの空気流を創生するための前記手段は、タービンの燃焼器の長手軸線を中心とする環状の渦流器から成り、該渦流器は、プレチャンバーに向けて内方へ流れる空気流をそれぞれ形成するための複数の空気流形成手段を備えており、
   前記第１燃料噴射ノズルは、燃料を前記渦流器内へ噴射するように配置されており、
   前記渦流器は、前記帯域を遮蔽するために前記第１燃料噴射ノズルの半径方向外側に配置されたバリヤーを有しており、
   燃料を前記プレチャンバー内に直接噴射するための追加の第２燃料噴射ノズルが設けられていることを特徴とするタービン用燃料噴射装置。
2. 前記複数の空気流形成手段は、各々、前記プレチャンバーに向けて内方へ流れる前記空気流を創生する働きをする複数の羽根である請求項１に記載のタービン用燃料噴射装置。
3. 前記各羽根は、前記渦流器の本体に形成されたスロットの壁によって形成されている請求項２に記載のタービン用燃料噴射装置。
4. 前記各スロットは、前記燃焼器のプレチャンバー領域に対して接線方向に向けられている請求項３に記載のタービン用燃料噴射装置。
5. 前記第１燃料噴射ノズルは、前記長手軸線を中心とする円形配列体として単一のブロック内に形成されている請求項１に記載のタービン用燃料噴射装置。
6. 前記追加の第２燃料噴射ノズルは、前記長手軸線を中心とする円形配列体として前記単一のブロック内に形成されている請求項５に記載のタービン用燃料噴射装置。
7. 前記第１燃料噴射ノズルは、前記追加の第２燃料噴射ノズルの半径方向外側に形成されている請求項６に記載のタービン用燃料噴射装置。
8. 前記渦流器は、前記帯域を画定するための遮蔽体として機能する壁を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載のタービン用燃料噴射装置。
9. 前記各空気流形成手段は、それぞれ個別の第１燃料噴射ノズルに組み合わされている請求項１に記載のタービン用燃料噴射装置。
10. 前記バリヤーは、前記接線方向のスロットの端壁を構成する請求項３に記載のタービン用燃料噴射装置。
11. 前記バリヤーの軸方向の深さは、前記スロットの軸方向の深さの半分未満である請求項１０に記載のタービン用燃料噴射装置。
12. 前記渦流器は、前記端壁から延長した軸方向のボスを含み、該端壁は、該ボスの直径より大きい直径を有する請求項１０又は１１に記載のタービン用燃料噴射装置。
13. 燃料の供給源と混合するための少くとも１つの空気流を創生し、該空気流に近接しているが、該空気流から少くとも部分的に遮蔽された帯域内へ燃料を噴射し、それによって、該帯域内に燃料豊富流体ポケットを生成するようにしたタービン用燃料噴射装置の作動方法であって、
    前記少くとも１つの空気流は、タービンの燃焼器の長手軸線を中心とする環状の渦流器を通してプレチャンバーに向けて内方へ流れる空気流として形成され、
    燃料を第１燃料噴射ノズルによって該渦流器内へ噴射し、
    最低限のパワー設定値が設定されているとき、及び、タービンの始動時における火炎の安定度を高めるために空気／燃料混合物を補充するために追加の第２燃料噴射ノズルを用いて燃料を前記プレチャンバー内に直接噴射し、
    前記帯域を遮蔽するために前記第１燃料噴射ノズルの半径方向外側に配置されたバリヤーによって遮蔽を行うことを特徴とするタービン用燃料噴射装置の作動方法。

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