JP3939301B2 - 差圧発生式パージングを備える燃料噴射装置 - Google Patents

差圧発生式パージングを備える燃料噴射装置 Download PDF

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Description

本発明は、一般的にガスタービンエンジン燃焼器の燃料噴射装置に関し、より具体的には、多数の噴射オリフィスと燃料パージ装置とを備えた燃料噴射装置に関する。
ガスタービンエンジンなどにおける燃料噴射装置は、マニフォルドから1つ又はそれ以上の燃焼チャンバに加圧された燃料を導く。燃料噴射装置はまた、燃焼に先だって燃料を空気と混合する。噴射装置の各々は、典型的には、マニフォルドに接続される入口継手と、その入口継手の一端に接続された管状の延長部即ちステムと、そのステムの他端に接続された、燃焼チャンバ内に燃料を導くための1つ又はそれ以上の噴霧ノズルとを有する。燃料導管又は通路(例えば、管、パイプ又は円筒形通路)が、ステムを貫通して延びて入口継手からノズルに燃料を供給する。適切な弁及び/又は分流器を設けて、ノズルを通して燃料流を導きかつ制御することができる。燃料噴射装置は、多くの場合、均等に間隔をおいて配置された環状配列で配置されて、燃焼チャンバ内に均一な状態で燃料を供給(噴霧)する。
広範囲に変化するエンジンの空気流量及び燃料流量にわたって局所火炎温度を制御することは、航空機ガスタービンエンジンの燃焼過程で発生する窒素酸化物(NOx)、未燃炭化水素(UHC)、及び一酸化炭素(CO)の排出(エミッション)を減少させるために必要である。局所火炎温度は、燃焼器の燃焼域内における局所燃空比(FAR)によって決まる。高い火炎温度(高い局所FAR)において発生するMOxを減少させるための好ましい方法は、最大出力において低い局所FARとなるように燃焼域を設計することであった。逆に、T3及びP3が低く、又それに応じて気化/反応速度が低い部分出力状態においては、CO及びUHCを減少させるために、比較的高い火炎温度、従って一層高い局所FARが必要とされるが、エンジンサイクルは、最大出力時と比べて低い全燃焼器FARを要求する。
これらの相反すると思われる要求が、燃料噴射ポイントの数及び/又は噴霧の貫入/混合を変化させることにより局所FARを変えることを可能にする燃料ステージ化を組込んだ燃料噴射装置の設計をもたらした。燃料ステージ化は、低出力時には、エンジン燃料流を少数の噴射ポイントに供給して、CO及びUHCの発生を許容可能なレベルにするのに十分な高レベルに局所FARを上昇させ、また高出力時には、エンジン燃料流をより多数の噴射ポイントに供給して、NOx発生率が高くなるレベル以下に局所FARを維持する。
燃料ステージ化噴射装置の一例が、特許文献1及び特許文献2に開示されている。この噴射装置は、同心の半径方向外側メインノズルと半径方向内側パイロットノズルとを含む。メインノズルは、サイクロンノズルとも呼ばれる。メインノズルは、ステージ化された半径方向に配向された噴射孔と、エンジン作動時に常に燃料を流すパイロット噴射回路とを有する。燃料噴射装置と、単一の細長い貼合わされた燃料供給ストリップの形態の燃料導管とが、ステムを通ってノズル組立体まで延びて、ノズル組立体内の1つ又はそれ以上のノズルに燃料を供給する。貼合わされた燃料供給ストリップ及びノズルは、複数のプレートで形成される。各々のプレートは、細長い燃料供給ストリップ部分と、該燃料供給ストリップ部分に対してほぼ垂直になった単体ヘッド(ノズル)部分とを含む。プレート内の燃料通路及び孔は、該プレートの表面を選択的にエッチングすることにより形成される。次にプレートは、互いに面と面とを接触させて配置され、蝋付け又は拡散接合などにより互いに固定されて、一体構造体を形成する。プレートを選択的にエッチングすることにより、噴射装置内に複数の燃料回路、単一又は複数のノズル組立体及び冷却回路を容易に設けることが可能になる。エッチング方法はまた、複数の燃料通路及び冷却回路を比較的小さな断面内に作ることも可能にし、それによって噴射装置の寸法を減少させる。
利用できる燃料圧は限られておりかつ要求される燃料流量の範囲が広いので、多くの燃料噴射装置は、パイロットノズルとメインノズルとを含んでおり、始動時にはパイロットノズルのみが使用され、より高出力作動時には両方のノズルが使用される。始動時及び低出力作動時には、メインノズルへの流量は、減少されるか停止される。このような噴射装置は、燃焼器の特定の要求に応じて燃料流量をより正確に制御しかつ燃料噴霧をより正確に方向付けることができるので、単一ノズル燃料噴射装置よりも効率が良くかつクリーン燃焼させることができる。パイロットノズル及びメインノズルは、同じノズルステム組立体内に収納するか、又は別個のノズル組立体内に支持することができる。これらの二重ノズル燃料噴射装置はまた、二重の燃焼器へ送る燃料を更に制御して、燃料効率をより増大させかつ有害なエミッションを減少させることを可能にするように構成される。
作動時及び停止後における燃焼チャンバ内の高温度により、燃料が分解されて固形付着物(即ちコーキング)となるのを防止するためにメインノズル燃料回路のパージングを使用することが必要となる。このコーキングは、燃料通路内の濡れた壁が最高温度(典型的なジェット燃料の場合、約400°Fつまり200℃)を超えた時に発生する。燃料ノズル内のコークスは、成長して燃料ノズルを流れる燃料流を制限し、ノズルを効率の悪いものにするか又は使用不能にするおそれがある。
コーキングによる故障を防止するために、ステージ化された回路は、滞留燃料をパージングし、また濡れた壁を、パージ付着を防止するのに十分な低温(流れがない場合の推定で、<550°F)に保つか又は付着物を焼き去るのに十分なだけ加熱(推定で、>800°F)するようにすべきであるが、後者の方法は、噴射装置を損傷しないように制御することが難しい。ステージ化された回路をパージするのに使用できる空気の温度は、T3であり、このT3は変化するので、エンジンの作動範囲全体にわたって常時低温又は常時高温の設計戦略を満たすことは不可能である。低温/高温戦略の組合せ(即ち、クリーニングサイクルの使用)は、末端ユーザサイクルが多様であること及び期待される付着/クリーニング速度が変化することによって、高い信頼性で実行することができない。
特許文献3に開示されているように、燃料回路の受動的パージングが使用されてきた。高出力時に遮断することなく液体燃料からガス燃料へ移行しなくてはならないようなGeneral ElectricのLM6000型及びLM2500型DLE Dual Fuel エンジンに、噴射装置回路を熱分解クリーニングする逆方向パージが組込まれてきた。液体回路内の滞留燃料は、マニフォルド上のドレイン弁を開放することにより高温の圧縮機吐出空気を全ての噴射装置に通すことよって、燃料容器内に押し戻される。この方法は、安全性、重量、コスト、及び保守費用により、航空機用途には適さない。ステージ化された燃料回路の順方向パージが、地上設置式エンジンに使用されてきたが、これは冷却空気の高圧源と燃料をパージ空気源から隔離するための弁を必要とするので、航空機用途には適さない。
流れている状態を保ち続ける噴射装置内の燃料回路は、該流れ式の燃料回路の場合には付着速度が高いので、パージが行われるステージ化された回路よりも一層低温(推定で、<350°F)に保たれるべきである。従って、パージ式の回路は、流れ式の回路から熱的に絶縁されてクリーニングサイクルを使用するようにするか、又は流れ式の回路によって直接冷却され、パージ式の回路の壁と流れ式の回路の壁との両方の温度限界を満足させるかのいずれかにされるべきである。
米国特許第6,321,541号 米国特許出願第20020129606号 日本公開平7−83436号
同じ噴射装置内の他の回路が、少なくとも1部の冷却された空気でパージされている間に、一部の回路に燃料を流すことを必要とする複数のポイントノズルを備えた複数回路型噴射装置に適した燃料噴射装置及びノズルを提供することが非常に望ましい。内部燃料回路をパージすることは非常に難しく、従って、パージされる回路に流入するのに先立って許容可能なレベルにされた空気でパージするのが望ましい。また、噴射装置内で好適な弁を使用して供給管からの排出の停止を防止することを可能にし、かつ低燃料流量時に良好な流量分布が得られるように加圧することを可能にする燃料噴射装置及びノズルを提供することも望ましい。
燃料噴射装置は、環状ノズルハウジングと、該ハウジング内の環状燃料ノズルとを含む。環状燃料ノズルは、少なくとも1つの環状脚部を有する少なくとも1つのメインノズル燃料回路とパイロットノズル燃料回路とを含む。噴霧オリフィスが、環状燃料ノズルを貫通してメイン環状脚部から離れるように半径方向に延びる。噴霧ウエルが、ノズルハウジングを貫通して半径方向に延びかつ噴霧オリフィスと整列させられる。燃料噴射装置は更に、メインノズル燃料回路をパージするのに十分な静圧差を、噴霧ウエルのうちの少なくとも2つの異なる噴霧ウエル間に発生させるための差圧手段を含む。
差圧手段の1つの実施形態は、噴霧ウエル中心線に対して局所的流れ方向に非対称的に広がった噴霧ウエル部分を有する噴霧ウエルを含む。局所的流れ方向は、上流方向又は下流方向とすることができる。別の実施形態において、噴霧ウエル部分は、噴霧ウエル中心線に対して局所的に上流方向に非対称的に広がった上流側フレアウエル部分と、該噴霧ウエル中心線に対して局所的に下流方向に非対称的に広がった下流側フレアウエル部分とを含む。局所的流れ方向は、環状ノズルハウジングがその周りを囲むノズル軸線と平行な軸方向成分と、旋回させられたメインミキサ空気流による、ノズルハウジングの周りでの周方向成分とを有することができる。噴霧ウエルは、噴霧ウエル中心線にほぼ平行な半径方向に延びる広がっていないウエル部分と噴霧ウエル中心線から非対称的に広がったウエル部分とを有することができる。
別の実施形態において、ノズルハウジングは、対称的でありかつ上流側環状列及び下流側環状列で配置された噴霧ウエルを有し、差圧手段は、噴霧ウエルの上流側環状列の周りで半径方向外側に配置されたラジアル流スワーラの環状列を含む。
図1に示すのは、燃焼器16の例示的な実施形態であり、該燃焼器16は、それぞれ環状の半径方向外側ライナ20と内側ライナ22との間にかつそれらによって形成された燃焼域18を含む。外側及び内側ライナ20及び22は、該外側及び内側ライナ20及び22の周りで周方向に延びる環状燃焼器ケーシング26の半径方向内側に配置される。燃焼器16はまた、外側及び内側ライナ20及び22の上流側に取付けられた環状ドーム34を含む。ドーム34は、燃焼域18の上流端36を形成し、複数のミキサ組立体40(1つのみを示す)が、ドーム34の周りで周方向に間隔をおいて配置される。ミキサ組立体40の各々は、それぞれパイロットノズル58及びメインノズル59を含み、該パイロット及びメインノズルと共に、燃料と空気の混合気を燃焼域18に供給する。ミキサ組立体40の各々は、ノズル軸線52を有し、このノズル軸線の周りをパイロットノズル58及びメインノズル59が囲む。
図1及び図2を参照すると、本発明による燃料噴射装置10の例示的な実施形態は、燃料ノズル先端組立体12(半径方向に間隔をおいて配置された1つより多いノズル組立体を用いることができる)を有し、該燃料ノズル先端組立体12は、それぞれガスタービンエンジンの燃焼チャンバの燃焼域内に燃料を導くパイロットノズル58及びメインノズル59を含む。燃料噴射装置10は、燃焼器ケーシング26に固定されかつシールされるようになったノズルマウント又はフランジ30を含む。中空ステム32が、フランジ30と一体に形成されるか又は該フランジ30に固定(蝋付け又は熔接などによって)され、燃料ノズル先端組立体12とミキサ組立体40とを支持する。
中空ステム32は、チャンバ39の上部開放端の上方又は内部に配置された弁組立体42を有し、フランジ30と一体に形成されるか又は蝋付け又は熔接などによって該フランジ30に固定される。弁組立体42は、入口組立体41を含み、該入口組立体41は、弁ハウジング43の一部とすることができ、該弁ハウジング43から中空ステム32が垂下する。弁組立体42は、燃料ノズル先端組立体12内のメインノズル燃料回路102及びパイロット燃料回路288を通る燃料流量を制御する燃料弁45を含む。
図2に示す弁組立体42は、フランジ30と一体に成形されるか又は該フランジに固定されかつ該フランジから半径方向外側に配置され、燃料弁45を収容する燃料弁受け19を収納する。ノズル先端組立体12は、それぞれパイロットノズル58及びメインノズル59を含む。一般的には、パイロットノズル58及びメインノズル59は、定常状態及び最大出力状態時に用いられ、始動及び部分出力作動時には、パイロットノズルのみが用いられる。弁組立体42からノズル先端組立体12に燃料を供給するために、単一の細長い燃料供給ストリップ62の形態を有する例示的な可撓性の燃料噴射装置導管が使用される。燃料供給ストリップ62は、燃焼チャンバ内の燃焼温度に悪影響を受けることなく曝すことができる材料で形成された可撓性の燃料供給ストリップである。
図9及び図10を参照すると、燃料供給ストリップ62は、長手方向に延びて互いに接合された単一対の第1のプレート76及び第2のプレート78を有する。第1及び第2のプレート76及び78の各々は、幅方向に間隔をおいて配置されて長手方向に延びる平行な溝84の単一列80を有する。各々のプレート内の対向し合う溝84が整列して、燃料供給ストリップ62の入口端66から出口端69まで燃料供給ストリップ62を貫通した内部燃料流路90を形成するように、プレートは互いに接合される。パイロットノズル延長部54は、メインノズル59から後方に延び、図2に更に示すようにパイロット供給管56によりパイロットノズル58の燃料噴射装置先端部57に流体的に接続される。図2、図3、図11、及び図12に示すように、燃料供給ストリップ62は、メインノズル59及びパイロットノズル58に燃料を供給する。図12及び図8を参照すると、パイロットノズル延長部54とパイロット燃料供給管56とは、一般にノズル軸線52の周りで角度AAだけ角度的に分離される。
図2及び図12を参照すると、燃料供給ストリップ62は、入口端66と出口端69との間でほぼ直線的に半径方向に延びる中間部64を有する。燃料供給ストリップ62の直線状ヘッダ104が、中間部64の出口端69から離れるように横方向に(軸方向後向きに)延びて、撓まないように固定されている環状のメインノズル59に至る。入口端66は、弁ハウジング43内に固定される。ヘッダ104は、ノズル軸線52とほぼ平行であり、メインノズル59に至る。燃料供給ストリップ62は、図9に示すように、ほぼ平行な第1の面70と第2の面71とを備えた細長い本質的に平坦な形状と矩形の断面形状74とを有する。
図2及び図11を参照すると、燃料供給ストリップ62の入口端66における入口63は、弁組立体42内のそれぞれ第1の燃料入口ポート46及び第2の燃料入口ポート47と流体流れ連通し、つまり流体的に接続されて、メインノズル燃料回路102及びパイロット燃料回路288へ燃料を送る。入口ポートは、燃料供給ストリップ62内の複数の内部燃料流路90内の燃料をノズル先端組立体12内のパイロットノズル58及びメインノズル59に供給すると共に、弁組立体を熱制御するための冷却回路を形成する。図11及び図12に示すように、ノズル先端組立体12のヘッダ104は、燃料供給ストリップ62から燃料を受け、メインノズル燃料回路102を通して、燃料をメインノズル59とそこに組み込まれたパイロットノズル58とに運ぶ。
燃料供給ストリップ62と、メインノズル59と、これらの間のヘッダ104とは、長手方向に延びる第1のプレート76及び第2のプレート78から一体的に作られる。メインノズル59とヘッダ104とは、燃料供給ストリップ62の構成要素であると考えることができる。メインノズル燃料回路102の燃料流路90は、燃料供給ストリップ62とヘッダ104とメインノズル59とを貫通して延びる。メインノズル燃料回路102の燃料流路90は、図2、図3、及び図12に示すように、噴霧オリフィス106へと導かれ、また、パイロット供給管56に流体的に接続されるように作動可能なパイロットノズル延長部54を通して、パイロットノズル58に燃料を供給する。メインノズル燃料回路102の燃料流路90の平行溝84は、図9及び図10に示すように第1のプレート76及び第2のプレート78の隣接面210内にエッチングされる。
図10、図11、及び図12を参照すると、メインノズル燃料回路102は、第1の燃料回路ブランチ280と第2の燃料回路ブランチ282とに接続された単一の幹線ライン287を含む。第1及び第2の燃料回路ブランチ280及び282の各々は、メインノズル59内にそれぞれ時計方向及び反時計方向に延びるメイン環状脚部284及び286を含む。噴霧オリフィス106は、第1のプレート76及び第第2のプレート78の一方又は両方を貫通して環状脚部284及び286から延びる。噴霧オリフィス106は、第1及び第2のプレート76及び78のうちの半径方向外側のプレートであるメインノズル59の第1のプレート76を貫通して半径方向外向きに延びる。時計方向及び反時計方向に延びる環状脚部284及び286は、それぞれ平行な第1の波形部290と第2の波形部292とを有する。噴霧オリフィス106は、円300に沿ってほぼ円形に整列するように、第1の波形部290と第2の波形部292の交互する波形部内に配置される。メインノズル燃料回路102はまた、パイロットノズル延長部54に燃料を供給するループ状パイロット燃料回路288を含む。このループ状パイロット燃料回路288は、メインノズル59内にそれぞれ時計方向及び反時計方向に延びる環状パイロット脚部294及び296を含む。
ノズル組立体及び接合されたプレート間の燃料回路に関する情報につては、米国特許第6,321,541号(特許文献1)を参照されたい。図11及び図12を参照すると、燃料供給ストリップ62の長さに沿った下方の内部燃料流路90は、燃料をメインノズル燃料回路102に供給するために使用される。燃料供給ストリップ62内の各々の内部燃料流路90内に流入して、ヘッダ104からパイロットノズル58及びメインノズル59内に入る燃料は、燃料弁45により制御される。ノズル先端組立体12のヘッダ104は、燃料供給ストリップ62から燃料を受け、その燃料をメインノズル59に運ぶ。メインノズル59は、環状であって、円筒形の形状又は構成を有する。プレート76及び78内の流路、孔、及び噴霧装置の様々な要素は、エッチング、より具体的には化学エッチングによるなど任意の適当な方法で形成することができる。そのようなプレートの化学エッチングは、当業者には公知であって、例えば日本特許第3289913号公報に記載されている。プレートのエッチングは、非常に精密かつ良好に形成された複雑な孔や通路の形成を可能にし、このことは、これらの構成要素の断面を小さく維持しながら複数の燃料回路を燃料供給ストリップ62及びメインノズル59内に設けることを可能にする。プレート76及び78は、蝋付け又は拡散接合のような接合方法を使用し、面と面を接触させて互いに接合することができる。上記のような接合方法は、当業者にはよく知られており、様々なプレート間の非常に強固な接合をもたらす。拡散接合は、隣接層間の元の境界面を跨いで境界交差(原子相互交換と結晶成長)を生じさせるので特に有用である。
図1、図2、及び図3を参照すると、各々のミキサ組立体40は、パイロットミキサ142と、メインミキサ144と、これらの間で延びるセンタボデー143とを含む。センタボデー143は、パイロットミキサ142の下流側にあって該パイロットミキサと流れ連通したチャンバ150を形成する。パイロットノズル58は、センタボデー143によりチャンバ150内に支持される。パイロットノズル58は、燃料の小滴を下流方向にチャンバ150内に噴霧するように設計される。メインミキサ144は、メインラジアルスワーラ182の上流側に配置されたメインアキシャルスワーラ180を含み、該メインラジアルスワーラ182は、噴霧オリフィス106の上流側に配置される。パイロットミキサ142は、同心に取付けられた1対のパイロットスワーラ160を含む。パイロットスワーラ160は、アキシャルスワーラとして図示されており、内側パイロットスワーラ162と外側パイロットスワーラ164とを含む。内側パイロットスワーラ162は、環状であり、パイロットノズル58の周りで周方向に配置される。内側パイロットスワーラ162及び外側パイロットスワーラ164の各々は、それぞれパイロットノズル58の上流に配置された複数の内側パイロット旋回翼166と外側パイロット旋回翼168とを含む。
特に図3を参照すると、環状のパイロットスプリッタ170が、半径方向において内側パイロットスワーラ162と外側パイロットスワーラ164との間に配置され、該内側パイロットスワーラ162及び外側パイロットスワーラ164から下流方向に延びる。パイロットスプリッタ170は、内側パイロットスワーラ162を通って流れるパイロットミキサ空気流154を外側パイロットスワーラ164を通って流れる空気流から分離するように設計される。スプリッタ170は、エンジンの低出力作動時に燃料薄膜化面を形成する収束−発散形の内表面174を有する。スプリッタ170はまた、パイロットミキサ142を通って流れるパイロットミキサ空気流154の軸方向速度を低下させて、高温ガスの再循環を可能にする。内側パイロット旋回翼166は、それを通って流れる空気を、外側パイロット旋回翼168を通って流れる空気と同一方向に旋回させるか、又は、外側パイロット旋回翼168がそれを通って流れる空気を旋回させる第2の周方向とは逆方向である第1の周方向に旋回させるように構成することができる。
特に図1を参照すると、メインミキサ144は、環状空洞192を形成する環状のメインノズルハウジング190を含む。メインミキサ144は、パイロットミキサ142と同心に整列されたラジアル流入ミキサであり、パイロットミキサ142の周りで周方向に延びる。メインミキサ144は、ノズルハウジング190に沿って旋回させられるメインミキサ空気流156を生成する。環状のメインノズル59は、パイロットミキサ142とメインミキサ144との間で周方向に配置される。より具体的には、メインノズル59は、パイロットミキサ142の周りで周方向に延び、センタボデー143の半径方向外側においてノズルハウジング190の環状空洞192内に配置される。
特に図3を参照すると、ノズルハウジング190は、噴霧ウエル220を含み、燃料が、該噴霧ウエル220を通ってメインノズル59の噴霧オリフィス106からメインミキサ空気流156内に噴射される。環状の半径方向内側熱遮蔽体194及び外側熱遮蔽体196が、半径方向においてメインノズル59とノズルハウジング190の外側環状ノズル壁172との間に配置される。内側熱遮蔽体194及び外側熱遮蔽体196は、それぞれ半径方向内側壁202及び外側壁204を含み、これら両壁の間には360°の環状ギャップ200がある。360°の内側ボス370及び外側ボス371が、それぞれ内側熱遮蔽体194及び外側熱遮蔽体196から半径方向内向き及び外向きに延びる。内側熱遮蔽体194及び外側熱遮蔽体196の各々は、それぞれ内側ボス370及び外側ボス371を貫通しかつ噴霧オリフィス106及び噴霧ウエル220と整列した複数の孔206を含む。内側熱遮蔽体194及び外側熱遮蔽体196は、熔接又は蝋付けのような適当な方法でステム32(図1に示す)に固定される。図5には、前方蝋付け結合部176及び後方蝋付け結合部177において互いに蝋付けされた内側熱遮蔽体194及び外側熱遮蔽体196が示されている。内側ボス370及び外側ボス371は、内側蝋付け結合部178及び外側蝋付け結合部179においてそれぞれメインノズル59及びメインノズルハウジング190に蝋付けされる。
メインノズル59及び噴霧オリフィス106は、内側熱遮蔽体194及び外側熱遮蔽体196内の孔206を通して、燃料を半径方向外向きに空洞192内に噴射する。環状ギャップ200を通るクロスフローを防止するために、環状スリップジョイントシール208が、噴霧オリフィス106の各オリフィスに整列した内側熱遮蔽体194内の各組の孔206内に配置される。環状スリップジョイントシール208は、外側壁204と内側壁202の座ぐり穴211の半径方向内端における該内側壁202の環状棚部209との間に半径方向に捕捉される。環状スリップジョイントシール208は、蝋付け又はその他の方法により内側熱遮蔽体194の内側壁202に取付けることができる。
パイロット燃料回路288がパイロットノズル58に燃料を供給している間に、メインノズル燃料回路102から燃料をパージするためのパージ手段216が、第1の例示的な差圧手段223として図3、図14、及び図15に全体的に示されており、この第1の例示的な差圧手段223は、パージ空気227でメインノズル燃料回路102(図11に示す)をパージするのに十分な静圧差を噴霧ウエル220のうちの少なくとも2つの噴霧ウエル間に発生させる。差圧手段223は、パージング中に比較的高い静圧を有する比較的高い静圧噴霧ウエルと比較的低い静圧を有する比較的低い静圧噴霧ウエルとを含み、これらの噴霧ウエルは、それぞれ符号+及び−で表してある。高静圧噴霧ウエル及び低静圧噴霧ウエルはまた、パージ空気が流入ウエル+に入りまた流出ウエル−から出るので、パージ空気流入ウエル+及びパージ空気流出ウエル−でもある。静圧差は、ノズルハウジング190を通って半径方向に延びる噴霧ウエル220の形状によりもたらされる。
図3に示す噴霧ウエル220は、非対称的に上流側に広がったウエル部分221及び下流側に広がったウエル部分222を有し、これらのウエル部分は、図13、図14、及び図15により具体的に示すように、噴霧ウエル220の対称的なウエル部分241から噴霧ウエル中心線224に対して非対称的に局所的に上流方向及び下流方向に外向きに広がっている。局所的流れ方向225、局所的上流方向226、又は局所的下流方向228は、環状ノズルハウジング190がその周りを囲むノズル軸線52と平行な軸方向成分236と、旋回させられたメインミキサ空気流156によるノズルハウジング190の周りでの周方向成分234とを有する。非対称的に広がった噴霧ウエル220はまた、噴霧ウエルの対称的なウエル部分241の周りにリップ部240を有しており、局所的な空気圧回復を増進させるか又はそれぞれ非対称的に上流及び下流方向に広がったウエル部分における局所静圧を低下させる。リップ部240は、該リップ部から下流側に延びる剥離区域244の大きさを増大させる。リップ部240は、該リップ部が燃料と空気の混合気を自己着火させてノズルを焼損させるおそれがあるので、魅力的な特徴形状ではないといえる。
異なる形状を有する噴霧ウエル220の組合せは、上流側に非対称的に広がったウエル部分221及び/又は下流側に非対称的に広がったウエル部分222と対称的に広がったウエル部分218(図19に示す)とを含む。対称的に広がったウエル部分218は、それらがパージ空気をウエル内に流入させるために使用されるか又はウエルから流出させるために使用されるかに応じて、それぞれ空気流入ウエル+又は空気流出ウエル−として使用することができる。上流側及び下流側に非対称的に広がったウエル部分は、それぞれノズルハウジング190に沿って旋回させられたメインミキサ空気流156内に、図14及び図15に符号+及び符号−で表した正及び負の静圧変化を作り出す。対称的に広がったウエル部分218は、該対称的に広がったウエル部分を有する噴霧ウエル220において、旋回させられたメインミキサ空気流156内に実質的に何らの静圧上昇も発生させない。3つのタイプの外向きに広がったウエル部分のうちの任意の2つの組合せは、メインノズル燃料回路102の少なくとも一部分に静圧差を発生させ、燃料がメインノズル燃料回路102からパージされることを可能にする。
噴霧オリフィス106のうちの隣接噴霧オリフィスと外向きに広がったウエル部分との1つの配列は、時計方向及び反時計方向に延びる環状脚部284及び286内の噴霧オリフィス106と整列した噴霧ウエル220のうちの隣接噴霧ウエル間に静圧差を生み出す。時計方向及び反時計方向に延びる環状脚部284及び286がそれぞれ平行な第1の波形部290及び第2の波形部292を有する実施形態においては、噴霧オリフィス106は、第1の波形部290及び第2の波形部292の交互の波形部内に配置されかつ円300に沿って円形に整列させられる。この実施形態において、時計方向及び反時計方向に延びる環状脚部284及び286内の噴霧オリフィス106のうちの隣接噴霧オリフィスは、噴霧ウエルの円300に沿った噴霧ウエル220のうちの1つおきの噴霧ウエルと整列させられる。
従って、円300に沿った噴霧ウエル220のうちの1つおきの噴霧ウエルは、時計方向及び反時計方向に延びる環状脚部284及び286内の噴霧オリフィス106の隣接対のうちの1つと整列させられる。図11には、時計方向及び反時計方向に延びる環状脚部284及び286内の噴霧オリフィスのうちの隣接対289が示されている。隣接オリフィス対289の各々内の噴霧オリフィス106は、異なる形状(上流側に非対称的に広がったウエル部分221、下流側に非対称的に広がったウエル部分222、及び対称的に広がったウエル部分218)を有する噴霧ウエル220と整列させられる。これは更に図13に示されており、この図は、交互になった上流側に非対称的に広がったウエル部分221の上流側噴霧ウエル対260と下流側に非対称的に広がったウエル部分222の下流側噴霧ウエル対262とを示している。上流側に非対称的に広がったウエル部分221は、パージ空気流入ウエル+用として使用され、下流側に非対称的に広がったウエル部分222は、パージ空気流出ウエル−用として使用される。
噴霧ウエル220及び噴霧オリフィス106の交互配列が、図16及び図17に示されている。噴霧ウエル220と噴霧オリフィス106とは、円300に沿って配置される。第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282内の時計方向に延びる環状脚部284内の全ての噴霧オリフィス106は、図16及び図17に示すようにパージ空気流入ウエル+即ち噴霧ウエル220と整列させられる。第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282内の反時計方向に延びる環状脚部286内の全ての噴霧オリフィス106は、図16及び図17に示すようにパージ空気流出ウエル−と整列させられる。かくして、燃料は、第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282を通して、時計方向に延びる環状脚部284内の噴霧オリフィス106から反時計方向に延びる環状脚部286までパージされ、従ってメインノズル燃料回路102がパージされる。
図18及び図19には、噴霧ウエル220のうちの少なくとも2つの異なる噴霧ウエル間に、メインノズル燃料回路102をパージするのに十分な静圧差を発生させるための第2の例示的な差圧手段283が示されている。噴霧オリフィス106と対称的に広がったウエル部分218を備えたそれぞれの噴霧ウエル220とは、上流側環状列320及び下流側環状列322をなすように配列される。噴霧ウエル220の上流側環状列320は、メインラジアルスワーラ182とほぼ半径方向に整列させられる。メインミキサ空気流156の一部分は、メインラジアルスワーラ182からの旋回させられた半径方向流入流324であって、該流入流は、上流側環状列320内の噴霧ウエル220の近くでノズルハウジング190に沿って曲げられる。このことは、上流側環状列320内の流入ウエル+である噴霧ウエル220の近くで、メインミキサ空気流156内に符号+で表した比較的高い静圧を生み出し、下流側環状列322内の流出ウエル−である噴霧ウエル220の近くで、メインミキサ空気流156内に符号−で表した比較的低い静圧を生み出す。かくして、燃料は、第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282を通して、上流側環状列320内のそれぞれの噴霧ウエル220と整列した噴霧オリフィス106から下流側環状列322内のそれぞれの噴霧ウエル220と整列した噴霧オリフィス106までパージされる。
メインノズル燃料回路102の第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282を流れる燃料流量を制御するための単一の燃料弁45が図17に示されている。しかしながら、メインノズル燃料回路102は、幹線ライン287を省略して2つの燃料弁45を組込み、該燃料弁45の各々が、第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282のうちの1つに燃料を供給するようにすることもできる。これは、一方のブランチに燃料が流れている間に他方のブランチ及びその燃料オリフィスを遮断することができるように、ブランチをステージ化することを可能にする。
本明細書に開示した差圧手段は、エンジンが作動し、燃料がパイロットノズル58に流れ続けている間に、メインノズル59内の燃料がメインノズル燃料回路102から迅速かつ完全にパージされることを可能にする。メインノズル燃料回路102をパージする空気を冷却することが望ましいエンジン及びノズル設計の場合もある。図4、図6、図7、及び図8に示すのは、パージ中に噴霧ウエルにおける局所静圧を増大させるのに有効な噴霧ウエル220に、パージ空気227の冷却された部分342を供給するための第1のパージ空気冷却手段340である。パイロット燃料回路288の時計方向に延びる環状パイロット脚部294及び反時計方向に延びる環状パイロット脚部296(図4、図6、及び図7には、反時計方向に延びる環状パイロット脚部296のみが示されている)内のパイロット燃料流でパージ空気を冷却するために、パージ空気冷却通路344が、メインノズル59を貫いて又は該メインノズル59に沿って延びる。
パージ空気冷却通路344は、環状パイロット脚部と熱伝導関係にあり、パージング中に該環状パイロット脚部を通って流れる燃料により冷却される。パージ空気227の冷却された部分342は、圧縮機吐出空気によって、メインノズル59の外側からパージ空気冷却通路344を通って、該圧縮機吐出空気よりも低圧の噴霧ウエル220への流れを生じるように加圧されている。貼合わされたメインノズル59は、パイロット燃料回路288内を流れる燃料により冷却され、パージ空気冷却通路344がパイロット燃料回路288に近ければ近いほど、パージ空気227が噴霧ウエル220内に入る時、パージ空気227の冷却された部分342はより低温になることになる。図4に示すパージ空気冷却通路344は、メインノズル59を貫通する軸方向に延びる通路350を含み、メインノズル59の第1のプレート76及び第2のプレート78内に溝をエッチングすることによって形成することできる。パージ空気冷却通路344は更に、軸方向に延びる通路350と直列の流れ関係にありかつ半径方向外側の第1のプレート76を貫通する半径方向に延びる通路356を含む。パージ空気227の冷却された部分342は、パージ空気冷却通路344から内側熱遮蔽体194とメインノズル59との間の環状外側ギャップ201内に流入する。次いで、冷却された部分342は、内側熱遮蔽体194の半径方向内表面372上に配置され、符号+で表した比較的高い静圧を生み出す噴霧ウエル220である流入ウエル+と整列した孔206を有する、内側ボス370を貫通して軸方向に延びる開口364を通って流れる。この軸方向に延びる開口364は、溝367及び/又は孔369を含むことができる。ボス370を貫通して軸方向に延びる開口364は、パージ空気227の冷却された部分342が孔206内に流入しかつ噴霧オリフィス106内に半径方向内向きに流入するようにすることを可能にする。
図21に示すのは、第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282への燃料流量が1つの燃料弁45によって個々に制御されるようになっている別の設計である。第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282への燃料が遮断された時、パージ空気はこれらのブランチ間を流れることができない。パージ流量制御弁298は、ブランチ間に作動可能に配置され、ブランチを通して燃料が流れている時には通常閉じられている。パージ流量制御弁298は、低レベル及び高レベルのパージングを行って、パージング中におけるメイン燃料ノズルの過熱を防止するために使用される。
燃料弁45のうちの1つにより燃料流が遮断されかつパージ流量制御弁298が閉じられている時、低レベルのパージングが起こる。流出ウエル−間の小さい相対圧力差は、環状メインノズル内の回路を通して比較的低流量のパージ空気流を圧送して、流出ウエル−にあるオリフィスに供給する。流入ウエル+間の小さい相対圧力差は、環状メインノズル内の回路を通して比較的低流量のパージ空気流を圧送して、流入ウエル+にあるオリフィスに供給する。パージ流量制御弁298が開かれている時は、高レベルのパージングが起こる。このことは、第1の燃料回路ブランチ280のオリフィスにおける流入ウエル+の平均圧力と第2の燃料回路ブランチ282のオリフィスにおける流出ウエル−の平均圧力との間の比較的高い圧力差により、パージ空気が第1の燃料回路ブランチ280から第2の燃料回路ブランチ282に流れることを可能にする。パージングが十分に完了した時、パージ流量制御弁298は閉じられて、パージング動作を低レベルのパージングへ戻す。このことは、エンジン制御装置によって指令される交互の高いパージ空気流バースト及び低いパージ空気流バーストを使用して、噴射装置の過熱を防止しながらパージ効果を改善することを可能にすることになる。
許容可能な最長の高パージ継続時間は、一般にP3、T3、及びWfの関数であり、それらに従って計画されることになる。P3及びT3はタービン圧力及び温度であり、Wfは燃料流量である。パージ流量制御弁298はまた、図18に示す第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282間で使用することもできる。この構成においては、パージ流量制御弁298は、燃料が流れている間は開かれ、高レベルのパージング中には開かれ、また低レベルのパージング中には閉じられる。
噴霧ウエル220及び噴霧オリフィス106のもう1つの別の構成が、図22及び図23に示されている。噴霧ウエル220及び噴霧オリフィス106は、円に沿って配置される。図22に示すのは、符号+で表した比較的高い静圧の噴霧ウエルと整列した噴霧オリフィス106の半円列である。図23に示すのは、符号−で表した比較的低い静圧の噴霧ウエルと整列した噴霧オリフィス106の半円列である。図24は、パージ空気流入ウエル+及び流出ウエル−と整列したオリフィス106に燃料を供給する第1の燃料回路ブランチ280及び第2の燃料回路ブランチ282を示す。
図5に示すのは、パージ空気227の冷却された部分342を供給するための第2のパージ空気冷却手段380である。パージ空気冷却通路344が、メインノズル59と最内側の環状熱遮蔽体384との間の最内側の環状ギャップ386を通って延びて、パイロット燃料回路288内を流れるパイロット燃料流でパージ空気を冷却する。パージ空気227の冷却された部分342は、最内側の環状熱遮蔽体384内の冷却孔382を通して及び/又は最内側の環状熱遮蔽体384と半径方向内側熱遮蔽体194及び外側熱遮蔽体196の端部との間の滑り嵌め接続部388を通して流れることができる。冷却孔382及び滑り嵌め接続部388は、空気冷却通路344が、メインノズル59を通してではなく該メインノズル59の周りで延び、それでも依然として環状パイロット脚部と熱伝導関係にあり、かつパージング中に該環状パイロット脚部を通って運ばれる燃料によって冷却されることを可能にする。
本明細書では本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、当業者には本明細書における教示から本発明のその他の変更が明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
静圧差のある噴霧ウエルを有する燃料ノズル組立体の例示的な実施形態を備えたガスタービンエンジン燃焼器の断面図。 図1に示す燃料ノズル組立体を備えた燃料噴射装置の拡大断面図。 図2に示す燃料ノズル組立体の拡大断面図。 冷却されたパージ空気を使用する第1の別形態の燃料ノズル組立体の一部分の拡大断面図。 冷却されたパージ空気を使用する第2の別形態の燃料ノズル組立体の一部分の拡大断面図。 図5に示す第2の別形態の燃料ノズル組立体におけるパージ空気冷却通路の拡大断面図。 図4、図5、及び図6に示す噴霧ウエルとメインノズルを囲む熱遮蔽体を通るパージ空気冷却通路の部分との拡大断面図。 図7に示す噴霧ウエルとメインノズルを囲む熱遮蔽体の部分との半径方向外向きに見た斜視図。 図2の線9−9に沿った、燃料ストリップの断面図。 図1に示す燃料ストリップを形成するために使用されるプレートの平面図。 図1に示す燃料噴射装置の燃料回路の概略図。 図11に示す燃料回路を備えた燃料ストリップの斜視図。 非対称的に広がった静圧差のある噴霧ウエルを備えた、図3に示すハウジングの一部分の斜視図。 図13に示す比較的高い静圧を有する噴霧ウエルの断面図。 図13に示す比較的低い静圧を有する噴霧ウエルの断面図。 比較的高い静圧を有する噴霧ウエルと比較的低い静圧を有する噴霧ウエルとを備えた燃料噴射装置の概略図。 図16に示す燃料噴射装置のための燃料回路の概略図。 図16に示す燃料噴射装置のための別形態の燃料回路の概略図。 ミキサ流を曲げる静圧差を有する対称的な断面をもつ噴霧ウエルの2つの列を備えたハウジングの断面図。 図19に示すハウジングの一部分の斜視図。 燃料噴射装置のための燃料回路ブランチ間に遮断弁が配置された概略図。 比較的高い静圧を有する噴霧ウエルと整列したオリフィスの半円列を備えたハウジングの一側面の断面図。 比較的低い静圧を有する噴霧ウエルと整列したオリフィスの半円列を備えた、図22に示すハウジングの第2の側面の断面図。 図22及び図23に示す燃料噴射装置及びハウジングのための燃料回路の概略図。
符号の説明
10 燃料噴射装置
16 燃焼器
18 燃焼域
20 外側ライナ
22 内側ライナ
26 燃焼器ケーシング
32 中空ステム
34 ドーム
36 燃焼域の上流端
40 ミキサ組立体
42 弁組立体
52 ノズル軸線
58 パイロットノズル
59 メインノズル
62 燃料供給ストリップ
106 噴霧オリフィス
142 パイロットミキサ
144 メインミキサ
160 パイロットスワーラ
180 メインアキシャルスワーラ
182 メインラジアルスワーラ
190 メインノズルハウジング
192 環状空洞

Claims (13)

  1. 環状ノズルハウジング(190)と、
    少なくとも1つの環状脚部(284)を有する少なくとも1つのメインノズル 燃料回路(102)とパイロットノズル燃料回路(288)とを含む、前記ハウジング(190)内の環状燃料ノズル(59)と、
    前記環状燃料ノズル(59)を貫通して前記環状脚部(284)から離れるように半径方向に延びる噴霧オリフィス(106)と、
    前記ノズルハウジング(190)を貫通して半径方向に延びかつ前記噴霧オリフィス(106)と整列した噴霧ウエル(220)と、
    前記メインノズル燃料回路(102)をパージするのに十分な静圧差を、前記噴霧ウエル(220)のうちの少なくとも2つの異なる噴霧ウエル間に発生させるための差圧手段(223)と、
    を含むことを特徴とする燃料噴射装置(10)。
  2. 前記差圧手段(283)が、噴霧ウエル中心線(224)に対して局所的流れ方向(225)に非対称的に広がったウエル部分(222)を有する噴霧ウエル(220)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の燃料噴射装置(10)。
  3. 前記局所的流れ方向(225)が、上流方向(226)であることを特徴とする、請求項2に記載の燃料噴射装置(10)。
  4. 前記局所的流れ方向(225)が、下流方向(228)であることを特徴とする、請求項2に記載の燃料噴射装置(10)。
  5. 前記噴霧ウエル(220)の各々が、前記噴霧ウエル中心線(224)とほぼ平行な半径方向に延びる壁部分(238)と、前記噴霧ウエル中心線(224)に対して非対称的に広がりかつ前記半径方向に延びる壁部分(238)から離れるように延びるウエル部分(222)とを有することを特徴とする、請求項2に記載の燃料噴射装置(10)。
  6. 前記噴霧ウエル中心線(224)に対して局所的に上流方向(226)に非対称的に広がった前記ウエル部分(222)を有する第1の複数(230)の噴霧ウエル(220)と、前記噴霧ウエル中心線(224)に対して局所的に下流方向(228)に非対称的に広がった前記ウエル部分(222)を有する第2の複数(232)の噴霧ウエル(220)とを更に含むことを特徴とする、請求項2又は請求項5に記載の燃料噴射装置(10)。
  7. 前記局所的流れ方向(225)が、前記環状ノズルハウジング(190)がその周りを囲むノズル軸線(52)と平行な軸方向成分(236)と、前記ノズルハウジング(190)の周りでの周方向成分(234)とを有することを特徴とする、請求項2又は請求項5に記載の燃料噴射装置(10)。
  8. 前記噴霧ウエル(220)が、対称的に広がったウエル部分(218)と、噴霧ウエル中心線(224)に対して局所的に上流方向(226)に外向きに広がった非対称的に上流方向に広がったウエル部分(221)と、前記噴霧ウエル中心線(224)に対して局所的に下流方向(228)に外向きに広がった非対称的に下流方向に広がったウエル部分(222)とから成る群から選ばれる少なくとも2つのタイプのウエル部分(222)を有することを特徴とする、請求項1に記載の燃料噴射装置(10)。
  9. 前記環状脚部(284)内の前記噴霧オリフィス(106)のうちの隣接噴霧オリフィスが、前記群から選ばれた異なるタイプのウエル部分(222)を有する噴霧ウエル(220)と整列していることを特徴とする、請求項8に記載の燃料噴射装置(10)。
  10. 前記噴霧ウエル(220)が対称的な噴霧ウエルであり、
    前記対称的な噴霧ウエルが、上流側環状列(320)及び下流側環状列(322)を含み、
    前記差圧手段(223)が、前記噴霧ウエル(220)の前記上流側環状列(320)の周りで半径方向外側に配置されたラジアル流スワーラ(182)の環状列を含む、
    ことを特徴とする、請求項1に記載の燃料噴射装置(10)。
  11. 環状ノズルハウジング(190)と、
    前記ハウジング(190)内に受けられ、その各々が時計方向に延びる環状脚部(284)と反時計方向に延びる環状脚部(286)とを備えた第1及び第2の燃料回路ブランチ(280及び282)を有する少なくとも1つのメインノズル燃料回路(102)とパイロットノズル燃料回路(288)とを含む環状燃料ノズル(59)と、
    前記環状燃料ノズル(59)を貫通して前記環状脚部(284及び286)から離れるように半径方向に延びる噴霧オリフィス(106)と、
    前記ノズルハウジング(190)を貫通して半径方向に延びかつその各々が前記噴霧オリフィス(106)のうちの1つと整列した噴霧ウエル(220)と、
    前記メインノズル燃料回路(102)をパージするのに十分な静圧差を、前記噴霧ウエル(220)のうちの少なくとも2つの異なる噴霧ウエル間に発生させるための差圧手段(223)と、
    を含むことを特徴とする燃料噴射装置(10)。
  12. 前記第1及び第2の燃料回路ブランチ(280及び282)に接続された単一の幹線ライン(287)を更に含むことを特徴とする、請求項11に記載の燃料噴射装置(10)。
  13. 前記第1及び第2の燃料回路ブランチ(280及び282)間に流体連通した状態で作動可能に配置された遮断弁(298)を更に含むことを特徴とする、請求項11に記載の燃料噴射装置(10)。
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