JP4722141B2 - 燃料噴射器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射器に関する。特に、本発明は、燃料噴射器のベース端から燃料噴射器の先端迄燃料を運ぶ燃料供給管と、噴射器の先端にあって、燃料を燃焼室内に噴射するノズルと、燃料供給管及びノズルのハウジングが含まれた燃料噴射器に関する。

噴射器の先端におけるノズルの温度を慎重に管理して、ノズル及びノズルへの燃料供給管の内面に対するカーボンの堆積を回避することが重要である。こうしたカーボンの堆積は、一定の値を超える温度での液体燃料の化学分解により生じ得る。例えばディーゼル油及びケロシンは、一般に、約２００℃を超える温度で化学的に分解する。

燃料供給管及びノズルでの液体燃料の流速が、これら部品の内面にこのカーボンの大部分が付着しないようにするのに十分な程速ければ、一定量のカーボンの生成を許容し得ることが知られている。最も危険の高い、燃料供給管とノズルの領域における壁面近くのレイノルズ数を慎重に制御するこの方策は、ガスタービンエンジン用の燃料噴射器に用いられてきた。従って、この種燃料噴射器では、ノズル温度が２００℃を超える場合がある。しかし、液体燃料の流速は低下する可能性があるが、ノズル温度が依然として約２００℃又はそれを超えるような、広い負荷範囲でガスタービンエンジンが動作することが要求される場合には、問題が生じる。これは、例えば、乾式低公害型（ＤＬＥ）燃焼器に用いられるような、所謂多段システムを用いたガスタービンエンジンにおいて発生する。

本発明は、燃料噴射器のベース端から燃料噴射器の先端迄燃料を運ぶ燃料供給管と、噴射器の先端にあって、燃料を燃焼室内に噴射するノズルと、噴射器の先端にあるノズルから噴射器のベース端に熱を伝導して、ノズルを冷却する熱伝導手段と、燃料供給管、ノズル及び熱伝導手段のためのハウジングを含む燃料噴射器を提供する。

本発明による第１の燃料噴射器の場合、ハウジングは、燃料供給管の全長にわたって延びる。

本発明による第２の燃料噴射器の場合、ハウジングは、燃料供給管の長さの中間部に沿って延びておらず、この中間部において、燃料供給管及び熱伝導手段は、燃料噴射器の外部に曝されるようになっている。

熱伝導手段は、ノズルと物理的に接触するが、噴射器の先端とベース端の間で、燃料供給管とハウジングの両方から熱的に絶縁されているのが望ましい。断熱には、噴射器の先端とベース端の間における熱伝導手段と燃料供給管及びハウジングの両方との間の物理的間隔が含まれる。

噴射器の先端部での熱伝導手段とハウジングとの物理的接触は最小限とする。

熱伝導手段が噴射器の先端の端面から引っ込んでおり、ハウジングが熱伝導手段と噴射器の先端の端面との間に延びるように形成するとよい。

熱伝導手段は、噴射器のベース端でハウジングと物理的に接触しているのが望ましい。

噴射器のベース端を冷却するのが望ましい。冷却は、噴射器が用いる補助ガスを利用して、燃焼室内への燃料噴射を補助することによって実現できる。

熱伝導手段は、噴射器の先端とベース端の間に延び、燃料供給管を包囲して、それと同軸をなす、管の形態をとるとよい。

次に、例証のため、添付の概略図面に関連して、本発明の説明を行う。

図１に示す第１の燃料噴射器は、燃料噴射器のベース端３から燃料噴射器の先端５迄燃料を運ぶ燃料供給管１と、先端５にあり燃焼室内に燃料を噴射するノズル７（燃料噴霧９参照）と、先端５のノズル７からベース端３に熱を伝導し、ノズル７を冷却する高熱伝導の管１１と、燃料供給管１、ノズル７及び管１１のハウジング１３とを含む。

管１１は、ノズル７との良好な熱伝達を実現すべく、先端５においてノズル７と物理的に接触している。同様に、管１１は、ハウジング１３との良好な熱伝達を実現すべく、ベース端３においてハウジング１３と物理的に接触している。この物理的接触は、管１１のフランジ１２により実現される。管１１は、先端とベース端の間で燃料供給管１とハウジング１３から熱的に絶縁されるように、先端５とベース端３の間で、これらの両方の部品から物理的に間隔をあけて配置されている。先端５において、管１１は、位置決め手段１４によってハウジング１３内で中心におかれる。位置決め手段１４の形状は、管１１とハウジング１３の間における熱伝達が最小限になることを保証すべく、これらの部品の物理的接触を最小限に抑制できるものでなければならない。従って、位置決め手段１４には、テーパ状の端部を備えたポスト又は刃先を備えたリングが適する。ベース端３において、燃料供給管１は、燃料供給端管継手１６とつながっている。

噴射器の先端５における管１１の端部１５は、端面１７における熱から管１１を遠ざけるため、先端５の端面１７から引っ込んでいる。更に、ハウジング１３は、端面１７における熱から管１１を保護するため、管１１の端部１５と端面１７の間に延びるシュラウド構成物１９を含んでいる。

燃料噴射器の利用時、高温の先端５と遥かに低温のベース端３との間に、管１１に沿う温度勾配が生じる。従ってノズル７内の熱は、ノズル７及び燃料供給管１を冷却すべく、管１１に沿ってベース端３迄伝導される。管１１とハウジング１３との接触が最小限のため、管１１による熱除去を殆どノズル７だけから実行する保証、即ち管１１はノズル７だけを冷却し、ハウジング１３は冷却しない保証が得られる。管１１と燃料供給管１及びハウジング１３の両方との間隔に伴い、管１１に沿った温度勾配が、これら部品の何れかとの熱伝達により乱れることがない保証が得られる。管１１の端部１５を引っ込め、シュラウド構成物１９により端部１５を保護することで、先端５の端面１７における管１１による熱除去を確実に最小限に抑え、その結果、ノズル７からの熱除去を最大になし得る。

管１１は、アルミニウム、銅又はマグネシウムから製作する。銅の場合、燃料噴射器やエンジンに存在する可能性のあるニッケルとの相互作用から保護すべく、管に、例えばクロム被覆を施すとよい。管１１は、タングステン又はグラファイトから製作することもできる。グラファイトの場合、管は、グラファイトの強度が低いため、例えばアルミニウム又は他の金属による適切な支持構造内で組み立てる、例えばグラファイトの棒のような、グラファイトの個別部品から組み立てることになる。グラファイトの各個別部品は、高い熱伝導を得るべく、適切な方向に配向を施すとよい。

ノズル７内に存在する熱をノズルから取り除くことが可能な経路が主として２つ存在する。該経路は、高熱伝導の管１１と燃料供給管１である。勿論、燃料供給管１内での燃料の化学的分解を最小限に抑え又は阻止すべく、燃料供給管１により除去する熱は最小限に抑えるのが望ましい。燃料噴射器の設計にあたり、熱流束の最低限でも６０％を管１１により除去し、残りの４０％を燃料供給管１により除去するようにすべきである。熱流束の少なくとも８０％を管１１により除去し、残りの２０％を燃料供給管１により除去すると望ましい。熱流束の少なくとも９０％を管１１により除去し、残りの１０％を燃料供給管１により除去すると一層望ましい。

ベース端３の追加冷却を利用し、管１１に沿った温度勾配をより急峻にすること、従ってノズル７及び燃料供給管１の冷却効率を向上させることが可能である。こうした追加冷却の一例を、図２の第２の燃料噴射器に関し示す。

図２の第２の燃料噴射器の、図１の第１の燃料噴射器のものと同様の部品に、同じ参照番号を付している。第２の燃料噴射器は、燃料噴霧９の形成を補助し、更に燃料噴射器のベース端３の冷却を補助すべく空気を利用する点で、第１の燃料噴射器と異なる。従ってポート３１を介して空気が流入し、補助ガス循環部３３を通って、ベース端３の冷却を助け、フランジ１２と管継手１６の間を進み、燃料供給管１と管１１の間の空間に沿って進み、ノズル７に流入し、そこで、既知の方法で、燃料噴霧９の形成を補助する。

第３の燃料噴射器の、図１の第１の燃料噴射器のものと同様の部品に、同じ参照番号を付している。第３の燃料噴射器は、ハウジング１３が燃料供給管１及び管１１の長さの中間部に沿って延びておらず、この中間部で、燃料供給管１と管１１が、燃料噴射器の外部に曝されている点で第１の燃料噴射器と異なる。換言すれば、領域４１で、燃料供給管１と管１１は、ハウジング１３を出て、燃料噴射器の外部に曝され、領域４３でハウジング１３に戻るようになっている。

図４の燃料噴射器の、図２の第２の燃料噴射器のものと同様の部品に、同じ参照番号を付している。第４の燃料噴射器は、ハウジング１３が燃料供給管１と管１１の長さの中間部に沿って延びておらず、該中間部で、燃料供給管１と管１１が、燃料噴射器の外部に曝される点で第２の燃料噴射器と異なる。換言すれば、領域５１において、燃料供給管１及び管１１は、ハウジング１３を出て、燃料噴射器の外部に曝され、領域５３でハウジング１３に戻るようになっている。

本発明による燃料噴射器をガスタービンエンジンに利用すると、エンジンのカーボン堆積に起因する危険を伴うことなく動作可能な負荷範囲を拡大できる。それは、燃料噴射器のノズルを極めて効率よく冷却することが可能だからである。この結果、流速が、噴射器の内部へのカーボンの堆積を阻止するのに不十分になるという危険を伴うことなく、燃料噴射器内の燃料の流速を低下させることが可能になる。

本発明による燃料噴射器の第１実施例の縦断面図である。 本発明による燃料噴射器の第２実施例の縦断面図である。 本発明による燃料噴射器の第３実施例の縦断面図である。 本発明による燃料噴射器の第４実施例の縦断面図である。

符号の説明

１ 燃料供給管、３ 噴霧器のベース端、５ 噴霧器の先端、７ ノズル、９ 燃料噴霧、１１ 管、１２ 管のフランジ、１３ ハウジング、１４ 位置決め手段、１５ 管の端部、１６ 管継手、１７ 先端の端面、３１ ポート、３３ 補助ガス循環部

Claims (15)

1. 燃料噴射器のベース端から前記燃料噴射器の先端迄燃料を運ぶための燃料供給管と、前記噴射器の前記先端にあって、燃焼室内に前記燃料を噴射するノズルと、前記噴射器の前記先端における前記ノズルから前記噴射器の前記ベース端に熱を伝達して前記ノズルを冷却し、かつ前記噴射器の先端の端面から引っ込んでいる熱伝導手段と、前記燃料供給管、
   前記ノズル及び前記熱伝導手段のハウジングとを含む燃料噴射器であって、
   前記熱伝導手段が、前記噴射器の前記先端と前記ベース端の間において、前記燃料供給管から熱的に絶縁され、前記ハウジングが、前記熱伝導手段と噴射器の先端の端面との間に延びるように形成されかつシュラウド構成物によって熱伝導手段の端を保護することを特徴とする燃料噴射器。
2. 前記ハウジングが、前記燃料供給管の全長にわたって延びることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
3. 前記ハウジングが、前記燃料供給管の長さの中間部に沿って延びておらず、該中間部において、前記燃料供給管及び前記熱伝導手段が、前記燃料噴射器の外部に曝されることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射器。
4. 前記熱伝導手段が、前記ノズルと物理的に接触し、かつ前記噴射器の前記先端とベース端の間において前記ハウジングから熱的に絶縁されたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料噴射器。
5. 前記断熱に、前記噴射器の前記先端と前記ベース端の間における前記熱伝導手段と前記燃料供給管及び前記ハウジングの両方との間の物理的間隔が含まれることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射器。
6. 前記噴射器の前記先端部において、前記熱伝導手段と前記ハウジングが物理的に最小限の接触をしていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の燃料噴射器。
7. 前記熱伝導手段が、前記噴射器のベース端において前記ハウジングと物理的に接触することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料噴射器。
8. 前記噴射器のベース端が冷却されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の燃料噴射器。
9. 前記冷却が、前記噴射器で用いる補助ガスを利用し、前記燃焼室への燃料噴射を補助することで実現されることを特徴とする請求項８記載の燃料噴射器。
10. 前記熱伝導手段が、前記噴射器の先端とベース端の間に延び、前記燃料供給管を包囲して、それと同軸をなす、管の形態をとることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の燃料噴射器。
11. 前記熱伝導手段に、アルミニウム、銅、マグネシウム、タングステン及びグラファイトからなる群から選択した材料が含まれることを特徴とする請求項ｌから１０のいずれか１つに記載の燃料噴射器。
12. 前記熱伝導手段が、前記ノズルからの熱流束の少なくとも６０％を除去することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の燃料噴射器。
13. 前記熱伝導手段が、前記ノズルからの熱流束の少なくとも８０％を除去することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の燃料噴射器。
14. 前記熱伝導手段が、前記ノズルからの熱流束の少なくとも９０％を除去することを特徴とする請求項１から１３のいずれか１つに記載の燃料噴射器。
15. ガスタービンエンジンに使用されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１つに記載の燃料噴射器。

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