JP5472863B2 - ステージング型燃料ノズル - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのステージング型燃料ノズルに関し、特にエンジンの低中負荷時における燃焼効率の更なる向上、並びにエンジンの中高負荷時における更なるＮＯx低減に寄与するステージング型燃料ノズルに関するものである。

従来の航空機用ジェットエンジンの燃焼器では拡散燃焼によるリッチリーン燃焼方式が用いられている。この燃焼方式は、当量比φとＮＯx発生量との相関関係がφ＝１近傍を中心にほぼ対称な凸曲線分布を示すことから、燃焼器内の上流部分でφ＞１のリッチ状態（燃料過濃状態）の燃焼を行わせ、その後空気を導入することによって下流部分ではφ＜１のリーン（燃料希薄状態）の燃焼を行わせて、φ＝１近傍の燃焼を避けることにより、ＮＯxの発生を抑制するものである。ＮＯxの更なる低減のため、種々の技術改良がなされて来ているが、そのＮＯx低減効果は限界に来ている。また、今後、燃費削減のために高圧力比化が進むことは必至でリッチリーン燃焼方式ではＮＯxや煙の排出が急激に増加する傾向にある。
この問題を解決するために、パイロット燃料噴射部として拡散燃焼方式、メイン燃料噴射部として予混合燃焼方式を用いるステージング型燃料ノズルの研究開発が盛んに行われている（例えば、特許文献１を参照。）。この燃焼方式は、燃料を十分な量の空気と予混合しこれをメインバーナにおいて希薄燃焼させ高温火炎の発生を防止し、高温燃焼時に大量に発生するＮＯｘの低減を図るものである。そのため、メイン燃焼用の予混合気は、燃料が十分に微粒化され且つ空気と十分均一に混合された状態で燃焼に供されなければならない。
ステージング型燃料ノズルのメイン空気流路は、パイロット燃料噴射部の周りに設けられ、各空気流路の入口には空気流に旋回を与えるスワーラが２重環状に設けられ、各スワーラはフィルムリップと呼ばれる円筒構造の油膜形成体で隔壁されている。そして燃料を噴射する燃料噴射孔はメイン空気流路の内側壁面に設けられ、燃料がそのフィルムリップに衝突し液膜を形成しながら下流側へ移動し、そしてフィルムリップ先端で気流によって薄いフィルム状に引き伸ばされた後、分離することによって燃料の微粒化および燃料と空気の均一混合を促進している（例えば、特許文献２を参照。）。しかし、メイン噴射部が作動を開始するエンジンの中負荷時においては、燃料の噴射速度が小さいため、燃料の大部分はフィルムリップに到達することができず、空気流路の内側壁面に沿って流れることになる。その結果、エンジンの中負荷時では、燃料は十分に微粒化されないまま空気と混合され燃焼に供されることになり、結果、燃焼は不安定となると共に拡散燃焼的となりＮＯxが多く生成される。その問題を解決するために、メイン燃料流路のアトマイゼーションリップ（フィルムリップ）を２重環状（メイン空気流路の入口を３重環状）で構成し、燃料噴射孔を内側のアトマイゼーションリップの外周面に設け、エンジン高負荷時には外側のアトマイゼーションリップによって燃料の微粒化および燃料と空気の均一混合を促進し、他方、エンジン中負荷時には内側のアトマイゼーションリップによって燃料の微粒化および燃料と空気の均一混合を促進するように構成された燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献３を参照。）。

特開２００２−１３９２２１号公報 特開２００４−２２６０５１号公報 特開２００５−１８０７３０号公報

上記アトマイゼーションリップを２重環状で構成した燃料噴射弁では、エンジンの中負荷時においても燃料は、旋回流とアトマイゼーションリップによって微粒化作用を受けることが可能であると考えられる。
しかし、燃料の微粒化改善のための空気はメイン空気流路を通過する空気の全量と比較して少量であるためその効果は大きくなく、また環状のメイン空気流路出口の半径方向内側に燃料の濃い部分が生じるため、ＮＯxが生成されやすくなると考えられる。
上述した通り、上記ステージング型燃料ノズルは何れも燃料を十分な量の空気と予混合しこれをメインバーナにおいて希薄燃焼させ高温火炎の発生を防止し、高温燃焼時に大量に発生するＮＯｘの低減を図るものであるが、未だ実用化されるには至っていない。実用化のためにクリアしなければならない課題としては、エンジンの低中負荷時における燃焼効率の更なる向上、並びにエンジンの中高負荷時における更なるＮＯx低減が挙げられる。
そこで、本発明は上記従来技術の問題に鑑み成されたものであり、その目的はエンジンの低中負荷時における燃焼効率の更なる向上、並びにエンジンの中高負荷時における更なるＮＯx低減に寄与するステージング型燃料ノズルを提供することにある。

前記目的を達成するために請求項１に記載のステージング型燃料ノズルは、中心にパイロット燃料噴射部を、その周囲に２個以上のスワーラ及び液膜形成体（プリフィルマー）を有する予混合型のメイン燃料噴射部を持つ燃料ノズルであって、
前記メイン燃料噴射部の燃料噴射孔は、前記スワーラ下流にある空気流路の内側壁面に設けられ、且つ前記燃料噴射孔近傍の壁面は最内側スワーラの最内面よりも半径方向外側に凸面となり、且つその凸面が前記最内側スワーラの下流において滑らかに隆起して少なくとも前記プリフィルマーの下流端（リップ）まで形成されていることを特徴とする。
上記ステージング型燃料ノズルでは、燃料噴射孔近傍の壁面が最内側スワーラの最内面よりも半径方向外側に膨らんでいるため、燃料噴射孔とプリフィルマーとの距離がより近接し、燃料の噴射速度が最も低いエンジン中負荷時においても燃料の大部分がプリフィルマーに到達することが可能となる。また、燃料噴射孔近傍の空気流路は絞られるため、そこを通過する旋回流の流速が増大し、その結果、燃料は旋回流とプリフィルマーによって好適に微粒化される。これにより、エンジン中負荷時において大部分の燃料が旋回流とプリフィルマーによって微粒化され空気と十分に均一に混合された状態で燃焼に供されるようになり、エンジン中負荷時において燃焼効率が向上し、ＮＯｘが低減されるようになる。また、エンジン高負荷時においては更に大部分の燃料がプリフィルマーに到達するため、ＮＯｘ低減効果は更に向上する。

請求項２に記載のステージング型燃料ノズルでは、前記凸面と前記プリフィルマーとの間の有効開口面積はその上流にある最内側スワーラの有効開口面積に略等しいこととした。
上記ステージング型燃料ノズルでは、上記凸面とプリフィルマーによって囲まれた空間の有効開口面積を上流にある最内側スワーラの有効開口面積に略等しくすることによって、旋回流の上記凸面近傍を通過する際の速度ヘッドの損失が最小限に抑えられるようにし、上記凸面が旋回流の抵抗とならない構造となっている。これにより、燃料はエンジンの全作動領域において旋回流とプリフィルマーによって十分に微粒化され空気と均一に混合された状態で燃焼に供されることになる。

請求項３に記載のステージング型燃料ノズルでは、前記スワーラは３重環状スワーラから成り、最内側スワーラと中間スワーラとの間に下流に延びる前記液膜形成体を有し、最内側スワーラと中間スワーラの旋回方向が逆であり、最内側スワーラと最外側スワーラの旋回方向は同じであり、且つ全体で安定した再循環流が形成できる強さの旋回となるようスワーラの組合せを持つこととした。
上記ステージング型燃料ノズルでは、スワーラを上記構成とすることにより、燃料に対し旋回方向の異なるより強いせん断を作用させることができ、上記燃料噴射孔近傍の凸面の効果と相俟って、燃料の微粒化および燃料と空気の均一混合を更に促進することが可能となる。また、この旋回流は燃焼領域に安定した予混合気の再循環流を形成するため、後述する後方ステップ保炎器の効果と相俟って、エンジンの低負荷から中高負荷に到る全ての作動範囲において燃焼が安定し燃焼効率を向上することが可能となる。

請求項４に記載のステージング型燃料ノズルでは、前記メイン空気流路とパイロット空気流路の間に後方ステップ保炎器を備えることとした。
上記ステージング型燃料ノズルでは、後方ステップ保炎器を持つことにより、パイロット火炎やパイロット火炎で生成された高温の既燃ガスを確実にメイン予混合気と接触させ、安定したメイン火炎を形成することが可能となり、結果、安定した希薄燃焼を可能にする。

請求項５に記載のステージング型燃料ノズルでは、前記パイロット燃料噴射部および前記メイン燃料噴射部のスワーラの上流より空気を導きパイロットフレア部と前記後方ステップ保炎部を裏から冷却し、前記メイン空気流路出口近傍の内側壁面からフィルム状に噴出する構造を備えることとした。
ところで、予混合気の一部はメイン空気流路の内側壁面に接し或いは衝突し、燃料の一部がメイン空気流路の内側壁面に付着する。壁面に付着した燃料は予混合気のせん断作用によってメイン空気流路の出口部へ移動して燃焼へ供されることになるが、十分に微粒化されることなく燃焼に供されるため、燃焼効率の向上および燃焼ガス中のＮＯx低減には殆ど寄与していない。
従って、上記ステージング型燃料ノズルでは、これらの内側壁面に付着した燃料を燃焼効率の向上および燃焼ガス中のＮＯx低減に寄与させるために、メイン空気流路出口近傍にフィルム状に空気が噴出する噴出口を設けた。これにより、メイン空気流路の内側壁面に付着した燃料は、そのフィルム状空気流によってフィルム状となり気流に引きちぎられながら微粒化され、更には上流から流れて来る予混合気と混合して、燃焼に供されるようになる。

本発明のステージング型燃料ノズルによれば、下記の効果が期待される。
（１）エンジンの低負荷時おける燃焼効率の更なる向上
同軸のパイロット燃料噴射部、メイン燃料噴射部を持つ従来の燃料ノズルでは、メイン燃料噴射部から流れ込む空気の旋回が弱い場合、燃焼器内に安定な再循環流を形成できないため、パイロット火炎の燃焼効率を低下させる。対する本発明は３重環状スワーラによって互い違いの旋回作用を流れ込む空気に与え、燃焼器内に安定な再循環流を形成することができるため、パイロット火炎の燃焼効率を向上させることが出来る。
（２）エンジンの中負荷時における燃焼効率の更なる向上、ＮＯx低減
従来の燃料ノズルでは、エンジン中負荷時においてはメイン燃料噴射部からも燃料を噴射するが、高負荷時と比較して燃料噴射速度が低く、燃料噴流が微粒化のためのプリフィルマーまで十分に到達できないために燃料の微粒化や空気との混合が不十分となり、燃焼効率の低下やＮＯxの増加を招く傾向にある。対する本発明は燃料噴射孔が設けられた壁面がその上流のスワーラの最内面よりも半径方向外側に膨らんでいるため、燃料の噴射速度が小さい場合でもプリフィルマーに到達しやすくなり、燃料の微粒化を促進することができ、燃焼効率の向上及びＮＯx排出の低減を行うことができる。
（３）エンジンの高負荷時におけるＮＯxの更なる低減
メイン火炎から生成されるＮＯxを低減するためには、燃料を微粒化し、空気と一様に混合することが重要である。燃料ジェットを円筒（液膜形成体）にぶつけて、円筒の内面で燃料の膜を形成し、その下流端で内外の気流により燃料の微粒化を行うプリフィルミング型の燃料ノズルでは、燃料が少ない条件でも確実に円筒まで燃料ジェットを到達させること、円筒の下流端で空気流の速度が高いことが高微粒化のために必要である。本発明は、燃料噴射孔が設けられたメイン空気流路内側壁面がその上流にあるスワーラ最内面より半径方向外側に膨らんでいるため、燃料ジェットが確実に円筒に到達し、かつ、気流の速度を高めることができる。また、本発明の３重環状スワーラを用いることによって、隣り合う旋回流のせん断作用により、燃料の微粒化が促進されると共に、燃料と空気との混合がより一様となり、燃焼ガス中のＮＯxを更に低減することができる。さらに、パイロット空気流路とメイン空気流路の間の後方ステップ保炎器によって、パイロット火炎やパイロット領域で生成された高温の既燃ガスを確実にメイン予混合気と接触させることにより、安定したメイン火炎を形成する効果がある。また、メイン空気流路の出口内側壁面にフィルム状空気噴出口を設けることにより、そこから噴き出す空気流によってメイン空気流路の内側壁面に付着した燃料を微粒化し空気との混合を促進させ、燃焼効率の向上およびＮＯx低減に寄与するようになる。

本発明の低ＮＯx燃料ノズルを示す要部断面説明図である。 図１のＡ−Ａ要部断面図である。 図１のＢ−Ｂ要部断面図である。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の低ＮＯx燃料ノズル１００を示す要部断面説明図である。
この低ＮＯx燃料ノズル１００は、着火および保炎等の拡散燃焼用（以下、「パイロット」という。）の燃料を微粒化して燃焼室（図示せず）に供給するパイロット燃料噴射部１０と、パイロット燃料噴射部１０の周囲に配設され主燃焼の希薄予混合燃焼用（以下、「メイン」という。）の希薄予混合気を燃焼室に供給するメイン燃料噴射部２０とから構成されている。なお、詳細については、図２及び図３を参照しながら後述するが、本低ＮＯx燃料ノズル１００では、エンジンの低中負荷時における燃焼効率の向上、エンジン中高負荷時におけるＮＯx低減のために、メイン燃料が供給される全てのエンジン作動領域において燃料は互い違いの旋回流のせん断により生じた乱れによって微粒化され空気と均一に混合された状態で燃焼に供されると共に、メインスワーラ２２によって燃焼器内に安定した再循環流が形成される構成となっている。以下、各構成要素について説明する。

パイロット燃料噴射部１０は、拡散燃焼用の空気を導入するパイロット第１空気流路１１と、その空気流に旋回を与えるパイロット第１スワーラ１２、同じく拡散燃焼用の空気を導入するパイロット第２空気流路１３、同じくその空気流に旋回を与えるパイロット第２スワーラ１４、拡散燃焼用の燃料を導入するパイロット燃料供給管１５、パイロット燃料が流れるパイロット燃料流路１６、パイロット燃料を噴射するパイロット燃料噴射孔１７、燃料と空気が混合し混合気となって拡散するパイロットフレア部１８から成る。

メイン燃料噴射部２０は、希薄予混合燃焼用の空気を導入するメイン空気流路２１、その空気流に旋回を与えるメインスワーラ２２、燃料を液膜化するプリフィルマー２３a、メイン空気流路２１の内側壁面に付着した燃料を微粒化するための空気を導入するフィルム空気流路２４、空気をフィルム状に噴き出すフィルム空気スリット２５、希薄予混合燃焼用の燃料を導入するメイン燃料供給管２６、メイン燃料が流れるメイン燃料流路２７、メイン燃料を噴射するメイン燃料噴射孔２８、パイロット火炎を安定させる後方ステップ保炎器２９から成る。

メインスワーラ２２は、プリフィルマー２３aおよびセパレータ２３bによって隔壁された３重環状スワーラを成して燃料の微粒化および燃料と空気の均一混合を促進すると共に、燃焼器内に安定した予混合気の再循環流を形成する。

フィルム空気流路２４は、メイン空気流路２１の内側壁とパイロットフレア部１８との間に形成され、メインスワーラ２２の上流の全圧の高い空気を導入し、パイロットフレア部１８および後方ステップ保炎器２９を裏側から冷却しながら、メイン空気流路２１の出口近傍に設けられたフィルム空気スリット２５から空気をフィルム状の形態で噴出させる。なお、フィルム空気スリット２５の空気の噴射方向は、予混合気（旋回流）に対して交差する方向である。これにより、メイン空気流路２１の内側壁面に付着している燃料を微粒化し、空気と混合して燃焼に供することが可能となる。

メイン燃料噴射孔２８が設けられたメイン空気流路２１の内側壁面は、メインスワーラ２２の最内面よりも半径方向外側に膨らんでいる。その膨らみはスワーラによる旋回流の抵抗とならないように、滑らかに隆起してプリフィルマー２３aのリップ先端まで続いている。そのため、燃料の噴射速度の低いエンジンの中負荷時においても燃料がプリフィルマーに到達することができ、同時にその空隙（プリフィルマーと壁面との間の空間）を流れる気流の流速が増大する。その結果、エンジン中負荷時においても燃料はプリフィルマーと旋回流によって好適に微粒化され空気と均一に混合された状態で燃焼に供されるようになる。

後方ステップ保炎器２９は、パイロット火炎やパイロットで生成された高温の既燃ガスを確実にメイン予混合気と接触させることにより、安定したメイン火炎を形成する効果がある。これにより、メイン燃料噴射部２０によって燃焼器内に供給される予混合気を安定して燃焼させることが可能となる。

図２は、図１のＡ−Ａ要部断面図である。
メインスワーラ２２は、内側から小スワーラ２２a、中スワーラ２２b、及び大スワーラ２２cが同芯円状に配設された３重環状スワーラを成している。小スワーラ２２aと中スワーラ２２bはプリフィルマー２３aによって隔壁され、一方、中スワーラ２２bと大スワーラ２２cはセパレータ２３bによって隔壁されている。
各スワーラの旋回方向については、小スワーラ２２aと中スワーラ２２bの旋回方向は逆であり、中スワーラ２２bと大スワーラ２２cの旋回方向は逆であり、大スワーラ２２cと小スワーラ２２aの旋回方向は同じである。なお、各スワーラの羽根の枚数、羽根の取り付け角度、各スワーラ間の位相差等は、エンジンの仕様によって具体的に決定される。

特に、小スワーラ２２aの有効開口面積（＝ΣＳ×流量係数）は、後述するメイン燃料噴射孔２８が設けられたメイン空気流路２１の内側壁面の膨らみ程度（壁面からプリフィルマー２３aまでの距離Ｌ）を決定する際に使用される。

図３は、図１のＢ−Ｂ要部断面図である。なお、図３(a)は、メイン燃料噴射孔２８を含む環状壁面の全体が半径方向外側に膨らんだ例を示し、図３(b)は、メイン燃料噴射孔２８を含む環状壁面の一部が半径方向外側に膨らんだ例を示している。また、説明の都合上、中スワーラ２２b及び大スワーラ２２cについては省略されている。
プリフィルマー２３aとメイン燃料噴射孔２８の距離Ｌは、半径方向外側に対するメイン空気流路２１の内側壁の膨らみ程度を表し、プリフィルマー２３aとメイン空気流路２１の内側壁面とに囲まれた有効開口面積が上記小スワーラ２２aの有効開口面積（＝ΣＳ×流量係数）に等しくなるように決定される。なお、有効開口面積とは見かけの面積（形状から算出される面積）に流量係数を掛けた面積である。
メイン燃料噴射孔２８を含むメイン空気流路の内側壁２１aが、半径方向に膨らんだ構造を成していることにより、燃料の噴射速度の小さいエンジンの中負荷においても燃料がプリフィルマー２３aに到達することが出来る。小スワーラ２２aから出た時の旋回流の流速は比較的遅いが、メイン燃料噴射孔２８の近傍は、流路断面が狭くなっているため、旋回流は絞り作用を受けて流速が増大する。従って、エンジンの中負荷においても、燃料は旋回流によって微粒化され空気と均一に混合された状態で燃焼に供されるようになる。

以上の通り、本発明の低ＮＯx燃料ノズル１００は、従来のステージング型燃料ノズルとは異なる以下の構成をとることにより、エンジン低中負荷における燃焼効率を更に向上させると共に、エンジン中高負荷における燃焼ガス中のＮＯxを更に低減させることが可能となる。
（１）メイン燃料噴射孔２８を含むメイン空気流路２１の壁面が上流の小スワーラ２２aの最内面よりも半径方向外側に膨らみ、なお且つその有効開口面積が上流の小スワーラ２２aの有効開口面積とほぼ等しくなるように構成されている。
（２）メインスワーラ２２は、燃焼器内に安定した再循環流を形成することが出来るように、旋回方向が互い違いに異なる３重環状スワーラによって構成されている。
（３）メイン空気流路２１の内側壁出口近傍には、空気をフィルム状に噴出するフィルム空気スリット２５がその噴射方向が旋回流に交差する方向に設けられている。
（４）安定したパイロット火炎および安定したメイン火炎が形成するようにパイロット燃料噴射部１０とメイン燃料噴射部２０の間に後方ステップ保炎器２９を備えている。

本発明の低ＮＯx燃料ノズルは、低ＮＯxの排出が要求されるガスタービン用燃料ノズル、または液体燃料を連続燃焼させる全ての内燃機関用燃料ノズルに好適に適用することが可能である。

１０ パイロット燃料噴射部
１１ パイロット第１空気流路
１２ パイロット第１スワーラ
１３ パイロット第２空気流路
１４ パイロット第２スワーラ
１５ パイロット燃料供給管
１６ パイロット燃料流路
１７ パイロット燃料噴射孔
１８ パイロットフレア部
２０ メイン燃料噴射部
２１ メイン空気流路
２２ メインスワーラ
２３a プリフィルマー
２３b セパレータ
２４ フィルム空気流路
２５ フィルム空気スリット
２６ メイン燃料供給管
２７ メイン燃料流路
２８ メイン燃料噴射孔
２９ 後方ステップ保炎器
１００ 低ＮＯx燃料ノズル

Claims (5)

1. 中心にパイロット燃料噴射部を、その周囲に２個以上のスワーラ及び液膜形成体を有する予混合型のメイン燃料噴射部を持つ燃料ノズルであって、
   前記メイン燃料噴射部の燃料噴射孔は、前記スワーラ下流にある空気流路の内側壁面に設けられ、且つ前記燃料噴射孔近傍の壁面は最内側スワーラの最内面よりも半径方向外側に凸面となり、且つその凸面が前記最内側スワーラの下流において滑らかに隆起して少なくとも前記液膜形成体の下流端まで形成されていることを特徴とするステージング型燃料ノズル。
2. 前記凸面と前記液膜形成体との間の有効開口面積はその上流にある最内側スワーラの有効開口面積に略等しい請求項１に記載のステージング型燃料ノズル。
3. 前記スワーラは３重環状スワーラから成り、最内側スワーラと中間スワーラとの間に下流に延びる前記液膜形成体を有し、最内側スワーラと中間スワーラの旋回方向が逆であり、最内側スワーラと最外側スワーラの旋回方向は同じであり、且つ全体で安定した再循環流が形成できる強さの旋回となるようスワーラの組合せを持つ請求項１又は２に記載のステージング型燃料ノズル。
4. メイン空気流路とパイロット空気流路の間に後方ステップ保炎器を備える請求項１から３の何れかに記載のステージング型燃料ノズル。
5. 前記パイロット燃料噴射部および前記メイン燃料噴射部のスワーラの上流より空気を導きパイロットフレア部と後方ステップ保炎部を裏から冷却し、メイン空気流路出口近傍の内側壁面からフィルム状に噴出する構造を備える請求項１から４の何れかに記載のステージング型燃料ノズル。

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