JP5896443B2 - Fuel nozzle - Google Patents

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Description

本発明は、航空機用ジェットエンジンの燃焼器に用いる燃料ノズルに関する。   The present invention relates to a fuel nozzle used in a combustor of an aircraft jet engine.

航空機用ジェットエンジンの燃焼器は、アイドル状態や離陸や巡航などの様々な出力レベルにわたって作動するものであるが、そのいずれの段階においても燃料消費と排気中の有害物質を減らすような設計が求められる。従来の航空機用ジェットエンジンの燃焼器では窒素酸化物(NOx)削減のための技術として拡散燃焼によるリッチ・クエンチ・リーン燃焼方式(RQL燃焼方式)等が用いられている。RQL燃焼方式とは、当量比が1近くの燃焼でNOxが多く生成されることから、燃焼器の上流部で燃料過濃(当量比>1)で燃焼させ、その後、急速に空気を導入することによって燃料希薄(当量比<1)で燃焼させることによりNOxを低く抑えて燃焼させる方式である。   Aircraft jet engine combustors operate over various power levels such as idle, takeoff and cruise, but at any stage they must be designed to reduce fuel consumption and harmful substances in the exhaust. It is done. In a conventional aircraft jet engine combustor, as a technique for reducing nitrogen oxides (NOx), a rich quench lean combustion system (RQL combustion system) by diffusion combustion or the like is used. In the RQL combustion method, a large amount of NOx is generated by combustion with an equivalence ratio close to 1, so that combustion is performed in a fuel rich (equivalence ratio> 1) upstream of the combustor and then air is rapidly introduced In this way, combustion is performed with a lean fuel (equivalence ratio <1) to suppress NOx to a low level.

排気中の有害物質を減らして適当な耐久性を有する改良された燃焼器を提供することを目的として、特許文献1にはRQL燃焼方式の低エミッション燃焼器が提示されている。この燃焼器は図6に示されるように、航空機用ターボファンエンジン中の環状のケーシング112の内部に配置された単一環状の燃焼器110である。燃焼器は、長手方向つまり軸方向の中心軸線114に対して軸対称であり、加圧された空気116を圧縮機(図示せず)から受け、その空気は燃料118と混合され点火されて、高温の燃焼ガス120を発生し、その燃焼ガスは燃焼器から高圧タービンノズル122を含む従来のタービン段中に排出される。燃焼器は、半径方向外側及び内側の環状の燃焼器ライナ124,126を含み、環状の燃焼器ライナ124,126はその前方端で環状のドーム128と接合され、その後方端で半径方向に間隔を置いて配置され、環状の燃焼器出口130を画定する。円周方向に間隔を置いて配置された複数の燃料ノズルが、ドームを貫いて適切に装着される。燃料ノズルは従来の燃料噴射器132及び協働する空気旋回翼つまり旋回カップ134により構成される。各旋回カップは、それぞれの燃料噴射器を同軸に受けるためにドームに適切に取り付けられ、そして燃焼器内部で燃焼される燃料と空気の混合気を発生するために、空気を旋回させて噴射器からの燃料と混合するように構成されたものである。   For the purpose of providing an improved combustor having appropriate durability by reducing harmful substances in exhaust gas, Patent Document 1 presents a low emission combustor of the RQL combustion type. The combustor is a single annular combustor 110 disposed within an annular casing 112 in an aircraft turbofan engine, as shown in FIG. The combustor is axisymmetric with respect to a longitudinal or axial central axis 114 and receives pressurized air 116 from a compressor (not shown), which is mixed with fuel 118 and ignited, Hot combustion gas 120 is generated and the combustion gas is discharged from the combustor into a conventional turbine stage that includes a high pressure turbine nozzle 122. The combustor includes radially outer and inner annular combustor liners 124, 126 that are joined at their forward ends to an annular dome 128 and radially spaced at their rear ends. To define an annular combustor outlet 130. A plurality of circumferentially spaced fuel nozzles are suitably mounted through the dome. The fuel nozzle comprises a conventional fuel injector 132 and a cooperating air swirler or swirl cup 134. Each swirl cup is suitably attached to the dome to receive the respective fuel injector coaxially and swirls the air to produce a fuel / air mixture that is combusted within the combustor. It is configured to be mixed with fuel from

本発明者らの環境適応エンジンチームでは現在「航空エンジン環境技術研究開発(TechCLEAN)」の一環として、航空機用エンジンの窒素酸化物排出値を国際民間航空機関(ICAO)のCAEP4基準値の20%以下に低減することを目標として、先進的な燃焼技術の研究開発を進めているところである。今後、燃費削減のために高圧力比化が進むことは必至で前述したRQL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。このステージング型燃料ノズルとは、パイロット燃料噴射部の作動で生じた燃焼によりエンジンのアイドル等の低負荷運転を行うと共に、中負荷から高負荷で作動するメイン燃料噴射部で形成される予混合気を安定に燃焼させるための口火として用いることにより、排気中のNOxの低減や燃焼効率の向上を可能とするものである。   As part of the Aero Engine Environmental Technology Research and Development (TechCLEAN), our environment-adapted engine team is currently reducing the nitrogen oxide emission value of aircraft engines to 20% of the CAEP4 standard value of the International Civil Aviation Organization (ICAO). Research and development of advanced combustion technology is being promoted with the goal of reducing the following. In the future, it is inevitable that the pressure ratio will increase in order to reduce fuel consumption. In the RQL combustion method described above, NOx and smoke emissions tend to increase rapidly. In order to solve this problem, research and development of a staging type fuel nozzle that uses a diffusion combustion system as a pilot fuel injection section and a premixed combustion system as a main fuel injection section has been actively conducted. The staging type fuel nozzle is a premixed gas formed by a main fuel injection unit that operates at a low load such as an engine idle by a combustion generated by the operation of the pilot fuel injection unit and operates at a medium load to a high load. By using it as a spark for stably burning, NOx in the exhaust gas can be reduced and combustion efficiency can be improved.

ステージング型燃料ノズルでは、ガスタービンエンジンの耐久性の悪化を防止しながら、公害物質の生成をより効果的に抑制する燃料噴射装置を提供することを目的とした発明が特許文献2に提示されている。この内容は、図5に示されるように、パイロット燃料噴射部1とメイン燃料噴射部10とを備える燃料噴射装置であって、前記パイロット燃料噴射部1は、インナ燃料チャンバ形成体111と、該インナ燃料チャンバ形成体111を囲んで配設されるインナ油膜形成体13と、インナ空気流路113と、前記インナ油膜形成体13を囲んでインナ空気流路の外周を形成するインナーウォール114を有し、前記インナ燃料チャンバ形成体111のインナ燃料チャンバ111aから前記インナ油膜形成体13内面に噴射された燃料が、同インナ油膜形成体13内面上を油膜とされて下流側に送られてその下流側先端13aからフィルム状で放出され、このフィルム状で放出された燃料がインナ空気流路113の空気流により微粒化されて燃焼領域に送気されるというものである。
しかし、ステージング型燃料ノズルでは、エンジンの低負荷時においてパイロット燃料のみを噴射するため、メイン噴射部を通って燃焼器に流れ込む空気との混合により燃焼効率が低下する傾向にある。これを軽減するため、円錐形状の窪み(以下、フレア)を設け、ここにパイロット火炎を形成することが行われているが、噴射された燃料がフレア表面に付着して微粒化が悪化し、燃焼効率の低下、煙の発生、希薄限界の悪化を招くという欠点がある。
In the staging type fuel nozzle, Patent Document 2 proposes an invention aimed at providing a fuel injection device that more effectively suppresses the generation of pollutants while preventing deterioration of the durability of a gas turbine engine. Yes. As shown in FIG. 5, this content is a fuel injection device including a pilot fuel injection unit 1 and a main fuel injection unit 10, wherein the pilot fuel injection unit 1 includes an inner fuel chamber forming body 111, An inner oil film forming body 13 disposed around the inner fuel chamber forming body 111, an inner air flow path 113, and an inner wall 114 surrounding the inner oil film forming body 13 and forming the outer periphery of the inner air flow path are provided. Then, the fuel injected from the inner fuel chamber 111a of the inner fuel chamber forming body 111 to the inner surface of the inner oil film forming body 13 is converted into an oil film on the inner surface of the inner oil film forming body 13 and sent downstream. The fuel is discharged from the side tip 13a in the form of a film, and the fuel released in the form of a film is atomized by the air flow in the inner air flow path 113 and sent to the combustion region.
However, since the staging type fuel nozzle injects only the pilot fuel when the engine is under a low load, the combustion efficiency tends to decrease due to mixing with air flowing into the combustor through the main injection portion. In order to reduce this, a conical depression (hereinafter referred to as flare) is provided and a pilot flame is formed here, but the injected fuel adheres to the flare surface and atomization worsens, There are disadvantages in that the combustion efficiency is reduced, smoke is generated, and the lean limit is deteriorated.

本発明の課題は、上記の問題すなわち、(1)ステージング型燃料ノズルのパイロットフレアヘの燃料の付着による燃焼効率の低下、煙の発生、希薄限界の悪化の問題、(2)パイロット燃料噴射部の燃料と空気の混合気とメイン燃料噴射部を通過した空気の混合による燃焼効率の低下の問題を解決した燃料ノズルを提供することにある。   The problems of the present invention are as follows: (1) problems of deterioration of combustion efficiency due to fuel adhering to the pilot flare of the staging type fuel nozzle, generation of smoke, deterioration of the lean limit, (2) pilot fuel injection section It is an object of the present invention to provide a fuel nozzle that solves the problem of reduction in combustion efficiency due to the mixture of the fuel and air and the air that has passed through the main fuel injection section.

本発明の燃料ノズルは、燃料噴射部を環状に囲む気体流路は、燃料噴射位置近傍であって、スワーラ下流にある流路面積縮小部の下流側端部に形成された喉部と、該喉部下流側に喉部に続く流路面積拡大部(フレア)とで形成され、燃料噴射位置近傍において前記の喉部とフレア間が急激に流路面積の拡大する段部形態の窪み形状となって、該窪み領域で再循環気流を形成させることによりフレア壁面への燃料付着を防止する機能を備えたことを特徴とする。
また、本発明の燃料ノズルは、上記構成に加え、より好ましい形態としてフレア領域に外部から空気が導入される流路が設けられる構成を採用する。
また、本発明の燃料ノズルは、燃料噴射部を環状に囲む気体流路はインナーウォールで形成され、その周りにメイン燃料噴射部を有するステージング型であるものを提示する。
さらに、本発明のステージング型燃料ノズルは、全圧の高い領域であるパイロット及びメインのスワーラの上流から空気をフレア裏面に導くと共に、メイン流路出口近くの内壁から噴出させる流路を形成する形態を提示する。
In the fuel nozzle of the present invention, the gas flow path surrounding the fuel injection section in an annular shape is in the vicinity of the fuel injection position, and at the downstream end of the flow path area reduction section downstream of the swirler, A step-shaped recess shape that is formed with a flow passage area enlargement portion (flare) following the throat portion on the downstream side of the throat portion, and between the throat portion and the flare in the vicinity of the fuel injection position abruptly increases the flow passage area. Thus, it has a function of preventing the fuel from adhering to the flare wall surface by forming a recirculation airflow in the depression region.
In addition to the above-described configuration, the fuel nozzle of the present invention employs a configuration in which a flow path through which air is introduced from the outside is provided in the flare region as a more preferable form.
In addition, the fuel nozzle of the present invention is of a staging type in which the gas flow path surrounding the fuel injection section in an annular shape is formed by an inner wall and the main fuel injection section is provided around the gas flow path.
Furthermore, the staging type fuel nozzle of the present invention forms a flow path that guides air from the upstream of the pilot and main swirler, which is a high total pressure region, to the back surface of the flare and ejects from the inner wall near the main flow path outlet. Present.

本発明の燃料ノズルは、燃料噴射部を環状に囲む気体流路が、喉部と、該喉部下流側のフレアとで形成され、前記の喉部とフレア間が急激に流路面積の拡大する窪み形状となって、該窪み領域で再循環気流を形成させるものであるから、この領域に発生する再循環気流によって、噴射部から噴霧された燃料が気体流路の壁面に付着することを効果的に防止する機能を備える。
また、急激に流路面積の拡大する窪み形状が段部形態とされた本発明の燃料ノズルは、流れの剥離が起こり、窪み領域で再循環気流を発生させる。この再循環気流は前記の急激に流路面積の拡大する窪み形状と同様に、噴射部から噴霧された燃料が気体流路の壁面に付着することを効果的に防止する。
また、上記構成に加え、より好ましい形態としてフレア領域に外部から空気が導入される流路が設けられる構成を採用した本発明の燃料ノズルは、窪みの表面への煤等の付着や、急激な空気流量の減少があった場合等の窪みでの火炎生成の防止にも有効である。
In the fuel nozzle of the present invention, a gas flow path surrounding the fuel injection section is formed by a throat part and a flare downstream of the throat part, and the area between the throat part and the flare is rapidly expanded. Since the recirculation airflow is formed in the depression region, the fuel sprayed from the injection unit is attached to the wall surface of the gas flow path by the recirculation airflow generated in the depression region. Equipped with a function to prevent effectively.
Further, in the fuel nozzle of the present invention in which the depression shape whose flow area is suddenly enlarged is a stepped form, separation of the flow occurs, and a recirculation airflow is generated in the depression region. This recirculation airflow effectively prevents the fuel sprayed from the injection part from adhering to the wall surface of the gas flow path, similarly to the above-described hollow shape in which the flow path area rapidly increases.
Further, in addition to the above-described configuration, the fuel nozzle of the present invention adopting a configuration in which a flow path through which air is introduced from the outside is provided in the flare region as a more preferable form is attached to the surface of the recess, It is also effective in preventing the generation of flames in the depression when there is a decrease in the air flow rate.

また、燃料噴射部を環状に囲む気体流路はインナーウォールで形成され、その周りにメイン燃料噴射部を有するステージング型である本発明の燃料ノズルは、パイロットフレアヘの付着による燃焼効率の低下、煙の発生、希薄限界の悪化を効果的に防止することができるだけでなく、メイン燃料が停止しているときには、メイン空気流路からは空気のみが噴出していて火炎が存在しないので、パイロット燃料がこれに混入すると燃焼せずに下流に流されてしまうため、燃焼効率が低下するという現象が生じるが、この構成を採用したことにより、フレアに付着した燃料が十分に微粒化されないためにメイン空気と混合して燃焼せずに燃焼器から排出されることによる燃焼効率の低下の問題を解決することができる。
さらに、全圧の高い領域であるパイロット及びメインのスワーラの上流から空気をフレア裏面に導くと共に、メイン流路出口近くの内壁から噴出させる流路を形成する形態を備えた本発明のステージング型燃料ノズルは、この空気流によって火炎に直接触れるパイロットフレアや保炎器を冷却し、焼損しないようにするために重要であると共に、メイン燃料の流路の内側内壁へ付着した燃料の微粒化や空気との混合を促進する効果をもつ。
In addition, the gas flow passage that surrounds the fuel injection portion in an annular shape is formed of an inner wall, and the fuel nozzle of the present invention that is a staging type having the main fuel injection portion around it has a reduction in combustion efficiency due to adhesion to the pilot flare, Not only can smoke and deterioration of the lean limit be effectively prevented, but when the main fuel is stopped, only air is ejected from the main air flow path and there is no flame. If this is mixed, it will flow downstream without burning, causing a phenomenon that the combustion efficiency is reduced.However, by adopting this configuration, the fuel adhering to the flare is not sufficiently atomized. It is possible to solve the problem of reduction in combustion efficiency due to being discharged from the combustor without being mixed with air and combusted.
Furthermore, the staging type fuel of the present invention is provided with a configuration in which air is led from the upstream of the pilot and main swirler, which is a high total pressure region, to the back surface of the flare, and a flow path is formed from the inner wall near the main flow path outlet. The nozzle is important for cooling the pilot flare and flame holder that are in direct contact with the flame by this air flow, so that they do not burn out, as well as atomization of fuel adhering to the inner inner wall of the main fuel flow path and air Has the effect of promoting mixing with.

本発明に係る燃料ノズルの全体構造を示した図である。It is the figure which showed the whole structure of the fuel nozzle which concerns on this invention. 本発明に係る燃料ノズルにおけるパイロット燃料噴射部近傍の部分拡大図である。It is the elements on larger scale near the pilot fuel injection part in the fuel nozzle concerning the present invention. 本発明に係る燃料ノズルにおけるメイン燃料噴射部近傍の部分拡大図である。It is the elements on larger scale near the main fuel injection part in the fuel nozzle concerning the present invention. 本発明に係る燃料ノズルにおける窪み部空気流路近傍の部分拡大図である。It is the elements on larger scale near the hollow part air flow path in the fuel nozzle which concerns on this invention. 従来のステージング型燃料ノズルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the conventional staging type fuel nozzle. 従来のRQL燃焼方式の燃料ノズルの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the fuel nozzle of the conventional RQL combustion system.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図1は本発明に係る燃料ノズルの全体構造を示した図であって、この燃料ノズルはパイロット燃料噴射部1とメイン燃料噴射部10を備えたステージング燃焼方式の燃料ノズルである。図の右方向(下流側)に燃焼室が配置され燃焼器として構成されるものである。本発明の課題であるステージング型燃料ノズルのパイロットフレアヘの燃料の付着による燃焼効率の低下、煙の発生、希薄限界の悪化の問題を解決する技術を説明する前に、燃料ノズルとしての動作について予め説明する。まず、パイロット燃料噴射を図2を参照しながら説明すると、パイロット燃料は図1のパイロット燃料供給管11から供給され、流路12を通してインナ油膜形成体13の内面に送り出される。流路12には第1の旋回器14aと第2の旋回器14bが配置されているので、パイロット燃料は旋回流となっていて、旋回器14bの下流で遠心力によってインナ油膜形成体13の内面に液膜が形成される。一方、中央の第1空気流路15にはスワーラ16が配置されているのでここに供給される空気も回転力が付与され、旋回流となって右方向に進行する。空気流路の開口部15aに至り、この旋回空気流はインナ油膜形成体13の内面に向けて流路を広げることとなるが、この空気流はインナ油膜形成体13の内面に液膜状となって送られてくる前記パイロット燃料を更に遠心力で薄膜化させる機能を果たす。この薄膜化されたパイロット燃料は、インナ油膜形成体13の先端部に至り、今度はインナ油膜形成体13の外側に配置されている第2の空気流路17を通して送られてくる第2の空気流と接触することとなる。この第2の空気流路17にはスワーラ18が配置されているのでここに供給される空気も回転力が付与されている。したがって、前記薄膜化されたパイロット燃料はインナ油膜形成体13の先端部において内側の第1の空気流と外側から第2の空気流とによって挟まれた形態で両側の旋回流によって微粒化され、右方向に飛散される。以上が本発明におけるパイロット燃料噴射動作である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a diagram showing the overall structure of a fuel nozzle according to the present invention. This fuel nozzle is a staging combustion type fuel nozzle having a pilot fuel injection section 1 and a main fuel injection section 10. A combustion chamber is arranged in the right direction (downstream side) of the figure and is configured as a combustor. Before explaining the technology that solves the problems of combustion efficiency reduction, smoke generation, and deterioration of the lean limit due to the adhesion of fuel to the pilot flare of the staging fuel nozzle, which is the subject of the present invention, the operation as a fuel nozzle This will be described in advance. First, the pilot fuel injection will be described with reference to FIG. 2. The pilot fuel is supplied from the pilot fuel supply pipe 11 of FIG. 1 and sent out to the inner surface of the inner oil film forming body 13 through the flow path 12. Since the first swirler 14a and the second swirler 14b are disposed in the flow path 12, the pilot fuel is swirling, and the inner oil film forming body 13 is formed by the centrifugal force downstream of the swirler 14b. A liquid film is formed on the inner surface. On the other hand, since the swirler 16 is disposed in the central first air flow path 15, the air supplied thereto is also given a rotational force and proceeds in the right direction as a swirling flow. The air flow reaches the opening 15a of the air flow path, and this swirling air flow widens the flow path toward the inner surface of the inner oil film forming body 13. The air flow is formed on the inner surface of the inner oil film forming body 13 as a liquid film. The pilot fuel that is sent in the form of a thin film is further thinned by centrifugal force. The thinned pilot fuel reaches the tip of the inner oil film forming body 13, and this time, the second air sent through the second air flow path 17 arranged outside the inner oil film forming body 13. It will come into contact with the flow. Since the swirler 18 is disposed in the second air flow path 17, the air supplied here is also given a rotational force. Therefore, the thinned pilot fuel is atomized by the swirl flow on both sides in a form sandwiched by the inner first air flow and the second air flow from the outer side at the tip of the inner oil film forming body 13, It is scattered in the right direction. The above is the pilot fuel injection operation in the present invention.

次に、本発明におけるメイン燃料噴射動作を図3を参照しながら説明する。メイン燃料は図1のメイン燃料供給管21から供給され、噴射口22からアウタ油膜形成体23の内面に向けて噴出される。アウタ油膜形成体23の内側には第3の空気流路24が形成されており、噴射口22より上流側にスワーラ25が配置されているので、この第3の空気流路24を流れる空気流は回転力が付与されて図面の右方向へ送られる。アウタ油膜形成体23の内面に向けて噴出されたメイン燃料はこの旋回空気流の遠心力を受け、アウタ油膜形成体23の内面において液膜状に押し広げられながら右方向に送られる。この液膜化されたメイン燃料は、アウタ油膜形成体23の先端部に至り、今度はアウタ油膜形成体23の外側に配置されている第4の空気流路26を通して送られてくる第4の空気流と接触することとなる。この第4の空気流路26にはスワーラ27が配置されているのでここに供給される空気も回転力が付与されている。したがって、前記液膜化されたメイン燃料はインナ油膜形成体13の先端部において内側の第3の空気流と外側から第4の空気流とによって挟まれた形態で両側の旋回流によって微粒化され、右方向に飛散される。以上が本発明におけるメイン燃料噴射動作である。   Next, the main fuel injection operation in the present invention will be described with reference to FIG. The main fuel is supplied from the main fuel supply pipe 21 in FIG. 1 and is ejected from the injection port 22 toward the inner surface of the outer oil film forming body 23. A third air flow path 24 is formed inside the outer oil film forming body 23, and a swirler 25 is disposed on the upstream side of the injection port 22, so that the air flow flowing through the third air flow path 24 Is given a rotational force and is sent to the right in the drawing. The main fuel ejected toward the inner surface of the outer oil film forming body 23 receives the centrifugal force of the swirling air flow, and is sent to the right while being pushed and expanded in the form of a liquid film on the inner surface of the outer oil film forming body 23. The main fuel in the form of a liquid film reaches the tip of the outer oil film forming body 23, and this time, the fourth fuel is sent through the fourth air flow path 26 disposed outside the outer oil film forming body 23. It will come into contact with the air flow. Since the swirler 27 is arranged in the fourth air flow path 26, the air supplied here is also given a rotational force. Therefore, the main fuel formed into a liquid film is atomized by the swirl flow on both sides in a form sandwiched between the inner third air flow and the fourth air flow from the outer side at the tip of the inner oil film forming body 13. , Scattered rightward. The above is the main fuel injection operation in the present invention.

さて、いよいよ本発明の着目課題であるステージング型燃料ノズルのパイロットフレアヘの燃料の付着による燃焼効率の低下、煙の発生、希薄限界の悪化の問題について説明する。燃料ノズルを航空機用ジェットエンジンの燃焼器に用いる場合、エンジンの低負荷時にはパイロット燃料噴射部のみで燃料の噴射を行い、拡散燃焼を行う。パイロット燃料噴射部下流にはパイロット火炎の安定性のためにフレア(流路面積拡大部)を設けることが行われているが、そのフレア表面に噴霧されたパイロット燃料が付着してしまい、燃焼効率低下、煙の生成、希薄限界の悪化を招くという現象が起こる。本発明は噴霧されたパイロット燃料がフレア表面に付着してしまうことを防止するための構成を提示する。   Now, the problems of reduction in combustion efficiency, generation of smoke, and deterioration of the lean limit due to the fuel adhering to the pilot flare of the staging type fuel nozzle, which are the subject of the present invention, will be described. When a fuel nozzle is used in a combustor of an aircraft jet engine, fuel is injected only by a pilot fuel injection unit when the engine is under a low load, and diffusion combustion is performed. A flare (flow passage area enlargement part) is provided downstream of the pilot fuel injection part for the stability of the pilot flame, but the sprayed pilot fuel adheres to the flare surface, resulting in combustion efficiency. Phenomena occur that lead to lowering, generation of smoke, and deterioration of the lean limit. The present invention presents a configuration for preventing sprayed pilot fuel from adhering to the flare surface.

本発明の燃料ノズルは、薄膜化されたパイロット燃料を内側の第1の空気流と外側から第2の空気流とによって挟まれた形態で両側の旋回流によって微粒化して噴霧するパイロット燃料噴射部におけるインナ油膜形成体13の先端部で、図4に部分拡大して示すようにインナ油膜形成体13の先端部を環状に囲む気体流路2を、喉部4と、該喉部下流側のフレア5とで形成するのであるが、前記の喉部4とフレア5間が急激に流路面積の拡大する段差形態とする。それによってその段差の下流側に窪み領域6が形成されるようにする。第2の空気流路17を流れる空気流のうち外側壁面に近い空気流は喉部4まで該壁面に沿って滑らかに流れるが、段差部分で壁面から強制的に剥離させられる。その結果、窪み領域6において図に示すような渦流が発生し、該窪み領域6で再循環気流を形成させるものとなる。安定した再循環気流を生成することで噴霧されたパイロット燃料がフレア5の表面に付着することを大きく軽減することが出来る。
また、図に示した本発明の実施形態では、全圧の高い領域であるパイロット及びメインのスワーラの上流から空気をフレア裏面に導くと共に、メイン流路出口近くの内壁から噴出させる冷却用空気流路8を形成する形態を提示する。更に、この冷却用空気流路8から窪み領域6を連通させる流路9を設ける。冷却用空気流路8の気圧は窪み領域6の気圧より高いため自然に冷却用空気流路8から窪み領域6へ空気が流入されるが、この空気は前記の窪みの表面への煤等の付着や、急激な空気流量の減少があった場合等の窪みでの火炎生成の防止に有効である。
なお、ここに示した実施形態はパイロット燃料噴射部を環状に囲む気体流路はインナーウォールで形成され、その周りにメイン燃料噴射部を有するステージング型のものであるが、本発明の燃料ノズルは、必ずしもステージング型燃料ノズルに限定されない一般燃料ノズルにおいてもフレア面に燃料が付着しないという作用効果において有効である。
A fuel nozzle according to the present invention is a pilot fuel injection unit that atomizes and sprays a thinned pilot fuel by a swirling flow on both sides in a form sandwiched between a first air flow inside and a second air flow from the outside. 4, the gas flow path 2 surrounding the tip of the inner oil film forming body 13 in an annular shape as shown in a partially enlarged view in FIG. 4, the throat part 4, and the downstream side of the throat part. Although it is formed with the flare 5, it is set as the level | step difference form from which the said throat part 4 and the flare 5 expand the flow path area rapidly. Thereby, the recessed region 6 is formed on the downstream side of the step. Of the air flow flowing through the second air flow path 17, the air flow close to the outer wall surface flows smoothly along the wall surface up to the throat portion 4, but is forcibly separated from the wall surface at the step portion. As a result, a vortex flow as shown in the figure is generated in the depression region 6, and a recirculation airflow is formed in the depression region 6. By generating a stable recirculation airflow, the sprayed pilot fuel can be greatly reduced from adhering to the surface of the flare 5.
Further, in the embodiment of the present invention shown in the figure, the cooling air flow that guides air from the upstream side of the pilot and main swirler, which is a region having a high total pressure, to the back surface of the flare and ejects it from the inner wall near the main channel outlet. A form for forming the path 8 is presented. Further, a flow path 9 is provided for communicating the recessed area 6 from the cooling air flow path 8. Since the air pressure in the cooling air flow path 8 is higher than the air pressure in the recessed area 6, air naturally flows from the cooling air flow path 8 into the recessed area 6. This is effective for preventing the formation of a flame in a dent when there is adhesion or a sudden decrease in the air flow rate.
In the embodiment shown here, the gas flow passage surrounding the pilot fuel injection portion in an annular shape is a staging type having an inner wall and a main fuel injection portion around the gas flow passage. Even a general fuel nozzle that is not necessarily limited to a staging type fuel nozzle is effective in the effect that fuel does not adhere to the flare surface.

また、同軸のパイロット燃料噴射部、メイン燃料噴射部を持つ上記の実施形態の燃料ノズルでは、パイロットフレア後端とメイン流路の間に後方ステップ保炎器7を設ける構成が採用されていることにより、パイロット燃料噴射部の中心部に形成される再循環流に加えて、火炎の周囲でも保炎を行い、メイン噴射部を通過してきた空気と混合する前に燃焼させることで燃焼効率を向上することができると共に、メイン燃料噴射時にはメインの予混合気にパイロット火炎やパイロット火炎によって生成された高温の既燃ガスを確実に接触させることができる。また、圧力の高い位置(パイロット燃料噴射部及びメイン燃料噴射部のスワーラの上流)より空気を導き、パイロットのフレア5、後方ステップ保炎器7を裏面より冷却し、メイン流路出口近くの内側の壁からフィルム状に噴出する構造を設けたことにより、火炎に直接触れるパイロットフレアや保炎器を冷却し、焼損しないようにする重要な機能を果たすと共に、メイン燃料の流路の内側内壁へ付着した燃料の微粒化や空気との混合を促進するという作用効果をもつものである。   Further, in the fuel nozzle of the above embodiment having the coaxial pilot fuel injection part and the main fuel injection part, a configuration in which the rear step flame stabilizer 7 is provided between the pilot flare rear end and the main flow path is adopted. In addition to the recirculation flow formed in the center of the pilot fuel injection unit, flame holding is also performed around the flame, and combustion is improved by mixing before mixing with the air that has passed through the main injection unit In addition, when the main fuel is injected, the main premixed gas can be reliably brought into contact with the pilot flame or the high-temperature burned gas generated by the pilot flame. In addition, air is guided from a high pressure position (upstream of the swirler of the pilot fuel injection unit and the main fuel injection unit), the pilot flare 5 and the rear step flame stabilizer 7 are cooled from the back surface, and the inside near the outlet of the main flow path By providing a structure that blows out in the form of a film from the wall, the pilot flare and flame holder that come into direct contact with the flame are cooled and played an important function to prevent burning, and to the inner wall of the main fuel flow path It has the effect of promoting atomization of adhering fuel and mixing with air.

液体燃料を用いる連続燃焼を行うガスタービン燃焼器、ボイラー等に適用可能である。また、液体の微粒化と気体との混合を行う装置に適用可能である。   The present invention is applicable to gas turbine combustors, boilers, etc. that perform continuous combustion using liquid fuel. Further, the present invention can be applied to an apparatus that performs atomization of liquid and mixing with gas.

1 パイロット燃料噴射部 2 気体流路
4 喉部 5 フレア
6 窪み領域 7 後方ステップ保炎器
8 冷却用空気通路 9 連通流路
10 メイン燃料噴射部 11 パイロット燃料供給管
12 流路 13 インナ油膜形成体
14a 第1の旋回器 14b 第2の旋回器
15 第1の空気流路 16 スワーラ
17 第2の空気流路 18 スワーラ
21 メイン燃料供給管 22 噴射口
23 アウタ油膜形成体 24 第3の空気流路
25 スワーラ 26 第4の空気流路
27 スワーラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pilot fuel injection part 2 Gas flow path 4 Throat part 5 Flare 6 Indentation area 7 Back step flame stabilizer 8 Cooling air passage 9 Communication flow path
10 Main fuel injection section 11 Pilot fuel supply pipe
12 Channel 13 Inner oil film forming body
14a First swirler 14b Second swirler
15 First air flow path 16 Swirler
17 Second air flow path 18 Swirler
21 Main fuel supply pipe 22 Injection port
23 outer oil film former 24 third air flow path
25 Swirler 26 4th air flow path
27 Swirler

特開2001−1147018号公報 「低エミッション燃焼器」 平成13年5月29日公開JP 2001-1147018 "Low Emission Combustor" Released on May 29, 2001 特開2004−226051号公報 「燃料噴射装置」 平成16年8月12日公開JP, 2004-226051, A "Fuel injection device" Published on August 12, 2004

Claims (4)

燃料噴射部を環状に囲む気体流路は、燃料噴射位置近傍であって、スワーラ下流にある流路面積縮小部の下流側端部に形成された喉部と、該喉部下流側に喉部に続く流路面積拡大部(フレア)とで形成され、燃料噴射位置近傍において前記の喉部とフレア間が急激に流路面積の拡大する段部形態の窪み形状となって、該窪み領域で再循環気流を形成させることによりフレア壁面への燃料付着を防止する機能を備えたことを特徴とする液体用燃料ノズル。 The gas flow path that surrounds the fuel injection section in an annular shape is near the fuel injection position, the throat formed at the downstream end of the flow path area reduction section downstream of the swirler, and the throat downstream of the throat Is formed in a step-shaped recess shape in which the space between the throat and the flare abruptly increases in the vicinity of the fuel injection position. A liquid fuel nozzle having a function of preventing fuel from adhering to a flare wall surface by forming a recirculation airflow. フレア領域に外部から空気が導入される流路が設けられた請求項1に記載の燃料ノズル。   The fuel nozzle according to claim 1, wherein a channel through which air is introduced from the outside is provided in the flare region. 燃料噴射部を環状に囲む気体流路はインナーウォールで形成され、その周りにメイン燃料噴射部を有するステージング型である請求項1または2に記載された燃料ノズル。   3. The fuel nozzle according to claim 1, wherein the gas flow path surrounding the fuel injection portion in an annular shape is a staging type having an inner wall and a main fuel injection portion around the gas flow passage. 全圧の高い領域であるパイロット及びメインのスワーラの上流から空気をフレア裏面に導くと共に、メイン流路出口近くの内壁から噴出させる流路を形成し、該流路を流れる空気でフレアを冷却する機能を備えたことを特徴とする請求項3に記載の燃料ノズル。   Air is led from the upstream side of the pilot and main swirler, which is a region with high total pressure, to the back surface of the flare, and a flow path is formed to be ejected from the inner wall near the main flow path outlet. The fuel nozzle according to claim 3, comprising a function.
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