JP6351071B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器に用いられる、燃料噴射弁を備えた燃料噴射装置に関する。

近年、環境への配慮からガスタービンから排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）などの有害物質を低減することが求められている。従来の航空機用ガスタービン燃焼器の燃料噴射弁の方式として、拡散燃焼方式が知られている。この拡散燃焼方式では、燃焼反応が量論比で行われるため、火炎温度が高くなる。ＮＯｘの排出量は火炎温度に対して指数的に増加する性質をもつため、火炎温度を下げることがＮＯｘの排出量を抑えるための効果的な対策となる。しかし、ガスタービンの高温高圧化が進む現状では、従来の拡散燃焼方式によってＮＯｘの排出量を抑えることには限界がある。

火炎温度を抑えるためには、希薄燃焼方式の燃料噴射弁が有効であるとされている。希薄燃焼とは、空気に対する燃料の割合を少なくして燃焼させる方法である。この希薄燃焼方式を用いることで、従来の拡散燃焼方式よりも大きく火炎温度を下げることができる。一方で、希薄燃焼方式では火炎温度が低いため、不安定で不完全な燃焼になる傾向がある。そこで、内側にパイロット燃料噴射弁を、外側にメイン燃料噴射弁を同心状に配置したコンセントリック型の燃料噴射装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このコンセントリック型の燃料噴射装置は、低出力時にはパイロット燃料噴射弁による拡散燃焼方式を用いることにより安定な燃焼を保ちつつ、高出力ではパイロット燃料噴射弁での拡散燃焼に加えてメイン燃料噴射弁で希薄燃焼を行い、低ＮＯｘを実現する。

特開２０１２−２５１７４１号公報

しかし、コンセントリック型燃料噴射装置は、高出力時にはメイン燃料噴射弁とパイロット燃料噴射弁の両方を動作させるが、低出力時にはパイロット燃料噴射弁のみを動作させ、メイン燃料噴射弁は動作させない。このため、メイン燃料噴射弁を動作させない低出力時には、メイン燃料噴射弁の燃料管内の燃料は流通しない。そのため、低出力時には、メイン燃料噴射弁の周囲を流れる高温空気の熱によってメイン燃料噴射弁の燃料管内に残留した燃料のコーキングが発生する場合がある。

メイン燃料噴射弁の燃料管内に残留した燃料のコーキングを防止するために、メイン燃料噴射弁を遮熱用のケーシングで覆うことが考えられる。ただし、その場合にも、メイン燃料噴射弁が停止した時に、メイン燃料噴射弁の噴射孔から漏出した燃料が、遮熱ケーシング内でコーキングを起こす可能性がある。その場合、炭化した燃料によって固着された状態となった比較的低温の噴射弁と高温にさらされる遮熱ケーシングとの間に、熱伸び差に起因する応力が発生する可能性がある。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、メイン燃料噴射弁内のコーキングを効果的に防止できる燃料噴射装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料噴射装置は、ガスタービンの燃焼器に用いられる燃料噴射装置であって、当該燃料噴射装置の軸心上に配置されたパイロット燃料噴射弁と、前記パイロット燃料噴射弁と同心状に配置されて、このパイロット燃料噴射弁の外周を取り囲む環状のメイン燃料噴射弁と、前記メイン燃料噴射弁から噴射された燃料と混合するための空気を径方向に導入するメイン空気通路を形成する通路壁であって、前記メイン燃料噴射弁からの燃料を前記メイン空気通路へ導入する開口を有する通路壁と、前記メイン燃料噴射弁に、周方向に離間して配置されて軸心方向後方に燃料を噴射する複数のメイン燃料噴射孔と、前記メイン燃料噴射孔の周囲から軸心方向後方に、前記開口に臨むように突設されて、燃料を前記メイン空気通路に案内するメイン燃料噴射ノズルと、少なくとも一部が前記通路壁から軸心方向に離間して配置され、前記メイン燃料噴射弁を覆い、前記メイン燃料噴射ノズルを貫通させる貫通孔を有する遮熱ケーシングと、前記通路壁と前記遮熱ケーシングとの間の軸心方向隙間に介装されたリング体であって、前記メイン燃料噴射ノズルと前記貫通孔の内周面との間の貫通孔隙間を覆い、かつ前記開口に連通して前記軸心方向隙間内の空気を燃料パージ用の空気として前記メイン空気通路内へ導入するパージ通路を有するリング体とを備えている。

この構成によれば、メイン燃料噴射孔から円筒状のノズルを突設することにより、メイン燃料噴射弁の停止時に燃料噴射孔からの燃料が遮熱ケーシング内でコーキングすることが防止される。また、リング体がメイン燃料噴射ノズルの外周面を覆うことにより、メイン燃料噴射ノズルが高温の空気から遮熱される。さらに、高温の空気が遮熱ケーシング内に流入することが防止されるとともに、燃料パージ用の空気としてメイン空気通路内に導入されるので、遮熱ケーシング内への燃料の侵入が防止される結果、遮熱ケーシング内でのコーキングも効果的に防止できる。

本発明の一実施形態において、前記リング体は前記メイン燃料噴射ノズルに遊嵌されていることが好ましい。この構成によれば、燃料噴射ノズルの熱伸びの影響を受けることなく、より確実にコーキングの発生が防止される。

本発明の一実施形態において、前記リング体は、前記貫通孔隙間を覆う基部と、この基部の後面に形成された放射状の複数のスロットを有するスロット部とからなり、前記スロットが前記パージ通路を形成していることが好ましい。この構成によれば、スロットの寸法や数を調整することにより、燃料パージ用として空気通路内に導入される空気量を簡単に規制することができる。

本発明の一実施形態において、前記リング体の高さ寸法が、前記軸心方向隙間の寸法に一致していることが好ましい。この構成によれば、一層確実にメイン燃料噴射ノズルを遮熱し、かつ、高温の空気をメイン空気通路内に導入することができる。

本発明の燃料噴射装置によれば、メイン燃料噴射弁におけるコーキングの発生が効果的に防止されるので、燃料噴射装置の信頼性が大幅に向上する。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置を示す断面図である。 図１の燃料噴射装置の要部を示す断面図である。 図１の燃料噴射装置に使用されるリング体２７を示す斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置１を示している。この燃料噴射装置１は、ガスタービンエンジンの燃焼器に用いられて、ガスタービンエンジンの圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して燃焼器の燃焼室Ｅにおいて燃焼させ、その燃焼により発生する高温・高圧の燃焼ガスをタービンに送ってタービンを駆動するためのものである。本実施形態に係る燃料噴射装置１は、図示しないエンジン回転軸心と同心状に、等間隔に複数配設されている。なお、以下の説明において、燃料噴射装置１の軸心Ｃ方向における燃焼室Ｅ側を後側と呼び、その反対側を前側と呼ぶ。また、燃料噴射装置１の軸心Ｃに平行な方向を、単に「軸心方向」と呼ぶ。

燃料噴射装置１は、燃料噴射装置１の回転軸心Ｃ上に配置されたパイロット燃料噴射弁３と、パイロット燃料噴射弁３の外周を取り囲むようにパイロット燃料噴射弁３の軸心Ｃと同心状に設けられたメイン燃料噴射弁５とを備えている。パイロット燃料噴射弁３から噴射された燃料は、主としてパイロット部スワーラＳＷ１を通過してきた空気と混合されて燃焼器の燃焼室Ｅへ供給される。一方、メイン燃料噴射弁５から噴射された希薄燃焼用の燃料は、メインアウタスワーラＳＷ２から第１メイン空気通路７へ径方向に導入された空気と混合された後、さらに、メインインナスワーラＳＷ３から第２メイン空気通路９へ軸心方向に導入された空気と混合されて、希薄混合気として燃焼室Ｅへ供給される。

なお、本実施形態の燃料噴射装置１において、空気を径方向に導入するスワーラを軸心方向に導入するスワーラよりも径方向外側に配置して、第１メイン空気通路７を空気が径方向外側から内側へ流れるように設定しているが、空気を径方向に導入するスワーラを軸心方向に導入するスワーラよりも径方向内側に配置して、第１メイン空気通路７を空気が径方向内側から外側へ流れるように設定してもよい。

各燃料噴射装置１は、燃料配管ユニットを形成するステム部１１により燃焼器のハウジング（図示せず）に支持されている。燃料配管ユニットは、パイロット燃料噴射弁３に供給される燃料を導入する第１燃料導入系統Ｆ１と、メイン燃料噴射弁５に供給される希薄燃焼のための燃料を導入する第２燃料導入系統Ｆ２とを備えている。

図２に、燃料噴射装置１のメイン燃料噴射弁５の構造を詳細に示す。メイン燃料噴射弁５は、環状のメイン燃料流路形成体１３を備えており、メイン燃料流路形成体１３の内方空間が、メイン燃料の燃料通路１５を形成している。メイン燃料流路形成体１３の後端面には、軸心方向の貫通孔が周方向に離間して複数形成されている。これら貫通孔が、燃料を軸心方向後方に噴射するメイン燃料噴射孔１７として機能する。各メイン燃料噴射孔１７の周囲には、円筒状のメイン燃料噴射ノズル１９が軸心方向に突設されている。

図２に示すように、燃料噴射装置１には、さらに、メイン燃料噴射弁５を覆う遮熱ケーシング２１が設けられている。遮熱ケーシング２１は、メイン燃料噴射弁５に対する外部の高温空気の熱の伝達を遮るとともに、メイン燃料噴射弁５をステム部１１（図１）に対して支持する。

遮熱ケーシング２１は、中空の環状体として形成されており、その内壁面がメイン燃料噴射弁５から離間するように配置されている。遮熱ケーシング２１の後壁部２１ａの前記メイン燃料噴射ノズル１９に対応する各部分には、メイン燃料噴射ノズル１９を貫通させる複数の軸心方向の貫通孔２３が周方向に等間隔に設けられている。貫通孔２３の孔径は、メイン燃料噴射ノズル１９の外径よりも大きく設定されており、メイン燃料噴射ノズル１９と貫通孔２３の内周面との間には、環状の貫通孔隙間Ｇ１が形成されている。この環状の貫通孔隙間Ｇ１は、燃料通路１５を流れる燃料によって冷却されるメイン燃料流路形成体１３と外部の高温部品によって熱せられる遮熱ケーシング２１との間の熱膨張差を吸収できる大きさに設定されている。また、遮熱ケーシング２１は、その一部または全部が、第１メイン空気通路７を形成する前方の通路壁２５から軸心方向に離間して配置されている。すなわち、遮熱ケーシング２１と第１メイン空気通路７を形成する通路壁２５との間には、軸心方向の隙間Ｇ２が形成されている。

第１メイン空気通路７を形成する通路壁２５と遮熱ケーシング２１の後壁部２１ａとの間の軸心方向隙間Ｇ２には、リング体２７が介装されている。リング体２７は、メイン燃料噴射ノズル１９の外周面に遊嵌された環状部材であり、メイン燃料噴射ノズル１９と遮熱ケーシング２１の貫通孔２３の内周面との間の貫通孔隙間Ｇ１を覆っている。また、第１メイン空気通路７を形成する通路壁２５には、メイン燃料噴射弁５からの燃料を第１メイン空気通路７へ導入する開口２９が形成されており、メイン燃料噴射ノズル１９は、開口２９に臨むように突設されている。リング体２７は、通路壁２５の開口２９に連通して、軸心方向隙間Ｇ２内の空気を第１メイン空気通路７内へ導入するパージ通路３１を有している。

図３にリング体２７の構造を示す。リング体２７は、径方向中心部に、軸心方向の貫通孔である中心孔３３を有する円盤状の基部２７ａと、この基部２７ａの後面に形成された放射状に延びる複数のスロット３７を有するスロット部２７ｂとからなる。より詳細には、本実施形態に係るリング体２７のスロット部２７ｂは、リング体２７の内周縁部（つまり中心孔３３の外縁部）に形成された環状溝３５と、この環状溝３５からリング体２７の外周縁まで径方向に放射状に延びる複数（図示の例では４つ）の溝、すなわちスロット３７を有している。これら複数のスロット３７は、リング体２７の周方向に等間隔に配設されている。リング体２７の中心孔３３の孔径は、リング体２７がメイン燃料噴射ノズル１９に対して摺動可能な程度に、メイン燃料噴射ノズル１９の外径よりもわずかに大きく設定されている。

このような構造のリング体２７を、図２に示すように、基部２７ａが前方を向き、スロット部２７ｂが後方を向くようにメイン燃料噴射ノズル１９に遊嵌させることにより、メイン燃料噴射ノズル１９と遮熱ケーシング２１の貫通孔２３の内周面との間の貫通孔隙間Ｇ１が、後方（つまり軸心方向隙間Ｇ２側）からリング体２７によって覆われる。換言すれば、環状の貫通孔隙間Ｇ１の後方の開口が、リング体２７によって塞がれる。また、メイン燃料噴射ノズル１９の外周面がリング体２７によって覆われる。高温の空気に曝される遮熱ケーシング２１と、燃料で冷却される燃料流路形成体１３とで、半径方向の熱膨張差が発生するが、リング体２７がメイン燃料噴射ノズル１９と共に隙間Ｇ２内をスライドすることにより追従するので、常に貫通孔隙間Ｇ１の後方の開口がリング体２７によって覆われる。さらに、軸心方向隙間Ｇ２から流入して開口２９を通って第１メイン空気通路７へ流入する空気は、リング体２７のスロット３７を通過した空気のみとなる。

リング体２７の高さ寸法（リング体２７のスロット３７が形成されていない部分における軸心方向寸法）は、軸心方向隙間Ｇ２の寸法に一致していることが好ましい。これにより、確実にメイン燃料噴射ノズル１９を遮熱し、かつ、高温の空気をメイン空気通路７内に導入することができる。

一方、リング体２７のスロット部２７ｂの環状溝３５およびスロット３７は、前記パージ通路３１を形成している。このように、パージ通路３１としてリング体２７にスロット３７を形成することにより、スロット３７の寸法や数を調整することで、簡単に燃料パージ用として空気通路７内に導入される空気量を、必要に応じた適切な量に規制することができる。すなわち、リング体２７に形成するスロット３７の数は、図示の例に限らず、例えば５，６，８，１２等、適宜設定してよい。また、各スロット３７の寸法は、例えば幅０．５ｍｍ×長さ１ｍｍ×深さ０．５ｍｍとすることができるが、これに限らず適宜設定してよい。さらに、スロット３７の断面形状は、図示した矩形に凹む形状に限らず、例えば、Ｖ字形状や半円形状等であってもよい。スロット３７の延設方向は、リング体２７の径方向に限らず、径方向に対して傾斜していていもよい。

なお、リング体２７のスロット部２７ｂにおいて、環状溝３５を省略して各スロット３７をリング体２７の外周縁から内周縁まで延びるように形成してもよいが、環状溝３５を設けることにより、燃料パージ用の空気が、メイン燃料噴射ノズルの周方向に均一な空気流として空気通路７に導入される。また、リング体２７をメイン燃料噴射ノズル１９の外周面に固定的に嵌合させてもよいが、本実施形態のようにリング体２７をメイン燃料噴射ノズル１９に遊嵌させることにより、メイン燃料噴射ノズル１９の熱伸びによる変形の影響を受けることなく、空気が遮熱ケーシング２１内へ流入することを確実に防止できる。また、本実施形態では、メイン燃料噴射ノズル１９が円筒状であり、メイン燃料噴射ノズル１９と遮熱ケーシング２１の貫通孔２３の内周面との間の貫通孔隙間Ｇ１が環状である例を示したが、貫通孔隙間Ｇ１はリング体２７によって覆われる形状および大きさであればよく、メイン燃料噴射ノズル１９および貫通孔隙間Ｇ１の形状は本実施形態の例に限定されない。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料噴射装置１によれば、メイン燃料噴射孔１７から円筒状のメイン燃料噴射ノズル１９を突設することにより、メイン燃料噴射弁５の停止時にメイン燃料噴射孔１７からの燃料が遮熱ケーシング２１内でコーキングすることが防止される。さらに、リング体２７によって、高温の空気が遮熱ケーシング２１内に流入することが防止されるとともに、燃料パージ用の空気として第１メイン空気通路７内に導入されるので、メイン燃料噴射ノズル１９内でのコーキングも効果的に防止できる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ 燃料噴射装置
３ パイロット燃料噴射弁
５ メイン燃料噴射弁
７ 第１メイン空気通路（メイン空気通路）
１７ メイン燃料噴射孔
１９ メイン燃料噴射ノズル
２１ 遮熱ケーシング
２５ 通路壁
２７ リング体
３１ パージ通路
３７ スロット
Ｇ１ 貫通孔隙間
Ｇ２ 軸心方向隙間

Claims (4)

1. ガスタービンの燃焼器に用いられる燃料噴射装置であって、
   当該燃料噴射装置の軸心上に配置されたパイロット燃料噴射弁と、
   前記パイロット燃料噴射弁と同心状に配置されて、このパイロット燃料噴射弁の外周を取り囲む環状のメイン燃料噴射弁と、
   前記メイン燃料噴射弁から噴射された燃料と混合するための空気を径方向に導入するメイン空気通路を形成する通路壁であって、前記メイン燃料噴射弁からの燃料を前記メイン空気通路へ導入する開口を有する通路壁と、
   前記メイン燃料噴射弁に、周方向に離間して配置されて軸心方向後方に燃料を噴射する複数のメイン燃料噴射孔と、
   前記メイン燃料噴射孔の周囲から軸心方向後方に、前記開口に臨むように突設されて、燃料を前記メイン空気通路に案内するメイン燃料噴射ノズルと、
   少なくとも一部が前記通路壁から軸心方向に離間して配置され、前記メイン燃料噴射弁を覆い、前記メイン燃料噴射ノズルを貫通させる貫通孔を有する遮熱ケーシングと、
   前記通路壁と前記遮熱ケーシングとの間の軸心方向隙間に介装されたリング体であって、前記メイン燃料噴射ノズルと前記貫通孔の内周面との間の貫通孔隙間を覆い、かつ前記開口に連通して前記軸心方向隙間内の空気を燃料パージ用の空気として前記メイン空気通路内へ導入するパージ通路を有するリング体と、
   を備える燃料噴射装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、前記リング体は、前記メイン燃料噴射ノズルに遊嵌されている燃料噴射装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料噴射装置において、前記リング体は、前記貫通孔隙間を覆う基部と、この基部の後面に形成された放射状の複数のスロットを有するスロット部とからなり、前記スロットが前記パージ通路を形成している燃料噴射装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置において、前記リング体の高さ寸法が、前記軸心方向隙間の寸法に一致している燃料噴射装置。

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