JP6950876B2

JP6950876B2 - 液体燃料噴射体

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Publication number: JP6950876B2
Application number: JP2020541038A
Authority: JP
Inventors: 廣光　永兆; 永兆廣光
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2039-07-09
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Description

本開示は、液体燃料噴射体、特に、気流微粒化式の液体燃料噴射器において、径方向内側及び外側に配置された環状の通路からそれぞれ流出する微粒化用の旋回空気流の間に、液体燃料を環状の液膜として流出させるように構成された液体燃料噴射体に関する。

ガスタービンの燃焼器において液体燃料を燃焼させる場合、液体燃料の気化及び燃焼用空気との混合を促進するために、液体燃料を微粒化することが望ましい。液体燃料の微粒化は、燃焼反応の速度を高めることを通じて、ＮＯｘ（窒素酸化物）、並びに、未燃燃料及びＣＯ（一酸化炭素）の排出量低減にも寄与する。

液体燃料の微粒化方式の一つに、気流微粒化（エアーブラスト）方式がある。これは、液体燃料噴射体から膜状に噴射された液体燃料を、これと隣接して流れる空気流との速度差に起因する剪断力を利用して微粒化する方式である。

気流微粒化方式を採用した液体燃料噴射器として、特許文献１に開示されたものがある。この液体燃料噴射器（エアーブラスト型燃料ノズル）は、内管（１）と中管（２）の間に形成された燃料流路（５）から環状の液膜として噴射された液体燃料を、径方向に隣接して流れる内側空気（ａ１）及び外側空気（ａ２）のそれぞれとの間に作用する剪断力を利用して微粒化するように構成されている。そして、当該液体燃料噴射器においては、燃料流路（５）の下流側の端部に、半径方向に内管（１）と中管（２）との間のすき間を埋めるリブ（４ａ）を多数設けると共に、隣り合うリブ（４ａ）により区画される絞り溝（４）によって燃料流路（６）を形成している。これにより、内管（１）と中管（２）の偏心によって燃料流路（５）が周方向に不均一となることが防止され、周方向に均一な燃料液膜が形成される。

特開平８−２６１４１３号公報

ところで、気流微粒化式の液体燃料噴射器において、微粒化性能を向上させる、すなわち微粒化された燃料液滴の粒径をより小さくするためには、液体燃料噴射体から噴射される液体燃料の膜厚を可及的に小さくすることが求められる。

しかるに、特許文献１に開示された液体燃料噴射器においては、燃料流路（６）を形成する絞り溝（４）が、半径方向において内管（１）と中管（２）との間の全域に亘って開口しているため、そこを通過して噴射される液体燃料の膜厚は、半径方向における内管（１）と中管（２）との間隔と同程度のものになると推測される。すなわち、特許文献１に開示された液体燃料噴射器においては、噴射される液体燃料の膜厚を可及的に小さくするという観点からは、改善の余地が残されている。

本開示は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、噴射される液体燃料の膜厚をより小さくすることができる液体燃料噴射体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の液体燃料噴射体は、軸方向に延びる環状の燃料通路を内部に備え、前記燃料通路は、径方向外側の燃料通路外壁と、径方向内側の燃料通路内壁と、によって画定されていると共に、その下流端より上流側の部位には、周方向に離散的に配置された複数の絞り通路が設けられており、前記絞り通路は、円筒面として形成された径方向外側の絞り通路外壁と、径方向内側の絞り通路内壁と、前記絞り通路外壁及び前記絞り通路内壁の周方向における端部同士をそれぞれ接続する２つの絞り通路側壁と、によって画定されており、前記絞り通路外壁と前記燃料通路外壁とは面一とされている一方、前記絞り通路内壁と前記燃料通路内壁とは面一とされておらず、前記燃料通路外壁のうち、少なくとも前記絞り通路より下流側の部位には、液体燃料による濡れ性を向上させる構造が設けられている。

本開示の液体燃料噴射体によれば、噴射される液体燃料の膜厚を小さくすることができ、当該液体燃料噴射体を組み込んだ気流微粒化式の液体燃料噴射器においては、微粒化された燃料液滴の粒径をより小さくすることができるという優れた効果を得ることができる。

本開示の実施形態の液体燃料噴射体が組み込まれた気流微粒化式液体燃料噴射器の概略全体断面図である。本開示の実施形態の液体燃料噴射体の詳細説明図であり、図１におけるＸ部の拡大図を示している。本開示の実施形態の液体燃料噴射体の詳細説明図であり、図２ＡにおけるＳＢ断面図を示している。本開示の実施形態の液体燃料噴射体の詳細説明図であり、図２ＢにおけるＶＣ矢視図を示している。本開示の実施形態の液体燃料噴射体の第１変形例を示す概略説明図であり、その第１実施例を示している。本開示の実施形態の液体燃料噴射体の第１変形例を示す概略説明図であり、その第２実施例を示している。本開示の実施形態の液体燃料噴射体の第２変形例を示す概略説明図であり、その第１実施例を示している。本開示の実施形態の液体燃料噴射体の第２変形例を示す概略説明図であり、図４ＡにおけるＶＢ矢視図を示している。本開示の実施形態の液体燃料噴射体の第２変形例を示す概略説明図であり、その第２実施例を示している。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本開示の実施形態の液体燃料噴射体１２０が組み込まれた気流微粒化式液体燃料噴射器１００の概略全体断面図である。

液体燃料噴射器１００は、中心軸Ｃを有する円筒状のセンターボディ１１０と、センターボディ１１０の径方向外側に同心配置された環状のシュラウド１３０と、センターボディ１１０とシュラウド１３０の間にこれらと同心配置された環状の液体燃料噴射体１２０と、を備えている。

液体燃料噴射体１２０は、いずれも環状の内側壁１２２及び外側壁１２４から成っており、これら２つの壁の間には、軸方向（中心軸Ｃと平行な方向）に延びる環状の液体燃料通路ＰＦが形成されている。すなわち、内側壁１２２の外面は、液体燃料通路ＰＦの内壁（燃料通路内壁）ＰＦＩを形成し、外側壁１２４の内面は、液体燃料通路ＰＦの外壁（燃料通路外壁）ＰＦＥを形成している。

また、液体燃料通路ＰＦの軸方向における途中の部位（下流端（図において右端）から所定の距離だけ上流側（図において左側）へ遡った部位）には、後に詳述するオリフィス壁１２６が配置されている。

センターボディ１１０と液体燃料噴射体１２０（の内側壁１２２）の間、液体燃料噴射体１２０（の外側壁１２４）とシュラウド１３０の間には、それぞれ環状の内側空気通路ＰＡｉ、外側空気通路ＰＡｅが形成されている。そして、内側空気通路ＰＡｉ、外側空気通路ＰＡｅには、それぞれ複数の内側旋回翼１１５、外側旋回翼１２５が、周方向に等間隔で配置されている。

空気は、内側空気通路ＰＡｉ及び外側空気通路ＰＡｅに、図１においてそれぞれ矢印ＦＡｉ及びＦＡｅで示すように流入し、それぞれ内側旋回翼１１５及び外側旋回翼１２５を通過する際に旋回を付与され、周方向速度成分を有する旋回流として燃焼室ＣＣ内へ流出する。

一方、液体燃料は、液体燃料噴射体１２０の上流側から環状の液体燃料通路ＰＦに流入し、オリフィス壁１２６に形成された複数のオリフィス１２６ｏ（後に詳述）を通過した後、液体燃料噴射体１２０の下流端から、図１において矢印ＦＦで示すように、環状の液膜として燃焼室ＣＣ内へ噴射される。このとき、噴射された液体燃料には、上述したように周方向速度成分を有する状態で内側空気通路ＰＡｉ及び外側空気通路ＰＡｅのそれぞれから流出する空気流との速度差に起因する剪断力が作用し、これにより液体燃料が微粒化される。

図２Ａ〜図２Ｃは、液体燃料通路ＰＦに配置されたオリフィス壁１２６の詳細を示す説明図であり、図２Ａは図１におけるＸ部の拡大図、図２Ｂは図２ＡにおけるＳＢ断面図、図２Ｃは図２ＢにおけるＶＣ矢視図（すなわち、オリフィス壁１２６を径方向外側から見た図）である。なお、図２Ａ及び図２Ｂにおいては、以下での説明対象ではないセンターボディ１１０について、その図示を省略している。

オリフィス壁１２６は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、液体燃料噴射体１２０の外側壁１２４の内径（燃料通路外壁ＰＦＥの内径）と同一の外径、及び、液体燃料噴射体１２０の内側壁１２２の外径（燃料通路内壁ＰＦＩの外径）と同一の内径を有するリング状の部材である。すなわち、オリフィス壁１２６は、後述するオリフィス１２６ｏが設けられていない周方向の部位においては、燃料通路内壁ＰＦＩ及び燃料通路外壁ＰＦＥのそれぞれとの間に径方向の隙間を生ずることなく、液体燃料通路ＰＦに嵌め込まれている。
オリフィス壁１２６には、図２Ｂに示すように、複数（図示した実施例においては８個）のオリフィス１２６ｏが周方向に離散的に等間隔で設けられている。

各オリフィス１２６ｏは、オリフィス壁１２６の外周を径方向内側へ向けて切り欠くことにより形成されており、その結果、各オリフィス１２６ｏによって形成される絞り通路ＰＦｏの径方向外側は、液体燃料噴射体１２０の外側壁１２４の内面（燃料通路外壁ＰＦＥ）によって境界付けられることになる。ここで、絞り通路ＰＦｏの径方向外側の壁（絞り通路外壁）ＰＦｏＥを便宜的に独立した壁と見なした場合、当該絞り通路外壁ＰＦｏＥと燃料通路外壁ＰＦＥとは連続した面である、すなわち両壁は面一（つらいち）とされていると表現することができる。

一方、絞り通路ＰＦｏの径方向内側の壁（絞り通路内壁）ＰＦｏＩは、オリフィス壁１２６の外周から径方向内側へ向けて形成された切り欠きの底壁であり、燃料通路内壁ＰＦＩと連続した面とはされていない、すなわち両壁は面一とはされていない。なお、絞り通路内壁ＰＦｏＩは、中心軸Ｃを中心とする円筒面の一部として形成してもよいし、径方向に垂直な平面として形成してもよいし、それ以外の形状を有する面として形成してもよい。

また、絞り通路ＰＦｏは、絞り通路内壁ＰＦｏＩ及び絞り通路外壁ＰＦｏＥの周方向における端部同士をそれぞれ接続する２つの絞り通路側壁ＰＦｏＳによって、周方向の両側を境界付けられている。これら２つの絞り通路側壁ＰＦｏＳは、図２Ｃに示すように、絞り通路ＰＦｏの通路中心線ＰＦｏＣが、軸方向Ｚ（中心軸Ｃと平行な方向）に対して傾斜している、すなわち軸方向Ｚと角度θ（０°＜θ＜９０°）を成すように構成されている。なお、このように構成される限りにおいて、２つの絞り通路側壁ＰＦｏＳの形状は任意であって、例えば通路中心線ＰＦｏＣを含む平面に平行な２つの平面として形成することができる。

オリフィス１２６ｏが以上のように構成されていることにより、各オリフィス１２６ｏから流出した液体燃料の噴流Ｆは、図２Ａに示すように、その径方向外面が液体燃料噴射体１２０の外側壁１２４の内面（燃料通路外壁ＰＦＥ）と接触した状態で、液体燃料通路ＰＦ内を流れ下る。一方、液体燃料の噴流Ｆの径方向内面は、液体燃料噴射体１２０の内側壁１２２の外面（燃料通路内壁ＰＦＩ）とは接触しておらず、結果的に、径方向において液体燃料の噴流Ｆが存在する領域は、液体燃料通路ＰＦの外側に限定される。

また、図２Ｃに示すように、絞り通路ＰＦｏの通路中心線ＰＦｏＣが軸方向Ｚに対して傾斜していることにより、液体燃料の噴流Ｆは、旋回を付与された状態で各オリフィス１２６ｏから流出する。このように旋回を付与された流れには遠心力が作用するため、各オリフィス１２６ｏから流出した液体燃料の噴流Ｆは、径方向外向きに燃料通路外壁ＰＦＥに対して押し付けられ、当該壁との接触を維持しつつ周方向に拡散しながら流れ下る。その結果、隣り合うオリフィス１２６ｏから流出した液体燃料の噴流Ｆ同士が合体し、最終的には、全体として周方向に連続した１つの環状の液膜を形成することになる。

そして、このようにして形成された液膜は、上述したように、径方向において液体燃料の噴流Ｆが存在する領域が液体燃料通路ＰＦの外側に限定されていることにより、その厚さが小さなものとなる。

以上のように、本開示の実施形態の液体燃料噴射体１２０においては、噴射される液体燃料の膜厚を小さくすることができる。これにより、当該液体燃料噴射体１２０を組み込んだ液体燃料噴射器１００においては、微粒化された燃料液滴の粒径をより小さくすることができる。

なお、以上においては、オリフィス壁１２６が、内側壁１２２及び外側壁１２４のそれぞれと独立した部材であるとして説明したが、オリフィス壁１２６は、内側壁１２２及び外側壁１２４のうち一方と一体に形成されていてもよいし、オリフィス壁１２６と内側壁１２２及び外側壁１２４とを全体として一体に形成してもよい。

ところで、各オリフィス１２６ｏから流出する液体燃料の噴流Ｆは、当初はそれぞれ独立しているが、液体燃料通路ＰＦ内を流れ下るにつれて上述したように徐々に周方向に拡散し、隣り合う噴流Ｆ同士が合体する結果、最終的に、全体として周方向に連続した１つの環状の液膜が形成される。このとき、最終的に形成される環状の液膜の厚さが周方向において均一であればあるほど、微粒化された燃料液滴の粒径を微小化することができるが、そのためには、それぞれの液体燃料の噴流Ｆの周方向への拡散を促進することが求められる。また、液体燃料の噴流Ｆの周方向への拡散が促進されれば、周方向において厚さが均一な環状の液膜が迅速に形成され得ることになる。これは、オリフィス１２６ｏの出口から液体燃料通路ＰＦの下流端までの距離を短くし得ることを意味しており、重量軽減が厳しく求められる航空機用ガスタービンエンジンへの適用においては、特に有利となり得る。

液体燃料の噴流Ｆは、オリフィス１２６ｏを流出した当初から燃料通路外壁ＰＦＥと接触しているので、その周方向への拡散を促進するためには、当該燃料通路外壁ＰＦＥを、液体燃料によって濡れ易いものとすることが有効である。

そこで、本開示の実施形態の液体燃料噴射体１２０には、オリフィス１２６ｏより下流側における燃料通路外壁ＰＦＥに、液体燃料による濡れ性を向上させる構造を併せて設けることが好ましい。

以下においては、液体燃料による濡れ性を向上させる構造を併設した本開示の実施形態の液体燃料噴射体の変形例について説明する。

図３Ａ〜図３Ｂは、本開示の実施形態の液体燃料噴射体の第１変形例を示す概略説明図であり、図３Ａはその第１実施例を、図３Ｂはその第２実施例を、それぞれ示している。なお、両図は、図２Ａに相当する図であるが、簡略化のため、その上半分のみを示している。

第１変形例においては、図３Ａに示すように、オリフィス壁１２６より下流側における燃料通路外壁ＰＦＥに、他の領域と比較して表面粗さの大きな領域Ａｒを設けている。すなわち、燃料通路外壁ＰＦＥの他の領域の表面が比較的滑らかに形成されているのに対して、領域Ａｒの表面はこれより粗く形成されている。

粗く形成された面は、無数の微細な突起を有する面と見なすことができるが、これらの突起は、面に沿って広がる液体に対して大きな接触角をもって接触するため、面が濡れるきっかけを提供する。したがって、粗く形成された面は、濡れのきっかけとなる部位を無数に有していることから、液体による濡れ性が高いということになる。

領域Ａｒの表面粗さは、例えばＲａ０．５以上（Ｒａ：算術平均粗さ）とすることが好ましい。

このように、オリフィス壁１２６より下流側における燃料通路外壁ＰＦＥに、表面粗さの大きな領域Ａｒを設けることにより、オリフィス１２６ｏから流出した液体燃料の噴流Ｆの周方向への拡散が促進され、最終的に形成される環状の液膜の厚さを周方向においてより均一にすることができる。

なお、以上においては、表面粗さの大きな領域Ａｒを、オリフィス壁１２６より下流側における燃料通路外壁ＰＦＥにのみ設けた例について説明したが、図３Ｂに示すように、当該領域を、オリフィス１２６ｏ内の絞り通路ＰＦｏの径方向外側の壁（絞り通路外壁）ＰＦｏＥまで上流側へ拡大することが、より好ましい。

図４Ａ〜図４Ｃは、本開示の実施形態の液体燃料噴射体の第２変形例を示す概略説明図であり、図４Ａはその第１実施例を、図４Ｃはその第２実施例を、図４Ｂは図４ＡにおけるＶＢ矢視図（すなわち、溝ＧＶを径方向外側から見た図）を、それぞれ示している。なお、図４Ａ及び図４Ｃは、図２Ａに相当する図であるが、簡略化のため、その上半分のみを示している。

第２変形例の第１実施例においては図４Ａに示すように、オリフィス１２６ｏより下流側における燃料通路外壁ＰＦＥに、螺旋状の溝ＧＶを設けている。

溝ＧＶは、オリフィス壁１２６より下流側における燃料通路外壁ＰＦＥの内面から径方向外側へ切り込まれた断面略三角形の凹部として設けられている。

溝ＧＶは、下流側へ進むにつれて、液体燃料の噴流Ｆと同一の方向に旋回する螺旋を形成するように設けられている。すなわち、図４Ｂに示すように、溝ＧＶを径方向外側から見た場合、当該溝ＧＶは、軸方向Ｚを基準として、液体燃料の噴流Ｆの方向（すなわち、オリフィス１２６ｏによって形成される絞り通路ＰＦｏの通路中心線ＰＦｏＣの方向）と同一の側（図では左側）に傾斜している。さらに、軸方向Ｚに対する溝ＧＶの傾斜角度αは、図４Ｂに示すように、軸方向Ｚに対する絞り通路ＰＦｏの通路中心線ＰＦｏＣの傾斜角度θより大きい（すなわち、α＞θ）ことが好ましい。

このように、オリフィス１２６ｏより下流側における燃料通路外壁ＰＦＥに、螺旋状の溝ＧＶが設けられていることにより、オリフィス１２６ｏから流出した液体燃料の噴流Ｆは、溝ＧＶに沿って周方向の両側へ効率的に拡散するので、最終的に形成される環状の液膜の厚さを周方向においてより均一にすることができる。

なお、第１実施例においては、燃料通路外壁ＰＦＥの内面から径方向外側へ切り込まれた溝ＧＶを設けているが、これに代えて、図４Ｃに示す第２実施例のように、燃料通路外壁ＰＦＥの内面から径方向内側へ突出する断面略三角形の螺旋状の突出部ＰＴを設けてもよい。

具体的には、突出部ＰＴは、燃料通路外壁ＰＦＥの内面に、例えば適宜の材料を肉盛溶射することによって形成することができる。このように、螺旋状の突出部ＰＴを設けた場合にも、螺旋の進行方向に隣り合う突出部ＰＴの間に形成される空間によって、上述した螺旋状の溝ＧＶの場合と同様の作用を得ることができる。すなわち、オリフィス１２６ｏから流出した液体燃料の噴流Ｆは、隣り合う突出部ＰＴの間に形成される空間に沿って周方向の両側へ効率的に拡散するので、最終的に形成される環状の液膜の厚さを周方向においてより均一にすることができる。

なお、以上においては、螺旋状の溝ＧＶまたは螺旋状の突出部ＰＴを、オリフィス壁１２６より下流側における燃料通路外壁ＰＦＥにのみ設けた例について説明したが、これらの構造を、オリフィス１２６ｏ内の絞り通路ＰＦｏの径方向外側の壁（絞り通路外壁）ＰＦｏＥまで上流側へ拡大することが、より好ましい（図示省略）。

（本開示の態様）
本開示の第１の態様の液体燃料噴射体は、軸方向に延びる環状の燃料通路を内部に備え、前記燃料通路は、径方向外側の燃料通路外壁と、径方向内側の燃料通路内壁と、によって画定されていると共に、その下流端より上流側の部位には、周方向に離散的に配置された複数の絞り通路が設けられており、前記絞り通路は、円筒面として形成された径方向外側の絞り通路外壁と、径方向内側の絞り通路内壁と、前記絞り通路外壁及び前記絞り通路内壁の周方向における端部同士をそれぞれ接続する２つの絞り通路側壁と、によって画定されており、前記絞り通路外壁と前記燃料通路外壁とは面一とされている一方、前記絞り通路内壁と前記燃料通路内壁とは面一とされておらず、前記燃料通路外壁のうち、少なくとも前記絞り通路より下流側の部位には、液体燃料による濡れ性を向上させる構造が設けられている。

本開示の第２の態様の液体燃料噴射体においては、前記液体燃料による濡れ性を向上させる構造は、前記絞り通路外壁の少なくとも一部にも設けられている。

本開示の第３の態様の液体燃料噴射体においては、前記濡れ性を向上させる構造は、前記燃料通路外壁に設けられた表面粗さの大きな領域である。

本開示の第４の態様の液体燃料噴射体においては、前記濡れ性を向上させる構造は、前記燃料通路外壁に設けられた螺旋状の溝または螺旋状の突出部である。

１２０液体燃料噴射体
ＰＦ燃料通路
ＰＦＥ燃料通路外壁
ＰＦＩ燃料通路内壁
ＰＦｏ絞り通路
ＰＦｏＥ絞り通路外壁
ＰＦｏＩ絞り通路内壁
ＰＦｏＳ絞り通路側壁
Ａｒ表面粗さの大きな領域（液体燃料による濡れ性を向上させる構造）
ＧＶ螺旋状の溝（液体燃料による濡れ性を向上させる構造）
ＰＴ螺旋状の突出部（液体燃料による濡れ性を向上させる構造）

Claims

軸方向に延びる環状の燃料通路を内部に備える液体燃料噴射体であって、
前記燃料通路は、径方向外側の燃料通路外壁と、径方向内側の燃料通路内壁と、によって画定されていると共に、その下流端より上流側の部位には、周方向に離散的に配置された複数の絞り通路が設けられており、
前記絞り通路は、円筒面として形成された径方向外側の絞り通路外壁と、径方向内側の絞り通路内壁と、前記絞り通路外壁及び前記絞り通路内壁の周方向における端部同士をそれぞれ接続する２つの絞り通路側壁と、によって画定されており、
前記絞り通路外壁と前記燃料通路外壁とは面一とされている一方、前記絞り通路内壁と前記燃料通路内壁とは面一とされておらず、
前記燃料通路外壁のうち、少なくとも前記絞り通路より下流側の部位には、液体燃料による濡れ性を向上させる構造が設けられている、液体燃料噴射体。
前記液体燃料による濡れ性を向上させる構造は、前記絞り通路外壁の少なくとも一部にも設けられている、請求項１に記載の液体燃料噴射体。
前記濡れ性を向上させる構造は、前記燃料通路外壁に設けられた表面粗さの大きな領域である、請求項１または２に記載の液体燃料噴射体。
前記濡れ性を向上させる構造は、前記燃料通路外壁に設けられた螺旋状の溝または螺旋状の突出部である、請求項１または２に記載の液体燃料噴射体。