JPH0252771B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンエンジンの燃料ノズル、
特に排出汚染を減少するように改良されたデユア
ルオリフイス型燃料ノズルに係る。

大気汚染防止のためのエコロジー的考察及び政
府規制に基づいて、抗空機エンジンからの排出汚
染を減少するための努力がなされている。

現在改良に努められている主な対象の１つはエ
ンジン燃焼器及びその燃料ノズルである。

本発明の目的は、航空気のガスタービンエンジ
ンからの排出汚染を減少することである。特に、
本願発明者は、既存の燃料ノズルの改良により排
出汚染の顕著な減少が可能であることを見出し
た。この改良は燃料及び空気が燃焼領域へ噴射す
る時の渦巻運動の方向を同一にすることである。

本発明の基本的な特徴はガスタービンエンジン
の燃焼器に対して一次及び二次燃料供給オリフイ
スを有する形式の燃料ノズルに於て、燃料及び空
気に同一方向の渦巻運動をさせるための手段を設
けることである。

本発明の好ましい特徴は、燃料及び空気に同一
方向の渦巻運動をさせると共に、燃焼器内の燃焼
領域に対して相対的にノズルの内側に正圧を生じ
させるように空気入口と燃料／空気出口との面積
比の値を選定することである。

燃焼器内の燃焼領域に噴射する燃料及び空気の
渦巻を同一方向に生じさせることにより炭化水
素、NOx及び一酸化炭素の排出量が減少する。

本発明は水噴射手段を備えた燃料ノズルに適用
して特に有利であることも見出されている。周知
のように、エンジンの推力はバーナー部分に水を
加えることにより増大され得る。ある種のエンジ
ンの燃料ノズルでは、一次及び二次燃料がいずれ
も同軸関係にある円錐状噴射パターンでバーナー
内に噴射される。このようなノズルはたとえば、
本発明の譲受人であるユナイテツド・テクノロジ
ーズ・コーポレイシヨンのプラツト・アンド・ホ
イツトニー航空機グループにより製造されている
JT−9Dエンジンに採用されており、その詳細を
参照によりここに組み入れたものとする。この構
造では、水は燃料噴射の上流側で取入れられ、バ
ーナー渦巻発生手段を経てバーナー部分に噴射さ
れる以前に燃料ノズル熱遮蔽要素を通過する。こ
の構造の問題点は、バーナー性能の著しい悪化が
認められることである。また、この形式の水噴射
システムは高い煙濃度を生じ、タービン入口に過
熱点を生じ、またタービン入口温度の放射状プロ
フイルに過大な変形を生ずる。

急速かつ完全な混合が行なわれ得るように燃料
及び空気を接線成分をもつてバーナー内に噴射さ
せることは公知である。水は燃料と混合する個所
の上流側で取入れられるので、水は空気流により
運ばれ、同一の回転方向をとる。従つて、燃料ノ
ズルは燃料及び空気に渦巻運動をさせるように設
計された渦巻発生スロツト及びベーンを含んでい
る。さらに、燃料ノズルはバーナー燃焼領域内の
燃料及び空気のパターンがノズルの頂部からバー
ナーの下流側に広がる円錐の形態をとるように設
計されている。

従来のノズル構造では、空気の渦巻運動の方向
と反対の方向の渦巻運動を燃料にさせるのが通常
であつた。

本発明によれば、燃料及び空気／水混合物がい
ずれも同一方向に渦巻運動をするように従来の渦
巻運動の方向関係を変更することにより、外側円
錐（空気／水混合物）が内側円錐（燃料スプレ
ー）に衝突するという従来の反対方向渦巻パター
ンの場合に生じた傾向が回避され、燃焼領域周縁
の均一性が改善され、従つてタービン内に局部的
な高熱スポツトの生起が防止される。空気流内の
水は燃料パターンと衝突せず、個別の流れに固ま
り合う傾向を生じない。実際の試験により、これ
までに公知の水噴射システムと比較して、水噴射
モードでの運転中の煙排出を顕著に減少し得るこ
とが示された。

他の特徴及び利点は特許請求の範囲及び以下の
図面による実施例の説明から明らかになろう。

本発明の特に好ましい実施例として、一次及び
二次燃料システムを含む圧力噴霧燃料ノズルへの
応用について説明する。この形式の燃料ノズルの
詳細については、本発明の譲受人であるユナイテ
ツド・テクノロジーズ・コーポレイシヨンのプラ
ツト・アンド・ホイツトニー航空機グループによ
り製造されているJT−8D及びJT−9Dエンジン
に採用されている燃料ノズルを参照されたい。本
発明は燃料ノズルのみに係るものであり、燃料ノ
ズルから燃料を供給されるエンジン及びその燃焼
器の詳細についての説明は本明細書では省略す
る。ここでは、上記のエンジンが圧力噴霧一次ノ
ズル及び圧力噴霧または空気噴霧二次ノズルを有
するデユアルオリフイス燃料ノズルを用いてお
り、一次ノズルからの燃料噴射はエンジンの低推
力及び高推力運転を通じて行なわれ、他方二次ノ
ズルからの燃料噴射はエンジンの高推力運転中に
限つて行なわれることに言及しておけば充分であ
る。

第１図に示されているように、ノズルはほぼ円
錐状の一次ノズル１４の中に形成された一次燃料
供給オリフイス１２と、一次ノズル１４とそれか
ら間隔をおいた円錐状の二次ノズル２０との間に
郭定される環状通路１８と連通する二次燃料供給
オリフイス１６とを含んでいる。渦巻発生環２２
及び渦巻発生プラグ２４は燃料にその燃焼領域へ
の噴射以前に接線速度を与える役割をし、図示さ
れているような流れパターンを生ずる。

圧縮機からの空気の一部分は渦巻発生スロツト
２８を通じてノズルナツト２６の内部に取入れら
れ、同様に、空気が流れパターンにより示されて
いるように燃焼領域に進むにつれて、空気に接線
速度を与える。

空気は渦巻発生ベーン３２により与えられた接
線速度で渦巻発生カツプ３０を通じて燃料の周り
にも導かれる。スプリツタ３４が図示のように設
けられていてよい。

当業者に明らかなように、渦巻運動の方向及び
接線成分は渦巻発生ベーン及びスロツトにより指
定されている。本発明によれば、燃料領域に噴射
する空気及び燃料は同一方向に回転する。渦巻発
生プラグ２４及び渦巻発生環２２も渦巻発生スロ
ツト２８及び渦巻発生ベーン３２も共通方向に渦
巻運動を生じさせる。

オリフイス１６の上流側の二次燃料ノズル２０
の内部の圧力は、一次燃料のみが流れる時のその
下流側の圧力よりも高い。ノズルナツト２６の内
向きリツプ３６と燃料ノズル熱遮蔽要素５０との
間に郭定される環状吐出オリフイス領域の面積が
オリフイス３６の面積とほぼ等しい時に、排出汚
染の減少に関して良好な結果が得られることが見
出された。

適当な圧力レベルを保証するため、当初のノズ
ルナツトの渦巻発生スロツト２８の個数が0.206
平方インチ（1.33cm²）の面積に対して８個から16
個に増された。

従来のノズルに対してこれらの変形を加えたエ
ンジンの実際の試験運転により、一酸化炭素、炭
化水素及びNOx排出量の顕著な減少が示された。

第２図に示されている燃料ノズルは基本的には
第１図の燃料ノズルとほぼ同一である。第１図及
び第２図中の互いに相当する部分には同一の参照
数字が付されている。第２図の燃料ノズルが第１
図の燃料ノズルと異なる点は、オリフイス３６′
が燃料ノズル熱遮蔽要素５０に対して相対的に大
きな面積を有することと、渦巻発生手段の上流側
に取入れ口４０として示されているように空気流
の中に水を取入れるための手段が設けられてお
り、水が空気流により運ばれノズルナツト２６及
びカツプ３０を通じて空気流と一緒に渦巻運動を
することである。

第２図に示されているように、燃料の渦巻運動
の方向と水／空気混合物の渦巻運動の方向とは同
一である。このことは、燃焼器に生ずる温度プロ
フイルを変形させるような局部的な流れに水滴が
固まり合うのを防止するのに有効である。実際の
試験により、バーナーの性能が改善され水噴射モ
ードでの運転中にエンジンからの煙排出が減ぜら
れることが見出された。

本発明が以上に図示し説明してきた特定の実施
例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で
種々の変形が可能であることは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を一部断面で示
す拡大詳細図である。第２図は本発明の第２の実
施例を一部断面で示す拡大詳細図である。 １２……一次燃料供給オリフイス、１４……一
次ノズル、１６……二次燃料供給オリフイス、１
８……通路、２０……二次ノズル、２２……渦巻
発生環、２４……渦巻発生プラグ、２６……ノズ
ルナツト、２８……渦巻発生スロツト、３０……
渦巻発生カツプ、３２……渦巻発生ベーン、３４
……スプリツタ、３６……内向きリツプ、４０…
…水取入れ口、５０……燃料ノズル熱遮蔽要素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機を有するガスタービンエンジンの燃焼
   器に用いられる燃料ノズルであつて、ほぼ円錐状
   のケーシングを有し、その中心に一時燃料通路が
   配置され、また一次燃料通路に対して同心に二次
   燃料通路が形成されており、また一次及び二次燃
   料通路から前記燃焼器内に噴射された燃料の周り
   に前記圧縮機から吐出される空気に渦巻成分を生
   じさせるための空気渦巻発生手段を有しており、
   前記一次燃料通路からの燃料噴射はエンジンの低
   推力及び高推力運転を通じて連続的に行なわれ、
   他方前記二次燃料通路からの燃料噴射はエンジン
   の低推力運転中は行なわれず高推力運転中に限つ
   て行なわれ、前記一次燃料通路にはそれから噴射
   する燃料に渦巻運動をさせるための第一燃料渦巻
   発生手段が、また前記二次燃料通路にはそれから
   噴射する燃料に渦巻運動をさせるための第二燃料
   渦巻発生手段が設けられているデユアルオリフイ
   ス型燃料ノズルに於て、前記第一燃料渦巻発生手
   段、前記第二燃料渦巻発生手段及び前記空気渦巻
   発生手段が燃料及び空気に共通方向の渦巻運動を
   させることを特徴とするデユアルオリフイス型燃
   料ノズル。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のデユアルオリフ
   イス型燃料ノズルに於て、前記圧縮機からの吐出
   空気により前記一次燃料通路のみからの燃料噴射
   の際に前記二次燃料通路を加圧するための手段を
   含んでおり、それにより前記二次燃料通路は前記
   一次燃料通路からの燃料が前記二次燃料通路内に
   移動してその壁にすすを付着させるのを防止し得
   るように正圧に保たれることを特徴とするデユア
   ルオリフイス型燃料ノズル。 ３ 特許請求の範囲第２項記載のデユアルオリフ
   イス型燃料ノズルに於て、前記空気渦巻発生手段
   が、前記円錐状ケーシングの端部に取付けられ前
   記一次燃料通路の軸線に対して同心の中央開口を
   有するノズルナツトと、頂部で前記円錐状ケーシ
   ングの頂部にまた底部で前記円錐状ケーシングの
   底部に取付けられたドーム状の熱遮蔽要素と、前
   記ノズルナツトから内方に延びて前記一次燃料通
   路の軸線に対して同心で前記ドーム状熱遮蔽要素
   の頂部から軸線方向に間隔をおいた中央開口を郭
   定する還状壁手段とを含んでおり、前記壁手段の
   中央開口の大きさ及び前記間隔は、前記ノズルナ
   ツトの底部に形成された通路により渦巻運動をし
   て前記中央開口を通つて吐出する圧縮機吐出空気
   により前記一次燃料通路のみからの燃料噴射の際
   に前記二次燃料通路が加圧されるように選定され
   ていることを特徴とするデユアルオリフイス型燃
   料ノズル。 ４ 特許請求の範囲第２項記載のデユアルオリフ
   イス型燃料ノズルに於て、前記二次燃料通路と前
   記一次燃料通路との間に同心に配置された第一環
   状通路と、前記二次燃料通路の周りに同心に取付
   けられた第二環状通路と、前記圧縮機からの吐出
   空気を前記一次及び二次燃料通路から噴射される
   燃料と混合するため前記第一及び第二環状通路内
   に導くための手段と、前記第一及び第二環状通路
   からの吐出空気が前記一次及び二次燃料通路から
   の噴射燃料の周りで渦巻運動をするように前記第
   一及び第二環状通路内を流れる空気に渦巻成分を
   生じさせるための手段とを含んでおり、前記第一
   及び第二環状通路は前記一次燃料通路のみからの
   燃料噴射の際に前記二次燃料通路が加圧されるよ
   うに選定されていることを特徴とするデユアルオ
   リフイス型燃料ノズル。 ５ 特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれ
   かに記載のデユアルオリフイス型燃料ノズルに於
   て、前記空気渦巻発生手段の直前に水を噴射する
   ための手段が設けられていることを特徴とするデ
   ユアルオリフイス型燃料ノズル。 ６ 特許請求の範囲第５項記載のデユアルオリフ
   イス型燃料ノズルに於て、前記一次及び二次燃料
   通路からの噴射燃料の渦巻運動と同一方向の渦巻
   運動を空気及び水にさせるための渦巻発生スロツ
   トが前記ノズルナツトに設けられていることを特
   徴とするデユアルオリフイス型燃料ノズル。 ７ 特許請求の範囲第６項記載のデユアルオリフ
   イス型燃料ノズルに於て、前記一次及び二次燃料
   通路からの噴射燃料の渦巻運動と同一方向の渦巻
   運動を空気及び水にさせるため前記ノズルナツト
   に対して同心に配置された空気渦巻発生ベーンを
   有する渦巻発生カツプが前記ノズルナツトの周り
   に設けられていることを特徴とするデユアルオリ
   フイス型燃料ノズル。