JPH0315630A - 車両用ガスタービンの燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は車両用ガスタービン用の燃料噴射ノズルに関す
る。

〔従来の技術〕

車両駆動用のガスタービンエンジンは、その運転条件が
、アイドリング時等の軽負荷運転から最大出力を発生す
る全負荷運転まで広範囲にわたり変動するため、燃焼室
へ噴射する燃料の量も負荷変動に応じて広い範囲で変動
する。そのため、単一の燃料噴射口を有する燃料噴射ノ
ズルでは燃料の全流量範囲にわたって燃料を良好な霧化
状態を保って噴射することが困難である。即ち、燃料噴
射口径を大流量側に合わせて太き《した場合軽負荷時で
、燃料流量が小さいときには噴射口での流速が下がるた
め燃料の霧化が確保できず、また、逆に小流量側に合わ
せて口径を小さくした場合大流量側で燃料噴射量が不足
してしまう。そのため、通常、車両用ガスタービンエン
ジンにおいては、特開昭６２−７０６２８号公報に記載
されているように、１つの本体に大小の口径の独立した
２つの噴射口を有する燃料噴射ノズルが使用されている
。この燃料噴射ノズルはエンジンのアイドリング時等の
軽負荷運転で燃料噴射量が少ないときには上記のうち小
口径の噴射口（第ｌ噴射口）のみから燃料を噴射し、あ
る程度エンジンに負荷がかかり、燃料噴射量が所定の値
を越えた場合にもう１つの大口径の噴射口（第２噴射口
）からも燃料を噴射し、上記第１噴射口からの燃料噴射
量と併せて所要の燃料噴射量を達或するように設計され
ており、上記の大小２つの噴射口を設けることにより軽
負荷時の燃料霧化を適正にすると共に高負荷時にも確実
に燃料の所要量を供給できるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように車両用ガスタービンエンジンの燃料噴射ノ
ズルの２つの噴射口のうち、第２噴射口はアイドリング
等の軽負荷時には燃料を噴射せず、負荷が上昇し、燃料
流量がある一定値を越えた場合に初めて燃料を噴射する
ようになっている。しかし、燃料噴射ノズルは燃焼器に
取着され運転中は常に輻射熱に曝されており、アイドリ
ング等の軽負荷運転が続いた場合、前記第２噴射口から
は燃料が噴射されないため、噴射口内に残留した燃料油
が高温になり炭化し、上記第２噴射口内に固着し、噴出
口の一部若しくは全部を閉塞する問題が生じている。

上記の閉塞の問題は特に低質油等の粘度の高い燃料を使
用した場合に発生し易く、噴射口が閉塞した場合、高負
荷運転時に燃料供給が不足するばかりでなく、燃料供給
が第１噴射口に集中するため第ｌ噴射口の燃料流量が増
大し、燃料噴射速度が過大になる傾向がある。そのため
燃料が液状のまま燃焼器壁に到達し、壁面に付着して燃
焼して燃焼器を損傷する、いわゆる燃料の片吹きによる
燃焼器の溶損が発生しやすくなる。

本発明は上記の点に鑑み、エンジンの軽負荷運転時に燃
料の良好な霧化状態を確保しつつ、前記第２噴射口の閉
塞を防止する燃料噴射装置を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達或するため、本発明によれば、アイドリン
グ運転等のエンジン軽負荷時に上記第２噴射口から空気
或いは燃料等の流体を噴出する燃料噴射ノズルが提供さ
れる。

すなわち、本発明の第１の実施例では、アイドリング運
転等の軽負荷時に第２噴射口から少量の燃料が連続的に
噴射される構造の燃料噴射ノズルが提供され、第２の実
施例ではアイドリング運転等の軽負荷時に第２噴射口か
らパルス状に燃料が間歇噴射される。また、本発明の第
３の実施例では、アイドリング運転等の軽負荷時には第
２噴射口からは燃料を噴射せず、その代わりに加圧空気
を噴射する燃料噴射装置が提供される。

〔作　用〕

上述のようにエンジン軽負荷時に第２燃料噴射口から空
気或いは燃料等を噴射するようにしたことにより噴射口
内に燃料が滞留することが防止され、燃料の炭化、固着
による噴射口の閉塞が生じない。

〔実施例〕

第１０図に車両用２軸ガスタービンエンジンの概略構成
を示す。本ガスタービンエンジンはコンブレッサタービ
ン４とパワータービン６とが独立して回転する２軸式で
あり熱効率改善のための熱交換器２を備えている。図に
おいて、空気入口から吸入された空気はコンブレッサ１
で圧縮され、熱交換器２で排気によって加熱されたのち
燃焼器３に入り、燃料噴射ノズル８から噴射される霧化
燃料と混合して燃焼する。高温高圧の燃焼ガスは、まず
コンブレッサタービン４を駆動してコンプレッサ１に動
力を与え、次に可変ノズル５を通った後パワータービン
６を駆動して動力を発生する。

ここで可変ノズル５はコンプレッサタービン４とパワー
タービン６との間の燃焼ガスエネルギーの配分を変える
ためのもので、負荷条件に即してそれぞれのタービンが
最適な運転状態を保つように自動的に調整される。排気
は前述のように熱交換器２で排熱を吸気に与えたのち、
排気出口から外部へ排出される。パワータービン６にお
いて発生した動力は減速機構により減速されて出力軸７
にとり出される。

以下に本発明の燃料噴射ノズルの実施例について説明す
る。第ｌ図は本発明の燃料噴射ノズルの第１の実施例の
構造を示しており、燃料噴射ノズル８は、燃焼器３の壁
９に取付けられる取付ケース１０、その中に挿入される
内側ケース１１、その下側にある第２の噴射口を有する
外側ノズルチツプ１２、その上に順に、第１の噴射口を
有する内側ノズルチップ１３、分岐チップｌ４、分配バ
ルブケース１５、チェックバルブケース１６を積み重ね
て、ユニオンナット１７で締付けることにより構或され
ている。そして分配バルブケース１５の中にあるスプリ
ング１８によって下方に付勢されたバルブ１９が、外側
ノズルチップ１２への燃料流路を一定の燃料圧力Ｐ１以
下において遮断するように挿入されており、他方、内側
ノズルチップ１３への分配バルブケース１５以下の燃料
流路には何らのバルブも設けられておらず常開となって
いるが、これらの燃料通路の共通の入口流路には、スプ
リング２０によって上方へ付勢されたチェックバルブ２
ｌと、フィルタケース２２に納められたフィルタ２３が
挿入されており、上端に螺着された燃料ノズルアダプタ
２４を介して加圧された液体燃料を供給されるようにな
っている。

燃焼は、燃焼器内筒２５の壁に設けられた空気孔２６か
ら、コンプレッサｌによって圧縮され熱交換器２によっ
て加熱された高温の圧縮空気が燃焼器内筒２５内で燃料
ノズル８から旋回しながら噴射された燃料噴霧２７と混
合し、図示されない点火装置によって点火されることに
よって、燃焼ゾーン２８において連続的に発生する。こ
の際、液体燃料は図示されない燃料ボンブによって加圧
され、燃料ホースを通じてノズルアダプタ２４から燃料
噴射ノズル８内に供給される。そしてフィルタ２３を通
過し、チェックバルブ２ｌを押し開いて流下し、常開の
内側ノズルチップ１３の第１噴射口から燃焼器内筒２５
内へ噴射される。ガスタービンエンジンが高出力を要求
されないときは、このように内側ノズルチップ１３の第
１噴射口のみから燃料が旋回を与えられて噴射されるが
、高出力の要求があると、運転者のアクセル操作等によ
り、それに応じて液体燃料の供給圧力が増大し、内側ノ
ズルチップ１３からの燃料噴射量が増大すると共に、そ
の圧力が一定の値Ｐ１を越えるとバルブ１９が開いて外
側ノズルチップ１２にも燃料が供給され、その第２噴射
口からも旋回を与えた燃料噴射が行なわれて燃焼量が増
加する。

第２図実線は燃料噴射ノズル８の流量特性を示したもの
で、Ｐは液体燃料の圧力、Ｇは流量（すなわち、噴射量
又は燃焼量）であって、圧力がＰ１以下の低負荷運転の
ときは流量がＧ＋以下であり、このとき内側ノズルチッ
プ１３の第１噴射口のみから燃料を噴射するが、圧力が
Ｐ１を越える高負荷運転では流量がＧ１以上となり、外
側ノズルチップ１２の第２噴射口から噴射される燃料も
噴？ｉ２７に加わって燃焼する。

上記外側ノズルチップ１２の第２噴射口からの燃料噴射
が開始される圧力Ｐ１は前記バルブ１９を付勢するスプ
リング１８により決められ、その時の流ＩＧ　ｌは内側
ノズルチップ１３の第１噴射口の口径により決められる
。ここで図のＧｔ　はアイドリング時に必要とされる燃
料噴射量を示している。又、図中破線で示したのは従来
の燃料噴射ノズルの流量特性である。

図からわかるように従来の燃料噴射ノズルはアイドリン
グ時には第２噴射口が開いておらずＧ２＞Ｇｔ　なる流
量で第２噴射口が開き始めるのに対し、本実施例におい
てはアイドリング時（Ｇ＝Ｇ．）にも第２噴射口から燃
料が噴射されるように第ｌ噴射口の口径が決められてい
る。また車両用２軸ガスタービンにおいてはＰ，は大体
１０〜３０ｋｇ／ｃＩＩ１の範囲に設定されている。

第１噴射口の口径を上記のように設定した結果車両のア
イドリング運転時においても第２噴射口からは少量の燃
料を噴射することができ常に外側ノズルチップ内を燃料
が流れ、流路内で燃料が炭化、固着することが防止され
る。

なお、運転中減速時には燃料噴射量がＧｌを下まわるこ
とがあり、この場合には第２噴射口からの燃料噴射は一
時的に休止するが２軸式ガスタービンエンジンでは、コ
ンブレッサターピンは大キなコンプレッサ負荷を担持し
ているため燃料噴射量が０１以下になった場合短時間で
回転数がアイドリング回転数まで降下する。そのため、
上記の噴射休止期間は数秒と短く、すぐに噴射が再開さ
れるため燃料炭化等の問題は生じない。更に、Ｇ１以下
では第２噴射口からの燃料噴射量はわずかであり、ほと
んどの燃料は従来より小口径に設定した第１噴射口から
噴射されるため流量が少ないアイドリング時でも噴射速
度が従来のものより大きくなり、良好な霧化を確保する
ことができる。

上記実施例では第２噴射口内に滞留した燃料が高温のた
めに炭化、固着して噴射口を閉塞することを防止するた
めにアイドリング時にも第２噴射口から少量の燃料を噴
射するようにしているが、エンジンの冷間始動時や暖機
運転中は第２噴射口内に燃料が滞留していても燃料噴射
ノズルが高温になっていないため燃料の炭化が生じるお
それはない。このような場合は、むしろ第２噴射口から
の燃料噴射を止め、第１噴射口から全燃料を噴射するよ
うにした方が燃料噴射速度を増大して燃料微粒化を促進
できるため、冷間時のエンジン始動性やエンジン低温時
の排気白煙や排気臭防止の上で好ましい。第３図から第
５図は上記の目的による第ｌの実施例の改良例を示して
いる。この改良例では、冷間始動時や暖機運転中で燃料
噴射ノズル温度が低い間は第２噴射ノズルからの燃料噴
射を止め、エンジン暖機が完了し排気ガスの白煙や異臭
が生じる心配がなくなった時点で第２噴射口からの燃料
噴射を開始する。暖機完了後の燃料噴射特性は第ｌの実
施例と同一である。第３図、第４図は本改良例の燃料噴
射ノズルの部分断面図であり、図示していない部分は第
１図と全く同じ構造である。第３図に示すように本改良
では燃料噴射ノズル内の第２噴射口への燃料供給路を開
閉するバルブ１９は第１図と同様なスプリング１８によ
り付勢されているだけでなく温度によって変形する感温
部材３０（本改良例ではバイメタルを使用した皿ばね）
により付勢されている。皿ばね３０はエンジンの暖機が
不充分で燃料噴射ノズルの温度が低い場合（本改良例で
はノズル温度約８０℃以下のとき）には第３図に示すよ
うに下側に凸の形状にな？ておりバルブ１９を押圧して
第２噴射口への燃料供給路を閉止している。このため燃
料はその全量が第１噴射口から供給され噴射速度が増大
し、霧化が促進される。しかし、エンジンの暖機が進み
、燃料噴射ノズルの温度が上昇して設定値（本改良例で
は約８０℃）を超えると第４図に示すように皿ばね３０
は反転し上側に凸の状態になりバルブ１９から離反する
ため、バルブ１９は第１の実施例と同様に燃料圧力とス
プリング１８の反力とにより開閉するようになる。従っ
て本改良例では第５図に示すように燃料噴射ノズルの特
性は冷間時と暖機完了後とで異なってくる。第５図の点
線はエンジンが低温時の噴射特性を、又実線は暖機完了
後の噴射特性を示す。暖機後の噴射特性は第２図に示し
たものと同一である。図中Ｇ目はアイドリング時の燃料
噴射量を、又Ｇ■はエンジン始動時の燃料噴射量を示す
。また、ｐｒｔ，　　ｐｒ＋′はｃ　ｒ　ｔの流量を噴
射するときのそれぞれ暖機後と低温時の燃料圧力、Ｐ　
ｆｓ＊　　Ｐ　ｆｓ′はＧ０の流量時の暖機後と低温時
の燃料圧力とを示す。図から明らかなように低？始動時
のエンジン始動時燃料圧力ｐ　，，／は暖機後の圧力Ｐ
ｆｓよりはるかに高く燃料の霧化が良好になりエンジン
始動特性が向上する。また、同様にアイドリング運転時
の燃料圧力Ｐ■′もｐｒ＋より高く、エンジン低温時の
排気臭を減少する効果がある。図中Ａ点はエンジン低温
時にバルブ１９が皿ばね３０とスプリング１８の付勢力
に打ち勝って開く点であり、このときの燃料圧力Ｐ２’
は第１噴射口からの噴射燃料が液状のまま燃焼器壁に到
達し、燃焼器を溶損することのない圧力に設定されてい
る。

次に第６図を参照して本発明の第２の実施例について説
明する。本発明では第１の実施例が第２噴射口からアイ
ドリング時にも少量の燃料を連続的に噴射していたのに
対し、燃料をパルス状に噴射することにより、小流量時
においても燃料噴射速度を上げて燃料の霧化を一層向上
させるようにしたものである。本実施例では第ｌ噴射口
４５と第２噴射口４６とはそれぞれ独立の燃料通路４３
と４４とを介して燃料を供給されている。更に燃料通路
４３と４５はそれぞれノズルアダプタ４１と４２とを介
して外部から独立に燃料を供給されている。第７図は燃
料噴射ノズルへの燃料供給系統を示す線図である。図に
おいて燃料タンク３ｌ内の燃料は燃料ポンプ３２により
加圧され、第１噴射口用燃料アクチ一エータ３３及び第
２噴射口用燃料アクチュエータ３４に供給される。燃料
アクチュエータ３３．３４はエンジン電子制御ユニッ｝
　３５　（ＥＣＵと称する〉　により制御され、それぞ
れノズルアダプタ４ｌと４２を介して燃料噴射ノズル８
の第ｌと第２の噴射口４５．４６からの燃料噴射を制御
している。このように第１と第２の噴射口からの燃料噴
射を個別に制御しているため、それぞれの噴射口からの
噴射特性を任意に設定することができる。本実施例にお
いては、燃１１ｉ１が低下してエンジンがアイドリング
等の軽負荷状態にあることをＩＥＣＩＩ　３５が検知す
ると燃料アクチュエータ３３．３４を制ｉ卸して、アイ
ドリング運転に必要な流量を第１と第２の噴射口に分配
する。各噴射口からの燃料噴射はパルス状に行なわれる
ため、全体の燃料流量が少ない場合でも噴射？での瞬間
流量は非常に大きくなり噴射速度が増大して燃料霧化が
向上する。第８図は燃料の各噴射口への分配の一例を示
し、第８Ａ図は第１噴射口からの噴射量の時間変化を、
第８Ｂ図は第２噴射口からの噴射量の時間変化を表わし
、第８Ｃ図は両噴射口からの噴射量合計、即ち燃焼室に
供給される燃料の量を表わしている。この例では第１噴
射口と第２噴射口とからパルス状に交互に燃料噴射を行
ない合計流量ＧＭを得ている。この時、第１噴射口から
は流量Ｇｉｌｌ　（ｇ／ｓｅｃ）噴射時間ｔ■（ｓｅｃ
）の噴射が行なわれ、第２噴射口からは流量Ｇｌ１２　
（ｇ／ｓｅｃ）、噴射時間ｔ　１１２　（ｓｅｃ）の噴
射が行なわれ、合計（平均）流量はＧ，ｌ＝　（Ｇ■×
ｔ　Ｍｌ　＋　ＧＩＩ２　Ｘ　ｔ　１１２）　／　（　
ｊ■＋ｔｍ２）で表わされる。従って噴射時間ｔｅｌと
ｔＮ２とを適当に選ぶことにより、ＧＮＩとＧ　Ｍ　２
とはそれぞれの噴射口からの噴射速度（燃料霧化）を良
好な状態に保つように設定できる。また、本実施例では
噴射量のそれぞれの噴射口への配分は自由に設定でき、
第８図以外にも第１噴射口からは連続噴射を行ない、第
？噴射口からのみパルス状に噴射するようにしても良く
、その逆に第２噴射口から連続噴射を行ない第１噴射口
からのみパルス状に噴射するようにしても良い。又、第
８図では両噴射口からの噴射はオーバーラップしていな
いが、両方の噴射開始時と終了時とがオーバーラップす
るようにしても良い。上述のようにパルス状に燃料噴射
を行なった場合、現実には合計流量は第８Ｃ図のように
一定値にはならず変動するが、噴射時間ｔ■’ｔＮ２と
を短かい時間に設定するようにすればエンジン回転数の
変動は発生しない。また、軽負荷時における負荷の変動
に対してはそれぞれの噴射口からの燃料噴射流ＩＧ■と
ＧＮ２、若しくは噴射時間ｔｌｌｌｌｔＮ２又はこの両
方を変えることにより燃料の全体流量を変化させて対応
することができる。

また、エンジン負荷が上昇して所定値を越えた場合には
両方のノズルから連続的に燃料噴射が行なわれるのは従
来と同様である。上述のように本実施例によれば第２噴
射口に燃料の流れを保持して燃料の炭化を防止しながら
一層の燃料霧化の向上を図ることができる。なお、本実
施例では、１つの燃料噴射ノズルに２つの噴射口を備え
ているが、それぞれの噴射口は独立した燃料噴射ノズル
に設けるようにすることも当然に可能である。

次に本発明の第３の実施例について説明する。

上記第ｌと第２の実施例ではアイドリング時に第２噴射
口を通じて燃料を噴射することにより噴射口内での燃料
炭化を防止していたが本実施例ではアイドリング時には
第２噴射口からの燃料噴射を停止し、第２噴射口から空
気を噴出する。従って第２噴射口内に滞留していた燃料
は空気流によりパージされ噴射口内には燃料が残留しな
い。またこれにより第１噴射口から全燃料を噴射するこ
とができるため軽負荷時の燃料霧化向上が図れる。

第９図は第３の実施例を示す燃料系統線図である。

本実施例においては第２の実施例と同様に第１と第２噴
射口とはそれぞれ独立した燃料系統を有しており、燃料
噴射ノズルの構造も第６図のものと同様であるが、第２
噴射口への燃料供給系統のノズルアダプタ４６の上流側
には加圧空気供給源５０からの空気配管が遮断弁５１を
介して接続されている。遮断弁５ｌはＥＣｊｌ　３５に
より開閉される。エンジン負荷が所定値以下になるとＥ
Ｃｔｌ　３５は第２噴射口用の燃料アクチュエータ３４
を停止して第２噴射口への燃料供給を停めると共に遮断
弁５１を開弁して加圧空気供給源５０からの加圧空気を
第２噴射口へ供給する。ノズルアダプタ４６上流側から
燃料通路に加圧空気を供給して第２噴射口から噴射する
ことによりノズルアダプタ４６下流の燃料通路内に残留
していた燃料は加圧空気により第２噴射口から噴出して
通路内がパージされるため燃料が通路内に残留せず炭化
が生じることはない。加圧空気はエンジン軽負荷時に連
続的に噴射するようにしても良く、遮断弁を開閉するこ
とにより間歇的に噴射しても良い。またエンジンの軽負
荷運転が長時間継続する場合には最初の一定時間だけ空
気噴射を行ない、パージが完了した後は空気噴射を停止
することも可能である。

〔発明の効果〕

本発明は上述のようにアイドリング等の軽負荷運転時に
第２噴射口から流体を噴射するようにしたことにより噴
射口内で燃料が炭化、固着して噴射口を閉塞することを
防止すると共に、アイドリング運転時の燃料の霧化を向
上させ、排気白煙や排気臭の発生を防止する効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料噴射ノズルの第１の実施例の
断面図、第２図は同上実施例の燃料噴射特性図、第３図
及び第４図は同上実施例の改良例を示す図、第５図は同
上改良例の燃料噴射特性図、第６図は本発明の第２の実
施例を表わす断面図、第７図は同上実施例の燃料系統図
、第８図は同上実施例の燃料噴射特性の１例を示す図、
第９図は本発明の第３の実施例を示す燃料系統図、第１
０図は車両用２軸ガスタービンの概略構或を示す線図で
ある。 ８・・・燃料噴射ノズル、 １２．４６・・・外側ノズルチップ（第２噴射口）、１
３　，４５・・・内側ノズルチップ（第１噴射口）、１
８・・・スフリンク、１９・・・バルブ、３０・・・バ
イメタル皿ばね、３ｌ・・・燃料タンク、３２・・・燃
料ボンブ、 ３３．３４・・・燃料アクチュエー夕、３５・・・エン
ジン電子制御ユニット、２４・４１・４２・・・ノズル
アダプタ、４３．４４・・・燃料通路、　　５０・・・
加圧空気源、５１・・・遮断弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、運転中常時燃料を噴射する小口径の第１噴射口と、
   燃料噴射量が所定値以上の場合に連続的に燃料を噴射す
   る大口径の第２噴射口とを持つ燃料噴射ノズルと、 エンジンのアイドリング等の軽負荷運転状態を検出する
   手段と、 前記軽負荷運転時に前記第２噴射口から流体を噴射する
   手段とを備えた車両用ガスタービンの燃料噴射装置。