JPH08502581A - 燃料を冷却冷媒として用いる噴射器の先端冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 過去のシステムでは、使用した冷却空気を、燃焼ゾーンに直接排出することによって燃料噴射ノズルの燃焼器端部或いは先端を冷却するようにしてきたが、これは一般的にＮＯ_xとＣＯエミッションにおいて燃焼工程に不利益な影響を及ぼすことになる。燃焼器端部（１３２）或いは先端（１３０）を冷却するためのシステム、或いは構造は、循環装置（１６６）を用いている。この循環装置（１６６）は、先端（１３０）内に配置された環状溝（１４０）を有しており、この溝（１４０）を通って燃料が循環し、直接的には、先端（１３０）からの熱を吸収し、間接的には、燃焼ゾーンにおいて発生した燃焼ガスからの熱を吸収する。先端（１３０）を吸収した後に、燃料は、混合チャンバ（１２２）に排出される。燃料と燃焼空気の混合物が燃焼ゾーンに導かれて、これにより、燃料の噴射を燃焼ゾーンに直接行わないことになる。燃料は入口開口（１５４）内に入り込み、この入口開口（１５４）と互いに１８０度離れて配置された出口開口（１５４）から排出される。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料を冷却冷媒として用いる噴射器の先端冷却構造 技術分野 本発明は、一般的にタービンエンジンに関する。より詳細には、本発明は、燃 料噴射ノズルの先端を冷却するための独特な構造的配置に関する。背景技術 ガスタービンエンジンにおいて化石燃料を用いることによって、燃焼ガス温度 が高くなり、華氏３０００度を越えることになる。燃料噴射ノズルの先端が冷却 されなければ、この高温ガスのために、燃料噴射ノズルの先端が過熱することに なる。先端の過熱のために、熱浸食、炭化、酸化、ひび割れ、座屈等によって先 端は作動しなくなる。このために燃料噴射器の設計寿命を長くするように、燃料 噴射ノズルの先端を冷却しなければならない。 ノズルの先端を冷却し、このような部品の寿命を延ばすために多くの試みがな されてきた。米国特許第４、６００、１５１号では、空気を用いてノズルの先端 を冷却しようとしたノズルの一つの例を開示する。噴射組立体は、互いに離れた 関係で一方が他方の内側に配置された複数のスリーブ手段を含んでいる。例えば 、混合を行うために、外側から圧縮吐出空気を受取り、燃料スプレーコーン、又 は水、或いは補助燃料に送るようになっている、内側空気受取りチャンバと外側 空気受取りチャンバが開示されている。空気の流れが、直接燃焼ゾーンに排出さ れて、そのゾーンの内部では、空気と燃料との混合と燃焼が起きる。 ノズルを冷却する他の試みが米国特許第４、４８３、１３７号に開示されてい る。この冷却システムは、中央空気通路と、補助的な旋回羽根と半径方向に延び る旋回羽根によって送られる２重の空気の流れを含んでいる。各空気の流れは、 燃焼ゾーンに送られ、その内部では、空気と燃料との混合と、燃焼が行われる。 過去の冷却の試みの多くでは、使用した冷却空気を燃焼室に排出させ、燃焼過 程に不利益な影響を及ぼしている。本明細書に記載する本発明において、燃料が 冷却冷媒として用いられ、その後、燃料は入ってくる燃焼空気と混合される。次 いで、予混合された燃料と燃焼空気が燃焼ゾーンに噴射される。燃料を直接燃焼 ゾーンに噴射しないことによって、ＮＯ_x、ＣＯ及び粒子エミッションの生成が 最低になる。発明の開示 本発明の一態様において、燃料噴射ノズルは、燃料通路を内部に有するハウジ ングを含んでいる。燃料噴射器は、ハウジングに取りつけられた先端を備えてい る。先端は、燃焼器端部を有している。燃料循環手段は、燃料噴射ノズル内に配 置されている。燃料循環手段は、燃料通路と連通しており、燃焼端部から熱を受 け取る関係にある。燃料循環手段は、入口開口及びと出口開口と連通している。 入口開口は、出口開口から所定の距離だけ離れて配置されている。図面の簡単な説明 図１は、本発明の一実施例を有するガスタービンエンジンの部分的に断面とな った側図である。 図２は、図１の燃料噴射ノズルの拡大断面図である。 図３は、燃料噴射ノズル先端の図２の線３−３に沿った拡大断面図である。 図４は、燃料噴射ノズル先端の図３の線４−４に沿った拡大断面図である。発明を実施するのに最良の形態 図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０は、軸線方向に、まっすぐ延び る環状燃焼器１４を内部に有する燃焼器セクション１２を含んでいる。軸線方向 に、まっすぐに延びた環状燃焼器１４の代わりとして、燃焼器セクション１２は 、側部に取りつけられた燃焼器、或いは複数の缶タイプの燃焼器のようないかな る種類の燃焼器をも本発明の原理を変更することなく含むことができる。ガスタ ービンエンジン１０は、中心軸線１６と、この中心軸線１６のまわりに同軸に配 置された外側ハウジング１８を有している。ハウジング１８は、軸線１６を中心 とする圧縮器セクション２０と、軸線１６を中心とするタービンセクション２２ のまわりに配置されている。燃焼器セクション１２は、圧縮器セクション２０と タービンセクション２２との間に作動的に配置されている。複数のねじ孔２６を まわりに有する開口が、圧縮器セクション２０とタービンセクション２２との間 のハウジング１８内に配置されている。燃料噴射ノズル２８は、従来どおり、開 口２４内に配置されており、ねじ孔２６に係合する複数のボルト３０によってハ ウ ジング１８に取りつけられている。このため、燃料噴射ノズル２８は、ガスター ビンエンジン１０に取り外し可能に取り付けられている。 タービンセクション２２は、図示していない出力軸が取りつけられた動力ター ビン３２を含んでおり、発電機のような装備品を駆動する。タービンセクション ２２の他の部分は、圧縮器セクション２０に対して駆動関係をもって接続された ガス発生タービン３４を含んでいる。本実施例において、圧縮器セクション２０ は、軸線方向の段付き圧縮機３６を含んでいる。エンジン１０が作動すると、圧 縮器３６によって圧縮空気の流れが燃焼と冷却のために用いられる。或いは、圧 縮器セクション２０は、遠心圧縮機、或いは圧縮空気を発生させるための他のソ ースを含むことができる。 図１において示すように、燃焼器セクション１２は、入口開口４０と出口開口 ４２とを内部に備えた複数の部品からなる燃焼器ハウジング３８を含んでいる。 燃焼器ハウジング３８は、従来の方法でエンジン１０内において支持される。 図２に最も良く示されているように、燃料噴射ノズル２８は、ハウジング１８ 内において開口２４内に配置された円筒形外側シェル６２を有する支持部分６０ を含んでいる。入口端部６６で、ガス燃料、或いは液体燃料の供給と連通する燃 料チューブ６４がシェル６２内に配置されている。燃料チューブ６４の出口端部 ７０は、ハウジング７２と連通している。ハウジング７２は、ほぼ円筒形状であ り、第一端部８０と第二端部８２を有している。第二端部８２に近接して、スワ ラ８８を内部に有する空気通路８６が、ハウジングを通って軸線方向に延びてお り、各第一端部８０と第二端部８２のそれぞれから出ている。 拡張された端部９６を有する燃料通路９４は、第一端部８０から第二端部８２ に向かって軸線方向に延びており、第一端部８０と第二端部８２との間に配置さ れた燃料チューブ６４の出口端部７０と連通している。ハウジング７２の第一端 部８０は、所定の長さと深さを有する環状のみぞ部分９８を内部に有する。第一 端部８０と第二端部８２の間に配置されたハウジング７２にぴったりと取りつけ られた円筒形カバー１００が、第一端部８０に近接するハウジング７２のまわり に半径方向に配置されている。一連の孔、即ち燃料出口１０２が円筒形カバー１ ００内に半径方向に配置されており、環状のみぞ部分９８と整列する。複数のス ポーク１０６が対応する複数の孔１０２のそれぞれの中にぴったりと配置されて いる。複数のスポーク１０６のそれぞれは、ほぼ円筒形状、内側通路１０８、閉 じた端部１１０と開いた端部１１２とを備えている。複数の開口１１４が、閉じ た端部１１０と開いた端部１１２との間に軸線方向に配置されている。スワラ１ １６は、円筒形カバー１００のまわりを半径方向に、かつ均等に配置されて、カ バー１００に取りつけられている。ほぼ円筒形状であるシールド１２０は、円筒 形カバー１００とハウジング７２から所定の距離だけ半径方向に間隔があけられ ており、スワラ１１６に取りつけられている。混合チャンバ１２２は、シールド １２０とカバー１００との間に形成されている。複数のスポーク１０６のそれぞ れの閉じた端部１１０は、シールド１２０から所定の距離だけ間隔があけられて いる。 図２、図３及び図４を参照すると最も良くわかるように、燃焼器端部１３２、 ハウジング端部１３４、ほぼ円筒形の外側表面１３６を上部に有する先端、即ち キャップ１３０が第一端部８０においてハウジング７２に取りつけられている。 中央通路１３８は、燃焼器端部１３２からハウジング１３４に向かって軸線方向 に延びており、空気通路８６と軸線方向に整列している。環状溝１４０は、ハウ ジング端部１３４から燃焼器端部１３２に向かって軸線方向に延びており、中央 通路１３８と外側表面１３６との間において半径方向に配置されている。環状溝 １４０は、所定の軸線方向の距離だけ燃焼器端部１３２から離れており、環状溝 １４０が燃焼器端部１３２と熱伝導の関係にあるようになっている。本実施例に おいて、所定の軸線方向の距離は、長さにおいて約４ミリメートル乃至６ミリメ ートルである。この長さは、先端１３０を作るのに用いられる材料の種類、燃焼 器端部１３２を冷却するのに用いられる燃料の熱吸収特性、燃焼ゾーンガスの熱 力学状態等によって変わる。燃焼器端部１３２は、空気通路８６よりも小さい円 筒形外側表面１３６内の領域によって形成されたある面積の燃焼表面を有してい る。本実施例において、燃焼表面の面積は、約１３７０平方ミリーメートルであ る。環状溝１４０は、拡張された端部１４２を有している。環状溝１４０は、外 側表面１４４と内側表面１４６を備えており、これらの間には、燃料が燃焼器端 部１３２に対して熱吸収関係にある領域１４７が形成されている。本実施例にお いて、熱吸収関係にある面積は、約４５０ミリーメートルである。このように燃 料噴射ノズル２８の先端を冷却するのには、熱吸収領域と燃焼表面領域との比率 が１対３であることが必要である。 図３と図４で最もわかるように、一般的にワッシャ形状であるプレート１４８ は、外側部分１５０、内側部分１５２及び一対のボアを内部に有している。一対 のボア１５４は、互いに所定の距離だけ離れて配置されている。一対のボア１５ ４のうち一つが入口開口であり、一対のボア１５４のうち他方が出口開口である 。例えば、本実施例において、入口開口と外側開口は、環状溝１４０のまわりに 配置されているので、開口は、互いに１８０度離れて配置されており、冷却媒体 は最も効率よく循環することになる。プレート１４８は、ハウジング端部１３４ に近接する環状溝１４０の拡張された端部１４２内に配置されており、ハウジン グ端部１３４は、内部にぴったりと係合した外側部分１５０と、内部にぴったり と係合した内側部分１５２を備えている。円筒形チューブ１６０は、一対の孔１ ５４の一つの一部分と先端１３０の一部分にぴったりと配置された端部を有して おり、他方の端部は、燃料通路９４の拡張された端部９６にぴったりと配置され ている。循環手段１６６は、環状溝１４０とプレート１４８を含んでいる。循環 手段１６６は、入口開口と出口開口とを形成する一対の孔１５４と流体連通して いる。 用いられる燃料の種類によって、即ちガス燃料か液体燃料かによって、ガス燃 料と液体燃料との流れ特性における差に適合するようにいくつかの小さな変更が 必要とされる。例えば、これらの変更のいくつかには、ハウジング７２内の通路 ９４の大きさ、環状溝１４０の大きさ、各スポーク１０６内の内側通路１０８、 スポーク内の複数の開口１１４がある。これらを変更して、ガス燃料、または液 体燃料が用いられて噴射ノズル２８の先端１３０を冷却することができる。産業上の利用分野 作動時において、ガスタービンエンジン１０は、従来の方法で開始する。エン ジン１０の速度が早くなり、駆動された装置から要求される荷重が増大するにつ れて、より多くの燃料が導かれてより大きなパワーを生み出す。例えば、エンジ ン１０がガス燃料のみを使用する場合には、冷却ガス燃料は、ガス燃料チューブ ６４を通って入り込み、ガス燃料通路９４に入る。通路９４から、ガス燃料は 、円筒形チューブ１６０を通って、燃料噴射ノズル２８の先端１３０内の環状溝 １４０内に入る。冷却ガス燃料は先端１３０の環状溝１４０内を循環し、燃料が 入ってきた一対の孔１５４の一方に対向する一対の孔１５４の他方から排出され 、環状のみぞ部分９８、プレート１４８、先端１３０及びカバー１００によって 形成された空間に流れる。ガス燃料は、複数のスポーク１０６の内側通路１０８ に入り込み、複数の開口１１４を通って混合チャンバ１２２に排出される。加熱 された燃料は、環状燃焼器に入り込む前に、混合チャンバ１２２内で燃焼空気と 混合され、そこでは、燃料が燃えて、タンービンセクション２２を駆動する。燃 焼器の加熱ガスは、先端１３０の燃焼面１３２と接触し、熱浸食、炭化、酸化、 ひび割れ、座屈が生じ、更に、燃焼表面１３２を破壊するようになる。ガス燃料 は環状溝１４０を循環し、燃焼表面１３２から熱を受け取る関係にあるので燃焼 表面１３２は、冷却されて、燃料噴射ノズル２８上で熱浸食、炭化、酸化及び腐 食がおきるのを防いだり、あるいはこれらの影響を減少させる。一対の孔１５４ の一つを通って環状溝１４０に入り込み、１８０度離れた一対の孔１５４の他方 から排出される燃料の特性によって、燃料は、環状溝１４０を通って循環して、 燃料が燃焼空気と混合されて、燃焼ゾーンに入り込む前に、新しい冷却燃料が連 続して補給されるようになる 液体燃料が用いられる場合には、上述したような機能的な作動は同一であり、 先端１３０は、液体燃料によって冷却される。上述したように、燃料の流れ特性 のために通路の大きさを変える必要がある。 前述したように、本発明の構造は、燃料噴射ノズル２８の先端１３０を冷却す る改良された方法と構造を提供することが容易にわかるであろう。この構造と、 燃焼端部１３２から熱を吸収する環状溝１４０を通って冷却燃料の独特な循環と によって燃焼器ノズル２８の寿命が長くなる。冷却構造は、ガス燃料、及び液体 燃料の双方に適用可能であり、ガスタービンエンジン、炉、家庭での電気器具、 及びボイラーのように燃料噴射器が必要とされるいかなる用途においても用いる ことができる。 本発明の他の態様、目的及び利点は図面、詳細な説明及び添付の請求の範囲に よって得ることができるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料通路(94)を内部に有するハウジング(72)を含む燃料噴射ノズル(28)にお いて、 燃焼器端部(132)を有して、前記ハウジング(72)に取りつけられた先端(130)と 、 前記燃焼器端部(132)から熱を受けとる関係にあって、環状溝(140)を含んでお り、前記燃料通路(94)と、出口開口(154)と、該出口開口(154)から１８０度離れ て配置された入口開口(154)とに連通して前記噴射ノズル(28)に配置された燃料 循環手段(166)と、を備え、 作動時には、燃料が、前記燃料通路(94)と、前記入口開口(154)と、前記環状 溝(140)と、前記出口開口(154)とを通って漸進的に循環し、燃焼空気と混合され て、燃焼ゾーンに入り込むようになっている燃料噴射ノズル(28)。 ２．前記先端(130)の前記燃料噴射器端部(132)は、燃焼表面領域を備え、前記環 状溝(140)は、熱吸収領域を備え、該熱吸収領域は前記燃焼表面領域に対してあ る割合を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル(28)。 ３．前記熱吸収領域と前記燃焼表領域との比率は、約１対３であることを特徴と する請求項２に記載の燃料噴射ノズル(28)。 ４．前記燃焼器端部(132)は、前記燃料循環手段(166)から所定の距離だけ軸線方 向に離れていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル(28)。 ５．前記所定の距離は、約４ミリメートル乃至６ミリメートルの範囲内であるこ とを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射ノズル(28)。 ６．前記所定の距離は、５ミリメートルであることを特徴とする請求項５に記載 の燃料噴射ノズル(28)。 ７．前記燃料噴射ノズル(28)の作動時には、ガス燃料の流れが前記循環手段(166 )によって循環されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル(28 )。 ８．前記燃料噴射ノズル(28)の作動時には、液体燃料の流れが前記循環手段(166 )を通って循環することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル(28)。 ９．前記ハウジング(72)は、第一端部(80)と、前記先端(130)が取り付けられて いる第二端部(82)含んでおり、作動時には、燃料の流れが前記第一端部の近くで 前記ハウジング(72)に導かれていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射 ノズル(28)。 １０．前記燃料噴射ノズル(28)は、前記燃料の流れの導入口と前記先端(130)の 間に軸線方向に配置された一連の燃料出口を含んでいることを特徴とする請求項 ９に記載の燃料噴射ノズル(28)。 １１．前記燃料噴射ノズルは混合チャンバ(122)を含み、前記燃料噴射ノズル(28 )の作動時には、前記燃焼器端部(132)から熱を受け取る関係にあった燃料は、前 記循環手段(166)から排出した後に前記混合チャンバ(122)内に排出されることを 特徴とする請求項１記載の燃料噴射ノズル(28)。 １２．前記ハウジングは、第一端部(80)と、前記先端(130)が取りつけられてい る第二端部(82)と、前記第一端部(80)と前記第二端部(82)との間に軸線方向に配 置された一連の出口を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノ ズル(28)。 １３．内部に入り込む一連の燃料出口(102、114)と、前記燃焼器端部(132)とほ ぼ軸線方向に整列する出口端部(124)とを備えて、前記ハウジング(72)と前記先 端(130)のまわりを半径方向に配置された混合チャンバ(122)を含んでおり、前記 循環手段(166)は、前記燃焼端部(132)と前記一連の燃料出口(102)との間に配置 されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル(28)。 １４．前記燃料循環手段(166)は、前記先端(130)内に配置されていることを特徴 とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル(28)。