JPH08509058A - 低い先端温度を有するインジェクター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 過去の燃料インジェクターノズルは、先端温度を低くする構造を造ろうとしてきた。このようなノズルは、必要な冷却空気の量を増加させずに、先端温度を十分低くすることはできなかった。本発明の燃料インジェクター（40）の構造は、必要な冷却空気の量を増加させずに、先端温度を十分低くする。この構造は、内部に内側部材（118）が配置されその間に第１室（120）を造るシェル（80）、内側部材（118）とエンドピース（96）の間に第２室（132）を造るエンドピース（96）を含む。内側胴体（140）には、第２室（132）と通路（116）の間を接続する複数の第１斜め通路（174）が形成されている。第２室（132）を通る燃焼空気の流れは、エンドピース（96）の空気側（106）と接触し、燃焼側（104）を冷却する。燃料インジェクターノズル（40）の独自の構造は、必要な冷却空気の量を増加させずに、先端温度を十分低くし、ガスタービンエンジン（10）の効率を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】 低い先端温度を有するインジェクター 技術分野 本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳しくは冷却空気の量が 最小になるように燃料噴射ノズルの先端を冷却する独自の構造配置に関する。背景技術 ガスタービンエンジンでは、化石燃料を使用することにより、多くの場合、酸 化、割れ、座屈により、燃料噴射ノズルの端部に早期に故障を生じるような温度 となる。それゆえ、燃料インジェクターの設計寿命を伸ばすため、燃料噴射ノズ ルの端部を冷却しなければならない。 ノズル端部を冷却し、このような部品の寿命を伸ばす試みがなされてきた。端 部を冷却しようとするノズルの１つの例は、1986年６月15日ジェローム Ｒ．ブ ラッドレイに与えられた米国特許第4,600,151号に開示されている。インジェク ター組立体は、一方が他方の内側に隔離された関係にある複数のスリーブ手段を 含む。圧縮器の吐出空気を受け燃料噴射コーンに向けるため、又は水又は補助燃 料を混合のために外側から受ける内側空気受け室と外側空気受け室が、設けられ る。空気流が燃焼ゾーン内に直接出て、そこで燃料との混合及び燃焼が起こる。 ノズルを冷却する他の試みは、1984年11月20日ロビーＬ．フォークナーに与え られた米国特許第4,483,137号に開示される。この冷却システムは、中央空気通 路、及び２次空気渦発生羽根と半径方向に延びる渦発生羽根により方向付けられ る２重の空気の流れを含む。それぞれの空気の流れが燃焼ゾーン内に直接出て、 そこで燃料との混合及び燃焼が起こる。 過去の冷却機構の多くは、使用した冷却空気を燃焼室内に排出し、そこで燃焼 工程に悪い影響を及ぼす。ここに記述する本発明では、冷却空気の流れは燃焼室 に入る前に燃焼空気の一部になる。それゆえ、一般にその燃焼工程への影響、及 び特にＮＯｘとＣＯの排出が最少になる。さらに、インジェクターノズルの先端 を有効に冷却しながら、冷却空気の量が最小に保持される。発明の開示 本発明の１態様では、燃料噴射ノズルが、事前混合した１次空気と燃焼燃料を 燃料噴射ノズルから供給する手段、パイロット燃料を燃料噴射ノズルから供給す る手段、パイロット燃焼空気を燃料噴射ノズルを通して供給する手段、及び運転 中にパイロット燃料と混合し燃料噴射ノズルを通る前のパイロット燃焼空気によ り冷却されるエンドピースとを備える。 本発明の他の態様では、燃料噴射ノズルが、内側部材が中に配置され、その間 に第１室を造るシェルを備える。エンドピースが内部にボアを有し、燃焼側と空 気側を形成する。エンドピースがシェルに結合され、内側部材とエンドピースの 間に第２室を造る。第２室は、第１室と流体接続される。内側胴体が内側部材の 内側に位置し、内側胴体が内部にエンドピースの通路と接続する底付ボアを有す る。空気を供給する手段が、燃料噴射ノズルの運転中に通路を出て燃焼側と接触 する前に空気側と接続する空気の流れの部分を有する。図面の簡単な説明 図１は、本発明の実施例を有するガスタービンエンジンの部分的に断面にした 側面図である。 図２は、本発明の実施例を開示する燃料噴射ノズルの拡大断面図である。 図３は、図２の３−３線に沿った拡大断面図である。 図４は、図２の４−４線に沿った拡大断面図である。 図５は、燃料インジェクターの上流側端部の拡大図である。発明実施のための最良の形態 図１を参照すると、エンジン10の部品を冷却し、燃焼空気を提供する空気供給 系12を示すために、ガスタービンエンジン10（全体は示さず）が断面にされてい る。エンジン10は、複数の開口部16（１つのみを示す）を有する外側ケース14、 内部にインジェクター開口部22を形成する入口端部20を有する燃焼セクション18 、タービンセクション24、コンプレッサーセクション26、該コンプレッサーセク ション26と燃焼セクション18の間にあって空気供給系12を燃焼セクション18に接 続するコンプレッサー吐出プレナム28を含む。プレナム28は、外側ケース14によ り一部を形成され、多重内側壁30がタービンセクション24と燃焼セクション18を 部分的に囲む。複数の燃料噴射ノズル40（１つのみを示す）が、一部がプレナム 28と燃焼セクション18内に位置するように配置されている。 タービンセクション24は、ジェネレーター等のアクセサリー部品を駆動する出 力シャフト（図示せず）が接続されたパワータービン42を含む。タービンセクシ ョン24の他の部分は、コンプレッサーセクション26に駆動関係に接続されたガス 発生タービン44を含む。この例では、コンプレッサーセクション26は、多段コン プレッサー46を含むが、そのうち１段のみを図示する。エンジン10が運転してい るとき、コンプレッサー46が圧縮空気の流れを起こす。別の構造として、コンプ レッサーセクション26は遠心式コンプレッサーでもよく、また圧縮空気を生じる ものであればどのようなソースであってもよい。 図１に示すようにこの例では、個々の燃料噴射ノズル40は外側ケース14に通常 の方法で着脱可能に取り付けられている。燃料噴射ノズル40は、内部に通路56を 有する外側チューブ状部材54を含む。外側チューブ状部材54は、出口端部58と入 口端部60を含む。外側チューブ状部材54は、外側ケース14の複数の開口部16の１ つを通って半径方向に延び、該チューブ状部材から半径方向に延びる取り付けフ ランジ62を有する。フランジ62は、複数の孔を有し、その孔に複数のボルト64が 通されて、外側ケース14の複数の開口部16の各々の周りに間隔をあけて形成した 複数のネジ穴にネジ止めされている。従って、インジェクター40は外側ケース14 に着脱可能に取り付けられている。通路56は、内部に図示しない燃料源と流体接 続するチューブ66を有する。 図２にさらに示すように、インジェクター開口部22は、第１端部72と第２端部 74が形成された全体として円筒形の外側部材70である。チューブ状部材54は、第 １，第２端部72,74の間にあり、外側部材70に取り付けられている。内側表面76 が、外側部材70に形成される。環状通路78が、内側表面76とほぼ円筒形のシェル 80の間に作られている。シェル80は、内側表面76から半径方向内側に所定の距離 だけ離れている。環状通路78の中の第１端部72の近くに複数の渦形成羽根82があ る。複数の孔84が、渦形成羽根82と外側部材70の第２端部74の間に位置している 。それぞれの孔84には、燃料インジェクタースポーク86が配置されている。個々 のスポーク86は、内側表面76から半径方向内側に所定の距離だけ延びている。複 数の開口部88が、個々のスポーク86の軸に沿って半径方向に向くように配置され ている。複数の開口部88は、チューブ66からの燃料に環状通路90を通って連通す る。 円筒形シェル80には、第１端部92と第２端部94とが形成されている。第２端部 94には、ほぼ円筒形のカップ型エンドピース96が取り付けられている。エンドピ ース96は、中央にボア100と所定のように配置された複数の放出冷却孔102とを有 するベースセクション98を含む。ベースセクション98は、燃焼側104と空気側106 とを定め、ボア100の中心から半径方向に延びる外側表面108を有する。第１直立 円筒壁110が、外側表面108においてベースセクション98の空気側106から延びる 。第１直立円筒壁110の端部112は、シェル80の第２端部94に取り付けられている 。第２直立円筒壁114が、ベースセクション98の空気側106から延び、その中に通 路116を造っている。 シェル80と第１直立円筒壁110の一部の中に、シェル80から間隔をあけその間 に第１室120を形成するほぼ円筒形の内側部材118が配置される。内側部材118は 、シェル80の第１端部92の先端とほぼ並置された第１端部122を有する。複数の タブ124が第１端部122の近くに位置し、シェル80と内側部材118を間隔をおいた 関係に保持する。第１室120は、エンドピース96の空気側106から内側部材118の 第１端部122へ延びる。内側部材118の第２端部126は、第１端部122から軸方向に 間隔をあけた位置にあり、エンドピース96の第１直立壁110と接触するように半 径方向外側に延びるフランジ128を有する。フランジ128は、室120と連通する複 数の孔130を有する。内側部材118のフランジ128とエンドピース96の空気側106と エンドピース96の第２直立壁114の間に第２室132があり、エンドピース96の空気 側106から内側部材118の第２端部122へ軸方向にさらに延びる。第２室132は、複 数の孔130と連通する。内側胴体140が、円筒形内側部材118内に配置され、第１ 端部142を形成する。内側胴体140の外側表面144は全体として段付き構成を有し 、第１端部142の近くに位置する内側部材118とシール接触する関係にあって、内 側胴体140の第２端部148の方へ所定の距離だけ延びる第１表面146を形成する。 第２端部148は、第２直立壁114にシール関係 で取り付けられている。第２表面150が、第１表面146と第２端部148の間にある 。第２表面150は、第１表面146より小さい直径を有し、第１表面146を第2表面15 0と結合する第１変遷部分152を有する。第２変遷部分154が、第２表面150を内側 胴体140の第２端部148と結合する。底付ボア160が内側胴体140の中に位置し、第 ２端部148から第１端部142に向かって延びる。底付ボア160は、通路116と連通す る。第２室132と底付ボア160の間には、複数の第１斜め通路166が連通する。複 数の第１斜め通路166は、第１端部142に最も近い第２表面150から延び、第２端 部148に向かって内側に傾斜し、底付ボア160に接して交差する。パイロット燃焼 空気を燃焼セクション18へ送る手段168は、第１室120、複数の孔130、第２室132 、複数の第１斜め通路166、底付ボア160、及び通路116を含む。環状溝170が、第 １端部142に近い内側胴体140内に位置し、第１表面146から内側に延びる。該環 状溝170は、第１端部142と第１変遷部分152の間にある。ボア172が、内側胴体14 0の第１端部142から環状溝170内に延びる。チューブ66の端部は、ボア172と連通 する。複数の第２斜め通路174が、内側胴体140に位置し、環状溝170と底付ボア1 60の間を連通する。この複数の第２斜め通路174は、環状溝170から内側に第２端 部148に向かって延び、底付ボア160に接して交差する。複数の第２斜め通路174 は、複数の第１斜め通路166と環状溝170の間にある。パイロット燃料を燃焼セク ション18へ送る手段180は、燃料チューブ66、ボア172、環状溝170、複数の第２ 斜め通路174、底付ボア160、及び通路116を含む。 事前混合した空気と燃焼燃料を送る手段190は、複数の渦形成羽根82が内部に 配置された環状通路78と、燃焼用の一次燃料を環状通路78に導入するスポーク86 とを有する。 産業上の利用可能性 使用状態では、ガスタービンエンジン10は通常の方法で始動される。この適用 例ではパイロット運転のため、ガス状燃料である燃料が、チューブ66を通って導 入され、環状溝170内に導入される。ガス燃料は、４つの第２斜め通路174を通っ て底付ボア160内へ入り、燃焼セクション18に入りパイロットとして作用する前 に、パイロット燃焼空気と混合される。パイロット燃焼空気は、第１室120を 通って燃料インジェクター40内に導入され、複数の孔130を通過し、第１斜め通 路116を通って第２室132に入り、底付ボア160で燃料と混合され、燃料と空気の 混合物は通路116を通って燃焼セクション18へ入る。 斜めに形成され底付ボア160に対し接線方向の第１斜め通路166と斜めに形成さ れ底付ボア160に対し接線方向の第２斜め通路174との組合せにより、そこから出 る流体を非常に乱流の状態にして渦巻きが生じ、空気と燃料をよく混合する。従 って、パイロット燃料と空気の均一な混合物が燃焼セクションに導入され、よい 燃焼混合物となり有害物排出量が減少する。 さらに、この適用例では初期運転のために、ガス状燃料である燃料が、環状通 路90内に導入される。燃料は、スポーク86の中に入り、複数の通路88を出て、環 状通路へ入る。初期の燃焼空気は、環状通路78に入り、渦形成羽根82を通って、 スポーク86からの燃料と混合する。初期のガス燃料と空気の均一な混合物が、燃 焼セクションに導入され、よい燃焼混合物となり排出物が減少する。 複数の孔130を通って第２室132に入った後のパイロット燃焼空気の流路は、分 かれたパスをとる。エンドピース96の空気側106と接触するパイロット燃焼空気 の一部は、エンドピース96を冷却する。空気側106は燃焼側104と反対側にあるの で、エンドピース96からの熱は、第２室132内のパイロット燃焼空気に移される 。従って、パイロット燃焼空気は熱受容流体となり、燃料インジェクター40のエ ンドピース96を冷却する。パイロット燃焼空気の他の部分は、複数の放出冷却孔 102を通って、エンドピース96のベースセクション98に流れる。放出冷却孔102は 、空気の吹き付けを生じ、エンドピース96と燃焼セクション18の熱い燃焼ガスを 調和させ、従ってエンドピース96の燃焼側104を冷却する。２重パスの効果は、 燃料インジェクター40の寿命が延び、耐用年数が改善されダウンタイムが減少す ることである。さらに、パイロット燃焼空気は冷却材として使用されるので、燃 料インジェクター40を冷却するのに追加の冷却空気は不要である。それゆえ、燃 焼セクション18に入る前に燃焼室の空気を冷却材として使用するのでエンジン効 率が増加する。 本発明の燃料インジェクター40の構造により、ＮＯｘとＣＯ排出量が減少し、 先端の冷却が改善され、エンジン効率が増加したインジェクターとなる。燃焼空 気流れパスの位置と、底付ボア160との接する交差と、第１，第２斜め通路166,1 74の角度とが、この独自の構造を造る。従って、上述のインジェクターノズル40 を使用すると、ＮＯｘとＣＯ排出量が減少し、エンジン効率が増加する。 他の態様、目的、及び利点は、明細書、図面、特許請求の範囲の記載から理解 できるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローリンズ ダグラス シー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92563 ムーリエータ マーヴィン ガー デンス 25490 (72)発明者 スード ヴィレンドラ エム アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92024 エンシニタス スプリングウッド レーン 944

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料インジェクターノズル（40）において、 運転中に事前混合した空気と燃焼燃料を燃料噴射ノズル（40）を通して供給 する手段（190）、 前記燃料噴射ノズル（40）を通してパイロット燃料を供給する手段（180） 、 運転中にパイロット燃焼空気を燃料噴射ノズル（40）を通して供給する手段 （168）、及び、 運転中前記パイロット燃料と混合され燃料噴射ノズル（40）を通る前の前記 パイロット燃焼空気により冷却されるエンドピース（96）、 とを備えるノズル。 ２．請求の範囲第１項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記事前混合した空気と燃焼燃料を燃料噴射ノズル（40）を通して供給する 手段（190）は、内部に複数の羽根（82）、及び燃焼の初期の燃料が環状通路（7 8）に導入される複数のスポーク（86）を有する環状通路（90）を含むことを特 徴とするノズル。 ３．請求の範囲第１項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記燃料噴射ノズル（40）を通してパイロット燃料を供給する手段（180） は、ボア（172）、環状溝（170）、複数の第２斜め通路（174）、底付ボア（160 ）、及び通路（116）とを含むことを特徴とするノズル。 ４．請求の範囲第１項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記パイロット燃焼空気を供給する手段（168）は、第１室（120）、複数の 孔（130）、第２室（132）、複数の第１斜め通路（166）、底付ボア（160）、及 び通路（116）とを含むことを特徴とするノズル。 ５．燃料インジェクターノズル（40）において、 内部に内側部材（118）が配置され、その間に第１室（120）を形成するシェ ル（80）、 内部にボア（160）を有し、燃焼側（104）と空気側（106）を形成し、前記 シェル（80）に結合され、前記内側部材（118）と前記エンドピース（96）の間 に前記第 １室（120）と流体接続する第２室（132）を造るエンドピース（96）、 前記内側部材（118）の内側に配置され、前記エンドピース（96）の通路（1 16）と接続する底付ボア（160）を内部に有する内側胴体（140）、及び、 燃料インジェクターノズル（40）の運転中に、前記通路（116）を出て前記 燃焼側（104）と接触する前に、空気の流れの一部を前記空気側（106）に接続す る空気を供給する手段（168）、 とを備えるノズル。 ６．請求の範囲第５項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記第２室（132）と前記底付ボア（160）の間の接続は、それらの間に延び る複数の第１斜め通路（166）を含むことを特徴とするノズル。 ７．請求の範囲第６項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記複数の第１斜め通路（166）は、前記底付ボア（160）に接することを特 徴とするノズル。 ８．請求の範囲第７項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記内側胴体（140）は、第１端部（142）と第２端部（148）を形成し、前 記複数の第１斜め通路（166）は、前記第１端部（142）の近くに延び、前記第２ 端部（148）に向かって内側に斜めに形成されたことを特徴とするノズル。 ９．請求の範囲第５項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記第１室（120）と前記第２室（132）の間の接続は、前記内側部材（118 ）内に配置された複数の孔（130）を含むことを特徴とするノズル。 10．請求の範囲第５項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記空気を供給する手段（168）は、前記第１室（120）、前記第１室（120 ）と第２室（132）の間にある複数の孔（130）、前記第２室（132）、前記第２ 室（132）と前記底付ボア（160）の間にある複数の第１斜め通路（166）、前記 底付ボア（160）、及び前記通路（116）とを含むことを特徴とするノズル。 11．請求の範囲第５項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 さらに全体が前記シェル（80）内に配置された燃焼可能な燃料を供給する手 段（180）を含むことを特徴とするノズル。 12．請求の範囲第１１項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記燃焼可能な燃料を供給する手段（180）は、前記内側胴体（140）内に配置 された環状溝（170）、前記環状溝（170）と接続する複数の第２斜め通路（174 ）、及び前記底付ボア（160）、とを含むことを特徴とするノズル。 13．請求の範囲第１２項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記複数の第２斜め通路（174）は前記底付ボア（160）に接することを特徴 とするノズル。 14．請求の範囲第７項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記内側胴体（140）は第１端部（142）と第２端部（148）を形成し、前記 複数の第２斜め通路（174）は前記第１端部（142）の近くに延び、前記第２端部 （148）に向かって内側に斜めに形成されたことを特徴とするノズル。 15．請求の範囲第５項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記エンドピース（96）は、内部に複数の放出冷却孔（102）を含むことを 特徴とするノズル。 16．請求の範囲第１５項に記載した燃料インジェクターノズル（40）であって、 前記燃焼空気を供給する手段（168）は、前記燃料インジェクターノズル（4 0）の運転中に、前記複数の冷却孔（102）を通って出て、前記燃焼側（104）に 接触する燃焼空気の流れの部分を有することを特徴とするノズル。