JPH11515089A - 燃焼装置用の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流体の流れのための少なくとも１つの通路（２３）を有し、該通路は、実質的に環状の断面を有し、半径方向内方の壁（１５）と半径方向外方の壁（１６）とにより形成され、かつ入口領域および出口領域を備え燃焼装置用燃料噴射装置において、入口領域には、入口領域から出口領域に導かれる流体が、軸線方向成分および通路の長手方向軸線の回りの回転方向成分とを備えた複合流れパターンをもつように、前記入口領域に流入する流体の流れパターンを変えることができる複数のベーン（２５）が組み込まれていることを特徴とする燃焼装置用燃料噴射装置（１０）。

Description

【発明の詳細な説明】 燃焼装置用の燃料噴射装置 本発明は、流体燃料を使用する燃焼装置用の燃料噴射装置に関し、より詳しく は、タービン、特にガスタービン用噴射装置に関するものであるが、これに限定 されるものではない。また、本発明は、液体燃料の使用に適し、また、タービン 以外の燃焼装置に使用することにも適している。 環境に対する配慮それ自体および環境分野の法令は、あらゆる燃焼装置からの 汚染物質、より詳しくは窒素酸化物（ＮＯ_x）のエミッションレベルをできる限 り低いレベルにすることが重要であることを意味している。このようなエミッシ ョンを低減させる１つの方法は、空気／燃料混合気を効率的に混合させ、これに より効率的に燃焼させることである。効率的混合を行なうことを目的とする種々 の噴射装置および混合装置が開示されてきたが、実際には、実際上遭遇する広範 囲の空燃比、特に、低出力状態すなわち火炎が消失してしまいそうな状態での空 燃比についてこのような混合を確保することは困難である。 本発明の目的は、広範囲の空燃比に亘って効率的な混合および燃焼が可能で、 これにより、一定の作動条件範囲に亘って低ＮＯ_xエミッションが得られる燃料 噴射装置、例えばタービン用の燃料噴射装置を提供することにある。 本発明によれば、流体の流れのための少なくとも１つの通路を有し、該通路は 、実質的に環状の断面を有し、半径方向内方の壁と半径方向外方の壁とにより形 成され、かつ入口領域および出口領域を備え燃焼装置用燃料噴射装置において、 入口領域には、入口領域から出口領域に導かれる流体が、軸線方向成分および通 路の長手方向軸線の回りの回転方向成分とを備えた複合流れパターンをもつよう に、前記入口領域に流入する流体の流れパターンを変えることができる複数のベ ーンが組み込まれていることを特徴とする燃焼装置用燃料噴射装置が提供される 。 好ましい実施形態では、ベーンは、実質的に軸線方向に流れる流入流体の少な くとも一部に、前記長手方向軸線の回りの回転方向成分を付与する。 また、ベーンは、前記回転方向成分に、制御された半径方向変化を付与するこ とができる。 各ベーンは、噴射装置の長手方向軸線に対して或る角度に設定することができ る。 更に、各ベーンには根元、中間領域および頂部が設けられ、根元および頂部は 中間領域に比べて小さい幅を有し、これにより、前記入口領域に流入する既存の 流体の軸線方向流は、根元では実質的に影響を受けないが、中間領域を通過する と影響を受ける。特に、流体には、根元と中間領域との間および頂部と中間領域 との間で、徐々に回転方向成分が付与され、流体が通路に沿って旋回されるよう に構成できる。 一実施形態では、使用時に、空気が入口領域に流入し、燃料が、入口領域と出 口領域との間の少なくとも１つの位置で環状通路に流入する。燃料は、環状通路 の壁の少なくとも１つの孔を通って環状通路に流入し、及び／又はベーンの少な くとも１つの孔を通って環状通路に流入できる。 各ベーンは直線状の前縁部および湾曲した後縁部を有し、該後縁部は、流体の 軸線方向流成分の方向から見て凸状または凹状に形成できる。 或いは、前縁部を湾曲させることができる。 後縁部及び／又は前縁部の表面は波状に形成できる。 各ベーンの断面形状を三日月状にし、各ベーンの両面を環状通路に沿って軸線 方向に湾曲させることを考えることができる。 環状通路の入口領域は、スロットが形成されたディスクにより形成し、この実 施形態では、各ベーンを、隣接する前記スロット間の壁により形成することがで きる。 特に、各壁は、実質的に半径方向に延び、各スロットの半径方向内方の壁およ び半径方向外方の壁は真直または湾曲形状に構成できる。 環状通路は、使用時に、燃料及び／又は空気のための中央の軸線方向ボアを包 囲し、中央ボアには、該ボアを通る流体燃料及び／又は空気の流れに、回転方向 成分を付与する少なくとも１つのベーンを組み込み、かつ燃料を、実質的に接線 方向に中央ボア内に噴射する手段を設けることができる。中央ボアを通る流れの 回転方向成分は、環状通路内の流体の流れの回転方向成分とは逆方向にまたは同 方向に構成できる。 中央ボアは、使用時にパイロット火炎用の燃料／空気混合気を供給するように 構成され、環状通路は、主火炎用の燃料／空気混合気を供給するように構成され 、かつ主火炎およびパイロット火炎は、使用時に合体して冠状の火炎を形成する ように構成するのが好ましい。 環状通路の出口領域は、空気のコアンダ効果ジェット流を付与して火炎安定性 を改善させる部品により形成できる。 環状通路は、２つの部品の間隔を隔てた表面により形成し、半径方向内方の部 品には前記中央ボアを形成できる。 以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。 第１図は、本発明による燃料噴射装置の一実施例を示す部分断面図である。 第２ａ図および第２ｂ図は、第１図の燃料噴射装置に使用するベーンの、それ ぞれ側面図および端面図である。 第３ａ図は本発明による燃料噴射装置のディスクの上流側面の一部を示し、第 ３ｂ図は第３ａ図のＡ−Ａ線に沿う断面を示す図面である。 第４ａ図は本発明による燃料噴射装置の他のディスクの上流側面の一部を示し 、第４ｂ図は第４ａ図のＢ−Ｂ線に沿う断面を示す図面である。 第５図は、他のディスクの１つの面を示す図面である。 第６図は、本発明による燃料噴射装置で作られる火炎形成を示す図面である。 第７図は、本発明による他の燃料噴射装置を示す部分断面図である。 第１図の実施例は、燃焼室３０内で燃焼させる可燃性混合気を得るべく混合さ れる燃料および空気が供給される燃料噴射装置１０を示す。すなわち、参照番号 ３０で示す部分は予燃焼室であり、燃焼は更に下流で行なわれると考えることも できる。燃料噴射装置１０は、破線４０で示す長手方向軸線を備えたほぼ円筒状 の本体１１を有し、この本体１１は第１部分１３および第２部分１４からなり、 第１部分１３には中央の軸線方向の円筒状ボア１２が形成されている。第１部分 １３は、燃焼室３０に向かってテーパしたほぼ截頭円錐状の形状を有するが、そ の外面１５は、図示のような凹状面を形成すべく湾曲している。本体部分１４は 、その外形が全体的に円筒状の形態を有しているが、内面１６は、本体部分１４ の壁厚１７が、最小厚さの領域１８から最大厚さの領域１９に向かって増大し、 次に中間厚さの領域２０に向かって減少するように、凸状に湾曲している。本体 部分１４は、中間厚さの領域２０で燃焼室３０の上流側端部に固定される。 両表面１５、１６は同様な曲率を有し、本体部分１３の凹状面１５は、領域１ ８と領域１９との間で本体部分１４の凸状面１６に対面している。これにより、 両表面１５、１６間には通路２３が形成される。該通路２３は実質的に環状の断 面形状を有するが、湾曲面１５、１６により形成される長手方向境界壁は、環状 通路の直径が軸線方向下流側に向かって減少している（すなわち、軸線４０から の通路の距離が下流側に向かって減少している）。 上記の実施例では、本体部分１３、１４は別体部品として形成されており、こ れらの部品は隣接要素として適当に固定され、図示のように、これらの間に通路 ２３を形成する。他の実施例では、両本体部分１３、１４の間に適当な支持／相 互連結手段を介在させて、本体部分１３、１４を、例えば鋳造により一体成形す ることができる。また、中央ボア１２の回りに、単一の環状通路ではなく複数の 別々の環状通路が形成されるようにして、本体部分１３、１４を形成し及び／又 は位置決めし及び／又は相互連結することも考えられる。 燃料噴射装置１０は、空気および燃料を受け入れ、かつこれらを、ＮＯ_x生成 量が低く効率的燃焼が行なえる希薄混合気を形成するように混合する。 このような混合を行なう目的のため、各環状通路２３に複数のベーン２５が設 けられ、これらのベーン２５は、通路２３を通る流体に、軸線方向成分および通 路２３の長手方向軸線の回りの回転方向成分（両成分は、制御された態様で半径 方向に変化する）をもつ複合流パターンを付与するように適合されかつ配置され ている。通路２３の配置は、事実上、各ベーン２５が噴射装置の長手方向軸線４ ０に対して或る角度に設定されることを意味する。 第２ａ図および第２ｂ図は、ベーン２５の可能性のある一形態を示す。第２ａ 図はベーン２５をその一方の側面から見た全体図であり、ベーン２５の前縁部５ １は直線状であり、後縁部５２は湾曲している。第２ｂ図は、ベーン２５の前縁 部５１の方向から見た端面図であり、ベーン２５の断面形状は、凹状面５３およ び凸状面５４を有する実質的な三日月状であり、両側面５３、５４はベーンの根 元５５と頂部５６との間に延びている。図示のように、根元５５および頂部５６ は、それぞれ、表面１６および１５に確実に取り付けられる充分な厚さを有して いるが、（後述のように）ベーンの頂部／根元に燃料通路が設けられる場合には 、根元／頂部はもちろん幅広にする。側面５３、５４もまた軸線方向に湾曲して おり、このためベーン２５は２方向に湾曲した形状を有している。図示のように 、ベーン２５は、その凹状面５３が通路２３の入口端７１に向かって傾斜するよ うに通路２３内に位置決めされるが、凸状面５４が通路２３の入口端７１に向か って傾斜するように位置決めすることも考えられる。 上記のように、ベーン２５は、通路２３を出る空気／燃料混合気に複合流パタ ーンを付与する。この複合流パターンが得られるように通路２３内に空気及び／ 又は燃料を導入する方法には多くの方法がある。 一例として、本体１１の上流側の領域６０に、タービンにより駆動される圧縮 機により圧縮空気を供給する方法がある。例えばエンジンに負荷が作用している 主作動時には、ガス状燃料が、ベーン２５のボア（その出口はベーンの凹状面及 び／又は凸状面に形成されている）を通って、及び／又は通路２３を形成する表 面１５、１６の孔（例えば燃料ポート）を通って、及び／又は通路２３内または 通路２３の直ぐ外側の入口７１に隣接する燃料ポストを通って通路２３内に導入 される。液体燃料の場合、導入は、通常、表面１５、１６の霧化孔のみを通して 行なわれる。一般に、後で詳述するように、パイロット作動（例えば、始動運転 および低出力運転）およびガスまたは液体燃料の場合には、燃料は中央ボア１２ 内に導入される。 圧縮空気（または、予形成された空気／燃料混合気も可能である）は、本質的 な軸流パターンで通路２３の入口端７１に流入する。前述のように、各ベーン２ ５の根元５５の位置および頂部５６の位置では、ベーンの中間領域に比べて幅 すなわち弦厚(chordal dimension)が小さく、かつ根元および頂部でのベーン２ ５の形状は、存在する軸流空気が実質的に影響を受けない状態を継続することを 可能にする。しかしながら、ベーン２５の根元５５および頂部５６と中間領域と の間では、空気が中間領域を通過すると徐々に影響を受ける。特に、ベーンの中 央部により指向される流れには回転流成分が付与され、これにより空気は通路２ ３に沿って旋回される。複合流は、これが流れるときにベーン２５の孔及び／又 は表面１５、１６から燃料を受けかつ完全混合を生じさせ、隔絶された燃料濃厚 ポケットすなわち実質的な低速流ゾーンを生じさせることなく燃料／空気混合気 を形成し、これにより逆火が生じない効率的燃焼が行なわれる。 ベーン２５およびこれに関連する部品の入念な空気力学的考察を行なうことに より、従来技術の予混合バーナの一般的特徴である早期発火が防止される。 第１図、第２ａ図および第２ｂ図の実施例では、空間６０は、空気が低速で流 れる簡単なチャンバを有効に構成するが、空間６０には、通路２３内に強制的に 軸流を生じさせる手段を通路２３の入口７１に隣接して設けるのが有効である。 このような手段は、もっぱら、通路２３の上流側端部に該通路の軸線方向延長部 を構成する適当な寸法の環状体またはチューブからなり、空気を通路の入口に直 接的に案内する機能を有する。 第３ａ図、第３ｂ図、第４ａ図および第４ｂ図に示す別の実施例では、通路２ ３内への複合旋回流が、貫通スロット７２の環状配列が形成されたディスク７１ により達成される。スロット７２は、通路２３の半径方向寸法に等しい半径方向 寸法を有しかつ通路２３の入口領域として集合的に機能する。これらの実施例で は、各スロットはディスクを通って延びる部分が傾斜していると考えられ、この 場合、各ベーン２５も１対の隣接スロットの間で半径方向に延びる同様な傾斜壁 を考えることができる。スロットを適当な輪郭に定めることにより、複合流パタ ーンを確保するためのベーンの所望の輪郭が得られる。 第３ａ図および第３ｂ図の実施例では、破線７３、７４は、下流側出口におけ るスロットのこのようなマッチング輪郭表面の形状を示し、これらの表面は、デ ィスク７１の下流側表面に対して傾斜しかつ上流側に向かう凸状表面７５を有す る湾曲表面を形成していることが理解されよう。根元および頂部におけるそれぞ れの軸線方向傾斜通路７６、７７は、ベーンの中間領域における傾斜湾曲部によ り軸線方向の流れ成分を与え、回転流れ成分を付与する。 この実施例では、スロットの半径方向内方壁および半径方向外方壁は直線とし て示されているのに対して、第４ａ図および第４ｂ図の実施例では、これらの壁 は、通路２３の表面１５、１６の湾曲に等しい湾曲を有する。 第５図は、かま状(sickle-shaped)スロットをもつ更に別の実施例を示し、こ れらのスロット間にはベーン／壁が同様に形成されている。 前述のように、環状通路２３は、空気／燃料混合気に複合流パターンを付与す る。中央ボア１２は正確な用途に基づいて多くの態様で使用できるが、該中央ボ ア１２内に空気および燃料の密混合気を形成して、低エミッションパイロット火 炎するか、低出力作動時の燃焼を安定させることを考えることもできる。また、 例えば、ボア１２内にベーン８６（第１図参照）を使用するか、例えば燃料通路 （単一または複数）から燃料をボア内に接線方向に噴射する構造を使用すること により、中央ボア１２内の流体の流れに回転成分を付与する場合には良好な混合 が得られる。いずれの場合でも、中央ボア１２を出る流体の回転流れ方向が出口 通路２３とは逆方向である場合には、一般に最適混合が得られる。 第６図は噴射装置１０の下流側端部を示し、この噴射装置では、中央ボア１２ を出る燃料／空気混合気がパイロット火炎９０を形成しかつ環状通路を出る燃料 ／空気混合気がパイロット火炎９０を包囲する環状の主火炎９１を形成して、特 に安定した冠状の全体的火炎を得ることができる。通路１２、２３内をそれぞれ 流れる空気／燃料混合気の流れは、同じ空燃比(air/fuel ratios)または異なる 空／燃比をもつように構成できる。より詳しくは、ＮＯ_x生成物は、高燃焼温度 で空燃比が同じである場合に最小になる一方、低燃焼温度で空燃比を異ならせる ことにより燃焼安定性の維持が助けられる。 第７図の変更形態では、噴射装置１０の出口領域に付加部品が設けられており 、該部品は、別体部品として図示されているが本体部分１４と一体に成形するこ ともできる。部品１０１は、該部品と本体部分１４の下流側端部との間に半径方 向に延びるチャンネルを形成する少なくとも１つの軸線方向ギャップ１０２が形 成されるように取り付けられる。本体部分１４にはリップ１０３が形成されてお り、 該リップ１０３により、空気流はリップを出るときに半径方向流から軸線方向流 へと指向され、コアンダ効果ジェット流を与える。この流れは、火炎クリープを 防止する。各ギャップは、部品１４及び／又は部品１０１の半径方向溝により実 現される。 また、特に空気／燃料混合の改善を目的とした燃料噴射装置の改良を考えるこ とができる。かくして、通路２３の入口７１には、通路２３に流入する空気流を 制御するための三日月状すなわち部分円形のベーンを設けることができる。更に 、ベーン２５には、混合工程を補助するための波状後縁部及び／又は前縁部を設 けることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流体の流れのための少なくとも１つの通路を有し、該通路は、実質的に環状 の断面を有し、半径方向内方の壁と半径方向外方の壁とにより形成され、かつ入 口領域および出口領域を備え燃焼装置用燃料噴射装置において、 前記入口領域には、該入口領域から前記出口領域に導かれる流体が、軸線方 向成分および通路の長手方向軸線の回りの回転方向成分とを備えた複合流れパタ ーンをもつように、前記入口領域に流入する流体の流れパターンを変えることが できる複数のベーンが組み込まれていることを特徴とする燃焼装置用燃料噴射装 置。 ２．前記ベーンは、実質的に軸線方向に流れる流入流体の少なくとも一部に、前 記長手方向軸線の回りの回転方向成分を付与することを特徴とする請求の範囲第 １項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 ３．前記ベーンは、前記回転方向成分に、制御された半径方向変化を付与するこ とを特徴とする請求の範囲第２項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 ４．前記各ベーンは、噴射装置の長手方向軸線に対して或る角度に設定されてい ることを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の燃焼装置 用燃料噴射装置。 ５．前記各ベーンには根元、中間領域および頂部が設けられ、根元および頂部は 中間領域に比べて小さい幅を有し、これにより、前記入口領域に流入する既存の 流体の軸線方向流は、根元では実質的に影響を受けないが、中間領域を通過する と影響を受けることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記 載の燃焼装置用燃料噴射装置。 ６．前記流体には、根元と中間領域との間および頂部と中間領域との間で、徐々 に回転方向成分が付与され、流体が通路に沿って旋回されることを特徴とする請 求の範囲第５項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 ７．使用時に、空気が入口領域に流入し、燃料が、入口領域と出口領域との間の 少なくとも１つの位置で環状通路に流入することを特徴とする請求の範囲第１項 〜第６項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 ８．前記燃料は、環状通路の壁の少なくとも１つの孔を通って環状通路に流入す ることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 ９．前記燃料は、前記ベーンの少なくとも１つの孔を通って環状通路に流入する ことを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に記載燃焼装置用燃 料噴射装置。 10．前記各ベーンは直線状の前縁部および湾曲した後縁部を有することを特徴と する請求の範囲第１項〜第９項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置 。 11．前記後縁部は、流体の軸線方向流成分の方向から見て凸状であることを特徴 とする請求の範囲第１０項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 12．前記後縁部は、流体の軸線方向流成分の方向から見て凹状であることを特徴 とする請求の範囲第１０項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 13．前記各ベーンは湾曲前縁部を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第 ９項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 14．前記後縁部及び／又は前縁部の表面は波状に形成されていることを特徴とす る請求の範囲第１０項〜第１３項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装 置。 15．前記各ベーンは三日月状の断面形状を有することを特徴とする請求の範囲第 １項〜第１４項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 16．前記各ベーンの両面は、環状通路に沿って軸線方向に湾曲していることを特 徴とする請求の範囲第１項〜第１５項のいずれか１項に載の燃焼装置用燃料噴射 装置。 17．前記環状通路の入口領域は、スロットが形成されたディスクにより形成され ていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１６項のいずれか１項に記載の燃 焼装置用燃料噴射装置。 18．前記各ベーンは、隣接する前記スロット間の壁により形成されていることを 特徴とする請求の範囲第１７項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 19．前記各壁は、実質的に半径方向に延びていることを特徴とする請求の範囲第 １８項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 20．前記各スロットの半径方向内方の壁および半径方向外方の壁は真直であるこ とを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 21．前記各スロットの半径方向内方の壁および半径方向外方の壁は湾曲している ことを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 22．前記環状通路は、使用時に、燃料及び／又は空気のための中央の軸線方向ボ アを包囲することを特徴とする請求の範囲第１項〜第２１項のいずれか１項に記 載の燃焼装置用燃料噴射装置。 23．前記中央ボアには、該ボアを通る流体燃料及び／又は空気の流れに、回転方 向成分を付与する少なくとも１つのベーンが組み込まれていることを特徴とする 請求の範囲第２２項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 24．前記燃料を、実質的に接線方向に中央ボア内に噴射する手段を有することを 特徴とする請求の範囲第２２項または第２３項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置 。 25．前記中央ボアを通る流れの回転方向成分は、環状通路内の流体の流れの回転 方向成分とは逆方向であることを特徴とする請求の範囲第２３項または第２４項 に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 26．前記中央ボアを通る流れの回転方向成分は、環状通路内の流体の流れの回転 方向成分と同方向であることを特徴とする請求の範囲第２３項または第２４項に 記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 27．前記中央ボアは、使用時にパイロット火炎用の燃料／空気混合気を供給する ように構成されており、環状通路は、主火炎用の燃料／空気混合気を供給するよ うに構成されていることを特徴とする請求の範囲第２２項〜第２６項のいずれか １項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 28．前記主火炎およびパイロット火炎は、使用時に合体して冠状の火炎を形成す ることを特徴とする請求の範囲第２７項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 29．前記環状通路の出口領域は、空気のコアンダ効果ジェット流を付与して火炎 安定性を改善させる部品により形成されていることを特徴とする請求の範囲第１ 項〜第２８項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 30．前記環状通路は、２つの部品の間隔を隔てた表面により形成されていること を特徴とする請求の範囲第１項〜第２９項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃 料噴射装置。 31．前記半径方向内方の部品には前記中央ボアが形成されていることを特徴とす る請求の範囲第３０項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。 32．請求の範囲第１項〜第３１項のいずれか１項に記載の燃料噴射装置を備えた ことを特徴とするガスタービン装置。