JPS5832294B2 - 空気微粒化式燃料ノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービン用空気微粒化式燃料ノズルであっ
て、液体燃料微粒化が燃焼室に入る高速空気流により達
せられるものに係る。

微粒化工程の間に燃料と接触するノズル金属の表面積は
最小とされ、上記ノズルはその様に設計された空気流通
路を有するため、空気流の加速度を伴った旋回運動が空
気に与えられて空気速度における変動を消し、燃料との
衝撃点における空気速度を最大とする。

ガス・タービンの燃焼のために燃料の霧をつくるごとく
、液体を微粒化するよう高速度の空気を使用することは
周知であり、それに用いられる方法は微粒化の微粒度、
液体燃料の特性、噴霧器の滲透または拡散の種類及び微
粒化工程への空気の利用度に関して所望する結果により
大巾に変る。

例えば、外部より圧縮空気の供給の得られる場合、例え
ば米国特許第３４７４９７０号に開示された如き装置が
使用できるが、これでは高速度空気が、円錐の内部表面
上を流れる慣用の旋回室即ち“単式”（ｓｉｍｐｌｅｘ
）ノズルからの吐出によってつくられる円錐形燃料膜
の１側面に与えられる。

この原理の応用は、しかしながら、比較的低い燃料流量
率に限られ、ノズルは高流量における慣用の燃料圧力式
噴霧器のように作用する。

もしガスタービンが航空機に用いられるならば、圧縮空
気は一般に利用し難く、燃料の微粒化には機関の圧縮機
から燃焼室内へ供給される空気を使用するのが好ましい
。

この方法は米国特許第３２８３５０２号に開示されて居
り、それによれば一般に燃料を表面上に薄膜として拡げ
てからこの膜がこの表面の端から離れるときに微粒化す
る。

米国特許第３５３０６６７号は同様に比較的広い表面上
に燃料を拡げてからこの表面の端から離れるときに燃料
膜の両側に微粒化のための空気を与える。

かＳる燃料ノズルは便宜上予め膜形成” （ｐｒｅｆｉ
ｌｍｉｎｇ）型と呼ぶ。

これら２つの場合共、微粒化工程の成功は上記金属表面
上の液体膜の挙動により影響される。

何故ならば一般に形成される液滴寸度は分散する点にお
ける燃料膜の厚さによる。

燃料膜厚の変化は種々な理由で生じ次の如く微粒化機能
を悪くする： ａ）表面上の液体の粘性ドラグは速度の減少となり、従
って膜を厚くする。

この結果は明らかに長い流れ経路及びより高い燃料粘度
の使用により一層悪化する。

その結果一般に液滴寸度の増大となる； ｂ）もし燃料が、別々のジェットへと導かれる方法のた
めにその表面上に一様に拡げられないならば、局部的な
厚い部分を生じその結果これらの点において大きい液的
を生ずる： Ｃ）もし空気がその表面上の燃料膜と接触するならば、
表面波が生じて同様に膜が部分的に厚くなる；そして ｄ）もし燃料と接触する空気が不規則な速度分布を有す
るならば（旋回ベーンの下流のウェークに基づくごとく
）、このため燃料膜は部分的に厚くなる。

上述した所から、開示された諸方法には何れも若干の欠
点があって、多くの条件の下で満足に燃料微粒化作用を
行うことができないことが判るであろう。

本発明によれは、下流端に吐出オリフィスを有する燃料
通路であって、上記吐出オリフィスから円錐膜の形で燃
料を吐出せしめるため上記通路を通って流れる燃料に旋
回運動を与えるうず室をもった燃料通路を内部に画定す
るノズル本体組立と、上記燃料通路の内部に配設され且
つ所定角度で拡大する円錐の形で空気を吐出する下流端
をもった中央空気通路を有し、該中央空気通路の下流端
は上記燃料通路吐出オリフィスの直径より小さい直径を
有し且つ上記燃料通路吐出オリフィスの上流に配設され
、よって上記拡大する空気の円錐の外方層が、該燃料が
上記円錐膜の形で上記吐出オリフィスから流出するとこ
ろで該燃料に衝突し、そしてさらに上記中央空気通路を
通って流れる空気に旋回運動を生ずる手段を有する空気
微粒化式燃料ノズルが提供されている。

以下実施例につき図面を参照しつつ詳細に説明をしよう
。

第１図はガスタービン１の断面を示す線図で、空気微粒
化式燃料噴ノズル２の一般作用原理を示す。

空気は機関の圧縮機３により圧縮されて燃焼器を通って
流れる。

燃焼器は多孔の内方ライナー５を含み、これの目的は燃
料燃焼工程及び燃焼生成物の稀釈を制御するにある。

燃焼はノズル２からライナー５の中に噴霧され、点火さ
れて加熱ガスはタービン７中を通って膨張する。

燃料ノズル２はライナー５の中に取付けられ従って燃料
ノズル中の空気通路はライナー５の中の孔８と本質的に
同一の静的空気圧力差を受けることが判るこのことは燃
料を微粒化するために高速度空気を利用し得ることを意
味する。

運転状態では空気速度は典型的には約９１．５ ｍ／
Ｓであり、この速度に対応する空気圧力差は、燃焼器４
の中の空気密度によって約０．０１７６Ｋｐ／ｄから０
、７０３ ＫＰ／ｄまで変化する。

機関が始動される間は空気速度は低いが、点火されるま
でに通常的３０．５ｍ／Ｓに達する。

燃料を微粒化するための空気は燃料噴霧と混合して燃焼
反応は加わる。

従ってそれは効率の良い燃焼を得るよう追加の空気と混
合するため、噴霧を最適の方向に向けるために用いるこ
とができる。

第２図は本発明に係るｌ実施例を示す。

ノズル２は保持器１０を示し、これはその枠中に穿削し
た通路１１をもち燃料ポンプ及び制御装置（図示せず）
からの燃料を運ぶ。

保持器１０はノズル尖端を担持し、これは外方空気旋回
器、燃料旋回器、内方空気旋回器及び覆い１５を含む。

旋回ベーン１６を相持する外方空気旋回器１２は保持器
１０へねじ付けされて図示のごとく円周溶接により固着
される。

覆い１５は旋回ベーン１６の外方端へろう付けして外方
旋回空気通路１７を決定してもよい。

燃料旋回器１３はリムまたはフランジ部分１８をもち、
これは燃料旋回またはうず室２０が空気旋回器１２と共
に形成されるように燃料旋回器の軸と角度をなすよう配
設した多数の旋回スロット１９により形成される。

燃料旋回器１３の上流端は２１の所でフランジとなり、
リム１８の円周を空気旋回器１２の内部円錐に底まで押
しつけた後円周的に保持器１０へ溶接される。

追加の隔てリブを２２の所に示す。

かくして環状部２３が旋回器１２及び１３の間に形成さ
れ、旋削された通路１１と連通されて燃料を旋回室２０
の中へ供給する。

内方空気旋回器１４は燃料旋回器１３の内部で中央空気
通路２４の拡大上流部分にろう付けしてもよい。

本発明の特徴の一つ１１、点Ａ１から下流方向への空気
の流れの断面積が空気旋回器１４を通る実効的流れ断面
積より小さく、その比が略々９０％になっていることで
ある。

この特徴の目的ハ各ベーン２５の下流のウェークを消し
て中央通路に沿った滑らかな空気の流れをつくり、壁面
において高い空気速度を与える横方向速度分布を持たせ
るためである。

同一理論が外方空気旋回通路１７にも使用され、のど部
分Ａ２の面積は旋回ベーン組立体１６の実効的流れ面積
より小さく、その比はまた約９０％とされている。

外方及び内方通路内の旋回ベーン１６及び２５はノズル
の出口から所望方向への空気の流れをつくるように設計
され、円錐形空気の流れの含む典型的角度は８０゜であ
る。

旋回の回転の角度及び方向は燃焼器４の設計によって決
定されるものであって燃料ノズル２の臨界的設計上の特
徴事項ではないことが判るであろう。

空気通路２４の下流端の直径は、燃料室がその一部とも
なっている燃料通路の吐出オリフィスの直径より少さく
、一方通路２４の吐出オリフィスは燃料通路のオリフィ
スの上流２０の所で終っている。

通路１７の下流端は燃料通路のオリフィスの下流にあり
、その直径より大きい直径をもっことも明らかに示され
ている。

燃料ノズル２は燃焼ライナー５の開口２６中に嵌入され
るが、ライナー５は別の特徴、例えば空気旋回装置また
は冷却空気スロットの如きものを含んでよい。

但しこれらは本発明の一部を構成しないので第２図には
示してない。

本燃料ノズル２の作用は第３図を参照すればよく判る。

それは燃料ノズル尖端を拡大して示すが、臨界的設計上
特徴事項を明瞭ならしめるため僅に誇張して示しである
。

燃料旋回室２０の機能は液体の回転体をつくるものとし
て明らかに示されて居るが、これは周知のごとく、従来
・空気芯”として知られている空気と接触する内方表面
Ｃを形成する。

この表面Ｃでは液体の静圧は空気の静圧と等しい。

液体の四転体は自由うずの特性をもつので、空気芯にお
ける切線速度は燃料旋回室２０の最大直径における切線
速度より大きくその比はＲ１／Ｒ２である。

この液体の加速度は旋回室２０への入口における速度の
変動を滑かにするごとく働き、旋回室２０からの出口に
おいて一定速度を与える。

出口は勿論半径殉において空気旋回器１２の円形唇によ
り決定され、半径の差Ｒ８−Ｒ２が液体膜Ｆの厚さを決
定する。

周知のごとく、膜の厚さは旋回室２０の与えられた一組
の寸度及び一定の液体に対しては、液体の流量に対して
は略略一定であり：適当な寸度の選択により膜は非常に
薄くできる。

例えはもしＲ６＝ １．２７ｃｒｆＬならば、粘度が１
２センチストークス以下の炭化水素燃料に対して膜厚は
０．０１２７ｃｒｒＬとなる。

注目すべきは、この膜は旋回室２０の出口よりかなりな
切線速度をもって離れるので第３図Ｆに示すごとく拡大
する円錐膜となるということである。

最初に第２図の通路２４からの空気の流れを考えると、
空気の最外側層は旋回器１３の下流縁を第３図に矢印■
１で示す角度をもった拡張する円錐として離れる。

この角度は、この空気の層が燃料層を略々旋回器１２の
盾部において、即ちその膜が旋回器１２の金属表面によ
り実質上影響を受けない様に設計によって与えられる。

かくして、先行技術に関して述べたごとき燃料の“膜の
予め形成”という事はない。

外方通路１７内の空気の流れは、内方向への流れを示す
矢印■２として一般に示す。

矢印■２′で示す空気の最内古層は燃料膜にそれが旋回
器１２゜の盾部を離れるとき衝突する。

空気の流れの方向と燃料膜の表面との間の角度は直角に
近い。

然しなから、旋回ベーン１６に基づく外方空気通路１７
内の速度の切線方向成分のため空気の流れはノズルの下
流で、矢印■１と略々同一方向に矢印■３で示す拡張円
錐経路の空気の流れとなる。

実際には、内方空気の実効出口円錐角を外方空気のそれ
より僅かに小さくするようにノズル２を設計する方が最
適の噴霧形状特性を得るのに効果的であることが判った
。

第３図は実際には３次元であるところの工程を２次元的
に表現したものであるが、旋回のまたは切線方向成分速
度は単に空気流が液体膜表面に接近する相対角度に影響
をもつだけであるので、微粒化工程がかＸる考察によれ
ば基本的には影響を受けるものでないことを悟るであろ
う。

周知のごとく、微粒化即ち液体膜の液滴への分散は通常
の意味における液体上への空気の衝撃によるものではな
く、この分散は原理的には液体膜の不安定性及び空気の
相対運動によって波を形成しようとする傾向によるので
ある。

次に、この波は空気圧における局部的な差異を生じこれ
が波の振巾をあある臨界値まで増大させると、この点で
膜はひも状に分解し次いで液滴に分散する。

本ノズルにおいては、燃料膜は非常に薄くかつ最初は一
様な厚さにつくられ；次いでその両側面上に流れる空気
を受けるが、この空気速度は各側面上において略略相等
しく、かつ旋回ベーンその他の障害物によるウェークに
より生ずる局部的速度変動がないようにされている。

良好な微粒化を得るのに必要な空気の量は空気と燃料の
等量の質量流量即ち約１の空気／燃料質量流量比に近い
値に決定された。

微粒化はこの比が約０．５より小さいならば急速に劣化
するが、反対に約４を超える場合は殆んど改善されない
ことが判った。

膜の各側面上に必要とされる微粒化空気流の割合はまた
臨界的ではなくて内方に対する外方空気質量流量の比が
１乃至２の間であるとき最適結果を与える。

既に述べたごとく、微粒化空気流量は全燃焼器空気流量
の一定の分数であるのに一方全空気量に対する燃料流量
の比は機関の出力条件により変化する結果燃料流量に対
する微粒化空気流量の比も、また機関出力条件により変
化する。

この結果一般に燃料流量に対する微粒化空気流量の比は
機関始動状態には大きくなるが、これは臨界的点火及び
始動勘間の燃料微粒化を改善するので有益である。

この効果とまた既述した“膜の予め形成”という不利益
のないことのために、こ＼に開示した燃料ノズル２は、
米国特許第３２８３５０２号にては要求されるごとき始
動用の別のパイロット燃料ノズルまたは一次燃料ノズル
を必要としない。

第４図及び第５図に別の実施例を示す。

この場合は、燃焼器の中に燃料ノズル３０を取付ける古
史は、内方空気通路２４の中に軸方向旋回ベーン２５の
使用を許さない、何故ならば空気は第２図に示すごとく
ノズル尖端の上流端からではなく、ノズルの側面から入
らなければならないからである。

燃料旋回器１３、第２図は今回保持器１０、第２図と組
合されて一体３１となり、内方空気旋回器１４、第２図
の機能は第５図示のごとく、体３１中に形成されたスロ
ット３２により遂行される。

燃料ベーン３４中を通過する旋削された通路３３を通っ
て供給される。

内部通路２４はその上流端で拡大されない。

何故ならば、スロット３２を通る空気流のための面積は
面積Ａ１ より容易に大きくすることができるからであ
る。

ボア２４の所で本質的に鋭端に終るベーン３４に対し、
長さＬが通路２４の直径の１／４に等しいときは入口面
積はＡ１に等しい。

かくしてもしＬ＝０．３Ｘ直径ならば入口面積に対する
Ａ１の比は８３％となる。

更に注目すべきは、か＼る構成では旋回べ一゛／よりは
事実ウェークが出ないことである。

上述した燃料ノズルは先に提案されたノズルが発揮する
劣った微粒化性能の原因を除き、またこれら先に提案さ
れたノズルに関して上に述べた“膜の予め形成”段階を
省略する。

こＸに述べた燃料ノズル１１ままた高速度空気によって
微粒化される燃料膜へ一様な燃料の供給を保証すること
ができ、燃料膜厚の変化を消すとともに微粒化空気の速
度における望ましくない変動を消すという効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービン及びその・燃料ノズルを示す路線
的断面図、第２図は本発明に係る燃料噴射ノズルの実施
例の断面図、第３図は第２図に示すノズルの尖端部の拡
大部分断面図、第４図は第２の実施例の断面図で第５図
は第４図の５−５線に沿った断面図である。 １・・・ガスタービン、２，３０・・・燃料噴射ノズル
、４・・・燃焼器、５・・・多孔燃焼ライナー、８・・
・孔、１０・・・保持器、１１・・・燃料通路、１２．
１４・・・内方、外方空気旋回器、１３・・・燃料旋回
器、１６゜２５・・・旋回ベーン、１７・・−外方空気
通路、１９・・・旋回スロット、２０・・・旋回または
うず室、２４・・・中央空気通路、３２・・・スロット
、３３は燃料通路、３４・・・ベーン、Ａ１・・・中央
空気通路断面積、Ｃ・・・空気芯の表面、■１．■２．
■２′、■３・・・空気流の方向、Ｆは燃料膜厚である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下流端に吐出オリフィスを有する燃料通路であって
   上記吐出オリフィスから円錐膜の形で燃料を吐出せしめ
   るため上記通路を通って流れる燃料に旋回運動を与える
   うず室をもった燃料通路を内部に画定するノズル本体組
   立と、上記燃料通路の内部に配設され且つ所定角度で拡
   大する円錐の形で空気を吐出する下流端をもった中央空
   気通路を有し、該中央空気通路の下流端は上記燃料通路
   吐出オリフィスの直径より小さい直径を有し且つ上記燃
   料通路吐出オリフィスの上流に配設され、よって上記拡
   大する空気の円錐の外方層が、該燃料が上記円錐膜の形
   で上記吐出オリフィスから流出するところで該燃料に衝
   突し、そしてさらに上記中央空気通路を通って流れる空
   気に旋回運動を生ずる手段を有する空気微粒化式燃料ノ
   ズル。