JPS60207820A - 燃料を噴出し霧化する方法およびその装置 - 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】 本発明は燃料を噴出する方法およびその装置、特にガス
タービンエンジンの燃焼器に適用する燃料を噴出する方
法およびその装置に関する。

概してガスタービンエンジン用の燃料噴出装置）；ｔ１
９４ｏ年代に開発されて以降、ジェットエンジンに用い
られた当時から３段階に亘って改良が行なわれてきてい
る。第１の段階では、いわゆる燃料噴霧器を用いてター
ビンエンジンの燃焼装置ｔ内に燃料を好適に供給する構
成がとられた。この相対的に簡潔な燃料噴出装置には金
属でなる５字状の燃料供給管と、燃焼器のライナ一部上
端内に配設される彎曲した放出端部とが包有され、この
放出端部から燃料をライナ一部内に噴出し、この燃料を
加熱することによって霧状にし連続的な燃焼に寄与させ
ていた。

この構成は簡潔ではあるが以下のような３つの欠点があ
った。第１に点火が行なわれる燃焼器内に分離して燃料
噴出装置を配設する要があり構成が煩雑になっていた。

第２に燃焼ライナー内は連続的に高熱に晒されるため、
放出端部ないしは燃料供給管の消耗が激しかった。第３
に燃料の拡散に必要な熱を全て内部燃焼器に依存するた
め、燃料噴出装置を燃焼効率を最適にするよう配列する
ことに支障を生じていた。

第１の段階の噴霧構成の欠点を除去するため、第２段階
として液体燃料を流体圧を利用して噴霧せしめ燃焼器べ
導入する燃料供給装置が提案された。この装置において
は高圧燃料ポンプにより、例えば１０００　ｐｓｉａ　
（約７００トン／ｍ２）以上の圧力で燃料を加圧し噴霧
ノズルを介し中空円筒状の輪郭を持つ噴霧体として高速
で燃焼器内に導入する。

燃焼器内に導入された燃料は熱によって霧化され、拡散
されて燃焼器内に別途導入された空気と混合され、燃焼
せしめられる。

この加圧型の燃料噴出装置は５字状の燃料供給管を用い
るような燃料噴霧器に伴なう上述の欠点を除去できるが
、特に燃料を好適に高圧状態になすためには大型の燃料
ポンプが必要であり、相対的に高価になる欠点があった
。更に、この装置にあっては燃料小滴が高速で燃焼器の
壁面に衝突し、これによりカーボンないしは煤等が形成
されたり、あるいは燃焼領域を不燃焼のまま通過して燃
焼効率が低下する問題があった。更にこれに伴い高圧で
燃料を供給する噴霧ノズルに汚物が付着し易かった。

従って第２段階の燃料噴出装置の欠点を除去するため空
気噴出による燃料噴出装置が第３段階として提案されて
いる。この装置においては比較的低い圧力で燃料が燃料
ノズルに供給され、且このノズルにおいては同時に高圧
空気が流入されるように設けられている。この高圧空気
により低圧で流入された燃料が霧化され、中空円筒状の
噴霧体として空燃混合気が燃焼器内に流入される。また
ノズルの周囲に導入され、渦巻き流をなす空気はノズル
から円筒状の輪郭を持つように噴霧される燃料と接触し
て燃料を更に霧化するように燃焼器壁面に対し接線方向
に円状に流動する。

この空気噴出型の燃料噴出装置によれば噴霧時等に燃料
が燃焼室の内壁面に轟って生ずるようなカーボンないし
は煤の発生を防ぎ得る。しかしながらこの燃料噴出装置
においては渦巻き流発生板、ノズル本体、内装ノズル部
材等の複数の構成部品を必要とするから、部品の製造が
煩雑となる上、組立性も悪く、依然として充分に低廉化
を図り得なかった。

しかして、本発明の目的は空気噴出型にあって大巾に低
廉化を図り得る燃料噴出装置を提供することにある。

本発明の好適な実施例において燃料噴出装置は軸線方向
に延び、相対的に低圧の燃料流並びに相対的に高圧の空
気流を流動させる中央流路と、中央流路に対し直角に延
び、開放された出口端部を有する流動放出路とを具備す
る壁体を包有したノズルを有する。壁体には更に開放さ
れた端部に連接するように延びる衝突面と、中央流路と
同軸をなし中央流路を囲繞するような環状流路とが具備
される。環状流路の内周部は流動路の出口端部に隣接し
ており、流動路は環状流路の放出端部よりノズルの軸線
方向に更に延出している。環状流路内には渦巻き流発生
部が配設されており、２この渦巻き流発生部によりノズ
ルに導入される高圧空気がノズルの軸線に対しある角度
を持つと共に流動路の出口端部近傍において環状流路か
ら流出し、燃焼器内壁に対し接線方向に向くような渦巻
き流が発生される。

ノズルの使用時には相対的に高圧の空気が中央流路並び
に環状流路をノズルの軸線方向に流動放出路に向って流
動すると共に、燃料が相対的低圧で中央流路に供給され
る。これにより中央流路を通過する高圧空気に燃料が乗
せられ、霧化されて空燃混合気が作られ、高速で中央流
路を通過した後流動放出路に流入し、流動放出路の衝突
面に当たって燃料は更に霧化されることになる。

また中央流路から流動放出路に流入するどき空燃混合気
はその向きが９０″変えられ、出口端部から水平方向外
方に流出される。且空燃混合気は流動放出路から流出さ
れた直後、環状流路から放出される高圧空気の渦巻き流
と接触せしめられ燃料が更に霧化され、燃焼器の内壁面
に対し接線方向に向き且ノズルの軸線方向に流動する空
燃混合気が形成される。従って相対的に低圧で流入され
た燃料が機械的に実質的に完全に霧化され、ガスタービ
ンエンジンの燃焼器等において高効率な燃焼に寄与し得
ることになる。

以下、本発明を添付の図面に沿って説明する。

第１図乃至第３図を参照するに本発明によるノズルαα
を含む燃料噴出装置が示されており、当該ノズル（１（
Ｉは霧化した燃料をガスタービンエンジンの燃焼器Ｉの
ライナ一部０ｚ内に噴出可能に設けられている。またノ
ズル（１０１は周知のノズルと異なり、一体構成にされ
ると共にステンレス鋼等の好適な材料を用いて、新たな
工程を付加することなく単一の製造工程で作ることがで
きる。この独特な構成のノズル＜１１により機械的に燃
焼器Ｉのライナ一部（Ｉ７Ｊに流入した燃料を実質的に
完全に霧化される。

丈に詳述するにノズルＱＯＩは中空で両端が開放された
円筒状の外胴部１１（１９を包有する。外胴部（１６１
内には同軸に外胴部（１６）に比し径の小さな円筒状の
中央胴部Ｏａが内設されており、中央胴部０＆の上端（
２）は外胴部（１６１の上端器を含む平面内に位置する
高さにされ、一方下端０４１は特に第２図に明らかなよ
うに外胴部（１６１の下端（２）に対し下方に延出して
いる。また中央胴部０ａの下端部（至）はその隅部が切
除されており、互生央胴部（１８１には外胴部ａＧの下
端（至）の直下に相応する位置において水平方向に貫通
して延び、断面が長方形で端部が開放された、流動放出
路をなすスロツ）Ｗが形成される。スロット（至）は高
さに比べ幅が相当に大に形成され（特に第１図参照）、
中央胴部ＯｇＪの中央に位置せしめられており、低面は
下端部（至）に対し水平に延びる衝突面０２として機能
する。

更に中央胴部ａ秒には断面が円形で空気・燃料用の流入
部をなす中央流路例が設けられており、中央流路０滲は
ノズルａωの軸線方向に延び、内側端がスロット（至）
と連通し且外側端が上端（２１Ｊｌに向がって次第に放
射方向外向きに、即ち円錐状に拡大されている。この場
合中央流路（至）の下部（３４幻の径はスロット■の幅
と同一にされ（特に第３図参照）、且放射方向外向きに
拡大された上部（３４ｂ）の径は中央胴部０８）の径よ
り僅かに小にされる。

外胴部（ＩＯ並びに中央胴部吐（以下両者を合わせて「
壁体」とも云う）には一体に複数の拡散Ｂ（至）が固設
されていて、拡散翼（至）を介し両者が相連結されると
共に相互に環状の空隙を置いて離間される。拡散翼間は
ノズル（Ｉｆｌの中心軸線に対し図示の実施例の場合約
４５°傾斜せしめて、ノズルαＢの下部内に周設され、
且各拡散翼（至）の下端縁（至）は第２図に示す如く外
胴部（１６１の下端（２）を含む水平面に位置している
。これにより拡散翼（支））を介し離間された外胴ｓａ
ｅと中央胴部（１８＋との間にはノズル０αの上部から
下部に向かい、且互いに円周方向に離間した拡散翼（３
６）を経て延びる環状流路ｔ４Ｑが区画され、拡散翼（
ト）自体は環状流路冊の一部を区画する全体としても機
能する。

ノズルααは好適にライナ一部Ｑ２の上端壁（４ｚに接
着され、環状流路顛は上端壁（４２に形成された環状開
口０４）と連通されており、互生央胸部αｇの下端部（
至）はライナ一部α２内にノズル００１の軸線方向に突
出している。ライナ一部０ｚ並びにノズルαυを囲繞す
る燃焼器（１４）の外壁Ｏｅによりライナ一部α２と相
俟って入口ブレナム０陽が区画されており、燃焼動作中
の燃焼器０４１に、タービンエンジンのコンプレッサか
ら高圧空気６Ｇが流入される。高圧空気■の一部（５０
ａ）は環状流路曲内を、渦巻き流発生部をなす拡散翼（
ト）を通過しつつ流動する。

一方燃料ｃｉ２は、外壁００を貫通して外壁（イ）の軸
線方向に延び、中央流路Ｃ３４）の円錐状の上部（３４
ｂ）内に達する燃料供給管５４）を介し比較的低圧、例
えば１０ｐｓｉ（約７０３０　Ｋ９／−２）でノズル０
αへ供給される。

また高圧空気団の一部（如）も例えば２００　ｐｓｉ　
（約１４０トン／ＷＬ２）で中央流路３４を経流入され
る。これにより高圧空気ｒ５１が中央流路０４を流下す
るに伴い、高圧空気−の流れに燃料６２を乗せて高速で
流動させることにより燃料５２を霧化する。

即ち中央流路（ロ）の円錐状の上部（３４ｂ）に流入す
る高圧空気の一部（Ｓｕｂ）により燃料５３が囲繞され
つつ下部（３４ａ月二向って高速で降下せしめられ、こ
のとき燃料５２が霧化されて空燃混合気端が形成される
。

次いで空燃混合気６ａは衝突面Ｏｚに当たり、燃料６２
が更に倣・粉砕された後、流れ方向を９０°変えてスロ
ット（至）の両開放端よりライナ一部（Ｉ７Ｊへ噴出さ
れる。

空燃混合気（至）の燃料６ｚは中央流路（２）に対し直
角方向に開放したスロット（至）から流出した直後、環
状流路（４Ｇを経て流下する高圧空気６Ｇの一部（５０
ａ）によって更に微粉砕され機械的な第３の霧化作用を
受ける。この場合ノズルａωの中心軸線方向に流動する
高圧空気６Ｉの一部（５０ａ）は拡散Ｒ（至）により、
ノズルａα下部の局部において渦巻き流となる。高圧空
気（へ）の渦巻き流は拡散翼間から環状に流動して環状
流路（４（Ｊから放出され、この渦巻き流の内縁は半径
方向に延びるスロットωの両開放端とほぼ合致している
。従ってスロット（至）から水平方向に流出する空燃混
合気端は高圧空気ωの一部＜’ＪＪａ）によって形成さ
れる渦巻き流に当てられ、更に燃料５ｚが霧化されて渦
巻き流に乗る。従って空燃混合気（ト）は第２図に螺旋
の破線＠で示すように中空円筒状の輪郭を描き、接線方
向に渦巻きつヘライナ一部ａｚ内においてノズルＯ（Ｂ
の軸線方向下向きに流動する。

これによりノズルααから流出する最終的な空燃混合気
（ト）はその混合気中の燃料が全て完全に霧化されライ
ナ一部ｔｔｚ内において効果的な燃焼に寄与する。また
周知の気化作用による予備燃焼用の燃料拡散構成に比べ
、本発明のような機械的な加圧による霧化ないしは流体
噴出構成をとれば、燃料が高度に微細にされ空燃比が上
がるから、例えばライナ一部ａ２内において格別の予熱
構成を取る必要もない。

しかして本発明によれば従来のタービンエンジン燃料噴
出装置に比し多岐に亘って利点を有する。

例えば高圧空気６０の分流（５０ａ）　、　（Ｓｏｂ）
並びに衝突面Ｉ３″ＩＪを有効に利用して機械的に燃料
６２を霧化する構成をとるから、ライナ一部（１２１内
に燃料供給管６４）を突入せしめる必要がなく、燃料供
給管に熱疲労、損耗を米たさない。

また高圧空気の一部で形成する渦巻き流をスロット（７
）の両開放端部において流下せしめ、スロット（至）か
ら水平方向に放出される空燃混合気（支）と直接接触さ
せることによって、空燃混合気（ト）中の燃料も２を更
に霧化する作用に加え、燃料の小滴がライナー都住２内
の壁面に当たることを最少限にする作用も併有すること
になり、ライナ一部（１２１内面におけるカーボンの発
生ないしは煤の発生を抑制できる。更に渦巻き流をスロ
ット（至）の両開放端部において空燃混合気と接触させ
空燃混合気端を渦巻き流として流動させるから、ライナ
一部Ｑ２＋内において空燃混合気（４）の流動距離が長
くなり、燃料小滴が燃焼領域を不燃のまま高速で通過す
ることを防ぐことができる。

加えて本発明の燃料噴出装置によれば、周知の燃料噴出
装置に比べて上述の如く有効な効果を達成する反面、煩
雑な構成を持たないから極めて安価に製造できる。即ち
ノズルααは格別の製造設備によることなく、通算の製
造ラインで形成でき、且単−の装置になすから、部品点
数が多く、組立も煩雑となる従来品に比べ廉価となる。

また本発明によるノズル００１を含む燃料噴出装置にあ
っては格別の却工、仕上げＺＸｌ工、組立作業、調整が
不要であるから、この点においても低廉化を図り得る。

崗、本発明は図示の実施例に限定されるものではなく特
許請求の範囲に含まれる各種の設計変更を包有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料噴出装置の部分斜視図、第２
図は同縦断面図、第３図は第２図の線３−３に沿って切
断した部分拡大横断面図である。 １０・・・ノズル、１２・・・ライナ一部、】４・・・
燃焼器、１６・・・外胴部、Ｉ８・・・中央胴部、２０
．２２・・・上端、２４　、２６・・・下端、２８・・
・下部、３０・・・スロット、３２・・・衝突面、３４
・・・中央流路、３４ａ・・・下部、３４ｂ・・・上部
、３６・・・拡散翼、３８・・・下端縁、４０・・・環
状流路、４２・・・上端壁、４４・・・環状開口、４６
・・・外壁、４８・・・入口ブレナム、５ｏ・・・高圧
空気、５２・・・燃料、５４・・・燃料供給管、５６・
・・空燃混合気 特許出願人 サキャレット　コーポレーション −質テＧ−ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相対的に高圧の空気の一部を燃料と混合して第１の
   方向へ流動せしめ、空燃混合気を面に衝突させて燃料を
   霧化し、この空燃混合気を、第１の方向に対し直角の第
   ２の方向へ延びる放出路を経て流出させ、相対的に高圧
   の空気の一部を、放出路から流出された直後の空燃混合
   気と接触させて燃料を更に霧化することを特徴とする、
   相対的に低圧の燃料を噴出し霧化する方法。 ２流動放出路と、流動放出路に対し直角に延び流動放出
   路と連通ずる中央流路と、中央流路に対し実質的に平行
   に延びる外側流路とを有したノズルを準備し、相対的低
   圧の燃料並びに相対的に高圧の空気の一部を中央流路に
   流入せしめ、相対的に高圧の空気の一部を外側流路を経
   て流動してなる特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、外側流路から流出する高圧の空気を渦巻き流にして
   なる特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４、外側流路内に相互に離間した複数の渦巻き発生板を
   配置する工程を包有してなる特許請求の範囲第３項記載
   の方法。 ５、装置の軸線方向に延び、相対的に低圧で供給される
   燃料と相対的に高圧で供給される空気とが導入され空燃
   混合気として放出する第１の流路を具備した装置と、第
   １の流路から流出する空燃混合気を流入し装置の軸線方
   向に対し直角方向に放出する第２０流路を具備した装置
   と、相対的に高圧の空気を導入し、第２の流路からの放
   出直後の空燃混合気と接触する渦巻き流を放出する第３
   の流路を具備した装置とを備え、第２の流路は第２の流
   路に流入する空燃混合気を衝突させる衝突面を有してな
   る空気噴出型の燃料噴出装置。 ＆第１、第２、第３の流路を具備する各装置が一体に設
   けられてなる特許請求の範囲第５項記載の燃料噴出装置
   。 ｌ一体にされる各装置がステンレス鋼で形成されてなる
   特許請求の範囲第６Ｊｊｌ記載の燃料噴出装置。 ８第１の流路な具備する装置並びに第２流路を具備する
   装置とが第１の本体部をなし、第３の流路な具備する装
   置が第１の本体部と離間し且第１の本体部を囲繞する第
   ２の本体部をなし、第１、第２本体部の間に相互離間し
   た複数の渦巻き流発生板が配設されてなる特許請求の範
   囲第５項記載の燃料噴出装置。 ９、第１の本体部は円筒状の中心部材でなり、第１の流
   路は中心部材の上端まで延び、且第２の流路は中心部制
   の下端近傍において水平に延設され、第２の本体部は中
   心部材と同軸に配設されると共に中心部材を囲繞する環
   状体でなり、複数の渦巻き発生板は中心部材と同軸に円
   周方向に配列されてなる特許請求の範囲第８頌記載の燃
   料噴出装置。 １０、渦巻き発生板は、第２の流路の直上に位置せしめ
   られ且装置の軸線に対し上流から下流に向って傾斜され
   てなる特許請求の範囲第９項記載の燃料噴出装置。 １１、円筒状の中心部材と、環状体と、円周方向に相互
   に離間して配列され且ノズルの軸線に対し傾斜せしめら
   れた渦巻き発生板とを備え、中心部拐は上端と、下端と
   、下端近傍において水平方向に延び且相対向する局部に
   おいて開口する空燃混合気の流動放出路と、上端からノ
   ズルの軸線方向に延び流動放出路と連通ずる空気並びに
   燃料の流入路とを具備し、環状体は中心部材と同軸に配
   設され、中心部材を囲繞し互生心部材との間に環状流を
   区画するように配設され、渦巻き発生板は中心部材と環
   状体との間に配設され且両者に固設せしめられてなる、
   ガスタービンエンジンの燃焼器に用いられる燃料噴出ノ
   ズル。 １２ノズルが単一品である特許請求の範囲第１１項記載
   の燃料噴出ノズル。 １３空気並びに燃料の流入路は上部において断面が上端
   に向い放射方向外向きに次第に拡大されてなる特許請求
   の範囲第１１項記載の燃料噴出ノズル。 １４、空燃混合気の流動放出路は空気並びに燃料の流入
   路の下端に対向する衝突面を具備してなる特許請求の範
   囲第１３項記載の燃料噴出ノズル。 １５空燃混合気の流動放出路は断面が矩形に設けられて
   なる特許請求の範囲第１４項記載の燃料噴出ノズル。 １６、環状路の下端が空燃混合気の流動放出路は直下流
   に配設されてなる特許請求の範囲第１１項記載の燃料噴
   出ノズル。 １Ｚ渦巻き発生板は環状路の下端の直上に配設されてな
   る特許請求の範囲第１６項記載の燃料噴出ノズル。 １８第１の壁部材と第２の壁部拐とを備え、第１の壁部
   拐は第１の流路な有し加圧空気の一部が流入されて、装
   置の軸線方向に流動され、且装置の軸線を中心に円状に
   流動されて中空円筒状の加圧空気流を形成するように設
   けられ、第２の壁部材は第２の流路な有し、加圧空気並
   びに燃料を流入するｉ共に空燃混合気を形成し、空燃混
   合気を中望円筒状の加圧空気流内容において、装置の軸
   線に対し実實的に直角に放出するように設けられてなる
   燃料噴出装置。 １９、第１．第２の壁部材は単一体にせしめられ、互生
   心部材と、中心部材から離間し互生心部材を囲繞する外
   側部材と、中心部材と外側部材との間に延び、両者に固
   着された、相互に離間して配列される複数の渦巻き流発
   生板と、中心部材と外側部材との間に延びる第１の流路
   と中心部材内に延びる第２の流路とを有してなる特許請
   求の範囲第１８項記載の燃料噴出装置。