WO2016027768A1 - 燃料噴射装置 - Google Patents

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fuel
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竜佐 松山
健夫 西浦
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川崎重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection device provided with a fuel injection valve, which is used in a combustor of a gas turbine engine.
  • a diffusion combustion system is known as a conventional fuel injection valve system for an aircraft gas turbine combustor.
  • the flame temperature becomes high. Since the NOx emission has a property of increasing exponentially with respect to the flame temperature, lowering the flame temperature is an effective measure for suppressing the NOx emission.
  • the temperature and pressure of gas turbine engines are increasing, there is a limit to suppressing the NOx emission by the conventional diffusion combustion method.
  • a lean combustion type fuel injection valve is said to be effective.
  • Lean combustion is a method of burning at a reduced fuel to air ratio.
  • the flame temperature can be greatly reduced as compared with the conventional diffusion combustion method.
  • the lean combustion method tends to be unstable and incomplete combustion because the flame temperature is low. Therefore, a concentric fuel injection device has been proposed in which a pilot fuel injection valve is arranged on the inner side and a main fuel injection valve is arranged concentrically on the outer side (see, for example, Patent Document 1).
  • This concentric fuel injection device maintains stable combustion by using a diffusion combustion system with a pilot fuel injection valve at low output, while maintaining the stable combustion at high output, in addition to diffusion combustion at the pilot fuel injection valve, the main fuel injection valve To achieve low NOx.
  • both the main fuel injection valve and the pilot fuel injection valve are operated at high output, but only the pilot fuel injection valve is operated at low output, and the main fuel injection valve is not operated. For this reason, the fuel in the fuel pipe of the main fuel injection valve does not circulate at the time of low output when the main fuel injection valve is not operated. Therefore, at the time of low output, coking of fuel remaining in the fuel pipe of the main fuel injection valve may occur due to the heat of the high-temperature air flowing around the main fuel injection valve, and the fuel pipe may be clogged.
  • an object of the present invention is to provide a fuel injection device capable of effectively preventing coking in the main fuel injection valve while the main fuel injection valve can be downsized in the radial direction.
  • a fuel injection device is a fuel injection device used in a combustor of a gas turbine, and a pilot fuel injection valve disposed on an axis of the fuel injection device,
  • An annular main fuel injection valve that is arranged concentrically with the pilot fuel injection valve and surrounds the outer periphery of the pilot fuel injection valve, and is spaced apart from the main fuel injection valve in the circumferential direction and is axially rearward
  • a plurality of main fuel injection holes for injecting fuel wherein the main fuel injection valve is an annular fuel flow path forming portion, an inner ring portion located on the inner peripheral side of the fuel flow path forming portion, An outer ring part located on the outer peripheral side of the fuel flow path forming part, and a space between the fuel flow path forming part and the inner ring part and between the fuel flow path forming part and the outer ring part.
  • Out of space One space forms an annular pilot fuel supply passage for supplying fuel to the pilot fuel injection valve, and the other space forms an annular
  • the main fuel injection valve is configured as an axial injection type, and the pilot fuel supply path and the annular fuel flow path forming section, the inner ring section, and the outer ring section are controlled while suppressing the radial dimension of the apparatus.
  • the main fuel supply path can be cooled by the fuel flowing through the pilot fuel supply path when the main fuel supply path is not used, for example, at low output. That is, it is possible to effectively prevent coking of the main fuel supply path with a simple structure.
  • the pilot fuel supply path is located radially inside the main fuel supply path. According to this structure, the structure of the fuel supply path which supplies a fuel to the pilot fuel injection valve arrange
  • a main housing that covers the main fuel injection valve, a front end portion disposed on the inner side of the main housing and supported by the main housing, and a rear end portion being the main fuel injection valve. It is preferable to provide a support ring that supports. According to this configuration, by connecting the main housing and the main fuel injection valve in a separated state, it is possible to suppress the occurrence of stress due to the thermal expansion difference in the support ring that is the support member. Furthermore, by supporting the main fuel injection valve circumferentially with respect to the main housing by the support ring which is an annular member, it is possible to firmly support mechanical vibration.
  • a pilot fuel introduction path that is formed downstream of the pilot fuel supply path and introduces fuel into the pilot fuel injection valve, and a pilot housing that covers the pilot fuel introduction path is provided.
  • the pilot fuel injection valve is preferably attached to be slidable in the axial direction with respect to the pilot housing. According to this configuration, thermal expansion can be avoided in supporting the pilot fuel injection valve.
  • FIG. 1 shows a fuel injection device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • This fuel injection device 1 is used in a combustor of a gas turbine engine, mixes fuel with compressed air supplied from a compressor of the gas turbine engine, burns it in a combustion chamber E of the combustor, and is generated by the combustion.
  • the high-temperature and high-pressure combustion gas is sent to the turbine to drive the turbine.
  • a plurality of fuel injection devices 1 according to the present embodiment are arranged at equal intervals so as to be concentric with an engine rotation axis (not shown).
  • combustion chamber E side in the direction of the axis C of the fuel injection device 1 is called a rear side, and the opposite side is called a front side.
  • Front and front attached to the names of elements constituting the embodiment have the same meaning.
  • the fuel injection device 1 is concentric with the pilot fuel injection valve 3 disposed on the rotation axis C of the fuel injection device 1 and the axis C of the pilot fuel injection valve 3 so as to surround the outer periphery of the pilot fuel injection valve 3.
  • the main fuel injection valve 5 is provided.
  • the fuel for diffusion combustion injected from the pilot fuel injection valve 3 is mixed with the air that has passed through the pilot unit swirler SW1 and supplied to the combustion chamber E of the combustor.
  • the fuel for lean combustion injected from the main fuel injection valve 5 is premixed with the air that has passed through the main outer swirler SW2 and the main inner swirler SW3, and is supplied to the combustion chamber E as a lean premixed gas. .
  • Each fuel injection device 1 is supported by a housing (not shown) of a combustor by a stem portion 9 that forms a fuel piping unit U.
  • the fuel piping unit U supplies a first fuel introduction system F1 for introducing fuel for diffusion combustion supplied to the pilot fuel injection valve 3 and a fuel for lean premixed combustion supplied to the main fuel injection valve 5.
  • a second fuel introduction system F2 to be introduced.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of a part of the structure of the fuel injection device 1.
  • the fuel injection device 1 includes the pilot fuel injection valve 3 located in the center portion in the radial direction and the main fuel injection valve disposed on the outer side in the radial direction of the fuel injection device 1, that is, on the outer periphery of the pilot fuel injection valve 3.
  • the main fuel injection valve 5 includes a fuel introduction area 11 for introducing fuel into the main fuel injection valve 5 and an annular fuel circulation area for allowing the fuel introduced from the fuel introduction area 11 to flow in the circumferential direction of the main fuel injection valve 5. 13.
  • the fuel introduction area 11 is connected to the fuel piping unit U.
  • the main fuel injection valve 5 forms a fuel flow path forming body 15 that forms an annular fuel flow path forming section, and an inner ring portion that is located on the inner peripheral side of the fuel flow path forming body 15 (fuel flow path forming section). And an outer ring 19 that forms an outer ring portion located on the outer peripheral side of the fuel flow path forming body 15 (fuel flow path forming portion).
  • the fuel flow path forming body 15 includes a cylindrical fuel flow path forming body annular portion 15a that forms the fuel flow region 13, and a fuel introduction area that protrudes forward in the axial direction from the fuel flow path forming body annular portion 15a. 11 and a fuel flow path forming body base end portion 15b.
  • a plurality of through holes in the axial direction are formed in the circumferential direction on the rear end surface of the fuel flow path forming body 15, and these through holes function as main fuel injection holes 21 for injecting fuel rearward in the axial direction. .
  • Each main fuel injection hole 21 is formed in a main fuel injection nozzle 23 protruding in the axial direction.
  • An inner circumferential circumferential groove 25 extending over the entire circumference is formed on the inner circumferential surface of the fuel flow path forming body annular portion 15a.
  • An outer circumferential side circumferential groove 27 extending over the entire circumference is formed on the outer circumferential surface of the fuel flow path forming body annular portion 15a.
  • An inner circumferential axial center groove 29 extending in the axial direction is formed on the inner circumferential surface of the fuel flow path forming body base end portion 15b.
  • An outer peripheral side axial groove 31 extending in the axial direction is formed on the outer peripheral surface of the fuel flow path forming body base end portion 15b.
  • the inner ring 17 includes an inner ring annular portion 17a that forms the fuel circulation region 13, and an inner ring introduction portion 17b that protrudes in the axial direction from the inner ring annular portion 17a and forms the fuel introduction region 11.
  • the outer ring 19 includes an outer ring annular portion 19a that forms the fuel circulation region 13, and an outer ring introduction portion 19b that protrudes in the axial direction from the outer ring annular portion 19a to form the fuel introduction region 11. have.
  • the inner ring annular portion 17 a covers the inner circumferential side circumferential groove 25 of the fuel flow path forming body 15, and the inner ring introducing portion 17 b forms the inner circumferential side axial center groove 29 of the fuel flow path forming body 15. It is arranged to cover.
  • the space formed between the fuel flow path forming body 15 and the inner ring 17 is the pilot.
  • An annular pilot fuel supply passage 33 for supplying fuel to the fuel injection valve 3 is formed.
  • the outer ring annular portion 19 a covers the outer circumferential side circumferential groove 27 of the fuel flow path forming body 15, and the outer ring introduction portion 19 b forms the outer circumferential side axial center groove 31 of the fuel flow path forming body 15. It is arranged to cover.
  • the space formed between the fuel flow path forming body 15 and the outer ring 19 (that is, the space in the outer circumferential side circumferential groove 27 and the outer circumferential side axial groove 31) is formed in the main fuel injection valve 5.
  • An annular main fuel supply passage 35 for supplying fuel is formed.
  • the pilot fuel supply passage 33 is configured to be located radially inside the main fuel supply passage 35.
  • the space between the fuel flow path forming body 15 located on the radially inner side and the inner ring 17 serves as the main fuel supply path 35, and the space between the fuel flow path forming body 15 located on the radially outer side and the outer ring 19. May be formed as a pilot fuel supply passage 33.
  • the fuel injection device 1 is further provided with a main housing 37 that covers the main fuel injection valve 5.
  • the main housing 37 supports the main fuel injection valve 5 via a support ring 41 described later.
  • the main housing 37 blocks heat transfer from the surrounding high-temperature air to the main fuel injection valve 5.
  • the main housing 37 includes a bottom wall portion 37a that forms the front portion of the fuel injection device 1, an inner cylinder portion 37b that covers the radially inner side of the main fuel injection valve 5, and a rear wall portion 37c that covers the rear portion of the inner cylinder portion 37b. And an outer cylinder portion 37d that is provided rearward from the outer peripheral end of the rear wall portion 37c and covers the radially outer side of the main fuel injection valve 5.
  • the bottom wall portion 37 a is provided integrally with the stem portion 9.
  • a plurality of injection ports for injecting fuel from the main fuel injection nozzle 23 are provided at equal intervals in the circumferential direction at a portion corresponding to the main fuel injection nozzle 23 of the rear wall portion 37c of the main housing 37. .
  • the outer cylinder part 37d is firmly joined to the bottom wall part 37a by, for example, welding.
  • the support ring 41 is formed as a cylindrical member having an axial direction dimension substantially the same as the axial length from the rear end face of the main fuel injection valve 5 to the front end face of the main housing 37.
  • the front end portion of the support ring 41 is provided with a flange-shaped front end flange portion 45 that protrudes toward the inner diameter side.
  • the front end flange 45 has two steps that increase in diameter toward the rear.
  • the rear end portion of the support ring 41 is provided with a flange-like rear end flange portion 47 that protrudes toward the outer diameter side.
  • the front end of the support ring 41 formed in this way is supported by the main housing 37.
  • the outer peripheral surface 41a of the front end portion of the support ring 41 is joined to the inner peripheral edge portion of the bottom wall portion 37a of the main housing 37 by, for example, brazing, and the front end portion of the inner cylindrical portion 37b of the main housing 37 is connected.
  • the support ring 41 is supported by the main housing 37 by being fitted to the front side step portion 45 a of the front end flange 45 of the support ring 41.
  • a radial gap G ⁇ b> 1 is formed between the support ring 41 and the main housing 37.
  • the inner end of the support ring 41 is supported while the front end portion of the support ring 41 is supported by the main housing 37.
  • a radial gap G1 corresponding to the radial step of the rear stepped portion 45b of the front end flange 45 is formed.
  • the main fuel injection valve 5 is supported at the rear end of the support ring 41.
  • the rear end portion 47 of the support ring 41 is fitted with the rear end portion of the inner ring 17 of the main fuel injection valve 5 from the front.
  • a contact edge portion 17 c that slightly protrudes inward in the radial direction and contacts the rear end flange portion 47 is formed at the rear end portion of the inner ring 17. Therefore, the rear end portion of the main fuel injection valve 5 is supported by the rear end portion of the support ring 41. In this state, a radial gap G ⁇ b> 2 is formed between the support ring 41 and the main fuel injection valve 5.
  • a radial direction corresponding to the protruding height of the contact edge portion 17 c is provided between the outer peripheral surface of the support ring 41 and the inner peripheral surface of the main fuel injection valve 5 (that is, the inner peripheral surface of the inner ring 17).
  • a gap G2 is formed.
  • the portion of the main fuel injection valve 5 that forms the annular fuel flow area 13 is supported by the main housing 37 only when the rear end portion is supported by the rear end portion of the support ring 41. In other words, there are also gaps between the front end surface, outer peripheral surface and rear end surface of the main fuel injection valve 5 and the inner wall surface of the main housing 37.
  • the structure in which the front end portion of the support ring 41 is supported by the main housing 37 is not limited to the illustrated example.
  • the front end portion of the support ring 41 is formed in a straight line without providing the front end flange portion 45, and the front end portion of the support ring 41 contacts the bottom wall portion 37 a and the inner cylinder portion 37 b of the main housing 37 in the radial direction.
  • the structure in which the support ring 41 supports the main fuel injection valve 5 is not limited to the illustrated example.
  • the rear end portion of the support ring 41 is fitted to the front end portion of the main fuel injection valve 5 or the central portion in the axial center C direction. You may comprise so that it may support.
  • the structure in which the support ring 41 supports the main fuel injection valve 5, that is, the connection structure between the inner ring 17 and the support ring 41 is not limited to fitting. For example, it may be fixed by welding or brazing, or the inner ring 17 and the support ring 41 may be formed as a single object. Or it is good also as a structure which contacts the inner ring 17 and the support ring 41 so that a slide to the axial center C direction is possible. In this case, the support ring 41 supports the main fuel injection valve 5 in the radial direction.
  • the main housing 37 which is likely to become high temperature due to the surrounding compressed air introduced from the compressor, and the main fuel injection valve 5 cooled by the circulation of the pilot fuel are connected in a separated state, thereby supporting the main housing 37.
  • production of the stress resulting from the thermal expansion difference in the support ring 41 which is a member can be suppressed.
  • the main fuel injection valve 5 can be firmly supported against mechanical vibration. It becomes possible.
  • a radial gap G1 is formed between the main housing 37 and the support ring 41, and a radial gap G2 is formed between the support ring 41 and the main fuel injection valve 5 so that air is interposed in each gap.
  • the heat of the main housing 37 that is likely to become high temperature is suppressed from being conducted to the main fuel injection valve 5, particularly the main fuel supply path 35.
  • the occurrence of coking in the main fuel supply path 35 is suppressed.
  • the gap G2 may be omitted.
  • a pilot fuel introduction passage 51 for introducing fuel into the pilot fuel injection valve 3 is formed on the downstream side of the pilot fuel supply passage 33. More specifically, an inner circumferential lead-out groove 53 extending in parallel with the inner circumferential axial center groove 29 is formed on the inner circumferential surface of the base end portion 15 b of the fuel flow path forming body 15. A pilot fuel lead-out pipe 55 that forms the pilot fuel introduction path 51 is disposed radially inward from the downstream end of the pilot fuel supply path 33 formed by the lead-out groove 53.
  • the pilot fuel introduction path 51 (pilot fuel outlet pipe 55) is covered with a pilot housing 57.
  • the pilot housing 57 is formed as a substantially L-shaped tubular member corresponding to the shapes of the pilot fuel introduction passage 51 and the pilot fuel injection valve 3.
  • the pilot fuel injection valve 3 is attached to the pilot housing 57 so as to be slidable in the direction of the axis C.
  • the pilot fuel injection valve 3 includes a pilot fuel injection valve support pipe 59 that extends along the axis C and forms a downstream portion of the pilot fuel introduction path 51, and a pilot fuel injection supported by the pilot fuel injection valve support pipe 59.
  • Nozzle 61 The pilot fuel injection nozzle 61 has a pilot fuel injection hole 63 that communicates with the pilot fuel introduction passage 51 and injects fuel introduced from the pilot fuel introduction passage 51.
  • the pilot fuel injection nozzle 61 according to the present embodiment is formed with a plurality (four in the illustrated example) of fuel injection holes 63 extending radially in the radial direction.
  • the pilot fuel injection valve support pipe 59 has a fitting recess 59a that is recessed in the axial direction of the support pipe at the downstream end (that is, the rear end).
  • the pilot fuel injection nozzle 61 is provided. And the pilot fuel injection valve support pipe 59 are connected.
  • the outer diameter of the downstream end portion of the pilot fuel injection valve support pipe 59 is larger than the other part of the pilot fuel injection valve support pipe 59 and the downstream end portion of the pilot fuel injection valve support pipe 59
  • the pilot housing 57 is formed to have a diameter slightly smaller than the inner diameter of the rear end portion of the pilot housing 57.
  • the main fuel injection valve 5 is configured as the axial injection type, thereby suppressing the radial dimension of the device, and the annular fuel flow path forming body. 15.
  • the pilot fuel supply passage 33 and the main fuel supply passage 35 are formed by the inner ring 17 and the outer ring 19, when the main fuel supply passage 35 is not used, for example, by the fuel flowing through the pilot fuel supply passage 33 at the time of low output
  • the main fuel supply path 35 can be cooled. That is, it becomes possible to effectively prevent coking of the main fuel supply path 35 with a simple structure.

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Abstract

 ガスタービン燃焼器用の燃料噴射装置(1)において、当該燃料噴射装置の軸心(C)上に配置されたパイロット燃料噴射弁(3)と、このパイロット燃料噴射弁の外周を取り囲む環状のメイン燃料噴射弁(5)と、軸心方向後方に燃料を噴射する複数のメイン燃料噴射孔(21)とを設け、前記メイン燃料噴射弁(5)が、燃料流路形成部(15)と、燃料流路形成部の内周側に位置するインナリング部(17)および外周側に位置するアウタリング部(19)とを有し、前記燃料流路形成部と前記インナリング部との間の空間および前記燃料流路形成部と前記アウタリング部との間の空間のうちの一方が環状のパイロット燃料供給路(33)を形成し、他方が環状のメイン燃料供給路(35)を形成している。

Description

燃料噴射装置 関連出願
 本出願は、2014年8月18日出願の特願2014-165803の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
 本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器に用いられる、燃料噴射弁を備えた燃料噴射装置に関する。
 近年、環境への配慮からガスタービンエンジンから排出されるNOx(窒素酸化物)などの有害物質を低減することが求められている。従来の航空機用ガスタービン燃焼器の燃料噴射弁の方式として、拡散燃焼方式が知られている。この拡散燃焼方式では、燃焼反応が量論比で行われるため、火炎温度が高くなる。NOxの排出量は火炎温度に対して指数的に増加する性質をもつため、火炎温度を下げることがNOxの排出量を抑えるための効果的な対策となる。しかし、ガスタービンエンジンの高温高圧化が進む現状では、従来の拡散燃焼方式によってNOxの排出量を抑えることには限界がある。
 火炎温度を抑えるためには、希薄燃焼方式の燃料噴射弁が有効であるとされている。希薄燃焼とは、空気に対する燃料の割合を少なくして燃焼させる方法である。この希薄燃焼方式を用いることで、従来の拡散燃焼方式よりも大きく火炎温度を下げることができる。一方で、希薄燃焼方式では火炎温度が低いため、不安定で不完全な燃焼になる傾向がある。そこで、内側にパイロット燃料噴射弁を、外側にメイン燃料噴射弁を同心状に配置したコンセントリック型の燃料噴射装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。このコンセントリック型の燃料噴射装置は、低出力時にはパイロット燃料噴射弁による拡散燃焼方式を用いることにより安定な燃焼を保ちつつ、高出力時にはパイロット燃料噴射弁での拡散燃焼に加えてメイン燃料噴射弁で希薄燃焼を行い、低NOxを実現する。
米国特許第6898926号明細書
 しかし、コンセントリック型燃料噴射装置では、高出力時にはメイン燃料噴射弁とパイロット燃料噴射弁の両方を動作させるが、低出力時にはパイロット燃料噴射弁のみを動作させ、メイン燃料噴射弁を動作させない。このため、メイン燃料噴射弁を動作させない低出力時には、メイン燃料噴射弁の燃料管内の燃料は流通しない。そのため、低出力時には、メイン燃料噴射弁の周囲を流れる高温空気の熱によってメイン燃料噴射弁の燃料管内に残留した燃料のコーキングが発生し、燃料管が詰まることがある。
 他方で、特許文献1に記載された、メイン燃料噴射弁から径方向外側に燃料を噴射するタイプの燃料噴射装置では、径方向寸法の増大が不可避であり、小型の燃料噴射装置が要求される用途には不向きである。
 本発明の目的は、上記の課題を解決するために、メイン燃料噴射弁を、径方向に小型化できる構成としながら、メイン燃料噴射弁内のコーキングを効果的に防止できる燃料噴射装置を提供することにある。
 上記目的を達成するために、本発明に係る燃料噴射装置は、ガスタービンの燃焼器に用いられる燃料噴射装置であって、当該燃料噴射装置の軸心上に配置されたパイロット燃料噴射弁と、前記パイロット燃料噴射弁と同心状に配置されて、このパイロット燃料噴射弁の外周を取り囲む環状のメイン燃料噴射弁と、前記メイン燃料噴射弁に、周方向に離間して配置されて軸心方向後方に燃料を噴射する複数のメイン燃料噴射孔とを備え、前記メイン燃料噴射弁が、環状の燃料流路形成部と、この燃料流路形成部の内周側に位置するインナリング部と、前記燃料流路形成部の外周側に位置するアウタリング部とを有し、前記燃料流路形成部と前記インナリング部との間の空間および前記燃料流路形成部と前記アウタリング部との間の空間のうちの一方の空間が前記パイロット燃料噴射弁に燃料を供給する環状のパイロット燃料供給路を形成し、他方の空間が前記メイン燃料噴射弁の燃料噴射孔に燃料を供給する環状のメイン燃料供給路を形成している。
 この構成によれば、メイン燃料噴射弁を軸方向噴射タイプとして構成することにより装置の径方向寸法を抑えながら、環状の燃料流路形成部、インナリング部およびアウタリング部でパイロット燃料供給路およびメイン燃料供給路を形成することにより、メイン燃料供給路を使用しない場合、例えば低出力時に、パイロット燃料供給路を流れる燃料によってメイン燃料供給路を冷却できる。すなわち、簡易な構造で効果的にメイン燃料供給路のコーキングを防止することが可能となる。
 本発明の一実施形態において、前記パイロット燃料供給路が、前記メイン燃料供給路の径方向内側に位置していることが好ましい。この構成によれば、径方向内側に配置されるパイロット燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料供給路の構成が簡略化される。
 本発明の一実施形態において、さらに、前記メイン燃料噴射弁を覆うメインハウジングと、前記メインハウジングの内方に配置されて前端部が前記メインハウジングに支持され、後端部が前記メイン燃料噴射弁を支持するサポートリングとを備えていることが好ましい。この構成によれば、メインハウジングとメイン燃料噴射弁とを離間させた状態で連結することにより、支持部材であるサポートリングにおける熱伸び差に起因する応力の発生を抑制できる。さらに、環状部材であるサポートリングによってメイン燃料噴射弁をメインハウジングに対して周状に支持することにより、機械的な振動に対しても強固に支持することができる。
 本発明の一実施形態において、さらに、前記パイロット燃料供給路の下流側に形成され、前記パイロット燃料噴射弁に燃料を導入するパイロット燃料導入路と、前記パイロット燃料導入路を覆うパイロットハウジングとを備え、前記パイロット燃料噴射弁が、前記パイロットハウジングに対して軸方向に摺動可能に取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、パイロット燃料噴射弁の支持において熱伸びを回避することができる。
 請求の範囲および/または明細書および/または図面に開示された少なくとも2つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の2つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
 この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置を示す断面図である。 図1の燃料噴射装置の一部を拡大して示す断面図である。 図1の燃料噴射装置内の燃料の流路を示す模式図である。
 以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置1を示している。この燃料噴射装置1は、ガスタービンエンジンの燃焼器に用いられて、ガスタービンエンジンの圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して燃焼器の燃焼室Eにおいて燃焼させ、その燃焼により発生する高温・高圧の燃焼ガスをタービンに送ってタービンを駆動するためのものである。本実施形態に係る燃料噴射装置1は、図示しないエンジン回転軸心と同心状に、等間隔に複数配設されている。なお、以下の説明において、燃料噴射装置1の軸心C方向における燃焼室E側を後側と呼び、その反対側を前側と呼ぶ。実施形態を構成する要素の名称に付する「後」,「前」も同様の意味である。
 燃料噴射装置1は、燃料噴射装置1の回転軸心C上に配置されたパイロット燃料噴射弁3と、パイロット燃料噴射弁3の外周を取り囲むようにパイロット燃料噴射弁3の軸心Cと同心状に設けられたメイン燃料噴射弁5とを備えている。パイロット燃料噴射弁3から噴射された拡散燃焼用の燃料は、パイロット部スワーラSW1を通過してきた空気と混合されて燃焼器の燃焼室Eへ供給される。一方、メイン燃料噴射弁5から噴射された希薄燃焼用の燃料は、メインアウタスワーラSW2およびメインインナスワーラSW3を通過した空気と予混合されて、希薄な予混合気として燃焼室Eへ供給される。各燃料噴射装置1は、燃料配管ユニットUを形成するステム部9により燃焼器のハウジング(図示せず)に支持されている。燃料配管ユニットUは、パイロット燃料噴射弁3に供給される拡散燃焼のための燃料を導入する第1燃料導入系統F1と、メイン燃料噴射弁5に供給される希薄予混合燃焼のための燃料を導入する第2燃料導入系統F2とを備えている。
 図2は、燃料噴射装置1の一部の構造を拡大して示す。燃料噴射装置1は、上述のように、径方向中心部に位置するパイロット燃料噴射弁3と、燃料噴射装置1の径方向外側、つまりパイロット燃料噴射弁3の外周に配置されたメイン燃料噴射弁5とを備えている。メイン燃料噴射弁5は、燃料をメイン燃料噴射弁5内に導入する燃料導入域11と、燃料導入域11から導入された燃料をメイン燃料噴射弁5の周方向に流通させる環状の燃料流通域13とを有している。燃料導入域11は、燃料配管ユニットUに接続されている。
 メイン燃料噴射弁5は、環状の燃料流路形成部を形成する燃料流路形成体15と、燃料流路形成体15(燃料流路形成部)の内周側に位置するインナリング部を形成するインナリング17と、燃料流路形成体15(燃料流路形成部)の外周側に位置するアウタリング部を形成するアウタリング19とを備えている。
 燃料流路形成体15は、燃料流通域13を形成する円筒状の燃料流路形成体環状部15aと、この燃料流路形成体環状部15aから軸心方向前方に突設されて燃料導入域11を形成する燃料流路形成体基端部15bとを有している。燃料流路形成体15の後端面には、軸心方向の貫通孔が周方向に複数形成されており、これら貫通孔が、軸心方向後方に燃料を噴射するメイン燃料噴射孔21として機能する。各メイン燃料噴射孔21は、軸心方向に突設されたメイン燃料噴射ノズル23内に形成されている。
 燃料流路形成体環状部15aの内周面には、全周に渡って延びる内周側周方向溝25が形成されている。燃料流路形成体環状部15aの外周面には、全周に渡って延びる外周側周方向溝27が形成されている。また、燃料流路形成体基端部15bの内周面には、軸心方向に延びる内周側軸心方向溝29が形成されている。燃料流路形成体基端部15bの外周面には、軸心方向に延びる外周側軸心方向溝31が形成されている。
 インナリング17は、燃料流通域13を形成するインナリング環状部17aと、このインナリング環状部17aから軸心方向に突設されて燃料導入域11を形成するインナリング導入部17bとを有している。同様に、アウタリング19は、燃料流通域13を形成するアウタリング環状部19aと、このアウタリング環状部19aから軸心方向に突設されて燃料導入域11を形成するアウタリング導入部19bとを有している。
 インナリング17は、インナリング環状部17aが燃料流路形成体15の内周側周方向溝25を覆い、インナリング導入部17bが燃料流路形成体15の内周側軸心方向溝29を覆うように配置されている。この配置により燃料流路形成体15とインナリング17との間に形成された空間(つまり、内周側周方向溝25内の空間および内周側軸心方向溝29内の空間)が、パイロット燃料噴射弁3に燃料を供給する環状のパイロット燃料供給路33を形成している。
 一方、アウタリング19は、アウタリング環状部19aが燃料流路形成体15の外周側周方向溝27を覆い、アウタリング導入部19bが燃料流路形成体15の外周側軸心方向溝31を覆うように配置されている。この配置によって燃料流路形成体15とアウタリング19との間に形成された空間(つまり、外周側周方向溝27および外周側軸心方向溝31内の空間)が、メイン燃料噴射弁5に燃料を供給する環状のメイン燃料供給路35を形成している。
 なお、本実施形態では、メイン燃料噴射弁5の径方向内側にパイロット燃料噴射弁3が配置されている構成を考慮して、燃料供給系統の構造を簡略化するために、図3に示すようにパイロット燃料供給路33がメイン燃料供給路35の径方向内側に位置するように構成している。もっとも、径方向内側に位置する燃料流路形成体15とインナリング17との間の空間をメイン燃料供給路35とし、径方向外側に位置する燃料流路形成体15とアウタリング19との間の空間をパイロット燃料供給路33として形成してもよい。
 図2に示すように、燃料噴射装置1には、さらに、メイン燃料噴射弁5を覆うメインハウジング37が設けられている。メインハウジング37は、後述のサポートリング41を介してメイン燃料噴射弁5を支持する。メインハウジング37によって、メイン燃料噴射弁5に対する周囲の高温空気からの熱伝達が遮られる。
 メインハウジング37は、燃料噴射装置1の前部を形成する底壁部37aと、メイン燃料噴射弁5の径方向内側を覆う内筒部37bと、内筒部37bの後部を覆う後壁部37cと、後壁部37cの外周端から後方に設けられてメイン燃料噴射弁5の径方向外側を覆う外筒部37dとからなる。底壁部37aは、ステム部9に一体的に設けられている。メインハウジング37の後壁部37cの前記メイン燃料噴射ノズル23に対応する部分には、メイン燃料噴射ノズル23からの燃料を噴射するための複数の噴射口が周方向に等間隔に設けられている。また、外筒部37dは、底壁部37aに、例えば溶接によって強固に接合されている。
 サポートリング41は、メイン燃料噴射弁5の後端面からメインハウジング37の前端面までの軸心方向長さとほぼ同じ軸心方向寸法を有する円筒状の部材として形成されている。サポートリング41の前端部には、内径側に突出する鍔状の前端鍔部45が設けられている。本実施形態では、前端鍔部45は、後方に向かって順に大径となる二段の段差を有している。一方、サポートリング41の後端部には、外径側に突出する鍔状の後端鍔部47が設けられている。
 このように形成されたサポートリング41は、その前端部がメインハウジング37に支持されている。詳細には、サポートリング41の前端部の外周面41aをメインハウジング37の底壁部37aの内周縁部に、例えばろう付けによって接合し、かつ、メインハウジング37の内筒部37bの前端部をサポートリング41の前端鍔部45の前側段差部45aに嵌合させることにより、サポートリング41がメインハウジング37に支持されている。また、サポートリング41とメインハウジング37との間には、径方向隙間G1が形成されている。詳細には、サポートリング41の前端鍔部45は上述のように二段の段差を有しているので、サポートリング41の前端部がメインハウジング37に支持された状態で、サポートリング41の内周面とメインハウジング37の内筒部の外周面との間には、前端鍔部45の後側段差部45bの径方向段差に相当する径方向隙間G1が形成されている。
 一方、サポートリング41の後端部に、メイン燃料噴射弁5が支持されている。詳細には、サポートリング41の後端鍔部47には、前方からメイン燃料噴射弁5のインナリング17の後端部が嵌合している。本実施形態では、インナリング17の後端部に径方向内側にわずかに突出して前記後端鍔部47に当接する当接縁部17cが形成されている。したがって、メイン燃料噴射弁5の後端部がサポートリング41の後端部に支持されている。この状態で、サポートリング41とメイン燃料噴射弁5との間には、径方向隙間G2が形成されている。詳細には、サポートリング41の外周面とメイン燃料噴射弁5の内周面(つまりインナリング17の内周面)との間には、当接縁部17cの突出高さに相当する径方向隙間G2が形成されている。なお、メイン燃料噴射弁5の環状の燃料流通域13を形成する部分は、その後端部がサポートリング41の後端部に支持されることによってのみメインハウジング37に支持されている。換言すれば、メイン燃料噴射弁5の前端面、外周面および後端面とメインハウジング37の内壁面の間にも隙間が存在する。
 なお、サポートリング41の前端部がメインハウジング37に支持される構造は、図示の例に限定されない。例えば、サポートリング41の前端部に前端鍔部45を設けずに直線状に形成して、サポートリング41の前端部がメインハウジング37の底壁部37aおよび内筒部37bに径方向に接触するように構成してもよい。このように構成した場合には、メインハウジング37とサポートリング41との間の軸心C方向のスライドによって、熱伸びによる軸心C方向の応力の発生を抑制することができる。また、サポートリング41がメイン燃料噴射弁5を支持する構造は、図示の例に限定されない。例えば、メイン燃料噴射弁5とサポートリング41との寸法の大小関係に応じて、サポートリング41の後端部が、メイン燃料噴射弁5の前端部や軸心C方向中央部に嵌合して支持するように構成してもよい。また、サポートリング41がメイン燃料噴射弁5を支持する構造、つまりインナリング17とサポートリング41との接続構造は、嵌合に限定されない。例えば、溶接やろう付けなどで固定してもよいし、インナリング17とサポートリング41とを単一物として形成してもよい。あるいは、インナリング17とサポートリング41とを軸心C方向へスライド可能に接触する構成としてもよい。この場合、サポートリング41は、メイン燃料噴射弁5を径方向に支持する。
 このように、圧縮機から導入される周囲の圧縮空気により高温になり易いメインハウジング37と、パイロット燃料の流通によって冷却されるメイン燃料噴射弁5とを離間させた状態で連結することにより、支持部材であるサポートリング41における熱伸び差に起因する応力の発生を抑制できる。さらに、環状部材であるサポートリング41によってメイン燃料噴射弁5をメインハウジング37に対して周状に支持することにより、メイン燃料噴射弁5を機械的な振動に対しても強固に支持することが可能となる。
 また、メインハウジング37とサポートリング41との間に径方向隙間G1を形成し、サポートリング41とメイン燃料噴射弁5との間に径方向隙間G2を形成して、各隙間に空気を介在させることにより、高温になり易いメインハウジング37の熱がメイン燃料噴射弁5、特にメイン燃料供給路35へ伝導することが抑制される。その結果、メイン燃料供給路35におけるコーキングの発生が抑制される。なお、熱伝導抑制の観点から、サポートリング41とメイン燃料噴射弁5との間に、隙間G2を形成することが望ましいが、サポートリング41とメイン燃料噴射弁5のインナリング17とが直接接触する構成とし、隙間G2を省略してもよい。
 パイロット燃料供給路33の下流側には、パイロット燃料噴射弁3に燃料を導入するパイロット燃料導入路51が形成されている。詳細には、燃料流路形成体15の基端部15bの内周面に、内周側軸心方向溝29に平行に延びる内周側導出用溝53が形成されており、この内周側導出用溝53によって形成されるパイロット燃料供給路33の下流端部から径方向内側に、パイロット燃料導入路51を形成するパイロット燃料導出管55が配設されている。
 パイロット燃料導入路51(パイロット燃料導出管55)は、パイロットハウジング57によって覆われている。このパイロットハウジング57は、パイロット燃料導入路51およびパイロット燃料噴射弁3の形状に対応するほぼL字形状の管状部材として形成されている。パイロット燃料噴射弁3は、パイロットハウジング57に対して軸心C方向に摺動可能に取り付けられている。
 パイロット燃料噴射弁3は、軸心Cに沿って延びる、パイロット燃料導入路51の下流部を形成するパイロット燃料噴射弁支持管59と、このパイロット燃料噴射弁支持管59に支持されたパイロット燃料噴射ノズル61とを有している。パイロット燃料噴射ノズル61は、パイロット燃料導入路51に連通して、パイロット燃料導入路51から導入された燃料を噴射するパイロット燃料噴射孔63を有している。本実施形態に係るパイロット燃料噴射ノズル61には、図3に示すように、径方向に放射状に延びる複数(図示の例では4つ)の燃料噴射孔63が形成されている。
 パイロット燃料噴射弁支持管59は、その下流側端部(つまり後端部)に、この支持管の軸心方向に凹む嵌合凹部59aを有している。パイロット燃料噴射弁支持管59の嵌合凹部59aに、パイロット燃料噴射ノズル61の上流側端部(つまり前端部)に形成された嵌合凸部61aを嵌合させることにより、パイロット燃料噴射ノズル61とパイロット燃料噴射弁支持管59とが連結されている。
 また、パイロット燃料噴射弁支持管59の下流側端部の外径は、パイロット燃料噴射弁支持管59の他の部分よりも大径に、かつ、パイロット燃料噴射弁支持管59の下流側端部を覆うパイロットハウジング57の後端部の内径よりもわずかに小径に形成されている。このようにして、パイロット燃料噴射弁3は、パイロット燃料導出管55を介してメインハウジング37に支持されるとともに、パイロットハウジング57によって軸心C方向に摺動可能に支持されている。
 このように、パイロット燃料噴射弁3をパイロットハウジング57に対して軸心C方向に摺動可能に支持することにより、パイロット燃料噴射弁3の支持において熱伸びを回避できる。
 以上説明したように、本実施形態に係る燃料噴射装置1によれば、メイン燃料噴射弁5を軸方向噴射タイプとして構成することにより装置の径方向寸法を抑えながら、環状の燃料流路形成体15、インナリング17およびアウタリング19でパイロット燃料供給路33およびメイン燃料供給路35を形成することにより、メイン燃料供給路35を使用しない場合、例えば低出力時にパイロット燃料供給路33を流れる燃料によってメイン燃料供給路35を冷却できる。すなわち、簡易な構造で効果的にメイン燃料供給路35のコーキングを防止することが可能となる。
 以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
1 燃料噴射装置
3 パイロット燃料噴射弁
5 メイン燃料噴射弁
15 燃料流路形成体(燃料流路形成部)
17 インナリング(インナリング部)
19 アウタリング(アウタリング部)
21 メイン燃料噴射孔
33 パイロット燃料供給流路
35 メイン燃料供給流路
37 メインハウジング
41 サポートリング

Claims (4)

  1.  ガスタービンの燃焼器に用いられる燃料噴射装置であって、
     当該燃料噴射装置の軸心上に配置されたパイロット燃料噴射弁と、
     前記パイロット燃料噴射弁と同心状に配置されて、このパイロット燃料噴射弁の外周を取り囲む環状のメイン燃料噴射弁と、
     前記メイン燃料噴射弁に、周方向に離間して配置されて軸心方向後方に燃料を噴射する複数のメイン燃料噴射孔と、
     を備え、
     前記メイン燃料噴射弁が、環状の燃料流路形成部と、この燃料流路形成部の内周側に位置するインナリング部と、前記燃料流路形成部の外周側に位置するアウタリング部とを有し、
     前記燃料流路形成部と前記インナリング部との間の空間および前記燃料流路形成部と前記アウタリング部との間の空間のうちの一方の空間が前記パイロット燃料噴射弁に燃料を供給する環状のパイロット燃料供給路を形成し、他方の空間が前記メイン燃料噴射弁の燃料噴射孔に燃料を供給する環状のメイン燃料供給路を形成している燃料噴射装置。
  2.  請求項1に記載の燃料噴射装置において、前記パイロット燃料供給路が、前記メイン燃料供給路の径方向内側に位置している燃料噴射装置。
  3.  請求項1に記載の燃料噴射装置において、さらに、
     前記メイン燃料噴射弁を覆うメインハウジングと、
     前記メインハウジングの内方に配置されて前端部が前記メインハウジングに支持され、後端部が前記メイン燃料噴射弁を支持するサポートリングと、
     を備える燃料噴射装置。
  4.  請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料噴射装置において、さらに、
     前記パイロット燃料供給路の下流側に形成され、前記パイロット燃料噴射弁に燃料を導入するパイロット燃料導入路と、
     前記パイロット燃料導入路を覆うパイロットハウジングと、
     を備え、
     前記パイロット燃料噴射弁が、前記パイロットハウジングに対して軸方向に摺動可能に取り付けられている燃料噴射装置。
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