JP5988261B2

JP5988261B2 - 燃料噴射装置

Info

Publication number: JP5988261B2
Application number: JP2012129682A
Authority: JP
Inventors: 竜佐松山; 小林　正佳; 正佳小林; 敦史堀川; 仁志藤原
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: US9109553B2; US20130327849A1; JP2013253738A

Description

本発明は、例えば、ガスタービンエンジンなどに用いられる、複数の燃料ノズルを組み合わせた複合型燃料噴射弁を備えた燃料噴射装置に関するものである。

近年、環境への配慮からガスタービンから排出される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ノズルは拡散燃焼方式であり、同方式では、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が、ガスタービ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、この方法による希薄燃焼では、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にある。そこで、内側にパイロット噴射弁を、外側にメイン噴射弁を同軸上に配置して、パイロット噴射弁で拡散燃焼方式を用いることにより低出力での安定な燃焼を保ちつつ、高出力ではパイロット噴射弁での拡散燃焼に加えてメイン噴射弁で希薄燃焼を行い、低ＮＯｘを実現するコンセントリック燃料噴射弁が用いられている。

コンセントリック燃料噴射弁では、メイン燃料噴射弁の予混合流路内において、空気に燃料を噴射して燃料濃度の希薄な予混合気を形成し、この予混合気を燃焼室内で燃焼させることで、上記の希薄燃焼を実現している。空気に燃料を噴射する構造として、例えば、空気流路の壁面に燃料噴射部を配置し、外径側または内径側に向けて燃料を噴射する構造（例えば、特許文献１、２参照。）、内径側と外径側に配置された２つの空気流路の間に燃料噴射部を配置し、両方の空気流路に燃料を噴射する構造（例えば、特許文献３参照。）、内径側と外径側に配置された２つの空気流路のうちの外径側の空気流路の外側に燃料噴射部を配置し、外径側の空気流路に内径側に向けて燃料を噴射する構造（例えば、特許文献４参照。）等が提案されている。

特許第４６３２３９２号公報特許第４１６２４３０号公報米国特許第６３６３７２６号明細書米国特許第５８１６０４９号明細書

しかしながら、特許文献１、２の装置では、燃料の空気流路までの導出距離が短いため、燃料分布が空気流路の壁面近傍に偏り易く、均一な分布の希薄予混合気を形成できない。また、特許文献３の装置では、予混合気流路の出口で両通路からの予混合気の燃料分布が重なって、やはり均一な分布の希薄予混合気を形成するのが困難である。さらに、特許文献４の装置では、燃料噴射部が燃料噴射装置の最外周部に配置されるので、装置の外径寸法を小型化できない。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、径方向寸法の増大を抑えながら、きわめて均一な燃料分布の予混合気を形成することにより、ＮＯｘ排出量を低減し、かつ安定的に保炎することが可能な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、圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃料噴射装置であって、当該燃料噴射装置の径方向中心部に配置されて、燃焼室内に燃料を噴射するパイロット燃料噴射弁と、予混合気を生成するメイン流路を有し、前記パイロット燃料噴射弁の外周を覆うメイン燃料噴射弁とを備え、前記メイン流路が、径方向外側に配置されて環状の予混合気通路に軸心方向に圧縮空気を流入させるメイン外側空気通路と、径方向内側に配置されて前記予混合気通路に径方向内側から圧縮空気を流入させるメイン内側空気通路とを有し、さらに、前記メイン内側空気通路に軸心方向の上流側から燃料を噴射するメイン燃料噴射孔を有している。

この構成によれば、メイン外側空気通路から軸心方向に流入してきた圧縮空気に、径方向に流入する圧縮空気内に噴射された燃料が混合されるので、メイン流路内での予混合が促進され、燃料分布がきわめて均一な、希薄予混合気が形成される。すなわち、軸方向の主成分を持つ燃料が、メイン内側空気通路を流れる径方向の主成分を持つ空気に対して大きな角度を持って噴射され、混合された後に、径方向の主成分を持つこれらの混合気が、メイン外側空気通路を流れる軸方向の主成分を持つ空気に大きな角度を持って交差する形で合流するので、比較的短い距離で、燃料と空気が十分に予混合される。しかも、燃料を噴射するメイン燃料噴射孔が、メイン燃料噴射弁における径方向内側に配置されるので、装置全体の径方向寸法の増大を抑制できる。

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孔からの燃料の流れに沿うように、軸心方向の上流側から前記メイン内側空気通路に圧縮空気を噴射するガイド空気供給通路を備えていることが好ましい。この構成によれば、ガイド空気供給通路から供給される空気によって、燃料が空気通路やメイン流路の壁面に付着することが防止され、壁面の焼損が防止されるとともに、より確実に均一な予混合気を形成することができる。

本発明の一実施形態において、前記メイン燃料噴射孔は周方向に沿って複数配置されていることが好ましい。この構成によれば、さらに均一な燃料分布の予混合気を形成することができる。

本発明の一実施形態において、圧縮空気を軸心回りに旋回させるスワーラが、前記メイン内側空気通路および前記メイン外側空気通路の少なくとも一方に設けられていることが好ましい。この構成によれば、圧縮空気を軸心回りの旋回流とすることにより、一層均一な燃料分布の予混合気を形成することができる。

本発明の燃料噴射装置によれば、径方向寸法の増大を抑えながら、きわめて均一な燃料分布の予混合気を形成して、ＮＯｘ排出量を低減しながら安定的な燃焼を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置を備えたガスタービンエンジンの燃焼器を示す断面図である。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２の空気噴射ユニットを拡大して示す断面図である。図２のメイン燃料噴射弁を拡大して示す断面図である。

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を備えたガスタービンエンジンの燃焼器ＣＢを示している。この燃焼器ＣＢは、ガスタービンエンジンの図示しない圧縮機から供給される圧縮空気ＣＡに燃料を混合して燃焼させ、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ものである。

燃焼器ＣＢはアニュラ型であり、エンジン回転軸心Ｃと同心状に配置された、環状のアウタケーシング３とその内側の環状のインナケーシング５とにより、環状の内部空間を有する燃焼器ハウジング７を構成している。この燃焼器ハウジング７の環状の内部空間には、環状の燃焼筒９が燃焼器ハウジング７と同心状に配置されている。燃焼筒９は、環状のアウタライナ１１と、その内側に同心状に配置された環状のインナライナ１３とで構成されており、内部に環状の燃焼室１５を形成している。燃焼筒９の頂壁に、燃焼室１５内に燃料を噴射する複数の燃料噴射装置１が、エンジン回転軸心Ｃと同心状に、つまり燃焼筒９の周方向に、等間隔に配設されている。

各燃料噴射装置１は、パイロット噴射弁２１と、メイン噴射弁２３とを備えている。メイン噴射弁２３は、パイロット噴射弁２１の外周を囲むようにパイロット噴射弁２１の軸心Ｃ１と同心状に設けられて予混合気を生成する。各燃料噴射装置１は、燃焼器ハウジング７に取り付けられたステム部２６により燃焼器ハウジング７に支持されている。アウタケーシング３およびアウタライナ１１を貫通して、着火を行うための点火栓ＩＧが、燃焼筒９の径方向を向き、かつ先端が燃料噴射装置１に近接する配置で設けられている。

燃焼器ハウジング７の環状の内部空間には、圧縮機から送給される圧縮空気ＣＡが、エンジン回転軸心Ｃの回りに周方向に等間隔で配置された複数の空気取入管２７を介して導入される。導入された圧縮空気ＣＡは、燃料噴射装置１に供給されるとともに、燃焼筒９のアウタライナ１１およびインナライナ１３にそれぞれ複数形成された空気導入口から燃焼室１５内に供給される。ステム部２６は燃料配管ユニットＵを形成しており、この燃料配管ユニットＵは、パイロット噴射弁２１に拡散燃焼のための燃料を供給する第１燃料供給系統Ｆ１と、メイン噴射弁２３に希薄予混合燃焼のための燃料を供給する第２燃料供給系統Ｆ２とを備えている。

図２に、燃料噴射装置１の構造の詳細を示す。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２１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２１の外周に配置されたメイン燃料噴射弁２３とを備えており、さらに、パイロット燃料噴射弁２１の出口端部とメイン燃料噴射弁２３との間に設けられた空気噴射ユニット２５を備えている。

パイロット燃料噴射弁２１は、ステム部２６に連結されて燃料を噴射するパイロット燃料噴射ブロック３１と、パイロット燃料噴射ブロック３１の径方向外側に設けられて、圧縮空気ＣＡを供給する空気供給部３３と、パイロット燃料噴射ブロック３１からの燃料および空気供給部３３からの圧縮空気ＣＡを予混合して燃焼室１５内に噴射するパイロット流路３５を形成するテーパ状のパイロットノズル３７とを有している。パイロット燃料噴射ブロック３１の内部には、径方向中央部に、燃料の通路となる燃料供給路３９が形成されている。パイロット燃料噴射ブロック３１の燃料供給路３９は、ステム部２６内に形成された、燃料の通路となる第１燃料導入通路４１に連通している。

より詳細には、パイロット燃料噴射ブロック３１の径方向外側に、内側筒状体４３が配置され、内側筒状体４３の径方向外側に、外側筒状体４５が配置され、さらに外側筒状体４５の径方向外側に、下流側の先端部が前記パイロットノズル３７として形成された円筒状のパイロットシュラウド４７が配置されている。このパイロットシュラウド４７により、パイロット燃料噴射弁２１と、その外側の空気噴射ユニット２５とが区画されている。内側筒状体４３および外側筒状体４５の先端部（下流側端部）は、それぞれ、下流側に向かって縮径となるテーパ状に形成されている。

パイロット燃料噴射ブロック３１には、径方向に延びる燃料噴射孔４９が複数設けられている。また、内側筒状体４３と外側筒状体４５の間には、パイロット内側空気通路５３が形成され、外側筒状体４５とパイロットシュラウド４７との間には、パイロット外側空気通路５５が形成されている。これら空気通路５３，５５が、空気供給部３３を形成している。各空気通路５３，５５の上流部には、それぞれ、圧縮空気ＣＡを軸心回りに旋回させるパイロット内側スワーラＳ１およびパイロット外側スワーラＳ２が設けられている。燃料噴射孔４９から噴射された燃料は、空気通路５３，５５から流入した圧縮空気ＣＡとともに下流側に送られる。

パイロットシュラウド４７と、このパイロットシュラウド４７の径方向外側に配置された、メイン燃料噴射弁２３の内周壁を形成するメイン内側シュラウド６１との間に、空気噴射ユニット２５が形成されている。パイロット燃料噴射弁２１のパイロットシュラウド４７と、メイン燃料噴射弁２３のメイン内側シュラウド６１とは、環状の区隔壁６３によって連結されている。区隔壁６３は、メイン内側シュラウド６１に一体形成されており、パイロットシュラウド４７のパイロットノズル３７の出口端部３７ａ近傍となる軸方向位置に設けられている。この区隔壁６３には、軸心方向の貫通孔である導出口６５が、周方向の複数個所に設けられている。区隔壁６３の導出口６５を介して、区隔壁６３の上流側に形成された圧縮空気ＣＡの圧縮空気通路６７を通過した圧縮空気ＣＡが、区隔壁６３の下流側に形成された貯留空間６９へ導出される。

空気噴射ユニット２５を形成するメイン内側シュラウド６１の下流側端部は、下流に向かって拡径した形状に形成されている。このメイン内側シュラウド６１下流側端部には、径方向内側の上流方向に向かって傾斜する環状の隔壁板７１が設けられている。隔壁板７１によって、燃焼室１５と空気噴射ユニット２５とが区画される。隔壁板７１の内径側端部には、保炎板７３が取り付けられている。

保炎板７３は、軸心方向に延びる筒状の周壁部７３ａと、周壁部の下流側端部から下流側に向かって拡径となる傾斜部７３ｂとを有している。つまり、保炎板７３の傾斜部は、軸心に対して径方向外側斜め下流方向に傾斜している。保炎板７３の周壁部７３ａが、隔壁板７１の内径側端部に取り付けられている。また、保炎板７３の傾斜部７３ｂは、図３に示すように、隔壁板７１との間に隙間を存した状態で、隔壁板７１にほぼ平行な傾斜角度で延びている。換言すれば、保炎板７３の傾斜部７３ｂは、隔壁板７１との間に隙間を存した状態で、隔壁板７１の内径側端部の下流側を覆っている。

保炎板７３と、パイロットノズル３７の下流端部との間には、径方向の環状の隙間が形成されており、この隙間が、下流側に開口する、第１の開口である内径側空気噴射開口７５を形成する。また、隔壁板７１の、保炎板７３で覆われている部分には、軸心方向に貫通する第２の開口である外径側空気噴射開口７７が形成されている。貯留空間６９に導出された圧縮空気ＣＡは、一部が内径側空気噴射開口７５から燃焼室１５内へ向けて、軸心方向に沿って噴射され、残りの一部が、外径側空気噴射開口７７を介して、隔壁板７１と保炎板７３との間の隙間である流入空間７９に流入した後に、流入空間７９の下流端である噴射口７９ａから燃焼室１５内の径方向外側に向けて噴射される。

図２に示すように、メイン燃料噴射弁２３は、予混合気を燃焼室１５へ導出して噴射する環状の予混合気通路８１と、予混合気通路８１に軸心方向の上流側から圧縮空気ＣＡａを流入させるメイン外側空気通路８３と、予混合気通路８１に、径方向内側から径方向外側に向けて圧縮空気ＣＡｒを流入させるメイン内側空気通路８５とを有している。メイン内側シュラウド６１の外側に、メインノズルを形成する円筒状のメイン外側シュラウド８６が同心状に配置されており、メイン内側シュラウド６１とメイン外側シュラウド８６との間にメイン予混合気通路８１が形成されている。これら予混合気通路８１、メイン外側空気通路８３およびメイン内側空気通路８５が、メイン燃料噴射弁２３において予混合気を生成するメイン流路８７を形成している。メイン外側空気通路８３およびメイン内側空気通路８５には、それぞれ、圧縮空気ＣＡａ，ＣＡｒを軸心回りに旋回させるメイン外側スワーラＳＷ３，メイン内側スワーラＳＷ４が設けられている。

さらに、メイン燃料噴射弁２３には、メイン内側空気通路８５に軸心方向の上流側から燃料を噴射する複数のメイン燃料噴射孔８９が設けられている。複数のメイン燃料噴射孔８９は、軸心Ｃ１の回りに周方向に等間隔で、メイン外側空気通路８３の径方向内側に配置されている。各メイン燃料噴射孔８９は、環状の燃料導入室９１から軸心方向下流側に突出する、例えば円柱状のメイン燃料噴射ブロック９３の中心部に設けられた貫通孔として形成されている。

また、メイン燃料噴射ブロック９３は、前記メイン内側空気通路８５の前壁（上流側壁）を形成するフランジ状の隔壁９５に設けられた軸方向の貫通孔９７に臨むように設けられている。図４に示すように、このようにして形成された、メイン燃料噴射ブロック９３と、フランジ状隔壁９５の各貫通孔９７との間の環状の隙間は、燃料噴射装置１の外部の空気通路および圧縮空気通路６７に連通しており、軸心方向の上流側からメイン内側空気通路８５に圧縮空気ＣＡを噴射するガイド空気供給通路９９を形成している。すなわち、ガイド空気供給通路９９は、メイン燃料噴射ブロック９３のメイン燃料噴射孔８９からの燃料Ｆの流れに沿うように、軸心方向の上流側からメイン内側空気通路８５に圧縮空気ＣＡｒを噴射する

なお、図２に示すように、燃料噴射装置１において、パイロット燃料噴射弁２１のパイロット噴射ブロック３１およびメイン燃料噴射弁２３のメイン噴射ブロック９３を含む上流側の構造体である第１の弁ユニット１０１は、ステム部２７を介して燃焼器ハウジング３に支持されており、前記パイロットノズル３７および前記メインノズルを含む下流側の構造体である第２の弁ユニット１０３が、メイン外側シュラウド８６の下流側端部の外周に設けられた支持フランジ１０５を介して燃焼筒９に支持されている。第１弁ユニットと第２弁ユニット１０３は、それぞれ別個に組み立てられ、その後に、第１弁ユニット１０１を第２弁ユニット１０３に嵌めこむことにより、燃料噴射装置１が組み立てられる。このようにして、第１弁ユニット１０１は、第２弁ユニット１０３に対して着脱自在に形成されている。

次に、このように構成された燃料噴射装置１の動作について説明する。図４に示すように、予混合気通路８１に、メイン外側空気通路８３からは、軸心方向に圧縮空気ＣＡａが流入し、メイン内側空気通路８５から、燃料Ｆが混合された圧縮空気ＣＡｒが径方向外方の斜め後方（下流方向）に流入する。両圧縮空気ＣＡａ，ＣＡｒの交差角θは１５〜７０°である。このように、予め燃料Ｆが混合された圧縮空気ＣＡｒがメイン流路８７内でメイン外側空気通路８３からの圧縮空気ＣＡａに混合されるので、メイン流路８７内での予混合が促進され、燃料分布がきわめて均一な、希薄な予混合気ＰＡが形成される。

すなわち、軸方向の主成分を持っていた燃料Ｆが、メイン内側空気通路８５を流れる径方向の主成分を持つ圧縮空気ＣＡｒに対してほぼ９０°の大きな角度を持って噴射され、混合された後に、径方向の主成分を持つ混合気が、メイン外側空気通路８３を流れる軸方向の主成分を持つ圧縮空気ＣＡａに１５〜７０°の大きな角度θを持って交差するので、比較的短い距離で、燃料と空気が十分に予混合される。さらに、メイン燃料噴射孔８９は周方向に沿って複数配置されているので、さらに均一な燃料分布の予混合気を形成することができる。しかも、燃料Ｆを噴射するメイン燃料噴射ブロック９３が、メイン燃料噴射弁２３における径方向内側に配置されるので、装置１全体の径方向寸法の増大を抑制できる。

さらには、ガイド空気供給通路９９が、メイン燃料噴射ブロック９３からの燃料Ｆの流れに沿うように、軸心方向の上流側からメイン内側空気通路８５に圧縮空気ＣＡｒの一部を噴射するので、燃料がメイン流路８７の壁面に付着することが防止され、壁面の焼損が防止されるとともに、より確実に均一な予混合気を形成することができる。

また、圧縮空気を軸心回りに旋回させるメイン外側スワーラＳＷ３，メイン内側スワーラＳＷ４が、メイン外側空気通路８３，メイン内側空気通路８５にそれぞれ設けられているので、圧縮空気が軸心回りの旋回流として形成され、一層均一な燃料分布の予混合気とすることができる。なお、スワーラはメイン外側空気通路８３およびメイン内側空気通路８５のいずれか一方にのみ設けられていてもよい。

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
１５燃焼室
２１パイロット燃料噴射弁
２３メイン燃料噴射弁
８１予混合気通路
８３メイン外側空気通路
８５メイン内側空気通路
８７メイン流路
９３メイン燃料噴射ブロック
９９メイン燃料噴射孔

Claims

圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃料噴射装置であって、
当該燃料噴射装置の径方向中心部に配置されて、燃焼室内に燃料を噴射するパイロット燃料噴射弁と、
予混合気を生成するメイン流路を有し、前記パイロット燃料噴射弁の外周を覆うメイン燃料噴射弁とを備え、
前記メイン流路が、径方向外側に配置されて環状の予混合気通路に軸心方向に圧縮空気を流入させるメイン外側空気通路と、径方向内側に配置されて前記予混合気通路に径方向内側から径方向外側に向けて圧縮空気を流入させるメイン内側空気通路とを有し、さらに、前記メイン内側空気通路に軸心方向の上流側から軸心方向に燃料を噴射するメイン燃料噴射孔を有する燃料噴射装置。
請求項１において、さらに、前記メイン燃料噴射孔からの燃料の流れに沿うように、軸心方向の上流側から前記メイン内側空気通路に圧縮空気を噴射するガイド空気供給通路を備えた燃料噴射装置。
請求項１または２において、前記メイン燃料噴射孔が周方向に沿って複数配置されている燃料噴射装置。
請求項１から３のいずれか一項において、前記メイン内側空気通路に、圧縮空気を軸心回りに旋回させるメイン内側スワーラが設けられている燃料噴射装置。
請求項１から４のいずれか一項において、前記メイン外側空気通路に、圧縮空気を軸心回りに旋回させるメイン外側スワーラが設けられている燃料噴射装置。
請求項１から５のいずれか一項において、前記メイン内側空気通路を形成する隔壁に軸心方向の貫通孔が形成されており、軸心方向の下流側に突出するメイン燃料噴射ブロックが、前記隔壁の貫通孔に臨むように配置されており、前記メイン燃料噴射ブロックに前記メイン燃料噴射孔が形成されている燃料噴射装置。
請求項２を引用する請求項６において、前記メイン燃料噴射ブロックと、前記隔壁の貫通孔との間の隙間が、前記ガイド空気供給通路を形成している燃料噴射装置。