JP3986874B2 - ガスタービン用燃料噴射ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン用燃料噴射ノズルに関し，特に，第１空気ノズル筒を中心部に配置して，その外周に燃料ノズル筒，第２空気ノズル筒及び第３空気ノズル筒を順次同心上に配置すると共に，燃焼室に開口する第１空気ノズル筒，燃料ノズル筒，第２空気ノズル筒及び第３空気ノズル筒の噴孔を，その順で軸方向に沿って燃焼室側にオフセットし，燃料ノズル筒の入口には燃料マニホールドを接続し，第１〜第３空気ノズル筒の入口は圧縮空気室に開口し，各燃料及び空気ノズル筒には，それを通る燃料又は空気に旋回流を付与するスワーラ手段と，各噴孔の直前に位置するテーパ状の絞り込み部とを設けたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
かゝるガスタービン用燃料噴射ノズルは，例えば米国特許５，４１７，０５４号明細書に開示されているように，既に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンにおいて，燃料噴射ノズルから噴出する燃料を微粒化することは，着火性及び低燃費性を向上する上で極めて重要である。また所望の燃焼方式や燃焼室形状に対して燃料の噴霧パターンを最適な円錐形状に安定させることは，着火性，保炎性及び低エミッション性を確保する上で重要である。
【０００４】
本発明は，かゝる点に鑑みて，燃料の微粒化及び円錐状噴霧パタ−ンの安定化を図り，着火性，低燃費性及び保炎性を向上させ得る，前記ガスタービン用燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，本発明は，第１空気ノズル筒を中心部に配置して，その外周に燃料ノズル筒，第２空気ノズル筒及び第３空気ノズル筒を順次同心上に配置すると共に，燃焼室に開口する第１空気ノズル筒，燃料ノズル筒，第２空気ノズル筒及び第３空気ノズル筒の噴孔を，その順で軸方向に沿って燃焼室側にオフセットし，燃料ノズル筒の入口には燃料マニホールドを接続し，第１〜第３空気ノズル筒の入口は圧縮空気室に開口し，各燃料及び空気ノズル筒には，それを通る燃料又は空気に旋回流を付与するスワーラ手段と，各噴孔の直前に位置するテーパ状の絞り込み部とを設けた，ガスタービン用燃料噴射ノズルにおいて，燃料ノズル筒の噴孔の内面を，該噴孔から噴出する燃料を円筒膜状に形成すべく円筒状整流面となし，第１空気ノズル筒の噴孔を，該噴孔からの空気流が燃料ノズル筒の噴孔から噴出した前記円筒膜状の燃料に衝突するように形成すると共に，燃料ノズル筒内のスワーラ手段の捩じれ方向と，第１空気ノズル筒内のスワーラ手段の捩じれ方向とを互いに反対に設定し，第２空気ノズル筒内のスワーラ手段の捩じれ方向と，第３空気ノズル筒のスワーラ手段の捩じれ方向とを同方向に設定すると共に，第２空気ノズル筒のスワーラ手段の捩じれ角よりも第３空気ノズル筒の内のスワーラ手段の捩じれ角を大きく設定し，且つ第２空気ノズル筒の絞り込み部のテーパ角よりも，第３空気ノズル筒の絞り込み部のテーパ角を大きく設定したことを特徴とする。
【０００６】
この特徴によれば，燃料ノズル筒は，これを通過する燃料をスワーラ手段により旋回させつゝ，噴孔の整流面で円筒膜状の流れに整流される。一方，第１空気ノズル筒は，圧縮空気室から流入する高圧空気をスワーラ手段により旋回させつゝ噴孔の整流面で整流させて，燃料ノズル筒の噴孔に向かわせ，その空気の旋回方向は，燃料ノズル筒から噴出する円筒膜状の燃料の旋回方向とが正反対であるので，燃料ノズル筒から噴出する燃料と，第１空気ノズル筒の噴孔から噴出する空気とが激しく衝突し合って，燃料の微粒化と，燃料及び空気の混合とを効果的に行うことができる。また第２空気ノズル筒からの噴出する空気によって，上記燃料の微粒化を更に促進することができ，着火性及び低燃費性の向上を図ることができる。
【０００７】
また特に第２空気ノズル筒内のスワーラ手段の捩じれ方向と，第３空気ノズル筒のスワーラ手段の捩じれ方向とを同方向に設定すると共に，第２空気ノズル筒のスワーラ手段の捩じれ角よりも第３空気ノズル筒の内のスワーラ手段の捩じれ角を大きく設定し，且つ第２空気ノズル筒の絞り込み部のテーパ角よりも，第３空気ノズル筒の絞り込み部のテーパ角を大きく設定したから，主として第３空気ノズル筒から噴出する空気により，混合気の噴霧パターンの外周部の混合を促進し，着火性及び保炎性の向上を図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を，添付図面に示す本発明の一実施例に基づいて以下に説明する。
【０００９】
図１は本発明の燃料噴射ノズルを備えるガスタービンの要部縦断面図，図２は上記燃料噴射ノズルの拡大縦断面図，図３は上記燃料噴射ノズルにおける第１空気ノズル筒の側面図，図４は図３の３−３線断面図である。
【００１０】
先ず，図１において，ガスタービンのエンジンケース１に，図示しないコンプレッサの出口に連なる圧縮空気室２が形成されており，この圧縮空気室２内にアンニュラ型燃焼室３が配設される。この燃焼室３は，円筒状のインナケーシング４と，このインナケーシング４を囲繞する円筒状のアウタケーシング５とから構成され，そのアウタケーシング５の一端には，インナケーシング４の一端に連結される環状の端壁５ａが一体に連設されている。この端壁５ａに，環状に配列される複数の燃料噴射ノズルＮがそれぞれノズル支持手段６を介して取り付けられる。ノズル支持手段６は，前記端壁５ａに内端を固着される漏斗状の支持ベース７と，この支持ベース７の外端に形成されたフランジ部７ａに取り付けられる保持環８とからなっており，その保持環が燃料噴射ノズルＮを外周側から保持するようになっている。
【００１１】
図２に示すように，燃料噴射ノズルＮは，第１空気ノズル筒１０と，この第１空気ノズル筒１０の外周に嵌合した燃料ノズル筒１１と，この燃料ノズル筒１１を囲繞する第２空気ノズル筒１２と，この第２空気ノズル筒１２を囲繞する第３空気ノズル筒１３とを，それぞれの噴孔１０ｃ〜１３ｃを燃焼室３に向けながら同心状に結合して構成され，それらの噴孔１０ｃ〜１３ｃは，第１空気ノズル筒１０，燃料ノズル筒１１，第２空気ノズル筒１２及び第３空気ノズル筒１３の順で軸方向に沿って燃焼室３側へオフセット配置される。
【００１２】
図２〜図４に示すように，第１空気ノズル筒１０及び燃料ノズル筒１１の上流端には，燃料・空気分配ブロック１５が嵌着される。第１空気ノズル筒１０の空気路１６の上流側は，この燃料・空気分配ブロック１５まで延長しており，この空気路１６に上流部に連なる複数の空気入口孔１７（スワーラ手段）が空気路１６の接線方向に沿って燃料・空気分配ブロック１５に設けられ，これら空気入口孔１７を通して空気路１６に圧縮空気室２の高圧空気が供給されると，空気路１６で空気の旋回流を生じさせるようになっている。空気路１６は，その噴孔１０ｃの手前にテーパ状の絞り込み部１０ｂを有しており，この絞り込み部１０ｂの小径端に連なる円筒状の整流面２０で噴孔１０ｃの内周面が形成される。
【００１３】
また燃料・空気分配ブロック１５には，燃料室２５と，この燃料室２５から延出して燃料・空気分配ブロック１５の前端面に開口する複数本（図示例では２本）の燃料通孔２６とが設けられ，燃料室２５には，燃料ポンプ２７から吐出される燃料を分配する燃料マニホールド２８の分岐管２８ａが接続される。
【００１４】
上記各燃料通孔２６には，第１空気ノズル筒１０及び燃料ノズル筒１１の対向周面，図示例では第１空気ノズル筒１０の外周面に形成されて前端を燃料ノズル筒１１内に開口する燃料溝２９（図３参照）が設けられる。この燃料溝２９は，少なくとも下流側に，周方向に傾斜したねじ溝部２９ａ（スワーラ手段）を有しており，このねじ溝部２９ａを通過する燃料に旋回流を与えるようになっている。その際，この燃料の旋回方向と空気路１６内での空気の旋回方向とが互いに反対となるように，ねじ溝部２９ａ及び空気入口孔１７は形成される。
【００１５】
燃料ノズル筒１１は，第１空気ノズル筒１０の外周面に嵌合する円筒面１１ａと，この円筒面１１ａの燃焼室３側端部に連なるテーパ状の絞り込み部１１ｂと，この絞り込み部１１ｂの小径端部に連なる噴孔１１ｃとを有し，そのテーパ部１１ｃに向かって前記ねじ溝部２９ａは開口する。噴孔１１ｃの内周面は円筒状の整流面２１に形成され，その内径Ｄ２は，第１空気ノズル筒１０の噴孔１０ｃの内径Ｄ１と同等もしくはそれより僅かに大径に設定される。
【００１６】
第２空気ノズル筒１２の噴孔１２ｃは，その円筒状の入口部１２ａより小径に形成され，それらの間はテーパ状の絞り込み部１２ｂによって接続される。入口部１２ａには，それを通る空気に，第１空気ノズル筒１０内での空気の旋回流と同方向の旋回流を与える複数のスワーラ壁３２（スワーラ手段）が設けられ，また噴孔１２ｃの内周面は円筒状の整流面２２若しくはその上流側に形成される。
【００１７】
また第３空気ノズル筒１３の噴孔１３ｃは，その円筒状の入口部１３ａより小径に形成され，それらの間はテーパ状の絞り込み部１３ｂによって接続される。この絞り込み部１３ｂのテーパ角度βは，第２空気ノズル筒１２の絞り込み部１２ｂのテーパ角度αより大きく設定される。この第３空気ノズル筒１３の入口部１３ａにも，それを通る空気に第１空気ノズル筒１０内での空気の旋回流と同方向の旋回流を与える複数のスワーラ壁３３（スワーラ手段）が設けられ，このスワーラ壁３３の捩じれ角は，第２空気ノズル筒１２のスワーラ壁３２の捩じれ角より大きく設定される。またこの第３空気ノズル筒１３の噴孔１３ｃの内周面も円筒状の整流面２３に形成される。
【００１８】
次に，この実施例の作用について説明する。
【００１９】
ガスタービンの運転中，燃料マニホールド２８から第１空気ノズル筒１０の燃料室２５に分配された高圧の燃料は，燃料通孔２６及び燃料溝２９を順次経て燃料ノズル筒１１の噴孔１１ｃに向かうが，燃料溝２９のねじ溝部２９ａを通過するとき旋回を強制される。こうして旋回するようになった燃料は，燃料ノズル筒１１の絞り込み部１１ｂを移動しながら流速を増した後，その噴孔１１ｃの整流面２１で円筒膜状の流れに整流され，燃焼室３に向かって噴出する。
【００２０】
一方，図示しないコンプレッサから圧縮空気室２に圧送された高圧空気は第１空気ノズル筒１０の空気入口孔１７や，第２及び第３空気ノズル筒１２，１３の入口部１２ａ，１３ａに流入する。
【００２１】
而して，第１空気ノズル筒１０の空気入口孔１７に流入した高圧空気は，前述のように旋回しながら空気路１６を進み，絞り込み部１０ｂで流速を増し，整流面２０により整流された後，燃料ノズル筒１１の噴孔１１ｃに向かって高速で噴出する。しかも，この噴出空気の旋回方向は，燃料ノズル筒１１から噴出する円筒膜状の燃料流の旋回方向と正反対となっているから，第１空気ノズル筒１０から噴出した空気の旋回流が，燃料ノズル筒１１から噴出した円筒膜状の燃料流に激しく衝突して，その燃料を効果的に微粒化しながら，それと混合して，良好な混合気を生成することになる。
【００２２】
また第２空気ノズル筒１２に流入した高圧空気は，スワーラ壁３２を通過するとき旋回を付与され，絞り込み部１２ｂで流速を増し，整流面２２で整流された後，燃焼室３に噴出し，この空気の旋回流は，前記混合気に外周側から衝突しながら，旋回力を強化するので，混合気内の燃料を更に微粒化しながら，それと混合する。その結果，燃焼室３内の混合気の空燃比の均一化をもたらし，着火性及び低燃費性の向上に寄与することができる。
【００２３】
ところで，第２空気ノズル筒１２から噴出した旋回速度の大きい空気は，遠心力の作用により広角度に広がろうとし，それを放置すれば，混合気の噴霧パターンが広角度になり過ぎて，燃焼に悪影響を及ぼすことになるが，第３空気ノズル筒１３から噴出する空気がその混合気の噴霧パターンを所定の円錐形状に抑える。
【００２４】
即ち，第３空気ノズル筒１３に流入した高圧空気は，入口部１３ａのスワーラ壁３３を通過するとき旋回を付与され，絞り込み部１３ｂで流速を増し，整流面２３で整流された後，燃焼室３に噴出するが，そのスワーラ壁３３の捩じれ角は第２空気ノズル筒１２のスワーラ壁３２の捩じれ角より大きく，絞り込み部１３ｂのテーパ角度βは第２空気ノズル筒１２の絞り込み部１２ｂのテーパ角度αより大きいので，主として第３空気ノズル筒１３から噴出する空気により，混合気の噴霧パターンの外周部の混合を促進し，着火性及び保炎性の向上を図ることができる。
【００２５】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば，燃焼室３をカン型又はカンニュラ型に構成することもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば，燃料ノズル筒の噴孔の内面を，該噴孔から噴出する燃料を円筒膜状に形成すべく円筒状整流面となし，第１空気ノズル筒の噴孔を，該噴孔からの空気流が燃料ノズル筒の噴孔から噴出した前記円筒膜状の燃料に衝突するように形成すると共に，燃料ノズル筒内のスワーラ手段の捩じれ方向と，第１空気ノズル筒内のスワーラ手段の捩じれ方向とを互いに反対に設定したので，燃料ノズル筒から噴出する燃料と，第１空気ノズル筒の噴孔から噴出する空気とを激しい衝突し合わせて，燃料の微粒化と，燃料及び空気の混合を効果的に行うことができ，また第２空気ノズル筒からの噴出する空気によって，上記燃料の微粒化を更に促進することができ，着火性及び低燃費性の向上に寄与し得る。
【００２７】
また特に第２空気ノズル筒内のスワーラ手段の捩じれ方向と，第３空気ノズル筒のスワーラ手段の捩じれ方向とを同方向に設定すると共に，第２空気ノズル筒のスワーラ手段の捩じれ角よりも第３空気ノズル筒の内のスワーラ手段の捩じれ角を大きく設定し，且つ第２空気ノズル筒の絞り込み部のテーパ角よりも，第３空気ノズル筒の絞り込み部のテーパ角を大きく設定したので，主として第３空気ノズル筒１３から噴出する空気により，混合気の噴霧パターンの外周部の混合を促進し，着火性及び保炎性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料噴射ノズルを備えるガスタービンの要部縦断面図。
【図２】 上記燃料噴射ノズルの拡大縦断面図。
【図３】 上記燃料噴射ノズルにおける第１空気ノズル筒の側面図。
【図４】 図３の３−３線断面図。
【符号の説明】
２・・・・・圧縮空気室
３・・・・・燃焼室
１０・・・・第１空気ノズル筒
１０ｂ・・・第１空気ノズル筒の絞り込み部
１０ｃ・・・第１空気ノズル筒の噴孔
１１・・・・燃焼ノズル筒
１１ｂ・・・燃焼ノズル筒の絞り込み部
１１ｃ・・・燃焼ノズル筒の噴孔
１２・・・・第２空気ノズル筒
１２ｂ・・・第２空気ノズル筒の絞り込み部
１２ｃ・・・第２空気ノズル筒の噴孔
１３・・・・第３空気ノズル筒
１３ｂ・・・第３空気ノズル筒の絞り込み部
１３ｃ・・・第３空気ノズル筒の噴孔
１７・・・・第１空気ノズル筒のスワーラ手段（空気入口孔）
２０・・・・第１空気ノズル筒の噴孔の整流面
２１・・・・燃焼ノズル筒の噴孔の整流面
２２・・・・第２空気ノズル筒の噴孔の整流面
２３・・・・第３空気ノズル筒の噴孔の整流面
２８・・・・燃料マニホールド
２９ａ・・・燃料ノズル筒のスワーラ手段（ねじ溝部）

Claims (1)

1. 第１空気ノズル筒（１０）を中心部に配置して，その外周に燃料ノズル筒（１１），第２空気ノズル筒（１２）及び第３空気ノズル筒（１３）を順次同心上に配置すると共に，燃焼室（３）に開口する第１空気ノズル筒（１０），燃料ノズル筒（１１），第２空気ノズル筒（１２）及び第３空気ノズル筒（１３）の各噴孔（１０ｃ〜１３ｃ）を，その順で軸方向に沿って燃焼室（３）側にオフセットし，燃料ノズル筒（１１）の入口には燃料マニホールド（２８）を接続し，第１〜第３空気ノズル筒（１０，１２，１３）の入口は圧縮空気室（２）に開口し，各燃料及び空気ノズル筒（１０〜１３）には，それを通る燃料又は空気に旋回流を付与するスワーラ手段（１７，２９ａ，３２，３３）と，各噴孔（１０ｃ〜１３ｃ）の直前に位置するテーパ状の絞り込み部（１０ｂ〜１３ｂ）とを設けた，ガスタービン用燃料噴射ノズルにおいて，
   燃料ノズル筒（１１）の噴孔（１１ｃ）の内面を，該噴孔（１１ｃ）から噴出する燃料を円筒膜状に形成すべく円筒状整流面（２１）となし，第１空気ノズル筒（１０）の噴孔（１０ｃ）を，該噴孔（１０ｃ）からの空気流が燃料ノズル筒（１１）の噴孔（１１ｃ）から噴出した前記円筒膜状の燃料に衝突するように形成すると共に，燃料ノズル筒（１１）内のスワーラ手段（２９ａ）の捩じれ方向と，第１空気ノズル筒（１０）内のスワーラ手段（１７）の捩じれ方向とを互いに反対に設定し，第２空気ノズル筒（１２）内のスワーラ手段（３２）の捩じれ方向と，第３空気ノズル筒（１３）のスワーラ手段（３３）の捩じれ方向とを同方向に設定すると共に，第２空気ノズル筒（１２）のスワーラ手段（３２）の捩じれ角よりも第３空気ノズル筒（１３）の内のスワーラ手段（３３）の捩じれ角を大きく設定し，且つ第２空気ノズル筒（１２）の絞り込み部（１２ｂ）のテーパ角（α）よりも，第３空気ノズル筒（１３）の絞り込み部（１３ｂ）のテーパ角（β）を大きく設定したことを特徴とする，ガスタービン用燃料噴射ノズル。

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