(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記パイロット燃料噴射弁の外周に配置されて、前記燃焼室内に燃料と空気の予混合気を噴射するメイン燃料噴射弁と、
前記パイロット燃料噴射弁の出口端部と前記メイン燃料噴射弁との間に配置されて、前記燃焼室内に前記圧縮空気を噴射する空気噴射ユニットとを備え、
前記空気噴射ユニットは、該空気噴射ユニットを前記燃焼室から区画する隔壁板と、この隔壁板の下流側に設けられた保炎板と、前記保炎板と前記パイロット燃料噴射弁の出口端部との間に設けられて下流側に開口した第１開口と、前記隔壁板に設けられて前記保炎板と前記隔壁板との間の流入空間に圧縮空気を供給する第２開口とを有し、
前記保炎板が、軸心に対して径方向外側斜め下流方向に傾斜した傾斜部を有する燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１において、前記保炎板は、前記傾斜部の上流側に連なり、軸心方向に延びて前記第１開口の外周を形成する周壁部を有する燃料噴射装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記パイロット燃料噴射弁と前記メイン燃料噴射弁との間が、前記空気噴射ユニットの下流側に圧縮空気の貯留空間を形成する区隔壁により連結されており、前記区隔壁に、前記貯留空間に圧縮空気を導入する導入口が形成されている燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項において、前記パイロット燃料噴射弁に、圧縮空気を軸心回りに旋回させるスワーラが設けられている燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
コンセントリック燃料噴射弁では、パイロット噴射弁のみが運転している低出力時にもメイン噴射弁の流路には大量の空気が流れているので、この空気とパイロット燃焼とが干渉して、パイロット噴射弁の燃焼効率や着火性・保炎性が乏しくなる恐れがある。これを克服するために、パイロット燃焼域とメイン燃焼域とを大きく分離させて、低出力時のメイン通路の空気とパイロット燃焼との干渉を抑制しつつ、中間出力時にパイロット燃焼域とメイン燃焼域とが適度に干渉するように構成して、メイン燃焼域の安定燃焼を図ること（例えば、特許文献１参照）、燃料を、燃焼室の軸心上の逆流領域に集中的に噴射して、低出力時の燃焼効率を向上させること（例えば、特願２０１１−１２５４８１号明細書）等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８００５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の装置では、パイロット燃焼域とメイン燃焼域との間に緩衝領域が残るので、低出力時における燃焼効率が不十分である。さらに、特願２０１１−１２５４８１号明細書のように軸心上の逆流領域に集中的に燃料を噴射すると、この領域で燃料過多となり、スモークが発生し易くなる。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、燃料過多によるスモークの発生を抑制しつつ、低出力時および中間出力時のいずれにおいても高い燃焼効率が得られる燃料噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、前記パイロット燃料噴射弁の外周に配置されて、前記燃焼室内に燃料と空気の予混合気を噴射するメイン燃料噴射弁と、前記パイロット燃料噴射弁の出口端部と前記メイン燃料噴射弁との間に配置されて、前記燃焼室内に前記圧縮空気を噴射する空気噴射ユニットとを備え、前記空気噴射ユニットは、該空気噴射ユニットを前記燃焼室から区画する隔壁板と、この隔壁板の下流側に設けられた保炎板と、前記保炎板と前記パイロット燃料噴射弁の出口端部との間に設けられて下流側に開口した第１開口と、前記隔壁板に設けられて前記保炎板と前記隔壁板との間の流入空間に圧縮空気を供給する第２開口とを有し、前記保炎板が、軸心に対して径方向外側斜め下流方向に傾斜した傾斜部を有する。
【０００９】
この構成によれば、上記傾斜部を有する保炎板により、パイロット燃焼域とメイン空気流との干渉が効果的に防止され、保炎性が高まるとともに燃焼効率が向上する。しかも、第２開口から供給された空気が、前記保炎板と前記隔壁板との間の流入空間に流入して保炎板を冷却するので、保炎板の焼損が防止される。さらには、空気が第１開口から燃焼室内に供給されることによって、パイロット燃焼域で燃料過多の状態を回避できるので、スモークの発生を抑制できる。
【００１０】
本発明の一実施形態において、前記保炎板は、前記傾斜部の上流側に連なり、軸心方向に延びて前記第１開口の外周を形成する周壁部を有することが好ましい。この構成によれば、第２開口から供給される空気が内径側に流入することなく、確実に径方向外側斜め下流方向に導出されるので、より確実に燃焼効率の向上とスモークの抑制を図ることができる。
【００１１】
本発明の一実施形態において、前記パイロット燃料噴射弁と前記メイン燃料噴射弁との間が、前記空気噴射ユニットの下流側に圧縮空気の貯留空間を形成する区隔壁により連結されており、前記区隔壁に、前記貯留空間に圧縮空気を導入する導入口が形成されていることが好ましい。この構成によれば、区画壁によって圧縮空気の貯留空間を形成し、この貯留空間を介して第１開口および第２開口から圧縮空気を噴射するので、第１開口および第２開口から噴射される空気の分布が均一化される。
【００１２】
本発明の一実施形態において、前記パイロット燃料噴射弁に、圧縮空気を軸心回りに旋回させるスワーラが設けられていることが好ましい。この構成によれば、スワーラによってパイロット燃料噴射弁から噴射される燃料が径方向外側に拡散されるので、保炎板での保炎性が確保され、燃焼効率が一層確実に向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料噴射装置によれば、燃料過多によるスモークの発生を抑制しつつ、低出力時および中間出力時のいずれにおいても高い燃焼効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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。
【図２】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３】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４】図２のメイン燃料噴射弁を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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
【００３０】
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。
【００３１】
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３に示すように、低出力時において、パイロット燃料噴射弁２１から噴射された燃料Ｆおよび第１開口である内径側空気噴射開口７５から噴射された空気Ａ１により、燃焼室１５内のパイロット燃料噴射弁２１の下流側の部分に、パイロット燃焼域Ｓが形成される。一方で、メイン燃料噴射弁２３から噴射される空気は、パイロット燃焼域Ｓの外側にメイン空気流ＭＡを形成する。保炎板７３が、軸心に対して径方向外側斜め下流方向に傾斜した傾斜部７３ｂを有していることにより、パイロット燃焼域Ｓとメイン空気流ＭＡとの干渉が効果的に防止され、パイロット燃焼域Ｓにおいて確実に保炎されるとともに、燃焼効率が向上する。したがって、中出力時のみならず低出力時においても燃焼効率を向上させることができる。しかも、第２開口である外径側空気噴射開口７７から供給された空気Ａ２が、保炎板７３と隔壁板７１との間の流入空間７９に流入して保炎板７３を冷却するので、保炎板７３の焼損が防止される。なお、一層確実にパイロット燃焼域Ｓとメイン空気流ＭＡとの干渉を防止するために、保炎板７３は、隔壁板７１から０．７〜２．０ｍｍ離間していることが好ましく、１．０ｍｍ程度離間していることがより好ましい。
【００３２】
さらには、内径側空気噴射開口７５から空気Ａ１を供給することにより、パイロット燃焼域Ｓで燃料過多の状態となることが回避できるので、スモークの発生が抑制される。
【００３３】
また、保炎板７３に、傾斜部７３ｂの上流側に連なり、軸心方向に延びて内径側空気噴射開口７５の外周を形成する周壁７３ａを設けたことにより、外径側空気噴射開口７７から供給される空気が内径側に流入することなく、確実に径方向外側斜め下流方向に導出される。したがって、より確実に燃焼効率の向上とスモークの抑制を図ることができる。
【００３４】
また、本実施形態において、前記パイロット燃料噴射弁２１と前記メイン噴射弁２３との間が、前記空気噴射ユニット２５の下流側に圧縮空気ＣＡの貯留空間６９を形成する区隔壁６３により連結されており、前記区隔壁６３に、貯留空間６９に圧縮空気を導入する導入口６５が形成されている。この貯留空間６３を介することにより、第１開口および第２開口から噴射される空気の分布が均一化される。
【００３５】
さらに、パイロット燃料噴射弁２１に設けられたパイロット内側スワーラＳＷ１およびパイロット外側スワーラＳＷ２によって、パイロット燃料噴射弁２１から噴射される燃料が確実に径方向外側に拡散される。これにより、保炎板７３での保炎性が確保され、燃焼効率が一層確実に向上する。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
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
２５  空気噴射ユニット
６９  流入空間
７１  隔壁板
７３  保炎板
７３ｂ  傾斜部
７５  内側空気噴射開口（第１開口）
７７  外径側空気噴射開口（第２開口）
【図１】
0005924618.tif 000002
【図２】
0005924618.tif 000003
【図３】
0005924618.tif 000004
【図４】
0005924618.tif 000005