(57)【要約】【課題】  予混合・予蒸発希薄燃焼方式燃焼器が有する低負荷時における燃料の微粒化性能の劣化を改善したガスタ−ビンや航空機エンジン用の燃焼器を提供することにある。【解決手段】  燃焼器ライナ−頭部の燃料燃焼用空気流路４ａ、４ｂの内周側に空気流路１１を追加し、この追加空気流路１１と燃料燃焼用空気流路４ｂの間にある隔壁１３の途中に設けたメイン燃料噴射孔７からメイン燃料を外周方向に噴射する。追加した空気流路１１には空気の流れに旋回を与えるスワラー１２が設けられる。また、隔壁１３の先端部にはアトマイゼ−ションリップ９が設けられる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンや航空機用エンジンの内燃機関で燃焼器ライナーの頭部にパイロット燃料噴射部と予混合・予蒸発用メイン燃料噴射部を有する燃焼器において、予混合・予蒸発用メイン燃料噴射部に流入する燃焼空気流路の内周側に当該空気の流路を分ける隔壁を設け、当該空気の流れ方向と交差する方向にメイン燃料を外方に向かって噴射する燃料噴射孔をその隔壁の面上に設けるとともに、その隔壁における下流側の端部に付着燃料の分散および微粒化を促進するアトマイゼーションリップを形成したことを特徴とする燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項２】
ガスタービンや航空機用エンジンの内燃機関で燃焼器ライナーの頭部にパイロット燃料噴射部と予混合・予蒸発用メイン燃料噴射部を有する燃焼器において、予混合・予蒸発用メイン燃料噴射部に流入する燃焼空気流路の外周側に当該空気の流路を分ける隔壁を設け、当該空気の流れ方向と交差する方向にメイン燃料を内方に向かって噴射する燃料噴射孔をその隔壁の面上に設けるとともに、その隔壁における下流側の端部に付着燃料の分散および微粒化を促進するアトマイゼーションリップを形成したことを特徴とする燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項３】
燃料を噴射する流路壁の内周側流路の開口面積を予混合・予蒸発燃焼用流路全体の開口面積の１０％以下としたことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項４】
燃料を噴射する流路壁の外周側流路の開口面積を予混合・予蒸発燃焼用流路全体の開口面積の１０％以下としたことを特徴とする請求項２記載の燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項５】
燃料を噴射する流路壁内側の流路に外側流路の旋回と同じ方向の旋回を与えるスワラーを設けたことを特徴とする請求項１または３記載の燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項６】
燃料を噴射する流路壁外側の流路に内側流路の旋回と同じ方向の旋回を与えるスワラーを設けたことを特徴とする請求項２または４記載の燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項７】
燃料を噴射する流路壁内側の流路に外側流路の旋回と逆方向の旋回を与えるスワラーを設けたことを特徴とする請求項１、３、５のいずれかに記載の燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項８】
燃料を噴射する流路壁外側の流路に内側流路の旋回と逆方向の旋回を与えるスワラーを設けたことを特徴とする請求項２、４、６のいずれかに記載の燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項９】
アトマイゼ−ションリップの先端をシャ−プエッヂとしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【請求項１０】
アトマイゼ−ションリップの先端を空気の流れに対して直角またはほぼ直角に切り落とした形状にしたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料噴射弁の微粒化改善装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタ−ビンや航空機用エンジンなどの燃焼器、特に低ＮＯｘ化を図った予混合・予蒸発希薄燃焼を狙った燃焼器に係るものであり、低負荷時の燃料微粒化特性の悪化を改善する燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタ−ビンや航空機用エンジンなどの燃焼器は燃焼器ケ−シングの内部に筒状あるいは円環状の燃焼器ライナ−が設けられこの燃焼器ライナ−の内部に燃焼室が形成されている。また、燃焼器ライナ−の頭部には、燃焼室に燃焼用燃料を供給する燃料ノズルが設けられている。燃焼器ケ−シングと燃焼器ライナ−との間には通常、空気圧縮機からの空気を燃焼室に供給する空気通路が形成されている。
【０００３】
しかしながら、このようなガスタ−ビンや航空機用エンジンなどの燃焼装置の燃焼室内で燃料と空気を拡散燃焼させると、燃焼ガス中に局所的な高温部分が発生し、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度が増加する要因となってしまう。また、近年環境問題への関心の高まりと規制値の強化が進められている。さらに、近年のガスタ−ビンや航空機用エンジンではガスタ−ビンなどの熱効率を改善させるためタ−ビン入口温度、すなわちガスタ−ビンなど燃焼装置の出口温度の高温化が図られている。しかしながら、ガスタ−ビンなど燃焼装置の出口温度が高くなるとそれにともない拡散燃焼による燃焼ガスの局所的な高温部分も増大し、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度も高くなってしまう。このためＮＯｘ対策は非常に重要な問題である。
【０００４】
燃焼ガス中のＮＯｘを低減させるために、予混合・予蒸発希薄燃焼方式を採用したガスタ−ビン燃焼装置が提案されている。これは燃焼を安定させるためパイロット用として燃焼室のパイロット燃焼域で燃料の一部を燃焼させ高温燃焼ガスを発生し、パイロット燃焼域の周辺および下流のメイン燃焼域で燃料と空気を予め混合した希薄予混合燃料を燃焼させ、ＮＯｘをほとんど発生しない希薄予混合燃焼を行わせるものである。特に液体燃料を使用するものにあっては燃料を予め蒸発させたいわゆる、予混合・予蒸発希薄燃焼方式を採用している。これら方式の中でメイン燃料を燃焼用空気の流れにほぼ直交する方向に噴出するエア−ブラスト（気流微粒化）方式の燃料噴射装置がある。
【０００５】
従来のガスタ−ビンや航空機用エンジンなどの燃焼器は燃焼器ケ−シングの内部に筒状あるいは円環状の燃焼器ライナ−が設けられこの燃焼器ライナ−の内部に燃焼室が形成されている。また、燃焼器ライナ−の一端には、燃焼室に燃料を供給する燃料ノズルが設けられている。本発明においてはパイロット燃料噴射部のほかにメイン燃料噴射部および噴射されたメイン燃料の予蒸発・予混合室が設けられている。燃焼器ケ−シングと燃焼器ライナ−との間には通常、空気圧縮機からの空気を燃焼室に供給する空気通路が形成されている。
【０００６】
従来の燃焼器の例を図５に示す。図５で図示していない空気圧縮機からの圧縮空気は⇒または←で示すように燃焼器ケ−シング１と燃焼器ライナ−２の間に流入する。⇒で示す空気の流れは順流型燃焼器の場合でこの場合は燃焼器ケ−シング１の右側（下流側）の端部は閉鎖された形になる。一方、←で示す空気の流れは逆流型燃焼器の場合でこの場合は燃焼器ケ−シング１の左側（下流側）の端部は閉鎖された形になる。燃焼用空気は燃焼器頭部に到達しパイロット燃料燃焼用空気通路３とメイン燃料燃焼用空気通路４に流入する。図５ではメイン燃料燃焼用空気通路４は二つの空気通路４ａ、４ｂに分割した形で表示されているがこの空気通路は必ずしも分割しなければならない必然性はない。
【０００７】
図６および図７は燃料噴射部の詳細を表示したものである。図６においてパイロット燃料はパイロットノズル５の先端部に設けられた燃料噴射孔５ａから噴射される。この燃料噴射孔５ａの上流部に燃焼空気に旋回を与えるスワラ６ａ、６ｂが設けられている。メイン燃料はメイン燃料噴射孔７から噴射される。この燃料噴射孔７の上流部に燃焼空気に旋回を与えるスワラ８ａ、８ｂが設けられている。スワラの下流部にはメイン燃料微粒化用のアトマイゼ−ションリップ９が設けられている。また、このアトマイゼ−ションリップ９の下流部に燃料と空気の予蒸発・予混合室１０が設けられている。予蒸発・予混合室１０で形成された混合気は下流の燃焼室１５内で燃焼する。図７は図６で示すスワラ８ａ、８ｂに代わってひとつのスワラ８を設けたものでアトマイゼ−ションリップ９もないケ−スである。以上は従来技術の燃焼器および燃料噴射部に関する説明である。
【０００８】
【特許文献１】特開平８−４２８５１号公報
【特許文献２】特開平９−１４５０５７号公報
【特許文献３】特開２００２−２０６７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ガスタ−ビンや航空機用エンジンの場合、燃料噴射弁は幅広い負荷範囲で作動するため負荷の低い場合（燃料流量が少ない場合）は噴射した燃料が空気流れを横切って対面する壁面まで、あるいは壁面近くまで到達せず微粒化が上手く行かないケ−スが多い。低負荷時でも燃料が気流を貫通し対面する壁面まで、あるいは壁面近くまで到達させる方式として（１）燃料噴射孔の孔数を減らす（２）燃料噴射孔の孔径を小さくすることが考えられるが、このような方式をとると負荷が増大したとき非常に高い燃料供給圧力が必要になり燃料供給設備が過大になるという根本的な問題が発生する。さらに、孔数を減らした場合は燃料と燃焼用空気の混合が局所的に劣化する。また、孔径を小さくするとコ−キングにより燃料噴射孔が閉塞するという問題が発生する。本発明は従来技術が有するこのような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、予混合・予蒸発希薄燃焼方式燃焼器が有する低負荷時における燃料の微粒化性能の劣化を改善したガスタ−ビンや航空機エンジン用の燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、本発明の請求項１では、ガスタービンや航空機用エンジンの内燃機関で燃焼器ライナーの頭部にパイロット燃料噴射部と予混合・予蒸発用メイン燃料噴射部を有する燃焼器において、予混合・予蒸発用メイン燃料噴射部に流入する燃焼空気流路の内周側に当該空気の流路を分ける隔壁を設け、当該空気の流れ方向と交差する方向にメイン燃料を外方に向かって噴射する燃料噴射孔をその隔壁の面上に設けるとともに、その隔壁における下流側の端部に付着燃料の分散および微粒化を促進するアトマイゼーションリップを形成した燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１１】
請求項２では、ガスタービンや航空機用エンジンの内燃機関で燃焼器ライナーの頭部にパイロット燃料噴射部と予混合・予蒸発用メイン燃料噴射部を有する燃焼器において、予混合・予蒸発用メイン燃料噴射部に流入する燃焼空気流路の外周側に当該空気の流路を分ける隔壁を設け、当該空気の流れ方向と交差する方向にメイン燃料を内方に向かって噴射する燃料噴射孔をその隔壁の面上に設けるとともに、その隔壁における下流側の端部に付着燃料の分散および微粒化を促進するアトマイゼーションリップを形成した燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１２】
請求項３では、燃料を噴射する流路壁の内周側流路の開口面積を予混合・予蒸発燃焼用流路全体の開口面積の１０％以下とした燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１３】
請求項４では、燃料を噴射する流路壁の外周側流路の開口面積を予混合・予蒸発燃焼用流路全体の開口面積の１０％以下とした燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１４】
請求項５では、燃料を噴射する流路壁内側の流路に外側流路の旋回と同じ方向の旋回を与えるスワラーを設けた燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１５】
請求項６では、燃料を噴射する流路壁外側の流路に内側流路の旋回と同じ方向の旋回を与えるスワラーを設けた燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１６】
請求項７では、燃料を噴射する流路壁内側の流路に外側流路の旋回と逆方向の旋回を与えるスワラーを設けた燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１７】
請求項８では、燃料を噴射する流路壁外側の流路に内側流路の旋回と逆方向の旋回を与えるスワラーを設けた燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１８】
請求項９では、アトマイゼ−ションリップの先端をシャ−プエッヂとした燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【００１９】
請求項１０では、アトマイゼ−ションリップの先端を空気の流れに対して直角またはほぼ直角に切り落とした形状にした燃料噴射弁の微粒化改善装置としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のメイン燃料噴射部は上記のとおり構成されているので次の効果を有する。以下ではメイン燃料を内周から外周方向に向かって噴射するケ−スについてその効果を説明する。追加した空気通路と外側空気通路との間にある隔壁の途中からメイン燃料を空気流れにほぼ直交して外周方向に噴射する。ガスタ−ビンなど負荷が大きい場合は燃料流量が多いため噴出孔から噴出する燃料の速度も高く噴出した燃料は空気流れ直交するかたちで対面するアトマイゼ−ションリップに衝突するとともにリップ先端で空気流れにより引きちぎられ燃料の微粒化と混合が良好に行われ希薄予混合気を形成する。
【００２１】
一方、負荷が低い場合は燃料流量が少ないため噴出孔から噴出する燃料速度が低く噴出した燃料のかなりの部分は追加空気流路と外側空気流路との間の隔壁および隔壁先端に追設したアトマイゼ−ションリップの外面に沿って液膜状態で流れるがこのアトマイゼ−ションリップの先端でリップ内外面を流れる空気流により液膜が引きちぎられ微粒化し、その後蒸発するとともに空気と混合し希薄予混合気を形成する。すなわち、新たに空気流路とアトマイゼ−ションリップを追設することにより内・外面を流れる空気流で液膜を引きちぎることができ、微粒化特性を改善することが可能である。なお、メイン燃料を外周から内周に向かって噴射するケ−スにおいても同様な効果が発生する。
【００２２】
また、負荷が増大したときに非常に高い燃料供給圧力が必要になることもなく、燃料供給設備が大型化することもない。また、燃料噴射孔の孔数を減らした場合にも燃料と燃焼用空気の混合が良好に行われる。さらに、燃料噴射孔の孔径を小さくした場合に、コーキングにより燃料噴射孔が閉塞するという問題も発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面で本発明の実施形態例について説明するが本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更あるいは修正が可能である。
【００２４】
最初に内周から外周へ向かって燃料噴射を行う方式について述べる。図１は本発明の燃料噴射部の一例で図６に対応するものである。本図において使用する記号は原則として図５・６と合わせて表記する。
【００２５】
燃焼器ライナ−２頭部の予混合・予蒸発燃焼用空気流路４ａ、４ｂの内周側に空気流路１１を追加し、この追加空気流路と外周側空気流路４ｂの間にある隔壁１３の途中に設けたメイン燃料噴射孔７からメイン燃料を外周方向に噴射する。このメイン燃料噴射孔７は円周方向に複数個設けられ、燃料の噴射方向は通常空気の流れにほぼ直交する方向とするが、時には空気流れの上流側方向に向けることもある。なお、追加した空気流路には空気の流れに旋回を与えるスワラ１２が設けられる。このスワラ−は必要に応じてその旋回角度を設定するが、場合によっては旋回を与えない場合もある。また、隔壁１３の先端部には本発明で追加したアトマイゼ−ションリップ１４が設けられる。図２は本発明の燃料噴射部に関する他の一例で図７に対応するものであり、その機能は図１と同様である。
【００２６】
次に、外周から内周へ向かって燃料噴射を行う方式について述べる。図３は本発明の燃料噴射部の一例である。本図において使用する記号も原則として前記の図面と合わせて表記する。燃焼器ライナ−２頭部の予混合・予蒸発燃焼用空気流路４ａ、４ｂの外周側に空気流路１１を追加しこの追加空気流路と内周側空気流路４ａの間にある隔壁１３の途中に設けたメイン燃料噴射孔７からメイン燃料を内周方向に噴射する。このメイン燃料噴射孔７は円周方向に複数個設けられ、燃料の噴射方向は通常空気に流れにほぼ直交する方向とするが、時には空気流れの上流側方向に向けることもある。なお、追加した空気流路には空気の流れに旋回を与えるスワラ１２が設けられる。このスワラ−は必要に応じてその旋回角度を設定するが、場合によっては旋回を与えない場合もある。また、隔壁１３の先端部には本発明で追加したアトマイゼ−ションリップ１４が設けられる。図４は本発明の燃料噴射部の一例である。本図において使用する記号も原則として前記の図面と合わせて表記する。
【００２７】
燃焼器ライナ−２頭部の予混合・予蒸発燃焼用空気流路４の外周側に空気流路１１を追加しこの追加空気流路と内周側空気流路４の間にある隔壁１３の途中に設けたメイン燃料噴射孔７からメイン燃料を内周方向に噴射する。このメイン燃料噴射孔７は円周方向に複数個設けられ、燃料の噴射方向は通常空気に流れにほぼ直交する方向とするが、時には空気流れの上流側方向に向けることもある。なお、追加した空気流路には空気の流れに旋回を与えるスワラ１２が設けられる。このスワラ−は必要に応じてその旋回角度を設定するが、場合によっては旋回を与えない場合もある。また、隔壁１３の先端部には本発明で追加したアトマイゼ−ションリップ１４が設けられる。このような構成とすることで、微粒化改善効果を発生することが可能となる。
【００２８】
次に、図２を例にスワラ８とスワラ１２の旋回方向についてその効果を説明する。スワラ８の旋回方向とスワラ１２の旋回方向を同じ方向に合わせるとスワラ８およびスワラ１２からの流れが合流するアトマイゼ−ションリップ１４の先端部で両方の空気の混合が多少悪化する。このためメイン燃料噴出孔７から噴射された燃料の分散が抑えられ燃料の混合が悪化するので、混合気中に燃料濃度の濃淡が発生し特に低負荷時の燃焼における保炎性が良好になる性質がある。また、予蒸発・予混合室出口での旋回力が強くなり燃焼室１５内の逆流領域が大きくなることで保炎性がさらに良くなる。このため特に低負荷時の保炎性が問題となる場合はこのような旋回方向の組み合わせが採用できる。ただしＮＯｘの発生は多少増加する方向となる。一方、スワラ８の旋回方向とスワラ１２の旋回方向を反対方向にするとスワラ８およびスワラ１２からの流れが合流するアトマイゼ−ションリップ１４の先端部で両方の空気の混合が促進される、このためメイン燃料噴出口７から噴射された燃料の分散も良好になり上述の効果とは逆の特性となる。すなわち保炎性が悪化し、ＮＯｘ特性は改善される。
【００２９】
次に、同じく図２を例に空気流路４と本発明で追加する空気流路１１の通路面積についてその効果を説明する。空気流路４の通路面積を４ｓ、空気流路１１の通路面積を１１ｓとしたとき１１ｓ／（４ｓ＋１１ｓ）の面積比率を大きくすると高負荷時の燃料の混合特性が悪化するという特性がある。このためこの面積比率は１０％以下にするのが望ましい。
ただし、高負荷時においても燃料の一部がしたアトマイゼーションリップ１４で微粒化されるように燃料の噴射方向や噴射孔径を設計することで、この面積比率を１０％以上としても混合特性が損なわれないようにすることができる。
【００３０】
図１〜４においてアトマイゼ−ションリップ１４の先端部の形状は丸みを持った表示にしているがアトマイゼ−ションリップの表面を伝わる燃料液膜の微粒化に対してはシャ−プエッジ、あるいは先端を空気の流れに対してほぼ直角に切り落とした形状も望ましい。シャ−プエッジの場合は先端で燃料液膜が細かく引きちぎられる、一方直角に切り落とした形状の場合はアトマイゼ−ションリップの両側を流れる空気が先端部で流路面積が急拡大するため流れに大きな乱れあるいは渦が生じその結果燃料と空気の混合が促進する効果がある。なお、図１〜４は構造の概念を示したものであり必ずしも具体的構造を示すものではない。例えば実施例ではスワラをアキシャルスワラとしているがラジアルスワラとしても良い。また、図１〜４は筒状の燃焼器について記述しているがこの概念は筒状燃焼器に限定されるものではなく、環状燃焼器に対してもこの概念が適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態図（内周から外周に噴射するケ−ス）・・・・図６対応
【図２】本発明の他の一実施形態図（内周から外周に噴射するケ−ス）・・図７対応
【図３】本発明の他の一実施形態図（外周から内周に噴射するケ−ス）
【図４】本発明の他の一実施形態図（外周から内周に噴射するケ−ス）
【図５】従来技術燃焼器の例
【図６】従来技術燃料噴射部の例
【図７】従来技術燃料噴射部の他の例
【符号の説明】
【００３２】
１  ケーシング
２  ライナー
３  パイロット燃料燃焼用空気通路
４  燃料燃焼用空気通路
５  パイロットノズル
６、８、１２  スワラー
７  メイン燃料噴射孔
９、１４  アトマイゼーションリップ
１０  予蒸発・予混合室
１１  空気流路
１３  隔壁
１５  燃焼室
【図１】
2005180730.tif 000003
【図２】
2005180730.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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