(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れのための少なくとも１つの通路を有し、該通路は、実質的に環状の断面を有し、半径方向内方の壁と半径方向外方の壁とにより形成され、かつ入口領域および出口領域を備えた燃焼装置用燃料噴射装置において、
前記入口領域には、該入口領域から前記出口領域に導かれる流体が、軸線方向成分および通路の長手方向軸線の回りの回転方向成分とを備えた複合流れパターンをもつように、前記入口領域に流入する流体の流れパターンを変えることができる複数のベーンが組み込まれており、各ベーンには、根本、中間領域及び頂部が設けられ、ベーンは、前記入口領域に流入する存在する軸流流体が、根元及び頂部では実質的に影響を受けない状態を継続するが、中間領域を通過すると回転流れに部分的に転換するように輪郭が定められていることを特徴とする燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２】
根元及び／又は頂部は、中間領域に比べて小さい幅を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項３】
前記ベーンは、前記軸線方向成分及び前記回転方向成分に、連続的な半径方向変化を付与することを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項４】
前記各ベーンは、噴射装置の長手方向軸線に対して或る角度に設定されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項５】
前記流体には、根元と中間領域との間および頂部と中間領域との間で、徐々に回転方向成分が付与され、流体が通路に沿って旋回されることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項６】
使用時に、空気が入口領域に流入し、燃料が、入口領域と出口領域との間の少なくとも１つの位置で環状通路に流入することを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項７】
前記燃料は、環状通路の壁の少なくとも１つの孔を通って環状通路に流入することを特徴とする請求の範囲第６項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項８】
前記燃料は、前記ベーンの少なくとも１つの孔を通って環状通路に流入することを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項９】
前記各ベーンは直線状の前縁部および湾曲した後縁部を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１０】
前記後縁部は、流体の軸線方向流成分の方向から見て凸状であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１１】
前記後縁部は、流体の軸線方向流成分の方向から見て凹状であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１２】
前記各ベーンは湾曲前縁部を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１３】
前記後縁部及び／又は前縁部の表面は波状に形成されていることを特徴とする請求の範囲第９項〜第１２項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１４】
前記各ベーンは三日月状の断面形状を有することを特徴とする請求の範囲第１項〜第１３項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１５】
前記各ベーンの両面は、環状通路に沿って軸線方向に湾曲していることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１４項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１６】
前記環状通路の入口領域は、スロットが形成されたディスクにより形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１５項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１７】
前記各ベーンは、隣接する前記スロット間の壁により形成されていることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１８】
前記各壁は、実質的に半径方向に延びていることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項１９】
前記各スロットの半径方向内方の壁および半径方向外方の壁は真直であることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２０】
前記各スロットの半径方向内方の壁および半径方向外方の壁は湾曲していることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２１】
前記環状通路は、使用時に、燃料及び／又は空気のための中央の軸線方向ボアを包囲することを特徴とする請求の範囲第１項〜第２０項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２２】
前記中央ボアには、該ボアを通る流体燃料及び／又は空気の流れに、回転方向成分を付与する少なくとも１つのベーンが組み込まれていることを特徴とする請求の範囲第２１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２３】
前記燃料を、実質的に接線方向に中央ボア内に噴射する手段を有することを特徴とする請求の範囲第２１項または第２２項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２４】
前記中央ボアを通る流れの回転方向成分は、環状通路内の流体の流れの回転方向成分とは逆方向であることを特徴とする請求の範囲第２２項または第２３項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２５】
前記中央ボアを通る流れの回転方向成分は、環状通路内の流体の流れの回転方向成分と同方向であることを特徴とする請求の範囲第２２項または第２３項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２６】
前記中央ボアは、使用時にパイロット火炎用の燃料／空気混合気を供給するように構成されており、環状通路は、主火炎用の燃料／空気混合気を供給するように構成されていることを特徴とする請求の範囲第２１項〜第２５項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２７】
前記主火炎およびパイロット火炎は、使用時に合体して冠状の火炎を形成することを特徴とする請求の範囲第２６項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２８】
前記環状通路の出口領域は、空気のコアンダ効果ジェット流を付与して火炎安定性を改善させる部品により形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第２７項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項２９】
前記環状通路は、２つの部品の間隔を隔てた表面により形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第２８項のいずれか１項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項３０】
前記半径方向内方の部品には前記中央ボアが形成されていることを特徴とする請求の範囲第２９項に記載の燃焼装置用燃料噴射装置。
【請求項３１】
請求の範囲第１項〜第３０項のいずれか１項に記載の燃料噴射装置を備えたことを特徴とするガスタービン装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、流体燃料を使用する燃焼装置用の燃料噴射装置に関し、より詳しくは、タービン、特にガスタービン用噴射装置に関するものであるが、これに限定されるものではない。また、本発明は、液体燃料の使用に適し、また、タービン以外の燃焼装置に使用することにも適している。
様々な燃料噴射装置が開示されている。例えば、欧州特許第０６６００３８号公報には、燃料が環状部材上の環状リップに供給され、その燃料が、スワールベーンの第１及び第２の配列によって作られた第１及び第２の同軸の空気流によってリップから流れると霧化される、燃料噴射装置が開示されている。
燃料を空気流内に導く様々な装置が開示され、例えば、国際特許第９５／０２７８９号公報には、スワールベーンに設けられたガス噴射装置が、開示されている。さらに、湾曲したスワールベーンが開示されている（例えば、欧州特許第０３９３４８４号公報参照）。
環境に対する配慮それ自体および環境分野の法令は、あらゆる燃焼装置からの汚染物質、より詳しくは窒素酸化物（ＮＯx）のエミッションレベルをできる限り低いレベルにすることが重要であることを意味している。このようなエミッションを低減させる１つの方法は、空気／燃料混合気を効率的に混合させ、これにより効率的に燃焼させることである。効率的混合を行なうことを目的とする種々の噴射装置および混合装置が開示されてきたが、実際には、実際上遭遇する広範囲の空燃比、特に、低出力状態すなわち火炎が消失してしまいそうな状態での空燃比についてこのような混合を確保することは困難である。
本発明の目的は、広範囲の空燃比に亘って効率的な混合および燃焼が可能で、これにより、一定の作動条件範囲に亘って低ＮＯxエミッションが得られる燃料噴射装置、例えばタービン用の燃料噴射装置を提供することにある。
本発明によれば、流体の流れのための少なくとも１つの通路を有し、該通路は、実質的に環状の断面を有し、半径方向内方の壁と半径方向外方の壁とにより形成され、かつ入口領域および出口領域を備えた燃焼装置用燃料噴射装置において、入口領域には、入口領域から出口領域に導かれる流体が、軸線方向成分および通路の長手方向軸線の回りの回転方向成分とを備えた複合流れパターンをもつように、前記入口領域に流入する流体の流れパターンを変えることができる複数のベーンが組み込まれており、各ベーンには、根本、中間領域及び頂部が設けられ、ベーンは、前記入口領域に流入する存在する軸流流体が、根元及び頂部では実質的に影響を受けない状態を継続するが、中間領域を通過すると回転流れに部分的に転換するように輪郭が定められていることを特徴とする燃焼装置用燃料噴射装置が提供される。
好ましい実施形態では、根元及び／又は頂部は、中間領域に比べて小さい幅を有する。
また、ベーンは、前記軸線方向成分及び前記回転方向成分に、連続的な半径方向変化を付与することができる。
特に、流体には、根元と中間領域との間および頂部と中間領域との間で、徐々に回転方向成分が付与され、流体が通路に沿って旋回されるように構成できる。
各ベーンは、噴射装置の長手方向軸線に対して或る角度に設定することができる。
一実施形態では、使用時に、空気が入口領域に流入し、燃料が、入口領域と出口領域との間の少なくとも１つの位置で環状通路に流入する。燃料は、環状通路の壁の少なくとも１つの孔を通って環状通路に流入し、及び／又はベーンの少なくとも１つの孔を通って環状通路に流入できる。
各ベーンは直線状の前縁部および湾曲した後縁部を有し、該後縁部は、流体の軸線方向流成分の方向から見て凸状または凹状に形成できる。
或いは、前縁部を湾曲させることができる。
後縁部及び／又は前縁部の表面は波状に形成できる。
各ベーンの断面形状を三日月状にし、各ベーンの両面を環状通路に沿って軸線方向に湾曲させることを考えることができる。
環状通路の入口領域は、スロットが形成されたディスクにより形成し、この実施形態では、各ベーンを、隣接する前記スロット間の壁により形成することができる。
特に、各壁は、実質的に半径方向に延び、各スロットの半径方向内方の壁および半径方向外方の壁は真直または湾曲形状に構成できる。
環状通路は、使用時に、燃料及び／又は空気のための中央の軸線方向ボアを包囲し、中央ボアには、該ボアを通る流体燃料及び／又は空気の流れに、回転方向成分を付与する少なくとも１つのベーンを組み込み、かつ燃料を、実質的に接線方向に中央ボア内に噴射する手段を設けることができる。中央ボアを通る流れの回転方向成分は、環状通路内の流体の流れの回転方向成分とは逆方向にまたは同方向に構成できる。
中央ボアは、使用時にパイロット火炎用の燃料／空気混合気を供給するように構成され、環状通路は、主火炎用の燃料／空気混合気を供給するように構成され、かつ主火炎およびパイロット火炎は、使用時に合体して冠状の火炎を形成するように構成するのが好ましい。
環状通路の出口領域は、空気のコアンダ効果ジェット流を付与して火炎安定性を改善させる部品により形成できる。
環状通路は、２つの部品の間隔を隔てた表面により形成し、半径方向内方の部品には前記中央ボアを形成できる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第１図は、本発明による燃料噴射装置の一実施例を示す部分断面図である。
第２ａ図および第２ｂ図は、第１図の燃料噴射装置に使用するベーンの、それぞれ側面図および端面図である。
第３ａ図は本発明による燃料噴射装置のディスクの上流側面の一部を示し、第３ｂ図は第３ａ図のＡ−Ａ線に沿う断面を示す図面である。
第４ａ図は本発明による燃料噴射装置の他のディスクの上流側面の一部を示し、第４ｂ図は第４ａ図のＢ−Ｂ線に沿う断面を示す図面である。
第５図は、他のディスクの１つの面を示す図面である。
第６図は、本発明による燃料噴射装置で作られる火炎形成を示す図面である。
第７図は、本発明による他の燃料噴射装置を示す部分断面図である。
第１図の実施例は、燃焼室３０内で燃焼させる可燃性混合気を得るべく混合される燃料および空気が供給される燃料噴射装置１０を示す。すなわち、参照番号３０で示す部分は予燃焼室であり、燃焼は更に下流で行なわれると考えることもできる。燃料噴射装置１０は、破線４０で示す長手方向軸線を備えたほぼ円筒状の本体１１を有し、この本体１１は第１部分１３および第２部分１４からなり、第１部分１３には中央の軸線方向の円筒状ボア１２が形成されている。第１部分１３は、燃焼室３０に向かってテーパしたほぼ載頭円錐状の形状を有するが、その外面１５は、図示のような凹状面を形成すべく湾曲している。本体部分１４は、その外形が全体的に円筒状の形態を有しているが、内面１６は、本体部分１４の壁厚１７が、最小厚さの領域１８から最大厚さの領域１９に向かって増大し、次に中間厚さの領域２０に向かって減少するように、凸状に湾曲している。本体部分１４は、中間厚さの領域２０で燃焼室３０の上流側端部に固定される。
両表面１５、１６は同様な曲率を有し、本体部分１３の凹状面１５は、領域１８と領域１９との間で本体部分１４の凸状面１６に対面している。これにより、両表面１５、１６間には通路２３が形成される。該通路２３は実質的に環状の断面形状を有するが、湾曲面１５、１６により形成される長手方向境界壁は、環状通路の直径が軸線方向下流側に向かって減少している（すなわち、軸線４０からの通路の距離が下流側に向かって減少している）。
上記の実施例では、本体部分１３、１４は別体部品として形成されており、これらの部品は隣接要素として適当に固定され、図示のように、これらの間に通路２３を形成する。他の実施例では、両本体部分１３、１４の間に適当な支持／相互連結手段を介在させて、本体部分１３、１４を、例えば鋳造により一体成形することができる。また、中央ボア１２の回りに、単一の環状通路ではなく複数の別々の環状通路が形成されるようにして、本体部分１３、１４を形成し及び／又は位置決めし及び／又は相互連結することも考えられる。
燃料噴射装置１０は、空気および燃料を受け入れ、かつこれらを、ＮＯx生成量が低く効率的燃焼が行なえる希薄混合気を形成するように混合する。
このような混合を行なう目的のため、各環状通路２３に複数のベーン２５が設けられ、これらのベーン２５は、通路２３を通る流体に、軸線方向成分および通路２３の長手方向軸線の回りの回転方向成分（両成分は、制御された態様で半径方向に変化する）をもつ複合流パターンを付与するように適合されかつ配置されている。通路２３の配置は、事実上、各ベーン２５が噴射装置の長手方向軸線４０に対して或る角度に設定されていることを意味する。
第２ａ図および第２ｂ図は、ベーン２５の可能性のある一形態を示す。第２ａ図はベーン２５をその一方の側面から見た全体図であり、ベーン２５の前縁部５１は直線状であり、後縁部５２は湾曲している。第２ｂ図は、ベーン２５の前縁部５１の方向から見た端面図であり、ベーン２５の断面形状は、凹状面５３および凸状面５４を有する実質的な三日月状であり、両側面５３、５４はベーンの根本５５と頂部５６との間に延びている。図示のように、根本５５及び頂部５６は、それぞれ、表面１６および１５に確実に取り付けられる充分な厚さを有しているが、（後述のように）ベーンの頂部／根元に燃料通路が設けられる場合には、根元／頂部はもちろん幅広にする。側面５３、５４もまた軸線方向に湾曲しており、このためベーン２５は２方向に湾曲した形状を有している。図示のように、ベーン２５は、その凹状面５３が通路２３の入口端７１に向かって傾斜するように通路２３内に位置決めされるが、凸状面５４が通路２３の入口端７１に向かって傾斜するように位置決めすることも考えられる。
上記のように、ベーン２５は、通路２３を出る空気／燃料混合気に複合流パターンを付与する。この複合流パターンが得られるように通路２３内に空気及び／又は燃料を導入する方法には多くの方法がある。
一例として、本体１１の上流側の領域６０に、タービンにより駆動される圧縮機により圧縮空気を供給する方法がある。例えばエンジンに負荷が作用している主作動時には、ガス状燃料が、ベーン２５のボア（その出口はベーンの凹状面及び／又は凸状面に形成されている）を通って、及び／又は通路２３を形成する表面１５、１６の孔（例えば燃料ポート）を通って、及び／又は通路２３内または通路２３の直ぐ外側の入口７１に隣接する燃料ポストを通って通路２３内に導入される。液体燃料の場合、導入は、通常、表面１５、１６の霧化孔のみを通して行なわれる。一般に、後で詳述するように、パイロット作動（例えば、始動運転および低出力運転）およびガスまたは液体燃料の場合には、燃料は中央ボア１２内に導入される。
圧縮空気（または、予形成された空気／燃料混合気も可能である）は、本質的な軸流パターンで通路２３の入口端７１に流入する。前述のように、各ベーン２５の根本５５の位置および頂部５６の位置では、ベーンの中間領域に比べて幅すなわち弦厚（chordal dimension）が小さく、かつ根本および頂部でのベーン２５の形状は、存在する軸流空気が実質的に影響を受けない状態を継続することを可能にする。しかしながら、ベーン２５の根元５５および頂部５６と中間領域との間では、空気が中間領域を通過すると徐々に影響を受ける。特に、ベーンの中央部により指向される流れには回転流成分が付与され、これにより空気は通路２３に沿って旋回される。複合流は、これが流れるときにベーン２５の孔及び／又は表面１５、１６から燃料を受けかつ完全混合を生じさせ、隔絶された燃料濃厚ポケットすなわち実質的な低速流ゾーンを生じさせることなく燃料／空気混合気を形成し、これにより逆火が生じない効率的燃焼が行なわれる。
ベーン２５およびこれに関連する部品の入念な空気力学的考察を行なうことにより、従来技術の予混合バーナの一般的特徴である早期発火が防止される。
第１図、第２ａ図および第２ｂ図の実施例では、空間６０は、空気が低速で流れる簡単なチャンバを有効に構成するが、空間６０には、通路２３内に強制的に軸流を生じさせる手段を通路２３の入口７１に隣接して設けるのが有効である。このような手段は、もっぱら、通路２３の上流側端部に該通路の軸線方向延長部を構成する適当な寸法の環状体またはチューブからなり、空気を通路の入口に直接的に案内する機能を有する。
第図３ａ図、第図３ｂ図、第４ａ図および第４ｂ図に示す別の例の実施例では、通路２３内への複合旋回流が、貫通スロット７２の環状配列が形成されたディスク７１により達成される。スロット７２は、通路２３の半径方向寸法に等しい半径方向寸法を有しかつ通路２３の入口領域として集合的に機能する。これらの実施例では、各スロットはディスクを通って延びる部分が傾斜していると考えられ、この場合、各ベーン２５も１対の隣接スロットの間で半径方向に延びる同様な傾斜壁を考えることができる。スロットを適当な輪郭に定めることにより、複合流パターンを確保するためのベーンの所望の輪郭が得られる。
第３ａ図および第３ｂ図の実施例では、破線７３、７４は、下流側出口におけるスロットのこのようなマッチング輪郭表面の形状を示し、これらの表面は、ディスク７１の下流側表面に対して傾斜しかつ上流側に向かう凸状表面７５を有する湾曲表面を形成していることが理解されよう。根元および頂部におけるそれぞれの軸線方向傾斜通路７６、７７は、ベーンの中間領域における傾斜湾曲部により軸線方向の流れ成分を与え、回転流れ成分を付与する。
この実施例では、スロットの半径方向内方壁および半径方向外方壁は直線として示されているのに対して、第４ａ図および第４ｂ図の実施例では、これらの壁は、通路２３の表面１５、１６の湾曲に等しい湾曲を有する。
第５図は、かま状（sickle-shaped）スロットをもつ更に別の実施例を示し、これらのスロット間にはベーン／壁が同様に形成されている。
前述のように、環状通路２３は、空気／燃料混合気に複合流パターンを付与する。中央ボア１２は正確な用途に基づいて多くの態様で使用できるが、該中央ボア１２内に空気および燃料の密混合気を形成して、低エミッションパイロット火炎するか、低出力作動時の燃焼を安定させることを考えることもできる。また、例えば、ボア１２内にベーン８６（第１図参照）を使用するか、例えば燃料通路（単一または複数）から燃料をボア内に接線方向に噴射する構造を使用することにより、中央ボア１２内の流体の流れに回転成分を付与する場合には良好な混合が得られる。いずれの場合でも、中央ボア１２を出る流体の回転流れ方向が出口通路２３とは逆方向である場合には、一般に最適混合が得られる。
第６図は噴射装置１０の下流側端部を示し、この噴射装置では、中央ボア１２を出る燃料／空気混合気がパイロット火炎９０を形成しかつ環状通路を出る燃料／空気混合気がパイロット火炎９０を包囲する環状の主火炎９１を形成して、特に安定した冠状の全体的火炎を得ることができる。通路１２、２３内をそれぞれ流れる空気／燃料混合気の流れは、同じ空燃比（air/fuel ratios）または異なる空燃比をもつように構成できる。より詳しくは、ＮＯx生成物は、高燃焼温度で空燃比が同じである場合に最小になる一方、低燃焼温度で空燃比を異ならせることにより燃焼安定性の維持が助けられる。
第７図の変更形態では、噴射装置１０の出口領域に付加部品が設けられており、該部品は、別体部品として図示されているが本体部分１４と一体に成形することもできる。部品１０１は、該部品と本体部分１４の下流側端部との間に半径方向に延びるチャンネルを形成する少なくとも１つの軸線方向ギャップ１０２が形成されるように取り付けられる。本体部分１４にはリップ１０３が形成されており、該リップ１０３により、空気流はリップを出るときに半径方向流から軸線方向流へと指向され、コアンダ効果ジェット流を与える。この流れは、火炎クリープを防止する。各ギャップは、部品１４及び／又は部品１０１の半径方向溝により実現される。
また、特に空気／燃料混合の改善を目的とした燃料噴射装置の改良を考えることができる。かくして、通路２３の入口７１には、通路２３に流入する空気流を制御するための三日月状すなわち部分円形のベーンを設けることができる。更に、ベーン２５には、混合工程を補助するための波状後縁部及び／又は前縁部を設けることができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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