(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給ラインに連通され外周部に穿設された燃料導入溝、前記燃料導入溝に一端が連結された燃料導入孔、前記燃料導入孔の他端が開口し前記燃料導入溝からの燃料を前記燃料導入孔を経由して導入して旋回流を発生させる燃料渦巻室、及び前記燃料渦巻室に連結し前記燃料渦巻室内の燃料を燃焼器に噴射させる燃料噴孔を設けた燃料噴射弁において、前記燃料渦巻室内に連通させて内径の異なる段付燃料渦巻室が設けられるとともに、前記燃料導入溝及び燃料導入孔とは独立に設けられ、前記段付燃料渦巻室に燃料を供給する第２の燃料導入溝及び第２の燃料導入孔が設けられ、前記燃料導入溝又は前記第２の燃料導入溝の何れかに燃料を切替え供給する切替弁を具えていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
外部から燃料を供給する燃料ダクト、前記燃料ダクトを介して供給された燃料を噴射させる燃料噴射弁、及び前記燃料噴射弁から噴射された燃料に旋回流を発生させるため前記燃料噴射弁の外周にスワラを設けた燃焼器において、前記燃料噴射弁が請求項１記載の燃料噴射弁であることを特徴とする燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプで加圧された高圧の燃料を旋回させて燃焼室内に噴射し、燃焼させてガスタービンを駆動させる高温、高圧の燃焼ガスを発生させるための渦巻式の燃料噴射弁および当該燃料噴射弁を設けた燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１台以上の圧縮機、作動流体を加熱する装置、１台以上のタービン制御装置及び必要に応じて設置される熱交換器、その他の補機から構成され、作動流体を圧縮、加熱し、連続的に膨張させ、その保有する熱エネルギでタービンを回転させ、機械的エネルギを取り出すようにしたガスタービンは、従来から船舶を含む地上用又は航空用等の広い分野に使用されている。
【０００３】
図４は、このようなガスタービンにおいて、作動流体を加熱して高温、高圧の燃焼ガスを発生させる装置として使用されている、燃焼室の概要を示す部分縦断面図である。
図において、１はタービン軸軸心１１まわりに円環状にして配設され、作動流体としての空気を外気から取り入れ、図示省略した圧縮機で圧縮した高圧空気を供給するための燃焼器プレディフューザ、２は燃焼器プレディフューザ１の後部に形成されたテーパ部後端にその先端が接続され、燃焼室３の外周を包囲して設けられた円環状の燃焼器ケース、３は円環状の燃焼器ケース２に円環状に設けられた環状型燃焼室又は円周方向に等ピッチに設けられた缶型燃焼室である。
【０００４】
また、４は燃焼室３の略中央に設けられ、燃料ダクト５を介して外部から供給される、図示省略したポンプで加圧された高圧の燃料を燃焼室３内に噴射する燃料噴射弁、６は各燃料噴射弁４の外周に配設され、燃焼器プレディフューザ１から取り入れた高圧の空気を導入して、燃料噴射弁４から噴射される燃料の外周縁に旋回流を発生させ、燃料噴射弁４から噴射される燃料を噴霧状にして混合させるスワラであり、前述した燃焼噴射弁４及び燃料ダクト５と共に燃焼器７を形成する。
【０００５】
また、８は燃焼器ケース２の中央部に設けられ、燃焼器７の後方に燃焼室３を形成するライナ、９はライナ８に開口し、燃焼器７に設けられた図示省略した着火装置により、空気の燃料との混合気体が着火されて旋回流となっている燃焼ガスの外周縁に、燃焼器プレディフューザ１から取り入れた高圧空気を吹き込み、燃焼ガスを希釈する希釈穴、１０は燃焼ガスによって高温化するライナ８を冷却するために、ライナ８に設けられた冷却穴である。
【０００６】
図５は図４に示した燃焼器７を構成する燃料噴射弁４の詳細を示す部分縦断面図である。
図において、４１は燃料噴射弁４の外周部に燃料噴射弁４の軸心と平行に穿設され、その後端が図３に示す燃料ダクト５と燃料供給ラインを介して連通されている燃料導入溝、４２は直径Ｄｓの円筒状の最大内径部が設けられ、最大内径部から後述する燃料噴孔４４の噴孔径Ｄｎまで漸減するテーパ部を設け、燃料噴射弁４の前方内部に画成された燃料渦巻室、４３は燃料渦巻室４２と燃料導入溝４１とを区画する隔壁の円周方向に等ピッチに２〜４個穿設され、燃料導入溝４１内に供給された燃料を最大内径部の略円周方向に加速して、燃料渦巻室４２に導入する燃料導入孔、４４は燃料噴射弁４の先端に穿設され、燃料渦巻室４２内で旋回しテーパ部で加速された燃料を燃焼室３内に噴射させる噴孔径Ｄｎにされた燃料噴孔である。
【０００７】
燃料噴射弁４は、このように構成され、図５に示すように燃料ダクト５から燃料導入溝４１に供給された燃料は、燃料導入孔４３を通過して燃料渦巻室４２に導かれ、燃料渦巻室４２において旋回流４５となり、燃料噴孔４４に導入され燃料噴孔４４を通過するとき遠心力により十分薄い液膜４６となった後、燃焼器７の前面に噴出される。
また、燃焼器７前面に噴出され燃料噴孔４４先端から噴出した薄い液膜４６の燃料は、燃料噴射弁４の外周に設けた、スワラ６を通過した高圧空気の旋回流によって寸断されて微粒化され、燃焼室３内に流入する。
【０００８】
このような、燃料噴射弁４においては、一般に燃料噴霧圧（＝燃料元圧−燃焼器内圧）と燃料流量には、数１に示す関係式が成立する。
【０００９】
【数１】
0003905738.tif 000002
また、数１の燃料流量係数Ｃｄは、渦巻特性係数Ｋを使って数２によって求めることができる。
【００１０】
【数２】
0003905738.tif 000003
なお、空洞係数Ｘは、燃料噴孔４４における燃料流れ内に生じる空洞径Ｄｖを噴孔径Ｄｎで除したものである。
また、渦巻特性係数Ｋは、燃料渦巻室４２の形状および燃料導入孔４３の形状から、数３によって求めることができる。
【００１１】
【数３】
0003905738.tif 000004
以上の関係より導いた渦巻特性係数Ｋと燃料流量係数Ｃｄの関係は、図７に示すようになり、ひとたび、燃料渦巻室４２の形状、換言すれば燃料渦巻室４２に開口する燃料導入孔４３の総開口面積Ａｓ、燃料渦巻室４２の内径Ｄｓおよび燃料渦巻室４２の出口径である噴孔径Ｄｎが決まれば、数３により渦巻特性係数Ｋが決定され、これにより数２によって燃料流量係数Ｃｄが決定される。
このようにして決定された燃料流量係数Ｃｄを使って数１で計算することにより、図８に示すような燃料噴霧圧ΔＰと燃料流量Ｗｆの関係が決定される。
【００１２】
なお、数１から明らかなように、燃料噴霧圧ΔＰと燃料流量Ｗｆとの関係を示す式には、燃料噴孔４４の断面積Ａｎがファクタの一つとして入っているので、図８に示すものは、あくまで燃料噴孔４４のサイズを特定値に仮定したときのものであり、燃料噴孔４４のサイズが変化すれば、図８に示すものから変化するものである。
しかしながら、以下の説明においては、燃料噴霧圧ΔＰと燃料流量Ｗｆの関係が、図８に示すように一義的に決定されているものと仮定して説明を行うこととする。
【００１３】
まず、燃料噴霧圧ΔＰは燃料ポンプの仕様上３ＭＰａ程度におさめるのが望ましく、また、図６に示すように燃料噴孔４４の出口側に燃料の薄い液膜４６を形成し、燃料を微粒化して良好な噴霧を得ようとすると、燃料噴霧圧ΔＰは０．２ＭＰａ程度にすることが必要である。
即ち、燃料噴霧圧ΔＰを０．２ＭＰａ以下にすると、燃料噴孔４４の前面から噴射される燃料は、薄い膜を形成することなく噴射されるため微粒化が悪化し、燃料噴孔４４の前面の一部分に燃料だれ等の不具合を発生させる。
従って、この、燃料噴射弁４の燃料噴霧圧ΔＰは０．２〜３ＭＰａにする必要がある。
【００１４】
しかしながら、燃料噴霧圧ΔＰを０．２〜３ＭＰａに保持しようとすると、数１から明らかなように、燃料流量Ｗｆの２乗と燃料噴霧圧ΔＰが比例関係にあるので、燃料流量Ｗｆの範囲は、図８に示す燃料噴霧圧ΔＰと燃料流量Ｗｆの関係となる燃料噴射孔４４のサイズのもので、燃料噴霧圧ΔＰが３ＭＰａのときの燃料流量Ｗｆと燃料噴霧ΔＰが０．２ＭＰａのときの燃料流量Ｗｆとの比、即ち、燃料噴霧圧０．２〜３ＭＰａの範囲で燃焼室３に供給できる燃料流量比Ｗｆの最大／最小比であるターンダウン比は４となり、燃料流量Ｗｆの大きく変動させてガスタービンを広い作動範囲で作動させることが難しくなると云う不具合がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料導入口の燃料渦巻室への総開口面積、燃料渦巻室の内径および燃料渦巻室の出口径（噴孔径）からなる燃料渦巻室の形状が一旦決まれば、燃料流量係数が一義的に決定され、この燃料流量係数と噴孔径によってガスタービンの作動範囲が決まってしまうために、ガスタービン作動範囲が広くできない従来のガスタービンの不具合を解消するために、燃料渦巻室の形状をガスタービンが必要とする作動範囲にわたり稼働できるように変化させて、ターンダウン比を大きくできる燃料噴射弁および当該燃料噴射弁を設けた燃焼器を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の燃料噴射弁は次の手段とした。
【００１７】
（１）燃料供給ラインに連通され外周部に穿設された燃料導入溝、前記燃料導入溝に一端が連結された燃料導入孔、前記燃料導入孔の他端が開口し前記燃料導入溝からの燃料を前記燃料導入孔を経由して導入して旋回流を発生させる燃料渦巻室、及び前記燃料渦巻室に連結し前記燃料渦巻室内の燃料を燃焼器に噴射させる燃料噴孔を設けた燃料噴射弁において、前記燃料渦巻室内に連通させて内径の異なる段付燃料渦巻室が設けられるとともに、前記燃料導入溝及び燃料導入孔とは独立に設けられ、前記段付燃料渦巻室に燃料を供給する第２の燃料導入溝及び第２の燃料導入孔が設けられ、前記燃料導入溝又は前記第２の燃料導入溝の何れかに燃料を切替え供給する切替弁を具えるものとした。
なお、燃料渦巻室の前方若しくは後方に設ける段付燃料渦巻室は、単数又は複数設けるようにしても良いものである。
【００１８】
（ａ）本発明の燃料噴射弁は、上述の手段にすることにより、燃料導入溝に連結され燃料ダクトから供給される燃料を燃料噴射弁内に供給する供給ラインを、燃料渦巻室に燃料を供給するライン又は段付燃料渦巻室に燃料を供給するラインに切り替えることにより、内径の異なる渦巻室の内径の大きさに対応する個数通りの渦巻特性係数Ｋ、燃料流量係数Ｃｄで作動させることができ、燃料噴霧圧ΔＰの範囲を、燃料ポンプの仕様上好適な範囲の上限値から燃焼器内への燃料噴射に支障を生じない下限値の範囲にしても、燃料流量Ｗｆの最大値／最小値、所謂ターンダウン比を広くすることができ、ガスタービンを広い作動範囲で稼働させることができる。
【００１９】
また、本発明の燃焼器は次の手段とした。
【００２０】
（２）外部から燃料を供給する燃料ダクト、前記燃料ダクトを介して供給された燃料を噴射させる燃料噴射弁、及び前記燃料噴射弁から噴射された燃料に旋回流を発生させるため前記燃料噴射弁の外周にスワラを設けた燃焼器において、前記燃料噴射弁が上述（１）に記載の燃料噴射弁であるものとした。
【００２１】
（ｂ）本発明の燃焼器は、上述の手段にすることにより、上述（ａ）に加え、広いガスタービン作動範囲での燃料の微粒化向上による燃焼効率の改善を図ることができるとともに、ガスタービンを広い作動範囲で稼動させることができるにも関わらず、燃料噴射弁が一種類のもので良くなり、さらには、ガスタービンを広い作動範囲で稼働させるために、燃料ポンプを高圧仕様のものにする必要がなく、ガスタービンのコスト低減等を計れる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料噴射弁及び燃料噴射弁付燃焼器の実施の一形態を図面にもとづき説明する。
なお、図において図４、図５に示す部材と同一若しくは類似の部材には同一符号を付して説明は省略する。
図１は、本発明の燃料噴射弁の実施の第１形態を示す部分縦断面図、図２は図１に示す燃料噴射弁の燃料噴霧圧と燃料流量の関係を示す図、図３は図１に示す燃料噴射弁を設けた燃焼器を示す縦断面図である。
【００２３】
本実施の形態の燃料噴射弁１４は、従来の燃料噴射弁４に設けている内径Ｄｓの燃料渦巻室４２の後方である図の左側に、内径Ｄｔの段付渦巻室１４２を設けると共に、燃料導入溝４１の内周側に第２の燃料導入溝１４１を燃料導入溝４１と相互に干渉しないようにして平行に穿設している。
【００２４】
また、第２の燃料導入溝１４１と段付渦巻室１４２とを区画する隔壁には、燃料導入孔４３と同様に略円周方向に穿設され、第２の燃料導入溝１４１内に供給された燃料を円周方向に加速して、段付燃料渦巻室１４２内に旋回流を生じさせて導入する第２の燃料導入孔１４３を燃料導入孔４３と同様に周方向に２〜４個設けるようにしている。
さらに、燃料導入溝４１及び第２の燃料導入溝１４１は、それぞれ燃料供給ライン１６により図３に示す燃料ダクト５に連結され、燃料供給ライン１６に設けた切替弁１５の切替えによって燃料ダクト５から燃料噴射弁１４内に供給される燃料を燃料導入溝４１又は第２の燃料導入溝１４１の何れかに供給できるようにしている。
【００２５】
本実施の形態の燃料噴射弁１４は、このように燃料渦巻室４２に加えて、燃料渦巻室４２の後方に段付燃料渦巻室１４２を設けることにより、２通りの内径Ｄｓ、Ｄｔを有する渦巻室形状とすることができる。
すなわち、切替弁１５の切替えにより燃料供給ライン１６の切り替えを行うことにより、本実施の形態の燃料噴射弁１４は、２通りの渦巻特性係数Ｋ、流量係数Ｃｄで作動させることが可能である。
【００２６】
従って、このような燃料噴射弁１４においては、燃料流量Ｗｆと燃料噴霧圧ΔＰの関係も２通り存在し、図２に示すように燃料供給ライン１６の切り替えにより、同じ燃料噴霧圧ΔＰの範囲、前述したようにΔＰ＝０．２〜３ＭＰａの範囲に対して、ガスタービンはより広いターンダウン比の燃料流量Ｗｆの範囲で作動可能となる。
なお、上述した実施の形態では、従来の燃料渦巻室４２の後方に１個の段付燃料渦巻室１４２を設けるようにしたが、これは多段にわたって設けることもできるものである。
【００２７】
即ち、上述した段付燃料渦巻室１４２の外に、段付燃料渦巻室１４２の後方又は燃料渦巻室４２の前方のテーパ部に段付燃料渦巻室を設けて段数を増やすことにより、構造的には複雑になるが、ターンダウン比は上述した実施の形態のものに比較してより広くすることができ、これにより、ガスタービンをより広い燃料流量Ｗｆの範囲で稼働させることができる。
【００２８】
また、燃料導入溝４１又は第２の燃料導入溝１４１から燃料渦巻室４２又は段付燃料渦巻室１４２に燃料をそれぞれ導入する燃料導入孔４３又は第２の燃料導入孔１４３は、それぞれが開口している燃料渦巻室４２又は段付燃料渦巻室１４２の略円周方向に向けて開口させるようにしているが、開口の向き（開口角度）を変えたもの、例えば燃料渦巻室４２に複数設け、開口角度の異るものに切り換えて燃料を噴射させることにより、燃料渦巻室４２内に大又は小径の旋回流を発生させるようにすることもできるものである。
即ち、このようにすることにより燃料渦巻室を多段設けたときと同様に、ガスタービンをより広い燃料流量Ｗｆの範囲で稼働させることができ、作動範囲を広くすることができる。
【００２９】
次に、図３は上述した燃料噴射弁１４を燃焼器１７に設けたものである。
このように、燃焼器１７に燃料供給ライン１６の切り替えにより、最適な燃料噴霧圧ΔＰでガスタービンを作動させるにも拘わらず、ガスタービンに供給される燃料流量Ｗｆを広い範囲に変化させることができ、ガスタービンは広い作動範囲で稼働できるようになる。
また、広いガスタービン作動範囲での燃料の微粒化向上による燃焼効率の改善が図れると共に、ガスタービンを広い作動範囲のものにできるにも拘わらず、燃料噴射弁４が一種類のもので良くなることによりガスタービンのコスト低減等を図れるものにすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料噴射弁は、燃料供給ラインに連通され外周部に穿設された燃料導入溝、前記燃料導入溝に一端が連結された燃料導入孔、前記燃料導入孔の他端が開口し前記燃料導入溝からの燃料を前記燃料導入孔を経由して導入して旋回流を発生させる燃料渦巻室、及び前記燃料渦巻室に連結し前記燃料渦巻室内の燃料を燃焼器に噴射させる燃料噴孔を設けた燃料噴射弁において、前記燃料渦巻室内に連通させて内径の異なる段付燃料渦巻室が設けられるとともに、前記燃料導入溝及び燃料導入孔とは独立に設けられ、前記段付燃料渦巻室に燃料を供給する第２の燃料導入溝及び第２の燃料導入孔が設けられ、前記燃料導入溝又は前記第２の燃料導入溝の何れかに燃料を切替え供給する切替弁を具えるものとした。
【００３１】
これにより、燃料を燃料噴射弁内に供給する供給ラインを、燃料渦巻室又は段付燃料渦巻室に燃料を供給するラインにそれぞれ切り替えることにより、内径の異なる渦巻室の個数通りの渦巻特性係数Ｋ、燃料流量係数Ｃｄで燃料噴射弁を作動させることができ、燃料噴霧圧ΔＰの範囲を、燃料ポンプの仕様上好適な範囲から燃料噴射に支障を生じない下限値の範囲にしても、燃料流量Ｗｆのターンダウン比を広くすることができ、ガスタービンを広い作動範囲に稼働させることができる。
【００３２】
また、本発明の燃焼器は、外部から燃料を供給する燃料ダクト、前記燃料ダクトを介して供給された燃料を噴射させる燃料噴射弁、及び前記燃料噴射弁から噴射された燃料に旋回流を発生させるため前記燃料噴射弁の外周にスワラを設けた燃焼器において、上述した燃料噴射弁を採用するものにした。
【００３３】
これにより、広いガスタービン作動範囲での燃料の微粒化向上による燃焼効率の改善が図れ、また、ガスタービンを広い作動範囲の稼働させるにも関わらず、燃料噴射弁は一種類のもので良く、さらには、燃料ポンプを高圧仕様のものする必要がなく、ガスタービンのコスト低減等が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料噴射弁の実施の第１形態を示す部分縦断面図、
【図２】図１に示す燃料噴射弁の燃料噴霧圧と燃料流量の関係を示す図、
【図３】図１に示す燃料噴射弁を設けた本発明の燃焼器の実施の第１形態としての、ガスタービン燃焼室の部分縦断面図、
【図４】従来の燃焼器の備えたガスタービン燃焼室の部分縦断面図、
【図５】従来の燃料噴射弁を示す図で、図５（ａ）は部分縦断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の矢視Ａ−Ａにおける部分横断面図、
【図６】燃料噴射弁から燃焼器内に噴射される燃料の状態を示す縦断面図、
【図７】渦巻特性係数Ｋと流量係数Ｃｄとの関係を示す図、
【図８】特定サイズの噴射孔における燃料流量Ｗｆと燃料噴霧圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
１      燃焼器プレディフューザ
２      燃焼器ケース
３      燃焼室
４      燃料噴射弁
４１    燃料導入溝
４２    燃料渦巻室
４３    燃料導入孔
４４    燃料噴孔
４５    旋回流
４６    液膜
５      燃料ダクト
６      スワラ
７      燃焼器
８      ライナ
９      希釈穴
１０    冷却穴
１１    タービン軸心
１４    燃料噴射弁
１４１  第２の燃料導入溝
１４２  段付燃料渦巻室
１４３  第２の燃料導入孔
１５    切替弁
１６    燃料供給ライン
１７    燃焼器
Ａｎ    燃料噴孔（断）面積
Ａｓ    燃料導入孔の総開口面積
Ｃｄ    燃料流量係数
Ｄｎ    噴孔径
Ｄｓ    燃料渦巻室内径
Ｄｔ    段付燃料渦巻室内径
Ｄｖ    空洞径
Ｋ      渦巻特性係数
ΔＰ    燃料噴霧圧
Ｗｆ    燃料流量
Ｘ      空洞係数
ρ      燃料密度
【図１】
0003905738.tif 000005
【図２】
0003905738.tif 000006
【図３】
0003905738.tif 000007
【図４】
0003905738.tif 000008
【図５】
0003905738.tif 000009
【図６】
0003905738.tif 000010
【図７】
0003905738.tif 000011
【図８】
0003905738.tif 000012