(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン用の予混合燃料インジェクターであって、前記予混合燃料インジェクターは、
スクロールアッセンブリと、
前記スクロールアッセンブリから半径方向に離して配置され、かつ前記スクロールアッセンブリと協働して一次燃料を一次空気流と混合させる混合室を画定するセンタボディと、を備えており、前記センタボディは、
燃料流出口を有する基部と、
前記基部から軸方向に延び、かつ前記混合室の半径方向内側の境界と二次空気供給管路の半径方向外側の境界を画定するシェルと、
燃料流入口を有し、前記基部から軸方向に離れて配置されるとともに前記シェルにより囲まれ、かつ該シェルに堅固に固定されたインサートと、
前記二次空気供給管路内に延び、かつ取入れ口先端と排出口先端とを有する燃料供給チューブと、を備え、
前記取入れ口先端は、前記燃料流出口と前記燃料供給チューブとの間で流体を連通させるために第１の接合により前記基部に堅固に固定されており、前記排出口先端は、前記燃料供給チューブと前記燃料流入口との間で流体を連通させるために第２の接合によりインサートに堅固に固定されており、前記燃料供給チューブは、シェルと該燃料供給チューブとの異なる寸法の変化を許容するために少なくとも２次元で曲げられていることを特徴とする予混合燃料インジェクター。
【請求項２】
前記第１の接合と前記第２の接合は流体的に密であることを特徴とする請求項１記載の燃料インジェクター。
【請求項３】
前記燃料供給チューブは、懸念される最大の振動数を含む運転中の振動を受けるものであって、前記チューブはその固有振動数が前記最大振動数より高くなるように曲げられていることを特徴とする請求項１記載の燃料インジェクター。
【請求項４】
前記寸法の変化は熱により起こることを特徴とする請求項１記載の燃料インジェクター。
【請求項５】
前記燃料供給チューブは３次元で曲げられていることを特徴とする請求項１記載の燃料インジェクター。
【請求項６】
前記燃料供給チューブは実質的に渦巻線形状に曲げられていることを特徴とする請求項５記載の燃料インジェクター。
【請求項７】
前記渦巻線形状は約３６０°の範囲に亘ることを特徴とする請求項６記載の燃料インジェクター。
【請求項８】
予混合燃料インジェクターのセンタボディであって、前記センタボディは、
燃料流出口を有するセンタボディ基部と、
前記基部から軸方向に延び、かつ空気供給管路の半径方向外側の境界を画定するシェルと、
燃料流入口を有し、かつ前記基部から軸方向に離れて配置されるとともに前記シェルにより囲まれ、かつ該シェルに堅固に固定されているインサートと、
前記空気供給管路内に延び、かつ取入れ口先端と排出口先端とを有する燃料供給チューブと、を備え、
前記取入れ口先端は、前記燃料流出口と前記燃料供給チューブとの間で流体を連通させるために第１の接合により前記基部に堅固に固定されており、前記排出口先端は、前記燃料供給チューブと前記燃料流入口との間で流体を連通させるために、第２の接合によりインサートに堅固に固定されており、前記燃料供給チューブは、シェルと該燃料供給チューブとの異なる寸法の変化を許容するために少なくとも２次元で曲げられていることを特徴とするセンタボディ。
【請求項９】
前記第１の接合と前記第２の接合は流体的に密であることを特徴とする請求項８記載のセンタボディ。
【請求項１０】
前記燃料供給チューブは、懸念される最大の振動数を含む運転中の振動を受けるものであって、前記チューブはその固有振動数が前記最大振動数より高くなるように曲げられていることを特徴とする請求項８記載のセンタボディ。
【請求項１１】
前記寸法の変化は熱により起こることを特徴とする請求項８記載のセンタボディ。
【請求項１２】
前記燃料供給チューブは３次元で曲げられていることを特徴とする請求項８記載のセンタボディ。
【請求項１３】
前記燃料供給チューブは実質的に渦巻線形状に曲げられていることを特徴とする請求項１２記載のセンタボディ。
【請求項１４】
前記渦巻線形状はほぼ３６０°の範囲に亘ることを特徴とする請求項１３記載のセンタボディ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次燃料−空気および二次燃料−空気をガスタービンエンジンの燃焼室に導入するための予混合燃料インジェクターに関し、特に二次燃料と二次空気を輸送し導入するための改良された構成を有する予混合燃料インジェクターに関する。
【０００２】
本発明は、同時出願中である、１９９６年１２月２０日出願の米国特許出願０８／７７１，４０８号の名称“火炎噴射の２つの気流の接線流入型ノズル”、１９９６年１２月２０日出願の米国特許出願０８／７７１，４０９号の名称“２つの気流の接線流入型ノズルによる火炎放射方法”、１９９７年１２月１５日出願の米国特許出願０８／９９１，０３２号の名称“ブラッフボディ予混合燃料インジェクターおよび燃料と空気の予混合方法”、１９９８年３月２４日出願の米国特許出願０９／０４６，９０３号の名称“耐久性が改善された火炎安定燃料インジェクター”、１９９８年５月１８日出願の米国特許出願０９／０８０，４８５号の“予混合燃料インジェクターと操作方法”の技術を含む。
【０００３】
【従来の技術】
発電装置あるいは産業上の動力装置に利用されるような産業用ガスタービンエンジンにおいて、窒素酸化物（NOx）や他の望ましくない排出物の厳重な規制が課題となっている。このような排出物を最小にするために、産業用ガスタービンは、接線流入型インジェクターとして知られるタイプの予混合燃料インジェクターを備えている。一般的な接線流入型インジェクターは、軸方向に延びたセンタボディと、前部隔壁と後部隔壁の間に軸方向に延びた一対の弓形スクロールを備えている。スクロールはセンタボディを中心に半径方向に離して配置されており、環状の混合室を画定している。スクロールはさらに半径方向に互いに離間されて一対の空気取入れスロットを画定しており、各スロットによって一次燃焼空気の流れが混合室内に接線方向に流入する。それぞれのスクロールは、流入してくる空気の流れに一次燃料を導入するために、軸方向に配列された燃料導入通路の列を備えている。インジェクターの後部隔壁は、一次燃料と一次空気をエンジンの燃焼室に流入させるために噴射ポートを備えており、この噴射ポートの最後端部は燃料インジェクター放出面を画定している。
【０００４】
インジェクターのセンタボディは、前部隔壁に取り付けられた基部、後部平面を有する噴射インサート、ほぼ切頭円錐体である空洞のシェル、を備えている。シェルは、基部から軸方向に延びており、混合室の半径方向内側の境界と二次空気供給管路の半径方向外側の境界を区画している。噴射インサートは、基部から軸方向に離して配置されてシェルの後端部にちょうど(snugly）嵌まっており、軸方向に面する後部平面が、センタボディ後縁とインジェクター放出面との双方に対し軸方向で同一位置に並んでいる。インサートとシェルの後端部は相互に接するが、インサートは、基部から二次空気供給管路内を直線状に延びている二次燃料供給チューブにのみ固定されている。このように、インサートは、シェルの後端部により半径方向に、二次燃料供給チューブにより軸方向に支持されている。シェルとインサートの間に堅固な接合がないことは、熱により発生する異なる寸法の変化に応じて、シェルとインサートが軸方向に相対的に摺動することを可能にし、インジェクターの損傷を防止する。センタボディのシェルは９００°Ｆ（４８２℃）程度の高温に達するが、燃料供給チューブは２００°Ｆ（９３℃）以下の温度の燃料に接する。このことから、センタボディのシェルは軸方向に大きく膨張するが、燃料供給チューブは軸方向に比較的小さく膨張し、異なる寸法の変化が生じる。
【０００５】
エンジンの運転中、一次空気と一次燃料は混合室に入り、センタボディの周囲で旋回し、完全に混合する。この旋回状態の燃料−空気混合物は混合室を軸方向に流れ、インジェクター放出面を通過し、エンジンの燃焼室に入り、ここで点火され燃焼される。完全に混合された燃料−空気混合物は燃焼室の火炎温度を均一に低く保ち、NOxの抑制に不可欠な、無害な完全燃焼を促進する。同時に、二次空気の流れは基部内の孔を通って空気供給管路に入り、二次燃料の流れは燃料供給チューブを通る。噴射インサートは、二次空気流および二次燃料流を、複数の分散した空気噴流および燃料噴流に分け、かつ、これらの噴流を燃焼室に導入する。二次燃料と二次空気は、燃焼火炎が、インサートの露出した後端部に固定されて空間的に安定することを助長する。この結果、多大な損傷が生じる混合室内への火炎の吸い込みが防止される。空間的に安定した火炎は、さらに、気体−熱音響共鳴、火炎の空間的な不安定性に関する現象、エンジンの構造上の多大な損傷を発生させる現象が生じる可能性を最小化する。そして、インサート後面はセンタボディ後縁と軸方向で同一位置に並んでいるため、固定された空間的に安定な燃焼火炎は、全体的にセンタボディの外部で燃焼され、そのためにセンタボディ内部の熱による損傷を防止できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、接線流入型燃料インジェクターは多数の利点を有するが、潜在的な欠点がないことはない。特に、インサートとシェルの間に堅固な接合がないことは、熱による損傷を防止するためには望ましいが、長期間、無故障とするには完全ではない。インサートとシェルの並列した表面間の相対的な滑りはこれらの表面を浸食し、インサートとシェルとの適切な嵌合状態を損なう。この摩耗が進行すると、インサートとシェルの間に狭い環状隙間が発生し、その結果インサートは自由に振動できるようになる。インサートの振動は、燃料供給チューブとセンタボディ基部の間の接合に過大な応力を与え、これを破壊し得る。さらに、少量だが不規則な量の二次空気がこの環状隙間を通過してリークし、排気排出物が増加し、あるいはインサートに固定された状態を維持しようとする火炎の能力が損なわれる。加えて、燃料供給チューブに長さ方向のどの部分で破断が起こっても、インサートは、インジェクターから脱落してしまい、エンジンが異物による大きな損傷を受ける可能性がある。最後に、燃料供給チューブに対するシェルの軸方向への異なる寸法の熱膨張は、インサート後面をシェル内部へ軸方向に後退させる可能性がある。インサート最後部の表面に固定されている燃焼火炎は、シェル内部へ部分的に後退し、火炎の熱による損傷が起こり得る。
【０００７】
二次燃料供給チューブに対するセンタボディシェルの異なる寸法の変化を許容し、耐久性に優れ、動作特性が低下せず、異物損傷を引き起こす部品脱落の危険性がない予混合燃料インジェクターが必要である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、予混合燃料インジェクターはセンタボディのシェルに堅固に固定された二次燃料−空気噴射インサートを備えており、このインサートには、異なる寸法の変化を許容するために少なくとも二次元で曲げられた二次燃料供給チューブが接続されている。本発明の一つの特徴によると、燃料供給チューブは、その固有振動数がエンジンの運転中にチューブが励起される最大の振動数より高くなるように、曲げられている。本発明の一つの詳細な実施例では、チューブはほぼ３６０°の範囲に亘るスパイラル状に巻かれている。本発明のインジェクターの主な利点は、インジェクターの部品間での相対的な滑りによる摩耗を生じることなく、異なる寸法の変化を許容する能力を有することである。この結果、異物による損傷の危険性が最小になり、排気排出物が少なく火炎が空間的に安定するという望ましい動作特性の耐久性が長期間において得られる、という利点を生じる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１〜３に示すように、接線流入型予混合燃料インジェクター１０は、前部隔壁１２と、燃料−空気噴射ポート１６が貫通した後部隔壁１４とを備えている。このインジェクターは、さらに隔壁１２，１４間に延びた一対のスクロール１８a，１８ｂからなるスクロールアッセンブリ１８を備えている。それぞれのスクロール１８a，１８ｂは、スロット２４として示す一対の一次空気取入れスロットを画定するために、燃料インジェクター軸２２から半径方向に離れて位置している。それぞれのスクロール１８a，１８ｂはさらに一次燃料供給マニホールド２６と、通路２８として示すような軸方向に並んだ一次燃料導入通路の列と、を備えている。
【００１０】
このインジェクター１０は、さらにスクロール１８a,１８ｂと協働して環状混合室３４を半径方向で区画しているセンタボディ３２を備えている。このセンタボディ３２は、基部３６と、空洞でかつ、ほぼ切頭円錐形であるシェル３８と、二次燃料−空気噴射インサート４０と、二次燃料供給チューブ４２と、を備えている。基部３６は二次燃料流出口４４を有し、かつ前部隔壁１２に取り付けられている。シェル３８は基部３６から軸方向に延びており、混合室３４の半径方向内側の境界と、二次空気供給管路４６の径方向外側の境界とを画定している。図２において最も良く示されているように、インサート４０は、衝撃板５４を一体に備えたハウジング５２と、流体分配器５６と、二次燃料流入口６２を有するプラグ５８と、先端キャップ６４と、を備えている。流体分配器５６は円筒形中央開口部６６と円錐形プレナム６８とを備えている。燃料分配室７２及び燃料マニホールド７４が、前記のハウジング５２と分配器５６とプラグ５８とによって画定されており、分配器５６内に設けられた燃料分配通路７６の列によって相互に連結されている。ハウジング５２内の二次燃料通路７８は、燃料マニホールド７４をエンジンの燃焼室８２に接続している。同様に、衝撃板５４、先端キャップ６４、ハウジング５２内にそれぞれ設けられた二次空気経路８４，８６，８８によって二次空気が燃焼室８２に導入される。インサート４０は、基部３６から軸方向に間隔を空けて配置されており、先端キャップ６４の平らな火炎安定面９２が、シェル３８の後縁つまりへり９４ならびにインジェクター放出面９６と軸方向に同一位置に並ぶように、シェル３８の後端部によって囲まれている。インサート４０は流体的に密な（fluid tight）ろう接合９８によってシェル３８に堅固に固定されている。
【００１１】
二次燃料供給チューブ４２は、二次燃料流出口４４と供給チューブ４２との間で流体を連通させるために、第１のろう接合１０４によって基部３６に堅固に固定された二次燃料取入れ口先端１０２を備えている。供給チューブ４２は、さらに供給チューブ４２とプラグ５８内の二次燃料流入口６２の間で流体を連通させるために、第２のろう接合１０８によってインサート４０に堅固に固定された二次燃料排出口先端１０６を有している。原則では、接合１０４，１０８の一方もしく双方が、シェル３８と供給チューブ４２における異なる寸法の変化を許容するために非堅固な接合、すなわちすべり面接合である。しかし実際には、堅固な接合のみが確実に流体を密（fluid tight）にシールする。
【００１２】
燃料供給チューブ４２は、エンジンの振動によって損傷しないようにするためだけでなく、シェル３８と燃料供給チューブ４２の異なる熱膨張により最も著しく発生する異なる寸法の変化に適応するために剛体である。これらの基準は少なくとも２次元で曲げられたチューブによって満たされる。そして、この湾曲の正確な状態は、チューブがエンジン運転中に受けると思われる振動の周波数のスペクトルを一部考慮して定められている。このチューブは、その固有振動数がストレートチューブほど高くはないものの、エネルギー容量が問題となると判断されるいかなる振動モードよりも明らかに高くなるように曲げられる。この湾曲は、さらに、異なる寸法の変化に応じてわずかにチューブが弾性変形することを可能にしている。
【００１３】
図示した実施例のチューブ４２は、出願人によって製造される産業用エンジンにおいて利用されるものである。このチューブ４２は、インコネル６２５（商標）から形成され、内径０.１８０インチ（４．５７ｍｍ）、外径０.２５０インチ（６．３５ｍｍ）、二次燃料流出口４４から二次燃料流入口６２までの直線距離幅は約８.２インチ（２０８ｍｍ）である。このチューブ４２は、かなりのエネルギー容量を有する４５０Hｚの一次振動モードとエネルギー容量が小さな高次（すなわち高い周波数）の振動モードとによって励起されると思われる。振動モードの相対的なエネルギー容量から、４５０Hｚのモードのみが懸念される。多数の候補形状について分析したところ、長さが約９.７インチ（２４６ｍｍ）で、ほぼ３６０°の範囲に亘って三次元的な渦巻線状に巻かれているものが好適であった。すなわち、このチューブは、懸念される周波数より約２０％高い約５４０Hｚの固有振動数を有し、かつ燃料供給チューブ４２とセンタボディ３２のシェル３８との異なる寸法の変化を吸収するように十分に柔軟である。
【００１４】
エンジンの運転中、一次燃焼空気の流れは一次空気取入れスロット２４から混合室３４に入る。気体状の一次燃料が一次燃料導入通路２８から発生し、流れてくる気流に入る。一次燃料と一次空気は混合室３４に入り、センタボディ３２の周りで旋回し、完全に混合する。その旋回状態の燃料−空気混合物は、混合室３４および燃料−空気噴射ポート１６を軸方向に流れ、燃焼室８２に入り、ここで点火されて燃焼される。同時に、二次空気は、センタボディ３２の基部３６内の孔（図示せず）を通って二次空気供給管路４６に入り、二次空気通路８４，８６、８８を通って燃焼室８２に流れる。一方、燃料供給チューブ４２からの二次気体燃料は、燃料分配室７２、燃料分配通路７６、燃料マニホールド７４、二次燃料通路７８を通過する。エンジンの運転中、一次空気と二次空気は、センタボディ３２のシェル３８の温度を９００°Ｆ（４８２℃）まで上昇させるのに十分なほど熱い。しかし、燃料供給チューブ４２は、２００°Ｆ（９３℃）以下の温度の燃料が流れるので、比較的低温状態に維持される。従って、センタボディ３２は、シェル３８に流入した熱エネルギあるいはシェル３８から持ち出された熱エネルギーに応じて軸方向に膨張しもしくは収縮する。インサート４０とシェル３８の間の堅固な接合９８によって、インサート４０は基部３６に対して相対的に変位する。燃料チューブ４２は、この相対変位に適応するためにわずかに曲がる。
【００１５】
上述したインジェクターは、ストレート形の燃料供給チューブと、燃料供給チューブによって軸方向に支持され、堅固に固定されない状態で、シェルによって半径方向に支持されるインサートと、を備えた従来技術におけるインジェクターよりも多数の利点を有する。相対的なすべりがシェル３８とインサート４０の間に存在しないので摩耗の可能性がなく、従ってインサート４０の半径方向外側の表面とシェル３８の半径方向内側の表面との間で狭い環状隙間の進行が防止される。結果として、インサート４０はシェル３８に対し移動することがなく、かつ接合１０４に対して過大な応力を加えることがない。また摩耗の環状隙間が存在しないことにより、二次空気の全てがインサート４０の適切な経路を通して意図したように確実に計量され、その結果、排気組成物や火炎安定性が悪影響を受けることがない。さらに、インサート４０の位置がシェル３８に対して不変であるので、シェル３８がチューブ４２に対して膨張するときに、インサート４０の火炎安定面９２は、シェル内部へ後退せずに、シェル３８のへり９４と軸方向に整列した状態を維持する。この結果、燃焼室８２の火炎は、熱による激しい損傷が起こりうるシェル３８内部へ部分的に後退することがなく、全体的にシェル３８の外側に保持される。最後に、開示された構成では燃料供給チューブ４２が破損してもインサート４０を解放しないので、エンジンの異物による損傷の可能性を最小化する。但し、ほとんど起こり得ない燃料供給チューブ４２とろう接合９８とにおける二重の破損が生じた場合には、インサート４０が解放される。
【００１６】
本発明は、詳細な実施例により開示され説明されたが、請求項の内容から逸脱することなく、形態や詳細において様々な変更が可能であることは当業者にとって明らかだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンエンジン用の予混合燃料インジェクターの切欠斜視図。
【図２】インジェクターのシェルと燃料−空気噴射インサートとの関係を示すセンタボディの後部先端の拡大断面図。
【図３】燃料供給チューブのスパイラル形状を示す図１の３−３線に沿った断面図。
【符号の説明】
１０…接線流入型予混合インジェクター
１８a，１８ｂ…スクロール
３２…センタボディ
３６…センタボディ基部
３８…シェル
４０…二次燃料−空気供給噴射インサート
４２…二次燃料供給チューブ
４４…二次燃料流出口
６２…二次燃料流入口
１０４…第１のろう接合
１０２…二次燃料取入れ口先端
１０８…第２のろう接合
１０６…二次燃料排出口先端
【図１】
0004164195.tif 000002
【図２】
0004164195.tif 000003
【図３】
0004164195.tif 000004