JPH08178288A - 燃料ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスタービン・エンジンの燃料ノズルの二次
燃料回路の燃料噴射を改良して、タービン・セクション
前方に所望の温度勾配を生ずる燃料噴霧を提供するとと
もに、半径方向および周方向に所望の燃料の広がりを得
る。 【構成】 ガスタービン・エンジンの燃焼器の燃料ノズ
ル（22）の半径方向ジェット（28）は、燃料をエアスワ
ーラ（26）内に周方向に非均一に分配してパターン・フ
ァクターを減少するために、燃料ノズルの先端部の回り
に非軸線対称に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン・エンジ
ンの燃焼器の燃料ノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】典型的なガスタービン・エンジンの燃焼
器の燃料ノズルは、一次燃料回路と、高出力エンジン動
作中に単独で駆動する独立した二次燃料回路を含んでい
る。周知のように、二次燃料回路は、それ自身の燃料ノ
ズルを含むか、あるいは、一次燃料回路を組み入れた燃
料ノズルに含まれるようにすることができる。

【０００３】後者の構造では、二次燃料回路は一次燃料
回路のオリフィスと同中心且つ燃料ノズル先端部の軸線
と同軸に配置した単一のオリフィスである。他の燃料ノ
ズルの構造は、工業的に半径方向ジェットと呼ばれるノ
ズル先端部の軸線の回りに同中心的且つ対称的に離間し
て配置した多数のオリフィスを含んでいる。

【０００４】一般に、高出力の燃料の流れは、二次燃料
回路を通ってバーナーに入る。典型的な二次燃料回路
は、エアスワーラ（空気旋回翼）と燃料ノズル先端部の
一致する軸線の回りに対称的に燃料分布を生ずる。これ
らの二次燃料回路では、いずれも燃料ノズルのエアスワ
ーラによって生ずる空気渦流への燃料噴霧貫通力を達成
するとともに、エアスワーラによって引き起こされる燃
料噴霧の衰弱を防止する必要がある。これらの要求につ
いては改良されていたので、多数の二次燃料オリフィス
（半径方向ジェット）は単一の二次燃料オリフィスにつ
いての改良に関するものであった。上述したような二次
燃料回路の単一のオリフィスおよび半径方向ジェットの
いずれの構造も、対称的な噴霧の形態で燃料ノズルのエ
アスワーラ下流で燃料分配を生ずるようになっている。

【０００５】燃焼器を有効なものにするためには、燃焼
したガス媒体をエンジンのガスタービンに送り出す前
に、燃焼したガス媒体は所望のパターン・ファクター
（パターン係数又はパターン率）を示さなければならな
い。従来のパターン・ファクターを減少させる方法の一
つとしては、燃焼器に混合用空気穴を組み込んで、追加
の空気を燃焼生成物と混合する方法があった。前端部を
通って燃焼器に入る空気量の増加のために、混合領域の
空気ジェットを使用してパターン・ファクターを有効に
する能力は減少している。増大した燃焼器の大きさおよ
び空気流のために、進歩したガスタービンの燃焼器につ
いても問題は悪化している。

【０００６】発明者は、半径方向ジェットを適切に使用
して、噴霧貫通力に不利な影響を与えないとともにエア
スワーラによって引き起こされる燃料噴霧の衰弱を防止
する能力に不利な影響を与えることなく燃焼器のパター
ン・ファクターを低下させるように、高出力中に燃料分
配を適合させることによって、進歩したガスタービン・
エンジンのパターン・ファクターを改良することができ
ることを発見した。本発明は、タービン入口の上流の燃
焼器の端部において所望の温度分布を生ずるのに適した
燃料噴霧を生ずるように、半径方向ジェットを非対称に
配置することを企図するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ガスタービ
ン・エンジンの燃料ノズルの二次燃料回路の燃料噴射を
改良することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、ガスタ
ービン・エンジンのタービン・セクション前方に所定の
温度勾配を生ずる燃料噴霧を提供するために、ノズル先
端部およびエアスワーラの軸線の回りに１つの燃料ノズ
ルについて非対称に複数の半径方向ジェットを配置させ
ることである。

【０００９】また、本発明の他の特徴は、半径方向およ
び周方向に所定の燃料の広がりを得るために、１つの燃
料ノズルについて複数の半径方向ジェットを適切に配置
させることである。

【００１０】本発明の上記の特徴および他の特徴は、以
下の実施例および添付図面により明らかになるであろ
う。

【００１１】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。

【００１２】上述したように、別個の一次回路と二次回
路を備えたガスタービン・エンジンの燃料装置では、燃
料は高出力エンジン動作のために二次回路を通って燃焼
器に入る。従来の燃料ノズルの設計では、燃料はエアス
ワーラおよび燃料ノズル先端部の同一の軸線の回りに対
称的に分配されていた。このような燃料ノズルは、例え
ば、１９８３年１１月２９日にＪ．Ｅ．Ｆａｕｃｈｅｒ
に付与され、本出願人に譲渡された米国特許第４,４１
８,５４３号（発明の名称「ガスタービン・エンジンの
燃料ノズル」）に開示されている。燃料ノズルは、バー
ナー内で燃焼する燃料を分配して、有効な燃焼を達成す
るとともに、大気に噴射される煙や有毒ガスが生ずるの
を避ける作用をする。

【００１３】本発明は環状燃焼器に利用されるが、それ
に限られるものではなく、他のタイプの燃焼器に使用す
ることもできる。しかし、本発明は、一次燃料回路に加
えて二次燃料回路を使用し且つ燃焼器の動作包絡線の高
出力状態中に動作する燃料ノズルのみに関するものであ
る。

【００１４】図１に概略的に示すように、環状燃焼器
（アンニュラ型燃焼器）１０は、燃焼室１６を形成する
円筒形又は円錐形の外側ライナ部材１２と円筒形又は円
錐形の内側ライナ部材１４からなる。詳細に示していな
いが、ライナ部材１２、１４はディフューザケース１８
に適当に支持されており、燃料ノズル２２は端部壁を形
成する外側ライナ部材１２および内側ライナ部材１４の
前端部に取り付けられたドーム２０に支持されている。
これらの設備において通常の場合と同様に、燃料ノズル
は、空気と燃料を混合して十分な燃焼を得るためのエア
スワーラ（空気旋回翼）２６内に取り付けられている。
燃焼器および支持機構の他の詳細は、１９８８年１１月
２２日にＨ．Ｇ．Ｒｅｙｎｏｌｄｓに付与され、本出願
人に譲渡された米国特許第４,７８５,６２３号に記載さ
れている。

【００１５】上述したように、進歩したエンジン技術で
は、燃料ノズルは、一次燃料回路から燃料を噴射するた
めに先端に中央オリフィスを有するとともに、二次燃料
回路から燃料を噴射するために先端の中央オリフィスの
回りに周方向に離間した複数の半径方向ジェットを有す
るように設計されている。この設計の効果は、図２およ
び図３の３つのグラフを参照することによって理解され
るであろう。上述したように、エアスワーラ２６内に取
り付けられた燃料ノズル２２の先端部の回りに形成され
た複数の半径方向ジェットは、周方向に等間隔で離間し
て配置されている。図３の３つのグラフに示す燃料分布
は、先端の中央線から平面Ａ、平面Ｂおよび平面Ｃとし
て特定される３つの平面を通って半径方向外側に延びる
燃料をプロットしたものである。これらのグラフからわ
かるように、各々の平面における燃料は全く同一に分配
される。次に、この燃料分布を本発明により設計された
燃料ノズルから得られる燃料分布と比較すると、平面
Ａ、ＢおよびＣの各々で燃料分布が異なっているのがわ
かる（すべての図における同様は部分は同一の参照符号
を有する）。

【００１６】図４において、半径方向ジェット２８は、
燃料ノズル２２の先端部の周囲に沿って非軸線対称に配
置している。図２のエアスワーラおよび先端部の中央線
Ｄの端から端まで切り取った同一の平面Ａ、ＢおよびＣ
を見ると、燃料が不均一に分配されているのがわかる。
本発明によれば、半径方向ジェット２８の位置を適切に
選択することによって、燃料をバーナー内に分配して、
燃焼器出口においてさらに望ましい温度分布を生ずるよ
うにすることができる。この効果は図１に示されてお
り、図１において曲線Ｈは従来の半径方向ジェット（図
２）によって生ずる温度プロフィルを示し、曲線Ｇは非
対称の半径方向ジェット（図４）を使用した場合の温度
プロフィルを示している。曲線Ｇと比較すると、曲線Ｈ
は、温度プロフィルを平らにするために半径方向燃料ジ
ェットの非軸線対称の配置を使用できることを示してい
る。燃焼ガス出口温度とパターン・ファクターとの間に
は、より平らな温度プロフィルはパターン・ファクター
を減少させ、即ち、とがりを減少させるという関係があ
る。従って、上記のことから、半径方向ジェットの数お
よび周方向の位置を選択することにより、パターン・フ
ァクターを高めるとともに燃焼の有効性を改良するよう
な燃料分布にすることができることがわかる。パターン
・ファクターは数学的に表すことができ、本発明の目的
のために、パターン・ファクターは平均の温度上昇に関
係する最大燃焼器出口温度と平均燃焼器出口温度との差
の量として定義される。

【００１７】また、本発明は、燃料の広がりを制御する
ことによって、環状燃焼器における他の利点を有する。
燃焼器の壁が燃料噴射管から等しい距離にある燃焼器で
は、燃料の広がりは要因ではなかった。壁の距離が一定
の場合は明らかにエンジンの半径方向および周方向の燃
料の広がりは同一であり、燃料の広がりを考慮する必要
がない。しかし、ある環状バーナーでは半径方向および
周方向に広がる距離は等しくない。明らかに、半径方向
に広がる距離は燃焼器のドームの高さによって決定さ
れ、周方向の広がりは隣接するインジェクタ間の距離に
よって制御される。

【００１８】従って、米国特許第４,４１８,５４３号に
開示された燃料ノズルから放出されたタイプの円形中空
の円錐形の燃料噴霧は、環状バーナーでは最適ではない
かもしれない。楕円形のエアスワーラ（旋回翼）を使用
して、半径方向の貫通力に影響を与えることなく周方向
の広がりを高めることが試みられている。しかし、楕円
形のエアスワーラは、以下のような少なくとも２つの理
由から望ましいものではない。即ち、１）円形のエアス
ワーラと比べて製造が困難であり、また、２）非円形通
路内において空気の角運動量を維持することが困難なた
めに楕円形のエアスワーラからの空気の分配を容易に処
理できないからである。

【００１９】図５から明らかなように、本発明によっ
て、燃料の広がりを高めるように半径方向ジェットを配
置させることができる。図６に示すように、多数の燃料
ノズル２２がドーム２０内に周方向に支持されている。
明らかに、隣接する燃料ノズルの中心線間の距離と燃料
ノズルの中心線からドームの半径方向の壁までの距離は
等しくない。本発明によれば、半径方向ジェットは、燃
料ノズルの中心線の回りに非軸線対称に離間して配置し
てこの差を保証するとともに、燃焼器内のパターン・フ
ァクターを減少させている。

【００２０】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、ガス
タービン・エンジンのノズル先端部およびエアスワーラ
の軸線の回りに１つの燃料ノズルについて非対称に複数
の半径方向ジェットを配置させることにより、ガスター
ビン・エンジンのタービン・セクション前方に所望の温
度勾配を生ずる燃料噴霧を提供することができる。ま
た、本発明によれば、１つの燃料ノズルについて複数の
半径方向ジェットを適切に配置させることにより、半径
方向および周方向に所望の燃料の広がりを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン・エンジンの環状燃焼器および本
発明によるポテンシャル温度プロフィルを示す部分断面
概略図。

【図２】従来の半径方向ジェット燃料ノズルの二次燃料
回路の概略図。

【図３】図２の半径方向ジェット燃料ノズルの種々の面
における燃料分布を示す一連のグラフ。

【図４】本発明による半径方向ジェット燃料ノズルの二
次燃料回路の概略図。

【図５】図４の半径方向ジェット燃料ノズルの種々の面
における燃料分布を示す一連のグラフ。

【図６】燃焼器の前端部に取り付けられた複数の半径方
向ジェット燃料ノズルの部分的な概略図。

【符号の説明】

１０…環状燃焼器 １２…外側ライナ部材 １４…内側ライナ部材 １６…燃焼室 １８…ディフューザケース ２０…ドーム ２２…燃料ノズル ２６…エアスワーラ ２８…半径方向ジェット

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン・エンジンの燃焼器の一次
   燃料回路と二次燃料回路を有する燃料ノズルにおいて、 前記燃焼器に面する前面と、前記前面内において燃料ノ
   ズルの中心軸線上に配置されて前記一次燃料回路から前
   記燃焼器に燃料を導入する中央オリフィスとを有する円
   筒体と、 前記前面内において燃料ノズルの前記中心軸線に対して
   半径方向に配置されて前記二次燃料回路から前記燃焼器
   に燃料を導入する複数のオリフィスを含む所定のパター
   ン・ファクターを生ずる手段とを含み、 前記半径方向に配置された複数のオリフィスが、燃料ノ
   ズルの周方向に不均等に配置して、前記半径方向に配置
   された複数のオリフィスからの燃料の流れにより、燃料
   を前記燃焼器内に非軸線対称に分配して所定のパターン
   ・ファクターを生ずることを特徴とする燃料ノズル。
2. 【請求項２】 前記燃料ノズルに対して同中心的にエア
   スワーラが取り付けられていることを特徴とする、請求
   項１に記載の燃料ノズル。
3. 【請求項３】 前記燃焼器がドームを有する環状燃焼器
   であり、前記ドームが前記環状燃焼器の前端に端壁を形
   成し且つドーム内に形成された開口部内に燃料ノズルを
   支持することを特徴とする、請求項２に記載の燃料ノズ
   ル。
4. 【請求項４】 前記燃焼器が該燃焼室を形成する同中心
   的に配置された内側ライナおよび外側ライナを有し、前
   記ドームが該ドームに形成された開口部内に取り付けら
   れた前記燃料ノズルと同一の複数の燃料ノズルを有し、
   該複数の燃料ノズルが周方向に互いに等間隔で配置し、
   隣接する燃料ノズルの中心軸線間の距離が前記内側ライ
   ナ又は外側ライナの半径方向の広がりに対する前記複数
   の燃料ノズルの一つの前記中心軸線間の距離と異なり、
   半径方向および周方向に燃料が広がる距離が等しくな
   く、前記半径方向に配置された複数のオリフィスが前記
   二次燃料回路から燃料を不均一に分配して、半径方向お
   よび周方向に均一な燃料噴霧を生じ、所定のパターン・
   ファクターを得ることを特徴とする、請求項３に記載の
   燃料ノズル。
5. 【請求項５】 複数の燃料ノズルを有し、各々の燃料ノ
   ズルがガスタービン・エンジンの燃焼器の一次燃料回路
   と二次燃料回路を有する燃料ノズル装置において、 前記燃焼器が、燃焼室を形成する同中心的に配置された
   内側ライナおよび外側ライナを有し、 前記内側ライナおよび外側ライナの前端に前記燃焼室の
   前端を取り囲むドームが取り付けられ、前記ドームが前
   記複数の燃料ノズルを支持するための開口部を有し、 前記複数の燃料ノズルの各々が、前記燃焼室に面する前
   面と、前記前面内において前記燃料ノズルの中心軸線に
   配置されて前記一次燃料回路から前記燃焼室に燃料を導
   入する中心オリフィスとを有し、 前記燃料ノズル装置が、前記燃料ノズルの前記中心軸線
   に対して半径方向に配置された前記前面内に配置されて
   前記二次燃料回路から前記燃焼室に燃料を導入する複数
   のオリフィスを含む所定のパターン・ファクターを生ず
   る手段を有し、 前記半径方向に配置された複数のオリフィスが前記燃料
   ノズルの周方向に不均一に配置され、前記半径方向に配
   置された複数のオリフィスからの燃料の流れにより、燃
   料を前記燃焼器内に非軸線対称に燃料を分配して所定の
   パターン・ファクターを生じ、 前記複数の燃料ノズルが周方向に互いに等間隔に配置
   し、隣接する燃料ノズルの中心軸線間の距離が前記内側
   ライナ又は外側ライナの半径方向の広がりに対する前記
   複数の燃料ノズルの一つの前記中心軸線間の距離と異な
   り、半径方向および周方向に燃料が広がる距離が等しく
   なく、前記半径方向に配置された複数のオリフィスの前
   記二次燃料回路から燃料を不均一に分配することによっ
   て半径方向および周方向に均一な燃料噴霧を生ずること
   を特徴とする、燃料ノズル装置。