JPS6334369B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般にガスタービンエンジン燃焼用
の燃料噴霧ノズル、詳しくは、エンジンの正常な
高出力運転中は燃料の噴霧にエンジン空気を使用
し、エンジンの始動及び低出力運転中はエンジン
空気に高速を与えて燃料の良好な噴霧を行うため
に別の外部源から追加の空気を使用するノズルに
関するものである。

ガスタービンエンジン用燃料噴霧ノズルにおい
て、ノズルの中を高速で流過する空気を使用して
液体燃料の噴霧を助けることは周知である。通
常、これらノズルは「空気補助」ノズルといわ
れ、圧縮空気がエンジン以外の外部源からノズル
に供給されて燃料の噴霧を助けている。例として
は、米国特許第3474970号に開示されたようなノ
ズルがある。もう１つの型は「空気噴射」ノズル
型として知られ、エンジンコンプレツサにより燃
焼室に供給された空気の一部分がノズルを通つて
導かれ、燃料の噴霧を助けている。かかるノズル
は、例えば米国特許第3283502号に示されている。

一般に、適正な燃料噴霧のためエンジンの全運
転範囲にわたつてノズルに充分な空気を供給する
空気圧縮装置は高価且つ複雑であるから、エンジ
ンコンプレツサとは別個の源からのみ供給される
空気を使用することには抵抗がある。一方、エン
ジンコンプレツサからの空気のみをノズルに導く
如き空気噴射ノズルにおいては、エンジンの始動
及び低出力運転中ノズルを流過する空気の速度が
不充分であるため、液体燃料の充分な噴霧が得ら
れない。これらの問題を軽減するため、今日ま
で、エンジンコンプレツサからの空気と燃料の噴
霧を補助する外部源からの空気の両方を使用する
ことが提案された。かかる装置の一例は、米国特
許第3866413号に開示されている。それは、ノズ
ルへの燃料通路の外周に円周方向に設けた一連の
小孔を利用して、別の源から圧縮空気をノズルへ
のエンジン空気流通路の中に噴射させ、エンジン
始動時及び低出力運転時における液体燃料の噴霧
を補助するものである。しかしながら、上記米国
特許に開示された装置には、次の欠点がある。

(イ) 必要とする多数の小孔は、コストを高め汚れ
で詰まり易い。

(ロ) これらの小孔を通過する高速の圧縮空気は、
別々のジエツト形状を呈し、発生する噴霧は均
一でない。

(ハ) これらの小孔の位置及び方向は、約80゜〜90゜
の頂角をもつ所望の円錐噴霧パターンに比べて
円筒形状の噴霧パターンを作り易い。

本発明は、高出力運転中は燃料の噴霧にエンジ
ンからの空気を利用し、始動及び低出力運転中は
良好な燃料噴霧を行うようエンジン空気に高速を
与えるため別個の外部源からの高速流体を使用す
る燃料ノズルを提供するものである。特に、本発
明は、ガスタービンエンジン用燃料噴霧ノズルで
あつて吐出オリフイスで終わる燃料用通路部、エ
ンジンからの空気を受け入れ吐出オリフイスの上
流で上記燃料用通路と連通している空気用第１通
路部、エンジンとは別個の源からの高速度流体を
受け入れる流体用第２通路部とを有し、上記第３
通路部は上記第１通路部の主通路に通じる開口を
有し、上記開口から上記第１通路部の主通路に吐
出される高速度流体が上記主通路を上記吐出オリ
フイスへ流れる空気に高速度を与えるものであ
る。

米国特許第3866413号に開示されたノズルの欠
点は、別個の源からの空気を単一の比較的大きい
中央開口を通じてエンジン空気が流れる円形通路
の中央部分の中へ導入することによつて回避でき
る。そうすると、エジエクタ（噴霧器）作用が生
じ、上記中央開口から上記円形通路へ入る空気は
他の開口を経て上記円形通路に入るエンジン空気
に高速度を与え、この空気は加速されて始動及び
低出力運転時に液体燃料を充分に噴霧化する。こ
の型の「エジエクタ」作用は他の応用例において
周知であり、例えばマグローヒル社が1958年ニユ
ーヨークで発行した「マークス・メカニカル・エ
ンジニヤズ・ハンドブツク」
（Marks′ Mechanical Engineers Handbook）
第６版９〜99頁に開示されているが、本明細書に
開示するような燃料ノズルへの応用は未だ知られ
ていない。

以下、実施例につき図面を参照しながら本発明
を一層詳細に説明する。

第１図は、本発明の基本的実施例を示す断面図
である。同図において、ノズル１０は一般に円形
の部分１３をもつノズル本体１２を含み、この円
形部分１３は、ガスタービン空気マニホールド１
９内にある燃焼室１８を形成する容器１６の管状
延長部１４の中に嵌装される。ノズル本体１２
は、断面が円形で、マニホールド１９内に開く入
口部分２１と燃焼室１８内に開く出口部分２２と
をもつ空気用主通路２０を有する。この主通路２
０は、鐘形の口をした収束端２１をもつ収束一発
散形状をなし、エンジン空気を出口部分２２中へ
円滑に導入する。ノズル本体１２はまた、その入
口端に渦流式導流板２６を具えた環状空気通路２
４を内蔵し、そこを通つてエンジン空気はマニホ
ールド１９内から燃焼室１８へと送られる。

本体１２の中の燃料通路２８は、外部源からマ
ニホールド１９への燃料を環状燃料室２９へ、そ
れから複数個の接線方向に向いた渦（うず）巻発
生オリフイス３０へと連通し、このオリフイスは
主通路２０と交差する環状溝３２へ通ずる。オリ
フイス３０は、溝３２の中に液体燃料の自由渦を
発生する。溝３２は円形端縁３４，４６を有し、
そこで主通路２０と交差する。端縁３４は端縁３
６より僅かに小さい直径を有し、液体燃料は、溝
３２を通過したのち出口部分２２の内壁面３７上
に薄い膜又はシート３９を形成する。出口部分２
２の外方端３８に、吐出オリフイスがある。こう
して、液体燃料が燃料通路２８から環状燃料室２
９、渦巻発生オリフイス３０、環状溝３２を通り
内壁面３７上を流れて吐出オリフイスに至る燃料
用通路部が形成される。

管状導管４０が本体１２に関連して設けられ、
第１図示の実施例では、これを本体１２とは別個
の部品としている。管４０は、エンジンコンプレ
ツサとは別の圧縮空気の如き流体源４２に連通さ
れ、主通路２０の収束形状の入口部分２１の中へ
僅かに突入させるが、主通路２０の最小直径部分
の上流（手前）にとどめる。

第１図示のノズルの運転中は、入口通路部分２
８を通つてノズル本体１２に入る燃料はオリフイ
ス３０を通つて溝３２の中へ入り、主通路２０を
流過する空気の作用を受けて、壁面３７に沿つた
薄い層又はシート３９の形となつて流出する。こ
の燃料薄層が壁面３７の外方端３８すなわち吐出
オリフイスに到着すると、環状通路２４を流過す
る空気の作用を受ける。２つの通路２０及び２４
から流れて来る空気は、液の薄層が端３８に到着
したときこれを小さい粒滴４１に分散させる。こ
の過程において噴霧化が行われる。噴霧された燃
料は、空気によつて下流へと運ばれ燃焼室１８内
に炎を供給する。燃料噴霧は、円錐形で80゜〜90゜
の頂角をもつのがよい。

満足すべき噴霧を得るには、液体燃料が外方端
３８を離れるときに作用する空気は高速度でなけ
ればならない。高出力レベルでエンジンが正常運
転中は、エンジンコンプレツサは、充分な高速度
で回転してマニホールド１９からノズルの通路２
０，２４を流過する空気に充分な速度を与えるの
で、燃料が外方端３８を離れるときに良好な噴霧
を生ずる。しかしながら、エンジンの始動又は低
出力運転時には、コンプレツサは、比較的低速で
運転しノズルの通路２０，２４を流過するマニホ
ールド１９からの空気流に充分な速度を与えない
ので、所望の噴霧を生じない。ゆえに、このよう
なときには、別個の流体源を作動させ、管４０を
通つてノズル主通路２０の中央部分の中へ高速度
で液体例えば空気を流入させる。管４０から吐出
される高速度空気はマニホールド１９の内部から
主通路２０に入る低速度空気に高速度を与え、主
通路２０内の空気は液体燃料が外方端３８を離れ
るときに高速度でこれに作用し、エンジンの始動
又は低出力レベルのときに良好な噴霧を生ずる。
このような別の流体源から管４０までの高速度流
体用の通路部を第２通路部という。

管４０は、主通路２０の入口収束部２１内に一
部分しか入つていないので、エンジンが高出力レ
ベルの間すなわち圧縮空気が管４０より供給され
ないときには、主通路２０中へのエンジン空気流
に対し余り抵抗を与えず、エンジンの高出力運転
中ノズルの正常機能に著しい悪影響を及ぼさな
い。

第１図示の如く、空間に中央のエンジン空気通
路２０をその平均直径に比して比較的長くする余
裕があれば、流過する空気に何ら渦巻を生じない
普通の管４０の使用で通常は十分である。しかし
ながら、空間上の理由で主通路２０がその直径に
比して比較的短いときは、ノズルを第２図又は第
４図のように構成するのがよい。

第２図は本発明の第２の実施例を示す断面図、
第３図は第２図の３−３線に沿う断面図である。
第２図のノズル５０においては、ノズル本体５８
は中央空気主通路５４を有し、この主通路は、半
径方向開口５６を通つてマニホールド１９からエ
ンジン空気を受入れる。開口５６は、主通路５４
に対し接線方向に配設されて通路に渦巻空気流を
発生する。燃料供給通路２８は、第１図と同様で
ある。

ノズル本体５８の後方部分５９は管状入口部分
６０を有し、これは環状室６２と連通する流体用
第２通路６１を有し、この室６２は、次に中央室
６６に導く接線方向開口６３と連通する。室６６
は、これより直径が小さい孔６８を通つて管状突
起７５中の次第に拡がる開口７０に連通する。本
体５８はまた、渦流式導流板７７を内蔵した環状
空気通路７６をもつ。通路７６の内方円錐表面７
８は、主通路５４の次第に拡がる出口部分７９と
端縁８０で交差する。接線開口６３は、中央室６
６及び孔６８内の空気に渦巻運動を起こさせる。
開口又は通路６３の接線方向は通路５６の接線方
向と同じであるので、孔６８から主通路５４に入
る空気は、通路５６から主通路５４へ入る空気と
同方向に回転しており、最高空気速度は出口通路
部分７９の壁面の近くに集中するので、液体燃料
を端縁８０において最も効果的に噴霧化する。こ
の空気渦流配列により、主通路５４及び出口部分
７９の中央部における空気は比較的低速度とな
り、燃焼室内の燃焼過程を安定化するのに役立
つ。第１図におけると同様、主通路５４の中央部
内に別個の空気供給通路を設けたので、前述の噴
霧器作用が生じ、半径方向開口５６を通つて主通
路５４に入るエンジン空気に高速度を与え、始動
及び低出力運転時に液体燃料が端縁８０を離れる
ときに高速度空気が充分に噴霧化を行う。同様
に、主通路５４の中央部内に突起７５を設けて
も、高出力運転時に通路６１を通る空気の２次供
給が止められているとき、通路５６を通つて主通
路５４に流入する空気流が著しく妨げられること
はない。

第４図は、本発明の第３の実施例を示す断面図
である。同図のノズル８２は第２図のノズル５０
と若干の点で類似しており、対応部分には同一の
符号を付してある。この型のノズルでは、エンジ
ンコンプレツサ以外の源からの空気は、孔８５の
ある半径方向に延長した管状部分８４を通つて本
体８３に入り、この孔８５は接線方向に室８６と
連通する。室８６は、これより直径の小さい孔９
０を経て管状突起８９中の次第に拡がる開口８８
と連通する。

針状の軸９１が直径の小さい孔９０内に設けら
れ、これらの間に環状流路９２が形成される。針
軸９１の頭部９３は図示のような形をしており、
頭部９３と孔９０の次第に拡がる開口８８の間に
外方へ次第に拡がる吐出通路９４が形成されるの
で、空気はそこから一般に円錐形状となつて噴出
する。針軸９１の他端は本体８３と９５において
螺合し、環状吐出通路９４の幅の調節、したがつ
て、この通路から出て来る噴出空気の体積、速度
及び円錐の頂角の調節ができるようになつてい
る。かかる調節により、主通路５４を流過する空
気の分量及び速度の一層正確な制御ができる。所
望の噴霧のパターン及び量が得られると、止めナ
ツト９６により本体８３に対して針軸９１の位置
を固定する。

第１図の実施例について試験した結果、12セン
チストークまでの粘度をもつた燃料について、エ
ンジン空気の圧力降下が約6.35mmの水頭の場合、
管４０を通つて約0.35Kg／cm²で別個の源から供給
される空気によつて満足すべき噴霧が得られた。
別個の空気源からの空気の量は、正常な燃焼に対
しノズルを通るエンジンコンプレツサよりの空気
供給量に比べて小さかつた。すなわち、燃料流量
に対する質量比で表現すると、別個の空気源から
この空気の量は僅かの10〜20％で、これは完全
（化学量論的な）燃焼に必要な空気量の約１％で
ある。

本発明は、従来燃料ノズルの前述した欠点及び
問題点を克服する十分且つ融通性のある手段を提
供するものである。本発明によれば、始動から高
出力に至るエンジンの全運転範囲にわたり、満足
すべき噴霧パターンと燃料噴霧が得られる。外部
空気源からの空気は、必要に応じ、エンジンから
の空気と共にエンジンの始動用として用いてもよ
く、また全運転範囲にわたつて用いてもよい。

本発明は、もう１つの用途として、ガスタービ
ンエンジンの排気ガス中の窒素酸化物生成の制御
に用いることができる。これは外部源から管４
０，６０又は８４を通して空気の代わりにスチー
ムを導入することによつて達成できる。このスチ
ームは、エンジンの始動及び低出力運転時エンジ
ン空気に良好な噴霧を得るための高速度を与える
のみならず、燃焼室内へ入つたとき排気ガス中の
窒素酸化物の生成を最小とする。窒素酸化物放出
の制御が最も重要なのは始動又は低出力運転より
むしろ高出力運転時であるので、スチームは高出
力運転の間供給し続けることになる。スチームの
代わりに液体の水を用いても、同様な一般的効果
が得られる。

空気又はスチームと同様に管４０，６０又は８
４を通つて酸素又は窒素の如く他のガスを導入
し、燃料噴霧にエンジン空気を用いる「空気噴
射」型のようなノズルの動作を著しく妨げること
なく、燃料噴霧を改善したり、燃焼室に所望の物
質を導入したりすることができる。例えば、変動
する燃料及び（又は）変動する空気温度の如き悪
条件下において、幾つかの燃料の点火性を改善す
るのに使用することができる。窒素又は他の化学
的不活性ガスにより、燃焼反応を遅らせて、燃焼
反応速度を修正したり、燃料ノズル表面への炭素
の形成を最小にしたりすることができる。このよ
うに、本発明は、単に管４０，６０又は８４を通
つて導入される流体の性質を変えるのみによつて
各種の機能を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的実施例を示す断面図、
第２図は本発明の第２の実施例を示す断面図、第
３図は第２図の３−３線に沿う断面図、第４図は
本発明の第３の実施例を示す断面図である。特許
請求の範囲において、各構成素子に実施例の説明
に用いたこれらと対応する符号を付加して示した
ので、特に符号の説明は行わない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 吐出オリフイス３８，８０で終わる燃料用通
   路部２８，２９，３０，３２，３７と、 ガスタービンエンジンからの空気を受入れ、上
   記吐出オリフイスの上流に位置する環状溝３２に
   おいて上記燃料用通路部と連通する主通路２０，
   ５４をもつ空気用第１通路部と、 上記エンジンとは別の流体源４２から高速度流
   体を受入れる流体用第２通路部とを具え、 該第２通路部は、上記主通路の中心線上を上記
   環状溝３２より上流の位置まで突入し上記高速度
   流体を上記主通路の入口側から出口側へ吐出する
   管状導管４０，７０〜７５，８８〜８９を有し、 上記主通路には上記管状導管以外の障害物がな
   く、上記管状導管から上記主通路内へ吐出される
   上記高速度流体が上記主通路内を吐出オリフイス
   の方へ流れる空気に高速度を与えることを特徴と
   するガスタービンエンジン用燃料噴霧ノズル。 ２ 上記主通路が入口端部及び出口端部を有し、
   上記両端部間に上記両端部より直径の小さい中間
   部があり、上記管状導管が上記入口端部に突入し
   上記中間部の上流で終わる特許請求の範囲１項記
   載のガスタービンエンジン用燃料噴霧ノズル。 ３ ガスタービンエンジンの空気マニホールド１
   ９内に配置され、何も障害物がない断面円形の中
   央空気主通路２０，５４を内蔵し、上記マニホー
   ルド及び上記エンジンの燃焼室１８にそれぞれ連
   通する入口２１，５６及び出口２２を具えたノズ
   ル本体１２，５８，８３と、 該ノズル本体内にあり、上記主通路を通過する
   エンジン空気により上記主通路の出口２２近くの
   燃料に渦巻を発生させるための接線方向の渦巻発
   生オリフイス３０をもつ環状燃料通路２９と、 上記ノズル本体内にあり、上記エンジン空気マ
   ニホールド１９及び上記エンジン燃焼室１８にそ
   れぞれ連通し、上記主通路の出口２２の周囲に配
   され、上記主通路から燃料と係合して流過する空
   気に渦巻を発生させる渦巻発生手段２６，７７を
   内蔵する環状空気通路２４，７６と、 上記主通路の中心線上入口２１近くにあり、上
   記主通路を通つて流過するエンジン空気の流れを
   助ける高速度流体を上記主通路の上記入口２１か
   ら上記出口２２の方に流すように配置された流体
   オリフイス４０，７０，８８とを有することを特
   徴とするガスタービンエンジン用燃料噴霧ノズ
   ル。 ４ 上記流体オリフイスが上記主通路入口２１に
   配置された管状導管出口である特許請求の範囲３
   項記載のガスタービンエンジン用燃料噴霧ノズ
   ル。