JP3782822B2 - 燃料噴射装置及び該燃料噴射装置の運転方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、気体状燃料又は液体状燃料を、気体状のスチーム又は液体状の水とともに燃焼チャンバへと噴射するための装置に関する。本発明は、ガスタービンエンジンの分野において開発されたものであるが、燃焼チャンバに沿って延びた加圧空気の流路を有するいかなる機械に対しても使用することができる。
背景技術
一般的な工業用の軸流ガスタービンエンジンは、圧縮領域と、燃焼領域と、タービン領域とを有してなる。作動媒体ガスの環状流路は、上記エンジンの上記各領域を通じて延びている。
上記圧縮領域では、上記ガスは、主に空気である。上記作動媒体ガスが上記流路に沿って流れるにつれ、上記ガスは、圧縮領域で圧縮されて、温度、圧力が上昇する。上記圧縮機領域から排出される上記ガスの温度は、８００°Ｆを超えることとなる。加熱、加圧されたガスは、上記圧縮機領域から上記燃焼領域へと流れてゆく。上記燃焼領域では、上記ガスは、燃料と混合され、燃焼して上記ガスにエネルギを与える。この様な加熱された高エネルギのガスは、上記タービン領域を通過して膨張して、上記圧縮機を付勢するタービンロータを駆動させるとともに、ポンプや発電機に連結されている第２のタービンや別のタービンを駆動するための有用な仕事へと変換される。
燃焼領域は、一つ又はそれ以上の燃焼チャンバと、空気と燃料とを上記複数の燃焼チャンバへと噴射するための複数の燃料噴射装置とを有している。燃料噴射装置の一実施例としては、米国特許第４，３７７，６１８号を挙げることができる。本引例では、燃料が空気流中に放出されて、燃料と空気の混合は、内側チャンバ内で行われている。第１の通路６２外側の第２の環状通路６８は、空気と水の流路となっている。気体状燃料は、上記２つの第１通路の径方向外側に配設されている第３の通路４４、４６とを通過する。
燃料噴射バルブの別の実施例は、マーデン（Ｍａｄｄｅｎ）、本願の共同発明者であるシュレイン（Ｓｃｈｌｅｉｎ）と、ワグナー（Ｗａｇｎｅｒ）等に付与された米国特許第４，９７７，７４０号に開示されている。米国特許第４，９７７，７４０号は、本願の譲渡人に譲渡されている。米国特許第４，９７７，７４０号では、２つの径方向に離間した各通路が渦流空気による柱状体を形成している。液体状流体の通路は、上記渦流空気流の間に液体状燃料又は水を噴射するための上記各空気通路の間に配設されている。気体状燃料の通路１１６は、最も外側の空気通路の外側に設けられ、気体状燃料やスチームを上記燃焼チャンバ下流側の上記燃焼領域に独立して噴射するようになっている。
上記技術はあるものの、譲渡人の指揮の下、科学者及び技術者は、特に米国特許第４，９７７，７４０号に開示した型の燃料噴射アッセンブリをさらに改良するべく努力を行ってきた。なお、その内容は本願明細書において引用することができる。
発明の開示
本発明は、旋回する空気柱状体への気体状燃料の予備混合を、前記旋回空気流が、旋回空気の第２の柱状体と合体される前に行うことを意図したものである。この様にすることによって、燃焼プロセスにおける水などの流体の使用量を抑えることができるとともに、一酸化炭素（ＣＯ）の発生を低く抑えることができ、亜酸化窒素放出水準も許容水準未満に抑えられることとなる。又、ほぼ同様の結果は、上記渦流空気流が互いに燃料と混合される領域にスチームを噴射する前に、スチームと上記渦流空気流とを充分に混合させることによっても得られた。
本発明によれば、それぞれが気体状燃料と液体状流体として供給される燃料及び水と、空気とを混合するための空気の環状渦流を発生する燃料噴射装置は、上記双方の流体が互いに双方の空気流と混合される前に、上記気体状流体（燃料又はスチームのいずれか）を上記渦流空気流のうちの一つと混合することを特徴とする。
本発明の一実施例によれば、上記燃料ノズルは、気体状燃料を、外側渦流空気流の通路において混合した後に、１）第１の内側通路からの渦流空気流と、２）上記２つの空気通路の間に配設された第２の内側通路からの液体状の水とを旋回する外側空気流に混合する。
詳細な一実施例によれば、上記外側空気通路は、上記空気に接線方向の速度を与える渦流手段と、上記渦流手段の下流、上記通路の加速領域の上流に配設された混合領域とを有し、上記気体状燃料が上記混合領域に導入された後に、上記気体状燃料と上記空気とが充分に混合されることとなる。
本発明の第一の特徴は、径方向に離間しているとともに対となった通路を有していることである。液体状流体の通路は、上記複数の通路の間に配設されている。別の特徴は、上記空気通路のうちの一つに気体状流体を噴射するための気体状流体通路にある。具体的に示す１実施例では、上記気体状流体通路は、外側空気通路と連通している。上記気体状流体通路は、気体状燃料源又は気体状の水（スチーム）の供給源と連通していても良い。別の詳細な実施例では、上記燃料噴射装置は、主として上記内側空気流と、上記外側空気流又は上記内側及び外側の各空気流へとスチームを噴射するための通路を有している。
詳細な１実施例では、上記空気通路内において上記気体状流体を受け取る上記渦流手段と上記渦流手段下流の加速領域とが特徴となっている。混合領域は、上記加速領域と上記気体状流体を受け取るための上記渦流手段との間に配設されている。
本発明の第一の効果は、所定の亜酸化窒素放出量における一酸化炭素濃度にあり、これは、上記の気体状流体と液体状流体とを双方混合する前に、気体状燃料又はスチームを渦巻く空気流と上記燃料噴射装置において十分に予備混合することによって得られる。別の効果としては、予備混合の度合いを挙げることができ、これは、上記燃料噴射装置内にある加速領域において、上記流路面積を狭めて上記流れを加速するとともに、上記渦巻く流れを小径とすることで角運動量を保存し、混合度合いを高めることによって得られるものである。別の効果は、上記燃料噴射装置の耐久性にあり、これは、上記気体状燃料の噴射点と位置とを選択し、上記燃料噴射装置の高温環境下に上記燃料と空気混合物が長時間滞留しないようにして、上記空気流と予備混合された上記燃料に着火してしまうことを防ぐことによる。
本発明の上記特徴と効果については、本発明の最良の実施形態及び図面をもってさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
図１は、軸流ロータリ機械の立面側面図であり、作動流体ガスの流路が示されているとともに、上記エンジンの燃焼領域の一部分を示すため、エンジンの一部が切り取られている。
図２は、図１に示した燃料噴射装置アッセンブリの断面図である。
図３は、図２に示した上記燃料噴射装置アッセンブリの一部分の断面を示す拡大図である。
図４は、図２に示す燃料噴射装置の別の実施例を示した断面図である。この燃料噴射装置では、上記スチームの通路が別々となっている。
図４ａは、図４に示したスチーム噴射装置手段の別実施例を拡大して示した断面図である。
図５は、図４に示した燃料噴射装置の拡大図である。
発明の最良の実施形態
図１は、工業的タイプのガスタービンエンジンにおける軸流ロータリ機械１０の側面立面図である。上記エンジンは、軸Ａを有している。圧縮機領域１２、燃焼領域１４、及びタービン領域１６は、上記軸Ａを中心として周回りに配設されている。作動媒体ガスの環状流路１８は、上記軸Ａを中心として周回りに延びており、上記エンジンの上記複数の領域を通して後方に向かって延びている。
上記圧縮領域１２は、ディフューザ（ｄｉｆｆｕｓｅｒ）領域２２を有しており、このディフューザ領域２２は、上記燃焼領域１４の直上流部にある。上記燃焼領域１４内の燃焼チャンバ２４として示した一つ以上の燃焼チャンバは、上記拡散領域の下流において軸方向に延びている。各燃焼チャンバは、一つ以上の開口２６を有しており、上記圧縮機領域の上記ディフューザ領域から加圧気体である空気が導入されるようになっている。上記気体は、周囲温度に比較して熱いが、上記燃焼領域内で形成される燃焼生成物と比較すると低温である。
燃料噴射装置は、燃料噴射装置２８で示されており、この燃料噴射装置は、燃焼チャンバ２４内において組み合わされる開口２６に配設されて、上記加圧気体（空気）を上記圧縮機領域から上記燃焼チャンバへと通過させるとともに、上記空気が上記噴射装置の排出領域に排出された後、上記空気へと燃料を噴射する。着火装置（図示せず）は、上記燃焼チャンバ内に延びており、上記空気が上記燃料噴射装置の排出領域を通過したところで燃料と空気の上記混合物に着火される。
模式的に示すが、上記ガスタービンエンジンは、液体状燃料源３２、気体燃料源３４、水供給源３６から流体が供給されている。熱交換機３８は、供給源である水からスチームを供給するために備えられている。上記スチームは、気体状流体である。上記熱交換機は、上記ガスタービンエンジンから排出された高温気体によって、再生的に加熱されている。
電気的な燃料制御装置４２は、具体的には燃料制御装置モデルシリーズＤＣＳ５０１であり、これは、ウッドワードガバナー（Ｗｏｏｄｗａｒｄ Ｇｏｖｅｒｎｏｒ）社（フォートコリンズ（Ｆｏｒｔ Ｃｏｌｌｉｎｓ）コロラド州）製である。この制御装置は、上記噴射装置への液体状燃料と水の流れを制御するとともに、燃料やスチームを上記燃料噴射装置へと供給するためのスチーム供給源としての気体燃料の流れを制御する。第１の導管４４は、上記燃料噴射装置と連通しているとともに、上記燃料噴射装置に燃料やスチームを供給するためのスチームを発生させる気体燃料源と連通している。第２の導管４６は、上記燃料噴射装置と連通しているとともに、液体燃料源及び、液体燃料、水、又は液体燃料と水の混合物を供給するための水供給源とに連通している。
図２は、図１に示した上記燃料噴射装置２８の断面拡大図である。上記燃料噴射装置は、軸Ａ_fと、上流端４８と、下流端５２とを有している。この燃料噴射装置は、下流端で小さな径を有してなるとともに、上流端では大きな径を有した内側空気供給手段５４を備えている。第１の外側壁５６は、上記内側空気供給手段の下流側端部の上に軸方向に延びている。上記第１の外側壁は、上記下流端で外面５５を有しており、該端部は、円錐形状を有し、かつ上記燃料噴射装置の上記軸Ａ_fに向かって傾けられている。上記第１の外側壁は、上記内側空気供給手段５４から径方向に離間しており、その間に液体状燃料のための通路５７が形成されている。
ケーシング５８は、上記第１の外側壁の上記下流端の上に軸方向に延びているとともに、上記内側空気供給手段５４の上記上流端である上記大径部分の上に延びている。上記ケーシングは、マニホルド領域６２と、円錐形のそらせ板（ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域６４とを有しており、それらは、互いに一体となって一体構造を形成している。また、上記３つの領域は、一体として形成されていてもよい。
上記内側空気供給手段５４は、内側壁６６を有しており、この内側壁は、上記燃料噴射装置の上記軸Ａ_fを中心として周回りに延びて、上記壁の内側において内側空気チャンバ６８を形成している。上記内側空気チャンバは、長さＬ_cを有している。
上記内側壁は、断熱材７０を有しており、この断熱材は、上記内壁の周回りに延びているとともに、上記内側空気チャンバに結合されている。また、この断熱材は、上記圧縮機から排出される上記液体燃料通路５７内の上記液体燃料に比べて相対的に高温の加圧気体から、上記内側壁をシールドしている。上記内側壁６６は、上流端７２を有しており、これは、上記圧縮機領域１２の上記希釈領域２２といった上流位置から空気を受け取るために開けられている。上記内側壁は、その下流端７４が空気を上記燃料噴射装置の排出領域７５に排出するように設けられている。
上記空気供給手段５４は、中心体７６を有しており、この中心体は、剛性を有しているとともに、上記内側チャンバ６８内部に完全に収容されている。上記中心体は、上記内側チャンバ内部に延びており、長さがＬ_cbとなっている。
上位中心体７６は、外側面７８を有しており、この面は、軸方向に延びるとともに、上記内側壁から径方向に離間して、その間に空気のための第１の環状通路８２を形成している。上記中心体は、軸方向に延びており、かつ上記内壁６６の下流端７４に極近接するまで延びている。上記中心体は、下流端面８４を有しており、この面は、径方向に延びて、その外側面と結合し上記中心体に気体が入らないようにしている。従って、上記中心体は、ガスが上記中心体に入るようになった窪んだ面を上記下流端で有していない。
上記下流端面８４は、上記壁の下流端から軸方向に距離Ｃ_aだけ離間して、その間にギャップが形成されており、このギャップは、上記中心体の下流側の空気が上記内側チャンバ内で急激膨張する領域Ｒ_eとなっている。上記軸方向のギャップＣ_aは、上記内側空気チャンバＬ_cの長さの約２％から４％の範囲となっているが、ある種の構造の場合には、上記内側空気チャンバの長さの１０％とされることもある。上記中心体の軸方向長さＬ_cbは、上記内側壁の軸方向長さＬ_wまたは上記内側チャンバの軸方向長さＬ_cの半分よりも大きくなるようにされている。上記中心体の好適な長さ範囲は、上記内側チャンバの長さＬ_cの０．７から０．９倍（０．９≧Ｌ_cb／Ｌ_c≧０．７）である。上記中心体の急激膨張領域Ｒｅの面積の好適な範囲は、上記配置において上記内側空気チャンバ面積の０．２から０．６倍（０．６≧Ａ_cb／Ａ_c≧０．２）である。
複数の渦流（ｓｗｉｒｌ）ベーンを、２つの渦流ベーン８６で例示しているが、これらは、上記第１の通路内部において軸方向に配設されているとともに、上記内壁の上記上流端７２と上記下流端７４とをほぼ２分する位置に配設されている。上記複数の渦流ベーンは、上記内側壁６６の上記断熱材７０と、上記中心体７６との間に延びて、上記中心体を支持している。上記渦流ベーンは、第１の通路８２を通過する空気に対して接線方向の速度を与えるための手段である。
別の実施例では、上記渦流ベーンは、上記断熱材を通して上記内側壁構造体に接するように延ばすこともできる。示してある実施例では、上記渦流ベーンは、約４０度の角度とされている。
上記大の外側壁５６は、上記内側壁６６から径方向に離間しており、その間に第２の環状通路５７が形成されている。上記第１の外側壁は、上記第２の環状通路に近接した上記第一の外壁の軸方向部分に沿った内側に、ギャップＧ_sを有する中空部を有している。上記第２の環状通路は、上記燃料噴射装置の上記排出領域に液体状燃料を排出するための下流端８８を有している。上記内側壁６６から環状に突き出した部分９２は、上記内側壁と上記第１の外側壁との間において周回りに延びている。複数の軸方向に延びたオリフィス９４は、上記液体状燃料通路を上流域９６と下流域９８とに分割して、上記上流域と上記下流域との間で上記排出領域７５内へと燃料流を計量するのを補助している。
上記ケーシング５８は、第２の外側壁１０２を有しており、この外側壁は、上記第１の外側壁５６と離間していて、その間に空気のための環状通路１０４を画成している。上記第３の環状通路は、上流端１０６を有しており、上記上流位置からの空気を受け取るようになっている。なお、上流位置とは、上記圧縮機領域１２の排出領域２２である。上記第３の通路は、下流端１０８を有してなり、空気を上記排出領域へと排出する。上記第２の外側壁１０２は、上記下流端１０８において内面１１０を有している。上記内面は、上記第１の外側壁の外面５５に面している。上記面は、円錐形状とされているとともに、上記噴射装置の軸Ａ_fに向かって傾けられている。上記第３の通路は、環状の流入領域Ａ_iと環状の排出領域Ａ_eとを有している。この際、通常には上記通路に対して垂直方向、かつ上記上流方向に向かって測定を行った。上記環状部の断面積は、値Ａ_iから値Ａ_eへと減少してゆき、このＡ_eは、Ａ_iの半分以下となっている。この結果、上記第３の通路は、その断面積が上記各壁が少なくとも１方が接近してくることで断面積が小さくなるようにされている。この様な断面積とすることで、上記排出領域へと導入される前に上記流れを加速するような加速領域１１２が形成される。
上記第２の環状通路を通過する空気に対して、接線方向の速度を付与するための手段は、２つの傾斜した渦流ベーン１１４によって示されており、これらは第３の環状通路に配設されている。複数の上記渦流ベーンは、上流方向において、上記第３の通路の加速領域から軸方向に離間しており、その間において混合領域１１６を画成している。
上記ケーシングの上記円錐状のそらせ板領域６４は、円錐状のそらせ部１１７を有しており、上記ケーシングと一体とされている。上記円錐状のそらせ部は、上記噴射装置の軸Ａ_fに向かって内側に延ばされており、上記第３の環状通路１０４の渦流空気を、上記第２の環状の通路５７から排出された液体状燃料に向かってまげる。
第４の環状通路１１８は、上記ケーシング内に配設されており、気体を上記第３の通路に排出する。この第４の通路は、上記接線方向速度手段１１４の下流位置かつ、上記加速領域１１２の上流において上記第３の通路の混合領域１１６と連通されている。上記第４の通路は、上記ケーシングを通して延びている周方向に離間した複数のオリフィス１２２を有している。上記オリフィスは、上記第３の環状通路１１６の混合領域と連通している。
図３は、図２に示した燃料噴射装置部分を拡大して示した図である。図３は、上記第３の環状通路１０４と、渦流手段１１４と、混合領域１１６と、加速領域１１２部分とを示している。
上記オリフィス１２２は、ガスを上記混合領域１１６へと噴射できるような大きさとされており、その際、径方向の速度成分が生じる。上記各オリフィスは、その断面が円形を有しているとともに、その直径はｄとなっている。各オリフィスは、互いに接近しており、上記オリフィスから上記渦流（接線方向速度）手段１１４への距離Ｌ_t、上記オリフィスから上記加速領域への距離Ｌ_aは、それぞれ上記オリフィスの直径又は軸方向長さ以下とされている。図に示されているように、上記オリフィスは、その周方向幅よりも軸方向長さの大きなスロットとされていても良い。
第１の導管４４は、第４の環状通路１１８と連通している。上記第１の導管は、上記気体燃料源３４や気体の水（スチーム）源３８から気体状の水を受け取るように適合されている。上記エンジンの所定の運転条件では、上記気体燃料通路からスチームのみを流すようにすることも可能である。第２の導管４６は、上記第３の環状通路１０４を横切って延びており、空気を燃料用の環状通路５７へと送っている。上記第２の導管４６は、上記液体状燃料３２及び水供給源３６と連通している。上記第２の導管手段は、上記燃料噴射装置の上流端４８に接近した軸方向の位置にあり、下流にある複数の渦流ベーン１１４を空気流が通過する前に、空気が上記空気通路１０４内で周方向に流れてゆくことを防止するようになっている。
図４は、図２に示した上記燃料噴射装置の別実施例２８ａを断面として示したものである。上記各噴射装置が類似しているため、添え字ａを付け加えたことを除き、図２との関係において同一の符号を図４の実施例についても用いている。従って、図２の上記燃料噴射装置は、符号２８であり、また、図４においての燃料噴射装置は符号２８ａである。
図２に示す上記要素の他、上記燃料噴射装置２８ａは、上記第１の環状通路８２に気体状流体を流すための手段１２４を有しており、この手段は、上記燃料噴射装置の軸Ａ_fを中心として環状空気流を旋回させるためのものである。上記手段１２４は、環状通路１２６を有しており、この通路は、上記噴射装置を中心として周方向に延びている。周回りには、局所的に複数のダクト１２８が設けられており、これらのダクト１２８は、空気のための上記第３の環状通路１０４ａを横切って延びている。各ダクト１２８は、オリフィス１３２を有しており、このオリフィスから、スチームといった気体状流体を上記空気チャンバ６８ａ内に排出する。上記手段１２４は、導管１３４を通してスチーム源と連通されている。これによって、気体状流体のための第４の環状通路１１８内のスチームに加え、大量のスチームを上記内側キャビティー内に噴射する能力が与えられている。別の運転条件では、上記第４の環状通路には、気体状燃料が流されている。
図４ａは、上記燃料噴射装置にスチームを噴射するための第２の手段１３６の断面図を示している。これは、図４で示したスチーム噴射手段１３４の別の実施例となっている。上記手段１３６は、複数のオリフィスを有しており、これらのオリフィスは、スチーム用の上記ケーシング５８ａ内の通路１２６と連通している。上記手段１３６は、複数のオリフィス１３８を有しており、これらのオリフィスは、運転条件下で主として空気のための第３の環状通路１０４ａ内や、第１の環状通８２ａ内や、その双方にスチームを噴射するようにされている。
上記軸流ロータリ機械１０が運転中には、作動媒体ガスは、上記作動媒体流路１８に沿って流れている。このガスは、上記圧縮機から上記ディフューザ領域２２へと排出される空気である。上記空気は、上記燃料噴射装置の上流端４８の開口から導入されると、上記第１の環状通路８２を通過し、上記第３の環状通路１０４を通過して、互いに離間している２つの渦巻いている空気柱状体を形成する。上記空気柱状体は、本実施例では同一の方向に渦巻いていても良い。別の実施例では、上記空気柱状体は、異なった方向に渦巻いていても良い。
運転条件に依存して、燃料又は水又は燃料と水の混合物といった液体状流体は、上記２つの柱状体の間にある上記第２の環状通路５７を通して流される。断熱材７０は、上記第１の環状通路と上記第２の環状通路との間に配設されており、ギャップＧ_sは、上記第１の外側壁に設けられている。これらは、上記第１の環状通路と上記第３の環状通路内の空気から上記第２の環状通路内の上記液体状燃料及び水への熱移動を防止している。上記液体流体は、上記第１の外側壁５６の下流側端部において、上記円錐状そらせ部又はフィルマ（ｆｉｌｍｅｒ）１４２によって上記内側空気流に向かって流されている。上記第３の外側壁にある上記円錐状のそらせ部１１７は、上記外側空気流を上記燃料や燃料と水の混合物に向かって曲げて、剪断運動を生じさせることによって上記燃料を気化させるとともに、空気中に上記燃料を良好に分散させる。燃焼は、本領域の下流で行われる。
気体状流体は、上記第４の環状通路を通して加えられる。例えば、ある一つの運転条件では、気体状スチームは、上記第４の環状通路を通して気化された液体状燃料へと混合される。また、別の運転条件では、気体状燃料は、上記内側渦流空気流の外側に供給することもできる。この条件下では、上記第２の環状通路を通して水のみが流されている。この水は、上記複数の気体状燃料が上記外側空気流と予備混合された後に、互いに渦流空気流によって分散されることになる。
示されているように、上記ノズルの設計は、小型化されているとともに、空気と上記第４の通路からの気化された燃料と上記第２の通路からの水、燃料、又は水と燃料との混合物とを予備混合して上記燃料噴射装置を運転させることができる。また、上記第４の通路は、上記外側空気流と予備混合されたスチームを添加するために用いても良い。上記空気−スチーム混合物は、その後気化された燃料、水、又は、水と燃料の混合物と混合されて、上記第２の通路を通過して供給される。
この構造の特別の効果としては、上記混合領域１１６を通してガスを加えることにあり、この混合領域には、複数の上記オリフィス１２２を通して上記気体状燃料又は気体状スチームが連通されている。上記渦手段１１４に導入された加圧空気は、接線方向に強制的に曲げられ、この空気は、上記第３の環状通路の面積が小さくなることで圧縮を受けることとなるが、これは、複数の上記渦流ベーン１１４の効果である。上記渦流空気は、上記混合領域１１６へと膨張して、上記空気の角運動量を低下させ、上記オリフィス１２２を通して導入される気体状燃料やスチームといった複数のジェットが上記空気流に良好に浸透するのを可能としている。示してある実施例では、上記オリフィスは、運転条件下で燃料やスチームの上記複数のジェットを少なくとも空気のための上記第３の環状通路を横切って少なくともその途中まで延ばすようなサイズとされている。本配置での燃料噴射は、上記渦流手段１１４を横切る向きで圧力が低下するという効果を有しており、これによって、上記第３の環状通路内への燃焼混合物が逆流しないようになっている。この様な逆流を避けることは、燃料噴射装置のこの領域内で気体状燃料が長時間滞留することを避けることによってなされる。このような長時間の滞留は、上記燃焼可能な燃料と空気との混合物が本配置において着火され、上記燃料噴射装置に損傷を与えてしまうことになる。
気体状燃料と空気との上記混合物が、上記第３の環状通路の上記混合領域１１２へと通過しかつ、上記加速領域１１６に入り込むと、上記流れは、急速に加速されることとなる。流れのこの急速な加速は、加速領域において上記第３の環状通路の面積が減少していることと、上記自由な渦を、渦流運動が低減されたより小半径の流れ運動とすることによって得られている。この面積減少と環状方向の運動量の保存により、上記燃料噴射装置の上記軸Ａ_fを中心として螺旋状に回転しつつ、上記流れは急速に加速される。このことによって急速混合されるとともに、上記流れが上記第３の環状通路の壁から離間してしまうことが防止されている。このような離間は、発生させないことが好ましい。すなわちこのような離間は再循環を引き起こしてしまい、上記燃料−空気混合物が滞留する時間を増加させてしまうことになるためである。従って、上記したような離間を避けることによって、上記燃料噴射装置内で早期着火する確率が増加することが避けられている。
実験結果によれば、上記第２の通路からの水と回転する上記第１の空気流からの空気をキャリア空気流に混合する前に、上記気体状燃料と空気とを予備混合しておくことによって、上記燃料と空気とを予備混合しない同一構成のものと比較した場合に、亜酸化窒素放出量を許容水準とするに必要な水の量を減少させることができる。この結果、同一の亜酸化窒素放出量とするために要求される水が少なくてすむことになる。このことによって、上記燃焼プロセスにおける一酸化炭素の発生量を低減させることができる。従って、上述した構成によれば、特にバーナーの低放出特性を改善することができる。上記スチームと上記空気とをより効果的に混合した下記運転条件においても同様の結果が得られた。すなわちスチームを上記第４の環状通路を通して噴射し、かつ燃料又は燃料と水の混合物を、上記第２の環状通路を通して噴射させるものである。
図４と図４ａに示した実施例にそれぞれ適用したところ、上記気体状スチームは、上記内側渦流空気流又は外側渦流空気流のどちらとでも良好に混合できた。
以前の燃料噴射装置は、米国特許第４，９７７，７４０号に開示されているが、いずれも本発明の燃料噴射装置は、一体となったマニホルド領域６２を用いて、上記した円錐形のそらせ板領域６４に取り付けることができ、上記第１のケーシングモジュールが形成される。このケーシングモジュールは、上記内側壁６６と上記第１の外側壁５６に対してスライドするようになっている。上記内側壁６６とその断熱材７０とを有している上記内側空気供給手段５４と、中心体７６と、ユニットとして組み立てられている複数の渦流ベーン８６と、をモジュール化することによって組立性が向上している。上記複数の渦流ベーン８６は、上記断熱材７０又は上記内側壁６６に取り付けられていても良い。これらのベーンは、上記断熱材７０に取り付けられた場合でも、上記内側壁６６には張力が加えられているため、渦流ベーンを保持でき、いかなる理由であっても上記渦流ベーンは、上記断熱材から離れてしまわないように保持されている。
組立に際しては、一体構造として製造されている上記ケーシングと、別途一体構造とされている円錐形状そらせ板と、から上記内側空気供給手段が組み立てられている。上記第１の外側壁５６は、上記内側空気供給手段の上をスライド可能となっており、上記ケーシングは、上記第１の外側壁の上をスライドできるようにされており、構造体が組み立てられるようになっている。この後、上記第１の導管と上記第２の導管とが、上記ケーシングを通して挿入され、組み立てが完了する。別実施例では、上記第３の導管と上記手段１２４又は１３６のいずれかが、上記ケーシングに付け加えられて、スチームを供給するようになっている。
本発明は、詳細な実施例をもって説明を加えてきたが、請求項記載の発明の趣旨及び範囲内において、当業者が形状や細部にわたって種々の変更を行うことが可能であることが理解されよう。

Claims (25)

1. 空気のための通路と、液体状流体のための通路と、気体状流体のための通路と、軸を中心として周回りに延びているとともに、下流側に排出領域を有してなるエンジン用燃料噴射装置において、
   前記軸を中心として渦流する第１の環状空気流を形成するとともに、この空気流を前記排出領域に排出し、かつ、この空気流を第１の方向に向けるための手段と、
   前記軸を中心として渦流する第２の環状空気流を形成するとともに、この空気流を前記排出領域へと排出して、前記第１の環状空気流に向かう第２の方向に向け、かつ前記第２の空気流を少なくとも軸方向に流れる部分では、前記第１の環状空気流の上方側径方向に離間させる手段と、
   前記噴射装置を通過する前記２つの渦流空気流の間に前記液体状流体を流した後に、前記噴射装置から前記排出領域へと排出するとともに、前記排出領域において前記各渦流空気流の間に前記液体状流体を排出するための手段と、
   前記排出領域において前記液体状流体又は一方の前記空気流と混合させる前に、前記噴射装置内で前記気体状流体を他方の前記空気流に予め流入させる手段を有してなり、
   前記複数の流体のうちの一方は、適切な状態にある燃料であり、前記複数の流体の他方は、適切な状態にある水であり、さらに、前記液体状流体を混合するに先立って前記空気と前記気体状流体とを混合して燃料を均一に混合することを特徴とするエンジン用燃料噴射装置。
2. 前記気体状流体は、燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記液体状流体は、少なくとも一部として燃料を含み、かつ前記気体状流体はスチームとなった水であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
4. 前記液体状流体は、燃料と水との混合物であることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射装置。
5. 前記第２の環状空気流の径方向内側には、前記第１の環状空気流が流され、かつ複数の前記空気流のうちの一つに気体状流体を流すための手段は、スチームを流す手段であるとともに、前記第１の（内側）空気流と連通していることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射装置。
6. 上流端と、下流端と、内側空気チャンバと、前記内側空気チャンバを周方向に結合して延びている内側壁と、前記内側空気チャンバ内に配設されるとともに、前記内側壁から径方向に離間して、その間に前記第１の空気流のための環状通路を形成している中心体と、前記内側壁から径方向に離間して、その間に第２の空気流のための第２の環状通路を形成している外側壁と、を有してなり、該中心体の一部が前記外側壁に取り付けられている燃料噴射装置において、前記スチームを流すための手段は、前記外側壁に一部が取り付けられた周回りに延びたスチームのための通路を有してなるとともに、前記燃料噴射装置の前記上流端に周回りに離間した複数のダクトとを有し、前記複数のダクトは、前記第１の空気流のための環状通路と、スチームのための前記環状通路とに連通していることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射装置。
7. 前記第１の環状空気流は、前記第２の環状空気流の径方向内側に流されており、前記複数の空気流の内の一つに気体状流体を流すための手段は、スチームを流すための手段となっているとともに、前記第２の（外側）空気流と連通していることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射装置。
8. 前記第１の環状空気流の径方向外側に形成された前記第２の環状空気流と、前記第２の環状空気流に結合する環状通路とを有している前記燃料噴射装置であって、この環状通路は、気体状流体の供給源と連通した混合領域を有しているとともに、前記混合領域の上流において空気に接線方向の速度成分を与える渦流手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼噴射装置。
9. 前記渦流手段は、複数の渦流ベーンを有していることを特徴とする請求項８に記載の燃料噴射装置。
10. 前記通路は、混合領域の下流において加速領域を有し、この加速領域は、面積が先細りとなっているとともに、燃料噴射装置軸に向かって傾けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料噴射装置。
11. 前記空気のための環状通路は、その一部が外側壁に結合されており、さらに、周回りに離間した複数のオリフィスは、前記混合領域を前記気体状流体の供給源と連通していることを特徴とする請求項１０に記載の燃料噴射装置。
12. 前記複数のオリフィスは、気体状流体の流れ方向に対して垂直な方向に測定して、その断面が曲線となっていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射装置。
13. 前記複数のオリフィスは、断面が円形とされていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料噴射装置。
14. 前記複数のオリフィスは、周方向長さよりも軸方向長さの大きなスロットとされていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射装置。
15. 前記渦流手段と前記加速領域は、オリフィスの軸方向長さ以下の距離だけ前記オリフィスから径方向に離間されていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射装置。
16. 前記気体状流体供給源は、スチーム供給源であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射装置。
17. 前記気体状流体供給源は、燃料供給源であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射装置。
18. 軸を中心として周回りに延びた液体状燃料のための通路と、軸を中心として周回りに延びた気体状燃料の通路と、下流において排出領域を有してなるガスタービンエンジン用燃料噴射装置において、
    前記軸を中心として周回りに延び、内側に内側空気チャンバを形成している内側壁と、上流位置からの空気を受け入れるために備えられた開口を有する上流端を有するとともに、前記排出領域に空気を排出するための下流端とを備えた前記内側空気チャンバと、
    前記内側チャンバ内に配設され、軸方向に延びた外面と、前記内側壁から径方向に離間して空気のための第１の環状通路を形成しかつ、径方向に延びて前記外面に連結されて、下流側端面を形成してガスの進入を防いでいる中心体と、前記内側壁の前記下流端から離間し、その間にギャップＣ_aが形成されて前記内側チャンバの内部、かつ前記中心体の下流で急激膨張を行う領域を形成している前記下流側端面と、
    前記第１の通路に配設され、この第１の通路を通過させることで前記空気に接線方向の速度を与えるための手段と、
    前記排出領域へと液体を排出させるための下流端を有する流体通路と、前記下流端において、円錐形状を有し、前記エンジンの軸に向かって傾けられている外側面を有するとともに前記内側壁から径方向に離間してそれらの間に液体のための第２の環状通路を形成している第１の外側壁と、
    前記第１の外壁から径方向に離間しその間に空気のための第３の環状通路を形成した第２の外壁を有するケーシングと、上流位置からの空気を受け入れるために備えられた開口を有する上流端を有するとともに、前記排出領域へと空気を排出するための下流端とを備えた第３の通路と、下流端で前記第１の外側壁の外面に面しかつ、円錐形状の内面を有した前記エンジンの軸に向かって傾けられている前記第２の外壁と、前記各壁のうちの少なくとも一つに近接するにつれその面積が環状断面積値Ａ_iからＡ_iの半分以下の環状断面積値Ａ_eにまで減少してゆくとともに、前記排出領域に導入される前に前記流れを加速するための加速領域を形成する第３の通路と、
    前記内側壁の軸方向下流端位置に近い軸方向位置において、前記第３の通路に配設され、前記第３の通路の加速領域から軸方向に上流側に離間して、加速領域との間に混合領域を形成している上記第３の環状通路を通して前記空気に接線方向の速度を与えるための手段と、
    前記接線方向速度手段の軸方向下流、かつ前記加速領域の上流において前記第３の通路の前記混合領域と連通し、気体を前記第３の通路に排出するとともに、前記混合領域に径方向に向いた速度成分を有するガスを噴射させるようなサイズとされている周方向に離間した複数のオリフィスとを有し、そのための各ホールは、その断面が直径ｄの円形を有しているとともに、前記渦流手段と加速領域とに近接しており、前記オリフィスから前記接線方向速度手段への距離Ｌ_tと、前記オリフィスから前記加速領域との間の距離Ｌ_aとは、それぞれ前記オリフィスの直径以下とされた第４の環状通路と、
    前記第４の環状通路と連通されているとともに、気体供給源の少なくとも１つと連通された第１の導管手段と、
    前記第３の空気のための環状通路を横切って液体のための前記第２の環状通路にまで延び、かつこの環状通路と連通するとともに前記液体供給源と連通した第２の導管手段と、
    前記第４の環状通路の前記オリフィスの複数の位置において、前記第３の環状通路の空気へと噴射されるガスは、前記第３の環状混合領域の加速領域内で混合され、その後、さらに、前記排出領域内へ前記空気−気体混合物を噴射する前に、加速された流れが離間せずかつ再循環することを防止するような条件で前記通路内において混合され、その流れの加速は、前記第３通路の断面積の減少と、前記第３通路が前記ノズルの軸に向かって傾斜していることによって行われていることを特徴とする燃料噴射装置。
19. 第４の環状通路は、気体状燃料の供給源と連通しており、かつ第２の環状通路は、水の供給源と連通していることを特徴とする請求項１８の記載の燃料噴射装置。
20. 第４の環状通路は、気体状燃料の供給源と連通しており、かつ第２の環状通路は、水の供給源と連通していることを特徴とする請求項１８の記載の燃料噴射装置。
21. 第４の環状通路は、気体状燃料の供給源と連通しており、かつ第２の環状通路は、燃料の供給源と連通していることを特徴とする請求項１８の記載の燃料噴射装置。
22. 第４の環状通路は、スチームの供給源と連通しており、かつ第２の環状通路は、水の供給源と連通していることを特徴とする請求項１８の記載の燃料噴射装置。
23. 第４の環状通路は、スチームの供給源と連通しており、かつ第２の環状通路は、水と燃料の供給源と連通していることを特徴とする請求項１８の記載の燃料噴射装置。
24. 第４の環状通路は、スチームの供給源と連通しており、かつ第２の環状通路は、燃料の供給源と連通していることを特徴とする請求項１８の記載の燃料噴射装置。
25. 空気のための通路と、液体状流体のための通路と、気体状流体の通路と、軸を中心として周回りに延びているとともに、下流側において排出領域を有してなるガスタービンエンジン用燃料噴射装置の運転方法において、
    前記排出領域へと排出され、第１の方向に向けられているとともに、前記軸を中心として渦流する第１の環状空気流を形成し、
    前記排出領域へと排出され、前記第１の環状流の方向に向かう第２の方向に向けられているとともに、少なくとも軸方向に延びている間には前記第１の環状空気流の径方向上方側に離間し、かつ前記軸を中心として渦流する第２の環状空気流を形成し、
    前記噴射装置から前記排出領域へと排出される前に、前記液体状流体を前記２つの渦流する流れの間に前記噴射装置を通過させて流して、前記渦流する複数の流れの間において前記液体状流体を前記排出領域へと排出し、
    前記排出領域において前記液体状流体又は一方の前記空気流と混合させる前に、前記噴射装置内で前記気体状流体を他方の前記空気流に予め流入させる方法であって、
    前記流体のうちの一つは、適切な状態にある燃料であるとともに、前記流体のうちの別の一つは適切な状態にある水であり、かつ前記空気と前記気体状燃料との混合は、前記液体状流体を混合する前に行われて、燃焼のためのより均一な混合物が得られるようにされている燃料噴射装置の運転方法。

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