特許 6804755 渦巻型噴射ノズル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6804755

(24)【登録日】2020年12月7日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】渦巻型噴射ノズル

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/28 20060101AFI20201214BHJP

   F23R 3/34 20060101ALI20201214BHJP

   F23D 14/48 20060101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   F23R3/28 B

   F23R3/34

   F23D14/48 B

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-222205(P2016-222205)

(22)【出願日】2016年11月15日

(65)【公開番号】特開2017-106709(P2017-106709A)

(43)【公開日】2017年6月15日

【審査請求日】2019年9月6日

(31)【優先権主張番号】特願2015-230532(P2015-230532)

(32)【優先日】2015年11月26日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】515328831

【氏名又は名称】ウエムラ技研株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087815

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 昭二

(72)【発明者】

【氏名】曽根 泰幸

(72)【発明者】

【氏名】神納 正幸

(72)【発明者】

【氏名】梶原 学

【審査官】 小岩 智明

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／１５２７６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−２００４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１５５１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２０６５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２００５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０７２２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−３２７６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１４５３６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭４７−０１２１８０（ＪＰ，Ｙ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｒ ３／００− ３／６０

Ｆ０２Ｃ ７／２３２

Ｆ２３Ｄ １４／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体通路（２４）を通って渦巻状に流体を噴射する渦巻型噴射ノズル（１０）であって、
前記流体通路（２４）は、流体をノズル軸心（Ｃ１）回りに旋回させながら噴出する旋回通路（３０）と、前記旋回通路（３０）に前記流体を供給する環状通路（２８）と、ノズル軸心（Ｃ１）方向に延びて前記環状通路（２８）に前記流体を供給する供給通路（２６）とを備え、
少なくとも、前記旋回通路（３０）と前記環状通路（２８）と前記供給通路（２６）の下流部とを含む頭部（２０）が、三次元造形による一体物であり、
前記環状通路（２８）の通路横断面が、少なくともノズル頂面（２０ａ）に対向する部分（２８ｂ）において湾曲しており、
前記環状通路（２８）の横断面が、前記旋回通路（３０）に接続されるノズル径方向内側部分（２８ａ）を除いて円形または楕円形である渦巻型噴射ノズル。

【請求項2】

ガスタービンエンジンの燃料噴射ノズルを形成する請求項１に記載の渦巻型噴射ノズルであって、
前記流体通路（２４）はノズル軸心（Ｃ１）から偏心した位置に形成されて軸方向に延びるメイン燃料通路であり、
さらに、プライマリ燃料通路（２２）を備え、
前記プライマリ燃料通路（２２）は、前記供給通路（２６）よりもエンジン径方向の内側に形成されて前記ノズル軸心（Ｃ１）方向に延びるプライマリ供給通路（３２）と、このプライマリ供給通路（３２）の下流端部に連通してノズル径方向の内側に延びるプライマリ環状通路（３４）と、このプライマリ環状通路（３４）の下流端に連通するプライマリ噴射室（３６）とを有し、
前記旋回通路（３０）と前記プライマリ噴射室（３６）とが前記ノズル頂面（２０ａ）に形成された流体噴射口の一種である燃料噴射口（１０ａ）に臨んでいる渦巻型噴射ノズル。

【請求項3】

請求項２に記載の渦巻型噴射ノズルにおいて、前記メイン燃料通路（２４）の旋回通路（３０）は、前記プライマリ燃料通路（２２）の前記プライマリ噴射室（３６）のノズル
径方向外方に位置し、かつ、前記環状通路（２８）のノズル径方向内側から径方向内方に延びる複数の傾斜孔（３０ａ）と、その下流に連通する円錐筒状の傾斜室（３０ｂ）とを有し、
前記複数の傾斜孔（３０ａ）はノズル軸心（Ｃ１）の周方向に離間して配置され、
前記傾斜室（３０ｂ）の下流端が前記燃料噴射口（１０ａ）に連通している渦巻型噴射ノズル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、渦巻状に流体を噴射する渦巻型噴射ノズルであって、例えばガスタービンエンジンの燃料噴射ノズルとして使用されるものに関する。

【背景技術】

【0002】

渦巻型噴射ノズルは、燃料、水等の流体を粒状化するノズルであり、ガスタービンを始め、様々な産業で使用されている。渦巻型噴射ノズルは、構造が複雑で、多数の部品を単品で加工した後、各部品を溶接、ロウ付け等を用いて接合することで組み立てている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−１１７６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、このような構成では、組立時に誤差が発生し易く、組立に手間がかかるうえに、接合部から流体が漏れ易い。なお、特許文献１には、ノズルではないが、三次元積層造形技術を用いて、接合部のない一体型のタービン動翼を製造する方法が開示されている。

【0005】

本発明は、寸法精度が高く、製造が容易で、流体の漏れを防ぐことができる渦巻型噴射ノズルを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

以下、理解を容易にするために、便宜上、実施形態の符号を参照して説明する。
本発明の渦巻型噴射ノズルは、流体通路２４を通って渦巻状に流体を噴射する渦巻型噴射ノズル１０，１２であって、
前記流体通路２４は、流体をノズル軸心Ｃ１、Ｃ２回りに旋回させながら噴出する旋回通路３０，４４と、前記旋回通路に前記流体を供給する環状通路２８，４０と、ノズル軸心方向Ｃ１，Ｃ２に延びて前記環状通路２８、４０に前記流体を供給する供給通路２６、３８とを備え、
少なくとも、前記旋回通路３０、４４と前記環状通路２８，４０と前記供給通路２６，３８の下流部とを含む頭部２０，４５が、三次元造形による一体物である。

【0007】

本発明の渦巻型噴射ノズルによれば、前記旋回通路３０、４４と前記環状通路２８，４０と前記供給通路２６，３８の下流部とを含むために構造が複雑な頭部２０，４５が、三次元造形（３Ｄプリンタ）による一体物で構成されているので、渦巻型噴射ノズル１０、１２の寸法精度が高く、製造が容易になる。しかも、接合部が少なくなるので、流体の漏れを防ぐことができる。

【0008】

本発明において、好ましくは、前記環状通路２８の通路横断面が、少なくともノズル頂面２０ａに対向する部分２８ｂにおいて湾曲している。この構成によれば、３Ｄプリンタによって湾曲部分を形成する際に、金属層５１を重ねても、上層の金属層５１が下層の金属層５１によって十分支持されるので、落下が避けされ、その結果、金属層のサポートが不要となる。これにより、燃料噴射ノズル１０の頭部２０を、３Ｄプリンタを用いて容易に形成することが可能となる。

【0009】

本発明において、前記環状通路２８の横断面が、前記旋回通路３０に接続されるノズル径方向内側部分２８ａを除いて円形または楕円形であるのが好ましい。円形または楕円形により、前記環状通路２８の湾曲部分を容易に形成できる。また、環状通路２８を流れる流体の通路抵抗が、矩形横断面の場合よりも小さくなる。

【0010】

本発明の渦巻型噴射ノズルをガスタービンエンジンの燃料噴射ノズルとして利用する場合、
前記流体通路２４はノズル軸心Ｃ１から偏心した位置に形成されて軸方向に延びるメイン燃料通路であり、
さらに、プライマリ燃料通路２２を備え、
前記プライマリ燃料通路２２は、前記メイン供給通路２６よりもエンジン径方向の内側に形成されて前記ノズル軸心Ｃ１方向に延びるプライマリ供給通路３２と、このプライマリ供給通路３２の下流端部に連通してノズル径方向の内側に延びるプライマリ環状通路３４と、このプライマリ環状通路３４の下流端に連通するプライマリ噴射室３６とを有し、
旋回通路３０と前記プライマリ噴射室３６とが前記ノズル頂面２０ａに形成された燃料噴射口１０ａに臨んでいる構成とすることができる。

【0011】

この構成によれば、メイン燃料通路２４とプライマリ燃料通路２２とを有するガスタービンエンジン用の渦巻型燃料噴射ノズル１０を３Ｄプリンタにより容易に製造できる。

【0012】

前記ガスタービンエンジン用の渦巻型燃料噴射ノズル１０において、メイン燃料通路２４の旋回通路３０は、前記プライマリ燃料通路２２のプライマリ噴射室３６のノズル径方向外方に位置し、かつ、前記環状通路２８のノズル径方向内側から径方向内方に延びる複数の傾斜孔３０ａと、その下流に連通する円錐筒状の傾斜室３０ｂとを有し、
前記複数の傾斜孔３０ａはノズル軸心Ｃ１の周方向に離間して配置され、
前記傾斜室３０ｂの下流端が前記燃料噴射口１０ａに連通している構成とすることができる。

【0013】

この構成によれば、メイン燃料通路２４とプライマリ燃料通路２２とを噴射ノズルの径方向に並べてコンパクトに配置できる。

【発明の効果】

【0014】

本発明の渦巻型噴射ノズルによれば、渦巻型噴射ノズルにおける構造が複雑な頭部が三次元造形による一体物で構成されているので、寸法精度が高く、製造が容易になる。しかも、接合部が少なくなるので、流体の漏れを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る渦巻型噴射ノズルを備えた燃焼器を示す縦断面図である。

【図2】同渦巻型噴射ノズルの頭部を示す縦断面図である。

【図3】図２のIII−III線に沿った断面図である。

【図4】同渦巻型噴射ノズルの別の例の頭部を示す縦断面図である。

【図5】図４のV−V線に沿った断面図である。

【図6】同渦巻型噴射ノズルの製造方法を示す要部の別の縦断面図である。

【図7】従来の製造方法を示す要部の縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る渦巻型噴射ノズルの一種である燃料噴射ノズル１０を示す縦断面図である。燃料噴射ノズル１０は、渦巻状に燃料を噴射する複式の渦巻型噴射ノズルであり
、この実施形態では、ガスタービンエンジン用のアニュラ型燃焼器１に設けられている。以下の説明で、「上流」および「下流」は、燃料の流れ方向の上流および下流をいう。

【0017】

燃焼器１は、環状のアウタケーシング３と、その内側に配置された環状のインナケーシング４とを有し、これら両ケーシング３，４により、エンジン回転軸心Ｃと同心の環状の内部空間を有する燃焼器ハウジング２が構成されている。この燃焼器ハウジング２の環状の内部空間には、環状のアウタライナ６の内側に環状のインナライナ７が同心状に配置された燃焼筒５が、燃焼器ハウジング２と同心状に配置されている。

【0018】

燃焼筒５の上流端に、筒状の支持部材１５が溶接により連結されている。支持部材１５の中心軸は、燃料噴射ノズル１０のノズル軸心Ｃ１と一致している。支持部材１５の先端壁１５ａは下流端に設けられ、先端壁１５ａに軸方向を向く開口部１５ｂが形成されている。支持部材１５の下流端部に、第１フランジ部１５ｃが形成されており、この第１フランジ部１５ｃに、スワーラ１６が装着されている。スワーラ１６の外側に、燃焼筒５の上流端が溶接により連結されている。燃焼筒５の下流端部はタービンの第１段ノズル（図示せず）に連通している。

【0019】

支持部材１５の上流端に、第２フランジ部１５ｄが形成されており、この第２フランジ部１５ｄを介して支持部材１５と燃焼器ハウジング２とがボルト連結されている。支持部材１５の周壁１５ｆにおける軸方向中間部に、径方向を向いた貫通孔からなる複数の空気取入孔１５ｅが形成されている。

【0020】

燃焼筒５は内部に環状の燃焼室８が形成されており、この燃焼筒５の上流端に、燃焼室８内に燃料を噴射する複数の前記燃料噴射ノズル１０が設けられている。燃料噴射ノズル１０は、燃焼筒５と同心の単一の円上に等間隔に配設されている。詳細には、燃料噴射ノズル１０は、後述の頭部２０を含む下流側部分が支持部材１５の内部に収納され、燃料噴射口１０ａが支持部材１５の開口部１５ｂに臨むように配置されている。燃料噴射ノズル１０は、ボルトのような締結部材（図示せず）によって燃焼器ハウジング２に支持されている。支持部材１５の周壁１５ｆと燃料噴射ノズル１０の周壁１０ｂとの間には、環状のノズル空気通路１７が形成されている。燃料噴射ノズル１０の構造の詳細は後述する。

【0021】

アウタケーシング３およびアウタライナ６を貫通して、燃焼室８に燃料を噴射する補助燃料噴射ノズル１２が設けられている。補助燃料噴射ノズル１２は、渦巻状に燃料を噴射する単式の渦巻型噴射ノズルである。補助燃料噴射ノズル１２は、燃料噴射ノズル１０から噴射された燃料Ｆに補助燃料Ｆ０を噴射するもので、例えば、着火用または保炎用に設けられる。ただし、補助燃料噴射ノズル１２はなくてもよい。補助燃料噴射ノズル１２は、燃焼筒５の径方向を向き、その軸心Ｃ２が燃料噴射ノズル１０のノズル軸心Ｃ１と直交するように配置されている。補助燃料噴射ノズル１２の構造の詳細は後述する。アウタケーシング３およびアウタライナ６を貫通して、着火用の点火プラグ１４が設けられている。

【0022】

燃焼器ハウジング２と燃焼筒５との間の環状の内部空間には、圧縮機（図示せず）から送給される圧縮空気ＣＡが導入される空気通路２５が形成されている。圧縮空気ＣＡは、支持部材１５のスワーラ１６並びに燃焼筒５のアウタライナ６およびインナライナ７にそれぞれ複数形成された空気導入口１８から燃焼室８内に供給される一方で、支持部材１５の空気取入孔１５ｅからノズル空気通路１７に供給される。

【0023】

燃料噴射ノズル１０は、プライマリ燃料Ｆ１が供給されるプライマリ通路２２と、メイン燃料Ｆ２が供給されるメイン燃料通路２４とを有している。プライマリ燃料Ｆ１は、始動時および低出力時のみ、または全出力領域にわたって供給され、メイン燃料Ｆ２は、中
間出力および高出力時に供給される。プライマリ通路２２は、メイン燃料通路２４のエンジン径方向の内側に形成される。前記各燃料Ｆ０〜Ｆ２は、石油系の液体または天然ガスなどの流体である。

【0024】

図２に示すように、流体通路の一種であるメイン燃料通路２４は、ノズル軸心Ｃ１から偏心した位置に形成されてノズル軸心Ｃ１の方向に延びるメイン供給通路２６と、メイン供給通路２６の下流端部に連通するメイン環状通路２８と、このメイン環状通路２８からノズル軸心Ｃ１に向かって斜め下流方向に延びる複数のメイン旋回通路３０とを有している。図３に示すように、メイン旋回通路３０は、メイン燃料Ｆ２をノズル軸心Ｃ１回りに旋回させながら、図２の頭部２０の先端面であるノズル頂面２０ａに開口した流体噴射口の一種である燃料噴射口１０ａから噴射する。

【0025】

メイン環状通路２８の横断面は、メイン旋回通路３０に接続された部分、つまりノズル軸心Ｃ１寄りのノズル径方向内側２８ａが直線状とされた円形または楕円形である。メイン旋回通路３０は、図３に示すように、ノズル軸心Ｃ１の方向から見て、ノズル軸心Ｃ１の放射方向に対して傾斜して設けられた複数の傾斜孔３０ａと、それらの下流に続く円錐筒状の傾斜室３０ｂとを有し、傾斜室３０ｂの下流端が燃料噴射口１０ａに連通している。燃料噴射ノズル１０は、全体が三次元造形（３Ｄプリンタ）による一体物で形成されている。ただし、図２のメイン供給通路２６の下流部、メイン環状通路２８およびメイン旋回通路３０を含む頭部２０のみを三次元造形による一体物で構成し、頭部２０を除く胴部２１を機械加工で形成して、両者２０，２１をろう付けしてもよい。

【0026】

プライマリ燃料通路２２は、ノズル軸心Ｃ１から偏心した位置でメイン供給通路２６のエンジン径方向の内側に形成されてノズル軸心Ｃ１方向に延びるプライマリ供給通路３２と、プライマリ供給通路３２の下流端部に連通してノズル径方向内側に延びるプライマリ環状通路３４と、このプライマリ環状通路３４からノズル軸心Ｃ１に向かって径方向内側に延びる導入通路３５と、導入通路３５の下流端に連通して軸方向に延びるプライマリ噴射室３６とを有している。このプライマリ噴射室３６は、ノズル軸心Ｃ１上に位置している。前記導入通路３５には、ノズル軸心Ｃ１の放射方向または放射方向に対して斜めの方向に延びる複数のガイド体が、ノズル軸心Ｃ１の周方向に等間隔に並んで設けられている。

【0027】

プライマリ環状通路３４は、メイン環状通路２８のノズル軸心Ｃ１の径方向内側に配置されている。プライマリ噴射室３６は、メイン環状通路２８およびメイン旋回通路３０のノズル軸心Ｃ１の径方向内側に配置されている。メイン燃料通路２４のメイン旋回通路３０の出口と、プライマリ燃料通路２２のプライマリ噴射室３６の出口は燃料噴射口１０ａに臨んでいる。

【0028】

図４に示すように、渦巻き型の流体噴射ノズルの一種である補助燃料噴射ノズル１２は、その軸心Ｃ２方向に延びる補助燃料（流体）供給通路３８を有している。補助燃料供給通路３８の下流端部は、補助燃料環状通路４０に連通している。詳細には、補助燃料噴射ノズル１２の下流端部に、有底筒状のカップ４２が形成されている。カップ４２の底壁４２ａは、カップ４２の上流端に形成され、下流端の開口は補助燃料噴射ノズル１２の燃料噴射口１２ａに連通している。

【0029】

カップ４２の周壁４２ｂと補助燃料噴射ノズル１２の周壁１２ｂとの間に、環状の隙間４０が形成されており、この隙間４０が補助燃料環状通路４０を構成している。カップ４２の周壁４２ｂに、補助燃料環状通路４０から軸心Ｃ２に向かって斜めに延びる複数の連通孔４４が形成されている。これら連通孔４４が、図５に示すように、補助燃料Ｆ０を軸心Ｃ２回りに旋回させながら噴射する補助燃料旋回通路４４を構成している。

【0030】

補助燃料噴射ノズル１２は、全体が三次元造形（３Ｄプリンタ）による一体物で形成されている。ただし、図４に示す補助燃料供給通路３８の下流部、補助燃料環状通路４０、および補助燃料旋回通路４４を含む頭部４５のみを三次元造形による一体物で構成し、頭部４５を除く胴部４６を機械加工で形成して、両者４５，４６をろう付けしてもよい。

【0031】

図１の燃料噴射ノズル１０の製造にあたっては、頭部２０と反対側の基部から、３Ｄプリンタからの金属粉末の吐出による金属層の形成と、レーザ光または電子ビームの照射による金属層の溶融・凝固とを繰り返すことにより、一体化された凝固部分が形成される。レーザ光または電子ビームは、燃料噴射ノズル１０の３次元ＣＡＤデータに基づいて、各金属層における燃料噴射ノズル１０の形状に対応する領域に照射される。

【0032】

ここで、図２の燃料噴射ノズル１０の頭部２０のメイン環状通路２８と、メイン旋回通路３０の傾斜孔３０ａとは、横断面がほぼ円形または楕円形で構成されている。これにより、メイン燃料Ｆ２が両通路２８，３０を流れる際の通路抵抗が、横断面を矩形とした場合よりも小さくなる。また、特に、三次元積層造形技術を用いてメイン環状通路２８を形成する場合、図７の従来例に示すように、頭部２０Ａのメイン環状通路２８Ａの横断面が矩形であると、初期に形成される金属層５１Ａにおけるメイン環状通路２８Ａを覆う部分が落下するのを防ぐためにサポート材ＳＰを用意する必要がある。

【0033】

これに対し、図６に示す本実施形態のように、頭部２０のメイン環状通路２８の横断面を円形または楕円形とすると、この横断面におけるノズル頂面２０ａに対向する部分２８ｂがノズル頂面２０ａに向かって、すなわちノズル先端方向に向かって膨らむ湾曲した形状となるから、ノズル基端側から金属層５１を重ねても、上層の金属層５１が下層の金属層５１によって十分支持されるので、落下が避けられ、その結果、サポートが不要となる。これにより、燃料噴射ノズル１０の頭部２０を、３Ｄプリンタを用いて容易に形成することが可能となる。

【0034】

つぎに図１の燃焼器１の動作について説明する。ガスタービンエンジンの始動時には、燃料噴射ノズル１０から燃焼室８に噴射された霧状のプライマリ燃料Ｆ１が、スワーラ１６によって旋回された圧縮空気ＣＡと混合され、旋回しながら燃焼領域を形成する。点火プラグ１４によって点火された火炎は、この燃焼領域内で維持される。

【0035】

メイン燃料Ｆ２は、メイン旋回通路３０を通過することで、ノズル軸心Ｃ１回りに旋回しながら燃料噴射口１０ａから燃焼室８に噴射される。このとき、メイン燃料Ｆ２は、燃料噴射口１０ａの出口付近で、ノズル空気通路１７に導入された圧縮空気ＣＡと混合され、霧状となって開口部１５ｂから燃焼室８に噴射される。これにより、燃焼が継続される。

【0036】

一方、補助燃料Ｆ０は、図４の補助燃料旋回通路４４を通過することで、軸心Ｃ２回りに旋回しながら燃料噴射口１２ａから図１の燃焼室８に霧状に噴射される。

【0037】

上記構成によれば、燃料噴射ノズル１０の少なくとも頭部２０および補助燃料噴射ノズル１２の少なくとも頭部４５が、三次元造形による一体物で構成されている。これにより、寸法精度が高く、かつ、製造が容易になる。さらに、接合部が少なくなるので、燃料の漏れを防ぐことができる。具体的には、接合不良、熱膨張等に起因するメイン燃料Ｆ２および補助燃料Ｆ０の外部漏れ、プライマリ燃料Ｆ１の内部漏れ等を回避できる。

【0038】

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態の渦巻型噴射ノズ
ルは燃料を噴射するノズルであったが、これに限定されず、水を噴射する冷房用のノズルであってもよい。また、本発明の渦巻型噴射ノズルはガスタービンエンジン用のノズルに限定されない。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１０ 燃料噴射ノズル（渦巻型噴射ノズル）
１２ 補助燃料噴射ノズル（渦巻型噴射ノズル）
１０ａ，１２ａ 燃料噴射口
２０，４５ 頭部
２０ａ ノズル頂面
２８，３４，４０ 環状通路
２６，３８ 供給通路
３０，４４ 旋回通路
３０ａ 傾斜孔
３０ｂ 傾斜室
３６ プライマリ噴射室
Ｃ１，Ｃ２ ノズル軸心

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】