JP2000320836A - 燃料インジェクタ及び燃料と空気の噴射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジンの燃焼カンに完全かつ
均一に混合された混合気を供給する。 【解決手段】 ハイブリッド燃料インジェクタ（２０）
は、圧力噴霧コア燃料ノズル（６６）と、コアノズル
（６６）と共に混合気を低エミッション燃焼カンへと導
くように動作する二次的な空気噴射部と、を有する。イ
ンジェクタ（２０）の空気噴射部は、内側及び外側の環
状空気流路（９８，１３８）を含み、これらの流路は、
内側及び外側の空気流をそれぞれ共通の方向に渦巻かせ
るスワラ（１０８，１５２）を備える。インジェクタ
（２０）は、更に、空気分配バッフル（１５４）を有
し、このバッフルは、内側空気流を、インジェクタ中心
線（６８）から径方向に離間された環状のサブストリー
ムと、複数の空気噴流へと、分流する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジンの燃料インジェクタに関し、特に、タービンエンジ
ンから排出されるの窒素酸化物（ＮＯｘ）、煙、及び不
燃性炭化水素（ＵＨＣ）を減少させるように、充分に混
合された混合気を生じさせる耐コークス性インジェクタ
に関する。

【０００２】本願は、出願人が共有する米国特許出願第
０９／２９２，１３６号に関連するものである。

【０００３】

【従来の技術】航空機のガスタービンエンジンは、年々
厳しくなる環境規制の対象であり、このような規制に
は、望ましくない排気物質に対する規制も含まれる。新
世代のエンジンは、現在の規制及び予想される規制に沿
って設計されている。しかし、旧世代のエンジンは、環
境規制が現在よりも緩いかもしくはこのような規制がな
かった時代に設計されたものである。旧世代エンジン
は、予想される規制に沿わないために、他の全ての面で
使用可能であるのにもかかわらず破棄しなければならな
くなるおそれがある。環境規制に沿わないことを除けば
使用可能であるエンジンを破棄することは、エンジンの
所有者にとって非常に大きい経済的損失をもたらす。

【０００４】旧世代エンジンを破棄しないで済むための
有効な選択肢としては、規制事項に沿うように設計した
改良コンポーネントを用いてエンジンの寿命を延ばすこ
とが挙げられる。例えば、エンジン排気物質は、再設計
した燃焼室や燃料インジェクタを用いてエンジンを改装
することによって減らすことができる。再設計した燃焼
室や燃焼インジェクタは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の削
減、煙の削減、不燃性炭化水素（ＵＨＣ）の削減、及び
燃焼炎の安定という相反する必要条件を満たす必要があ
る。更に、再設計したコンポーネントの存在が、エンジ
ン性能や操縦性を実質的に低下させたり、エンジンのタ
ービンの耐久性を損なったりしてはならない。

【０００５】低公害（ｃｌｅａｎ）燃焼のための１つの
試みは、リッチ燃焼、クイッククエンチ、リーン燃焼
（ＲＱＬ）と呼ばれる。近代型ガスタービンエンジン
は、多くの場合、このＲＱＬ燃焼概念を用いている。Ｒ
ＱＬ燃焼のために形成された燃焼室は、連続して配置さ
れた３つの燃焼領域、即ちリッチ燃焼領域、クエンチ領
域、及びリーン燃焼領域を含むライナを有する。リッチ
燃焼領域は、燃焼室の最先端部にあり、燃焼室内に突出
する燃料インジェクタから燃料と空気を受け入れる。ク
エンチ領域は、リッチ燃焼領域のすぐ後方にあり、燃焼
室内に希釈空気を採り入れるための一組の希釈孔を備え
る。リーン燃焼領域は、クエンチ領域の後方にある。

【０００６】運転時には、燃料インジェクタによって、
一定量の空気と理論値を超える燃料がリッチ燃焼領域に
連続的に導入される。この理論上濃厚な混合気は、点火
され、燃料のエネルギを一部放出するように燃焼され
る。混合気において燃料が濃厚であることで、リッチ燃
焼領域におけるＮＯｘの形成が抑制されるとともに、エ
ンジン出力の急な減少時における燃焼炎のブローアウト
が防止される。しかし、混合気が濃厚すぎる場合には、
燃焼室は、好ましくない量の煙を発生してしまう。更
に、過剰に濃厚な混合気は、燃焼炎の温度を抑制するの
で、不燃性炭化水素（ＵＨＣ）の形成が促進されるおそ
れがある。リッチ燃焼領域の混合気の平均の濃厚さが、
過度でなく、かつ不充分でもない場合であっても、燃空
比の空間的な変動により、混合気の濃厚さが過度であ
り、煙を減少させることができない局部的な領域と、混
合気の濃厚さが不充分であり、ＮＯｘの放出を削減する
ことができない局部的な領域と、が生じてしまうことも
ある。従って、燃料インジェクタが、完全にかつ均一に
混合された混合気を燃焼室に送り出すことができる能力
が排気物質の制御に重要な役割を果たす。

【０００７】リッチ燃焼領域で形成されたリッチ燃焼生
成物は、燃焼プロセスが継続するクエンチ領域へと流れ
る。希釈空気の噴流は、クエンチ領域の希釈孔を通って
燃焼室内へ横方向に導かれる。希釈空気は、更に燃焼を
支持し、燃料からエネルギを更に放出させるとともに、
（煙を二酸化炭素に変換することで）リッチ燃焼領域で
形成され得る煙の酸化を助ける。希釈空気は、更に、リ
ッチ燃焼生成物がクエンチ領域を通って流れるとともに
希釈空気と混合するのに従って、この燃焼生成物を徐々
に希釈する。まず、燃焼生成物の燃空比は、フューエル
リッチな状態から、ほぼ理論値である状態に変わり、こ
れに応じて燃焼炎温度が上昇する。所定の時間間隔にお
いて発生するＮＯｘの量は、炎の温度に応じて急激に増
加するので、初期のクエンチプロセスにおいてかなりの
量のＮＯｘが形成されるおそれがある。このクエンチプ
ロセスが継続していくに従って、燃焼物質の燃空比が、
ほぼ理論値から燃料が希薄な状態に変わり、炎の温度が
低下する。しかし、混合気が、理論燃空比よりもかなり
低い値に希釈されるまでは、炎の温度が高温に維持され
て、かなりの量のＮＯｘが形成され続ける。従って、Ｎ
Ｏｘが主に形成される、混合気が理論燃空比、及び理論
燃空比に近い状態である時間を制限するために、クエン
チプロセスを急激に進めることが重要である。

【０００８】クエンチ領域で希釈された燃焼生成物は、
燃焼プロセスが完結するリーン燃焼領域へと流れる。希
釈空気の追加噴流を、このリーン燃焼領域内へ横方向で
導くこともできる。希釈空気の追加は、燃料からエネル
ギを放出させるように継続的な燃焼を支持するととも
に、燃焼生成物の空間的な温度プロファイルを調節する
のを助ける。旧世代エンジンにおける既存の高エミッシ
ョン燃焼室に代わる低エミッション燃焼室は、物理的及
び操作的にもホストエンジンに適合させる必要がある。
言うまでもなく、交換用の燃焼室は、エンジンに組み込
むことができる大きさであり、かつエンジンの既存の燃
焼室マウントを利用することができなくてはならない。
更に、交換用燃焼室は、エンジンの性能、操作性、及び
耐久性を損なってはならない。従って、交換用燃焼室内
に導かれる希釈空気の量及び圧力降下の程度は、既存の
燃焼室内に導かれる希釈空気の量及び圧力降下の程度を
超えてはならない。そうでなければ、エンジンのコンプ
レッサの作動ラインが再適合即ちシフトして、コンプレ
ッサが空力的に失速しやすくなる。更に、燃焼室内に導
かれる希釈空気の量を増加させると、タービンの冷却用
の空気量が減少してしまい、エンジンのタービンの耐久
性が損なわれる。最後に、交換用燃焼室の存在によっ
て、タービンに入る燃焼ガスの空間的な温度プロファイ
ルに影響が及ぼされてはならない。温度プロファイルの
近似が重要であるのは、容易に修正することができない
エンジンのタービン冷却装置の設計が、既存の燃焼室が
示す温度プロファイルに基づいているからである。従っ
て、プロファイルが変更されると、タービンの耐久性が
損なわれるおそれがある。

【０００９】ＲＱＬ燃焼室で使用される燃料インジェク
タには、ハイブリッドインジェクタを用いることができ
る。ハイブリッドインジェクタは、中央の圧力噴霧一次
燃料ノズルとこの一次ノズルを囲む二次空気インジェク
タとを含む。圧力噴霧一次ノズルは、エンジンの始動時
を含む全てのエンジン出力設定で動作する。インジェク
タの空気噴射部は、エンジンの始動時及び低出力の運転
時には使用不能となるが、高出力の運転時には使用可能
となる。運転時には、ノズルの吐出オリフィスにわたる
急な圧力勾配によって、一次ノズルから高圧の一次燃料
の渦流が円錐状に燃焼室へと噴射される。インジェクタ
の空気噴射部は、内側空気、二次燃料、及び外側空気の
環状の渦流を燃焼室へと導びき、二次燃料の流れは、内
側及び外側の空気流に径方向で挟まれる。二次燃料の流
れと環状の空気流との間での剪断作用によって燃料が霧
化される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、燃料
インジェクタによって完全にかつ均一に混合された混合
気が燃焼室に噴射されることが、排気物質を制御するた
めに重要である。しかし、燃空比が、空間的にいくらか
不均一であることが有益なこともあり得る。例えば、エ
ンジン出力の急な低下時に炎のブローアウトを防ぐため
に、インジェクタの中心線の近くに濃厚な混合気のコア
を設けることが望ましい場合もあり得る。しかし、コア
が過度に濃厚であると、高出力運転時に容認できない量
の煙排気が生じるおそれがある。このような状態は、特
に、燃焼室に導入される希釈空気噴流が、濃厚なコアま
で達して煙を酸化させることができない場合に生じる。

【００１１】全てのタイプのタービンエンジン燃料イン
ジェクタに関する１つの難点は、コークスを形成しやす
いことである。コークスとは、インジェクタを通って流
れる燃料が過剰な熱を吸収するときにインジェクタの表
面に蓄積する炭化水素の堆積物である。ハイブリッドイ
ンジェクタでは、一次ノズルの先端部の吐出オリフィス
の近くに堆積するコークスが、オリフィスから供給され
る燃料の円筒状噴霧パターンを損ない、燃料が不均一に
拡散するおそれがある。燃料の不均一な拡散は、燃空比
の空間的変動をかなり引き起こすおそれがあり、燃焼室
のリッチ燃焼領域において、過剰な煙やＵＨＣを発生さ
せることなくＮＯｘの排出を制御することが困難とな
る。極端な場合には、コークスの堆積により一次燃料噴
霧部のテーパ角が減少してしまい、エンジンの始動時に
おける信頼性のある点火が妨げられることもある。

【００１２】コークスは、インジェクタの空気噴射部の
いくつかの面にも堆積するおそれがあり、特に、燃焼室
に最も近接する面に堆積しやすい。このようなコークス
の堆積は、一次ノズルの先端部に堆積するものと同様に
燃料−空気の環状の流れの均一な拡散を損なうおそれが
ある。更に、このような堆積は、エンジンの運転時にイ
ンジェクタから分離して他のエンジン部材を損傷するお
それがある。

【００１３】上述のことから、ＮＯｘの形成を最小と
し、かつ炎のブローアウトを確実に防止すること（即
ち、濃厚でかつ低温の燃焼）と、煙やＵＨＣを削減する
こと（即ち、希薄でかつ高温の燃焼）と、は明らかに相
反することがわかる。また、燃料インジェクタによって
完全にかつ均質に混合された混合気が燃焼室に供給され
る場合には、このような相反する要求をより容易に調和
させることができることも明らかである。しかし、エン
ジン出力が過渡的に変化するときに炎のブローアウトを
防止するためにインジェクタの中心線の近くに濃厚な燃
料と空気のコアを設けることが望ましい。また、ＮＯｘ
の形成を抑制するためには、燃料が濃厚な化学量論値か
ら燃料が希薄な化学量論値への急速な移行が非常に望ま
しいことも明らかである。最後に、交換されるハードウ
ェアがエンジンの性能や耐久性に影響を及ぼさないこと
も明らかに望ましい。

【００１４】従って、本発明の主な目的は、ガスタービ
ンエンジンの燃焼カンに完全かつ均一に混合された混合
気を供給することである。これに伴う本発明の他の目的
は、燃料噴射パターンを損なうとともに混合気を空間的
に不均一とするおそれがあるコークスの形成を防止する
ことである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明では、ハイブリッ
ド燃料インジェクタは、圧力噴霧コア燃料ノズルと、一
次ノズルと共に混合気を低エミッション燃焼カンへと導
くように動作する二次的な空気噴射部と、を有する。イ
ンジェクタの空気噴射部は、内側及び外側の環状空気流
路を含み、これらの流路は、内側及び外側の空気流をそ
れぞれ共通の方向に渦巻かせるスワラを備える。インジ
ェクタは、更に、空気分配バッフルを有し、このバッフ
ルは、内側空気流を、インジェクタ中心線から径方向に
離間された環状のサブストリームと、複数の空気噴流へ
と、分流する。空気分配バッフルと、共通の方向性を有
する内側及び外側のスワラと、によって、混合気が確実
かつ良好に混合され、これにより、低公害（ｃｌｅａ
ｎ）燃焼が促進されるとともにインジェクタ表面にコー
クスが形成されることが防止され、かつ空気及び燃料の
若干濃厚なコアが形成されることで急なエンジン出力の
減少時における炎のブローアウトが防止される。

【００１６】本発明のインジェクタの主な利点は、良好
に混合された混合気を燃焼器へと導くことができるイン
ジェクタの能力によって、低公害燃焼が得られることで
ある。

【００１７】本発明の上述の特徴、利点、及び動作は、
以下の好適実施例及び添付図面を参照することでより明
らかとなる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１，図２Ａ，及び図２Ｂは、航
空機のガスタービンエンジン用の燃焼器モジュール１０
を示している。このモジュールは、軸方向に延びるモジ
ュール中心線１６を中心に配置された内側ケース１２と
外側ケース１４によって定められる環状の圧力容器を含
む。このモジュールはまた、圧力容器の周囲で等角に配
置された９つの燃焼室アセンブリを含む。複数の燃焼室
アセンブリの使用は、旧世代のガスタービンエンジンで
一般的であるが、新世代のエンジンでは、通常、環状の
燃焼室を用いる。各燃焼室アセンブリは、燃焼カン１８
と燃焼カン内に突出する燃料インジェクタ２０とを含
む。完成した状態の燃焼器モジュール１０では、カン１
８及び関連する燃料インジェクタ２０は、外側ケース１
４に固定される。環状の遷移ダクト２２が、燃焼カン１
８から延びて、図示が省略されているタービンモジュー
ルへと熱い燃焼ガスを運ぶ。

【００１９】各燃焼カン１８は、軸方向に延びるライナ
中心線２８を中心として配置されたカンライナ２４を有
する。このライナ２４は、軸方向に隣接し、かつ重なり
合った１１個のルーバＬ₁〜Ｌ₁₁を含み、これらのルー
バは、図４，図５，及び図６で示されているように、そ
れぞれ円状の断面を有している。冷却孔３０（図２Ｂ参
照）は、カンの内側面に沿ってフィルム状の冷却空気を
導くようにルーバを貫通している。９つのカン１８のう
ちの２つのカンは、点火プラグ（図示省略）を収容する
点火ボス３２を含み、９つのカンの全てが、エンジンの
始動時にカンからカンへと周方向に炎を伝達するための
クロスファイア開口部３４を含む。

【００２０】各カン１８は、ライナ２４と、ケース１
２，１４によって定められる環状の圧力容器内にカン１
８が設置されているときにカン及びモジュールの中心線
２８，１６を含む仮想平面と、の最も内側の交差部分と
して定義される径方向内側端部３６を有する。カン１８
の径方向外側端部３８は、ライナ２４と上記仮想平面と
の最も外側の交差部分として同様に定義される。各カン
１８は、更に、燃料噴射ポート４０が貫通する前方端部
を有する。ポート４０は、燃料噴射ガイド４２によって
径方向に境界づけられており、この燃料噴射ガイドの後
縁４６が吐出口を定めている。また、各カンは、１１番
目のルーバの後縁４８に相当するライナ２４の後縁で終
端となった後方端部を有する。ライナ２４は、インジェ
クタガイド４２の後縁４６から１１番目のルーバの後縁
４８まで約１６．９インチ（約４２．９ｃｍ）の有効な
軸方向長さＬを有する。ライナ２４は、混合気が点火及
び燃焼される燃焼領域５０を囲んでいる。

【００２１】更に、図４，図５，及び図６を参照する
と、燃焼領域５０内に希釈空気の噴流を流入させるよう
に、希釈空気孔の第１、第２、及び第３の列５２，５
４，５６が、有効な軸方向長さＬの選択した部分（ｆｒ
ａｃｔｉｏｎ）を貫通して設けられている。希釈孔の数
及び寸法は、孔にわたる圧力降下の程度及び各燃焼器内
に導かれる希釈空気の量が、既存の旧世代のカンにおけ
る圧力降下の程度と空気消費量に近似するように選択さ
れる。希釈孔は、排気物質を制御するとともに、各カン
１８の後方端部から生じる排気ガスの空間的な温度プロ
ファイルを制御するように適切に配列される。この明細
書では、希釈孔の位置とは、その中心Ｃの位置であり、
希釈孔の軸方向位置は、有効な軸方向長さＬの比率即ち
パーセンテージとして表す。希釈孔によって、燃焼領域
５０は、噴射ガイド４２の後縁４６から第１の孔５２ま
で延在するリッチ燃焼領域ＲＢと、孔の第１及び第２の
孔の列５２，５４と軸方向で一致するクエンチ領域Ｑ
と、第２の孔５４からカン１８の後縁４８まで延在する
リーン燃焼領域ＬＢと、に分かれる。

【００２２】希釈孔の第１の列５２は、ライナ２４の有
効軸方向長さＬのほぼ中間の軸方向共通位置においてラ
イナ２４を貫通する。図示した燃焼器では、孔は、第６
のルーバＬ₆に相当する、約０．４５８即ち４５．８％
の長さ部分（ｌｅｎｇｔｈｆｒａｃｔｉｏｎ）において
ライナを貫通する。孔の数及び寸法は、希釈空気噴流
が、ライナ中心線２８まで実質的に達するように選択さ
れる。図示した燃焼カン１８では、ルーバＬ₆は、直径
約７．０インチ（約１７．８ｃｍ）であり、孔の第１の
列５２は、約０．６４０インチ（１．６３ｃｍ）である
共通の第１の直径を有する円状の孔を１２個含む。これ
らの１２個の孔は、ライナ２４の周方向に沿って等角に
配列されており、１つの孔は、カン１８の外側端部３８
に配置される。燃焼領域５０に流入する希釈空気の４３
％が、第１の列の孔５２を通って入る。

【００２３】希釈孔の第２の列５４は、第１の列５２か
ら所定距離Ｄ_1-2だけ後方の共通軸方向位置においてラ
イナ２４を貫通する。図示した燃焼器では、第２の列の
孔５４は、約５４％の長さ部分、即ち孔の第１の列５２
から有効軸方向長さＬの約８．２％後方でライナ２４を
貫通している。第２の列の孔５４は、その軸方向位置か
ら第７のルーバＬ₇に形成され、即ち、孔の第１の列５
２が貫通するルーバに隣接するルーバに設けられる。第
２列の孔５４の数及び寸法は、第１の列の孔５２の数及
び寸法とは異なり、希釈空気の噴流がライナ２４の中心
線２８まで実質的に達するように選択される必要がな
い。図示した燃焼カン１８では、ルーバＬ ₇の直径は、
約７．０インチ（約１７．８ｃｍ）であり、約０．４２
５インチ（約１．１ｃｍ）である共通の第２の直径を有
する円状の孔を１２個含む。これらの１２個の孔は、そ
れぞれ第１の列の孔５２と周方向で一致するようにライ
ナ２４の周方向に沿って等角に配列されており、１つの
孔は、カン１８の外側端部３８に配置される。燃焼領域
５０に流入する希釈空気の２２％が、第２の列の孔５４
を通って入る。

【００２４】希釈孔の第３の列５６は、第１の列５２か
ら既定距離Ｄ_1-3だけ後方の共通軸方向位置においてラ
イナ２４を貫通する。既定距離Ｄ_1-3は、所定距離Ｄ_1-2
よりも長くなっており、孔の第３の列５６は、孔の第１
及び第２の列５２，５４から軸方向で離れて設けられて
いる。図示した燃焼器では、第３の列の孔５６は、約８
４．３％の長さ部分でライナを貫通している。第３の列
の孔５６は、その軸方向位置により第１０のルーバ
Ｌ₁₀、即ち孔の第２の列５４が貫通するルーバに軸方向
で隣接しないルーバに位置する。

【００２５】第３の列の孔５６の寸法及び周方向での配
列は、カン１８の後方端部から生じる燃焼ガスの流れが
規定されたプロファイルに近似するように選択される。
規定されるプロファイルは、旧世代の高エミッション燃
焼カンのプロファイルに近似するようにしてもよい。こ
のようにした場合には、設計上耐えることができない温
度プロファイルにタービンモジュールの最も前方のコン
ポーネントをさらすことなく、本発明の燃焼器を旧世代
の燃焼器カンと交換することができる。図３で概略的に
示しているように、このようなプロファイルは、径方向
で不均一であり、ライナ２４の中心線２８の近くでは比
較的高温であり、ライナ２４自体の近くでは比較的低温
である。図示した燃焼カン１８では、ルーバＬ₁₀の直径
は、約６．１インチ（約１５．５ｃｍ）であり、孔の第
３の列５６は、共通でない第３の直径を有する円状の孔
を１０個含む。第３の列の孔５６は、ライナの周方向に
沿って不等角に配列される。図示した燃焼カン１８で
は、１つの孔がカン１８の外側端部３８に設けられてお
り、他の９つの孔は、この孔から特定のオフセット角で
不等角に配列されている。孔の直径及びオフセット角
は、（ライナ２４の後方端部からライナの前方端部方向
に向かって時計回りで）以下のように規定される。

【００２６】

【表１】 孔 オフセット角 直径（インチ） 第１ ０° ０．４００ 第２ １０° ０．１５０ 第３ ４８° ０．８６５ 第４ １０８° ０．７９０ 第５ １４４° ０．２５０ 第６ １８０° ０．６８０ 第７ ２１６° ０．２５０ 第８ ２５２° ０．８３０ 第９ ３１２° ０．９６５ 第１０ ３５０° ０．２３０ 燃焼領域５０に流入する希釈空気の約３５％が第３の列
の孔５６を通って入る。

【００２７】次に図７を参照すると、燃料インジェクタ
２０は、インジェクタを燃焼器モジュール１０の外側ケ
ース１４に固定するためのインジェクタ支持具６０を含
む。一次及び二次燃料供給管路６２，６４がインジェク
タ２０に燃料を供給するために支持具６０を通って延在
する。燃料インジェクタ中心線６８を中心として配置さ
れた圧力噴霧コアノズル６６が、支持具６０のボアを通
って軸方向に延びる。コアノズル６６は、バレル７０を
有し、バレル７０は、一次燃料供給管路６２を介して一
次燃料の供給源と連通する一次燃料流路７２を含む。コ
アノズル６６は、更に、バレル７０の後方端部に固定さ
れたスワラ要素７６を有する。このスワラ要素７６は、
らせん状の流路７８と一次燃料吐出オリフィス８０とを
含む。熱遮蔽キャップ８２が一次燃料流路７２への熱伝
達を防止するためにコアノズル６６の前方端部を覆って
いる。運転時には、一次燃料の高圧の流れＦ_Pが一次燃
料流路７２を通ってスワラ７６へと流れ、スワラにおい
て一次燃料の流れＦ_Pに渦巻き運動が与えられる。続い
て、一次燃料の渦流は、吐出オリフィス８０から吐出さ
れて、燃焼器モジュール１０の燃焼領域５０に流入す
る。

【００２８】インジェクタ２０は、また、コアノズル６
６を囲む第１及び第２の隔壁を含む。第１の隔壁は、後
方端部がテーパ状の面８６となっている内側スリーブ８
４である。内側スリーブ８４は、コアノズル６６の直径
が減少した部分と協同して一次燃料の流れＦ_Pへの望ま
しくない熱伝達を防止するエアスペース８８を画定す
る。第２の隔壁は、テーパ状の面９４となった後方端部
と径方向外向きに突出したバルクヘッド９６とを含む中
間スリーブ９２である。この中間スリーブ９２は、第１
の隔壁即ち内側スリーブ８４と協同して、インジェクタ
２０を通って軸方向に内側空気流Ａ_iを導く、実質的に
軸方向に向いた環状の内側空気流路９８の径方向外側及
び径方向内側の端部を画定する。図示のように二分割の
インサート１０２ａ，１０２ｂとすることができる熱遮
蔽インサート１０２は、内側空気流Ａ_iから以下に説明
する二次燃料流路への熱伝達を防止するように、中間ス
リーブ９２の内周を覆っている。この熱遮蔽インサート
１０２は、インジェクタの前方端部に向かって軸方向に
延在し、燃料インジェクタ２０の円筒形部分１０４と協
同して内側空気流路９８の入口１０６を定める。熱遮蔽
インサート１０２の前方端部は、入口１０６がフレア状
となっており、できる限り多くの空気を捕らえることが
できるように中心線６８から離れてそれる。内側空気流
路９８は、内側空気スワラを含み、この内側空気スワラ
は、流路を横切って延びるとともに、内側空気流Ａ_iに
渦巻き運動を与える複数の内側スワルベーン１０８を備
える。与えられる渦の方向は、一次燃料の渦流と同じ方
向である。

【００２９】インジェクタ２０は、更に、第３の隔壁を
含む。この第３の隔壁は、面取りしたスプラッシュ面を
備えた外側スリーブ１１０である。外側スリーブ１１０
の後方端部は、内側及び外側がテーパ状となった面１１
４，１１６を含む。外側スリーブ１１０は、第２の隔壁
即ち中間スリーブ９２と協同して、インジェクタを通っ
て二次燃料の流れＦ_Sを軸方向に導く二次燃料流路を画
定する。この二次燃料流路は、スロット１１８を含み、
このスロット１１８は、二次燃料管路６４を介して二次
燃料の供給源と連通している。二次燃料流路は、更に、
環状の分配室１２０と、中間スリーブ９２のバルクヘッ
ド９６を貫通するとともに、一部が周方向に向けられた
二次燃料オリフィス１２２を含むスワラと、を有する。
二次燃料流路は、更に、出口１２６を有する環状の噴射
室１２４を含む。中間スリーブ９２及び外側スリーブ１
１０の後方端部におけるテーパ状の面９４，１１４によ
って、出口１２６は、流路から流出する燃料がインジェ
クタ２０の中心線６８へと方向づけられる向きとなって
いる。運転時には、二次燃料の流れＦ_Sは、二次流路
と、二次燃料の流れに渦巻き運動を与える二次燃料オリ
フィス１２２と、を通って流れる。与えられる渦は、一
次燃料の渦流と同じ方向のものである。それぞれのオリ
フィス１２２から吐出される噴流は、次に、スプラッシ
ュ面１１２に衝突し、スプラッシュ面１１２は、それぞ
れの噴流が周方向に一致した燃料の流れとして再度合流
するのを助ける。周方向に一致した二次燃料の渦流は、
続いて、流路出口１２６から流出する。

【００３０】インジェクタ２０は、更に、外側ハウジン
グ１３４を含む。この外側ハウジング１３４は、外側壁
部１３６を含み、この外側壁部１３６は、第３の隔壁即
ち外側スリーブ１１０を囲むとともに、実質的に軸方向
に方向づけられた環状の外側空気流路１３８の最も外側
の境界を形成する。外側空気流路１３８は、外側空気流
Ａ_Oを、インジェクタを通って軸方向に導く。壁部１３
６の後方端部は、内側がテーパ状となった面１４０を含
み、この面１４０は、外側スリーブ１１０のテーパ状外
側面１１６と協同して外側空気流路１３８の出口１４２
を画定する。協同するテーパ状の面１１６，１４０によ
って、出口１４２は、外側空気流Ａ_Oをインジェクタ中
心線６８へと導く方向となっている。外側空気流路１３
８の入口１４４がフレア状となってできる限り多くの空
気を捕らえることができるように、外側壁部１３６の前
方端部は、中心線から離れてそれる。外側ハウジング１
３４は、更に、第３の隔壁即ち外側スリーブ１１０と協
同してエアスペース１５０を画定する内部カラー１４８
を含む。このエアスペース１５０は、外側空気から二次
燃料の流れＦ_Sへの熱伝達を防止する。外側空気流路１
３８を横切って延びる複数の外側スワルベーン１５２な
どの外側空気スワラが、外側空気に渦巻き運動を与え
る。渦の方向は、内側スワルベーン１０８によって内側
空気流Ａ_iへ与えられる渦の方向と同じである。

【００３１】インジェクタ２０は、更に、空気分配バッ
フル１５４を含み、この空気分配バッフル１５４は、ス
テム部１５６と、外側端部１６０及びテーパ状の後方面
１６４を備えるキャップ１５８と、を有する。キャップ
１５８は、ステム部１５６から内側空気流路９８を横切
って径方向に延び、キャップ１５８の端部１６０は、中
間スリーブ９２及び中間スリーブ９２を覆う熱遮蔽イン
サート１０２から径方向に離間される。これにより、キ
ャップ１５８の端部１６０と熱遮蔽部１０２とによっ
て、内側空気流路９８の最も外側の周辺部の近くに空気
噴射環帯１６６が画定される。キャップ１５８は、更
に、キャップを実質的に軸方向に貫通する複数の空気噴
射オリフィス１６８を有している。運転時には、内側空
気流Ａ_iは、バッフル１５４によって、空気噴射環帯１
６６を通って流れる環状のサブストリームＡ_Aと、射出
オリフィス１６８から噴射される複数の空気噴流Ａ_Jへ
と、分かれる。環状のサブストリームＡ_Aは、内側空気
Ａ_iの質量流量の約８５％〜９０％を含む。

【００３２】上述した１つもしくはそれ以上の燃焼カン
１８及び燃料インジェクタ２０は、旧世代のガスタービ
ンエンジンの排気物質を削減するための改装キットの主
要なコンポーネントとすることができる。

【００３３】運転時には、インジェクタ２０は、供給空
気流を、内側及び外側の空気流路９８，１３８を通って
実質的に軸方向に流れる、内側及び外側の平行な流れＡ
_i，Ａ_Oへと分流する。次に、スワラ１０８，１５２は、
これらの空気流に同方向の渦巻き運動を与える。インジ
ェクタは、一次燃料を、一次燃料管路６２から受け入れ
るとともに、一次燃料流路７２を通って流れる一次燃料
の流れＦ_Pを生じさせる。この一次燃料の流れＦ_Pは、内
側空気流Ａ_iの径方向内側で、かつこの流れと実質的に
平行である。続いて、スワラ要素７６が、空気流の渦と
同方向の渦を一次燃料に与える。また、インジェクタ２
０は、二次燃料管路６４を通して二次燃料を受け入れる
とともに、二次燃料流路を通って流れる二次燃料の流れ
Ｆ_Sを生じさせる。この二次燃料の流れＦ_Sは、内側及び
外側の空気流Ａ_i，Ａ_Oの径方向中間に位置し、これらの
流れと実質的に平行である。続いて、周方向に方向づけ
られた二次燃料オリフィス１２２が、空気流の渦と同方
向の渦を二次燃料に与える。

【００３４】バッフル１５４は、内側空気流Ａ_iを、一
次燃料の流れＦ_Pから径方向に離間された環状のサブス
トリームＡ_Aと、環状のサブストリームＡ_Aと一次燃料の
流れＦ _Pとの径方向中間に位置する空気噴射オリフィス
１６８から噴射される複数の空気噴流Ａ_Jへと分ける。
インジェクタ２０は、燃料の流れＦ_P，Ｆ_S、外側空気流
Ａ_O、環状のサブストリームＡ_A、及び複数の空気噴流Ａ
_Jを、同時に燃焼カン３６のリッチ燃焼領域へと導く。
バッフル１５４は、内側空気流路９８にわたって径方向
に延在しているので、内側空気流Ａ_iに背圧が加わり、
空気噴流Ａ_Jが、オリフィス１６８より高速で噴射さ
れ、一次燃料吐出オリフィス８０から吐出される一次燃
料の流れＦ_Pへと有効に達する。これにより、一次燃料
とオリフィスから噴射される空気とが完全に混ざり、燃
焼カン１８のリッチ燃焼領域におけるＮＯｘ、ＵＨＣ、
及び煙の発生を抑制するのを助ける。空気噴流の到達
は、また、一次ノズル先端部の近くにおける一次燃料ミ
ストの局部的な再循環を防止するのに貢献し、よって、
先端部にコークスが形成されるのを防止する。更に、空
気噴射の到達によって、空気及び二次燃料がより大きな
範囲で再循環するのが防止される。このような再循環の
流れは、テーパ面１６４の近くで発達し、この面にコー
クスが形成されやすくなる。最後に、バッフル１５４に
よって、ほとんどの内側空気が一次燃料の流れＦ_Pから
径方向に離間された環状のサブストリームＡ_Aへと向け
られるために、インジェクタ２０は、急なエンジン出力
の低下時における炎のブローアウトを防ぐように、イン
ジェクタ２０の中心線６８の近くに濃厚なコア混合気を
導くことができる。

【００３５】内側及び外側の空気流Ａ_i，Ａ_Oの同方向で
渦巻く特性も、また、燃料と空気との良好な混合を促進
するので、排気物質の削減に貢献する。経験則により、
内側及び外側の空気流が反対方向で渦巻くと、互いに打
ち消し合ってしまうことがわかっている。これにより、
二次燃料の流れＦ_Sは、結束した環状の噴流として燃焼
カンに流入してしまい、容易に拡散しなくなる。一方、
本発明のインジェクタ２０の同方向に渦巻く空気流
Ａ_i，Ａ_Oは、二次燃料と容易に混合し、インジェクタの
中心線から離れるように円筒状のパターンで拡散する、
良好に混合された混合物となる。

【００３６】図１，図２Ａ，及び図９を参照すると、燃
料インジェクタによって燃焼カンへ噴射された、良好に
混合された理論上濃厚な混合気は、燃料のエネルギ成分
を一部放出するように、リッチ燃焼領域において点火及
び燃焼される。混合気は、良好に混合されているので、
ＮＯｘ及び煙の発生が制限される。つまり、混合物の燃
空比が全体として、ＮＯｘの形成を防止するように充分
に高く（即ち炎の温度が充分に低く）、かつ煙の形成を
防止するように充分に低くなっている（図９参照）。

【００３７】リッチ燃焼領域の燃料が濃厚な燃焼生成物
は、次に、クエンチ領域へと流入し、ここで引き続き燃
焼が行われる。希釈孔５２，５４によって、燃焼室内へ
希釈空気の噴流が横方向に流入する。この希釈空気は、
リッチ燃焼領域からの燃焼生成物と混ざり、炎の温度を
上昇させるとともに燃料のエネルギ成分を更に放出させ
て燃焼を引き続き支持する。孔の第１及び第２の列５
２，５４は、噴射ガイド４２から軸方向後方で、ガイド
４２から充分に離間して設けられている。このように充
分な距離で離間されていないと、燃料インジェクタ２０
から吐出される混合気の渦が希釈空気の噴流と空気力学
的に相互に作用し、希釈空気の一部がリッチ燃焼領域内
に導かれるおそれがある。このような相互作用により、
リッチ燃焼領域における混合物が薄くなってしまい、Ｎ
Ｏｘの排気量が増加するとともに、高出力から低出力へ
のエンジンの急な過渡時における炎のブローアウトのお
それが大きくなる。一方、軸方向での離間距離が大きす
ぎると、冷却空気孔３０（図２Ｂ参照）を通って導かれ
る冷却空気の量が過剰となり、混合気に達して、リッチ
燃焼領域におけるＮＯｘの発生を増加させるおそれがあ
る。経験則から、孔の第１の列５２は、燃焼器長さの約
４０％〜５０％に配列することができるということが示
唆される。

【００３８】第１の列の孔５２の数及び寸法は、対応す
る希釈空気噴流が、実質的にライナ２４の中心線２８ま
で達するように選択される。孔の数が多すぎる場合に
は、希釈噴流は、ライナ中心線まで達せずに、リッチ燃
焼領域からの燃料が濃厚な燃焼生成物が、希釈空気と混
合しないまま中心線の近くを通ってクエンチ領域を通過
してしまうおそれがある。この場合には、燃料の残りの
エネルギ成分が利用されないだけでなく、燃料が濃厚な
混合気が煙の排出に寄与してしまう。燃料インジェクタ
２０は、上述したように、ライナ２４の中心線２８の近
くに幾分濃厚なコア混合気を導くように構成されている
ので、特に上述のようになりやすい。逆に、孔の数が少
なすぎる場合には、噴流間の周方向の間隔Ｓ（図４参
照）が大きくなりすぎて、中心線から径方向に離れた位
置において、良好な混合物を確実に得ることができなく
なるおそれがある。周方向の間隔が大きすぎる場合に
は、燃料が濃厚な燃焼生成物と希釈噴流とが接触する機
会が減少してしまうおそれもある。このために、クエン
チ行程の終了に要する時間が長くなり、炎の温度が上昇
し、ＮＯｘの発生が促進されてしまう。また、ＮＯｘの
形成は、時間にも依存するので、クエンチ行程の遅延に
より、ＮＯｘの排出が悪化する。

【００３９】希釈孔の第２の列５４は、更なる希釈空気
の噴流をクエンチ領域内に導く。孔の第２の列５４は、
クエンチ行程をできる限り早く完了することでＮＯｘの
排出を制限するように、孔の第１の列５２と軸方向に近
接しているとともに、概念的にこの第１の列５２のでき
る限り近くに設けられている。孔の第２の列５４が孔の
第１の列５２と軸方向で近接するように、所定距離Ｄ
_1-2の上限は、ライナの軸方向有効長さＬの約１５％以
下、もしくは第１の列の孔５２の直径の約４倍とするこ
とが提案される。希釈空気の第２の噴流が、第１の噴流
のすぐ後方の比較的動きの少ない領域に運ばれる燃料の
濃厚な燃焼生成物と確実に混合するように、第２の列の
孔５４は、第１の列の孔５２と周方向で一致するように
設けられる。このような燃焼生成物の運搬は、主燃焼ガ
ス流が、流入する希釈噴流と相互作用するときにこのガ
ス流に形成される渦（図１０参照）によって起こると考
えられている。

【００４０】第２の列の孔５４の寸法は、第１の列の孔
５２の寸法よりも小さい。これにより、第２の列の孔５
４を通って導かれる希釈空気は、ライナの中心線までの
径方向距離の途中までしか達しない。第１の列の孔５２
によって中心線の近くまで導かれる希釈空気の量が煙の
発生を抑えるのに充分なものであるので、第２の希釈噴
流が完全に中心線まで達する必要はない。また、第２の
希釈噴流の到達深度が浅いことにより、ライナを冷却す
るためのライナ冷却空気が補われる。

【００４１】クエンチ領域からの理論上希薄な燃焼生成
物は、続いて、リーン燃焼領域に流入し、ここで燃焼行
程が完了する。希釈孔の第３の列５６は、リーン燃焼領
域へ希釈空気を更に導き、燃焼カンから排出される燃焼
生成物の空間的な温度プロファイルを調節する。追加の
希釈空気が、燃焼生成物と混合してその空間的な温度プ
ロファイルを調節するために充分な時間及び距離が提供
されるように、孔の第３の列５６は、ライナの後縁の前
方に離間して設けられている。しかし、孔の第３の列５
６が後縁４８から前方に離れすぎていると、過度な混合
が起こり、温度プロファイルが損なわれるおそれがあ
る。孔の第１の列５２から第３の列５６までの既定距離
Ｄ_1-3は、少なくともライナの軸方向有効長さの約２９
％もしくは第１の列の孔５２の直径の約７．５倍とする
ことが提案される。

【００４２】希釈孔の３つの列によって導かれる希釈空
気の量、及び希釈空気による圧力降下は、本発明のカン
１８が交換可能に設計される旧世代の燃焼器の空気消費
及び空気圧力降下とほぼ等しい。従って、本発明のカン
は、エンジンの性能及び操作性に影響を与えることがな
く、かつタービンの冷却に使用可能な空気量を減少させ
ることがない。

【００４３】詳細な実施例を参照して本発明を開示及び
説明したが、請求項に記載された発明から逸脱すること
なく、その形態及び詳細に種々の変更を加えることがで
きることは、当業者には明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例の環状の圧力容器、ルーバ
を含む燃焼カン、及び燃料インジェクタを示した燃焼器
モジュールの横断面図である。

【図２】図２Ａは、図１の燃焼カンの拡大図であり、図
２Ｂは、図１で示した燃焼カンのルーバのより詳細な説
明図である。

【図３】図１の燃焼カンから排出される燃焼生成物の規
定された空間的温度プロファイルを示す概略図である。

【図４】燃焼カンを貫通する第１の列の希釈空気孔の周
方向での配列及び寸法を示す図２の４−４線に沿った断
面図である。

【図５】燃焼カンを貫通する第２の列の希釈空気孔の周
方向での配列及び寸法を示す図２の５−５線に沿った断
面図である。

【図６】燃焼カンを貫通する第３の列の希釈空気孔の周
方向での配列及び寸法を示す図２の６−６線に沿った断
面図である。

【図７】図１の燃料インジェクタの内部形状を示した横
断面図である。

【図８】図１の燃料インジェクタを通る燃料と空気の流
れを示した横断面図である。

【図９】燃焼器の運転を炎の温度と燃空比として示した
グラフである。

【図１０】本発明に係る実施例の希釈孔を通って燃焼カ
ンに流入する希釈空気の噴流を示した説明図である。

【符号の説明】

２０…燃料インジェクタ ６６…圧力噴霧コアノズル ６８…インジェクタ中心線 ９８…内側空気流路 １３８…外側空気流路 １０８，１５２…スワラ １５４…空気分配バッフル

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービンエンジン燃焼器モジュール用の
   燃料インジェクタであって、 インジェクタ中心線を中心に配置された圧力噴霧コアノ
   ズルを含み、このコアノズルは、モジュールの燃焼領域
   に一次燃料の流れを噴射するための吐出オリフィスを有
   しており、 前記コアノズルを囲む第１及び第２の隔壁を含み、これ
   らの隔壁は、前記燃焼領域に内側空気の流れを噴射する
   ための環状の内側空気流路の径方向内側及び径方向外側
   の端部を画定しており、 前記第２の隔壁を囲むとともに、この第２の隔壁と協同
   して二次燃料流路を画定する第３の隔壁を含み、該二次
   燃料流路は、二次燃料の流れを前記インジェクタ中心線
   に向かって前記燃焼領域へと導くように方向づけられた
   出口を備えており、 前記第３の隔壁を囲むとともに、環状の外側空気流路の
   最も径方向外側の境界を形成する外側壁部を含み、該外
   側空気流路は、外側空気流を前記インジェクタ中心線に
   向かって前記燃焼領域へと導くように方向づけられた出
   口を備えており、 複数の空気噴射オリフィスが貫通するキャップを備える
   空気分配バッフルを含み、該キャップは、前記内側空気
   流路にわたって径方向に延在するとともに、前記第２の
   隔壁から径方向に離間されて空気噴射環帯を画定する外
   側端部を備え、これにより、該キャップは、内側空気流
   を、前記空気噴射環帯を通って流れる環状のサブストリ
   ームと、前記空気噴射オリフィスから噴射される複数の
   空気噴流と、に分流することを特徴とする燃料インジェ
   クタ。
2. 【請求項２】 前記内側空気流路及び前記外側空気流路
   が、それぞれフレア状の入口を有し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。
3. 【請求項３】 前記環状のサブストリームが、前記内側
   空気流の約８５％〜９０％を含むことを特徴とする請求
   項１記載の燃料インジェクタ。
4. 【請求項４】 前記内側空気流路及び前記外側空気流路
   が、それぞれ前記内側空気流及び前記外側空気流に共通
   の方向の渦巻き運動を与える空気スワラを含むことを特
   徴とする請求項１記載の燃料インジェクタ。
5. 【請求項５】 前記コアノズルと前記二次燃料流路と
   が、それぞれ前記一次燃料の流れ及び前記二次燃料の流
   れに渦巻き運動を与えるスワラを含み、これによって生
   じる渦状の前記一次燃料の流れは、前記内側空気流及び
   前記外側空気流の渦と同じ方向となり、これによって生
   じる渦状の前記二次燃料の流れも、前記内側空気流及び
   前記外側空気流の渦と同じ方向となることを特徴とする
   請求項４記載の燃料インジェクタ。
6. 【請求項６】 燃焼器モジュールへの燃料と空気の噴射
   方法であって、 供給空気流を、平行でかつ実質的に軸方向に流れる環状
   の径方向内側空気流と外側空気流とに分流し、 前記内側空気流の径方向内側に位置し、かつこれと平行
   に流れる一次燃料の流れを生じさせ、 前記内側空気流と前記外側空気流との中間に位置し、か
   つこれらと平行に流れる環状の二次燃料の流れを生じさ
   せ、 前記内側空気流を、前記一次燃料の流れから径方向に離
   れた環状のサブストリームと、前記環状のサブストリー
   ムと前記一次燃料の流れとの径方向中間に位置する複数
   の空気噴流と、に分流し、 前記燃料の流れ、前記外側空気流、前記環状のサブスト
   リーム、及び前記空気噴流を、燃焼領域へと同時に噴射
   することを特徴とする燃料と空気の噴射方法。
7. 【請求項７】 前記環状のサブストリームが、前記内側
   空気流の約８５％〜９０％を含むことを特徴とする請求
   項６記載の燃料と空気の噴射方法。
8. 【請求項８】 前記内側空気流と前記外側空気流とに同
   方向の渦巻き運動を与え、 前記内側空気流と前記外側空気流の渦巻き運動と同方向
   の渦を前記一次燃料の流れに与え、 前記内側空気流と前記外側空気流の渦巻き運動と同方向
   の渦を前記二次燃料の流れに与えることを特徴とする請
   求項６記載の燃料と空気の噴射方法。