JP2005351614A - 燃料噴霧器および燃焼器ドーム用円錐形スワーラならびにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多重積層体として同時に多部品を組み立て、製造コストの削減を図る、より高精度で、より効率的な技術の使用を可能にする、新規なスワーラ配置を提供する。
【解決手段】燃料噴射器および燃焼器ドーム用ガスおよび／または燃料スワーラを製造する方法およびその方法で製造される円錐形スワーラが開示される。円錐形スワーラ１０は円錐形本体に削成されるスロット１８を特徴とする。このスロット１８の輪郭と間隔とは流体流動域と旋回強さとに対する広範な要求に適応するため構成され、配置される。好ましくは、円錐スワーラ１０は積層体にスワーラ素材を重ねてユニットとしての積層体をワイヤ放電加工法によって同時に製作される。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は燃料と圧縮空気とを混合する燃料噴射装置、特に燃料噴霧のために分配された燃料に旋回動作を与える円錐形スワーラを備えるガスタービン用燃料噴射装置および燃焼器ならびにその装置を製造する方法に関する。

大部分の燃料噴射装置、たとえば大部分のガスタービン・エンジン用燃料噴射器は、エンジン点火中、流動する空気またはガス流の運動エネルギを用いて燃料シートを微細な液滴に砕いて燃焼室に導くことから、燃料噴霧を良好に保ち、燃焼を連続することができる。燃料噴霧は霧化燃料がより早く、より完全に、よりクリーンに燃焼するのが望ましい。幾つかの燃料噴射器は外部の燃料源から供給される、後に燃料と混合される高圧、高速空気を供給するためエア・アシスト噴霧器を利用する。エア・アシスト燃料ノズルの一例はその教示が参照によってここに取り入れられる、米国特許第6,688,534号明細書に開示される。

典型的には、燃料と高圧、高速で外部から供給される空気とがエア・アシスト噴霧器を用いて内部で、すなわち空燃混合気が出口オリフィスを通って燃焼室へ排出される前に、ノズル内部で混合される。実際には、空気量比率を最小に維持することが望ましく、それゆえ、エア・アシスト噴霧器は比較的少量の高速、高圧空気を給気することによって特徴づけられる。しかしながら、エア・アシスト噴霧器の一般的難点の一つはノズルでの内部混合からもたらされるノズル内に生じる、望ましくない背圧の存在である。

これに代わるエア・アシスト噴霧器は、たとえば前膜形エアブラスト噴霧器とクロスフロ−形エアブラスト噴霧器を含む、エアブラスト噴霧器である。クロスフロー形エアブラスト噴霧器の一例はその開示が参照によってここに取り入れられる、米国特許第6,539,724号明細書に開示される。

燃料噴射器がエア・アシスト形またはエアブラスト形のいずれかを用いたとしても、エア・スワーラはガスタービン燃焼器の広範な運転条件にわたり燃料の燃焼を維持し、安定に保つため主燃焼域に旋回流を発生するように燃料噴射器および燃焼器ドームの内部に使用される重要な部品である。従来の燃焼器の燃焼室において旋回流は主として燃焼器ドーム、燃料噴射器および燃焼器のライナ壁の希釈空気孔を通って流入する気流を使用することでなし遂げられる。この旋回流は燃料の気化と混合とを助けるため流入する低温の空撚混合気に向けて燃焼室で発生する高温燃焼ガスの一部を抽出して戻す、中央再循環域を生成する。エンジン速度が上昇したとき、高温の再循環ガスは広範にわたる化学量論比で失火することなく、燃焼噴霧を維持する能力がある。

しかしながら、一般に、汚染物質と排ガスとを減少させる必要があるため最新の燃焼器設計は主燃焼域の火炎温度を下げるように燃料噴射器およびドーム・スワーラを通過する多量の燃焼器気流を配分する。この設計上の取り組みはガスタービン・エンジン性能を決定するときにエア・スワーラが影響する程度をさらに高めている。

高性能を達成し、汚染物質の排出を減少するためエア・スワーラは空燃混合状態と流量の安定化を高めるだけでなく、燃料の霧化と燃料液滴の分散とに対しても力を貸す。エア・スワーラの幾何学的形状は軸流および半径流転向ベーンから傾斜孔および翼形断面転向ベーンまで用途が変われば、大きく変化する。各々スワーラ設計は多様な燃焼器設計および用途に応じた要求を満たすため特定の特徴と利点とを有する。

従来の大部分の燃料噴射器およびドーム・スワーラは旋回流を発生するため軸流スワーラ転向ベーン（図１Ａおよび図１Ｂ）と半径流スワーラ転向ベーン（図２Ａおよび図２Ｂ）のどちらかを利用する。図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、典型的には、フライス盤でスワーラ１の中心軸３に沿って直線状またはら線状輪郭形状に加工される、複数の転向ベーン２を備える軸流スワーラが示される。この転向ベーンは半径方向に向けて位置決めされ、スワーラ本体４の中心軸３周りに周方向に等間隔を保っている。転向ベーン２と内側／外側固定壁との間の領域は矢印で示される、気流の通路を形成する。半径流スワーラの主な特徴は通路内の気流がら旋方法でスワーラ本体４の中心軸３周りに旋回するように方向づけされることである。気流は通路と固定壁との間から流出すると、スワーラ本体４の中心軸３に対して鋭角で半径方向外側に膨張する。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、半径流スワーラ５が示される。半径流スワーラ５のベーン配置は図１Ａおよび図１Ｂに示される軸流スワーラ１のベーン配置と異なる。特に、半径流スワーラ５の転向ベーンのそれぞれのベースまたはベース部はスワーラ本体８の中心軸７に対して垂直である、鉛直面に配置される。この配置は（矢印で示されるように）気流が通路と固定壁内部をスワーラ本体８の半径方向内側中心軸７方向に流れるように方向づけされる。半径方向に向くベーン６を用いたとき、軸方向に気流を向けるため通常では偏向した流れまたは通路壁９を必要とする。

他の代替的解決策を示す。たとえば、シモンらに付与された米国特許第4,842,197号明細書は燃焼室内に旋回流を引き起こす再循環流を用いて霧化燃料流を与える燃料噴射装置およびその方法を開示する。シモンらの装置は３つの同心状空気流を有する。最も内側の空気流と最も外側の空気流とは相反する方向に周方向の旋回を与える。中央の空気流は旋回しないで、軸方向に偏向させる、半径方向内側への気流を生じる。最も内側の空気流と中央の空気流とは燃料を霧化する。最も外側の空気流は安定した再循環域を形成する。

付言すれば、コブリッシらに付与された米国特許第5,144,804号明細書は冷機点火を改良するエアブラスト燃料ノズルを開示する。コブリッシらの燃料ノズルはノズル本体周りに周方向に間隔を置いて並ぶ空気入口スロットを有する内部空気旋回システムを備える。さらに、この空気入口スロットは効果的な空気旋回システムを提供する、テーパ状内側および外側区域を備える。

従来技術のエア・スワーラ１、５のどれも満足の行く結果をもたらすが、軸流スワーラ１は燃料噴射器の場合、より広範に使用すべきであると思われる。軸流スワーラ１は単一のエアブラスト、純エアブラストおよび補助エアブラスト・ノズルのような普通の燃料噴射装置と容易に組み合わせることができる。これらはまた流体旋回運動を生じる、極めて小さい空気通路において使用するのに申し分なく適する。軸流スワーラ１における転向ベーン２の上流開口は通常流入気流と同じ方向に合わされ、それゆえ、転向ベーン２は気流をベーン通路に導くことで生じる半径流スワーラ５のような大きい圧力損失が発生することはない。

これに対して、半径流スワーラ５は複雑な配置と流体力学的転向ベーン６とを用いることなく、旋回流を発生する場合に極めて有効である。半径流スワーラ５は主として燃焼器ドームにおいて使用される。単純な直線状ベーン配置を用いるとき、半径流スワーラ５は流体力学的軌跡を持つ流れに由来する問題が生じる懸念が殆どなく、混合を通じて強い旋回を作り出す能力がある。

従来技術による軸流および半径流スワーラの主な不利な点とはスワーラを製造する手段と方法である。典型的には、軸流および半径流スワーラはＣＮＣフライス盤によって製造される。この加工工程は低速回転もしくは輪郭加工モードでの一定の軌道または輪郭に沿って１度に１工具パスで材料を削り取る。この工程は極端に時間を浪費する。さらに、スワーラに高温で、硬さのある材料が必要であるとき、フライス工程は一段と時間を浪費し、通常切削工具の頻繁な交換によって工具コストが著しく増加する。今日の世界的市場では、自由競争になるため製造者は燃料噴射器および燃焼器ドームの製造コストを引き下げる新たな加工技術とスワーラ設計とを開発しなければならない。

したがって、燃料噴射器および燃焼器ドームで使用するエア・スワーラを設計し、組み立てる新規な方法を提供することは望ましい。さらに、多重積層体として同時に多部品を組み立て、製造コストの削減を図る、より高精度で、より効率的な技術の使用を可能にする、新たなスワーラ配置を提供することは望ましい。最後に、燃料噴霧と燃焼性能とを改良するため円錐形スワーラの概念を取り入れる、燃料噴射器設計を提供することは望ましい。

本発明は燃料と空気とに旋回動作を与える、ガスタービン・エンジンで使用される燃料噴射器および燃焼器ドーム用の新規な円錐スワーラおよびその装置を製造する方法に関する。従来の軸流、半径流スワーラと異なり、開示される円錐形スワーラは円錐形本体に削成される複数のスロットを特徴とする。このスロットの輪郭と間隔とは流体流動域と旋回強さとに対する広範な要求に適応するため多くの異なる方法で構成され、配置される。本発明の円錐形スワーラは多様な形式の燃料噴射ノズルに申し分なく適合し、炭素の堆積領域を最小にするため正面表面積を減少させる。

本発明の目的は円錐形本体部と、方向づけされた燃料またはガス流を与える、転向通路を形成する多重輪郭転向スロットとを備える流体スワーラを提供することである。好ましくは、この流体スワーラは以下に説明される工程で製造される。

本発明の別の目的はスワーラ素材を準備し、スワーラ素材を同軸配置で配置し、スワーラ素材のそれぞれにスロット型を形成する工程を含む、エア・スワーラを製造する方法を提供することである。好ましくは、スワーラ素材は円錐形または円盤形である。より好ましくは、積層体に重ねて組み上げたスワーラ素材のそれぞれにスロット型が同時に形成されるように、スワーラ素材は積層体に重ねられる。

本発明の一様相はスワーラ素材にスロットを形成する好ましい方法がワイヤ放電加工（ＥＤＭ）法であり、これによってスワーラ素材から材料を除去してスロット型を形成する。この工程はこれまでの製造方法を上回る大きいコスト削減をもたらし、ガスタービン・エンジン用途の燃料霧化と燃焼とを申し分なく果たすスワーラを製造することができる。

本発明の別の目的は流体および／または空気流に旋回動作を生じまたは与えるいずれかの方法に使用できる、円錐形エアおよび／または燃料スワーラを備える、単一エアブラスト、２重オリフィス・エアブラストおよび／または純エアブラスト噴射器を提供することにある。

したがって、一実施例において、本発明は霧化のために燃料を分配する燃料投入部と、霧化のために燃料吐出噴霧を与える燃料吐出部と、燃料吐出部の近くで圧縮ガスの霧化流体流を与える円錐スワーラとを備える燃料噴射器を提供する。この実施例に従って円錐形スワーラは燃料を霧化する回転動作と直後の燃料流の膨張とを生じるため隣り合う転向ベーンの間に圧縮ガスの流体流を半径方向内側に向ける多重気流通路を形成する、多重転向ベーンを備えるように構成され、配置される。

好ましくは、円錐形スワーラは外側円錐形スワーラの入口開口面積の少なくとも２倍のネック部面積を備えた開口を有するエア・キャップと熱シールドとの間に介装される。より好ましくは、エア・キャップはネック域の半径方向内側上流の先細部と、ネック域の半径方向外側下流の末広部とを与えるように構成され、配置される。

別の実施例において、本発明は霧化のために実質的に同心状燃料噴霧を与える多重燃料吐出部と、霧化のために圧縮ガスの流体流を実質的に同心状燃料噴霧に向けるスワーラ部とを備える燃料噴射器を開示する。

さらに、別の実施例において、本発明は前膜部に燃料膜を与える、１個の燃料吐出部と、燃料膜を霧化する流体流を与えるスワーラ部とを備える燃料噴射器を開示する。好ましくは、燃料吐出部は燃料膜を霧化するため回転動作と直後の燃料流の膨張とを生じるため燃料膜の外側より実質的に流れ始める圧縮ガスの流体流を半径方向内側円錐形燃料膜方向に向ける円錐形スワーラを備える。

さらに、別の実施例において、本発明は環状通路と、円錐形燃料膜を与えるように構成され、配置された環状の前膜オリフィスとを有する１個の燃料吐出部と、１個の燃料吐出部の半径方向内側に構成され、配置された内側空気通路と連通する第１の円錐形スワーラと、１個の燃料吐出部の半径方向外側に構成され、配置され、第１の円錐形スワーラと同心である、外側空気通路と連通する、第２の円錐形スワーラとを有するスワーラ部とを備える燃料噴射器を開示する。第１の円錐形スワーラは環状燃料前膜オリフィスの実質的に内側に空気流を導入し、第２の円錐形スワーラは実質的に円錐形燃料膜を実質的に取り囲む空気流を導入する。

本発明の他の目的と利点とは添付の図面と説明とから当業者に明らかにされる。

図３Ａおよび図３Ｃを参照すると、本発明の第１の実施例に従う流体力学的転向スロット１８を備える、軸流形円錐スワーラ１０の実施例が開示される。以下の記述は円錐状または円錐形スワーラを説明するが、本発明はその原理が円盤形およびドーム形スワーラ素材（図示せず）についての加工も教示するので、円錐形スワーラに限定されない。製作された円錐スワーラ１０は特定のスロット型が形成される、スワーラ素材１１から始まる。このスロット型は複数の転向ベーン２２と、隣り合う一対のベーン２２を分離する、複数の転向スロット１８とからなる。図３Ａおよび図３Ｃは８個の転向ベーン２２と、同数の８個の転向スロット１８とを示しているが、本発明はスワーラ１０が８個のスロット１８および８個のベーン２２よりも少ないまたはそれよりも多いスロットおよびベーンを備えることができるので、これに限定されない。図３Ａおよび３Ｃはまたスロット１８およびベーン２２の寸法が一般に同じ大きさであることを示す。しかしながら、本発明はこの開示の範囲および発明の精神から離れないで、たとえば転向ベーン２２の幅が転向スロット１８の幅の２、３倍またはそれ以上に広くできるので、そのような同じ大きさに限定されない。

スワーラ１０の寸法は製造される燃料噴射器および燃焼器ドームの寸法と等しくなければならない。典型的には、製造されるスワーラ１０の長さおよび厚さは約５．０８ｍｍ（０．２００インチ）から約１０．１６ｍｍ（０．４００インチ）までの範囲であり、スワーラの外径は約１２．８５ｍｍ（０．５００インチ）から約３８．１ｍｍ（１．５００インチ）までの範囲であり、スワーラの内径は約２．５４ｍｍ（０．１００インチ）から約２０．３２ｍｍ（０．８００インチ）までの範囲である。

一般に、スワーラが燃料噴射器あるいは燃焼器に使用されるとき、スワーラ１０はエア・キャップと熱シールドとの間に配置される。スワーラ１０はエア・キャップと熱シールドとの間に気密に装着しなければならない。このとき、転向ベーン２２の内壁とエア・キャップおよび熱シールドの内面とは圧縮ガスが流動し、旋回するため方向づけされる気流通路の境界を形成するように取付けられる。

図３Ａおよび図３Ｃに示される軸流円錐スワーラ１０は鋭角、すなわち９０度よりも小さい内側スロット角φ_iと外側スロット角φ_oと与える転向ベーン２２と、転向スロット１８とを備える。この配置はより大きい旋回強さを与え、さらに円錐スワーラ１０の半径方向内側中心軸方向に圧縮ガスを向ける。半径方向内側に旋回する圧縮ガスがスワーラ１０の下流に達したとき、この高圧の混流ガスは燃料噴霧と十分に混ざるように半径方向外側に膨張する必要がある。せん断力が液状膜を微細な液滴へと砕き、外側への膨張が霧化した燃料液滴をより広い領域に分散する。結果として、霧化した燃料液滴が燃焼室（図示せず）に入ったとき、燃焼がより早く、より強く、クリーンになる。本発明の実施例は燃料分布を均一にし、ノズル前後の圧力損失をより小さくし、効率を向上する。

図５Ａないし図５Ｃを参照すると、本発明に従う直線状側面の流体力学的転向スロット１８を備える軸流円錐スワーラ１０の代替的実施例が示される。図５Ａないし図５Ｃに示される円錐スワーラ１０は転向スロット１８が曲線状ではなく、線形または実質的に直線状であることを除いて図３Ａおよび図３Ｃに示される円錐スワーラ１０と実質的に同一である。この配置は非直線状または曲線状転向スロット１８を用いる場合よりも旋回強さは多分小さくなる。この線形または直線状スロットのためにこのスワーラの実施例は曲線状スロットを備えるスワーラと比べて機械加工時間をより短縮し、設計および製造をより効率的にする。

図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、本発明に従う半径流形円錐スワーラ２４の実施例が示される。好ましくは、この具体化された半径流スワーラ２４の配置は旋回性能を落とすことなく、製造コストを大きく削減するため燃焼器ドームと共に使用することができる。この具体化された半径流形円錐スワーラ２４は上述した軸流形円錐スワーラ１０の基部ではなく、スワーラ２４の外周部に配置される複数の吸入口２５を備える。図７Ａおよび図７Ｂは８個の吸入口２５と、８個の転向ベーンとを示すが、本発明は８個よりも少ないまたはそれよりも多い吸入口２５と転向ベーンとを備えることができるので、そのようなものに限定されない。

例示的に示される吸入口２５はそれと一致する複数の転向通路２６を貫く非線形、すなわち曲線状の気流通路を与える。しかしながら、本発明は吸入口２５が本発明の範囲と精神とから離れることなく、線形であることができるので、曲線状の気流通路に限定されない。流入する気流が実質的に半径方向から円錐スワーラ２４の吸入口２５に流入すると、この気流は流体力学的転向通路２６を通り、吸入口方向に従って半径方向内側に向かって流れる。続いて、流動する気流は転向壁２７に衝突して軸方向または実質的に軸方向に転向または偏向して流れる。

軸流形、半径流形円錐スワーラの幾つかの実施例を説明したが、ここで、複数の円錐エア・スワーラを製造する好ましい方法について説明する。この議論を通じて素材は「円錐形」として呼ばれるが、本発明はエア・スワーラ素材が円盤形またはドーム形であることが可能であり、そのような円錐形に限定されない。

製造工程の最初の工程は後に続く機械加工のために複数の円錐形素材を加工することである。円錐形スワーラ素材１１の実施例の側面図が図３Ｂに示される。このスワーラ素材１１は内面１２と外面１４とを備える。スワーラ素材１１の内面および外面１２、１４は必ずしも互いに平行でなくてもよいが、好ましくは、一般には、円錐形を与える、スワーラ素材１１の平面１６は転向スロット１８の上流開口のために用意される。この平面１６は一般に流入する流体流動に垂直または実質的に垂直方向に構成され、配置される。しかしながら、本発明の別の形態では、平面は僅かに傾斜角を付けて構成され、配置されてもよい。

第２の工程はスワーラ素材１１に備えられる２次元スロット型を決定することである。図３Ａおよび図３Ｃは望ましい流動通路を形成するためスワーラ素材１１に構成されるスロット型１８の正面図および斜視図をそれぞれ示す。このスロット型１８は風車に厳密に似ている、８個の流体力学的輪郭を有する。スロット型１８は８個のスロットと８個の転向ベーンとを備えるが、スロット１８と転向ベーン２２の数は８個よりも多くまたは少なくすることができる。

スロット型１８は円錐スワーラ１０の性能を決定する。したがって、幾つかのキー・パラメータが設計上の考察のために評価されることが重要である。図４を参照すると、重要なスロット・パラメータは内側オフセット距離ｒ_i、外側オフセット距離ｒ_o、内側半径Ｒ_i、外側半径Ｒ_o、内側スロット角φ_i、外側スロット角φ_oおよび絞りギャップＡＢを含む。スロット１８の輪郭と形状とによりこれらのパラメータは相互に関係し、スワーラ性能に異なる影響を及ぼす。たとえば、オフセット距離は流体流動の旋回強さに強い影響を与えるように現れる。特に、オフセット距離が長くなればなる程、旋回強さはより強くなる。しかし、内側半径Ｒ_iがより小さくなると、旋回強さは減少する傾向があり、さらに、噴霧角度がより狭くなる。予測したことに反して、スロット１８と関係する輪郭形状と旋回強さとが流動面積に関与するで、絞りギャップＡＢが小さくなっても、スワーラ１０の有効流動面積は必ずしも小さくなるとは限らない。一般に、流体力学的形状のスロット型１８は直線状のスロット１８よりも高い転向効率を与える。

上記の設計指針とパラメータとを用いて当業者は広範なスワーラと流動範囲に対する要求を満たすため異なる多くの方法で２次元切削型を配置することができる。たとえば、図５Ａないし図５Ｃは直線状切削面を備える転向ベーン２２を利用する、単純なスロット型１８の第２の実施例の外観を示す。この直線状側面配置はスワーラの性能を落とすことなく、製造を容易にする。

第３の工程では、いったんスロット型１８が決定したならば、スワーラ素材１１の輪郭スロット１８から材料を除去する。新たな円錐スワ−ラ１０は従来からのＣＮＣ、フライス加工、鋳造、レーザ加工、光化学エッチングおよびこれらの技術の組み合わせを含む、異なる多くの加工技術を用いて製造することができる。好ましくは、当業者によく知られたＥＤＭ加工機およびＥＤＭ法を用いてスワーラ素材１１から材料を除去する。

手短にいえば、ワイヤＥＤＭ法は電気的導体のワーク、すなわちスワーラ素材１１と電極（図示せず）との間に発生させるスパークを利用する。絶縁液、たとえば脱イオン水とオイルとをワークと電極とを隔て、加工くずを流すために供給する。

ワークの一部を溶融し、蒸発させるスパークは極めて高温で発生する。細いワイヤ電極を用いてＥＤＭ法は他の機械加工法に固有の制限条件を伴わず高品質で、高精度な部品を加工することができる。この方法では、材料を除去して入口開口２０と曲線状転向ベーン２２とを形成する。

ワイヤＥＤＭ法は新たな円錐スワーラ１０を製作するため明らかに多くの利点を提供する。複雑な曲線形状を作り出すことは理想的であり、設計者が多様な用途のために異なる多くの方法でスロットを配置することを可能にする。さらに、この方法はステンレス鋼および合金鋼を加工するため熱処理材、超硬材、高靭性材を含む、特殊材料を扱うことができる。ワイヤＥＤＭは±０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）以下か、より厳密な値の許容差をを容易に維持することができる。通常、精度および一貫性は数量と関係なく、各スワーラ部品に維持することができる。さらに、従来のフライス加工と相違してワイヤＥＤＭ法で製造された部品はバリがなく、莫大な労働コストを省くことができる。この加工法は材料にいかなる応力も生じさせないので、スワーラ部品は加工後に反り、弓状変形、曲がりを生じない。

しかしながら、ワイヤＥＤＭ法の最も重要な特徴は同時に多くの部品の組み立てを可能にする円錐スワーラ素材１１を積層する、すなわち共に重ねることができる点にある。積層スワーラ１０と自動コンピュータ制御との組み合わせによりワイヤＥＤＭ法は本発明で述べた円錐スワーラを製作する最も効率的で、経済的な選択となる。

好ましくは、図６に示されるように、加工前に複数のスワーラ素材１１を積層体６０として重ねる。スワーラ素材１１は互いの上面に積み重ね、ワイヤＥＤＭ法工程の間、固定具（図示せず）によって共に固定される。同時に組み立てられるスワーラ素材１１の数は個々のスワーラ素材１１の長さに左右される。好ましい実施例において、高能率、高速ワイヤＥＤＭ法の場合、積層されるスワーラ素材１１の全長は約５０．８ｍｍ（２インチ）を超えない値でなければならない。典型的なスワーラ素材１１の長さは約５．０８ｍｍ（０．２００インチ）から約１０．１６ｍｍ（０．４００インチ）のまでの範囲にある。したがって、約５．０８ｍｍ（０．２００インチ）の長さを有するスワーラ素材１１の場合、各ワイヤＥＤＭ製造操作は最低１個の積層体６０で同時に少なくとも１０個の完成円錐スワーラ１０を製作することができる。

当業者は１度に加工できるスワーラ素材の数がＥＤＭ加工機の能力に左右されることを容易に理解する。また、１度に共に積層され、加工される円錐スワーラの数が積層円錐スワーラの重なり具合を定めるスワーラ素材の円錐ピッチに左右されることを理解する。

最も重要な点として積層体６０から作られた各円錐スワーラ１０の完成品は品質にバラツキがなく、厳密に同じ寸法を有する。スワーラが後にバリ取り、再加工、検査および較正のような幾つかの操作を省略するので、精密で、一貫した寸法はコスト削減に極めて重要である。

ワイヤＥＤＭ法は円錐形スワーラ１０を製造するため理想的であるが、これは半径流円盤形スワーラ２４を製作するためにも適する。

円錐スワーラ１０を使用する燃料噴射器について説明する。円錐スワーラ１０を開発する主要な目的の一つはコスト削減のためにスワーラを燃料噴射器に組み込むことである。円錐形スワーラ１０は製造コストを下げるワイヤＥＤＭ法を使用するだけでなく、この円錐形スワーラを円錐面を備える実在す大部分の燃料噴射器配置に申し分なく適合させることである。運転において、円錐スワーラ１０が燃料噴射器のエア・スワーラとして用いられるとき、圧縮空気は開口２０を通って転向スロットに流入する。気流は圧力の作用のもとで転向ベーン２２の側壁と内面１２および外面１４固定壁とで形成される転向通路に偏向して流れる。この気流の旋回強さはオフセット距離と出口域の転向角度とによって決定される。

図８は２重オリフィス・エアブラスト噴射器２８に適合する円錐エア・スワーラ４０の実施例を示す。この具体化された２重オリフィス・エアブラスト噴射器２８は２つの燃料回路、すなわち主燃料回路３０と補助燃料回路３２とを備える。主燃料回路３０を通って流れる燃料はオリフィス３６から吹き出し、主噴霧を発生する。同様に、補助燃料回路３２を通って流れる燃料は同心状補助噴霧を形成するように環状オリフィス３８から吹き出す。各燃料回路は同種かまたは異なる燃料を受け入れることができる。異なる燃料を受け入れることにより異なるエンジン用途および空燃混合気に応じて変えられる燃料噴射器２８の噴霧特性に合わせることができる。

好ましくは、円錐エア・スワーラ４０はエア・キャップ４２と熱シールド４４との間に位置決めされる。霧化気流が開口４６を通ってエア・スワーラ４０に流入し、転向ベーン４８によって形成される転向通路を経て中心軸方向に流れる。気流が噴射器２８から出たとき、気流は主噴霧と補助噴霧とから与えられる燃料液滴を円型または実質的に円型に分散するため半径方向外方向に膨張する。

具体化されたエア・ブラスト燃料噴射器２８の円錐スワーラ４０の性能は実験テストによってエア・キャップ４２の形状と効果的に関連付けられる。特に、ネック点５２の出口面５０の輪郭形状と直径寸法とは液滴サイズ、噴霧角度、旋回強さ、流速および噴霧型のような噴霧特性を決定する際に重要な役割を果たす。

エア・キャップ４２の出口面５０の好ましい輪郭形状は燃料出口オリフィス３６から短い距離で配置されるネック点５２と共に滑らかな先細−末広配置である。「先細−末広配置」とはネック点５２から上流が半径方向内側円錐スワーラ４０方向に先細形になり、ネック点５２から下流が半径方向外側燃焼室（図示せず）方向に末広形になる配置を称する。気流通路を出た後、円錐スワーラ４０から流出した旋回空気は初めにエア・キャップ４２の半径方向内側の先細部に流入する。結果として、この出口気流は旋回をより大きくし、霧化をより良好にするオリフィス３０と環状オリフィス３８の方向に向く。次いで、霧化燃料はネック点５２を通ってエア・キャップ４２の半径方向外側の末広部に流入し、燃焼室に流入したとき、半径方向外側に分散する。

好ましくは、ネック点５２の直径はスワーラ通路に入る気流に過度の圧縮を強いることのないように十分に大きい出口面積を与えるべきである。一般に、ネック点５２の好ましい流動面積はスワーラ入口有効開口域４６の面積の少なくとも２倍にすべきである。

図９は単一回路式単一エアブラスト噴射器６０に適合する、複数の円錐スワーラ６２、６４からなる実施例を示す。この実施例において、燃料噴射器６０は空気流回路用円錐スワーラ６４と燃料流回路用円錐スワーラ６２とを備える。単一回路式単一エアブラスト噴射器６０は燃料霧化および液滴分散のために旋回動作を引き起こす円錐燃料スワーラ６２と円錐エア・スワーラ６４とを利用する。

圧力の作用のもとで液体燃料は燃料回路６６を通って燃料スワーラ６２の開口６８に流れる。この液体燃料が燃料スワーラ６２の転向通路から出たとき、旋回室７０内の燃料に回転流が発生する。回転する液体燃料は微細な燃料液滴を含む、中空噴霧として旋回室７０のオリフィス７２を流出する。

気流側について、圧縮空気はエア・スワーラ６４の開口７４に流入する。転向ベーンは気流を半径方向内側に向ける。気流がエア・スワーラ６４の気流通路を出たとき、気流は初めにエア・キャップの半径方向内側の先細部に流入する。結果として、この出口気流は燃料噴霧の方向に向かい旋回をより大きくし、霧化をより良好にするオリフィス７２を流出する。燃料噴霧と旋回空気との素早い混合と霧化とは霧化噴霧が半径方向外方向に燃料域に分散する前に、ネック域７６付近で起こる。

図１０は前膜エアブラスト噴射器８０に適合する複数の円錐スワーラ８２、８８からなる、さらに別の実施例を示す。この特定の実施例において、内側エア・スワーラ８２は燃料噴射器８０の中央通路８４に環状燃料オリフィス８６の上流にそれと幾分かの距離を置いて配置される。外側スワーラ８８はエア・キャップと熱シールド本体９０の外面との間に配置される。好ましくは、内側エア・スワーラ８２と外側エア・スワーラ８８とは同心である。

燃料スワーラ９２は燃料分配系統９４に接続される。燃料はら旋通路を通って複数の回転スロット９８に分れて流れる、燃料分配系統９４を通って燃料スワーラ９２に流動する。燃料は回転スロット９８を通り、環状燃料通路１００に流動する。燃料は環状燃料通路１００からエア・キャップの半径方向内側の先細部に中空シート状に放出される前に、初めに前膜域１０２に流入し、前膜域１０２の壁面に付着する、。

圧縮ガスは外側エア・スワーラ８８の開口に流入し、それと同時に、内側エア・スワーラ８２の開口に入る前に、中央通路８４を通って流動する。中心軸周りに同心に構成され、配置される内側および外側エア・スワーラ８２、８８はそれぞれ気流を半径方向内側中心軸方向に向ける転向ベーンを備える。内側エア・スワーラ８２は中空燃料シート内側のエア・キャップの半径方向内側の先細部に入る、内側空気流１０４を発生する。外側エア・スワーラ８８は中空燃料シート外側のエア・キャップの半径方向内側の先細部に入る、外側空気流１０６を発生する。内側空気気流１０４と外側空気流１０６との合流気流は中空燃料シートに衝突し、燃料シートを砕いて液滴を望ましい噴霧型に分散する。霧化噴霧はエア・キャップの半径方向外側の末広部に流動し、霧化噴霧を半径方向外方向の燃焼域に分散させる。

本発明の好ましい実施例が特定の用語を用いて説明されたが、この説明は具体例について説明のみを目的としたものであり、変更および変形が添付の請求の範囲に記載の発明の精神および範囲から離れることなく、なし得ることは理解されるべきである。

図１Ａは従来技術を表わす軸流スワーラの側面図である。 図１Ｂは従来技術を表わす軸流スワーラの正面図である。 図２Ａは従来技術を表わす半径流スワーラの断面図である。 図２Ｂは従来技術を表わす半径流スワーラの正面図である。 図３Ａは本発明に従う流体力学的転向スロットを備える、軸流形円錐スワーラの第１の実施例の正面図である。 図３Ｂは本発明に従う円錐スワーラ素材の実施例の断面図である。 図３Ｃは本発明に従う流体力学的転向スロットを備える、軸流形円錐スワーラの第１の実施例の斜視図である。 図４は典型的な円錐風車状スワーラのための設計キー・パラメータを示す。 図５Ａは直線側面の流体力学的転向スロットを備える、軸流形円錐スワーラの第２の実施例の正面図である。 図５Ｂは直線側面の流体力学的転向スロットを備える、軸流形円錐スワーラの第２の実施例の断面図である。 図５Ｃは直線側面の流体力学的転向スロットを備える、軸流形円錐スワーラの第２の実施例の斜視図である。 図６は同時のワイヤ放電加工ために準備された重ねた状態のスワーラ素材の実施例を示す。 図７Ａは本発明に従うワイヤ放電加工法で製作された半径流形スワーラの実施例の断面図である。 図７Ｂは本発明に従うワイヤ放電加工法で製作された半径流形スワーラの実施例の断面図である。 図８は軸流形円錐エア・スワーラの好ましい実施例を含む、２重オリフィス・エアブラスト噴射器の断面図である。 図９は軸流形円錐エア・スワーラおよび燃料スワーラの好ましい実施例を含む、単一エアブラスト噴射器の断面図である。 図１０は軸流形同軸、２個の円錐スワーラの好ましい実施例を含む、前膜純エアブラスト噴射器の断面図である。

符号の説明

１０、２４、４０… 円錐スワーラ
１１… スワーラ素材
１８… 転向スロット
２２… 転向ベーン
４２… エア・キャップ
６０… 積層体
６２… 円錐燃料スワーラ
６４… 円錐エア・スワーラ
８２… 内側エア・スワーラ
８８… 外側エア・スワーラ

Claims (27)

1. ａ）１個ないしそれ以上のスワーラ素材を準備し、
   ｂ）前記１個ないしそれ以上のスワーラ素材を同軸方法で配置し、
   ｃ）前記１個ないしそれ以上のスワーラ素材のそれぞれにスロット型を形成する
   工程を含む、エア・スワーラを製造する方法。
2. 前記１個ないしそれ以上のスワーラ素材を準備する工程が前記１個ないしそれ以上の円錐形スワーラ素材を準備することを含む請求項１記載の方法。
3. 前記１個ないしそれ以上のスワーラ素材を準備する工程が前記１個ないしそれ以上の円盤形スワーラ素材を準備することを含む請求項１記載の方法。
4. さらに、複数のスワーラ素材を重ねる工程を含む請求項１記載の方法。
5. 積層体に複数のスワーラ素材を重ねる工程が前記積層体の複数のスワーラ素材のそれぞれにスロット型が備えられるように、積層体としてスワーラ素材を同時に重ねることを含む請求項４記載の方法。
6. さらに、前記共に重ねられた複数のスワーラ素材を固定する工程を含む請求項５記載の方法。
7. 前記各スワーラ素材を貫いて前記スロット型を形成する工程がさらに前記スワーラ素材のそれぞれを貫いてスロット型を機械加工することを含む請求項１記載の方法。
8. 前記各スワーラ素材に前記スロット型を機械加工する工程がさらに前記スワーラ素材をワイヤ放電加工機に送る工程を含む請求項７記載の方法。
9. 前記各スワーラ素材に前記スロット型を機械加工する工程が前記スロット型を形成するためワイヤ放電加工機を用いて前記スワーラ素材のそれぞれから材料を除去する工程を含む請求項８記載の方法。
10. 前記スワーラ素材を送る工程が手動で達成される請求項８記載の方法。
11. 前記スワーラ素材を送る工程が自動ロボット・アームで達成される請求項８記載の方法。
12. 前記スワーラ素材のそれぞれから材料を除去する工程が前記スワーラ素材のそれぞれに多様な転向スロット型または通路型を形成するためコンピュータ制御システムを準備することを含む請求項９記載の方法。
13. 燃料と圧縮ガスとを混合し、圧縮ガスで霧化された混合燃料を燃焼室に供給する燃料噴射器であって、
    ａ）霧化のために燃料を分配する燃料投入部と、
    ｂ）霧化のために燃料吐出噴霧を与える燃料吐出部と、
    ｃ）前記燃料吐出部の近くで圧縮ガスの霧化流体流を与える、少なくとも１個の円錐形スワーラと
    を備え、前記少なくとも１個の円錐形スワーラが燃料を霧化する旋回動作と直後の燃料流の膨張とを生じるため隣り合う転向ベーンの間に前記圧縮ガスの流体流を半径方向内側に向ける複数の気流通路が形成される、間隔を置いて並ぶ複数の転向ベーンを備えるように、構成され、配置されてなる燃料噴射器。
14. 圧縮ガスの流体流が燃料吐出噴霧を霧化する半径方向外側への膨張の前に、初めに中心軸に対して鋭角で半径方向内側に流動するようにした請求項１３記載の燃料噴射器。
15. 前記燃料吐出部が主燃料吐出噴霧を与える第１のノズルと、補助燃料吐出噴霧を与える第２のノズルとを備える請求項１３記載の燃料噴射器。
16. さらに、少なくとも１個の円錐形スワーラの入口開口面積の少なくとも２倍のネック域面積を備えた開口を有するエア・キャップを備え、前記円錐形スワーラが前記エア・キャップと熱シールド部との間に配置され、前記エア・キャップがネック域の半径方向内側上流の先細部と、ネック域の半径方向外側下流の末広部とを与えるように構成され、配置される請求項１３記載の燃料噴射器。
17. さらに、互いに同心である多重円錐形スワーラに適応するように構成され、配置される複数の内側および外側気流開口を備える請求項１３記載の燃料噴射器。
18. 前記燃料吐出部が軸方向下流に円錐型で広がる燃料噴霧を与えるため円錐形スワーラに適応するように構成され、配置される請求項１３記載の燃料噴射器。
19. 前記燃料吐出部が噴射器組み立て体を形成する少なくとも１個の円錐形スワーラと一体化される、単一オリフィス、２連オリフィス、２重オリフィスおよび環状前膜装置の少なくとも１つを備える群から選ばれる請求項１３記載の燃料噴射器。
20. 前記燃料回路が少なくとも１個の円錐形スワーラによって生じる同心状気流と相互混合する、前記第１のノズルから吹き出す同心状燃料噴霧を形成している請求項１５記載の燃料噴射器。
21. 燃料と圧縮ガスとを混合し、圧縮ガスで霧化された混合燃料を燃焼室に供給する燃料噴射器であって、
    ａ）霧化のために複数の同心状燃料噴霧を与えるように構成され、配置された複数の燃料吐出部と、
    ｂ）霧化のために前記複数の同心状燃料噴霧に圧縮ガスの流れを向けるように構成され、配置されたスワーラ部と
    を備え、前記複数の燃料吐出部は独立して作動し、燃料回路と燃料分配系統とを連絡している、同心状２重オリフィスを有し、前記スワーラ部は前記燃料噴霧を霧化する旋回動作と直後の燃料流の膨張とを生じるため隣り合う転向ベーンの間に圧縮ガスの流体流を半径方向内側の複数の同心状燃料噴霧方向に向ける複数の気流通路が形成される、間隔を置いて並ぶ複数の転向ベーンを備えるように、構成され、配置される円錐形スワーラを備える燃料噴射器。
22. 燃料と圧縮ガスとを混合し、圧縮ガスで霧化された混合燃料を燃焼室に供給する燃料噴射器であって、
    ａ）前膜部に燃料膜を与えるように構成され、配置された少なくとも１個の燃料吐出部と、
    ｂ）前記燃料膜に霧化ガス流を与えるように構成され、配置されたスワーラ部と
    を備え、前記燃料吐出部は円錐形燃料膜を与える円錐形燃料スワーラを備え、前記スワーラ部は燃料膜を霧化する回転動作と直後の燃料流の膨張とを生じるため隣り合う転向ベーンの間に前記燃料膜の外側より流れ始める圧縮ガスの流体流を前記半径方向内側円錐形燃料膜方向に向ける複数の気流通路が形成される、間隔を置いて並ぶ複数の転向ベーンを備えるように構成され、配置される円錐形スワーラを備えてなる燃料噴射器。
23. 燃料と圧縮ガスとを混合し、圧縮ガスで霧化された混合燃料を燃焼室に供給する燃料噴射器であって、
    ａ）環状通路と、円錐形燃料膜を与えるように構成され、配置された環状の前膜オリフィスとを有する１個の燃料吐出部と、
    ｂ）前記１個の燃料吐出部の半径方向内側に構成され、配置された内側空気通路と連通する第１の円錐形スワーラと、前記１個の燃料吐出部の半径方向外側に構成され、配置され、前記第１の円錐形スワーラと同心である、外側空気通路と連通する、第２の円錐形スワーラとを有するスワーラ部と
    を備え、前記スワーラ部の前記第１および第２の円錐形スワーラは前記燃料膜と前記環状燃料前膜オリフィスとに流体流を与えるように構成され、配置され、前記第１の円錐形スワーラは前記環状燃料前膜オリフィスの半径方向内側に空気流を導入し、前記第２の円錐形スワーラは前記円錐形燃料膜を取り囲む空気流を導入する燃料噴射器。
24. 少なくとも１つの燃料流またはガス流を与える、中心軸を有する、請求項１記載の工程で製造される流体スワーラであって、
    ａ）円錐形本体部と、
    ｂ）複数の輪郭転向スロットと
    を備え、前記各複数の輪郭転向スロットは内側壁面と外側壁面とを有する転向ベーンを備え、前記一の転向ベーンの内側壁面と隣接する転向ベーンの外側壁面とが両壁面の間に転向通路を形成している流体スワーラ。
25. 前記複数の輪郭転向スロットが少なくとも１個の直線状側面または流体力学的形状の曲線状側面を備える請求項２４記載の流体スワーラ。
26. 各転向通路が前記中心軸に対して鋭角で半径方向内側に流動するするように流体流動を方向づける請求項２４記載の流体スワーラ。
27. 前記複数の輪郭転向スロットが前記中心軸からの半径方向オフセット距離で流体流動を方向づける出口開口を備える請求項２４記載の流体スワーラ。
    
    

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