JP2005527772A - タービンエンジン装置および方法 - Google Patents

Abstract

タービンエンジンのための燃料処理装置（１０）は、渦流によって燃料と空気を混合する燃料プロセッサ（１０）を有し、この渦流は、処理室（１６）の外壁に形成した入口開口（２６）を経て接線方向から空気を導入する。処理室（１６）の内側での燃料渦流は、燃料を細分化又は霧状化し、この結果生ずる燃料／空気混合体は燃焼するのに理想的になる。燃料／空気混合体は、この後タービンエンジン装置の燃焼装置における燃焼室（２０）に導入する。

Description

本発明は、タービンエンジンに関し、とくに、タービンエンジンに関連して使用する燃料処理装置に関するものである。

タービンエンジンは、長年存在している。従来のタービンエンジンは、ジェット飛行機に関連して設けられ、さらに、他の領域で種々のタイプと関連して使用されており、成功している。例えば、タービンエンジンは、少し例を挙げれば、ヘリコプター、ターボプロペラ飛行機、陸上車両、超軽量飛行機、高速水中翼船、軍用戦車、ホバークラケト、並びに固定のおよび可動の発電プラントに使用されている。

いかなるタービンエンジンでも、重要なことの一つとしては、タービンエンジンの燃料燃焼室内における燃料の適正かつ効率的な燃焼に関連する。当業者が理解しているところでは、燃焼室内での燃料の燃焼は、熱を発生し、この熱がタービンファンを駆動し、タービンエンジンを動作させる。効率のよい燃料燃焼は、タービンエンジンにとって常に好ましいことである。

したがって、燃料を処理し、ガスタービンエンジンの燃料燃焼室内で燃焼させるためのより効率のよい方法を開発する必要が継続的に存在する。本発明の目的は、不適正または不完全な燃料処理並びにタービンエンジンの燃料燃焼室内における不完全な燃料燃焼に関連する長年の問題点を解決するにある。

本発明は、タービンエンジンのための燃料処理装置に関する。本発明の燃料プロセッサは、燃料を取り込み、燃料混合室内に燃料を直接導入し、燃料処理室の外壁に形成した流入開口を経て燃料処理室内に空気を接線方向に導入する。燃料プロセッサの構成は、燃料処理室内で流体の渦流を生ずる。燃料処理室内の流体の渦流は、燃料を細分化または霧状化し、この結果生ずる燃料／空気混合体は燃焼にとって理想的になる。混合した燃料をタービンエンジン装置の燃焼装置の燃焼室に導入する。

燃料混合室内で燃料／空気の渦流を発生するため、混合室の外壁に複数個の流入開口を接線方向に貫通させる。この流入開口によれば、空気は、燃料処理室内に接線方向に導入され、燃料処理室内に渦流（トルネード状の流れ）を生ずる。この渦流は、燃料処理室内における燃料／空気混合体を互いにぶつけ合い、更に燃料を細分化または霧状化する。

一つの実施例においては、一次または初期燃料混合室を二次または主燃料処理室に直列に接続し、燃料処理を最適化する。代案として、単独の燃料処理室を使用することもできる。本発明の範囲を逸脱することなく燃料処理構成を種々に変更することができることは当業者ならば理解できるであろう。

本発明による上述のおよび他の特徴、有用性および利点を、以下に、添付図面につきより詳細に説明する。

本発明は、ガスタービンエンジンに関連して使用する燃焼装置内に燃料を導入する先立って、燃料を調製する燃料処理装置、即ち、燃料プロセッサに関する。上述したように、本発明によるガスタービンエンジンは、ジェット飛行機、ヘリコプター、ターボプロペラ飛行機、陸上車両、超軽量飛行機、高速水中翼船、軍用戦車、ホバークラケト、および他の適当な用途に関連して使用することができる。

図１には、基本的なブライトン(Brayton) またはジュール(Joule) サイクルを利用する代表的なガスタービンエンジンの構成を示す。このようなガスタービンエンジンの基本的な動作に関しては当業者には理解できるであろう。図示のように、空気はコンプレッサ内に流入し、このコンプレッサ内で空気の圧力が増大する。加圧空気および燃料を燃焼装置内に導入し、燃料を燃焼させ、定圧条件の下で圧縮空気の温度を上昇させる。この結果生ずる高温ガスをエンジンに導入し、このエンジン内で膨張させて仕事を行わせる。

本発明は、燃料を燃焼室内に導入させる前に燃料を調製する装置に関する。燃料処理室は、燃焼装置の上流側における全く別個のユニットとするか、燃焼装置ユニットに組み込んだものとすることができる。精細な構成または組立は別として、燃料処理装置は、ガスタービンエンジンの動作に関連した燃焼のために燃料を調製する。

図２は、タービンエンジンと組み合わせて使用する燃料処理装置およびシステム１０を示す。燃料処理装置１０は、燃料流入口または燃料供給部１２と、初期燃料処理ハウジング１４と、初期燃料プロセッサ（燃料処理室）１６と、二次または主燃料処理ハウジング１７と、主または二次燃料プロセッサ１８とを有する。処理した燃料は燃焼室２０内に流入し、点火装置２１が、主プロセッサ１８から流入する霧状化した燃料を点火し、燃料の燃焼を生ずる。燃料の燃焼により生ずる火炎を火炎ホルダ２２内に保持する。高温ガスが燃料処理装置から流出し、タービンファンのブレードに衝突し、タービンエンジンに関連する通常の仕事を行う。

とくに、図４および図５を参照して説明すると、初期燃料処理室１６は燃料流入口１２からの燃料を収容する。燃料（流れの矢印Ｆで示す）は、初期燃料処理室の入口端部に形成した複数個の流入開口２４（図４参照）内に流入する。代案として、図２に示すように燃料流入口は、流入口１２を突出した区域または長さ部分２５（点線で示す）を設けて直接燃料プロセッサ１６に取り付け、流入開口２４を省略することもできる。

周囲の空気（空気矢印Ａで示す）は、初期燃料プロセッサ１６の壁２８に形成した接線方向開口２６によって初期燃料処理室（燃料プロセッサ）１６に流入することができる。接線方向開口２６によって初期燃料プロセッサ内に流入した空気は、この燃料処理室内で渦流（即ち、旋回するトルネード状の流れ）を生ずる。この渦流は、燃料／空気混合体を生じ、燃料処理室１６内で燃料／空気がスピンするときに互いにぶつかり合う。これにより、燃料を細分化し、迅速かつ効率的な燃焼に最適な燃料／空気混合体となるよう燃料を均質化する。

燃料処理室１６内に燃料を流入し易くするため、１対の円錐状部材のコーン３０，３２を背中合わせにして配置し、流入口１２から流入する燃料Ｆを、初期コーン３０を通過させて分断し、開口２４（図４参照）内に流入させ、最終的に燃料処理室１６内に流入させる。燃料／空気混合体が燃料プロセッサ１６の下流域端部に向かって通過するとき、次のコーン３２の周りを通過し、燃料流出口３２（図５参照）に向かう。コーン状部材３０，３２は燃料プロセッサから省くこともでき、これも本発明の範囲を逸脱するものではないものと理解されたい。とくに、燃料流入口１２を燃料プロセッサ１６に直接取り付ける場合（図２に点線２５で示すように）、コーン３０は、流入開口２４と同様に省略することができる。

初期処理室１６内で燃料および空気を混合した後、燃料は二次円錐状部材のコーン３４の周りを流れて通過し、流入開口３５を経て、主または二次燃料プロセッサ１８に流入する。この後、主処理室４０に流入する。主処理室４０内に流入するとき、燃料／空気混合体は、既に渦流になっており、コーン３４の周りに回転する。追加の周囲空気Ａも、まずハウジングに形成した開口４１、およびこれに続くハウジング壁４０に貫通する外部接線方向開口４２を経て二次または主処理プロセッサ１８内に流入することができる。初期処理された燃料／空気混合体は、さらにこの主燃料処理室１８内で処理される。この主燃料処理室１８内での燃料処理は、初期燃料処理室１６で行われるのとほぼ同じである。実際、追加の燃料プロセッサを設けることなく１個の燃料プロセッサのみを使用することもできると理解されたい。代案として、２個以上の燃料プロセッサを直列にして使用し、所要の燃料／空気細分化または均質化が得られるようにする。最終的に、燃料は、流出口５０（図５参照）を通過し、燃焼室２０（図２参照）内に流入し、この燃焼室２０において、例えば、点火プラグのような点火装置２１により処理した燃料に点火し、この結果発生する火炎を火炎ホルダ２２によって保持する。円錐状き火炎ホルダ２２に形成した開口５２から熱が放出される。

主燃料処理室１８の流出口５０を通過する燃料／空気混合体は渦流となって流動する。したがって、燃料／空気混合体が燃焼室２０（図２参照）内に流入するとき、そのまま燃料／空気混合体は渦流を持続する。この渦流は、タービンエンジンによって利用される燃料の効率的な使用のための燃焼を高める。燃焼室２０内の渦流によれば、燃料／空気混合体が細分化または霧状化を適度に継続し、燃料／空気混合体を燃焼室２０内で循環させ、完全な燃焼を行う。

燃料処理装置およびシステム１０は、一つの実施例として、燃料処理装置１０の全体を包囲する特別なハウジング５０に固定する（図２参照）。ハウジングに第１フランジ５２を設け、燃料処理装置を、例えば、コンプレッサのような所要の上流側機構に固定することができるようにする。また、第２フランジ５４を設け、燃料処理装置１０を、例えば、タービンのような適当な下流域機構に固定することができるようにする。

タービン６０は、図６に示すように、それぞれ個別の燃料処理装置１０を保持する複数個の燃料処理装置ハウジング５０に連結する。タービン６０の運転は通常通りであり、当業者には既知であろう。複数個の新規なプロセッサ１０を使用することにより、燃料のより効率的な利用が行われ、タービン６０の性能が向上する。

以上、特定の実施例につき本発明を説明してきたが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく多くの変更を加え得ることは当業者にとっては理解されるであろう。本発明は特許請求の範囲の記載から、本発明の精神を逸脱することなくいかなる改変および変更もカバーすることを意図するものである。

ブライトン又はジュールサイクルを行う代表的なガス‐タービン構成の線図的説明図である。 本発明による燃料処理装置の縦断面図である。 図２に示す燃料処理装置を右方から見た右側面図である。 図２に示す燃料処理装置を左方から見た左側面図である。 図２に示すタービンエンジンの燃料処理装置における燃料処理室の拡大縦断面図である。 タービンエンジンのための燃焼装置を形成する複数個の燃料処理室を有するタービンエンジンの正面図である。

Claims (12)

1. タービンエンジンのための燃料処理室において、
   流体の渦流を発生させるための少なくとも１個の渦流室を画定する室ハウジングと、
   渦流室から流体を排出させるため渦流室に接続した室流出口と、
   室ハウジング内に形成し、流体を接線方向から渦流室内に流入させて攪拌渦流を渦流室内に発生させ、流体をより細かい粒子に細分化し、また渦流内の未気化粒子を気化する開口のアレイと
   を具え、前記開口のアレイは、横列に配列した複数個の開口と、縦列に配列した複数個の開口とにより構成し、渦流室の周りの室ハウジングに開口を形成し、室内を通過する流体の渦流による攪拌効率を向上させるようにした
   ことを特徴とする燃料処理室。
2. さらに、流入開口に関連して差圧供給部を設け、開口の位置に基づいて流入開口における流体に差圧を生ぜしめることができるようにした請求項１記載の燃料処理室。
3. タービンエンジンのための燃料処理室において、
   第１渦流室を画定する第１渦流室ハウジング、および第２渦流室を画定しかつ前記第１渦流室に接続した第２渦流室ハウジングと、
   空気および第２流体を各渦流室内に接線方向から流入させることができるよう各渦流室ハウジングに形成した複数個の流入開口と、
   第２渦流室に形成した流入開口に接続した第１渦流室流出開口と
   を具えたことを特徴とする燃料処理室。
4. さらに、第１渦流室ハウジングに形成した流入開口に関連して差圧供給部を設け、開口の位置に基づいて流入開口における流体に差圧を生ぜしめることができるようにした請求項３記載の燃料処理室。
5. タービンエンジンのための燃料処理室において、
   高圧側端部および低圧側端部を有する流体流路と、
   流体流が導入される渦流室を画定する渦流室ハウジングであって、渦流室を前記流体流路に沿って前記高圧側端部と低圧側端部との間に位置決め配置し、流体が前記高圧側端部から低圧側端部に流動できるようにした渦流室ハウジングと、
   流体を気化するため、流体を接線方向から渦流室内に流入させることができるよう渦流室ハウジングに形成した複数個の流入開口であって、低圧側端部に対して異なる距離に配置した流入開口と、
   低圧側端部に対する流入開口の位置に基づいて、流入開口における流体に差圧を生ぜしめることができるよう流入開口に関連して設けた差圧供給部と
   を具えたことを特徴とする燃料処理室。
6. 前記複数個の流入開口を複数個の横列および複数個の縦列に配列した請求項５記載の燃料処理室。
7. 前記差圧供給部を、ジャケットにより構成した請求項５記載の燃料処理室。
8. 前記差圧供給部を、直径が徐々に拡大する内面を有するジャケットにより構成した請求項５記載の燃料処理室。
9. 前記差圧供給部を、テーパ付き内面を有するジャケットにより構成した請求項５記載の燃料処理室。
10. 前記差圧供給部を、内面を有するジャケットにより構成し、このジャケットの内面が、ジャケット内面と渦流室ハウジングの外面との間に可変のギャップ幅を画定するものとした請求項５記載の燃料処理室。
11. 前記差圧供給部を、最大直径端部および最小直径端部を有して直径が変化する内面をするジャケットにより構成し、低圧側端部に近い流入開口ほど開口度が減少し、低圧側端部から遠い位置にある流入開口よりもより多くの流れを収容できるようにした請求項５記載の燃料処理室。
12. タービンエンジンのための燃料を処理する方法において、
    一次混合室を設け、
    前記一次混合室内に燃料を導入し、
    前記一次混合室内に空気を導入し、
    前記一次混合室内で燃料および空気を混合して燃料／空気混合体を形成し、
    二次混合室を設け、
    前記燃料／空気混合体を接線方向から前記二次混合室内に導入して渦流を形成し、前記燃料／空気混合体における未気化粒子をより小さい粒子に細分化する
    ことよりなることを特徴とする燃料処理方法。

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