JP2006509988A - 騒音レベルを減少させ混合を向上させるボーテックス燃料ノズル - Google Patents

Abstract

燃料ノズルは、燃料ボーテックスジェネレータに燃料噴流を方向づける燃料噴霧オリフィスのリングを備える。燃料ボーテックスジェネレータは、各燃料噴霧オリフィスから所定の距離を隔て下流側に配置された燃料偏向面を有する。混合室は、燃料噴霧オリフィスと燃料偏向面との間に画定される。燃料偏向面は、対になって隣接し逆回転している燃料含有渦の状態で、燃料噴流を混合室に偏向するように方向づける表面外形を有する。空気入口により、空気は、空気流偏向面を有する空気流ボーテックスジェネレータを通り、混合室に供給される。空気流偏向面は、対になって隣接し逆回転している空気流の渦の状態で、空気流を混合室に偏向するように方向づける表面外形を備える。混合室の下流側にある燃料−空気混合気出口により、燃料−空気混合気は燃焼室に放出され、点火される。

Description

本発明は、燃料および空気の渦の交差する流れを使用し、エンジンの騒音レベルを減少させるとともに、燃料と空気の混合を向上させる燃料ノズルに関する。

ガスタービンエンジンには、補助ギアボックスを介するコンプレッサの回転に機械的に関連する加圧燃料供給システムが含まれる。燃焼室は、コンプレッサからの圧縮空気を受けるため、エンジン運転の変動は、燃焼室への加圧燃料および圧縮空気の供給に著しい影響を与える。
（１）コンプレッサと燃料供給システムにより生じる音および流体力学の変動と、（２）燃焼室により生じる音および流体力学の変動、との間に強い結合効果があるということが分かっている。燃焼室の上流側にあるコンプレッサおよびディフューザを通る空気供給システムならびに燃料供給システムにより燃料ノズル噴射ポートに作用する変化によって、燃焼システムに燃焼不安定性が生じる。

本発明の目的は、コンプレッサと燃料供給システムにより生じる音および流体力学の変動、ならびに燃焼室から生じる音および流体力学の変動を分断し、騒音発生を減少させることにある。

さらに、本発明の目的としては、空気／燃料、空気／空気、および燃料／燃料の混合層の間のせん断接触領域を増加させることにより、燃料と空気の混合を向上させることである。

本発明のさらなる目的は、開示、図面および以下の説明から明らかになるであろう。

本発明は、燃料噴霧オリフィスのリングを備えた燃料ノズルを提供する。この燃料噴霧オリフィスのリングは、各燃料噴霧オリフィスから所定の距離を隔てた下流側に配置された燃料偏向面を有する燃料ボーテックスジェネレータに燃料噴流を方向づける。混合室は、燃料噴霧オリフィスと燃料偏向面との間に画定される。この燃料偏向面は、燃料噴流を、対になって隣接し逆回転している燃料含有の渦状態で混合室に偏向させるように方向づける表面外形を有する。空気入口により、空気は、空気流ボーテックスジェネレータを通り混合室に供給される。この空気流ボーテックスジェネレータは、空気流を、対になって隣接し逆回転している空気流の渦状態で混合室に偏向させるように方向づける表面外形を備えた空気流偏向表面を有する。混合室の下流側にある燃料−空気混合気出口により、燃焼のため燃料と空気の混合気が混合室に放出される。

図１では、ターボファンガスタービンエンジンの軸方向断面が示されている。しかし、ターボシャフト、ターボプロップ、工業用ガスタービン、または補助動力装置など燃焼室およびタービン部を備えるいかなる形式のエンジンにも本発明は適用できることが理解されるであろう。エンジンへの吸入空気は、ファンケース２内のファンブレード１を通過し、バイパスダクト３を通る外側環状流と、低圧軸流コンプレッサ４および高圧遠心コンプレッサ５を通る内側流とに分かれる。圧縮空気は、ディフューザ６を通りコンプレッサ５から流出し、燃焼室８を取り囲むプレナム７内に収容される。燃料は、燃料供給チューブ９を通り燃焼室８に供給され、ノズルから燃焼室８に噴霧されてプレナム７からの空気と混合され、この混合気が点火される。プレナム７内の圧縮空気の一部は、側壁のオリフィスから燃焼室８に流入し、燃焼室の壁面に亘って冷却空気の幕を作る。あるいは、圧縮空気の一部は、冷却に使われ、最終的に燃焼室からの高温ガスと混合され、ノズルガイドベーン１０およびタービン１１を通り、排気ガスとしてエンジンの最後尾から排出される。

図２および図３では、逆流型燃焼室に配置された燃料ノズル１２の第１および第２実施例が示されている。しかし、直流型燃焼室または他の燃焼室形態に燃料ノズル１２を取りつけてもよいことが理解されるであろう。図２，３に示すように、ディフューザ６からの圧縮空気は、プレナム７に収容され、ノズル１２の空気入口開口部１３を通り流入し、燃料と混合され、燃焼のため燃焼室８に加圧下で送りこまれる。図２では、独立した点火装置１４が図示されている。一方、図３に示すように、小型の燃料ノズル−点火ユニットのノズル１２の中心部分に点火装置１４が内蔵されていてもよい。中心に位置した点火装置により、始動条件中の最初の燃料噴射を排除することが可能となる。

図４および図５では、燃料ノズル１２の構造が詳細に図示されている。燃料は、燃料供給チューブ９を通って運ばれ、燃料入口１５に流入する。この燃料入口１５は、円筒型の燃料分散ギャラリ１７を介して複数の燃料噴霧オリフィス１６に連通している。燃料ギャラリ１７には、円筒型の側壁ならびに円盤型の上側および下側壁部が含まれる。上側壁部は、燃料ギャラリ１７と連通する下端部を有する複数の燃料噴霧チューブ１８を支持する。燃料噴霧チューブ１８の遠位端部は、実質的に環状の燃料ボーテックスジェネレータ１９に方向づけられた燃料噴霧オリフィス１６を備える。この燃料ボーテックスジェネレータ１９は、各々の燃料噴霧オリフィス１６から所定の距離を隔て下流側に配置された扇形の燃料偏向面２０を有する。

中央の混合室２１は、燃料噴霧オリフィス１６と、所定形状つまり扇形の燃料偏向面２０との間に画定される。図６に見られるように、燃料偏向面２０は、燃料噴霧オリフィス１６から混合室２１に噴霧された燃料噴流を、対になって隣接し逆回転している燃料含有渦２２の状態に偏向させるように方向づける表面外形を有する。

図４および図５に見られるように、図示された実施例では、燃料ノズル１２には、外側シールド２３も含まれる。この外側シールド２３に、空気入口開口部１３を通りプレナム７から流入した圧縮空気は、燃料と混合するため下流側に混合室２１へと流れ、燃料−空気混合気出口２５を取り囲む環状空気流出口２４を通り混合室２１から流出する。外側シールド２３は、環状空気供給通路２６を画定する。外側シールド２３は、また、燃料ギャラリ１７、燃料ボーテックスジェネレータ１９、空気アシストギャラリ２７および空気流ボーテックスジェネレータ２８を内部に収容し、支持する。これらの部分については、以下で説明する。

空気供給通路２６により、２つの流路により混合室２１に空気流が供給される。まず、空気は、入口開口部２９を通り、各燃料噴霧チューブ１８を取り囲む空気アシストギャラリ２７に流入する。空気アシストギャラリ２７には、カバープレート３０が含まれる。燃料噴射チューブ１８は、カバープレート３０を貫通して延びている。各燃料噴霧チューブ１８は、カバープレート３０の環状空気アシスト開口部に取り囲まれている。この環状空気アシスト開口部により、図５に矢印で示したように、燃料噴霧オリフィス１６を通り流出する燃料噴流と平行になるように方向づけられた環状の空気流が供給される。

燃料噴霧オリフィス１６から噴出する燃料噴流は、それと平行に移動している環状空気流に囲まれるとともに、燃料ボーテックスジェネレータ１９の燃料偏向面２０に衝突する。それにより、対になって隣接し逆回転している燃料渦２２が生じる（図６参照）。

図５に示されているように、環状空気供給通路２６を通り移動する空気は、また、燃料噴霧オリフィス１６から混合室２１に噴出する燃料噴流の方向に対して実質的に横方向に流れる空気をもたらす。結果として生じた燃料と空気の混合気は、混合室２１の下流側にある燃料−空気混合気出口２５へと移動する。

図５および図７に示されているように、燃料ノズル１２には、空気供給通路２６と混合室２１との間に配置された空気流ボーテックスジェネレータ２８も含まれる。空気流ボーテックスジェネレータ２８は、空気流偏向面３１を有する。この空気流偏向面３１は、図７に示されているように、対になって隣接し逆回転している複数の空気流の渦３２の状態で空気流を混合室２１に偏向させるように方向づける表面外形を備える。図５から分かるように、対になって逆回転している空気流の渦３２は、燃料噴霧オリフィス１６から噴出する燃料噴流に対して横方向に偏向される。燃料噴流は、燃料偏向面２０に衝突し、結果として生じた燃料の渦２２は、混合室２１に向かう空気流の渦３２により下流側に押し流される。図示されているように燃料ノズル１２は、中心軸を中心に対称である。燃料噴流は、軸方向下流側に方向づけられ、対になって逆回転している空気流の渦３２は、混合室２１に向かって半径方向内側に方向づけられる。

図６に示されているように、燃料ボーテックスジェネレータ１９の燃料偏向面２０には、
各燃料噴霧オリフィス１６を指向するカスプ（鋭端）３３が含まれる。このカスプ３３間には、凹形の弧が延びている。それにより、図６のように、燃料噴流は、燃料偏向面２０により分離され、かつ案内され、対になって逆回転している燃料渦２２が生じる。図７に示されているように、空気流ボーテックスジェネレータ２８の空気流偏向面３１は、互いに隣接する燃料噴霧オリフィス１６間に位置する分離先端部３４を含んでおり、この分離先端部３４間に凹形の弧が延びている。

燃料ノズル１２は、逆回転流れ方向の渦の現象を利用し、燃焼する前の燃料空気混合気の結合効果を排除または減少させる。加圧された燃料噴流が燃料ボーテックスジェネレータ１９の燃料偏向面２０に衝突することにより、逆回転している１組の燃料渦２２が発生する。空気流が分離先端部３４に亘って剥離した際に、空気流の渦３２が発生する。２つの逆回転している渦２２，３２の重ね合わせにより、乱流の空気／燃料、空気／空気、および燃料／燃料の層の間のせん断接触領域の増加のため、効率を改善するとともに燃焼工程から排気を減少させる混合をさらに向上させる。

本発明者が現在意図しているように、特定の好ましい実施形態に関して説明がなされたが、その広い態様において、本発明には、本明細書で説明された要素の機械的、機能的に同等な物が含まれるということを理解されたい。

構成部品の一般的な配置を示すとともに、燃料供給、エアコンプレッサおよび燃焼室の配置を特に示している典型的なターボファンガスタービンエンジンに亘る軸方向断面図。 本発明の第１実施例による燃料ノズルを備えた逆流型燃焼室に亘る詳細な軸方向断面図。 本発明の第２実施例による異なった位置に配置された燃料ノズルを備えた逆流型燃焼室に亘る詳細な軸方向断面図。 本発明による燃料ノズルの部分的に断面の等角図。 燃料ノズルの内部部品の細部を示す、図４の線５−５に沿った断面図。 図５の線６−６に沿った燃料ノズルの断面を示すとともに、燃料ボーテックスジェネレータの燃料偏向面のカスプに燃料噴流を方向づける小型燃料噴射チューブを示している詳細図。 燃料噴流間に配置された分離先端部に亘る空気流として生じた対になって隣接し逆回転している空気流の渦を示している断面図。

Claims (17)

1. 複数の燃料噴霧オリフィスに連通している燃料入口と、
   各燃料噴霧オリフィスから所定の間隔を隔て下流側に配置された燃料偏向面を有するとともに、上記燃料噴霧オリフィスと上記燃料偏向面との間に画定された混合室を有する燃料ボーテックスジェネレータと、
   上記混合室に連通している空気入口と、
   上記混合室の下流側にある燃料−空気混合気出口と、
   を備える燃料ノズルであって、
   上記燃料偏向面が、上記燃料噴霧オリフィスから噴射された燃料噴流を、複数の対になって隣接し逆回転している燃料含有渦の状態で、上記混合室に偏向させるように方向づける表面外形を有することを特徴とする燃料ノズル。
2. 上記空気入口と上記混合室との間に配置されるとともに空気流偏向面を有する空気流ボーテックスジェネレータを備え、上記空気流偏向面が、複数の対になって隣接し逆回転している空気流の渦の状態で、空気流を上記混合室に偏向するように方向づける表面外形を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料ノズル。
3. 上記の対になって隣接し逆回転している空気流の渦が、上記燃料噴流に対して横方向に偏向されることを特徴とする請求項２に記載の燃料ノズル。
4. 上記ノズルが、中心軸を有し、上記燃料噴流が、軸方向下流側に方向づけられ、上記の対になって隣接し逆回転している空気流の渦が、半径方向内側に方向づけられることを特徴とする請求項３に記載の燃料ノズル。
5. 上記燃料ボーテックスジェネレータの上記燃料偏向面が、各燃料噴霧オリフィスの方に向かっているカスプを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料ノズル。
6. 上記燃料偏向面が、隣接しているカスプ間に延びている凹形の弧を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料ノズル。
7. 上記空気流ボーテックスジェネレータの上記空気流偏向面が、隣接している燃料噴霧オリフィス間に配置された流れ分離先端部を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料ノズル。
8. 上記空気流偏向面が、隣接している流れ分離先端部間に延びている凹形の弧を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料ノズル。
9. 上記燃料−空気混合気出口周辺に配置されるとともに、上記空気流入口に連通している環状空気流出口を備える請求項１に記載の燃料ノズル。
10. 上記燃料入口と各燃料噴霧オリフィスとの間に配置された燃料分散ギャラリを備える請求項１に記載の燃料ノズル。
11. 上記燃料ギャラリに連通している近接端部を有するとともに、遠位端部に燃料噴霧オリフィスを有する複数の燃料噴霧チューブと、
    上記空気入口と連通するとともに、各燃料噴霧チューブ周囲に配置された空気アシストギャラリと、
    を備え、
    環状空気アシスト開口部に囲まれた上記燃料チューブが貫通して延びているカバープレートを上記空気アシストギャラリが含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料ノズル。
12. 上記空気入口および空気流出口に連通するとともに、環状空気供給通路を画定する外側シールドを備え、
    上記環状空気供給通路は、上記外側シールドと、上記外側シールドの内側に収納された上記燃料ギャラリとの間、空気アシストギャラリとの間、燃料ボーテックスジェネレータとの間、空気流ボーテックスジェネレータとの間、にそれぞれ画定されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料ノズル。
13. 燃焼室の音および流体力学の変動から圧縮機と燃料供給システムにより発生する音および流体力学の変動を分断することによりエンジン騒音発生を減少させる方法であって、
    上記方法が、
    複数の対になって隣接し逆回転している燃料含有渦の状態で燃料噴流を燃料ノズル混合室に偏向させること、
    結果として生じた燃料−空気混合気を上記燃料ノズル混合室から下流側の上記燃焼室に放出すること、
    を含むことを特徴とするエンジン騒音発生を減少させる方法。
14. 複数の対になって隣接し逆回転している空気流の渦の状態で空気流を混合室に偏向させることを含む請求項１３に記載の方法。
15. 燃焼室と、
    上記燃焼室に取りつけられた複数の燃料ノズルと、
    を備えるガスタービンエンジンであって、
    上記各燃料ノズルが、
    複数の燃料噴霧オリフィスに連通している燃料入口と、
    各燃料噴霧オリフィスから所定の距離を隔てた下流側に配置された燃料偏向面を有するとともに、上記燃料噴霧オリフィスと上記燃料偏向面との間に画定された混合室を有する燃料ボーテックスジェネレータと、
    上記混合室に連通している空気入口と、
    上記混合室の下流側にある燃料−空気混合気出口と、を有し、
    上記燃料偏向面が、複数の対になって隣接し逆回転している燃料含有渦の状態で、上記燃料噴霧オリフィスから噴射された燃料噴流を上記混合室に偏向させるように方向づける表面外形を有することを特徴とするガスタービンエンジン。
16. 上記各燃料ノズルが、上記空気入口と上記混合室との間に配置された空気流ボーテックスジェネレータをさらに備え、この空気流ボーテックスジェネレータが、複数の対になって隣接し逆回転している空気流の渦の状態で、空気流を上記混合室に偏向するように方向づける表面外形を備える空気流偏向面を有することを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン。
17. 各ノズルが、中心軸を有し、上記燃料噴流が、軸方向下流側に方向づけられ、上記の対になって隣接し逆回転している空気流の渦が、半径方向内側に方向づけられていることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン。

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