JP2007093200A - コーキング防止型インジェクタアーム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料そのものの流れによる冷却を利用することによって、インジェクタの特にアームについて、固定的な熱絶縁を省略でき、あるいは少なくとも大幅に低減できる新規な設計を提案する。
【解決手段】本発明によれば、インジェクタアーム（２２）が、燃料を連続的に供給する主燃料回路の一部を構成する周辺ダクト（２９）と、燃料を基本的に可変レートにて供給する二次燃料回路（３３）の一部を構成する中央ダクト（２８）とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジン、さらに具体的には航空機用ターボジェットの燃焼チャンバに取り付けられる燃料インジェクタに関する。本発明は、特に、それぞれが主回路および二次回路という２つの異なる燃料供給回路に属する２つのダクトが同軸に設けられているインジェクタアームについて、燃料のコーキングを防止するための改良に関する。

航空機用のターボジェットにおいては、燃焼チャンバに複数のインジェクタが、環状の燃焼チャンバの端壁において円周上に規則的に配置されて設けられている。各インジェクタは、噴射ヘッドを終端とする湾曲したアームを有している。アームは、燃焼チャンバを囲んでいる外側ケーシングに固定され、燃料が、アームに沿って噴射ヘッドへと流れる。高圧コンプレッサーからの圧縮空気が、ケーシング内を流れている。燃料は、燃焼チャンバ内での燃焼に先立って、燃焼チャンバの端部において空気と混合される。

エンジンのあらゆる動作条件下において燃料が適切に噴射されるように保証するため、それぞれ主回路および二次回路と称される２つの燃料回路を有する機械式のインジェクタが、提案されている。

いわゆる「主」回路、またはアイドリング回路は、とくに微細な燃料の噴射が得られるように設計されている。供給レートは小さいが、連続的である。

いわゆる「二次」回路、またはフル−スロットル回路は、燃料の供給レートを、特に離陸に必要とされる全出力をもたらすことができるフルスロットル点まで、大きくするように設計されている。一方で、二次回路は、常時使用されているわけではなく、二次回路の供給レートは、特定の速度においてはきわめて小さいこともある。

これら２つの回路からの燃料は、アームの内部に定められた同軸のダクトに沿って流れることで、噴射ヘッドへと到達する。

通常は、中央のダクトが主回路に属し、中央のダクトを囲んでいる筒状のダクトが、二次回路に属している。しかしながら、インジェクタの大部分、特にアームが高圧コンプレッサーの最終段からの高温空気の流れの中へと延びているため、高温（フルスロットル動作において、３００Ｋから９５０Ｋ）にさらされる可能性がある。さらには、コンプレッサーからの空気の温度が比較的高い（４３０Ｋから６００Ｋ）動作の或るいくつかの段階において、すでに述べたように、二次回路が必ずしも使用されておらず、あるいはきわめて少量の供給しか行なっていない場合がある。

これは、二次回路のうちのアーム内を延びている部位、すなわち外側の筒状のダクト内において、滞留している燃料のクロッギングまたはコーキングを引き起こす可能性がある。

この現象が、インジェクタの特性を損なう可能性があり、場合によってはインジェクタのいくつかを閉塞させるに至り、燃焼チャンバにおいて炭化（ｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎ）が不均一になり、燃焼チャンバ内の温度マップに歪みを生じさせる。これは、燃焼チャンバおよびタービンの性能を損なうことにつながりうる。これらの問題が、高圧ノズル、高圧タービン、および場合によっては低圧タービンの特定のいくつかの構成部品にさえも、焼損を生じさせる可能性がある。

コーキングの現象を回避するため、従来からの２回路の機械式インジェクタは、インジェクタアームの周囲の熱絶縁を強化している。したがって、このようなアームは、複雑かつ製造が高価につき、熱絶縁部材によって重量が増加している。

本発明は、燃料そのものの流れによる冷却を利用することによって、インジェクタの特にアームについて、固定的な熱絶縁を省略でき、あるいは少なくとも大幅に低減できる新規な設計を提案する。

さらに正確には、本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼チャンバのための燃料インジェクタであって、同軸な２つのダクトを備えるインジェクタアームを有しており、これらダクトが、それぞれ中央ダクトおよび中央ダクトを囲んでいる環状断面の周辺ダクトからなり、２ジェット式の噴射ヘッドを支持するとともにこの噴射ヘッドへの供給を行なっており、上記インジェクタヘッドが比較的高温の圧縮空気の流れの中に設置されている形式のインジェクタにおいて、上記周辺ダクトが、連続的に燃料を供給するいわゆる「主」燃料回路への接続に適する一方で、上記中央ダクトが、基本的に可変レートで供給を行なういわゆる「二次」燃料回路への接続に適しており、上記噴射ヘッドが、上記中央ダクトを流れる燃料を、上記周辺ダクトからの燃料のジェットの外側に位置する発散ジェットとして噴出させることができるチャネル構成を備えていることを特徴とするインジェクタを提供する。

主回路においては燃料が常に流れているため、主回路が今や二次回路の燃料を運んでいる中央ダクトの周囲を流れるようにすることで、中央ダクトにおいて燃料が滞留し、あるいは中央ダクトを流れる燃料のレートがきわめて少ない場合でも、中央ダクトにおけるコーキングを防止することが可能になる。高圧コンプレッサーからの空気よりもはるかに低い温度で届けられる主回路の燃料は、（連続的に流れているため）コーキングの問題を抱えることがなく、さらに二次回路の燃料が中央ダクト内に滞留している場合でも、これを冷却する機能を果たす。

すでに述べたように、主回路からの燃料をインジェクタによって送出される発散ジェットの中央において噴射し、二次回路からの燃料を噴射ジェットの周囲において噴射することが望ましい。

上記噴射ヘッドに、分配器を、上記アームに定められている２つのダクトの端部に接続して備えることができる。この分配器が、上記アームを延長する噴射端部ピースに収容され、上記チャネル構成が、基本的にこの分配器に設けられている。

例えば、中央ダクトが、上記分配器の軸方向の行き止まり穴によって延長され、孔が、この行き止まりの穴と、上記分配器の表面に例えば長手方向に形成される対応する溝との間を延びている。これらの溝が、上記端部ピースの内表面と協働して、上記端部ピースの自由端に定められた環状の開放空洞へと開く外側チャネルを形成する。

例えば、上記端部ピースの内側において上記分配器を延長するノズルが、実質的に螺旋状であって上記端部ピースの内壁に接触している外側リブを備えている。その結果、ノズルが端部ピースの内壁と協働し、上記分配器の外側チャネルと上記環状の空洞との間に位置する旋流用チャネルが定められる。燃料の旋流（すなわち、燃料を回転させる）が、発散するジェットを得るべく機能する。

主回路の燃料に関しては、上記ノズルが、上記分配器の端部と協働して中央空洞を定めるべく中空であり、この中央空洞が、燃料を噴射するための中央オリフィスを備えている。アーム内に定められている上記周辺ダクトが、上記分配器を貫いて形成されて上記中央空洞へと開いている孔に連通している。これらの孔は、中央空洞内の燃料に旋流を生じさせて、発散すべく噴出される噴射燃料のジェットを生じさせるため、少なくとも部分的に上記分配器の軸に対して斜めに延びている。

さらに本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼チャンバへと燃料を注入するためのインジェクタシステムであって、連続的に燃料を供給するいわゆる「主」燃料回路と、基本的に可変レートで燃料を供給するいわゆる「二次」燃料回路と、同軸な２つのダクトを備えたインジェクタアームとを有しており、上記ダクトが、それぞれ中央ダクトおよび中央ダクトを囲んでいる環状断面の周辺ダクトからなり、２ジェット式の噴射ヘッドを支持するとともにこの噴射ヘッドへの供給を行なっており、上記インジェクタアームが比較的高温の圧縮空気の流れの中に設置されている形式のインジェクタシステムにおいて、上記周辺ダクトが、いわゆる「主」燃料回路へと接続される一方で、上記中央ダクトが、いわゆる「二次」燃料回路へと接続され、上記噴射ヘッドが、上記中央ダクトを流れる燃料を、上記周辺ダクトからの燃料のジェットの外側に位置する発散ジェットとして噴出させることができるチャネル構成を備えていることを特徴とするインジェクタシステムを提供する。

以下で、本発明の原理を適用してなるインジェクタについて、添付の図面を参照しつつあくまで純粋な例として説明する。この説明に照らし、本発明をよりよく理解することができ、本発明の他の利点がさらに明白になるであろう。

図１は、航空機用ターボジェット１０の燃焼チャンバ１１の一部分を示す片側断面図である。燃焼チャンバは、おおむね環状の形状であって、いくつかのインジェクタ１５の噴射ヘッド１４が内部に組み込まれている端部１２を有しており、インジェクタは、燃焼チャンバを囲むケーシング１６によって保持されている。インジェクタ１５は、円周上に規則的に離間して配置されている。上流に位置する高圧コンプレッサーからの比較的高温の加圧空気が、環状のディフューザ１８を通ってケーシング内へと注入される。この高温の空気は、２つの流れへと分かれ、一方が燃焼チャンバ１１の周囲でケーシング１６を通過し、他方が、燃焼チャンバの端部１２のオリフィスを通って燃焼チャンバ内に入り込み、噴射ヘッド１４から燃焼チャンバ内へと噴射される燃料と混ざり合う。この燃料が燃焼して、下流に位置する高圧タービン２０を駆動するためのガスがもたらされる。

各インジェクタ１５は、２つのダクトを有するインジェクタアーム２２を備えており、これら２つのダクトが同軸であって、２ジェット式である噴射ヘッド１４を支持するとともに、噴射ヘッドへの供給を行なっている。アーム２２は、噴射ヘッドを燃焼チャンバに対して直角に保持すべく湾曲している。アームの構造は、きわめて簡潔である。アームは、保護カバー２５によって囲まれた外側チューブ２４と、外側チューブの内側に同軸に入り込んだ内側チューブ２６とを有しており、上記内側チューブによって定められる中央ダクト２８、および外側チューブ２４と内側チューブ２６との間に定められ、中央ダクトを囲んでいる環状断面の周辺ダクト２９という２つの同軸なダクトを定めている。図１に見て取れるように、インジェクタアームは、比較的高温の圧縮空気の流れの中に設置されており、すなわち、一部分が燃焼チャンバ１１の外側を巡る空気の流れの中に位置し、一部分が上記燃焼チャンバの内部へと進入する空気の流れの中に位置している。

さらに、すでに述べたように、各インジェクタ１５は、供給状況を種々のエンジン速度に合わせるように機能する２つの燃料供給回路に接続されている。ケーシング１６の外側に、これら２つの回路が一点差線で表現されている。エンジンの動作状態にかかわらず、少ないが連続的なレートで燃料を供給するいわゆる「主」燃料回路３２またはアイドリング回路と、基本的に可変であって特定の動作段階においてはきわめて少なく、場合によってはほとんどゼロにさえなりうるレートで燃料を供給するいわゆる「二次」燃料回路３３とを、見て取ることができる。

本発明の重要な特徴によれば、周辺ダクト２９が、いわゆる「主」燃料回路３２の一部を構成する一方で、中央ダクト２８が、いわゆる「二次」燃料回路３３の一部を構成する。したがって、上述の理由により、周辺ダクトを流れる燃料（ケーシング内を流れる空気の温度よりもはるかに低い温度にある）は、充分なレートで流れているためにコーキングを生じる時間がなく、さらには、中央ダクト２８に存在する燃料を効果的に熱から保護するように機能する。周辺ダクトを流れる燃料が、内側チューブ２６を常に冷却し、特定の時点において中央ダクト内に滞留しているであろう燃料へと、熱が伝わらないようにする。この結果、中央ダクト内の燃料のコーキングが防止される。

結果として、従来のインジェクションシステムに設けられている高価かつ複雑な絶縁システムのすべてを、省略することが可能である。

従来からの２系統流れのインジェクタにおいては、二次回路３３からの燃料のジェットが、主回路３２からの燃料のジェットを囲むことが望まれている。これを行なうため、本発明の文脈においては、噴射ヘッドが、上記中央回路２８を流れる燃料を、周辺ダクト２９からの燃料のジェットの外側に位置する発散ジェットとして噴出させることができるようにするチャネル構成を有している。

図面に見て取れるように、噴射ヘッド１４は、アーム２２の端部において、分配器３５と、上記分配器を延長するノズル３７と、アーム２２の端部に接続され分配器およびノズルを囲んでいる端部ピース３８とを有している。

分配器３５は、両方のダクト２８および２９の端部に接続されている。分配器３５は、噴射ヘッド１４によって生み出される２つの発散噴射の軸と一致する軸ｘ−ｘを中心として、おおむね円柱形である。上述のチャネル構成は、基本的には分配器に位置している。

すなわち、中央ダクト２８が、上記分配器の軸方向の行き止まり穴３９によって延長されている。この行き止まり穴に対して直角に延びる孔４１（この例では、互いに９０°に位置する４つの孔）が、行き止まり穴と分配器の表面に、この例では長手方向に形成された対応する溝４２との間を延びている。端部ピース３８が分配器へと被せられているため、これらの溝４２が端部ピースの内表面と協働し、端部ピースの自由端に定められた環状の開放空洞４５へとつながる外側チャネル４３を形成している。端部ピースは、上記環状の開放空洞４５からの出口の外周を定める円錐状のオリフィス４７を備えている。この環状の空洞は、内側については、この例では円錐形であるノズル３７の外表面によって定められている。ノズル３７の外表面は、端部ピースの内側において分配器３５を延長するとともに、実質的に螺旋状であって端部ピース３８の内壁に接している外側リブ６０を有している。したがって、これらのリブが内壁と協働し、外側チャネル４３と環状の空洞４５との間に位置する旋流用チャネルを定めている。

したがって、中央ダクト２８によって運ばれた燃料が、行き止まりの穴３９へと進入し、次いで孔４１を通って外側チャネルに入り、その後に旋流用チャネルに入り込む。これが、周辺ダクトからのジェットを囲む発散ジェットを生み出す。

ノズル３７は中空であり、主回路からの燃料を噴射すべく中央オリフィス５２を介して軸方向に開く中央空洞５０を定めるため、分配器３５の端部と協働している。このように、環状の空洞４５が、中央のオリフィス５２の全周を巡って開放している。周辺ダクト２９が、分配器に形成されて上記中央空洞５０へと開いている孔５５に、連通している。図示のとおり、これらの孔は、最初は実質的に長手方向に、すなわち軸に対して平行に延び、次いで燃料が中央空洞において旋流するよう、軸に対して斜めに延びている。このやり方で、中央オリフィス５２から噴射されるジェットを発散させることができる。

本発明は、主としてコーキング防止の構成に関係し、すなわち基本的にはアーム２２の構造に関係している。このような構造は、上述のように定義された主回路および二次回路によって供給を受けるように設計されている他の形式の噴射ヘッドにおいても、使用することが可能である。

燃焼チャンバの概略の断面図であり、本発明によるインジェクタを示している。 インジェクタの端部の分解斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩにおける、インジェクタ端面の断面斜視図である。 図２のＩＶ−ＩＶにおける、インジェクタ端面の断面斜視図である。

符号の説明

１０ 航空機用ターボジェット
１１ 燃焼チャンバ
１２ 端部
１４ 噴射ヘッド
１５ インジェクタ
１６ ケーシング
１８ ディフューザ
２０ 高圧タービン
２２ インジェクタアーム
２４ 外側チューブ
２５ 保護カバー
２６ 内側チューブ
２８ 中央ダクト
２９ 周辺ダクト
３２ 「主」燃料回路
３３ 「二次」燃料回路
３５ 分配器
３７ ノズル
３８ 端部ピース
３９ 行き止まり穴
４１ 孔
４２ 溝
４３ 外側チャネル
４５ 開放空洞
４７ オリフィス
５０ 中央空洞
５２ 中央オリフィス
５５ 孔
６０ 外側リブ

Claims (16)

1. ガスタービンエンジンの燃焼チャンバのための燃料インジェクタであって、同軸な２つのダクト（２８、２９）を備えたインジェクタアーム（２２）を有しており、ダクトが、それぞれ中央ダクト（２８）および前記中央ダクトを囲んでいる環状断面の周辺ダクト（２９）からなり、２ジェット式の噴射ヘッド（１４）を支持するとともに該噴射ヘッドへの供給を行なっており、前記インジェクタヘッドが比較的高温の圧縮空気の流れの中に設置されている形式のインジェクタにおいて、
   前記周辺ダクト（２９）が、連続的に燃料を供給するいわゆる「主」燃料回路（３２）への接続に適する一方で、前記中央ダクト（２８）が、基本的に可変レートで供給を行なういわゆる「二次」燃料回路（３３）への接続に適しており、前記噴射ヘッド（１４）が、前記中央ダクトを流れる燃料を、前記周辺ダクトからの燃料のジェットの外側に位置する発散ジェットとして噴出させることができるチャネル構成を備えていることを特徴とする、インジェクタ。
2. 前記噴射ヘッド（１４）が、前記アームを延長している噴射端部ピース（３８）の内側に収容されて２つのダクト（２８、２９）の端部に接続される分配器（３５）を備えており、前記チャネル構成が、基本的に前記分配器に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料インジェクタ。
3. 前記中央ダクト（２８）が、前記分配器の行き止まりの穴（３９）によって延長され、孔（４１）が、前記行き止まりの穴と前記分配器の表面に形成された対応する溝（４２）との間を延びており、溝が、前記端部ピースの内表面と協働して、前記端部ピースの自由端に定められた環状の開放空洞（４５）へと開く外側チャネル（４３）を形成していることを特徴とする、請求項２に記載のインジェクタ。
4. 前記端部ピース（３８）の内側に、前記分配器を延長するノズル（３７）を備えており、前記開放空洞（４５）が、前記ノズルと前記端部ピースの内壁との間に定められており、前記ノズルが、前記分配器の端部と協働して中央空洞（５０）を定めるべく中空であり、前記周辺ダクト（２９）が、前記分配器に形成されて前記中央空洞へと開いている孔（５５）に連通しており、前記中央空洞が、前記主回路からの燃料を噴出させるための中央オリフィス（５２）を備えており、前記環状の空洞（４５）が、前記二次回路からの燃料を噴射するため前記中央オリフィスの全周を巡って開いていることを特徴とする、請求項３に記載のインジェクタ。
5. 孔（５５）が、前記中央空洞（５０）内の燃料に旋流を生じさせるため、少なくとも部分的に前記分配器の軸に対して斜めに延びていることを特徴とする、請求項４に記載の燃料インジェクタ。
6. 前記ノズルが、前記端部ピースの内壁と協働して前記外側チャネル（４３）と前記環状の空洞（４５）との間に位置する旋流用チャネルを定めるため、実質的に螺旋状であって前記端部ピースの内壁に接触している外側リブ（６０）を有していることを特徴とする、請求項４に記載のインジェクタ。
7. 前記中央ダクト（２８）および前記周辺ダクト（２９）が、同軸のチューブ（２４、２６）によって定められていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のインジェクタ。
8. ガスタービンエンジンの燃焼チャンバへと燃料を投入するためのインジェクタシステムであって、連続的に燃料を供給するいわゆる「主」燃料回路（３２）と、基本的にレートで燃料を供給するいわゆる「二次」燃料回路（３３）と、同軸な２つのダクト（２８、２９）を備えたインジェクタアーム（２２）とを有しており、ダクトが、それぞれ中央ダクト（２８）および前記中央ダクトを囲んでいる環状断面の周辺ダクト（２９）からなり、２ジェット式の噴射ヘッド（１４）を支持するとともに該噴射ヘッドへの供給を行なっており、前記インジェクタアームが比較的高温の圧縮空気の流れの中に設置されている形式のインジェクタシステムにおいて、
   前記周辺ダクト（２９）が、いわゆる「主」燃料回路（３２）へと接続される一方で、前記中央ダクト（２８）が、いわゆる「二次」燃料回路（３３）へと接続され、前記噴射ヘッド（１４）が、前記中央ダクトを流れる燃料を、前記周辺ダクトからの燃料のジェットの外側に位置する発散ジェットとして噴出させることができるチャネル構成を備えていることを特徴とする、インジェクタシステム。
9. 前記噴射ヘッド（１４）が、前記アームを延長している噴射端部ピース（３８）の内側に収容されて２つのダクト（２８、２９）の端部に接続される分配器（３５）を備えており、前記チャネル構成が、基本的に前記分配器に形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料インジェクションシステム。
10. 前記中央ダクト（２８）が、前記分配器の行き止まりの穴（３９）によって延長され、孔（４１）が、前記行き止まりの穴と前記分配器の表面に形成された対応する溝（４２）との間を延びており、溝が、前記端部ピースの内表面と協働して、前記端部ピースの自由端に定められた環状の開放空洞（４５）へと開く外側チャネル（４３）を形成していることを特徴とする、請求項９に記載のインジェクションシステム。
11. 前記端部ピース（３８）の内側に、前記分配器を延長するノズル（３７）を備えており、前記開放空洞（４５）が、前記ノズルと前記端部ピースの内壁との間に定められており、前記ノズルが、前記分配器の端部と協働して中央空洞（５０）を定めるべく中空であり、前記周辺ダクト（２９）が、前記分配器に形成されて前記中央空洞へと開いている孔（５５）に連通しており、前記中央空洞が、前記主回路からの燃料を噴出させるための中央オリフィス（５２）を備えており、前記環状の空洞（４５）が、前記二次回路からの燃料を噴射するため前記中央オリフィスの全周を巡って開いていることを特徴とする、請求項１０に記載のインジェクションシステム。
12. 孔（５５）が、前記中央空洞（５０）内の燃料に旋流を生じさせるため、少なくとも部分的に前記分配器の軸に対して斜めに延びていることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料インジェクションシステム。
13. 前記ノズルが、前記端部ピースの内壁と協働して前記外側チャネル（４３）と前記環状の空洞（４５）との間に位置する旋流用チャネルを定めるため、実質的に螺旋状であって前記端部ピースの内壁に接触している外側リブ（６０）を有していることを特徴とする、請求項１１に記載のインジェクションシステム。
14. 前記中央ダクト（２８）および前記周辺ダクト（２９）が、同軸のチューブ（２４、２６）によって定められていることを特徴とする、請求項８から１３のいずれか一項に記載のインジェクションシステム。
15. ガスタービンエンジンの燃焼チャンバであって、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料インジェクタが複数、円周上に規則的に離間して取り付けられている、燃焼チャンバ。
16. 請求項１５に記載の燃焼チャンバを備えている、ターボ機械。

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