JP2007183093A - 特にジェットエンジンの燃焼チャンバ用の多モード燃料噴射器 - Google Patents

Abstract

【課題】高いエンジン速度、特に離陸時の汚染排気物を制限することを可能にする多モード燃料噴射器を提供する。
【解決手段】少なくとも２個の同軸燃料霧化システムを備える燃焼チャンバ用燃料噴射器である。
燃料噴射器は、周縁に一定間隔で分配された複数の燃料噴出オリフィス（３１）と、環状空気渦流偏向器とを有する周辺の霧化システムを備え、環状空気渦流偏向器は、噴出オリフィス（３１）によって画定される燃料噴出軸の各々に対して対応する空気噴出チャネルが存在して、その少なくとも径方向に最も内側部分がこの燃料噴出軸に実質上交差する中心線（Ｍ）を有するような、空気噴出チャネル（３６）を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、特にジェットエンジンの燃焼チャンバ用の多モード燃料噴射器に関する。さらに詳細には、本発明はより良好な周辺の霧化を保証することのできる改良に関する。

燃料はいくつかの燃料噴射器を経由して、ガスタービンエンジンの従来の燃焼チャンバ中に導入される。燃料は導入される前に各燃料噴射器中で空気と混合され、次いで燃焼チャンバで燃焼する。

多モード燃料噴射器は、エンジンの運転速度に応じて燃料の噴出を変えることが知られている。例えば、欧州特許第１，３６９，６４４号明細書は、２つの同軸燃料霧化システムを用いて、噴出の２つのモードを組み合わせた燃料噴射器について記載しており、燃料を低いエンジン速度に最適化して燃焼ゾーンに導入することの可能な比較的低い連続的な（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ）流量を有する第１回路と、燃料を高いエンジン速度に最適化して燃焼ゾーンに導入する断続的な流量を有する第２回路のそれぞれ２個の燃料分配回路によって供給される。この目的のために、霧化システムは、上記第１回路によって供給される中央のノズルと、第２回路によって供給される周辺の分配チャンバを備える、霧化ヘッドを含む。
欧州特許第１，３６９，６４４号明細書

上述の第１のシステムでは、周辺霧化の品質が高いエンジン速度での汚染排気物の量を左右する。本発明は高いエンジン速度、特に離陸時の汚染排気物を制限することを可能にする多モード燃料噴射器を提供する。

さらに詳細には、本発明は、少なくとも２個の同軸燃料霧化システムを有する型式の燃焼チャンバ用多モード燃料噴射器に関し、周辺の霧化システムは、周縁に沿って一定間隔で分配された複数の燃料噴出オリフィスに連絡する環状分配チャンバを有する分配器と、上記複数の噴出オリフィスに対して外側に径方向に取り付けられた環状空気渦流偏向器を備えることを特徴とし、上記偏向器は、周縁に沿って一定間隔に配置された空気噴出チャネルを画定して、上記噴出オリフィスから来る燃料ジェットに向かって空気を導く翼を備えることを特徴とし、噴出オリフィスによって画定される燃料噴出軸の各々に対して対応する空気噴出チャネルが存在して、少なくともその径方向に最も内側の部分が、この燃料噴出軸に実質上交差する中心線を有することを特徴とする。

さらに、それらの燃料噴射器の軸状設置面積を制限するために、上記環状偏向器はそれぞれ上流と下流に、２個の同軸の内方向の切形壁（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ｗａｌｌ）を備え、その円錐形は下流に向かって導かれる。環状分配チャンバは上記噴出オリフィスが設けられる切形壁を備え、この切形壁の外部面は、上記環状偏向器の上流の壁の内部面に平行な、またはそこに合流する発生器を有する。

このようにして、環状分配チャンバは上記環状偏向器内部に同軸状に嵌合し、霧化システムの軸状設置面積を低減する。

また、本発明は、上で定義した複数の多モード燃料噴射器を装備した任意の燃焼チャンバに関する。

また、本発明は、この型式の燃焼チャンバを装備した任意のジェットエンジンに関する。

本発明は、添付の図面を参照しながら純粋に例示として与えられる、その原理に従う多モード燃料噴射器の以下の説明によって、より良好に理解され、その他の利点が明らかになるであろう。

図１において、ターボエンジンの環状燃焼チャンバ１５の後部壁１３上に取り付けられた多モード燃料噴射器１１の１つを断面概略図で示す。例において、２つの噴出モードが組み合わされ、説明される燃料噴射器は、本明細書において連続的流量を有する第１回路１７と、本明細書において断続的流量を有する第２回路１９のそれぞれ２個の燃料分配回路によって供給される、２個の同軸燃料霧化システムを備える。

通常、２個の回路は、２個の同軸通路１７ａおよび１９ａが設けられてそれぞれ第１および第２回路に属する、霧化ヘッド１８に接続されたアーム２１を有する。連続的流量を有する第１回路は比較的弱い流量を有する。それは特により低いエンジン速度に適合する。

断続的流量を有する第２回路１９は、燃料の流量をフルスロットル点まで補充するように設計され、特に離陸に必要な全ての出力を得ることを可能にする。その第１可変流量はゼロであってよく、またはあるエンジン速度で非常に弱くすることができる。

高圧圧縮機から来る圧縮空気（図示されない）は燃焼チャンバ１５の周囲の筐体２３中を循環する。空気は矢印Ｆの方向に従って上流から下流へ循環する。

説明の残りの中で、用語「上流」または「下流」は、ガスの流れ方向を考慮して、１つの要素の他の要素に対する位置を示すために用いられる。

空気の一部は燃焼チャンバ１５中に侵入し、燃料噴射器１１を通過する。燃料はその燃焼チャンバ中で点火する前にチャンバの後部で空気と混合される。

霧化ヘッド１８において、第１回路１７は軸状燃料噴出ノズル２７（本明細書では霧化ヘッド自体の軸Ｘが考慮される）に終端し、第２回路は環状分配チャンバ３０を備える分配器２９に接続されて、分配器の下流端部で周縁に沿って一定間隔で分配される複数の燃料噴出オリフィス３１に連絡する。

霧化ヘッドは、アーム２１に取り付けられた環状本体３９を備え、上記第１および第２回路に付属して、通路１７ａ、１９ａをそれぞれノズル２７と分配チャンバ３０に接続する孔が設けられる。図１上では、通路１９ａを分配チャンバ３０に接続する孔１９ｂを特に認識することができる。

また、霧化ヘッド１８は、その複数の噴出オリフィスに対して外側に径方向に設置された、通常「渦流器」と呼ばれる環状空気渦流偏向器３３を備える。この偏向器は周縁に翼３５を備え、これらの間に一定の間隔で周縁に配置されて空気を燃料ジェットに向かって導く空気噴出チャネル３６を画定する。

分配器２９は２個の環状部品から構成され、互いに嵌合して（および互いに蝋付けされ）これらの間に上記分配チャンバ３０を画定する。部品の１つは上述の本体３９である。他の部品は一種の蓋を形成する環状フランジ４１であり、これは本体の下流端部で嵌合する。このフランジ４１にオリフィス３１が穿孔される。

本体３９およびフランジ４１は、対応する直径を有する円筒状領域を備え、それらの互いの中心合わせを確実にする。２個の部品は蝋付けによって組み立てられる。

図３が示すように、本体３９の下流面に溝が刻まれる。全体的に環状の溝４５は分配チャンバ３０の核心部分を画定し、この溝は再びフランジ４１によって閉じられて上記チャンバ３０を構成する。他の溝４７、４８は第１回路１７の通路部分を画定し（それらもフランジ４１によって閉じられる）、以下に詳細を説明する。

有利なことに、溝４５、４７、４８は環状本体３９の粗鋳造体に電気浸食作業を一回行うことによって得ることができる。電気浸食工具の形状は図３に見える断面の形状に一致し、これらの溝４５、４７、４８を画定する。

環状空気渦流偏向器３３は蝋付けによって組み立てられた２個の環状部品５１、５３から作られる。それは図４に斜視図で示される。２個の部品は翼３５を有するリス籠の一種を形成し、図２に示すように、その厚さは内部に向かって減少する。上流の環状部品５１は翼３５を備える下流の環状部品５３に嵌合する。部品５１、すなわち偏向器の上流壁は、フランジ４１の球状領域５７の外部直径に等しい直径を有する内部円筒状領域５５を備える。分配器のこの球状領域５７は偏向器の円筒状領域５５中に嵌合する。下流の環状部品５３は、典型的にボウルと呼ばれる分岐円錐要素６１によって下流に向かって延在し、周縁に沿って一定間隔で分配された２組のオリフィス６３、６５が穿孔される。オリフィス６３は要素６１の円錐部分に設けられる。より小さなオリフィス６５は外部の径方向フランジ６７上に設けられる。それらは径方向偏向器６９に面して現れる（図１）。

圧縮機から来る空気はチャンバの後部に衝突し、チャネル３６および詳細にはオリフィス６３、６５を通過する。

図示したように、２個の部品５１、５３から構成される環状偏向器３３は、それぞれ上流および下流に２個の同軸内部切形壁５１ａ、５３ａを備える。壁５１ａは部品５１中に画定される。壁５３ａは部品５３中に画定される。これらの壁の円錐形は下流に向かって導かれる、すなわちそれらの直径は上流から下流へ向かって減少する。また、分配チャンバ３０は下流の切形壁を備える。それはオリフィス３１が設けられるフランジ４１の壁である。この壁の外側は、環状偏向器の上流壁５１ａの内部面に平行な、または（本明細書の場合のように）これに合流する発生器を有する。

これらの面の円錐形の角度は４５°〜８０°の範囲であるのが有利である。

他の有利な特徴によれば、各孔３１の軸はこの点で表面５１ａの発生器に垂直である。

図２を参照すれば、各空気噴出チャネル３６には、少なくともその径方向に最も内側の部分の平行な表面から等距離にある線として、中心線Ｍが画定される。説明される例において、実際に翼３５の１つの表面ａは平坦であるが、隣接する他の翼の表面ｂは表面ａに平行な少なくとも短い内側部分ｃを備える。したがって、中心線Ｍは表面ａおよびｃから等距離である。ａとｃの間に位置する部分は対象の空気噴出チャネルのゲージゾーンを構成する。表面ｂは部分ｃに合流することができよう。

顕著な特徴によれば、噴出オリフィス３１によって画定される燃料噴出軸の各々に空気噴出チャネル３６（２個の翼３５の間に）が存在し、その少なくとも径方向に最も内側部分（すなわちゲージゾーン）はこの燃料噴出軸に実質上交差する中心線Ｍを有する。

例において、燃料噴出オリフィスの数は空気噴出チャネルの数に等しい。代りに、空気噴出チャネルの数は燃料噴出オリフィスの数の倍数とすることができる。

図２の構成を得るために、組み立てのための割出手段（切り欠きおよび突起）が設けられることはいうまでもない。分配器２９は燃料噴射器１１の部分を構成し、偏向器３３はチャンバ１３の後部に組み立てられる（燃料噴射器１１およびチャンバ１３の後部は筐体２３によって配列される）。分配器２９は偏向器３３中で表面５５と５７の周りを滑る。

渦流器の空気チャネルを燃料噴出オリフィスに対して配置するこの特別の構成は、この燃料の最適な霧化を可能にする。空気−燃料混合物の均一性は燃焼を改善し汚染を低減する。

さらに、壁５１ａ、５３ａの傾きは結果として空気渦流偏向器を横断する空気流の妨害を少なくする。また、装置の軸状断面積を全体的に低減する。

また、霧化ヘッド１８は環状本体３９の内部に軸状に組み立てられた中心部品７５（空気渦流偏向器を形成する）を備える。この部品は図５に斜視図で示される。これは周縁に一定間隔で配置された翼７７を備える。したがって、スロート７８がこれらの翼の間に画定される。これらの形状はスロートが軸Ｘに対して傾斜するようになっている。中心部品が環状本体３９中に嵌合されるとき、スロート７８は再び外側で径方向に閉じられ、ノズル２７の周りに配置された他の空気渦流偏向器または「渦流器」の空気噴出チャネルを画定する。

部品７５はその円錐形が下流に向かって導かれる下流の円錐部分を備え、その上流端部で本体３９中に画定される、対応する円錐部分に嵌合する。翼７７はこの円錐部分中に画定され、ここでも霧化ヘッド１８の軸状断面積（Ｘに一致する）を低減する。加えて、部品７５は上流に円筒状領域８５を備え、これは上記本体３９中に部品７５を良好に中心合わせするために本体３９の上流に画定された対応する円筒状領域に配列される。割出手段は部品７５と本体３９間の周縁方向の位置決めを確実にする。

閉じた空洞７９が部品７５の中心に画定される。ノズル２７がこの空洞中に取り付けられる。翼７７中に通路８０が設けられ、上記空洞７９中に現れる。それは第１回路の最終部分を構成する。この通路８０は本体３９の他の孔８１に連絡し、溝４８の１つの端部に現れる（図３）。本体３９に設けられた孔８２は、上で定義した第１回路に属する通路１７ａの端部に溝４７の一端を接続する。

顕著な特徴によれば、上記第１回路は、冷却のため、上記分配チャンバ３０に隣接する少なくとも１個の通路部分８６を備える。実際には、この通路部分８６はフランジ４１で覆われた溝４７、４８によって画定されたチャネルによって構成される。説明の例において、上記通路部分は、上記分配チャンバに対して径方向に外側に配置された外側の環状部分（溝４７に対応する）と、上記分配チャンバに対して径方向に内側に配置された内側の環状部分（溝４８に対応する）とを備える。

図３の実施形態において、電気浸食によって得られた構造は溝４５を横断する径方向通路８４を画定し、溝４７と４８間の連絡を確立する。また、径方向壁８７は孔８１のオリフィス近傍に画定され、燃料を内部環状部分に実質上３６０°に渡って流れさせる。したがって、図３の例において、第１回路の上記通路部分８６を構成する２個の前述の環状部分は直列に接続される。第１回路の燃料は孔８２を通ってこの迷路に侵入し、分配チャンバ３０の外側周囲を径方向に循環し、次いで分配チャンバ３０に対して内側を径方向に循環した後、孔８１を経由し次いで通路８０を経由して空洞７９に再び合流する。

第１回路中の燃料の流れが連続的であるので、いかなる状況においても分配チャンバ３０は確実に冷却され、第２回路中の流量がゼロまたは非常に弱いときに発生し得る上記分配チャンバ中の燃料のコーキング現象が回避される。

図６は分配チャンバ３０の構造およびその冷却を確実にする上記通路部分８６ａの代替例を示す。

分配チャンバは、２個の孔１９ｂ１、１９ｂ２によって別々に供給される２個の対称部分（２個の対称性溝４５ａ、４５ｂによって画定される）を備え、両方とも通路１９ａに接続される。

溝４５ａ、４５ｂを取り囲む、溝によって画定された２個の環状内部および外部部分は各々、分配チャンバの２個の対称性部品（溝４５ａ、４５ｂ）に隣接するそれぞれ２個の分岐を備える。

したがって、外部環状部分は２個のそれらの対称性分岐（溝４７ａ、４７ｂ）を備え、通路８０ａ、８０ｂを経由して、空洞７９に連絡する２個の孔８２ａ、８２ｂを別々に供給する。それらは分配チャンバの２個の対称性部品間に配置された径方向通路８７の周りで合流し、やはり２個の対称性分岐（溝４８ａ、４８ｂ）を備える内部の環状部分に再び接続し、通路８７の対角線上の点で合流して、通路１７ａによって供給される孔８１に再び接続する。

分配チャンバに隣接する上記通路部分８６ａのこの構造による燃料の対称的な流れは、特に分配チャンバの均一な冷却を確実にする。

同じ構造要素が同じ参照符号で表される図７における代替例では、ノズル２７の周囲に配置された空気渦流偏向器が変更されている。これは２個の逆回転「渦流器」を画定する、軸状に組み立てられた２個の環状案内９０、９１から構成される。言い換えれば、内部渦流偏向器９０ａと外部空気渦流偏向器９１ａとは、ベンチュリを形成する形状にされた環状案内９０によって分離され、区別される。他の環状案内９１はボウルまで下流に向かって延在し、分配チャンバ３０に付随する「渦流器」との相互作用を回避する。この構成は空気流の「剪断」を増加させ、ノズルから来る燃料の霧化に関与する。ノズルの周囲に画定された２個の渦流器が逆回転であることは、Ｘ軸近傍の燃料の霧化の集中を助長する。ベンチュリの存在によって加速が可能になり、したがってノズルから放出される燃料液滴を低下させ、この燃料の霧化に大きく加担する。外部渦流器から来る空気は、軸Ｘに向かって導かれる成分を有して、ボウルに導入される。２個の渦流器から来る両方の空気流の合流ゾーンは高い乱流を有する流れを形成し、燃料の霧化を向上させる。全体として、この構造は低いエンジン速度における燃焼チャンバの良好な安定性と良好な性能を保証する。

本発明による燃料噴射器の立面および断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 電気浸食によって得た燃料噴射器の環状本体の下流面を示す図である。 燃料噴射器の部分展開斜視図である。 燃料噴射器の他の部分斜視図である。 代替例を示す図３に類似の図である。 他の代替例を示す、図１に類似の部分半断面図である。

符号の説明

１１ 燃料噴射器
１３ 後部壁
１５ 環状燃焼チャンバ
１７ 第１回路
１７ａ、１９ａ 軸状通路
１８ 霧化ヘッド
１９ 第２回路
１９ｂ１、１９ｂ２、８１、８２ 孔
２１ アーム
２３ 筐体
２７ 軸状燃料噴出ノズル
２９ 分配器
３０ 環状分配チャンバ
３１ 燃料噴出オリフィス
３３ 環状空気渦流偏向器
３５ 翼
３６ 空気噴出チャネル
３９ 環状本体
４１ 環状フランジ
４５、４７、４８ 溝
５１、５３ 環状部品
５１ａ、５３ａ 同軸内部切形壁
５５ 内部円筒状領域
５７ 球状領域
６１ 分岐円錐要素
６３、６５ オリフィス
６７ 径方向フランジ
６９ 径方向偏向器
７５ 中心部品
７７ 翼
７８ スロート
７９ 空洞
８０、８７ 通路
８４ 径方向通路
８５ 円筒状領域
８６ 通路部分
９０、９１ 環状案内

Claims (10)

1. 少なくとも２個の同軸燃料霧化システムを備える型式の燃焼チャンバ用多モード燃料噴射器であって、周辺の霧化システムが、周縁に沿って一定間隔で分配された複数の燃料噴出オリフィス（３１）に連絡する環状分配チャンバ（３０）を有する分配器と、前記複数の噴出オリフィスに対して径方向に外側に取り付けられた環状空気渦流偏向器（３３）とを備え、前記偏向器が、周縁に沿って一定間隔に配置された空気噴出チャネル（３６）を画定して上記噴出オリフィスから来る燃料ジェットに向かって空気を導く翼を備え、噴出オリフィスによって画定される燃料噴出軸の各々に対して対応する空気噴出チャネルが存在して、少なくともその径方向に最も内側の部分がこの燃料噴出軸に実質上交差する中心線（Ｍ）を有することを特徴とする、燃料噴射器。
2. 燃料噴出オリフィス（３１）の数が、空気噴出チャネル（３６）の数に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射器。
3. 空気噴出チャネルの数が、燃料噴出オリフィスの数の倍数であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射器。
4. 前記環状偏向器が、それぞれ上流と下流に、その円錐形が下流に向かって導かれる２個の同軸の内部の切形壁（５１ａ、５３ａ）を備え、前記環状分配チャンバが、前記オリフィスが設けられる切形壁を備え、この切形壁の外部面が、前記環状偏向器の前記上流壁の内部面に平行な、または合流する発生器を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料噴射器。
5. 前記面の円錐の角度が４５°〜８０°の範囲であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料噴射器。
6. 前記偏向器の上流壁が内部の円筒状領域（５５）を備え、ここに前記分配器に一致する直径を有する球状領域（５７）が嵌合されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料噴射器。
7. 前記分配器が、円筒状領域を有する２個の環状部品（３９、４１）から構成され、互いに嵌合してこれらの間に前記環状チャンバを画定す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燃料噴射器。
8. 軸状燃料噴出ノズル（２７）を備える他の霧化システムに、このノズルの周囲に配置された他の空気渦流偏向器（７５）と、２個の逆回転する渦流器（９０ａ、９１ａ）を画定する２個の軸状に組み立てられた環状案内（９０、９１）とが設けられることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料噴射器。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の複数の多モード燃料噴射器を備えることを特徴とする、燃焼チャンバ。
10. 請求項９に記載の燃焼チャンバを備えることを特徴とする、ジェットエンジン。

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