JP2007309637A - ターボ機械の燃焼チャンバ - Google Patents

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Abstract

【課題】欠点のない、詳細には、少数の噴射器を含み、アイドル動作とフルスロットル動作との間の最適折衷点を提供する。
【解決手段】空気噴射オリフィスの環状列を備えて形成された実質上円錐台壁を備える少なくとも１個のボウル（９５）と、ボウルの上流に配置された燃料噴射器（３６）とを含み、空気噴射オリフィスの環状列が、ボウルの軸の周りに均一な分配で交互に配置されて２つの環状空気／燃料混合物層（１４４、１４８）を生成する小径オリフィス（１４０）と大径オリフィス（１４２）を含むターボ機械の燃焼チャンバ（１０）。
【選択図】図２

Description

本発明は、航空機ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械の燃焼チャンバに関する。
ターボ機械の燃焼チャンバは、大気に放出される窒素酸化物（ＮＯｘ）および二酸化炭素（ＣＯ２）などの有害なガスの生成を制限するように設計しなければならない。
従来、ターボ機械燃焼チャンバは環形状を有し、燃焼チャンバの端部壁に搭載されチャンバの長手軸の周りに均一に分配された複数の混合ボウルを含む。各ボウルは、燃料噴射器の下流でこの噴射器の軸上に搭載され、空気噴射オリフィスの環状列に形成された実質上円錐台の壁を含み、チャンバの一次ゾーン中で点火するための空気／燃料混合物の環状層を生成する。
ボウルの空気噴射オリフィスの分配と寸法は、環状層がターボ機械の様々な動作モードに対して最適に調整された形状と開角度を有するように理論的に決定される。
欧州特許出願公開第０５９８６６２号明細書
これらの要件を満たすために、各ボウル中に環状列に分配された空気噴射オリフィスを含む混合ボウルの２つの同軸環状列を備える燃焼チャンバが提案され（欧州特許出願公開第０５９８６６２号明細書）、ボウルの１つの列はアイドルヘッドを形成し、これらのボウルの他の列は離陸ヘッドを形成する。この解決策は扱いが困難で、多数の噴射器とボウルを必要とする欠点を有する。
本発明の主題は、これらの欠点のない、詳細には、少数の噴射器を含み、アイドル動作とフルスロットル動作との間の最適折衷点を提供する燃焼チャンバである。
したがって、本発明は、ボウルの軸の周りに均一に分配された空気噴射オリフィスの環状列で形成された実質上円錐台壁を有する少なくとも１個のボウルと、ボウルの上流およびその軸上に配置されて、ボウルの下流に噴射される空気／燃料混合物の環状層を生成する燃料噴射器とを含むターボ機械の燃焼チャンバを提供し、空気噴射オリフィスの環状列は、ボウルの軸の周りに交互に均一な分配で配置されて同軸で異なる開角度を有する２つの環状空気／燃料混合物層を生成する大きな直径のオリフィスと小さな直径のオリフィスを含む。
本発明による燃焼チャンバにおいて、ボウルの小さな直径のオリフィスで生成される層は、アイドルモードおよびチャンバの一次ゾーン中に空気／燃料混合物の比較的長い滞留時間を必要とするターボ機械のこれらのモードに対して最適化された比較的大きな開角度を有し、大きな直径のオリフィスによって生成される層は、ターボ機械のフルスロットル動作に最適化された比較的小さな開角度を有する。
したがって、本発明は、単一環状列の空気噴射オリフィスを用いて、ボウル中に異なる開角度を有する２つの燃料層を形成することを可能にする。これらの層は、１つのボウルから他のボウルへ重なり合い、小さな直径のオリフィスによって発生した層の大きな開きはボウル間の周縁間隔を増加させてチャンバの噴射器の数を減少させることを可能にし、燃焼は大きな開きを有する燃料層の重なり合いの結果として伝播する。したがって、燃焼チャンバは１６から２６個のボウルと噴射器を含むことができるのが有利である。
ボウルの軸の周りの小さな直径のオリフィスと大きな直径のオリフィスの均一な分配は同軸および軸対称層の形成を可能にし、これはチャンバ中に空気／燃料混合物の均質な分配をもたらし、チャンバ中の温度勾配の形成を防止する。
本発明の他の特徴によれば、ボウル中の空気噴射オリフィスの列は、例えば、２０から３０個のオリフィスを含む。
燃料層の開角度は、様々な動作モードにおいてターボ機械の性能を最適化し窒素酸化物などの有害なガスの生成を制限するように決定される。
小さな直径のオリフィスによって生成される空気／燃料層は、実質上円錐台形状を有し、開角度は約６０°〜８０°であり、大きな直径のオリフィスによって生成される空気／燃料層は、実質上円錐台形状を有し、開角度は約３０°〜５０°である。
小さな直径の空気噴射オリフィスおよび／または大きな直径のオリフィスは互いにわずかに異なる直径を有することができ、平均値近傍を変化することができる。例えば、小さな直径のオリフィスは約０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの平均直径を有し、大きな直径のオリフィスは約１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの平均直径を有する。
好ましくは、チャンバの放射方向寸法に対する軸方向長さの割合は、約２から３である。
また、本発明は上述の燃焼チャンバを含む航空機ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械にも関する。
さらに、本発明は、ターボ機械の燃焼チャンバ用混合ボウルにも関し、ボウルの軸の周りに交互に均一な分配で配置された大きな直径のオリフィスと小さな直径のオリフィスの環状列を含む。
小さな直径のオリフィスは約０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの平均直径を有し、大きな直径のオリフィスは約１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの平均直径を有し、ボウルは２０から３０個の空気噴射オリフィスを含む。
添付の図面を参照して、以下に非制限的な例として与えられる説明を読解することによって、本発明はより良好に理解され、他の特徴、詳細およびその利点がより明らかになるであろう。
図１は航空機ターボジェットなどのターボ機械の環状燃焼チャンバ１０を表し、このチャンバはそれ自体圧縮機（図示されない）の出口に位置する拡散器１２の出口に配置され、上流でチャンバの環状端部壁１８に接続されて、下流で内部２０および外部２２円錐台シェルによってそれぞれ拡散器の内部円錐台ケース２４およびチャンバの外部筐体２６に固定された軸対称内壁１４および軸対称外壁１６を含み、この筐体の上流端部は拡散器の外部円錐台ケース２８に接続されている。
環状カウル２９はチャンバの壁１４、１６、１８の上流端部に固定され、チャンバ端部壁１８中の開口部３０に整列された空気流オリフィスを含み、この開口部には空気／燃料混合物をチャンバ中に噴射するためのシステム３２が搭載され、拡散器１２からの空気および燃料は、外部筐体２６に固定されてチャンバの軸の周りに均一に分配された噴射器（示されない）によって供給される。各噴射器は対応する開口部３０の軸３８に整列された燃料噴射ヘッド３６を含む。
この軸３８に関するチャンバの放射方向寸法Ｒに対する軸長さＬの比は、チャンバ中の空気／燃料混合物の滞留時間に関してターボ機械の様々な動作モードの要件を満たすため、および窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害なガスの放出を制限するために、約２から３である。チャンバ中の空気／燃料混合物の滞留時間は約５ｍｓ〜１０ｍｓである。
圧縮機によって送達され拡散器１２を流出する空気流４０の一部は、以下でより詳細に説明するように、システム３２中を通り、噴射器の供給する燃料と混合され、燃焼チャンバ中に噴射され（矢印４２、４４、４６、４８、５０）、空気流の他の部分は、燃焼チャンバ１０を迂回するために内部５２および外部５４環状導管に供給される（矢印５６）。
内部導管５２は拡散器１２の内部ケース２４とチャンバの内部壁１４との間に形成され、この導管を通る空気は内部壁１４中のオリフィス６０、６２を経由してチャンバ１０に流入する流れ５８と、チャンバの内部シェル２０中の孔６６を通過してこのチャンバの下流に配置された部品（図示されない）を冷却する流れ６４に分割される。
外部導管５４は外部筐体５６とチャンバの外部壁１６との間に形成され、この導管を通る空気は、外部壁１６のオリフィス７０、７２を経由してチャンバ１０に流入する流れ６８と、外部シェル２２中の孔７８を通過して下流の部品を冷却する流れ７６に分割される。
オリフィス６０、７０は、それらがチャンバの上流部に配置された燃焼チャンバの空気／燃料混合物の燃焼反応が行われるいわゆる一次ゾーンに供給するため、一次空気入り口オリフィスと呼ばれ、オリフィス６２、７２は、それらがチャンバの下流部に配置された燃焼チャンバの燃焼ガスが希釈されるいわゆる希釈ゾーンに供給するため、希釈／空気入り口オリフィスと呼ばれる。
空気／燃料混合物の燃焼は、１個（または２個）の点火プラグまたは複数のプラグ（図示されない）によってチャンバの一次ゾーン中で開始される。
図２に最も良好に見ることのできる噴射システム３２は、上流に１個９０および下流に１個９２の同軸乱流発生スワーラーを２個含み、これらは上流で噴射器のヘッド３６を心出しして案内する手段９４と、下流でチャンバ端部壁１８の開口部３０に軸上に搭載された混合ボウル９５に接続される。
スワーラー９０、９２は各々スワーラーの軸の周りに放射状に展延してこの軸の周りに均一に分配された複数の羽根を含み、噴射ヘッド３６の下流に渦の空気流４４、４６を送達する。
スワーラー９０、９２は、その放射状内部端部で、下流のスワーラー９２内部を下流方向に軸状に展延して上流９０および下流９２スワーラーから流出する空気流を分離するベンチュリー９８に接続された放射状壁９６によって互いに分離される。第１環状空気流路１００はベンチュリー内側に形成され、第２環状空気流路１０２はベンチュリーの外側に形成される。これらの流路１００、１０２に流入する空気は、噴射器によって供給される燃料と混合されて噴射器の軸の周りに霧化された燃料の円錐を形成することが意図される。
図示した実施例において、ベンチュリー９８およびスワーラー９０、９２の羽根は放射状壁９６と一体に形成される。
噴射器の噴射ヘッド３６を案内するための手段９４は、噴射ヘッド３６が軸状に横断し、上流スワーラー９０中の空気流４２の環状流路を壁９６と一緒に軸状に画定するスリーブ１０６中を放射状に滑ることができるように搭載されたリング１０４を含む。
混合ボウル９５は、下流へ朝顔形に開いて、環状偏向器１２２と共にチャンバ端部壁１８の開口部３０中に軸状に搭載された円筒状リム１２０にその下流端部で接続された、実質上円錐台壁１１８を有する。ボウルの円錐台壁１１８の上流端部は、放射状壁９６と一緒に下流スワーラー９２中に空気流４４のための環状流路を軸状に画定する中間の環状部品１３４に固定される。
ボウルの円錐台壁１１８は、小径オリフィス１４０と大径オリフィス１４２の交互配置によって形成される空気噴射オリフィスの環状列を含む。
小径オリフィス１４０はボウル９５の軸の周りに均一に分配され、これらのオリフィスを流出する空気流５０はベンチュリー９８を流出する燃料円錐と混合されて大きな開角度を有する空気／燃料混合物層１４４を形成し、この開角度はアイドルモードに最適化されて燃焼チャンバ中の燃焼の良好な開始と良好な伝播を提供する。
オリフィス１４０によって生成された燃料層は、チャンバ中に層１４４の放射状外側に位置する燃焼ガスの再循環ゾーン１４６の形成を可能にし、これはチャンバの一次ゾーン中のガス滞留時間を増加させ有害ガスの生成を制限する。
点火プラグ８０は、チャンバの一次ゾーン中で大きな開角度を有する層１４４の下流端部の近傍に配置され、この層の燃焼の開始を可能にし、隣接ボウルによって形成された大きな開角度を有する層１４４の燃焼をもたらす。
オリフィス１４０は約０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの平均直径に対して僅かに変動する直径を有することができ、これらのオリフィスによって生成された層１４４は、例えば、約６０°〜８０°の開角度を有する。
大径オリフィス１４２は、２個の大径オリフィス１４２が１個の小径オリフィス１４０によって分離されるように、ボウルの軸の周りで小径オリフィス１４０の同じ円周上に均一に分配される。
オリフィス１４２を流出する空気流４８はベンチュリー９８からの燃料円錐と混合され、その開角度が比較的小さく、ターボ機械のフルスロットル動作に最適化された燃料層１４８を形成する。
層１４８の形成は層内部に燃焼ガス再循環ゾーン１５０を発生させ、これはチャンバの一次ゾーン中におけるこれらのガスの滞留時間を低減し、有害なガスの放出を制限することも可能にする。ボウルからの層１４８の燃焼はこの同じボウルからの層１４４の燃焼によってもたらされる。
また、オリフィス１４２は約１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの平均直径近くを僅かに変動し、これらのオリフィスによって生成された層は、例えば、約３０°〜５０°の開角度を有する。
図３は噴射ボウル９５の周りの層の形の空気／燃料混合物の空間分布を概要図で示す。
大径オリフィス１４２によって生成された空気／燃料混合物１７０は小さな拡散角度を有し、ボウルの軸に対して小さな放射方向距離に拡散される。ボウル９５中の全てのオリフィス１４２は比較的小さな開角度を有する環状空気／燃料混合物層１４８を形成することが可能である。
小径オリフィス１４０によって生成された空気／燃料混合物１６０は大きな拡散角度を有し、ボウルの軸に対して大きな放射方向距離に拡散される。ボウル９５中の全てのオリフィス１４０は比較的大きな開角度を有する環状空気／燃料混合物層１４４を形成することが可能である。チャンバ中の燃焼の伝播は、噴射ボウルによって生成される大きな開角度を有する層１４４の下流端部部分（ハッチングされたゾーン１８０）の間の重なり合いによって行われる。
空気／燃料層１４４、１４８は、ボウル中のオリフィス１４０、１４２を流出する空気流４８、５０に対する下流スワーラー９２を流出する空気流１０２の比を実施することによって制御することができる。この比は約０．５から２であることが好ましい。
本発明による燃焼チャンバは、例えば、１６から２６個の噴射システムと、チャンバの軸の周りに均一に分配された等しい数の混合ボウルを含む。
ターボ機械の本発明による拡散器および燃焼チャンバの軸状断面の半分を示す図である。 図１の部分拡大図であり、チャンバの空気／燃料混合物噴射システムを示す図である。 本発明によるボウルの動作の概要を示す図である。
符号の説明
１０ 環状燃焼チャンバ
１２ 拡散器
１４ 軸対称内壁
１６ 軸対称外壁
１８ 環状端部壁
２０ 内部シェル
２２ 外部シェル
２４ 内部円錐台ケース
２６ 外部筐体
２８ 外部円錐台ケース
２９ 環状カウル
３０ 開口部
３２ 噴射システム
３６ 燃料噴射ヘッド
３８ 軸
４０、４４ 空気流
４２、４４、４６、４８、５０、５６ 矢印
５２ 内部導管
５４ 外部導管
５６ 外部筐体
５８、６４、６８、７６ 流れ
６０、６２、７０、７２ オリフィス
６６、７８ 孔
８０ 点火プラグ
９０、９２ スワーラー
９４ 案内する手段
９５ 混合ボウル
９６ 放射状壁
９８ ベンチュリー
１００ 第１環状空気流路
１０２ 第２環状空気流路
１０４ リング
１１８ 円錐台壁
１２０ 円筒状リム
１２２ 環状偏向器
１３４ 環状部品
１４０ 小径オリフィス
１４２ 大径オリフィス
１４４ 空気／燃料混合物層
１４６ 再循環ゾーン
１４８ 燃料層
１５０ 燃焼ガス再循環ゾーン
１８０ ハッチングされたゾーン

Claims (13)

  1. ボウルの軸の周りに均一に分配された空気噴射オリフィスの環状列を備えて形成された実質上円錐台壁を有する少なくとも１個のボウルと、ボウルの上流にその軸上に配置されてボウルの下流に噴射された空気／燃料混合物の環状層を生成する燃料噴射器とを含むターボ機械の燃焼チャンバであって、空気噴射オリフィスの環状列が、ボウルの軸の周りに均一な分配で交互に配置されて同軸で異なる開角度を有する２つの環状空気／燃料混合物層を生成する小径オリフィスと大径オリフィスを含む、チャンバ。
  2. ２個の大径オリフィスが１個の小径オリフィスによって分離される、請求項１に記載のチャンバ。
  3. 小径オリフィスによって生成された空気／燃料層が、実質上円錐台形状を有し、開角度が約６０°〜８０°である、請求項１から２のいずれか一項に記載のチャンバ。
  4. 大径オリフィスによって生成された空気／燃料層が、実質上円錐台形状を有し、開角度が約３０°〜５０°である、請求項１から３のいずれか一項に記載のチャンバ。
  5. 小径空気噴射オリフィスおよび／または大径オリフィスが互いに僅かに異なる直径を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のチャンバ。
  6. 小径オリフィスが約０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの平均直径を有し、大径オリフィスが約１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの平均直径を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のチャンバ。
  7. オリフィスの列が２０から３０個の空気噴射オリフィスを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のチャンバ。
  8. １６から２６個のボウルと噴射器を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のチャンバ。
  9. その放射方向寸法に対するその軸方向長さの比が２から３である、請求項１から８のいずれか一項に記載のチャンバ。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の燃焼チャンバを含む航空機ターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械。
  11. ボウルの軸の周りに交互に均一な分配で配置された大径オリフィスと小径オリフィスの環状列を含むターボ機械の燃焼チャンバ用混合ボウル。
  12. 小径オリフィスが約０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの平均直径を有し、大径オリフィスが約１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの平均直径を有する、請求項１１に記載のボウル。
  13. ２０から３０個の空気噴射オリフィスを含む、請求項１１または１２に記載のボウル。
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