JP2008128631A - 空気と燃料の混合物を噴射する装置と、このような装置を備える燃焼チャンバ及びターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術による噴射装置の最大部品数をそのまま維持する新規の噴射装置アーキテクチャを提供すること。
【解決手段】本発明はターボ機械の分野に関し、空気と燃料の混合物をターボ機械の燃焼チャンバへ噴射する装置に関する。本発明はさらに詳しくは、燃焼チャンバの排出レベル及び再点火性能を改善することができ、同時に逆火を防止する付加的なベンチュリ（１２０）を備える新規の噴射装置（１００）に関する。
【選択図】図４

Description

本発明はターボ機械の分野に関し、空気と燃料の混合物をターボ機械の燃焼チャンバへ噴射する装置に関する。

本発明はより詳しくは、燃焼チャンバの排出レベル及び再点火性能を改善することができ、同時に逆火を防止する新規の噴射装置に関する。

説明の残りの部分を通じて、「上流」又は「下流」という用語は、ガス流方向を基準として、軸方向に相対的に構造要素の位置を示すために使用されている。同様に、「内部」もしくは「半径方向内部」又は「外部」もしくは「半径方向外部」という用語は、ターボ機械の回転軸を基準として、半径方向に相対的に構造要素の位置を示すために使用されている。

ターボ機械は、空気が燃料と混合され、高温燃焼ガスを発生するように点火される燃焼チャンバに加圧空気を供給する１台以上の圧縮機を備える。高温燃焼ガスは、１台又は複数台の圧縮機を回転させ、たとえば、航空機に動力を供給するのに必要な仕事量を提供するために、このようにして得られたエネルギーを変換する１台以上のタービンに向かって燃焼の下流方向へ流れる。

典型的に、航空技術において使用される燃焼チャンバは、チャンバ端壁によって上流端で相互接続されている内壁及び外壁を備える。チャンバ端壁は、円周方向に離間した、それぞれが空気と燃料の混合物がチャンバへ供給されることを可能にする噴射装置を収容する複数個の開口を有する。各噴射装置は、特に、全てが１つに接合されている燃料噴射器、半径方向スワラ、ベンチュリ、ボウル、及び、デフレクタを備え、チャンバ端壁がデフレクタに固定されている。

燃焼チャンバは、圧縮機からの空気と混合された液体燃料が供給される。液体燃料は、液体燃料が細かい液滴に気化される噴射器によってチャンバまで供給される。気化は、ノズルを用いて噴射器において開始され、圧縮機から来る加圧空気の影響下でベンチュリ及びボウルにおいて続けられる。加圧空気は、一方で、噴射器によって霧状にされた燃料を回転させるために噴射装置の半径方向スワラの中を通り、他方で、ボウルのような噴射装置の種々の部分に形成されたオリフィスを通り抜ける。

ＦＲ２７５３７７９において説明されているように、噴霧化は、第１の事例では、１台以上の同時回転する半径方向スワラを通り抜ける加圧空気によって実現される。噴霧化は、その後、ボウルに形成されたオリフィスを通り抜け、半径方向スワラで作られた燃料の層を剪断する加圧空気によって下流で続けられる。
仏国特許第２７５３７７９号明細書

残念ながら、この噴射装置アーキテクチャは全てのエンジンに最適であるということではない。特に、ある特定の場合では、一方で、この噴射装置アーキテクチャは、待機モードにおいてガス排出量増加の原因となり、他方で、地上又は飛行中のある特定の動作条件においてエンジンの再点火能力を低下させることがある。

本発明の目的は、待機モードにおけるガス排出量を削減し、地上又は飛行中のエンジンの再点火能力を改善することを可能にし、同時に、たとえば、半径方向スワラの中のような、上流領域へ向かう逆化の可能性がないことを保証し、かつ、従来技術による噴射装置の最大部品数をそのまま維持する新規の噴射装置アーキテクチャを提供することである。

本発明は、ボウルの内側に配置され、ボウルの壁の特定の孔と関連付けられている付加的なベンチュリを含む噴射装置を提供することにより上記の問題を解決することを可能にする。

より詳細には、本発明は、空気と燃料の混合物をターボ機械の燃焼チャンバへ噴射する装置であって、Ｙ軸周りの回転対称性を有し、第１のベンチュリが設けられ、軸方向速度Ｖ１で加圧空気を噴射装置の内側へ噴射し、同時に、加圧空気をＹ軸周りに回転させる１台以上の半径方向又は軸方向スワラに、環状カップによって、連結されている摺動ブッシュと、上流端、フレア状壁によって拡張されている円筒壁、及び、下流端を含み、半径方向スワラから軸方向に離されているボウルとがガス流方向の上流から下流に配置されている噴射装置に関する。この噴射装置は、噴射装置が、ボウルの上流端と同じレベルで軸方向に配置された上流端、ボウルの円筒壁と同軸状であり、末広型部分によって拡張されている円筒端、及び、下流端を備え、Ｙ軸と同軸状にボウルの内側に配置された第２のベンチュリを含む点、ならびに、ボウルのフレア状壁が、規則的に円周状に分布している２列のオリフィスを設けられ、オリフィスの軸がボウルのフレア状壁と直交する平面に属し、スワラによって噴射された空気の回転方向と反対方向に接線勾配を有し、２列のオリフィスが軸方向速度Ｖ２で加圧空気を噴射し、噴射された加圧空気がスワラによって噴射された空気に対して逆回転する点で注目すべきである。

第２のベンチュリの全長及びボウルの全長は、好ましくは、第２のベンチュリの全長がボウルの全長の８０から１００％に相当するようにされている。

好ましくは、第２のベンチュリの円筒状部分の最大径はボウルのフレア状壁の最大径の７０から８０％に相当する。

有利には、ボウルのフレア状壁の第１列のオリフィスは、２列のオリフィスによって噴射された加圧空気の１０から２０％に相当する加圧空気の量を噴射し、ボウルのフレア状壁の第２列のオリフィスは、２列のオリフィスによって噴射された加圧空気の８０から９０％に相当する加圧空気の量を噴射する。

最後に、比Ｖ２／Ｖ１は有利には２から３である。

さらに、本発明は、内壁、外壁、及び、チャンバ端壁を備え、少なくとも１つのこのような噴射装置が設けられている燃焼チャンバにも関する。

本発明は、最終的に、このような燃焼チャンバが設けられているターボ機械に関する。

例示に限定されることなく与えられた好ましい実施形態の説明を考慮し、かつ、添付図面を参照することにより、本発明がよりよく理解され、本発明のその他の利点がより明瞭にわかるであろう。

図１は、ターボ機械１、たとえば、低圧圧縮機２、高圧圧縮機３、燃焼チャンバ４、低圧タービン５、及び、高圧タービン６を備える航空ジェットエンジンの全体の断面図を示す。燃焼チャンバ４は、環状型でもよく、ジェットエンジンの回転軸Ｘに関して半径方向に間隔をあけられ、上流端で環状チャンバ端壁８に連結されている２つの環状壁７によって画定されている。チャンバ端壁８は、規則的に円周方向に間隔をあけられている（図示せず）複数個の開口を有する。各開口には噴射装置が取り付けられている。燃焼ガスは燃焼チャンバ４内で下流へ流れ、その後、チャンバ端壁８の上流に配置されている圧縮機２及び３を個々に、２つのそれぞれのシャフト９及び１０を用いて駆動するタービン５及び６を満たす。高圧圧縮機３は、空気を噴射装置へ供給し、燃焼チャンバ４の内側及び外側へ半径方向にそれぞれ配置されている２つの環状空間へも供給する。燃焼チャンバ４へ取り込まれた空気は、燃料の霧状化及び燃料の燃焼を助ける。燃焼チャンバ２の壁の外側を循環する空気は、壁の冷却を助け、タービンへ伝達される燃焼ガスを冷却するために希釈孔（図示せず）を通ってチャンバに入る。

図２は、回転対称性の軸がＹと呼ばれ、上流から下流へ配置されている、環状カップ３０によって半径方向スワラ４０へ連結されている摺動ブッシュ２０の中心に配置されている噴射器８０を含む、従来技術による噴射装置１００の例示的な実施形態の断面図を示す。半径方向スワラ４０はベンチュリ５０を含み、半径方向スワラの下流端によって、末広型円錐壁を有するボウル６０に連結されている。ボウル６０は、それ自体がデフレクタ７０を介してチャンバ端壁８に連結されている。

燃焼チャンバ４は、圧縮機からの空気と混合された液体燃料が供給される。液体燃料は噴射器８０によってチャンバまで供給される。噴射器８０のヘッドとも呼ばれる下流端８１は、噴射器のヘッド８１の対称性の軸が摺動ブッシュの対称性の軸と一致するように、摺動ブッシュ２０の中心で噴射装置１００の内部に位置付けられている。各噴射器ヘッド８１は、空気と燃料の混合物の気化の役割を担うノズル（図示せず）を含み、この混合物は、頂点角αをもつ円錐１１０の形で噴射器から出る。

図３は従来技術による噴射装置の詳細な略断面図を示す。

２つの半径方向スワラ４１及び４２の間に配置されているベンチュリ５０は、遷移領域によって１つに接合されている収束型部分５１ａ及び末広型部分５１ｂから構成される可変的な輪郭を伴う内壁５１を有し、ベンチュリは遷移領域で最小径を有する。遷移領域は、末広型部分５４によって下流へ延長されている収束型円錐部分５３に、半径方向内端を用いて連結されている半径方向に延在する環状部分５２で構成されている。環状部分５２は、ベンチュリ５０を上流で半径方向スワラ４１に連結し、下流で半径方向スワラ４２に連結する。末広型部分５４は外面５５及び内面を含む。外面５５は軸Ｙをもつ円筒形であり、内面はフレア状とし、ベンチュリの内壁５１の末広型部分５１ｂを構成する。

本明細書において説明されている例では、第２の半径方向スワラ４２は、下流で、連結部品９０を介してボウル６０に連結されている。この連結を、中間部品を用いることなく、半径方向スワラ４２とボウル６０との間で直接的に行うことも同様に十分に可能である。ボウル６０は、下流方向にフレア状壁６２によって拡張されている円筒壁６１を含む。ボウルの円筒壁６１は、軸Ｙと同軸状に配置され、ベンチュリ５０の末広型部分５４を取り囲むので、第２の半径方向スワラ４２で噴射された加圧空気を送る。ボウルのフレア状壁６２は、高圧圧縮機３から来る空気が供給される複数個の空気取り入れ孔６３を含む。上記壁は、その下流端に、半径方向外向きに延在する環状フランジ６４が付加的に設けられている。ボウル６０は、軸Ｙと同軸状であり、ボウル６０をデフレクタ７０に連結する円筒支持壁６５をさらに含む。円筒支持壁６５は環状フランジ６４の直ぐ上流でフレア状壁６２の下流端に連結され、ボウルの外側へ向かって半径方向に配置されている。冷却孔６６が円筒支持壁６５とフレア状壁６２との間の連結の領域に形成されている。冷却孔の役目は、環状フランジ６４を冷却するために高圧圧縮機３から空気を運ぶことである。

デフレクタ７０は、それ自体としては、チャンバ端壁８と平行に燃焼チャンバ内に配置されている。

図４は、本発明による噴射装置１００の詳細な略断面図を示す。

軸Ｙをもつ噴射装置１００は、上流から下流へ配置された環状カップ３０を介して１台以上の同時回転する半径方向スワラ４１、４２に連結されている摺動ブッシュ２０を含む。半径方向スワラは、第１のベンチュリ５０を含み、下流で連結部品９０を用いてボウル６０に連結されている。この連結部品は必須ではなく、たとえば、ボウル又は半径方向スワラと共に１部品に存在してもよい。ボウルは、それ自体が、チャンバ端壁８上にチャンバ端壁と平行に位置決めされているデフレクタ７０の中心に固定されている。

本発明によれば、噴射装置１００は、ボウル６０の内側に、軸Ｙと同軸状に配置されている第２のベンチュリ１２０を含む。全長が１２３で参照されている第２のベンチュリ１２０は、ボウルの円筒壁６１と同軸状であり、最大径が１２４で参照されている末広型部分１２２によって下流に延長されている円筒状部分１２１を含む。第２のベンチュリ１２０の上流端１２５はボウルの上流端と同じレベルで軸方向に配置されている。ボウルの円筒壁６１にろう付けされ得る第２のベンチュリの円筒状部分１２１は、第２の半径方向スワラ４２からの加圧空気の流れを妨げないため、連結部品９０との連結領域に不均一な形状が存在しないように寸法が定められている。

好ましくは、第２のベンチュリ１２０の寸法は、全長１２３が６８として参照されているボウルの全長の８０から１００％に相当し、第２のベンチュリの円筒状部分１２１の長さをボウルの円筒壁６１の長さより大きい状態に保つようにされる。さらに、第２のベンチュリ１２０の最大半径１２４は、有利には、６９として参照されているボウルの最大半径の７０から８０％に相当する。

本発明によれば、付加的な配置がボウル６０のフレア状壁６２に形成されている。特に、このフレア状壁は、規則的に円周方向に分布している２列のオリフィス６３ａ及び６３ｂが設けられている。パージオリフィスとも呼ばれる第１列のオリフィス６３ａは、ボウルの円筒壁６１とフレア状壁６２との間の連結の付近に形成されている。第２列のオリフィス６３ｂは、第２のベンチュリ１２０を越えて軸方向へ突出することなく、第１列のオリフィス６３ａの下流に形成されている。２列の各列のオリフィスの軸はボウルのフレア状壁６２と直交し、半径方向スワラ４１及び４２の接線勾配と反対方向に接線勾配を有する。よって、オリフィスの列６３ａ及び６３ｂで噴射された加圧空気は、半径方向スワラ４１及び４２で噴射された加圧空気に対して逆回転するように軸Ｙ周りに回転させられる。オリフィスの径は、第１列のオリフィス６３ａで噴射された空気がボウルの透過性の１０から２０％に相当し、第２列のオリフィス６３ｂで噴射された空気がボウルの透過性の８０から９０％に相当するように寸法が定められている。ボウルの透過性は、所望の空気と燃料の混合物を生成するようにボウルに噴射された空気のスループットを意味している。

第１のオリフィスの列６３ａで噴射された空気は、第２列のオリフィス６３ｂにおける空気の接線方向旋回を促進することを可能にする。この空気は、ボウルのフレア状壁６１における燃料の逆流の可能性、したがって、逆化を防止することをさらに可能にする。第２のベンチュリ１２０へのこの空気の衝突のため、第２のベンチュリが冷却され、第２のベンチュリの壁の温度が均一にされ、コークス化の危険性がこのようにして低減されるか、又は、零になることさえある。

本発明によれば、半径方向スワラ４１、４２で行われる混合によって生じる空気と燃料の予混合物は軸方向速度Ｖ１で第２のベンチュリ１２０から離れ、軸方向速度Ｖ２でボウルから発散する空気であって、半径方向スワラから発散する予混合物の旋回に対して逆に旋回する空気によって剪断される。本発明は、このようにして、約２から３という比Ｖ２／Ｖ１を達成することを可能にさせ、ボウル６０の直ぐに下流に、渦巻が形成される再循環ゾーンを生成する。渦巻がボウルから出るとき、空気と燃料の混合物は噴霧化品質が改善され、軸方向速度も増加している。さらに、このように形成された渦巻は、噴射装置内部での逆火を防止することを可能にするので、噴射装置が熱破損されることを防止する。渦巻は、さらに、火炎伝播及び分布を促進することによりチャンバの安定性及び再点火能力を改善することも可能にする。渦巻は、チャンバ内の空気と燃料の混合物の滞留時間を増加させ、その結果、待機モードにおける効率を改善し、かつ、ガス排出を削減することもまた可能にする。本発明の別の利点は、噴射装置を構成する構成要素の大部分を維持することを可能にすることである。特に、たとえば、図３と図４を比較すると、ボウル６０だけが修正され、よって、既存の噴射装置との互換性を保証できることがわかる。

図４に示されている例示的な実施形態では、ボウル６０は２列の円形オリフィス６３ａ及び６３ｂが設けられ、第２列のオリフィス６３ｂは、ボウル６０の外側に半径方向に形成された隆起の中を通される。本発明に関連した説明及び上記の利点は、どのようなオリフィスの幾何形状（円形又は長方形の孔、スロットなど）であっても妥当である。同様に、第２列のオリフィス６３ｂは、同じように十分に隆起の中を通されるか、又は、余分な厚みを伴うことなくボウルのフレア状壁６２の中に直接的に通される。最後に、図５に示されているように、本発明の対象を形成する技術は、１つ以上の半径方向スワラではなく、１つ以上の軸方向スワラによって補給される噴射装置に同様に適用され得る。図５に示されている例では、部分的に表されている噴射装置１００は、特に、図４に示された第２の半径方向スワラ４２と同じ機能を実行し、第２のベンチュリ１２０に連結されたボウル６０によって形成された本発明による組立体に下流で連結されている軸方向スワラ１３０を含み、ボウルはフレア状壁６２の上に本発明による２列のオリフィス６３ａ及び６３ｂが設けられている。

ターボ機械、より具体的には、航空ジェットエンジンの略断面図である。 従来技術による噴射装置が設けられている燃焼チャンバの上流部分の略断面図である。 従来技術による噴射装置の詳細な略断面図である。 本発明による噴射装置の略断面図である。 本発明の一変形例による噴射装置の略断面図である。

符号の説明

１ ターボ機械
２ 低圧圧縮機
３ 高圧圧縮機
４ 燃焼チャンバ
５ 低圧タービン
６ 高圧タービン
７ 環状壁
８ チャンバ端壁
９、１０ シャフト
２０ 摺動ブッシュ
３０ 環状カップ
４０、４１、４２ 半径方向スワラ
５０ 第１のベンチュリ
５１ 内壁
５１ａ 収束型部分
５１ｂ、５４、１２２ 末広型部分
５２ 環状部分
５３ 収束型円錐部分
５５ 外面
６０ ボウル
６１ 円筒壁
６２ フレア状壁
６３ 空気取り入れ孔
６３ａ、６３ｂ オリフィス
６４ 環状フランジ
６５ 円筒支持壁
６６ 冷却孔
６８ ボウルの全長
６９ ボウルの最大半径
７０ デフレクタ
８０ 噴射器
８１ 下流端（ヘッド）
９０ 連結部分
１００ 噴射装置
１１０ 円錐
１２０ 第２のベンチュリ
１２１ 円筒状部分
１２３ 全長
１２４ 最大径
１３０ 軸方向スワラ

Claims (7)

1. 空気と燃料の混合物をターボ機械の燃焼チャンバへ噴射する装置であって、
   Ｙ軸周りの回転対称性を有し、
   第１のベンチュリが設けられ、軸方向速度Ｖ１で加圧空気を噴射装置の内側へ噴射し、同時に、加圧空気をＹ軸周りに回転させる１台以上の半径方向又は軸方向スワラに、環状カップによって連結されている摺動ブッシュと、上流端、フレア状壁によって拡張されている円筒壁、及び、下流端を含み、半径方向スワラから軸方向に離されているボウルとがガス流方向の上流から下流に配置され、
   ボウルの上流端と同じレベルで軸方向に配置された上流端、ボウルの円筒壁と同軸状であり、末広型部分によって拡張されている円筒部分、及び、下流端を備え、Ｙ軸と同軸状にボウルの内側に配置され第２のベンチュリを含み、
   ボウルのフレア状壁が、規則的に円周状に分布している２列のオリフィスを設けられ、オリフィスの軸がボウルのフレア状壁と直交する平面に属し、スワラによって噴射された空気の回転方向と反対方向に接線勾配を有し、２列のオリフィスが軸方向速度Ｖ２で加圧空気を噴射し、噴射された加圧空気がスワラによって噴射された空気に対して逆回転する、噴射装置。
2. 第２のベンチュリ及びボウルは、第２のベンチュリの全長がボウルの全長の８０から１００％になるような全長を有する、請求項１に記載の噴射装置。
3. 第２のベンチュリの末広型部分及びボウルのフレア状部分の各々は、第２のベンチュリの円筒状部分の最大径がボウルの最大径の７０から８０％になるような最大径を有する、請求項１又は２に記載の噴射装置。
4. ボウルのフレア状壁の第１列のオリフィスは２列のオリフィスによって噴射された加圧空気の１０から２０％に相当する加圧空気の量を噴射し、ボウルのフレア状壁の第２列のオリフィスは２列のオリフィスによって噴射された加圧空気の８０から９０％に相当する加圧空気の量を噴射する、請求項１から３のいずれか一項に記載の噴射装置。
5. 比Ｖ２／Ｖ１が２から３である、請求項１から４のいずれか一項に記載の噴射装置。
6. 内壁、外壁、及び、チャンバ端壁を備え、請求項１から５のいずれか一項に記載された少なくとも１つの噴射装置が設けられている、燃焼チャンバ。
7. 請求項６に記載された燃焼チャンバが設けられている、ターボ機械。

Images