JP2009145039A - ターボ機械の燃焼チャンバ内に空気と燃料との混合物を噴射するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の上記問題に対する、簡便で実効的で且つ経済的な解決策を提供すること。
【解決手段】ターボ機械の燃焼チャンバ内に空気と燃料との混合物を噴射するシステムは、燃料噴射器（３６）と、予混合チャンバ（７４）を画定する内側表面（７２）を備えるベンチュリ（５６）とを備え、ベンチュリは、空気吹き出しダクト（９４）によって予混合チャンバに接続された内部環状空気流空洞（８４）を備え、これらの空気吹き出しダクトは、ベンチュリの内側表面に開口しており、この表面上への煤煙の堆積及びコークスの形成を防止する。
【選択図】図３

Description

本発明は、航空機ターボジェットやターボプロップエンジン等のターボ機械の燃焼チャンバ内に空気と燃料との混合物を噴射するシステムに関する。

このタイプの噴射システムは、一般に、燃料噴射器と、噴射器の下流に同軸で位置した第１及び第２のスワラとを備え、第１及び第２のスワラは、それぞれ、燃焼チャンバ内に噴射されて燃焼される空気と燃料との混合物を作り出すように、燃料噴射の下流で放射状の空気流を画定する。２つのスワラからの空気流は、２つのスワラと裁頭円錐状のボウルとの間に介在されたベンチュリによって画定される。ボウルは、スワラの下流に取り付けられており、燃焼チャンバに向かう空気／燃料混合物の流れを加速させる。

ベンチュリは、予混合チャンバを画定する狭窄部又は収縮部を有する内側表面を有し、予混合チャンバ内では、噴射器によって噴出された燃料の一部と、第１のスワラによって送り出された空気の流れとが混合される。

ベンチュリの内側表面に煤煙が堆積してコークスが形成されることが既に知られており、これは、以下の幾多の不都合を引き起こす：
煤煙及びコークスの堆積は、ベンチュリの寿命を短縮する高温スポットを形成する可能性がある、
これらの堆積はまた、ベンチュリを通る空気流と、燃料、及び第１のスワラからの空気の流れと燃料との混合物の噴射とを乱す可能性がある、
コークス及び煤煙の存在はまた、大気中に排出される有害ガスの生成を増加させる。

本発明の特別の目的は、従来技術のこれらの問題に対する、簡便で実効的で且つ経済的な解決策を提供することである。

この目的のために、本発明は、燃料噴射器と、噴射器の下流に同軸で位置したベンチュリとを備え、ベンチュリは、外部空間から取り込まれてベンチュリの上流に位置した第１のスワラを通過する空気流と燃料とが混合される予混合チャンバを画定する内側表面を備える、ターボ機械の燃焼チャンバ内に空気と燃料との混合物を噴射するシステムであって、ベンチュリは、内部環状空気流空洞を備え、この空洞は、空気吸入ダクトによって外部空間に接続され且つ空気吹き出しダクトによって予混合チャンバに接続されており、空気吹き出しダクトは、ベンチュリの内側表面に開口してこの表面上への煤煙の堆積及びコークスの形成を防止する、システムを提案する。

本発明によれば、外部空間からの空気の流れは、ベンチュリの内部空洞を通って流れ、ベンチュリの内側表面に開口した空気吹き出しダクトを通って予混合チャンバ内に噴射され、この表面近くに空気膜を形成し、この表面上への煤煙の堆積及びコークスの形成を阻止する。予混合チャンバ内に噴射された空気流は、空気／燃料混合物がベンチュリの内側表面と接触するのを阻止するには十分に多いが、ベンチュリ内への空気流及び燃料の噴射を妨げないでベンチュリからの吹き出し口において境界層剥離を引き起こさないほどには多くない。ベンチュリの内部空洞を通る空気流は、噴射システム内に供給される空気流の約０．５％から１％である。

本発明の他の特徴によれば、ベンチュリは、その上流端部において、外側に向かって半径方向に延在し且つ空気の二次流れの通路のために第１のスワラを第２のスワラから離隔する環状リムを備え、環状空洞は、ベンチュリのリムの範囲まで延在している。この場合、環状空洞は、略Ｌ字型断面を有する。

本発明の１つの実施形態によれば、ベンチュリは、一方が他方の内部に同軸に嵌め込まれ且つろう付け又は溶接によって一体に接合された略Ｌ字型断面の２つの環状部品から形成されており、第１及び第２の部品は、それらの間において環状空気流空洞を画定する。

第１の部品は、第２の部品の上流且つ内側に延在しており、空気吹き出しダクトが形成された略筒状下流壁にその内周において接続された略半径方向上流環状壁を備える。第２の部品は、その内周において略筒状下流壁に接続された略半径方向上流環状壁を備え、半径方向壁は、その外周において第１の部品の半径方向壁の外周に固定されており、その筒状壁は、その下流端部において第１の部品の筒状壁の下流端部に固定されている。

少なくとも空気吸入ダクトの一部は、噴射器の軸に対して略半径方向に延びており、１つ又は各部品の半径方向壁の外周に形成されている。その後、外部空間からの空気は、ベンチュリの内部空洞内へと半径方向内側に向かって直接通過する。

代替又は追加の特徴として、少なくとも空気吸入ダクトの一部は、噴射器の軸に略平行に延びており、第２のスワラのベーン及び第２の部品の半径方向壁を通って形成されている。この場合、外部空間からの空気は、ベンチュリの内部空洞の範囲まで、第２のスワラのベーン内及び第２の部品の半径方向壁内に形成されたダクトを通って上流方向へ軸方向に流れる。

本発明の他の特徴によれば、空気吹き出しダクトは、第１のスワラのベーンと同一方向において、噴射器の軸に対して軸方向且つ周方向に傾斜しており、これらのダクトから出る空気が、第１のスワラによって送られた空気流を妨げず、噴射器のヘッドに衝突しないようにしている。したがって、本発明は、ベンチュリ内の空気流及び燃料の噴射を変更することなく、ベンチュリにコークスが形成されるのを防止することができる。

吹き出しダクトの軸と噴射器の軸との間に形成された各吹き出しダクトの軸方向傾斜角度は、例えば約１０°から４０°の間の範囲であり、この角度は、噴射器の軸を通過する平面内にある。

吹き出しダクトの軸と噴射器の軸を通過する平面との間に形成された各吹き出しダクトの周方向傾斜角度は、例えば約５０°から７５°の間の範囲であり、この角度は、噴射器の軸に垂直な平面内にある。

好ましくは、空気吹き出しダクトの口は、噴射器の軸まわりに均一に位置しており、軸方向に間隔をあけて配置された１つ、２つ、３つ、又は４つの環状列に分かれている。軸方向及び周方向における空気ダクトの傾斜角度は、各列毎に異なってもよい。

噴射システムは、例えば、１０個から３０個の間の空気吸入ダクトと、１０個から３０個の間の空気吹き出しダクトとを備える。

本発明はまた、以上に述べられたような噴射システムを備える航空機ターボジェット又はターボプロップエンジン等のターボ機械に関する。

本発明は、さらに、スロートを示す内側表面を備える以上に述べられたような噴射システム用のベンチュリであって、一方が他方の内部に同軸に固定され且つそれらの間において内部空気流空洞を画定する略Ｌ字型断面の２つの環状部品から形成され、内側環状部品は、一端において内部空洞に接続され且つ他端において内側表面に開口した空気吹き出しダクトを有する筒状壁を備え、外側環状壁は、一端において内部空洞に接続された空気吸入ダクトを外周において有する半径方向環状壁を備える、ベンチュリに関する。

限定されない例示によって且つ添付された図面を参照して与えられる以下の記述を読むことにより、本発明は、より良く理解され、そのさらなる特徴、詳細、及び利点は、より明確になるであろう。

ターボ機械のディフューザ及び燃焼チャンバの軸方向断面における概略的な半分の図である。 図１の拡大部分図であり、従来技術に係る空気と燃料との混合物を噴射するシステムを図示している。 図２に対応する概略図であり、本発明に係る噴射システムの１つの実施形態を示している。 図３の詳細Ｉ_４の拡大図である。 図２に対応する概略図であり、本発明に係る噴射システムの実施形態の代替形式を図示している。 図５の詳細Ｉ_６の拡大図である。 より大縮尺における図５のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。

図１は、航空機ターボジェットやターボプロップエンジン等のターボ機械の環状燃焼チャンバ１０を図示している。このチャンバは、コンプレッサ（図示せず）の排出口に置かれたディフューザ１２自体の吹き出し口に位置している。チャンバ１０は、内側軸対称壁１４と、外側軸対称壁１６とを有する。これら壁１４、１６は、上流端部において環状チャンバ端壁１８と接続されており、下流端部において内側裁頭円錐状シェルリング２０及び外側裁頭円錐状シェルリング２２のそれぞれによってディフューザの内側裁頭円錐状隔壁２４及びチャンバの外側ケーシング２６にそれぞれ固定されている。このケーシング２６の上流端部は、ディフーザの外側裁頭円錐状隔壁２８に接続されている。

環状カウリング２９は、チャンバの壁１４、１６、１８の上流端部に固定されており、チャンバ端壁１８における開口３０と合わせられた空気通路オリフィスを有し、空気通路オリフィス内には、空気と燃料との混合物をチャンバ内に噴射する開口システム３２が取り付けられている。空気は、ディフューザ１２から到来し、燃料は、外側ケーシング２６に固定されてチャンバの軸まわりに均一に分配されている噴射器（図示せず）によって運ばれる。各噴射器は、対応する開口３０の軸と合わせられた燃料噴射ヘッド３６を備える。

コンプレッサによって供給されてディフューザ１２から出る空気流３８の一部は、燃焼チャンバ１０を迂回する内側環状ダクト４０及び外側環状ダクト４２内に供給される（矢印４４）。空気流の残りは、カウリング２９によって画定された環状空間４６内に流入し、噴射システム３２内を通過した後（矢印４８、５０）、噴射器によって運ばれた燃料と混合されて燃焼チャンバ内に噴射される。

図２において最も良く表される噴射システム３２は、２つの同軸乱流誘導スワラ、すなわち、１つの上流スワラ５２と、１つの下流スワラ５４とを備え、これらは、ベンチュリ５６によって互いに離隔されており、上流において、噴射器のヘッド３６のセンタリング及びガイド手段５８に接続されており、下流において、チャンバ端壁１８における開口３０に軸方向に取り付けられた混合ボウル６０に接続されている。

スワラ５２、５４は、それぞれ、噴射ヘッド３６の下流に旋回空気流４８、５０を供給するようにスワラの軸まわりに半径方向に延び且つこの軸まわりに均一に分配された複数のベーンを備える。

噴射器の噴射ヘッド３６のガイド手段５８は、噴射ヘッド３６が軸方向に通過するリング６２を備え、リング６２は、第１のスワラ５２のベーンに取り付けられたスリーブ６４内を半径方向に摺動するように取り付けられている。

混合ボウル６０は、下流端部において最大幅となり且つその下流端部において筒状リム６６に接続された略裁頭円錐状壁を有する。リム６６は、上流に延在しており、環状デフレクタ６８を有するチャンバ端壁１８における開口３０内に軸方向に取り付けられている。ボウルの裁頭円錐状壁６０の上流端部は、第２のスワラ５４のベーンに取り付けられた中間環状部品７０に接続されている。

ベンチュリ５６は、略Ｌ字型断面を有し、その上流端部において略半径方向環状リム７１を有する。リム７１は、２つのスワラ５２、５４の間に軸方向に挿入されており、上流に位置するスリーブ６４とともに、空気流４８が第１のスワラ５２内を通過する環状通路を軸方向に画定し、下流に位置する環状部品７０とともに、空気流５０が第２のスワラ５４内を通過する環状通路を画定する。ベンチュリ５６は、第２のスワラ５４の内側の下流において軸方向に延在しており、上流のスワラ５２及び下流のスワラ５４から空気流を離隔する。

ベンチュリ５６は、スロートを有し且つ噴射された燃料の一部が内部において第１のスワラ５２によって供給された空気流４８と混合する予混合チャンバ７４を画定する内側筒状表面７２を備える。そして、この空気／燃料予混合物は、ベンチュリの下流において、第２のスワラ５４からの空気流５０と混合し、チャンバの内部において噴霧燃料のコーンを形成する。

動作中、チャンバ７４内で形成された空気／燃料予混合物は、ベンチュリの内側表面７２と接触し、この表面上に煤煙を堆積させてコークスを形成させる可能性がある。これらは、ベンチュリ５６の寿命を低減させる傾向がある。

本発明は、ベンチュリの内側表面７２上に空気膜を形成してこの表面上へのコークス及び煤煙の堆積を阻止することにより、この問題に対する改善策を提供する。この成果は、内側環状空気流空洞を備える空洞ベンチュリを用いて得られる。この空洞は、外部空間４６からの空気が供給され、ベンチュリの内側表面７２に開口した空気吹き出しダクトに接続されている。

図３及び図４において図示される典型的な実施形態において、ベンチュリ５６は、一方が他方の内部に同軸に固定され且つそれらの間において環状空気流空洞８４を画定する略Ｌ字型断面の２つの環状部品８０、８２から形成されている。

この空洞８４はまた、略Ｌ字型断面を有し、ベンチュリの内部においておおよそその軸方向の全体の範囲で軸方向に延びており且つその上流端部において放射部に接続された筒状部を備える。放射部は、ベンチュリのリムの内部においておおよそその半径方向の全体の範囲で延在している。

各部品８０、８２は、その内周において略筒状下流壁８８に接続された略半径方向上流環状壁８６を備える。部品８０、８２の半径方向壁８６は、ベンチュリの環状リム７１を形成する。

部品８２は、下流に置かれており、外側においてさらに筒状リム９０を備える。筒状リム９０は、半径方向壁８６の外周から上流方向に延在しており、他の部品８０の半径方向壁８６の外周にろう付け又は溶接されている。

この筒状リム９０は、空間４６とベンチュリの内部空洞８４との間における流体連通を提供する略半径方向空気吸入オリフィス又はダクト９２を有する。噴射システム３２は、例えば、ベンチュリの軸まわりに均一に分配された１０個から３０個の間のダクト９２を備える。

部品８２の筒状壁８８の下流端部は、他方の部品の筒状壁の下流端部にろう付け又は溶接されている。

上流且つ内側に位置する部品８０の筒状壁８８は、一端においてベンチュリの内側表面７２に開口し且つ他端において内部空洞８４に開口してこの空洞８４と予混合チャンバ７４との間における流体連通を提供する空気吹き出しオリフィス又はダクト９４を備える。

噴射システム３２は、例えば、軸方向に間隔をあけて配置された環状列に分かれている１０個から３０個の間のダクト９４を備える。例においては、例えばこれらのうち３つが図示されている。各列における空気ダクト９４は、噴射ヘッドの軸まわりに互いに間隔をあけて均一に配置されている。

例として、各吹き出しダクト９４の軸と噴射ヘッド３６の軸との間に形成される角度は、約１０°から４０°の間の範囲であり、この角度は、噴射ヘッドの軸を通過する平面内にある。各吹き出しダクト９４の軸と噴射ヘッドの軸を通過する平面との間に形成される角度は、約５０°から７５°の間の範囲であり、この角度は、噴射ヘッドの軸と垂直な平面内にある。

同一の環状ダクト列のダクト９４は、軸方向及び周方向において同一の傾斜角度を有するが、これらの角度は、他の各列のダクトの傾斜角度と異なってもよい。上流に配置された第１の列のダクト９４の軸方向における傾斜角度は、例えば、さらに下流に配置された第３の列のダクトよりも小さくてもよい（図４）。

図５から図７は、本発明の実施形態の代替形式を図示しており、図３及び図４を参照して記述された特徴に加えて、ベンチュリの内部空洞８４内に通じているさらなる空気吸入ダクト９６を備える。これらのダクト９６は、ベンチュリの軸に略平行に延びており、ベンチュリの内部空洞８４を外部空間４６にも接続している。

図示された例において、これらのダクト９６は、下流且つ外側に配置された部品８２の半径方向壁を通り、第２のスワラ５４の少なくとも一部のベーンを通り、環状要素７０を通って延びている。ダクト９６は、それらの上流端部において内部空洞８４に開口し、それらの下流端部において要素７０及びボウル６０によって画定された環状空間に開口しており、この環状空間は、外部空間４６と通じている。噴射システムは、例えば、１０個から３０個の間のダクト９６を備える。

図７において図示されるように、ダクト９６は、円状又は長円形状の断面を有してもよい。上述されたダクト９２、９４もまた、断面が円状又は長円形状であってもよい。これらのダクト９２、９４、９６の寸法は、特に、空洞を通る空気流量にしたがって決定される。一般に、それらは、直径において約１ミリメートルから２ミリメートルである。空洞８４を通る空気流は、噴射システム３２内に供給される空気流の約０．５％から１％を示す。

図示されていない、実施形態のさらに他の代替形式によれば、内部空洞８４は、軸方向空気吸入ダクト９６のみを介して外部空間４６に接続されている。

１０ 燃焼チャンバ
１２ ディフューザ
１４ 内側軸対称壁
１６ 外側軸対称壁
１８ 環状チャンバ端壁
２０ 内側裁頭円錐状シェルリング
２２ 外側裁頭円錐状シェルリング
２４ 内側裁頭円錐状隔壁
２６ 外側ケーシング
２８ 外側裁頭円錐状隔壁
２９ 環状カウリング
３０ 開口
３２ 噴射システム
３６ 燃料噴射ヘッド
３８ 空気流
４０ 内側環状ダクト
４２ 外側環状ダクト
４４ 矢印
４６ 環状空間
４８、５０ 旋回空気流
５２ 第１のスワラ
５４ 第２のスワラ
５６ ベンチュリ
５８ センタリング及びガイド手段
６０ 混合ボウル
６２ リング
６４ スリーブ
６６ 筒状リム
６８ 環状デフレクタ
７０ 中間環状部品
７１ 略半径方向環状リム
７２ 内側筒状表面
７４ 予混合チャンバ
８０、８２ 環状部品
８４ 環状空気流空洞
８６ 略半径方向上流環状壁
８８ 略筒状下流壁
９０ 筒状リム
９２、９６ 空気吸入ダクト
９４ 空気吹き出しダクト

Claims (15)

1. 燃料噴射器と、噴射器の下流に同軸で位置したベンチュリとを備え、ベンチュリが、外部空間から取り込まれてベンチュリの上流に位置した第１のスワラを通過する空気流と燃料とが混合される予混合チャンバを画定する内側表面を備える、ターボ機械の燃焼チャンバ内に空気と燃料との混合物を噴射するシステムであって、ベンチュリが、内部環状空気流空洞を備え、この空洞が、空気吸入ダクトによって外部空間に接続され且つ空気吹き出しダクトによって予混合チャンバに接続されており、空気吹き出しダクトが、ベンチュリの内側表面に開口してこの表面上への煤煙の堆積及びコークスの形成を防止する、システム。
2. ベンチュリが、その上流端部において、外側に向かって半径方向に延在し且つ空気の二次流れの通路のために第１のスワラを第２のスワラから離隔する環状リムを備え、環状空洞が、ベンチュリのリムの範囲まで延在している、請求項１に記載の噴射システム。
3. ベンチュリの環状空洞が、略Ｌ字型断面を有する、請求項２に記載の噴射システム。
4. ベンチュリが、一方が他方の内部に同軸に嵌め込まれ且つろう付け又は溶接によって一体に接合された略Ｌ字型断面の２つの環状部品から形成されており、第１及び第２の部品が、それらの間において環状空気流空洞を画定する、請求項２に記載の噴射システム。
5. 第１の部品が、第２の部品の上流且つ内側に延在しており、空気吹き出しダクトが形成された略筒状下流壁にその内周において接続された略半径方向上流環状壁を有する、請求項４に記載の噴射システム。
6. 第２の部品が、その内周において略筒状下流壁に接続された略半径方向上流環状壁を備え、半径方向壁が、その外周において第１の部品の半径方向壁の外周に固定されており、その筒状壁が、その下流端部において第１の部品の筒状壁の下流端部に固定されている、請求項５に記載の噴射システム。
7. 少なくとも空気吸入ダクトの一部が、噴射器の軸に対して略半径方向に延びており、各部品の半径方向壁の外周に形成されている、請求項６に記載の噴射システム。
8. 少なくとも空気吸入ダクトの一部が、噴射器の軸に略平行に延びており、第２のスワラのベーン及び第２の部品の半径方向壁を通って形成されている、請求項６に記載の噴射システム。
9. 空気吹き出しダクトが、第１のスワラのベーンと同一方向において、噴射器の軸に対して軸方向且つ周方向に傾斜している、請求項１に記載の噴射システム。
10. 吹き出しダクトの軸と噴射器の軸との間に形成された各吹き出しダクトの軸方向傾斜角度が、約１０°から４０°の間の範囲であり、この角度が、噴射器の軸を通過する平面内にある、請求項９に記載の噴射システム。
11. 吹き出しダクトの軸と噴射器の軸を通過する平面との間に形成された各吹き出しダクトの周方向傾斜角度が、約５０°から７５°の間の範囲であり、この角度が、噴射器の軸に垂直な平面内にある、請求項９に記載の噴射システム。
12. 空気吹き出しダクトの口が、噴射器の軸まわりに均一に位置しており、軸方向に間隔をあけて配置された１つ、２つ、３つ、又は４つの環状列に分かれている、請求項１に記載の噴射システム。
13. １０個から３０個の間の空気吸入ダクトと、１０個から３０個の間の空気吹き出しダクトとを備える、請求項１に記載の噴射システム。
14. 請求項１記載の噴射システムを備える、航空機ターボジェット又はターボプロップエンジン等のターボ機械。
15. スロートを示す内側表面を備える請求項１記載の噴射システム用のベンチュリであって、一方が他方の内部に同軸に固定され且つそれらの間において内部空気流空洞を画定する略Ｌ字型断面の２つの環状部品から形成され、内側環状部品が、一端において内部空洞に接続され且つ他端において内側表面に開口した空気吹き出しダクトを有する筒状壁を備え、外部環状壁が、一端において内部空洞に接続された空気吸入ダクトを外周において有する半径方向環状壁を備える、ベンチュリ。

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