JP2015531471A - 可変空気供給源を備えたタービンエンジン燃焼組立体 - Google Patents

Abstract

本発明は、ケーシングと、燃焼室と、タービンエンジンを始動させるための少なくとも１つの燃料噴射器とを備え、前記燃焼室が、２つの回転する壁、すなわち一方が他方の内側に延在し環状の燃焼室の底部壁によって接続された内側の壁と外側の壁とによって画定されるタービンエンジン燃焼組立体に関する。燃焼室の外側の壁は、ケーシングの環状の外側の壁に固定される。噴射器は、ケーシングの環状の外側の壁に取り付けられ、前記燃焼室へと開放する前にケーシングの壁にある開口と、燃焼室の外側の壁にある開口とを連続して経てケーシングの内側に延在する燃料点火筐体を備える。ケーシングの壁と燃焼室の壁の間に延在する点火筐体の少なくとも１つの壁に少なくとも１つの吸気口が備わっている。燃焼組立体は、燃焼室の外側の壁が、燃焼室の熱膨張状態に従って吸気口をふさぐための装置にしっかりと接続されることを特徴とする。

Description

本発明は一般に、タービンエンジンの分野に関し、より詳細には燃料噴射装置のタービンエンジンケーシングおよび燃焼室への取り付けに関する。

図１を参照すると、タービンエンジン１は従来通りに、ケーシング３０内に収容された燃焼室１０と、ディストリビュータ２０とを備え、燃焼室は、回転する壁、すなわち一方が他方の内側にあり環状の燃焼室の底部壁１６によって接続された外側の壁１４と、内側の壁１２とによって画定されている。

ケーシングはまた、内側の壁３２と、外側の壁３１とを有し、これらに対して燃焼室の内側の壁１２と外側の壁１４がそれぞれ固定されている。

空気と燃料の混合気が、燃焼室の底部壁に取り付けられ前記壁の円周全体にわたって分散された複数の噴射器１８を介して燃焼室へと噴射される。

複数のタイプの噴射器が燃焼室に配置され、その中でも始動噴射器は、空気と燃料の混合気を噴射する噴霧ノズルと、前記混合気に点火するスパークプラグとを備える。

噴射器を特徴付けるためにフロー数（ＦＮ）として知られる量が利用され、これは噴射される混合気のバール圧力で割った噴射器のＬ／ｈでの流量に等しい。始動噴射器は、典型的には１．２から１．５からなるフロー数を有する。

他の噴射器は、始動後の段階、すなわち一時的な加速または減速段階およびフライト中の定常状態の段階に限って用いられる。これらの噴射器は、９から１０から成るさらに高いフロー数を有し、すなわちそれぞれの燃料噴射流量がより高いことを表している。

それでもなお既存の噴射器は何であれ、燃料の燃焼を保証するそれぞれの空気要件は、タービンエンジンの段階によって変化する。

顕著なことには、タービンエンジンの始動時には、噴射器は、燃料に点火するために
かなりの量の空気を利用する必要がある。

その反面、始動後の段階において、典型的には定常状態のフライト段階では、空気要件は低下し、始動目的のようにかなりの空気量を利用することは実用的ではない。一方、より少ない量の空気を利用することで、噴射器によって利用されない空気の流れは、他の用途のために、例えば詳細にはエンジンの冷却などのために機能することができる。

本発明の目的は、燃料噴射器によって燃料が供給される燃焼室を備え、その空気供給がエンジンの段階に応じて変化するタービンエンジン燃焼組立体を提案することである。

この点において、本発明は、ケーシングと、燃焼室と、タービンエンジンを始動させるための少なくとも１つの燃料噴射器とを備えるタービンエンジン燃焼組立体に関し、
燃焼室は、２つの回転する壁によって、すなわち一方が他方の内側に延在し環状の燃焼室の底部壁によって接続された内側の壁と外側の壁によって画定されており、燃焼室の外側の壁は、ケーシングの環状の外側の壁に対して固定されており、
噴射器は、ケーシングの環状の外側の壁に取り付けられており、前記燃焼室へと開放する前にケーシングの壁にある開口と、燃焼室の外側の壁にある開口とを連続して経てケーシングの内側に延在する燃料点火筐体を備え、ケーシングの壁と燃焼室の壁の間に延在する点火筐体の少なくとも１つの壁に少なくとも１つの吸気口が備わっており、
燃焼組立体は、燃焼室の外側の壁が、燃焼室の熱膨張状態に従って吸気口をふさぐための装置にしっかりと接続されることを特徴とする。

有利には、但し任意選択で、本発明によるタービンエンジンは、以下の特徴の少なくとも１つをさらに含む：
−穴をふさぐ装置は、点火筐体の壁に当たるように、かつこれと摺動する関係で配置される。
−穴をふさぐ装置は、タービンエンジンの始動後の段階に対応して、燃焼室の「高温状態」と呼ばれる熱膨張状態において少なくとも特定の吸気口をふさぐように適合される。
−穴をふさぐ装置は、タービンエンジンの停止段階に対応して、燃焼室の「低温状態」と呼ばれる熱膨張状態において少なくとも特定の吸気口をふさぐように適合される。
−吸気口をふさぐための装置は、点火筐体の壁を囲むシースである。
−点火筐体の壁には三角形の吸気口が備わっており、シースには、この三角形の底辺を超えるまたはこれと等しい幅であり、かつ三角形の高さを超えるまたはこれと等しい高さの矩形の窓が備わっている。
−点火筐体の壁には、複数の吸気口が備わっており、前記吸気口は円形または楕円形であり、シースには規則的に離間されたスリットが備わっており、２つの隣接するスリットの間の隙間は、吸気口の直径または高さを超えるまたはこれに等しい幅を有する。
−シースのスリットの幅は、吸気口の直径または高さを超えるまたはこれに等しい。
−吸気口は、点火筐体の壁上の複数の平行線に沿って分散された円形の開口部である、あるいは楕円形の平行な通気穴であり、シースのスリットおよび２つの隣接するスリットの間の隙間は、開口部または楕円形の通気穴によって形成される線の方向に平行な方向に沿って延在する。
−吸気口は、点火筐体の壁にある複数の平行な線に沿って分散された円形の開口部である、あるいは楕円形の平行な通気穴であり、そこではシースのスリットおよび２つの隣接するスリットの間の隙間は、開口部または楕円形の通気穴によって形成される線の方向に平行な方向に対して厳密には０から９０度から成る角度だけ傾いた一方向に沿って延在する。
−燃焼室は逆方向タイプである。
−各々の燃料噴射器は、タービンエンジンの始動後の段階において燃焼室に燃料を供給するようにさらに適合されている。

本発明はまた、本発明による燃焼組立体を備えるタービンエンジンに関する。

本発明は、噴射器の吸気口をふさぐための装置のおかげで上記に述べた目的を達成し、これは、燃焼室の熱膨張状態によって、すなわちタービンエンジンの運転状態に対応して前記吸気口をふさいだり開放したりするように移動する。

本発明の他の特徴、目的および利点は、次に続く記載から明らかになると思われ、これは純粋に例示的かつ非制限的なものであり、添付の図面と併せて読まれるべきである。

既に記載した、燃焼室のレベルにおけるタービンエンジンの断面図である。 本発明による燃焼組立体で使用されるタイプの噴射器の図である。 タービンエンジンの１つの運転状態における、本発明の一実施形態による燃焼組立体の図である。 タービンエンジンの別の運転状態における、本発明の一実施形態による燃焼組立体の図である。 タービンエンジンの１つの運転状態における、横方向の断面図における図３ａの燃焼組立体の図である。 タービンエンジンの別の運転状態における、横方向の断面図における図３ｂの燃焼組立体の図である。 本発明の別の実施形態による燃焼組立体の図である。 タービンエンジンの１つの運転状態における燃焼組立体の別の実施形態の概略図である。 タービンエンジンの別の運転状態における燃焼組立体の別の実施形態の概略図である。 タービンエンジンの膨張状態による図６ａおよび図６ｂの排気口のふさがれない部分を表す図である。 タービンエンジンの１つの運転状態における、図６ａの実施形態の変形形態の概略図である。 タービンエンジンの別の運転状態における、図６ｂの実施形態の変形形態の概略図である。 タービンエンジンの膨張状態に応じた図７ａおよび図７ｂの排気口のふさがれない部分を表す図である。

既に記載した図１によると、タービンエンジン１は、ケーシング３０内に収容された燃焼室１０を備え、燃焼室は、回転する壁、すなわち一方が他方の内側にあり環状の燃焼室の底部壁１６によって接続された外側の壁１４と内側の壁１２によって画定されている。

ケーシング３０は、環状の内側の壁３２と、環状の外側の壁３１とを有し、これらに対して燃焼室の内側の壁１２と外側の壁１４がそれぞれ固定されている。

燃焼室１０は有利には、逆方向タイプであり、すなわち燃焼室が一般に、空気および燃焼生成物をタービンエンジンの軸に対してその上流に向けて、すなわちタービンの方向に排気するためにＵ字型のセクションを有するタイプである。

燃焼室１０は好ましくは、複数の始動噴射器１００を備えており、これは、以下に記載するように燃焼室の環状の外側の壁１４のレベルに位置している。

図２を参照すると、燃焼室のこのような始動噴射器１００が描かれている。この噴射器は、燃料に点火するためのスパークプラグ１０１と、燃料供給入口１０２とを備える。

スパークプラグ１０１および燃料供給入口１０２は、噴射器のカバー１０３を突き抜けており、タービンエンジンのケーシングの外側の壁３１に対して固定されることが意図されている。

筐体１０４は、この中で前記燃料が燃焼室に進入する前に燃料の点火が行なわれる場所であり、カバー１０３から突出するように延びている。

図３ａおよび図３ｂに見ることができるように、筐体は、ケーシングの外側の壁３１内に形成された開口３３を介してケーシング３０を貫いている。筐体１０４は、ケーシング３０と燃焼室１０の間にある隙間４０へと延在し、その中を空気の流れがタービンエンジンの運転中流れることができる。

筐体はまた、燃焼室の外側の壁１４内に形成された開口１３を介して燃焼室１０へと突き抜けている。

噴射器１００は、本発明の主題ではない種々の方法で形成される可能性があるが、それは好ましくは、燃料噴射器を備える少なくとも１つの部分を備え、その中へとスパークプラグの一端が進入して燃料に点火する。燃焼室の内側に位置する筐体の底部に開口１０５が形成され（図３ａおよび図３ｂに見ることができる）、点火された燃料を燃焼室へと排気することを可能にする。

噴射器１００は、特定の実施形態によって、筐体１０４の中に、既に述べた燃料点火回路と、より高い燃料の流量に点火するように適合された第２の回路とを備えることで、燃焼室の始動後の段階を含めタービンエンジンの燃焼室に燃料を供給する。

筐体１０４は、排気開口１０５は別として、隙間４０内にあるその壁１０６の一部に少なくとも１つの吸気口１０７を備える。

この吸気口は、図３ａおよび図３ｂに見ることができるように前記壁に沿って規則的に分散され整列された、図２または図５でのような楕円形の通気穴あるいは円形の通気穴の形状を採る。

あるいは、壁１０６は、図６ａ、図６ｂおよび図７ａ、図７ｂに例示されるように単一の吸気口１０７を有する場合もあり、この吸気口は、燃焼室の外側の壁１４に対するその距離と共に変化する、例えば増減する開口幅を有する。

幅は、筐体１０４がこれに沿って延在する軸に対して横方向に測定された寸法を指すように利用される。以後、高さは、前記軸に沿って測定された寸法を指すように利用される。

非制限的な例として、この吸気口は、三角形の形状を採る場合があり、図６ａおよび図６ｂでのようにその頂部は燃焼室の外側の壁１４に向けて配向される、あるいは図７ａおよび図７ｂでのようにその頂部は、前記壁から反対になるように配向される。

図３ａおよび図３ｂに戻ると、吸気口１０７をふさぐための装置５０が、燃焼室の外側の壁１４に、筐体１０４に対して摺動する関係でしっかりと接続される。

それは、好ましくはあるが、但し非制限的なやり方において、筐体１０４の底部を受けるように燃焼室内に形成された開口１３の外周上で燃焼室の外側の壁１４に対して装着される。あるいは穴をふさぐ装置は、燃焼室の壁１４と一体式に形成される場合もある。

穴をふさぐ装置５０は好ましくは、燃焼室の壁１４から外側のケーシングの壁３１まで突き出るシース５１であり、筐体１０４を取り囲み、隙間４０内にあるその壁１０６の一部を覆うようにそれと接触する。

シースはさらに、少なくとも１つのスリット、好ましくは複数のスリット５２を備え、壁１０４の吸気口１０７の全てまたは一部を開放したりふさいだりすることを可能にする。

シースは、種々の方法で形成されてよい。

図３ａおよび図３ｂにおいて、壁の吸気口１０７は、筐体の壁に沿った複数の平行線に沿って整列された円形の開口部である。シースのスリット５２は、吸気口１０７とスリット５２の相対位置に従って吸気口１０７を完全にふさいだり開放したりするように適合されてよい。

例えばシースのスリット５２は、吸気口１０７の配列に対して平行な向きを有し、吸気口１０７の直径を超えるまたはそれと等しい幅を有する場合がある。よって図３ａでのように、スリットが吸気口と向き合う場合、同一の配列の全ての吸気口１０７は開放し、隙間４０に通じる。

シースの２つの連続するスリット５２の間の隙間５３もまた、吸気口の直径を超えるまたはこれと等しい幅を有するため、スリット５２が前記吸気口と向き合っていない場合、同一の配列の吸気口１０７を完全にふさぐことができる。

これは図３ｂに表されるケースである。

同様のやり方で、図５では、筐体１０４の吸気口１０７は、楕円形の通気穴である場合があり、この場合シース５１のスリット５２は、通気穴１０７と少なくとも同一の長さ、同様に同一の幅、同一の間隔、同一の配向を有することができる。これにより、先に述べたように同時に全てのスリットをふさいだり開放したりすることが可能になる。

筐体１０４の吸気口１０７が円形であろうと楕円形の通気穴であろうと、シースのスリット５２が、吸気口の配列または通気穴の配向に対して傾けられ、これによりスリットが吸気口と向き合う際、前記吸気口の一部のみをふさぐ場合もある。

これによりシース５１をわずかに移動させるだけで、スリットが傾けられない場合よりも多くの空気流を保存することが可能になる。

例えばスリットは、吸気口の配列の向きに対して０から９０°傾けられてよい。

別の実施形態が、図６ａおよび図６ｂにおいて概略的に示されており、筐体１０４はこのとき、三角形の吸気口１０７を備え、その頂部は燃焼室の外側の壁１４に向けて配向されている。

シースの内側に形成されたスリット５２はこのとき、三角形１０７の底辺を超えるまたはこれと等しい幅、および三角形の高さを超えるまたはこれと等しい高さの矩形の窓である。三角形の高さは、シースの最大の並進移動に有利に対応しており、例えば１．２５ｍｍである。

これらの図７ａおよび図７ｂにおいて、吸気口の三角形１０７は、燃焼室の外側の壁１４と反対向きの頂部を有し、先に記載したように、シースの窓５２はまた、三角形の高さを超えるまたはこれと等しい高さ、および三角形の底辺を超えるまたはこれと等しい幅の矩形である。

筐体１０４に対するシース５１の摺動関係が、図４ａおよび図４ｂを参照して以下に説明される。先に指摘したように、シース５１は燃焼室の外側の壁１４にしっかりと接続される。

この壁は筐体１０４には固定されず、噴射器はケーシングに対して独自に固定されるため、それは筐体１０４に対して移動することができる。

さらになお、この壁は、燃焼室の作動段階に従って変化する熱膨張を受ける。タービンエンジンが停止される際、燃焼室は、いわゆる「低温状態」と呼ばれる熱膨張、すなわち図４ａに表される状態にある。

タービンエンジンの始動、すなわちその後の始動後の段階（離陸、定常状態の段階、着陸）におけるその運転によって、燃焼室の加熱することで、燃焼室が膨張し、壁１４がケーシングに向かって並進する。

このような熱膨張状態は、タービンエンジンの始動後の段階において、いわゆる「高温状態」と呼ばれる極限状態に到達し、この状態は、図４ｂに表されている。この状態において、壁１４を、ケーシングに向かって１．２５ｍｍ程の全体の距離だけ並進させることができる。

穴をふさぐ装置５０は前記壁にしっかりと接続されており、それはまた、壁１４の移動に従って筐体に対して摺動する関係で移動する。

よって燃焼室の熱膨張状態によって、および吸気口１０７とスリット５２の各々の幾何学形状によって、穴をふさぐ装置が壁１４に対して相対運動することによって、吸気口の全てまたは一部をふさいだり開放したりすることになる。

明白なことには、吸気口１０７およびスリット５２は、燃焼室の熱膨張によって生じるシースの移動に従って寸法が決められる。例えば「低温」状態と「高温」状態の間で１．２５ｍｍ移動する場合、吸気口が、楕円形の通気穴または三角形である場合は１．２５ｍｍ未満、有利には１．２５ｍｍ程の高さ、あるいは円形の吸気口である場合は１．２５ｍｍ未満、有利には１．２５ｍｍ程の直径を有し、スリット５２および必要であればそれらの間の隙間５３は、１．２５ｍｍを下回る、有利には１．２５ｍｍ程の幅を有することを実現することが可能である。

空気をふさぐための装置５０は、燃焼室の熱膨張状態に従って可動であり、燃焼室の運転状態に従って燃料に点火するのに使用される空気の量を調節することを可能にする。

実際、タービンエンジンの始動時には、燃焼室に点火するのに十分な量の燃料を燃やすために大量の空気が一般に必要とされる。

タービンエンジンが始動後の持続期間にある場合、この空気要件は低下する。さらに、この空気を別の用途のために、例えばタービンエンジンを冷却するために保存することが有利である。

よって「冷温」（熱膨張していない）時に、吸気口１０７が最小限ふさがれた状態である、例えば吸気口は全くふさがれないように空気をふさぐための装置５０を適合することが特に有利である。

この場合、燃焼室１０の熱膨張およびシース５１の位置の変化によって、タービンエンジンの運転中に吸気口１０７の全てまたは一部をふさぐことによって空気の取り込み量が低下することになる。

これは、例えば燃焼室の壁１４と第１のスリット５２の間の隙間５４の幅を調節することによって実現させることができる。

あるいは、吸気口１０７を最小限にふさいだ状態がタービンエンジンの「高温」膨張状態に相当するように空気取り込み装置５０を適合するのに他の理由を想定することも可能である。

これは、図６ａから図６ｃ、および図７ａから図７ｃに表されるケースである。

さらに、低温状態と高温状態の間の空気の供給量の所望される変化は、吸気口１０７およびシースのスリット５２に関して採用される幾何学形状に左右される。

例えば図６ｃを参照すると、低温状態において、吸気口１０７は実際に完全にふさがれており、吸気口の開放部分はよって実際にはゼロである。吸気口は燃焼室の壁１４に向かって配向された三角形の幾何学形状を有するため、開放部分は、シースの移動の２乗に比例して増大する、すなわち最初は極めて徐々に、その後次第に急速に増大する。

図７ｃでは逆に、吸気口１０７は、燃焼室の壁１４から反対方向に配向された三角形の形状を有する。吸気口の開放部分は、シースの移動の多項式関数であり、最初は急速に増大し、その後ゆっくりと増大する（シースが同じように移動することによってこの部分の増加はより小さくなる）。

吸気口１０７ならびにシースのスリットの幾何学形状はよって、噴射器の空気要件の要求に従って適合させることができる。

最終的に、上記に記載した実施形態を組み合わせることで、例えば円形の吸気口、楕円形の通気穴の形状および／または三角形の吸気口を同時に有することが可能になり、シースの幾何学形状は前記吸気口に適合される。

燃焼室内に収容されるタービンエンジンケーシングと、タービンエンジンを始動させるための少なくとも１つの噴射器とを備え、空気の供給量がタービンエンジンの運転状態に従って変化する燃焼組立体がこのようにして提案される。

Claims (13)

1. ケーシング（３０）と、燃焼室（１０）と、タービンエンジン（１）を始動させるための少なくとも１つの燃料噴射器（１００）とを備えるタービンエンジン燃焼組立体であって、
   前記燃焼室（１０）が、２つの回転する壁によって、すなわち一方が他方の内側に延在し環状の燃焼室の底部壁（１６）によって接続された内側の壁（１２）と、外側の壁（１４）とによって画定されており、燃焼室の外側の壁（１４）が、ケーシングの環状の外側の壁（３１）に対して固定されており、
   噴射器が、ケーシングの環状の外側の壁（３１）に取り付けられており、前記燃焼室へと開放する前にケーシングの壁（３３）にある開口（３３）と、燃焼室の外側の壁（１４）にある開口（１３）とを連続して経てケーシング（３０）の内側に延在する燃料点火筐体（１０４）を備え、ケーシングの壁（３１）と燃焼室の壁（１４）の間に延在する点火筐体（１０４）の少なくとも１つの壁（１０６）に少なくとも１つの吸気口（１０７）が備わっており、
   燃焼組立体が、燃焼室の外側の壁（１４）が、燃焼室（１０）の熱膨張状態に従って吸気口（１０７）をふさぐための装置（５０）にしっかりと接続されることを特徴とする、タービンエンジン燃焼組立体。
2. 穴をふさぐ装置（５０）が、点火筐体の壁（１０６）に当たるように、かつこれと摺動する関係で配置される、請求項１に記載の燃焼組立体。
3. 穴をふさぐ装置（５０）が、タービンエンジン（１）の始動後の段階に対応して、燃焼室（１０）の「高温状態」と呼ばれる熱膨張状態において少なくとも特定の吸気口（１０７）をふさぐように適合される、請求項１または２のいずれか一項に記載の燃焼組立体。
4. 穴をふさぐ装置（５０）が、タービンエンジン（１）の停止段階に対応して、燃焼室（１０）の「低温状態」と呼ばれる熱膨張状態において少なくとも特定の吸気口（１０７）をふさぐように適合される、請求項１または２のいずれか一項に記載の燃焼組立体。
5. 吸気口（１０７）をふさぐための装置（５０）が、点火筐体（１０４）の壁（１０６）を囲むシース（５１）である、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼組立体。
6. 点火筐体（１０４）の壁（１０６）には三角形の吸気口（１０７）が備わっており、シースには、この三角形の底辺を超えるまたはこれと等しい幅であり、かつ三角形の高さを超えるまたはこれと等しい高さの矩形の窓（５２）が備わっている、請求項５に記載の燃焼組立体。
7. 点火筐体（１０４）の壁（１０６）には、複数の吸気口（１０７）が備わっており、吸気口は円形または楕円形であり、シース（５１）には規則的に離間されたスリット（５２）が備わっており、２つの隣接するスリット（５２）の間の隙間（５３）は、吸気口（１０７）の直径または高さを超えるまたはこれに等しい幅を有する、請求項５に記載の燃焼組立体。
8. シースのスリット（５３）の幅が、吸気口（１０７）の直径または高さを超えるまたはこれに等しい、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼組立体。
9. 吸気口（１０７）が、点火筐体（１０４）の壁（１０６）上の複数の平行線に沿って広げられた円形の開口部である、あるいは楕円形の平行な通気穴であり、シースのスリット（５２）および２つの隣接するスリットの間の隙間（５３）は、開口部（１０７）または楕円形の通気穴によって形成される線の方向に平行な方向に沿って延在する、請求項７または８の一項に記載の燃焼組立体。
10. 吸気口（１０７）が、点火筐体（１０４）の壁（１０６）にある複数の平行な線に沿って広げられた円形の開口部である、あるいは楕円形の平行な通気穴であり、そこではシース（５１）のスリットおよび２つの隣接するスリット（５２）の間の隙間（５３）は、開口部（１０７）または楕円形の通気穴によって形成される線の方向に平行な方向に対して厳密には０から９０度から成る角度だけ傾いた方向に沿って延在する、請求項７または８のいずれか一項に記載の燃焼組立体。
11. 燃焼室（１０）が逆方向タイプである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃焼組立体。
12. 各々の燃料噴射器（１００）が、タービンエンジンの始動後の段階において燃焼室に燃料を供給するようにさらに適合されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃焼組立体。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃焼組立体を備えるタービンエンジン。

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