JP3703863B2 - 燃焼器用のスワールミキサー及び燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法 - Google Patents
燃焼器用のスワールミキサー及び燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンエンジンに使われる種類の燃焼器用のスワールミキサー及び燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法に関し、さらに詳しく言えば、前記燃焼器の炎の再点火安定性を維持又は改善しながら、燃料／空気の混合気の燃焼によって生じる煙を減少させるように燃料と空気を均一に混合するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高性能の航空機のガスタービンエンジンに使われる燃焼器の設計者の目標の一つに、ガスタービンエンジンにおける燃料工程によって発生する煙及び他の汚染物質の量をできるだけ減少させるということがある。特に軍用航空機では、煙の跡が見えない場合に比べて、煙が発生すると高い高度を飛行する航空機が容易に発見されてしまうことになる。従って、設計者は煙の発生をできるだけ少なくする燃焼器を設計することを目指す。
【０００３】
高性能航空機の燃焼器の設計者のもう一つの目標に、燃焼器の「再点火の安定性」をできるだけ高めるということがある。この再点火の安定性という用語は、何らかの原因で燃焼工程が停止した後で、高速気流及び低い気圧の下で燃焼工程を開始する能力を指す。再点火の安定性が低いと、燃焼器の再点火に失敗した時点の状況によっては、航空機及び／又は生命を失うことになる。今日のガスタービンに使用される典型的な燃焼器においては、再点火の安定性は燃焼器における合計に直接に関連する。
【０００４】
当業者にとっては容易に理解されることであるが、煙の発生は燃焼器の燃料と空気の混合気を薄くすることによって最少限に押えることができる。同様に、再点火の安定性は燃料と空気の混合気を濃くすることによって高めることができる。このように、過去において、燃焼器の設計者は煙の発生を低く押えるか又は再点火の安定性を高めるかのどちらか一方を選択することを強制されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、煙の発生を低下させるということと再点火の安定性を高めるという相反する目標を同時に達成するガスタービンエンジンの燃焼器用のスワールミキサーを提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、燃料と空気の混合気が燃焼器において点火されるときに煙の発生をできるだけ低減させるために燃料と空気を均一に混合する燃焼器用のスワールミキサーを提供することができる。
【０００７】
本発明の別の目的は、高所において再点火の安定性を高める燃焼器用のスワールミキサーを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を、本発明は、ガスタービンエンジンにおける燃焼の前に燃料と空気を混合するための燃焼器用のスワールミキサーであって、長手方向の軸、前記燃料及び空気を受け取るための上流端及び前記混合した燃料及び空気を排出するための下流端を有する混合用ダクトを含む燃料／空気ミキサーにおいて、円形断面を有し第１通路を規定する第１ダクトであって、前記第１通路が前記空気を前記第１通路に導くための第１入口と前記空気を前記第１通路から排出させるための第１出口を有するところの前記第１ダクトと、前記第１ダクトと同軸上にある第２ダクトであって、前記第２ダクトは前記第１ダクトから半径方向に外側に離間し、前記第１及び第２ダクトの間に第２通路が規定されており、前記第２通路が前記空気を前記第２通路に導くための第２入口と前記空気を前記第２通路から排出させるための第２出口を有するところの前記第２ダクトと、前記第２ダクトと同軸上にある第３ダクトであって、前記第３ダクトは前記第２ダクトから半径方向に外側に離間し、前記第２及び第３ダクトの間に第３通路が規定されており、前記第３通路が前記空気を前記第３通路に導くための第３入口と前記空気を前記第３通路から排出させるための第３出口を有するところの前記第３ダクトと、燃料を前記第１通路に導入するために前記混合用ダクトの一端に固定された燃料ノズルと、前記第１入口を通って前記第１通路に入る空気に第１スワール角度を与える手段と、前記第２入口を通って前記第２通路に入る空気に第２スワール角度を与える手段と、前記第３入口を通って前記第３通路に入る空気に第３スワール角度を与える手段を含む前記混合用ダクトであって、前記第１及び第２通路を通る空気の合計はコア空気マスフローを規定し、前記第１ダクトは前記第２ダクトに注ぎ、これによって前記第１及び第２ダクトからの空気の流れの合流部が生じることを特徴とする燃焼器用のスワールミキサーにより達成した。
【０００９】
上記の目的を、本発明は、さらに、煙の発生を最低限に押え、炎の安定性を高めるために燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法であって、円形の断面を有し第１通路を規定する第１ダクト及び前記第１ダクトと同軸上にあり前記第１ダクトから半径方向に外側に離間する第２ダクトであって前記第１及び第２ダクトの間に環状の第２通路を規定する前記第２ダクトを提供することと、少なくとも５０°の第１スワール角度で燃料と接触させるために空気の第１部分にスワールを生じさせる一方で、前記第１ダクトに燃料を噴射させることによって前記燃料と空気の前記第１部分を混合することと、前記燃料及び第１部分に第２スワール角度で空気の第２部分を混合させて６０°未満のスワール角度を有する前記第１及び第２部分の合流部を発生させることと、前記燃料及び前記空気の第１及び第２部分から成る混合物を点火することを含む前記方法により達成した。
上記燃焼器用のスワールミキサーにおいて、前記第２スワール角度は前記第１スワール角度に対して逆方向の回転であるのが好ましい。さらに、前記コア空気マスフローの少なくとも８０％を前記第１ダクトに通すための手段をさらに含むのが好ましい。さらに、前記コア空気マスフローの少なくとも５％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含むのが好ましい。
また、上記燃焼器用のスワールミキサーにおいて、前記第２スワール角度は前記第１スワール角度に対して同一方向の回転であるのが好ましい。さらに、前記コア空気マスフローの少なくとも１０％を前記第１ダクトに通すための手段をさらに含むのが好ましい。さらに、前記コア空気マスフローの少なくとも８０％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含むのが好ましい。さらに、前記第２スワール角度は４０°以下であるのが好ましい。また、前記コア空気マスフローの約１５％を前記第１ダクトに通すための手段及び前記コア空気マスフローの約８５％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含み、前記第１スワール角度が約７５°であるのが好ましい。
【００１０】
【作用】
本発明は、燃焼器用のスワールミキサー及び燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法を開示している。前記ミキサーは円形の断面を有する第１の通路及び該第１の通路から半径方向に外側に離間する２つの環状の通路を有する。前記２つの環状の通路は前記第１の通路と同軸上にある。前記第１通路のスワラは、前記第１通路を通過する燃料及び空気に十分に大きなスワール角度を与える。
【００１１】
これによって燃焼器における煙の発生が最低限に押えられる。前記第１の通路のすぐ外側の前記環状の通路は、該環状の通路を通過する空気に、前記第１通路におけるスワール角度とは明らかに異なるスワール角度を与える。前記第１の通路の出口は、該第１の通路のすぐ外側の前記環状の通路の中に注ぐ。前記第１の通路及びそのすぐ外側の前記環状通路における２つの気流のスワール角度が相対的に異なるために、前記２つの気流が合成された気流のスワール角度が低くなる。これによって、高所での再点火の安定性を高めるための、より濃い再循環領域（ａ ｒｉｃｈｅｒ ｒｅｃｉｒｗｌａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）が形成される。
【００１２】
本発明の前述及びその他の特長と利点は、以下の説明及び添付した図面により、より明らかになるであろう。
【００１３】
【実施例】
本発明の燃焼用のスワールミキサーとしての燃料／空気ミキサー１０は、図１に示されるとおり、長手方向の軸１４を有する混合用ダクト１２を有する。固定板１８に固定された燃料ノズル１６は、長手方向の軸１４と公称として同軸上に位置し、後述するようにミキサー１０に燃料を導入するためにミキサー１０の上流に位置する。燃料ノズル１６は熱膨張による変化を許容するように固定されていてもよく、ノズル１６の熱膨張後の位置は、長手方向の軸１４と同軸上に位置しないこともある。このように、本発明では、燃料ノズル１６が中心線１４又は長手方向の軸１４から外れて半径方向の位置（ｒａｄｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）を取ることも許容される。
【００１４】
混合用ダクト１２は、好適には、第１円筒形ダクト２０、第２円筒形ダクト２２および第３円筒形ダクト２４を含み、これらの各々は長手方向の軸１４と同軸上にある。本発明のダクト２０，２２，２４が円筒形であると図示し記述したのは、理解を容易にするためだけである。これらダクトは、円錐形又は長軸に直角の断面が円形であるならあらゆる形状をとることができるので、ここで示した円筒形のダクトは特許請求の範囲に限定を加えることを意図したものではない。第２円筒形ダクト２２は第１円筒形ダクトから半径方向に外側に離間し、第３円筒形のダクト２４は第２円筒形ダクト２２から半径方向に外側に離間している。第１円筒形ダクト２０は、第１入口２８及び第１出口３０を有する第１通路２６を規定し、第１入口２８は第１通路２６に空気１００を導入し、第１出口３０は第１通路２６から空気１００を排出させる。第１円筒形ダクト２０と第２円筒形ダクト２２は、それらの環状の形をした第２通路３２を規定する。第２通路３２は、第２通路３２に空気１００を導入するための第２入口３４と第２通路３２から空気１００を排出するための第２出口３６を有する。第２円筒形ダクト２２と第３円筒形ダクト２４は、それらの間に環状の形をした第３通路３８を規定する。第３通路３８は、第３通路３８に空気１００を導入するための第３入口４０及び第３通路３８から空気１００を排出するための第３出口４２を有する。
【００１５】
第２円筒形ダクト２２の下流部の端部は、円錐形のプレフィルマー（ｐｒｅｆｉｌｍｅｒ）４４になっている。第１円筒形ダクト２０の端部はプレフィルマー４４よりも上流側に位置するため、第１円筒形ダクト２０を出る空気の部分は、第２円筒形ダクト２２の円錐形の部分４４の中に排出される。後述する理由により、第１ダクト２０の出口３０は、少なくとも第２出口３６の半径と同じ長さだけ、軸方向において第２出口３６から離間していなければならない。第３円筒形ダクト２４の下流部の端部も同様に収束部分４６になっており、第２及び第３出口３６，４２は好適には同一平面上にある。
【００１６】
第１円筒形ダクト２０の上流側の端部は、長手方向の軸１４に対して略直角である第１リム部４８と一体的に構成されている。第１リム部４８は固定板１８との間に間隔を有し、該間隔は第１入口２８を規定する。第１スワラ５２のスワラ羽根（ｓｗｉｒｌｉｎｇ ｖａｎｅｓ）５０は第１リム部４８と固定板１８との間をつなぎ、各々の羽根５０は好適には第１リム４８と一体的に構成され、熱膨張による燃料ノズル１６の半径方向の動きを許容するために、羽根５０は摺動表面取り付け（ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｔｔａｃｈｅｍｅｎｔ）によって固定板１８に固定されている。
【００１７】
第２及び第３円筒形ダクト２２，２４の上流端は、同様にそれぞれ第２及び第３リム部５４，５６と一体的に構成されており、これらのリム部５４，５６の各々は長手方向の軸１４に対して略直角である。第２リム部５４は第１リム部４８との間に間隔を有し、該間隔は第２入口３４を規定する。第３リム部５６は第２リム部５４との間によって間隔を有し、該間隔は第３入口４０を規定する。第２スワラ６０のスワラ羽根５８は第１リム４８と第２リム５４との間をつなぎ、各々の羽根５８は、好適には、第１及び第２円筒形ダクト２０，２２の相対的位置を固定するために、両方の隣合うリム４８，５４と一体的に構成されている。同様に、第３スワラ６４のスワラ羽根６２は第３リム５６と第２リム５４との間をつなぎ、各々の羽根６２は、好適には、第２及び第３円筒形ダクト２２，２４の相対的位置を固定するために、両方の隣合うリム５４，５６と一体的に構成されている。このように、第１通路２６は第１通路２６の入口２８に隣接する第１スワラ５２を含み、第２通路３２は第２通路３２の入口３４に隣接する第２スワラ６０を含み、第３通路３８は第３通路３８の入口４０に隣接する第３スワラ６４を含む。
【００１８】
スワラ５２，６０，６４は好適には半径方向にあるが、軸方向又は軸方向及び半径方向の組み合わせでもよい。スワラ５２，６０，６４は長手方向の軸１４を中心に対称的に配置されている複数の羽根（図１に概略的に示す）を有する。各々の通路２６，３２，３８への気流の質量は制御されるので、有効な空気１００は所望のとおりに別々の通路２６，３２，３８を通る。各の通路２６，３２，３８への気流は好適には各々２６，３２，３８にとっての所望のマスフローを決定し、それから各々の通路への有効フロー面積を確定することによって調節され、それによって空気１００は所望のとおりに通路２６，３２，３８に導入される。
【００１９】
好適な実施例において、図２に示されているとおり、第１及び第２スワラ５２，６０は長手方向の軸１４に対して逆回転する（すなわち、第１スワラ５２の羽根５０は、第２通路３２の気流に対して第１通路２６の気流を逆回転させるような角度になっている）。この開示のためには、燃料ノズル１６は燃料スプレー６６を渦流（スワール）にはしないと仮定され、このためには第１及び第２通路２６，３２の気流が反対方向に回転していればよく、これらの気流が実際にどの方向に回転するかは問題ではない。しかしながら、もし燃料ノズル１６が燃料スプレー６６を渦流（スワール）にする場合には、第１通路の渦流（スワール）の方向は燃料スプレー６６の渦流（スワール）の方向と同じでなければならない。第１スワラ５２の羽根５０は、第１通路２６のスワール角度を少なくとも５０°に、好適には５５°にするような角度になっている。本発明者は第１通路２６の気流のスワール角度が５０°未満の場合には、スワール角度が５０°以上の場合と比較して、明らかにより多量の煙を発生させることを発見した。従って５０°以上であるこのスワール角度は本発明にとって重要な事項である。ここで使用されている「スワール角度」という用語は、通路内の気流の軸方向の速度に対する通路内の気流の接線速度の比に由来する角度という意味である。気流のスワール角度は、ボルトのねじやまのピッチから類推し、各々の通路２６，３２，３８の気流がねじやまに沿った経路をたどると考えることにより理解され得る。小さなスワール角度は、１インチ当たりいくつかのねじやましか持たないボルトに相当し、大きなスワール角度は、１インチ当たり多くのねじやまを持つボルトに相当する。
【００２０】
第２スワラ６０の複数の羽根は、第１及び第２通路２６，３２の合流部６８でのスワール角度を６０°以下にするような角度になっている。好適な実施例の実験による評価によって、第１通路２６の空気と第２通路３２の空気との間の質量比が８３：１７から９１：９の範囲にある時に、第１通路２６の空気とは反対方向に回転する第２通路３２の空気のスワール角度を６８°から７５°の範囲にすることによって、合流部６８で約５０°というスワール角度が得られることが示された。本発明者は、合流部６８でのスワール角度が６０°を越える場合には、合流部６８でのスワール角度が６０°以下の場合と比較すると、明らかに再点火安定性を低下させることを発見した。従って、合流部６８でのスワール角度もまた本発明にとって重要な事項である。上述した第１出口３０と第２出口３６との間の軸方向における間隔は、第３通路３８からの気流の部分と前記合流部での気流との相互作用が起きる前に、合流部６８でのスワール角度を与えるために必要である。
【００２１】
第３通路３８の気流は第１通路２６の気流と同一方向に回転する。第３通路３８を通過する空気の部分の質量は、第１，第２及び第３通路２６，３２，３８を通過する空気の質量の合計の３０％以下、好ましくは１５％以下である。第３スワラ６４の複数の羽根６２は、第３通路３８を通過する空気の部分におけるスワール角度を約７０°にするような角度になっている。第３スワラ６４の羽根６２をこのような角度にした理由は、本発明者が、このような大きいスワール角度を有する第３通路３８の気流と第１及び第２通路２６，３２からの気流の合流部６８の気流が合成されると、燃焼器において外側剪断層炎（ｏｕｔｅｒ ｓｈｅａｒ ｌａｙｅｒ ｆｌａｍｅ）が発生することを発見したからである。この外側剪断層炎は重要である。その理由は、これによって再点火の安定性が気流の合計には依存しなくなるからである。そのかわり、外側剪断層炎が生じると、再点火の安定性は第３通路３８を通過する気流の関数になる。従って、第３通路３８の気流を増加させることによって、所望のとおりに再点火の安定性を減少させることが可能であり、第３通路３８の気流を減少させることによって、所望のとおりに再点火の安定性を増加させることが可能である。
【００２２】
本発明のミキサーの作動を以下に説明する。
【００２３】
コンプレッサー（図示せず）から排出された空気１００は３つの通路２６，３２，３８の入口２８，３４，４０からスワラ５２，６０，６４を通して混合ダクト１２に導入される。混合ダクト１２に導入された気流の合計の１５％が第３通路３８に導入され、気流の残り８５％（以下「コア気流」と言う）は第１及び第２通路にそれぞれ８３：１７から９１：９の範囲になるように二分される。第１スワラ５２によって、燃料ノズル１６がある第１通路の気流のスワール角度が５５°になる。燃料は空気のスワール（渦流）に噴霧され、燃料と空気の混合気はスワールとなって長軸方向１４を第１円筒形ダクト２０の出口３０に進む。第１通路のスワール角度が大きいことが、燃料の流れが多いときに中空の円錐形燃料スプレーの形成を助けるので、煙の発生が減少する。第１出口３６において、第１通路からの燃料と空気の混合気は第２円筒形ダクト２２と第２通路３２からの反対方向に回転する気流に排出される。第１通路２６の気流と反対方向に回転する第２通路３２の気流の強い剪断作用によって引き起こされる乱流によって、この二つの気流の合流部６８における全体のスワール角度は減少する。合流部６８の下流のコア気流のスワール角度が小さいことによって、再点火の安定性を増加させるより濃い再循環領域（ｒｉｃｈｅｒ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）の形成が促進される。合流部６８のすぐ下流のスワール角度が、所望の再点火の安定性を得るために許容できる最大のスワール角度である６０°よりもかなり小さい約５０°であるということが実験結果によって示された。当業者にとって容易に理解できることであるが、第２通路３２のスワール角度を例えば７５°と比較的大きい値にすることによって、最少限の第２通路３２の気流の量でもって第１通路のスワール角度を所望のとおりに減少させることが可能である。
【００２４】
コア気流のスワール角度は合流部６８のすぐ下流において減少するけれども、図３に示すとおり、コア気流の回転方向は第１通路２６の気流の回転方向と同じである。コア気流が５０°のスワール角度でプレフィルマー（ｐｒｅｆｉｌｍｅｒ）を出ると、７０°のスワール角度を有する第３通路３８の気流と合流する。これら二つの気流の相互作用が外側剪断層（ｏｕｔｅｒ ｓｈｅａｒ ｌａｙｅｒ）を発生させ、そこで発生する渦が第３出口４２の下流に延びる再循環領域を提供する。上述したように、再循環領域は再点火安定性を高め、外側剪断層がさらに本発明の再点火安定性を高める。
【００２５】
本発明の代わりの実施例について以下に述べる。
【００２６】
図４に示すとおり、第１及び第２スワラ５２，６０は長手方向の軸１４に対して同じ方向に回転する（すなわち、第１スワラ５２の複数の羽根は、第１通路の気流の回転方向を第２通路３２の気流のそれと同じにするような角度になっている）。第１スワラ５２の羽根５０は第１通路２６のスワール角度を５０°以上に、好適には６５°から７５°の間にするような角度になっている。第２スワラ６０の羽根５８は、第１及び第２通路２６，３２の合流部６８におけるスワール角度を６０°以下にするような角度になっている。この代わりの実施例の実験による評価によって、第１及び第２通路２６，３２の空気の質量比が９：９１から１７：８３の範囲にあるときに、第１通路２６の空気と同一方向に回転する第２通路３２の空気のスワール角度を３４°とすることによって、合流部６８におけるスワール角度を約４２°にすることができる。第３通路３８の気流については、前述の好適実施例の場合と同様である。
【００２７】
上記代わりの実施例の作動を以下に述べる。
【００２８】
コンプレッサーからの空気１００は３つの通路２６，３２，３８の入口２８，３４，４０からスワラ５２，６０，６４を通して混合ダクト１２に導入される。混合ダクト１２に導入された気流の合計の１５％が第３通路３８に導入され、気流の残り８５％が第１及び第２通路２６，３２にそれぞれ９：９１から１７：８３の範囲になるように二分される。第１スワラ５２によって、燃料ノズル１６がある第１通路の気流のスワール角度が６５°から７５°の範囲に入る。燃料は空気のスワールに噴霧され、燃料と空気の混合気はスワールとなって長軸方向１４を第１円筒形ダクト２０の出口３０に進む。前述の理由によって、第１通路のスワール角度が大きいことが、煙の発生を減少させる。第１出口において、第１通路２６からの燃料と空気の混合気は、第２円筒形ダクト２２と第１通路の気流と同一方向に回転する第２通路３２からの気流に排出される。大きなスワール角度を有する第１通路２６の気流と小さな角度を有する第２通路３２の気流を合成することによって、これら２つの気流の合流部６８で剪断が生じる。前記小さなスワール角度の気流の質量は、前記大きなスワール角度の気流の質量の５倍以上なので、合流部６８のすぐ下流のスワール角度は、所望の再点火安定性のために許容できる最大のスワール角度である６０°よりもかなり小さい約４２°である。図５に示すとおり、コア気流の回転方向は第１通路２６の気流の回転方向と同じである。コア気流が４２°のスワール角度でプレフィルマー（ｐｒｅｆｉｌｍｅｒ）４４を出ると、７０°のスワール角度を有する第３通路３８の気流と合流する。これらの２つ気流の相互作用により、前述の好適な実施例において記述した有益な結果と同様な結果が得られる。
【００２９】
本発明の燃料及び空気のスワールミキサーは、大きな剪断を得るように設計されており、高性能を有する。半径方向の流入スワラ５２，６０，６４は、現在の大きな剪断を得る設計に存在する同一で再現可能な均一の燃料の分布を発現させる。再点火の安定性は現在の大きな剪断を得る設計に存在する流れの分割の変化に明確に対応する。さらに、スワールミキサー１０の新しい特徴には、現在の大きな剪断を得る設計の霧状にすることに優れていることがある。
【００３０】
本発明は詳細な実施例について記述されたが、当業者にとって特許請求の範囲を越えずに本発明をさまざまに変形することは可能であることが理解されるべきである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のスワールミキサーによれば、第１，第２及び第３通路の気流のスワール角度をそれぞれ調整することによって、ガスタービンからの煙の発生が低く押えられ、再点火の安定性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料ノズル／ミキサーアセンブリの好適な実施例の長手方向の断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図３】図１の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。
【図４】図２と同様であるが、本発明の代わりの実施例を示した断面図である。
【図５】図３と同様であるが、本発明の代わりの実施例を示した断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料／空気ミキサー
１２…混合用ダクト
１４…長手方向の軸
１６…燃料ノズル
２０…第１ダクト
２２…第２ダクト
２４…第３ダクト
２６…第１通路
２８…第１入口
３０…第１出口
３２…第２通路
３４…第２入口
３６…第２出口
３８…第３通路
４０…第３入口
４２…第３出口
５２…第１スワラ
６０…第２スワラ
６４…第３スワラ
６６…燃料スプレー
６８…合流部
１００…空気
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンエンジンに使われる種類の燃焼器用のスワールミキサー及び燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法に関し、さらに詳しく言えば、前記燃焼器の炎の再点火安定性を維持又は改善しながら、燃料／空気の混合気の燃焼によって生じる煙を減少させるように燃料と空気を均一に混合するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高性能の航空機のガスタービンエンジンに使われる燃焼器の設計者の目標の一つに、ガスタービンエンジンにおける燃料工程によって発生する煙及び他の汚染物質の量をできるだけ減少させるということがある。特に軍用航空機では、煙の跡が見えない場合に比べて、煙が発生すると高い高度を飛行する航空機が容易に発見されてしまうことになる。従って、設計者は煙の発生をできるだけ少なくする燃焼器を設計することを目指す。
【０００３】
高性能航空機の燃焼器の設計者のもう一つの目標に、燃焼器の「再点火の安定性」をできるだけ高めるということがある。この再点火の安定性という用語は、何らかの原因で燃焼工程が停止した後で、高速気流及び低い気圧の下で燃焼工程を開始する能力を指す。再点火の安定性が低いと、燃焼器の再点火に失敗した時点の状況によっては、航空機及び／又は生命を失うことになる。今日のガスタービンに使用される典型的な燃焼器においては、再点火の安定性は燃焼器における合計に直接に関連する。
【０００４】
当業者にとっては容易に理解されることであるが、煙の発生は燃焼器の燃料と空気の混合気を薄くすることによって最少限に押えることができる。同様に、再点火の安定性は燃料と空気の混合気を濃くすることによって高めることができる。このように、過去において、燃焼器の設計者は煙の発生を低く押えるか又は再点火の安定性を高めるかのどちらか一方を選択することを強制されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、煙の発生を低下させるということと再点火の安定性を高めるという相反する目標を同時に達成するガスタービンエンジンの燃焼器用のスワールミキサーを提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、燃料と空気の混合気が燃焼器において点火されるときに煙の発生をできるだけ低減させるために燃料と空気を均一に混合する燃焼器用のスワールミキサーを提供することができる。
【０００７】
本発明の別の目的は、高所において再点火の安定性を高める燃焼器用のスワールミキサーを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を、本発明は、ガスタービンエンジンにおける燃焼の前に燃料と空気を混合するための燃焼器用のスワールミキサーであって、長手方向の軸、前記燃料及び空気を受け取るための上流端及び前記混合した燃料及び空気を排出するための下流端を有する混合用ダクトを含む燃料／空気ミキサーにおいて、円形断面を有し第１通路を規定する第１ダクトであって、前記第１通路が前記空気を前記第１通路に導くための第１入口と前記空気を前記第１通路から排出させるための第１出口を有するところの前記第１ダクトと、前記第１ダクトと同軸上にある第２ダクトであって、前記第２ダクトは前記第１ダクトから半径方向に外側に離間し、前記第１及び第２ダクトの間に第２通路が規定されており、前記第２通路が前記空気を前記第２通路に導くための第２入口と前記空気を前記第２通路から排出させるための第２出口を有するところの前記第２ダクトと、前記第２ダクトと同軸上にある第３ダクトであって、前記第３ダクトは前記第２ダクトから半径方向に外側に離間し、前記第２及び第３ダクトの間に第３通路が規定されており、前記第３通路が前記空気を前記第３通路に導くための第３入口と前記空気を前記第３通路から排出させるための第３出口を有するところの前記第３ダクトと、燃料を前記第１通路に導入するために前記混合用ダクトの一端に固定された燃料ノズルと、前記第１入口を通って前記第１通路に入る空気に第１スワール角度を与える手段と、前記第２入口を通って前記第２通路に入る空気に第２スワール角度を与える手段と、前記第３入口を通って前記第３通路に入る空気に第３スワール角度を与える手段を含む前記混合用ダクトであって、前記第１及び第２通路を通る空気の合計はコア空気マスフローを規定し、前記第１ダクトは前記第２ダクトに注ぎ、これによって前記第１及び第２ダクトからの空気の流れの合流部が生じることを特徴とする燃焼器用のスワールミキサーにより達成した。
【０００９】
上記の目的を、本発明は、さらに、煙の発生を最低限に押え、炎の安定性を高めるために燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法であって、円形の断面を有し第１通路を規定する第１ダクト及び前記第１ダクトと同軸上にあり前記第１ダクトから半径方向に外側に離間する第２ダクトであって前記第１及び第２ダクトの間に環状の第２通路を規定する前記第２ダクトを提供することと、少なくとも５０°の第１スワール角度で燃料と接触させるために空気の第１部分にスワールを生じさせる一方で、前記第１ダクトに燃料を噴射させることによって前記燃料と空気の前記第１部分を混合することと、前記燃料及び第１部分に第２スワール角度で空気の第２部分を混合させて６０°未満のスワール角度を有する前記第１及び第２部分の合流部を発生させることと、前記燃料及び前記空気の第１及び第２部分から成る混合物を点火することを含む前記方法により達成した。
上記燃焼器用のスワールミキサーにおいて、前記第２スワール角度は前記第１スワール角度に対して逆方向の回転であるのが好ましい。さらに、前記コア空気マスフローの少なくとも８０％を前記第１ダクトに通すための手段をさらに含むのが好ましい。さらに、前記コア空気マスフローの少なくとも５％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含むのが好ましい。
また、上記燃焼器用のスワールミキサーにおいて、前記第２スワール角度は前記第１スワール角度に対して同一方向の回転であるのが好ましい。さらに、前記コア空気マスフローの少なくとも１０％を前記第１ダクトに通すための手段をさらに含むのが好ましい。さらに、前記コア空気マスフローの少なくとも８０％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含むのが好ましい。さらに、前記第２スワール角度は４０°以下であるのが好ましい。また、前記コア空気マスフローの約１５％を前記第１ダクトに通すための手段及び前記コア空気マスフローの約８５％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含み、前記第１スワール角度が約７５°であるのが好ましい。
【００１０】
【作用】
本発明は、燃焼器用のスワールミキサー及び燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法を開示している。前記ミキサーは円形の断面を有する第１の通路及び該第１の通路から半径方向に外側に離間する２つの環状の通路を有する。前記２つの環状の通路は前記第１の通路と同軸上にある。前記第１通路のスワラは、前記第１通路を通過する燃料及び空気に十分に大きなスワール角度を与える。
【００１１】
これによって燃焼器における煙の発生が最低限に押えられる。前記第１の通路のすぐ外側の前記環状の通路は、該環状の通路を通過する空気に、前記第１通路におけるスワール角度とは明らかに異なるスワール角度を与える。前記第１の通路の出口は、該第１の通路のすぐ外側の前記環状の通路の中に注ぐ。前記第１の通路及びそのすぐ外側の前記環状通路における２つの気流のスワール角度が相対的に異なるために、前記２つの気流が合成された気流のスワール角度が低くなる。これによって、高所での再点火の安定性を高めるための、より濃い再循環領域（ａ ｒｉｃｈｅｒ ｒｅｃｉｒｗｌａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）が形成される。
【００１２】
本発明の前述及びその他の特長と利点は、以下の説明及び添付した図面により、より明らかになるであろう。
【００１３】
【実施例】
本発明の燃焼用のスワールミキサーとしての燃料／空気ミキサー１０は、図１に示されるとおり、長手方向の軸１４を有する混合用ダクト１２を有する。固定板１８に固定された燃料ノズル１６は、長手方向の軸１４と公称として同軸上に位置し、後述するようにミキサー１０に燃料を導入するためにミキサー１０の上流に位置する。燃料ノズル１６は熱膨張による変化を許容するように固定されていてもよく、ノズル１６の熱膨張後の位置は、長手方向の軸１４と同軸上に位置しないこともある。このように、本発明では、燃料ノズル１６が中心線１４又は長手方向の軸１４から外れて半径方向の位置（ｒａｄｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ）を取ることも許容される。
【００１４】
混合用ダクト１２は、好適には、第１円筒形ダクト２０、第２円筒形ダクト２２および第３円筒形ダクト２４を含み、これらの各々は長手方向の軸１４と同軸上にある。本発明のダクト２０，２２，２４が円筒形であると図示し記述したのは、理解を容易にするためだけである。これらダクトは、円錐形又は長軸に直角の断面が円形であるならあらゆる形状をとることができるので、ここで示した円筒形のダクトは特許請求の範囲に限定を加えることを意図したものではない。第２円筒形ダクト２２は第１円筒形ダクトから半径方向に外側に離間し、第３円筒形のダクト２４は第２円筒形ダクト２２から半径方向に外側に離間している。第１円筒形ダクト２０は、第１入口２８及び第１出口３０を有する第１通路２６を規定し、第１入口２８は第１通路２６に空気１００を導入し、第１出口３０は第１通路２６から空気１００を排出させる。第１円筒形ダクト２０と第２円筒形ダクト２２は、それらの環状の形をした第２通路３２を規定する。第２通路３２は、第２通路３２に空気１００を導入するための第２入口３４と第２通路３２から空気１００を排出するための第２出口３６を有する。第２円筒形ダクト２２と第３円筒形ダクト２４は、それらの間に環状の形をした第３通路３８を規定する。第３通路３８は、第３通路３８に空気１００を導入するための第３入口４０及び第３通路３８から空気１００を排出するための第３出口４２を有する。
【００１５】
第２円筒形ダクト２２の下流部の端部は、円錐形のプレフィルマー（ｐｒｅｆｉｌｍｅｒ）４４になっている。第１円筒形ダクト２０の端部はプレフィルマー４４よりも上流側に位置するため、第１円筒形ダクト２０を出る空気の部分は、第２円筒形ダクト２２の円錐形の部分４４の中に排出される。後述する理由により、第１ダクト２０の出口３０は、少なくとも第２出口３６の半径と同じ長さだけ、軸方向において第２出口３６から離間していなければならない。第３円筒形ダクト２４の下流部の端部も同様に収束部分４６になっており、第２及び第３出口３６，４２は好適には同一平面上にある。
【００１６】
第１円筒形ダクト２０の上流側の端部は、長手方向の軸１４に対して略直角である第１リム部４８と一体的に構成されている。第１リム部４８は固定板１８との間に間隔を有し、該間隔は第１入口２８を規定する。第１スワラ５２のスワラ羽根（ｓｗｉｒｌｉｎｇ ｖａｎｅｓ）５０は第１リム部４８と固定板１８との間をつなぎ、各々の羽根５０は好適には第１リム４８と一体的に構成され、熱膨張による燃料ノズル１６の半径方向の動きを許容するために、羽根５０は摺動表面取り付け（ｓｌｉｄｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ａｔｔａｃｈｅｍｅｎｔ）によって固定板１８に固定されている。
【００１７】
第２及び第３円筒形ダクト２２，２４の上流端は、同様にそれぞれ第２及び第３リム部５４，５６と一体的に構成されており、これらのリム部５４，５６の各々は長手方向の軸１４に対して略直角である。第２リム部５４は第１リム部４８との間に間隔を有し、該間隔は第２入口３４を規定する。第３リム部５６は第２リム部５４との間によって間隔を有し、該間隔は第３入口４０を規定する。第２スワラ６０のスワラ羽根５８は第１リム４８と第２リム５４との間をつなぎ、各々の羽根５８は、好適には、第１及び第２円筒形ダクト２０，２２の相対的位置を固定するために、両方の隣合うリム４８，５４と一体的に構成されている。同様に、第３スワラ６４のスワラ羽根６２は第３リム５６と第２リム５４との間をつなぎ、各々の羽根６２は、好適には、第２及び第３円筒形ダクト２２，２４の相対的位置を固定するために、両方の隣合うリム５４，５６と一体的に構成されている。このように、第１通路２６は第１通路２６の入口２８に隣接する第１スワラ５２を含み、第２通路３２は第２通路３２の入口３４に隣接する第２スワラ６０を含み、第３通路３８は第３通路３８の入口４０に隣接する第３スワラ６４を含む。
【００１８】
スワラ５２，６０，６４は好適には半径方向にあるが、軸方向又は軸方向及び半径方向の組み合わせでもよい。スワラ５２，６０，６４は長手方向の軸１４を中心に対称的に配置されている複数の羽根（図１に概略的に示す）を有する。各々の通路２６，３２，３８への気流の質量は制御されるので、有効な空気１００は所望のとおりに別々の通路２６，３２，３８を通る。各の通路２６，３２，３８への気流は好適には各々２６，３２，３８にとっての所望のマスフローを決定し、それから各々の通路への有効フロー面積を確定することによって調節され、それによって空気１００は所望のとおりに通路２６，３２，３８に導入される。
【００１９】
好適な実施例において、図２に示されているとおり、第１及び第２スワラ５２，６０は長手方向の軸１４に対して逆回転する（すなわち、第１スワラ５２の羽根５０は、第２通路３２の気流に対して第１通路２６の気流を逆回転させるような角度になっている）。この開示のためには、燃料ノズル１６は燃料スプレー６６を渦流（スワール）にはしないと仮定され、このためには第１及び第２通路２６，３２の気流が反対方向に回転していればよく、これらの気流が実際にどの方向に回転するかは問題ではない。しかしながら、もし燃料ノズル１６が燃料スプレー６６を渦流（スワール）にする場合には、第１通路の渦流（スワール）の方向は燃料スプレー６６の渦流（スワール）の方向と同じでなければならない。第１スワラ５２の羽根５０は、第１通路２６のスワール角度を少なくとも５０°に、好適には５５°にするような角度になっている。本発明者は第１通路２６の気流のスワール角度が５０°未満の場合には、スワール角度が５０°以上の場合と比較して、明らかにより多量の煙を発生させることを発見した。従って５０°以上であるこのスワール角度は本発明にとって重要な事項である。ここで使用されている「スワール角度」という用語は、通路内の気流の軸方向の速度に対する通路内の気流の接線速度の比に由来する角度という意味である。気流のスワール角度は、ボルトのねじやまのピッチから類推し、各々の通路２６，３２，３８の気流がねじやまに沿った経路をたどると考えることにより理解され得る。小さなスワール角度は、１インチ当たりいくつかのねじやましか持たないボルトに相当し、大きなスワール角度は、１インチ当たり多くのねじやまを持つボルトに相当する。
【００２０】
第２スワラ６０の複数の羽根は、第１及び第２通路２６，３２の合流部６８でのスワール角度を６０°以下にするような角度になっている。好適な実施例の実験による評価によって、第１通路２６の空気と第２通路３２の空気との間の質量比が８３：１７から９１：９の範囲にある時に、第１通路２６の空気とは反対方向に回転する第２通路３２の空気のスワール角度を６８°から７５°の範囲にすることによって、合流部６８で約５０°というスワール角度が得られることが示された。本発明者は、合流部６８でのスワール角度が６０°を越える場合には、合流部６８でのスワール角度が６０°以下の場合と比較すると、明らかに再点火安定性を低下させることを発見した。従って、合流部６８でのスワール角度もまた本発明にとって重要な事項である。上述した第１出口３０と第２出口３６との間の軸方向における間隔は、第３通路３８からの気流の部分と前記合流部での気流との相互作用が起きる前に、合流部６８でのスワール角度を与えるために必要である。
【００２１】
第３通路３８の気流は第１通路２６の気流と同一方向に回転する。第３通路３８を通過する空気の部分の質量は、第１，第２及び第３通路２６，３２，３８を通過する空気の質量の合計の３０％以下、好ましくは１５％以下である。第３スワラ６４の複数の羽根６２は、第３通路３８を通過する空気の部分におけるスワール角度を約７０°にするような角度になっている。第３スワラ６４の羽根６２をこのような角度にした理由は、本発明者が、このような大きいスワール角度を有する第３通路３８の気流と第１及び第２通路２６，３２からの気流の合流部６８の気流が合成されると、燃焼器において外側剪断層炎（ｏｕｔｅｒ ｓｈｅａｒ ｌａｙｅｒ ｆｌａｍｅ）が発生することを発見したからである。この外側剪断層炎は重要である。その理由は、これによって再点火の安定性が気流の合計には依存しなくなるからである。そのかわり、外側剪断層炎が生じると、再点火の安定性は第３通路３８を通過する気流の関数になる。従って、第３通路３８の気流を増加させることによって、所望のとおりに再点火の安定性を減少させることが可能であり、第３通路３８の気流を減少させることによって、所望のとおりに再点火の安定性を増加させることが可能である。
【００２２】
本発明のミキサーの作動を以下に説明する。
【００２３】
コンプレッサー（図示せず）から排出された空気１００は３つの通路２６，３２，３８の入口２８，３４，４０からスワラ５２，６０，６４を通して混合ダクト１２に導入される。混合ダクト１２に導入された気流の合計の１５％が第３通路３８に導入され、気流の残り８５％（以下「コア気流」と言う）は第１及び第２通路にそれぞれ８３：１７から９１：９の範囲になるように二分される。第１スワラ５２によって、燃料ノズル１６がある第１通路の気流のスワール角度が５５°になる。燃料は空気のスワール（渦流）に噴霧され、燃料と空気の混合気はスワールとなって長軸方向１４を第１円筒形ダクト２０の出口３０に進む。第１通路のスワール角度が大きいことが、燃料の流れが多いときに中空の円錐形燃料スプレーの形成を助けるので、煙の発生が減少する。第１出口３６において、第１通路からの燃料と空気の混合気は第２円筒形ダクト２２と第２通路３２からの反対方向に回転する気流に排出される。第１通路２６の気流と反対方向に回転する第２通路３２の気流の強い剪断作用によって引き起こされる乱流によって、この二つの気流の合流部６８における全体のスワール角度は減少する。合流部６８の下流のコア気流のスワール角度が小さいことによって、再点火の安定性を増加させるより濃い再循環領域（ｒｉｃｈｅｒ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）の形成が促進される。合流部６８のすぐ下流のスワール角度が、所望の再点火の安定性を得るために許容できる最大のスワール角度である６０°よりもかなり小さい約５０°であるということが実験結果によって示された。当業者にとって容易に理解できることであるが、第２通路３２のスワール角度を例えば７５°と比較的大きい値にすることによって、最少限の第２通路３２の気流の量でもって第１通路のスワール角度を所望のとおりに減少させることが可能である。
【００２４】
コア気流のスワール角度は合流部６８のすぐ下流において減少するけれども、図３に示すとおり、コア気流の回転方向は第１通路２６の気流の回転方向と同じである。コア気流が５０°のスワール角度でプレフィルマー（ｐｒｅｆｉｌｍｅｒ）を出ると、７０°のスワール角度を有する第３通路３８の気流と合流する。これら二つの気流の相互作用が外側剪断層（ｏｕｔｅｒ ｓｈｅａｒ ｌａｙｅｒ）を発生させ、そこで発生する渦が第３出口４２の下流に延びる再循環領域を提供する。上述したように、再循環領域は再点火安定性を高め、外側剪断層がさらに本発明の再点火安定性を高める。
【００２５】
本発明の代わりの実施例について以下に述べる。
【００２６】
図４に示すとおり、第１及び第２スワラ５２，６０は長手方向の軸１４に対して同じ方向に回転する（すなわち、第１スワラ５２の複数の羽根は、第１通路の気流の回転方向を第２通路３２の気流のそれと同じにするような角度になっている）。第１スワラ５２の羽根５０は第１通路２６のスワール角度を５０°以上に、好適には６５°から７５°の間にするような角度になっている。第２スワラ６０の羽根５８は、第１及び第２通路２６，３２の合流部６８におけるスワール角度を６０°以下にするような角度になっている。この代わりの実施例の実験による評価によって、第１及び第２通路２６，３２の空気の質量比が９：９１から１７：８３の範囲にあるときに、第１通路２６の空気と同一方向に回転する第２通路３２の空気のスワール角度を３４°とすることによって、合流部６８におけるスワール角度を約４２°にすることができる。第３通路３８の気流については、前述の好適実施例の場合と同様である。
【００２７】
上記代わりの実施例の作動を以下に述べる。
【００２８】
コンプレッサーからの空気１００は３つの通路２６，３２，３８の入口２８，３４，４０からスワラ５２，６０，６４を通して混合ダクト１２に導入される。混合ダクト１２に導入された気流の合計の１５％が第３通路３８に導入され、気流の残り８５％が第１及び第２通路２６，３２にそれぞれ９：９１から１７：８３の範囲になるように二分される。第１スワラ５２によって、燃料ノズル１６がある第１通路の気流のスワール角度が６５°から７５°の範囲に入る。燃料は空気のスワールに噴霧され、燃料と空気の混合気はスワールとなって長軸方向１４を第１円筒形ダクト２０の出口３０に進む。前述の理由によって、第１通路のスワール角度が大きいことが、煙の発生を減少させる。第１出口において、第１通路２６からの燃料と空気の混合気は、第２円筒形ダクト２２と第１通路の気流と同一方向に回転する第２通路３２からの気流に排出される。大きなスワール角度を有する第１通路２６の気流と小さな角度を有する第２通路３２の気流を合成することによって、これら２つの気流の合流部６８で剪断が生じる。前記小さなスワール角度の気流の質量は、前記大きなスワール角度の気流の質量の５倍以上なので、合流部６８のすぐ下流のスワール角度は、所望の再点火安定性のために許容できる最大のスワール角度である６０°よりもかなり小さい約４２°である。図５に示すとおり、コア気流の回転方向は第１通路２６の気流の回転方向と同じである。コア気流が４２°のスワール角度でプレフィルマー（ｐｒｅｆｉｌｍｅｒ）４４を出ると、７０°のスワール角度を有する第３通路３８の気流と合流する。これらの２つ気流の相互作用により、前述の好適な実施例において記述した有益な結果と同様な結果が得られる。
【００２９】
本発明の燃料及び空気のスワールミキサーは、大きな剪断を得るように設計されており、高性能を有する。半径方向の流入スワラ５２，６０，６４は、現在の大きな剪断を得る設計に存在する同一で再現可能な均一の燃料の分布を発現させる。再点火の安定性は現在の大きな剪断を得る設計に存在する流れの分割の変化に明確に対応する。さらに、スワールミキサー１０の新しい特徴には、現在の大きな剪断を得る設計の霧状にすることに優れていることがある。
【００３０】
本発明は詳細な実施例について記述されたが、当業者にとって特許請求の範囲を越えずに本発明をさまざまに変形することは可能であることが理解されるべきである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のスワールミキサーによれば、第１，第２及び第３通路の気流のスワール角度をそれぞれ調整することによって、ガスタービンからの煙の発生が低く押えられ、再点火の安定性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料ノズル／ミキサーアセンブリの好適な実施例の長手方向の断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図３】図１の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。
【図４】図２と同様であるが、本発明の代わりの実施例を示した断面図である。
【図５】図３と同様であるが、本発明の代わりの実施例を示した断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料／空気ミキサー
１２…混合用ダクト
１４…長手方向の軸
１６…燃料ノズル
２０…第１ダクト
２２…第２ダクト
２４…第３ダクト
２６…第１通路
２８…第１入口
３０…第１出口
３２…第２通路
３４…第２入口
３６…第２出口
３８…第３通路
４０…第３入口
４２…第３出口
５２…第１スワラ
６０…第２スワラ
６４…第３スワラ
６６…燃料スプレー
６８…合流部
１００…空気
Claims (18)
- ガスタービンエンジンにおける燃焼の前に燃料と空気を混合するための燃料／空気ミキサーであって、長手方向の軸、前記燃料及び空気を受け取るための上流端及び前記混合した燃料及び空気を排出するための下流端を有する混合用ダクトを含む燃焼器用のスワールミキサーにおいて、
円形断面を有し第１通路を規定する第１ダクトであって、前記第１通路が前記空気を前記第１通路に導くための第１入口と前記空気を前記第１通路から排出させるための第１出口を有するところの前記第１ダクトと、
前記第１ダクトと同軸上にある第２ダクトであって、前記第２ダクトは前記第１ダクトから半径方向に外側に離間し、前記第１及び第２ダクトの間に第２通路が規定されており、前記第２通路が前記空気を前記第２通路に導くための第２入口と前記空気を前記第２通路から排出させるための第２出口を有するところの前記第２ダクトと、
前記第２ダクトと同軸上にある第３ダクトであって、前記第３ダクトは前記第２ダクトから半径方向に外側に離間し、前記第２及び第３ダクトの間に第３通路が規定されており、前記第３通路が前記空気を前記第３通路に導くための第３入口と前記空気を前記第３通路から排出させるための第３出口を有するところの前記第３ダクトと、
燃料を前記第１通路に導入するために前記混合用ダクトの一端に固定された燃料ノズルと、
前記第１入口を通って前記第１通路に入る空気に第１スワール角度を与える手段と、
前記第２入口を通って前記第２通路に入る空気に第２スワール角度を与える手段と、
前記第３入口を通って前記第３通路に入る空気に第３スワール角度を与える手段と、を含む前記混合用ダクトであって、
前記第１及び第２通路を通る空気の合計はコア空気マスフローを規定し、前記第１ダクトは前記第２ダクトに注ぎ、これによって前記第１及び第２ダクトからの空気の流れの合流部が生じ、前記第３通路を通過する空気の質量は、第１、第２及び第３通路を通過する空気の質量の合計の３０％以下であり、前記第１スワール角度が少なくとも５０°であり、生じた前記合流部のすぐ下流のスワール角度は６０°以下であることを特徴とする燃焼器用のスワールミキサー。 - 前記第２スワール角度は前記第１スワール角度に対して逆方向の回転である請求項１記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記コア空気マスフローの少なくとも８０％を前記第１ダクトに通すための手段をさらに含む請求項２記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記コア空気マスフローの少なくとも５％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含む請求項３記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記コア空気マスフローの約９１％を前記第１ダクトに通すための手段及び前記コア空気マスフローの約９％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含み、前記第１スワール角度が約５５°である請求項２記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記第３スワール角度は約７０°である請求項５記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記第２スワール角度は少なくとも６０°である請求項４記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記第２スワール角度は前記第１スワール角度に対して同一方向の回転である請求項１記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記コア空気マスフローの少なくとも１０％を前記第１ダクトに通すための手段をさらに含む請求項８記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記コア空気マスフローの少なくとも８０％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含む請求項９記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記コア空気マスフローの約１５％を前記第１ダクトに通すための手段及び前記コア空気マスフローの約８５％を前記第２ダクトに通すための手段をさらに含み、前記第１スワール角度が約７５°である請求項８記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記第３スワール角度は約７０°である請求項１１記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 前記第２スワール角度は４０°以下である請求項１０記載の燃焼器用のスワールミキサー。
- 煙の発生を最低限に押え、炎の安定性を高めるために燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法であって、
円形の断面を有し第１通路を規定する第１ダクト、前記第１ダクトと同軸上にあり前記第１ダクトから半径方向に外側に離間する第２ダクトであって前記第１及び第２ダクトの間に環状の第２通路を規定する前記第２ダクト、及び前記第２ダクトと同軸上にあり前記第２ダクトから半径方向に外側に離間する第３ダクトであって前記第２及び第３ダクトの間に環状の第３通路を規定する前記第３ダクトを提供することと、
少なくとも５０°の第１スワール角度で燃料と接触させるために空気の第１部分にスワールを生じさせる一方で、前記第１ダクトに燃料を噴射させることによって前記燃料と空気の前記第１部分を混合することと、
前記燃料及び空気の第１部分に第２スワール角度で空気の第２部分を混合させて６０°未満のスワール角度を有する前記空気の第１及び第２部分の合流部を発生させることと、
空気の前記第１、前記第２及び第３部分の質量の合計の３０％以下の質量を有する空気の第３部分であって、前記合流部と同一方向に回転するとともに約７０°のスワール角度を有する空気の第３部分を前記空気の第１及び第２部分に混合することと、
前記燃料及び前記空気の第１及び第２部分から成る混合物を点火することと、を含む燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法。 - 前記第２スワール角度は前記第１スワール角度に対して逆方向の回転である請求項１４記載の燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法。
- 空気の前記第２部分の質量に対する空気の前記第１部分の質量の比は約９：１であり、前記第１スワール角度は約５５°であり、前記第２スワール角度は約７５°である請求項１５記載の燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法。
- 前記第２スワール角度は前記第１スワール角度に対して同一方向の回転である請求項１４記載の燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法。
- 空気の前記第２部分の質量に対する空気の前記第１部分の質量の比は１５：８５であり、前記第１スワール角度は約７５°であり、前記第２スワール角度は約３４°である請求項１７記載の燃焼器において燃料と空気を燃焼させる方法。
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