JP4188724B2 - 空気／燃料混合気を燃焼室の中へ噴射するためのマルチモードシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、ガスタービンエンジンの燃焼室の中に燃料を噴射するためのシステムが属する分野に関する。より詳細には、本発明は、空気／燃料混合気を噴射するためのシステムに関し、そのシステムは、エンジンの予め定められた回転速度に応じて空気／燃料混合気を噴射する少なくとも２つの独立したモードを定義することのできるマルチモード燃料噴射を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの一般的な燃焼室のそれぞれの噴射システムにおいては、燃料は、燃料噴射器によって単一モードで噴射される。燃料噴射器を中心にして配置された２つの空気スワラが、それぞれ、燃料噴射点から下流へ空気の半径流を供給し、それによって、燃焼室の中に噴射して燃焼させるべき空気と燃料を混合する。２つのスワラから送り込まれる空気の流れは、２つの前記スワラ間に介装されたベンチュリ管によってほぼ決まり、そのスワラの下流に取り付けられたボウルが、空気／燃料混合気の流れを燃焼室へ向けて加速する。
【０００３】
そのような噴射システムによって得られる空気／燃料混合気は、燃焼室内において点火するために、とりわけエンジンの低い回転速度において、燃焼が安定することを保証するために、そして、とりわけエンジンがスロットル全開で動作しているときに大気中に汚染物質を排出するのを抑制するために、最適化されなければならない。これらの要求は、しばしばお互いに相いれないいくつかの動作モードを必要とする。例えば、とりわけエンジンの低い回転速度において必要とされる燃焼火炎の安定性は、空気／燃料混合気が不均一なこと、すなわち、空気／燃料混合気の希薄領域の近くに濃厚領域に存在することによって助長される。逆に、窒素酸化物のような汚染物質の生成は、希薄で均一な混合気を燃焼させることによって抑制される。
【０００４】
上述したような単一モード燃料噴射システムは、上述した動作要求のすべてを正しく満たすことができない。そのようなシステムにおける燃料噴射は、噴射される空気の量がより少ない領域においてなされ、それによって、空気／燃料混合気を不均一なものにする傾向がある。さらには、ただ１つの噴射点に限定された燃料噴射は、１つかまたは多くても２つのエンジン回転速度しか最適化しない。とりわけ、アイドリング回転速度で動作しているとき、そのような噴射システムは、適切には動作せず、そのことは、高濃度の一酸化炭素を排出することにつながる。
【０００５】
これらの不都合を軽減するために、２つのヘッドを有する燃焼室を使用することが知られており、その概念は、「低速」ヘッド上とその低速ヘッドから半径方向にも軸方向にも一定の間隔を置いて離れた「離陸」ヘッド上とに配置された燃料噴射器を燃焼室に設けることによって、低い回転速度の燃焼と高い回転速度の燃焼とを分離することである。この解決方法は、満足できるもののように思えるが、２つのヘッドを有する燃焼室は、一般的な単一ヘッド燃焼室と比較すれば、燃料噴射器の数が２倍になるので、依然として、制御するのが難しく、かつ、コストのかかるものである。
【０００６】
また、米国特許第５８１６０４９号明細書は、空気／燃料混合気を噴射するためのシステムを開示しており、このシステムでは、燃料噴射は、半径方向スワラおよび軸方向スワラから送り込まれる空気の流れを定めるベンチュリ管に提供されたいくつかのオリフィスを介して、および、半径方向スワラから送り込まれる空気の流れの通路へ開口したいくつかのオリフィスを介して、複数の形でなされる。しかしながら、この特許に記載された噴射システムにもまた不都合がある。噴射オリフィスには、とりわけ複数の供給ダクトを介して燃料が供給され、それによって、燃料がコーキングする危険性がかなり増大する。さらに、空気噴射オリフィスに対しての燃料噴射オリフィスの独特な配置は、燃料が空気噴射回路の中に入り込む大きな危険性を有する。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５８１６０４９号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、空気／燃料混合気を噴射するためのマルチモードシステムを備えた噴射システムを提案することによって、そのような不都合を軽減することを目的とし、その噴射システムは、空気／燃料混合気を調製するのを可能にし、汚染物質の排出を抑制するために、その空気／燃料混合気は、低い回転速度状態および高い回転速度状態のいずれの場合においても最適化される。また、本発明は、コーキングする危険性を抑制し、かつ、燃料が空気供給システムの中へ入り込むのを防止する噴射システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明は、空気／燃料混合気をガスタービンエンジンの燃焼室の中へ噴射するための噴射システムを提供し、前記噴射システムは、長手方向軸を有し、かつ、第１の空気噴射手段と第２の空気噴射手段との間に介装された燃料噴射手段を備え、前記燃料噴射手段は、ベンチュリ管の環状内部空洞内に配置され、前記空洞は、実質的に軸方向に延びる上流壁と、実質的に半径方向に延びる下流壁とによって規定され、前記燃料噴射手段は、少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを備えた少なくとも１つの第１の燃料吸入回路と、少なくとも１つの第１の燃料吸入回路から独立した複数の第２の燃料吸入回路とを備え、複数の第２の燃料吸入回路のそれぞれは、少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを備え、それによって、エンジンの決められた回転速度に応じて空気／燃料混合気を噴射する複数の独立したモードを定義し、前記噴射システムは、第１の燃料吸入回路の燃料噴射オリフィスが、ベンチュリ管の上流壁に形成され、それによって、第１の空気噴射手段から流れ込む空気の流れにほぼ垂直なおおよその方向へ燃焼室に向けて燃料を噴射し、第２の燃料吸入回路の燃料噴射オリフィスが、ベンチュリ管の下流壁に形成され、それによって、第２の空気噴射手段から流れ込む空気の流れにほぼ垂直なおおよその方向へ燃焼室に向けて燃料を噴射することを特徴とする。
【００１０】
その結果として、この噴射システムは、高い回転速度状態においては、窒素酸化物からなる汚染物質の排出を抑制するために、均一かつ希薄である空気／燃料混合気を生成すること、および、低い回転速度状態においては、一酸化炭素の排出をなお低く抑えつつ、燃焼室内における点火および燃焼火炎の安定性を保証するために、ガスポケットを化学量論的な比率で形成することのいずれをも可能にする。空気／燃料混合気は、エンジンの動作条件に応じて、マルチモードで噴射される。したがって、噴射システムにおける燃料の供給は、空気噴射手段によって送り込まれる空気の量に応じて、完全に制御されることが可能である。さらに、空気噴射手段から送り込まれる空気の流れに垂直な方向に燃料を噴射することは、空気／燃料混合気の均一化を改善する。
【００１１】
有利には、第１および第２の燃料吸入回路の燃料噴射オリフィスは、長手方向軸の周りに規則正しく配置され、お互いにずれた角位置を占め、それによって、混合の均一化を改善する。
【００１２】
ただ１つの供給ダクトが、例えば、複数の同心管を介して、第１および第２の燃料吸入回路に燃料を供給してもよい。したがって、燃料の供給は、ただ１つのダクトを介してなされ、それによって、コーキングの危険性を抑制し、燃料が回路を流れることによって得られる冷却という利点を有する。
【００１３】
噴射システムの長手方向軸を中心にして配置された付加的な空気噴射手段または燃料噴射手段は、有利には、空気／燃料混合気を噴射する更なるモードを定義する役割をなす。そのような手段は、長手方向軸を中心にして配置されかつ第１の空気噴射手段から下流へ延びるボウルに取り付けられる。
【００１４】
本発明のその他の特徴および利点が、限定しない特徴を有する実施形態を示す添付の図面を参照して以下に記述される説明から明らかとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
燃焼室１０の一部分を断面図で示す図１を参照すると、燃焼室は、空気／燃料混合気を噴射するための複数のシステム１２を備える。燃焼室１０は、図示しない取り付け手段によって、外側ケーシング１４にしっかりと固定される。例として、燃焼室は、アニュラー型であり、かつ、その燃焼室のための環状端壁２０によって上流端部でお互いに接続された２つの環状壁１６および１８によって規定される。燃焼室端壁２０は、そのような燃焼室が取り付けられたガスタービンエンジンの軸２１を中心にして円形に一定の間隔を置いて規則正しく配置された複数の開口を有する。本発明の噴射システム１２は、これらの開口のそれぞれに取り付けられる。噴射システムは、燃焼室１０内で燃焼させられるべき空気と燃料の混合気を調製する。前記燃焼によって送り込まれるガスは、高圧タービンに供給される前に、燃焼室の下流へ流れる。
【００１６】
図２により詳細に示されるように、噴射システム１２は、長手方向軸Ｘ−Ｘに関して、第１の空気噴射手段と第２の空気噴射手段との間に介装された燃料噴射手段を備える。第１および第２の空気噴射手段は、好ましくは、それぞれ、長手方向軸Ｘ−Ｘに対して半径方向に配置された内側スワラ２２および外側スワラ２４によって構成される。これらの空気スワラは、一般的な種類のものであり、したがって、それぞれの空気スワラは、実質的に半径方向への空気の流れを実現する。外側スワラ２４は、内側スワラ２２に対して半径方向へずらして取り付けられる。
【００１７】
燃料噴射手段は、噴射システムの長手方向軸Ｘ−Ｘを中心にして配置されかつ内側スワラ２２および外側スワラ２４から送り込まれる空気の流れの境界を規定する環状ベンチュリ管２６の環状内部空洞内に取り付けられる。ベンチュリ管は、とりわけ、内側スワラ２２から実質的に軸方向へ延びる上流壁２８を備え、その上流壁２８それ自身は、下流壁３０によって拡張され、その下流壁３０は、実質的に半径方向へ延び、外側スワラ２４に接続される。
【００１８】
燃料噴射手段は、少なくとも１つの第１の燃料吸入回路３２および複数の第２の燃料吸入回路３４を備える。第１および第２の燃料吸入回路は、お互いに独立しており、とりわけ、それらの燃料吸入回路は、ベンチュリ管２６の上流壁２８および下流壁３０によって規定される。図面をわかりやすくするために、図１から図３に示される燃料噴射手段は、ただ１つの第１の燃料吸入システムと、ただ１つの第２の燃料吸入回路とを備える。当然ながら、これらの燃料噴射手段が、複数の第１および第２の燃料吸入回路を備えることも考えられる。
【００１９】
第１の燃料吸入回路３２は、ベンチュリ管の上流壁に形成された少なくとも１つの燃料噴射オリフィス３６を介して、ほぼ半径方向であるおおよその方向へ燃焼室１０に向けて開口している。第２の燃料吸入回路３４は、ベンチュリ管の下流壁に形成された少なくとも１つの燃料噴射オリフィス３８を介して、ほぼ軸方向であるおおよその方向へ燃焼室１０に向けて開口している。したがって、本発明によれば、第１の燃料吸入回路３２内に存在する燃料は、内側スワラ２２によって生成された空気の流れの中へ、その空気の流れにほぼ垂直なおおよその方向に噴射される。同様に、第２の燃料吸入回路３４内に存在する燃料は、外側スワラ２４によって生成された空気の流れの中へ、その空気の流れにほぼ垂直なおおよその方向に噴射される。例として、１つの燃料吸入回路ごとに６つの燃料噴射オリフィスが、提供されてもよい。
【００２０】
本発明の有利な特徴によれば、第１および第２の燃料吸入回路３２、３４の燃料噴射オリフィス３６、３８は、噴射システムの長手方向軸Ｘ−Ｘの周り全体に規則正しく配置され、第１の燃料吸入回路のオリフィス３６は、第２の燃料吸入回路のオリフィス３８に対してずれた角位置を占める。この特徴によって、空気／燃料混合気の均一性を改善することができる。さらに、燃料噴射オリフィスは、好ましくは、内側スワラおよび外側スワラからの空気吹き出し口の方に向けては配置されない。
【００２１】
それぞれが少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを備えた、少なくとも１つの第１の燃料吸入回路とそれから独立した複数の第２の燃料吸入回路とが存在することによって、エンジンの特定の回転速度に応じて空気／燃料混合気を噴射する複数の独立したモードを定義することができる。例えば、燃料噴射手段が、図１から図３に示されるように、ただ１つの第１の燃料吸入回路とただ１つの第２の燃料吸入回路とを備えている場合、第１の燃料吸入回路３２を介しての燃料噴射は、アイドリング回転速度で動作するエンジンに適合することができ、また、第１および第２の燃料吸入回路を介しての燃料噴射は、スロットル全開で動作するエンジンに適合することができる。
【００２２】
図４に概略的に示される本発明の別の実施形態においては、２つの第１の燃料吸入回路３２ａおよび３２ｂと、２つの第２の燃料吸入回路３４ａおよび３４ｂとが、提供される。第１の燃料吸入回路３２ａおよび３２ｂのそれぞれは、３つの燃料噴射オリフィス３６ａおよび３６ｂを備え、同様に、第２の燃料吸入回路３４ａおよび３４ｂのそれぞれは、３つの燃料噴射オリフィス３８ａおよび３８ｂを備え、その結果として、噴射システム１２は、独立した１６種類のモードを定義する役割をなし、その１６種類のモードによって、空気／燃料混合気を噴射することができる。また、この図面から、第１および第２の燃料吸入回路の燃料噴射オリフィス３６ａ、３６ｂ、３８ａ、および、３８ｂは、噴射システムの長手方向軸Ｘ−Ｘの周り全体に規則正しく配置されていること、および、それらの燃料噴射オリフィスは、お互いに対してずれた角位置を占めていることがわかり、それによって、空気／燃料の混合を助長する。
【００２３】
更に別の実施形態（図面には示されない）においては、１６の第１の燃料吸入回路および１６の第２の燃料吸入回路が、提供されてもよく、前記燃料吸入回路のそれぞれは、２つの燃料噴射オリフィスを備える。その結果として、そのような燃料噴射手段は、空気／燃料混合気を噴射する独立した２５６種類のモードを定義することができる。
【００２４】
図１および図２から、本発明の噴射システム１２は、第１および第２の燃料吸入回路３２および３４の両方に燃料を供給する少なくとも１つの半径方向に延びる供給回路４０を更に備えていることがわかる。この供給ダクト４０は、有利には、複数の管、例えば、同心の管を備え、それらの管のそれぞれが、燃料吸入回路の１つに燃料を供給する。図２に示される例においては、供給ダクトは、２つの管４２および４４を備える。より正確には、ダクトの中央の第１の管４２は、燃料を第２の燃料吸入回路３４に供給し、その第２の燃料吸入回路３４は、好ましくは、形状がドーナツ形である（図３）。第１の管と同心の第２のダクト４４は、燃料を第１の燃料吸入回路３２に供給する。複数の第１および第２の燃料吸入回路が、提供される場合、存在する燃料吸入回路と同じ数の同心管が、提供される。したがって、燃料は、ただ１つのダクト４０を介して、いくつかの燃料吸入回路に供給され、それによって、燃料がコーキングする危険性を抑制する。あるいは、平行なお互いに独立したいくつかの燃料供給ダクトを有することも考えられる。
【００２５】
燃料吸入回路内に存在する燃料は、とりわけ、燃料吸入回路３２および３４とベンチュリ管２６の上流壁２８および下流壁３０との間に介装された熱スクリーン４６によって、空気／燃料混合気の燃焼によって送り込まれる熱風から保護される。また、燃料吸入回路内を流れる燃料は、ベンチュリ管の壁を冷却する役割をなす。また、複数の第１および第２の燃料吸入回路が存在する場合、熱スクリーンは、個々の回路をお互いに隔てる役割をもなすことができる。
【００２６】
本発明の別の有利な特徴によれば、噴射システムは、噴射システムの長手方向軸Ｘ−Ｘを中心にして配置された付加的な空気噴射手段または燃料噴射手段４８（図２に破線で示される）を更に備えてもよい。それによって、これらの付加的な噴射手段４８は、空気／燃料混合気を噴射することのできる更なるモードを定義する役割をなす。例として、付加的な燃料噴射手段が提供された場合、前記燃料噴射手段だけを介して噴射される燃料は、アイドリング回転速度で動作するエンジンに適合することができ、また、前記付加的な燃料噴射手段と第１の燃料吸入回路のオリフィスとを介して同時に噴射される燃料は、中間供給の全範囲に適合することができる。最後に、付加的な燃料噴射手段と第１および第２の燃料吸入回路のオリフィスとを介して燃料を噴射することは、スロットル全開で動作するエンジンに適合することができる。
【００２７】
付加的な空気噴射手段または燃料噴射手段４８は、好ましくは、長手方向軸Ｘ−Ｘを中心にして配置されかつ第１の空気噴射手段から下流へ延びるボウル５０上に取り付けられる。付加的な燃料噴射手段が提供される場合、それらの燃料噴射手段は、例えば、ボウル５０の端壁５２を貫通する一般的な燃料噴射器によって構成されてもよい。同様に、付加的な空気噴射手段が提供される場合、それらの空気噴射手段は、ボウルの端壁５２を同じように貫通する一般的な空気スワラによって形成されてもよい。
【００２８】
最後に、外側スワラ２４の下流に混合管５４が配置されていることもわかる。この混合管は、下流へ行くにしたがって次第に細くなり、かつ実質的に半径方向に延びる壁５８において終端する壁５６を有し、その壁５８は、デフレクタ６０によって燃焼室内部に拡張される。この混合管は、空気／燃料混合気の流れを燃焼室へ向けて加速する役割をなし、また、燃焼火炎が上流へ逆流するのを防止する役割をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を構成する噴射システムが取り付けられた燃焼室の部分断面図である。
【図２】図１に示される噴射システムをより大きく拡大した部分断面図である。
【図３】図１に示される噴射システムの切取斜視図である。
【図４】本発明の別の実施形態を構成する噴射システムの概略正面図である。
【符号の説明】
１０ 燃焼室
１２ 噴射システム
１４ 外側ケーシング
１６、１８ 環状壁
２０ 環状端壁
２１ 軸
２２ 内側スワラ
２４ 外側スワラ
２６ ベンチュリ管
２８ 上流壁
３０ 下流壁
３２、３４ 燃料吸入回路
３２ａ、３２ｂ 第１の燃料吸入回路
３４ａ、３４ｂ 第２の燃料吸入回路
３６、３６ａ、３６ｂ、３８、３８ａ、３８ｂ 燃料噴射オリフィス
４０ 供給ダクト
４２、４４ 管
４６ 熱スクリーン
４８ 空気噴射手段または燃料噴射手段
５０ ボウル
５２ 端壁
５４ 混合管
５６、５８ 壁
６０ デフレクタ
Ｘ−Ｘ 長手方向軸

Claims (9)

1. 空気／燃料混合気をガスタービンエンジンの燃焼室（１０）の中へ噴射するための噴射システム（１２）であって、前記噴射システムが、長手方向軸（Ｘ−Ｘ）を有し、かつ、第１の空気噴射手段（２２）と第２の空気噴射手段（２４）との間に介装された燃料噴射手段を備え、前記燃料噴射手段が、ベンチュリ管（２６）の環状内部空洞（３２、３４）内に配置され、前記空洞が、軸方向に延びる上流壁（２８）と、半径方向に延びる下流壁（３０）とによって規定され、前記燃料噴射手段が、少なくとも１つの燃料噴射オリフィス（３６）を備えた少なくとも１つの第１の燃料吸入回路（３２）と、少なくとも１つの前記第１の燃料吸入回路から独立した複数の第２の燃料吸入回路（３４）とを備え、複数の第２の燃料吸入回路（３４）のそれぞれが少なくとも１つの燃料噴射オリフィス（３８）を備え、それによって、エンジンの決められた回転速度に応じて空気／燃料混合気を噴射する複数の独立したモードを定義し、
   前記第１の燃料吸入回路の燃料噴射オリフィス（３６）が、前記ベンチュリ管の上流壁に形成され、それによって、第１の空気噴射手段（２２）から流れ込む空気の流れに垂直な方向へ燃焼室に向けて燃料を噴射し、
   前記第２の燃料吸入回路の燃料噴射オリフィス（３８）が、前記ベンチュリ管の下流壁に形成され、それによって、前記第２の空気噴射手段（２４）から流れ込む空気の流れに垂直な方向へ前記燃焼室に向けて燃料を噴射し、
   前記第１および第２の空気噴射手段が、それぞれ、前記長手方向軸に対して半径方向に配置された内側スワラ（２２）および外側スワラ（２４）によって構成され、
   ベンチュリ管が前記内側スワラ（２２）および外側スワラ（２４）の間に配置されている、ことを特徴とする、噴射システム。
2. 前記第１および第２の燃料吸入回路（３２、３４）の燃料噴射オリフィス（３６、３８）が、前記長手方向軸の周り全体に規則正しく配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の噴射システム。
3. 前記第１の燃料吸入回路（３２）の燃料噴射オリフィス（３６）が、前記第２の燃料吸入回路（３４）の燃料噴射オリフィス（３８）に対してずれた角位置を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の噴射システム。
4. 前記第２の燃料吸入回路（３４）が、形状がドーナツ形であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の噴射システム。
5. 前記第１および第２の燃料吸入回路（３２、３４）に燃料を供給する少なくとも１つの半径方向に延びる供給ダクト（４０）を更に備えたことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の噴射システム。
6. 前記供給ダクトが、複数の同心の管（４２、４４）を備え、それらの管（４２、４４）のそれぞれが、燃料吸入回路に燃料を供給することを特徴とする、請求項５に記載の噴射システム。
7. 噴射システムの長手方向軸（Ｘ−Ｘ）を中心にして配置された付加的な空気噴射手段（４８）を更に備えたことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の噴射システム。
8. 噴射システムの長手方向軸（Ｘ−Ｘ）を中心にして配置された付加的な燃料噴射手段（４８）を更に備えたことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の噴射システム。
9. 前記付加的な噴射手段が、前記長手方向軸を中心にして配置されかつ第１の空気噴射手段（２２）から下流へ延びるボウル（５０）に取り付けられたことを特徴とする、請求項７または８に記載の噴射システム。

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