JP4406127B2 - トラップ渦空洞を有するガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射棒 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
１．発明の分野
本発明は少なくとも一つのトラップ渦空洞を有するガスタービンエンジン燃焼器に関し、特に、燃料をこのような空洞内と、高速入口空気流を燃焼室に送給するドーム入口モジュールの流路内とに噴射するために用いる燃料噴射棒に関する。
２．関連技術の説明
先進航空機ガスタービンエンジン技術の要件は、燃焼器が短い長さを持ち、比較的広い運転範囲にわたって比較的高い性能レベルを有し、そして比較的低い排気汚染物排出レベルを示すようにすることである。このような目的を達成するために設計された燃焼器の一例がバラス（Burrus）の米国特許第５６１９８５５号に開示されている。その開示からわかるように、バラスの燃焼器は、高い亜音速マッハ数を有する入口空気流で効率良く作用し得る。これは部分的には、空気が上流圧縮機から燃焼室まで自由に流れることを可能にするドーム入口モジュールによるものであり、その流路内に燃料が噴射される。燃焼器はまたドーム入口モジュールに取付けられた内側および外側ライナを有し、両ライナは、内部に燃料と空気のトラップ渦を生成する上流空洞部分と、タービンノズルまで延在する下流部分とを備えている。
【０００２】
前述のバラスの燃焼器では燃料がトラップ渦空洞の後壁を形成しているライナの一部分を通ってトラップ渦空洞内に噴射されることに注意されたい。燃料はまたドーム入口モジュールの中空羽根に沿って配置された噴霧器を経てドーム入口モジュールの流路内に噴射され、羽根は燃料マニホルドと流通している。意図した目的には役立つが、米国特許第５６１９８５５号で採用されている燃料噴射方式は簡単さに欠けることがわかっている。特に、この設計では、燃料を空洞内とドーム入口モジュール内に噴射するために別々の装置が利用されているので、燃焼器ハウジング空洞内にかなりのスペースを取る必要があるということを理解されたい。これは製造の見地から大きな費用を意味するが、それだけではなく、燃料噴射器を修理または交換のためにエンジンから取り出すには、エンジンの大掛かりな分解により燃焼器空洞部を露出する必要がある。
【０００３】
従って、所要空間が比較的少なくてすむ比較的簡単な設計で燃焼室の空洞部分とそれに空気流を送給する流路とに燃料を供給できる燃料噴射装置を開発することが望ましい。さらに、このような燃料噴射装置が、修理と交換のために燃料噴射器に接近しやすいような態様でドーム入口モジュールと整合するように構成されることが望ましい。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射装置が開示され、この燃焼器は、複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナに形成された少なくとも一つの空洞とを含むものである。本燃料噴射装置は、燃料供給源と、ドーム入口モジュールの周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒とを含み、燃料噴射棒は燃料供給源と流通しており、各燃料噴射棒はさらに、上流端と下流端と１対の側部とを有する本体部を備えている。複数の噴射器が噴射棒本体部に形成された開口内に設けられそして燃料供給源と流通しており、これにより、燃料が燃料噴射棒を通ってドーム入口モジュール流路および（または）空洞に送給される。
【０００５】
本発明の第２態様によれば、ガスタービンエンジン燃焼器を作動する方法が開示され、この燃焼器は、複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナにより燃焼室内に形成された少なくとも一つの空洞とを含むものである。本方法は、燃料を空洞の上流端内に噴射する段階と、空気を空洞内に噴射してそこに燃料と空気とのトラップ渦を生成する段階と、空洞内の空燃混合気に点火して燃焼ガスを生成する段階と、ドーム入口モジュールの上流の圧縮機からの主流空気の流れをドーム入口モジュール流路に通す段階と、空洞燃焼ガスをドーム入口モジュールの下流端を横切って排出して主流空気と相互作用を起こすようにする段階とを包含する。本方法はまた、燃料をドーム入口モジュール流路内に噴射して主流空気と混ぜる段階と、ドーム入口モジュール下流端を横切って排出される空洞燃焼ガスによって燃料と主流空気との混合物に点火する段階とをさらに包含し得る。
【０００６】
【発明の詳述】
本発明は特許請求の範囲に明確に記載してあるが、添付図面と関連する以下の説明からより良く理解されよう。
【０００７】
添付図面の全図を通じて同符号は同要素を表す。図面について詳述すると、図１は、内部に燃焼室１２を規定している中空体を含む燃焼器１０を示す。燃焼器１０は軸線１４を中心として概して環状であり、そしてさらに外側ライナ１６と、内側ライナ１８と、総体的に符号２０で示したドーム入口モジュールとを備えている。ケーシング２２が好ましくは燃焼器１０の周囲に配置され、従って、外側半径方向通路２４がケーシング２２と外側ライナ１６との間に形成されそして内側通路２６がケーシング２２と内側ライナ１８との間に規定されている。
【０００８】
ドーム入口モジュール２０はバラス（Burrus）の米国特許第５６１９８５５号に開示されているものと同様でよいことを認識されたい。この特許はやはり本発明の譲受人により所有されそして参照によりここに包含されるものである。代わりに、図１は燃焼器１０を異なるドーム入口モジュール２０を有するものとして示す。この例では、モジュール２０は、その上流に配置されて圧縮機の排出端３０からの空気流を導くディフューザ２８から離れている。ドーム入口モジュール２０は外側ライナ１６と内側ライナ１８とに結合され、好ましくは、外側羽根３２と、内側羽根３４と、それらの間に配置されて複数の流路３８を形成している一つ以上の中間羽根３６とを含む。図１には３つのこのような流路を示してあるが、設けた中間羽根３６の数によってそれより多いか少ない流路が存在し得る。好ましくは、ドーム入口モジュール２０は、主流の空気流が妨害されずに燃焼室１２に導入されるように、ディフューザ２８の出口とほぼ整列して配置される。また、図示のように、外側羽根３２と内側羽根３４は軸方向上流に延在するので、主流の空気流をドーム入口モジュール２０の流路３８内により良く取入れることができる。
【０００９】
このような高速流内で燃焼を達成しかつ持続することは困難であり燃焼室１２内下流に同様に搬送されることに注意されたい。燃焼室１２内のこの問題を克服するために、空燃混合気に点火しそしてその火炎を安定化するなんらかの手段が必要である。好ましくは、これは、少なくとも外側ライナ１６に形成した、総体的に符号４０で示したトラップ渦空洞を組み入れることにより達成される。同様なトラップ渦空洞４２を内側ライナ１８にも設けることが好ましい。空洞４０、４２は、前述の米国特許第５６１９８５５号に記載されかつ図１の空洞４２内に概略的に示されているように、燃料と空気のトラップ渦を生成するように利用される。
【００１０】
外側ライナ１６と内側ライナ１８とに対して、トラップ渦空洞４０、４２はドーム入口モジュール２０のすぐ下流に設けられそして実質的に直角形状のものとして示されている（ただし空洞４０、４２は断面が弧状のものとして形成されてもよい）。空洞４０は燃焼室１２に開いており、後壁４４と、前壁４６と、前後両壁間に形成されそして好ましくは外側ライナ１６にほぼ平行な外壁４８とにより形成されている。同様に、空洞４２は燃焼室１２に開いており、後壁４５と、前壁４７と、前後両壁間に形成されそして好ましくは内側ライナ１８にほぼ平行な内壁４９とにより形成されている。米国特許第５６１９８５５号に示されているように後壁４４、４５それぞれの通路内の中央に設けた燃料噴射器から燃料をトラップ渦空洞４０、４２内に噴射する代わりに、ドーム入口モジュール２０の周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒５０により前壁４６、４７を通して燃料を噴射することが好ましい。
【００１１】
さらに詳述すると、燃料噴射棒５０は、燃焼器１０の周囲のエンジンケーシング２２を貫通してドーム入口モジュール２０に挿入されるように形成されている。ドーム入口モジュール２０の設計に基づいて、各燃料噴射棒５０は、羽根３２、３４、３６に設けたスロット（図４参照）に挿入されるかあるいはこれらの羽根に設けた開口に羽根と一体的に挿通される。この時燃料噴射棒５０は、好ましくは別々の燃料管路５４、５６を介して、燃料供給源５２と流通しており、燃料を空洞４０、４２内と流路３８内に噴射し得る。
【００１２】
図２に見られるように、各燃料噴射棒５０は、上流端６０と下流端６２と１対の側部６４、６６（図３参照）とを有する本体部５８を有する。上流端６０は好ましくは空気力学的に形成されるのに対して下流端６２はブラッフ表面を有するがこれに限定されないことに注意されたい。燃料を空洞４０、４２内に噴射するために、第１噴射器６８が下流端６２の上側箇所に設けた開口７０内に配置され、そして第２噴射器７２が下流端６２の下側箇所に設けた開口７４内に配置されている。加えて、側部６４、６６それぞれの１対の対向して配置された開口７６、７８に噴射器８０、８２が設けられ、燃料をドーム入口モジュール２０の各流路３８内に噴射する。
【００１３】
図３からわかるように、本体部５８は、それを通って噴射器６８、７２、８０、８２に流れる燃料に対する熱遮蔽体として作用する。噴射器６８、７２は噴射器８０、８２とは別にそれぞれ燃料管路５４、５６により燃料を供給されることが好ましいので、第１通路８４と第２通路８６が燃料噴射棒５０内に設けられている。燃料管路５４は第１通路８４にろう付けされて噴射器６８、７２に流通して燃料を送り、燃料管路５６は第２通路８６にろう付けされて噴射器８０、８２に流通して燃料を送る。噴射器６８、７２、８０、８２は当該技術において周知のものでありそして噴霧器かあるいは燃料噴射に用いる他の類似手段でよいということを理解されたい。
【００１４】
簡単な管を利用して燃料を燃料管路５４、５６から噴射器６８、７２、８０、８２へ送給することもできるが、第１および第２通路８４、８６を形成した中央部８８を燃料噴射棒５０の本体部５８内に収納するように燃料噴射棒５０を構成することが好ましい。中央部８８は、セラミックまたは類似の絶縁材料製のものが、燃料に伝達される熱を最少にするのに最適である。また、追加的な空気間隙９０を中央部８８の周囲の利用できるところに設けて中央部８８を通流する燃料をさらに絶縁することができる。中央部８８は、少なくとも燃料管路５４、５６をその上端で取付けることにより、本体部５８内の適所に保持されることを認識されたい。
【００１５】
運転中、燃焼器１０は空洞４０、４２内の燃焼域をパイロットとして利用し、燃料は燃料噴射棒５０の噴射器６８、７２だけから送給される。空気も、後壁４４、４５と外壁４８および内壁４９とのそれぞれの交差部に設けた通路９２、９４と、前壁４６、４７と外壁４８および内壁４９とのそれぞれの交差部に設けた通路９６、９８とを経て空洞４０、４２に噴射される。このようにして、燃料と空気のトラップ渦が空洞４０、４２内に生成される。その後、空洞４０、４２内の空燃混合気が例えば点火器１００により点火され、両空洞内に燃焼ガスが発生する。燃焼ガスはその後空洞４０、４２からドーム入口モジュール２０の下流端を横切って排出され、流路３８を通流する主流空気と相互作用をなす。もし比較的高いパワーまたは追加推力が必要なら、燃料が燃料噴射棒５０の噴射器８０、８２を経てドーム入口モジュール２０の流路３８内に噴射されることを理解されたい。この燃料は、同流路を通流する主流空気と混合する。燃料と主流空気との混合物は好ましくはドーム入口モジュール２０の下流端を横切って排出される空洞燃焼ガスによって点火される。すなわち、燃焼器１０はエンジンの要件に応じて２段態様で作用する。
【００１６】
本発明の好適実施例を説示したが、本発明の範囲内で燃料噴射装置と、個別燃料噴射棒と、ガスタービンエンジン燃焼器内でのそれらの用法とをさらに改変することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料噴射装置を有するガスタービンエンジン燃焼器の縦断面図である。
【図２】単一燃料噴射棒を後ろから見た斜視図である。
【図３】図２に示した燃料噴射棒の２つの別々の平面に沿う断面上面図であり、側部噴射器および後部噴射器との流通を示す。
【図４】図１に示したドーム入口モジュールを前から見た斜視図であり、燃料噴射棒がそれと整合している状態を示す。
【符号の説明】
１０ 燃焼器（全体）
１２ 燃焼室
１４ 縦軸線
１６ 外側ライナ
１８ 内側ライナ
２０ ドーム入口モジュール（全体）
２２ ケーシング
２４ 外側通路
２６ 内側通路
２８ ディフューザ
３０ 上流圧縮機の排出端
３２ ドーム入口モジュールの外側羽根
３４ ドーム入口モジュールの内側羽根
３６ ドーム入口モジュールの中間羽根
３８ ドーム入口モジュール内の流路
４０ トラップ渦空洞（外側ライナ）
４２ トラップ渦空洞（内側ライナ）
４４ 外側ライナトラップ渦空洞の後壁
４５ 内側ライナトラップ渦空洞の後壁
４６ 外側ライナトラップ渦空洞の前壁
４７ 内側ライナトラップ渦空洞の前壁
４８ 外側ライナトラップ渦空洞の外壁
４９ 内側ライナトラップ渦空洞の内壁
５０ 燃料噴射棒
５２ 燃料供給源
５４ 燃料管路
５６ 燃料管路
５８ 燃料噴射棒の本体部
６０ 燃料噴射棒本体部の上流端
６２ 燃料噴射棒本体部の下流端
６４ 燃料噴射棒本体部の側部
６６ 燃料噴射棒本体部の側部
６８ 燃料噴射棒本体部の下流端における上側噴射器
７０ 燃料噴射棒本体部の下流端における上側開口
７２ 燃料噴射棒本体部の下流端における下側噴射器
７４ 燃料噴射棒本体部の下流端における下側開口
７６ 燃料噴射棒本体部の側部６４の開口
７８ 燃料噴射棒本体部の側部６６の開口
８０ 開口７６内の噴射器
８２ 開口７８内の噴射器
８４ 燃料噴射棒本体部内の通路
８６ 燃料噴射棒本体部内の通路
８８ 燃料噴射棒本体部の中央部
９０ 燃料噴射棒本体部内の空気間隙
９２ 後壁と外壁との交差部における通路（外側空洞）
９４ 後壁と内壁との交差部における通路（内側空洞）
９６ 前壁と外壁との交差部における通路（外側空洞）
９８ 前壁と内壁との交差部における通路（内側空洞）
１００ 点火器

Claims (13)

1. 複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナに形成された少なくとも一つの空洞とを含むガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射装置であって、
   （ａ）燃料供給源と、
   （ｂ）前記ドーム入口モジュールの周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒とからなり、
   前記燃料噴射棒は前記燃料供給源と流通しており、各燃料噴射棒はさらに、
   （１）上流端と下流端と１対の側部とを有する本体部と、
   （２）前記本体部に形成されそして前記燃料供給源と流通している複数の噴射器とを備えており、
   燃料が前記燃料噴射棒を通って前記ドーム入口モジュール流路および（または）前記空洞に送給され、
   １対の噴射器が前記燃料噴射棒の前記本体部両側部に配置され燃料を前記ドーム入口モジュールの各流路内に送給することを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記燃料噴射棒の前記本体部は前記上流端が空気力学的に形成されている請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記燃料噴射棒の前記本体部は前記下流端にブラッフ表面を有する請求項１又は２記載の燃料噴射装置。
4. 前記燃料噴射棒を前記ドーム入口モジュールと一体に配設した請求項１乃至３のいずれか1項記載の燃料噴射装置。
5. 前記燃料噴射棒を前記ドーム入口モジュールの羽根の間に配設した請求項１乃至４のいずれか1項記載の燃料噴射装置。
6. 前記燃料噴射棒は、前記燃焼器を囲んでいるエンジンケーシングを貫通して前記ドーム入口モジュールに挿入されかつ前記エンジンケーシングに結合されている、請求項１乃至５のいずれか1項記載の燃料噴射装置。
7. 複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナに形成された少なくとも一つの空洞とを含むガスタービンエンジン燃焼器用の燃料噴射装置であって、
   （ａ）燃料供給源と、
   （ｂ）前記ドーム入口モジュールの周りに円周方向に配置されかつそれと整合している複数の燃料噴射棒とからなり、
   前記燃料噴射棒は前記燃料供給源と流通しており、各燃料噴射棒はさらに、
   （１）上流端と下流端と１対の側部とを有する本体部と、
   （２）前記本体部に形成されそして前記燃料供給源と流通している複数の噴射器とを備えており、
   燃料が前記燃料噴射棒を通って前記ドーム入口モジュール流路および（または）前記空洞に送給される、
   前記燃料噴射装置は、前記燃料噴射棒と流通し、燃料を前記空洞内に送給する前記噴射器に燃料を供給する第１燃料供給手段と、前記燃料噴射棒と流通し、燃料を前記ドーム入口モジュール流路内に送給する前記噴射器に燃料を供給する第２燃料供給手段とをさらに含むことを特徴とする燃料噴射装置。
8. 前記燃料噴射棒は、前記本体部内に収納された中央部をさらに含み、この中央部に少なくとも一つの通路が形成されて前記燃料供給源と流通している、請求項１乃至７のいずれか1項記載の燃料噴射装置。
9. 前記燃料噴射棒の前記本体部は、それを通って前記噴射器に流れる燃料に対する熱遮蔽体として作用する、請求項８記載の燃料噴射装置。
10. 前記燃料噴射棒は、前記本体部内に収納された中央部をさらに含み、この中央部に第１通路が形成されて前記第１燃料供給手段と流通しておりまた前記中央部に第２通路が形成されて前記第２燃料供給手段と流通している、請求項７記載の燃料噴射装置。
11. 複数の流路が内部に形成されたドーム入口モジュールと、このドーム入口モジュールの下流においてライナにより燃焼室内に形成された少なくとも一つの空洞とを含むガスタービン燃焼器を作動する方法であって、（ａ）燃料を前記空洞の上流端内に噴射する段階と、 （ｂ）空気を前記空洞内に噴射してそこに燃料と空気とからなる空燃混合気のトラップ渦を生成する段階と、
    （ｃ）前記空洞内の前記空燃混合気に点火して燃焼ガスを生成する段階と、（ｄ）前記ドーム入口モジュールの上流の圧縮機からの主流空気の流れを前記流路に通す段階と、（ｅ）前記空洞燃焼ガスを前記ドーム入口モジュールの下流端を横切って排出して前記主流空気と相互作用を起こすようにする段階とからなる方法。
12. （ａ）燃料を前記ドーム入口モジュール流路内に噴射して前記主流空気と混ぜる段階と、（ｂ）前記ドーム入口モジュール下流端を横切って排出される前記空洞燃焼ガスによって燃料と主流空気との混合物に点火する段階とをさらに含む請求項１１記載の方法。
13. 前記空洞内の前記空燃混合気は当量比が１．０より低い請求項１１記載の方法。

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