JP4484874B2 - ロータリインジェクタ - Google Patents

Description

米国政府は、この発明における支払済み実施権（paid-up license）を有するとともに、限定された環境において特許所有者に対して、米国海軍によって授与された契約番号第Ｎ００４２１−９９−Ｃ−１３９０の条項によって規定される妥当な条件で、他者に実施権を提供することを要求する権利を有するものである。

図１を参照すると、本発明の一態様による、ロータリインジェクタ１０が、タービンエンジン１２の環境中で示されている。タービンエンジン１２は、関連するタービン１８によって駆動される中空シャフト組立体１６に動作可能に接続されているコンプレッサ１４を含む。中空シャフト組立体１６に動作可能に接続されている燃料スリンガ（fuel slinger）２０は、液体燃料の第１の部分２２．１を、コンプレッサ１４とタービン１８の間にある、燃焼室２４中に噴射する。例えば、燃料スリンガ２０は、参照により本明細書に組み入れてある、米国特許第４，８７０，８２５号の教示によって構築可能である。コンプレッサ１４は空気の第１の部分２６．１を燃焼室２４中にポンピングし、この空気は、燃焼室中で燃料スリンガ２０によって噴霧される液体燃料２２と混合して燃焼可能混合気を形成し、この燃焼可能混合気は、最初に点火装置２８によって点火され、次いで燃焼室２４内で燃焼し、それによってタービン１８を通過して流れてそのタービンを駆動する排出ガス３０を生成する。コンプレッサ１４は、空気の第２の部分２６．２を、燃焼室２４をバイパスする周辺環（surrounding annulus）３２を介して吐出する。次いで、空気の第２の部分２６．２が、排出ガス３０およびロータリインジェクタ１０によって噴射される液体燃料の第２の部分２２．２と混合し、その後に、結果として得られる混合気を、タービンエンジン１２のアフタバーナ３６内で燃焼する前に、例えば、タービンエンジン１２のディフューザ３４内で、拡散させることができる。

中空シャフト組立体１６は、ベアリング３８によって、中心シャフト４０に回転可能に結合され、この中心シャフトには、以下でさらに詳細に説明するように、液体燃料２２を燃料スリンガ２０およびロータリインジェクタ１０に供給するように適合された、それぞれの流体通路４２が組み込まれている。各流体通路４２は、その源４６からの液体燃料２２の流れを制御する、関連する制御バルブ４４に動作可能に結合されており、その源には、十分な圧力で適当な量の液体燃料２２を供給するのに必要な、関連するポンプを組み入れてもよい。

ロータリインジェクタ１０は、回転の軸５０、例えば中心シャフト４０および中空シャフト組立体の中心軸のまわりに回転するように適合された、少なくとも１つの半径方向に延びるアーム４８を含む。図１に示す態様において、ロータリインジェクタ１０は、タービン１８から出る排出ガス３０の流れの中で回転するように適合されており、その排出ガスは、バイパス環３２からの空気の第２部分２６．２と混合する。複数のランド５２が、アーム４８の先端５４上に位置するとともに、その後縁５６に階段状に設けられている。各ランド５２には、それと交差する少なくとも１つのインジェクタポート５８が組み込まれており、このインジェクタポートは関連する流体通路６０によって、中空シャフト１６の内部の円筒状溝６２に動作可能に結合されている。それぞれの異なるランド５２上に位置する異なるインジェクタポート５８は、回転の軸５０から異なる半径距離に位置して、空気の第２の部分２６．２と混合した排出ガス３０の流れの中にそこから噴射される液体燃料の第２の部分２２．２を分配し、それによってアフタバーナ３６内におけるその混合と燃焼の改善が得られる。

図２ａを参照すると、中心シャフト４０内の流体通路４２は、それぞれ、その上にある関連する円筒形溝６４に動作可能に結合されている。中心シャフト４０上の円筒状溝６４は、中空シャフト組立体１６内の内側上の対応する円筒状溝６２と位置合わせされており、そして、中空シャフト組立体１６内の中心シャフト４０の外側に固定されているスリーブ６６はその中間に配置されている。スリーブ６６には、中心シャフト４０上の関連する円筒状溝６４と位置合わせされた複数のオリフィス６８が組み込まれている。したがって、対応する制御バルブ４４によって源４６から流体通路４２に導入される液体燃料２２は、中心シャフト４０上の対応する円筒形溝６４へと流れ、その流れは、スリーブ６６内の関連するオリフィス６８によって絞られて、それによって円筒形溝６４内の圧力下の液体燃料２２が、関連するオリフィス６８から中空シャフト組立体１６の内側の対応する円筒状溝６２の中に、噴霧される。噴霧された液体燃料７０は、回転する円筒状溝６２によってその中に集められて、回転する中空シャフト組立体１６内に集められた液体燃料７２の結果としての回転によって生成される遠心力によって、円筒状溝６２内に収集された液体燃料７２の加圧を引き起こす。十分に収集された液体燃料７２に対して、液体燃料の関連する流体通路６０への流れは、図２ａに示すように、そこで詰まる可能性がある。そうでない場合には、収集された液体燃料７２は、図２ｂに示すように、流体通路６０を介して詰まることなく排出される。

関連する回転流体通路６０内の液体燃料２２は、回転の軸５０の半径方向の距離の二乗とともに増加する遠心加速場にさらされる。この加速場によって、流体通路６０内を関連する境界層に沿って液体燃料２２が流れ、その境界層の厚さδは、その位置における関連する加速場の絶対値に逆比例する。言い換えると、流体通路６０の中心により近い液体燃料２２は、かかる抵抗がより小さくなり、流体通路６０の中心からより遠くに、したがってその境界に近くに位置する流体よりも、流体通路６０からより迅速に消費されることになる。ロータリインジェクタ１０が、正常な動作状態に典型的な比較的高い回転速度で回転すると、液体燃料２２は、ランド５２上のインジェクタポート５８の位置で流体通路６０から比較的薄い膜として排出され、これが、その場所における比較的高い遠心加速場に応じてインジェクタポート５８から噴霧される。

インジェクタポート５８から出ると、噴霧された液体燃料７４は、排出ガス３０の流れと空気の第２の部分２６．２との混合気を含む、直交する流れ（cross-flow stream、以下「直交流」）７６と相互作用し、それによって、関連する比較的高い空気力学的せん断力および噴霧液体燃料７４の表面張力の影響の結果として、噴霧液体燃料７４は霧化される。この配設によって、流体通路６０の端部におけるインジェクタポート５８を通過する詰まりのない流れがもたらされ、これは霧化の改善をもたらすとともに、流体通路６０およびインジェクタポート５８が自己清浄化すること、すなわち、その中の液体燃料２２がタービンエンジン１２の停止時に迅速に一掃され、炭化水素燃料の場合には、それによって流体通路６０またはインジェクタポート５８における液体燃料２２のコークス化を防止するのに役立つことにおいて有益である。

図３を参照すると、流体通路６０内に位置する回転流体トラップ７８は、流体通路６０の入口８０における圧力からインジェクタポート５８における圧力を遮断する。用途によっては、特にロータリインジェクタ１０の環境における圧力が比較的高い場合に、インジェクタポート５８の圧力を流体通路６０の入口８０の圧力から遮断することは、例えば、比較的低い圧力の源４６によってロータリインジェクタ１０に配給することが可能となり、例えばそれによって低い圧力のポンプをその中で使用することが可能となることにおいて便益がある。

参照により本明細書に組み入れてある米国特許第４，８７０，８２５号の教示によれば、回転流体トラップ７８は、その長さに沿ってそれを通過して流体連通する取入れ口８４および取出し口８６を備える、流体通路８２を含み、ここで、流体通路８２は、回転流体トラップ７８が回転されると、流体通路８２内の任意の点における遠心加速度が、取入れ口８４または取出し口８６の両方における任意の点における遠心加速度よりも大きくなるように適合されている。したがって、回転する流体通路８２が、液体燃料２２などの比較的高い密度の媒体で充填されているときには、取入れ口８４および取出し口８６の半径方向レベルは、その間に圧力差がない場合には等しくなり、そうでなければ、圧力差の絶対値および回転速度に応じた量だけ異なることになる。したがって、取出し口８６における比較的高圧の領域に配給する回転流体トラップ７８の取入れ口８４への液体燃料２２の比較的低い圧力での配給に対して、回転流体トラップ７８はそれを通過しての逆流を防止することができる。

図４および図５を参照すると、インジェクタポート５８および関連するランド５２の第１の態様において、ランド５２および隣接するライザ面８８は、ロータリインジェクタ１０のアーム４８の後縁５６に切り込まれている。インジェクタポート５８は、ライザ面から十分な距離でランド５２上に位置し、それによって、インジェクタポート５８からの噴霧される液体燃料７４が、それの直交流７６との相互作用の以前にライザ面８８に付着することがなく、それによって、噴霧液体燃料７４の霧化を可能にするか、または強化する。直交流７６がアーム４８の側面９０に平行に流れる程度まで、噴霧液体燃料７４は、ある限定された時間、ライザ面８８の上流のアーム４８の部分によって、少なくとも部分的にそれから遮られてもよいが、直交流７６内のアーム４８の回転９２、およびライザ面８８の背後におけるその乱流跡（turbulent wake）も、ランド５２に対する直交流７６の周方向流れ成分９４を生じさせる。噴霧液体燃料７４は、噴霧液体燃料７４が最初に噴射される位置を過ぎてライザ面８８が回転するときに、直交流７６に完全に晒される。

図６を参照すると、インジェクタ５８および関連するランド５２の第２の態様において、ランド５２および隣接するライザ面８８は、ロータリインジェクタ１０のアーム４８の後縁５６に切り込まれており、ランドは、インジェクタポート５８とライザ面８８との間に位置する溝９６をさらに含む。より具体的には、溝９６は、ライザ面８８とインジェクタポート５８の間に延びている。アーム４８が回転する状態で、インジェクタポート５８から出てくる液体燃料２２は、溝９６の中に移行するためには、位置エネルギーの増加を必要とし、したがって、この潜在エネルギーバリヤによってそのような移行が防止される。したがって、インジェクタ５８とライザ面８８との間に位置する溝９６は、液体燃料２２が、インジェクタポート５８から出るときに、ライザ面８８に移行するのを防止し、それによってインジェクタポート５８から出る、液体燃料２２の霧化を可能にするか、または改善する。

図７を参照すると、インジェクタポート５８および関連するランド５２の第３の態様は、図６に示す第２の態様の一般化形態であり、溝９６は、インジェクタポート５８とライザ面８８との間のランド５２上に位置するが、いずれにも直接隣接する必要は必ずしもない。一般に、インジェクタポート５８とアーム４８の後縁５６との間の最少距離ｄは、機械加工許容寸法によるとともに、タービンエンジン１２の作動中に、それ自体の焼損を防止するために後縁５６に必要な熱的質量によって制限される。

図８を参照すると、別の態様において、インジェクタポート５８は、アーム４８の後縁５６を貫通して延びており、そのために、その場所におけるインジェクタポートの断面形状は回転の軸５０に対して傾いている。溝９６は、インジェクタポート５８と後縁５６の一部分９８の間で、インジェクタポート５８から--回転の軸５０に対して--半径方向に増加する方向の後縁５６の部分９８上に位置する。
図９、１０、１１ａ、１１ｂを参照すると、ロータリインジェクタ１０．１は複数のアーム４８を含み、それぞれのアーム４８には、その後縁５６に切り込まれた３つのランド５２とその先端５４上に１つのランド５２が組み込まれている。アーム４８は、回転の軸５０のまわりに回転するように適合された、ディスク１００に接続されている。ディスク１００には、その源４６から液体燃料２２を入れるためのポート１０２が設けられている。

図１０を参照すると、アーム４８はそれぞれ、回転方向９２に対して、前縁１０６および後縁５６を有する、空気力学的断面形状１０４が組み込まれているとともに、直交流７６に対して迎え角（angle of attack）をつけてディスク１００上に配向されている。本明細書において使用する場合には、空気力学的断面形状（aerodynamic profile）という用語は、それに対する凹凸（irregularities）が、関連する層流底流（laminar sublayer）に完全に埋め込まれるほど十分に小さい、空気力学的に円滑な表面の断面形状を意味するものである。さらに、空気力学的断面形状という用語は、不連続点、例えば、関連するインジェクタポート５８を収容するのに必要な、本発明によるブレードに対する修正の結果として得られる、ランド５２、関連するライザ面５８および／または溝９６、のないブレードの断面形状を意味するものである。例えば、一態様において、ロータリインジェクタ１０．１のアーム４８は、空気力学的に中立、すなわちそれらは直交流７６に対して仕事を奪うことも与えることもしないように適合されている。言い換えると、この態様においては、アーム４８は、直交流７６に対して無視できる迎え角で配向されている。

図１１ａを参照すると、特定のアーム４８の各ランド５２には、関連する流体通路６０によってマニホルド１０８に動作可能に結合されているインジェクタポート５８が組み込まれており、このマニホルドは、ポート１０２に動作可能に結合されて、そこから液体燃料２２を受け取る。それぞれの流体通路６０は、ディスク１００の回転の軸から半径方向に実質的に共通の距離でマニホルドに結合されており、それによってそれぞれがマニホルド１０８から液体燃料２２を受け取ることができる。図１１ａの態様においては、このことは、マニホルド１０８の表面と実質的に共通の場所で交差する流体通路を配設することによって達成されるのに対して、図１１ｂの態様においては、このことは、異なる場所であるが実質的に一様な半径位置でマニホルドの表面１１０と交差する流体通路を配設することによって達成される。

図１２および１３を参照すると、ロータリインジェクタ１０．２を、排出ガス３０の主流と空気２６のバイパス流１１２との混合気を含む直交流７６に液体燃料２２を噴射するタービンエンジン１２のアフタバーナ３６において示してある。排出ガス３０は、内部シュラウド１１６とミキサ１１８と境界を接する第１の環１１４から供給され、バイパス流１１２は周辺環３２から供給される。ロータリインジェクタ１０．２は、アーム４８を備え、このアーム４８は、その後縁５６に階段状に設けられた２つのランド５２および、その先端５４に設けられた１つのランド５２を有している。所与の液体燃料２２--または一般的には第１の流体--は、空気２６−または一般的には第２の流体の流れ−と混合された排出ガス３０の直交流７６内に霧化され、霧化プロセスおよび噴射された液体燃料２２の流跡線（trajectory）１２０は、ロータリインジェクタ１０．２の回転速度、噴射点の回転の軸５０からの半径方向距離、および直交流７６の速度に依存する。図１２および図１３は、ロータリインジェクタ１０．２の基準系に対する噴射された液体燃料２２の流跡線１２０を示しているのに対して、図１３は、絶対基準系における流跡線１２０’も示しており、ここで噴射された液体燃料２２は、ロータリインジェクタ１０．２からの噴射後も概して回転の方向に移動を続ける。大きい半径方向の距離において噴射された、したがって周速の大きい、液体燃料２２は、より小さな半径方向距離において噴射される場合よりも、一般により微細に霧化され、その流跡線は噴射点の正接に対してより大きな角度αを有することがある。

ロータリインジェクタ１０によって噴射される噴霧中の液滴のザウタ平均粒径（ＳＭＤ：Sauter Mean Diameter）は、直交流における流体の密度、噴射される液体燃料２２の密度、ランド上のインジェクタポート５８の幾何学形状の関数であり、またランド半径における周速の強い関数関係がある。ＳＭＤは周速度に逆比例し、したがって、平均液滴直径は、所与の回転速度に対して半径が増大するほど、または所与のランド半径に対して回転速度が増大するほど、減少する。ロータリインジェクタ１０は、その回転速度を増大することによるか、または関連するインジェクタポート５８が位置する、関連するランド５２の半径を増大させるかのいずれかによって、非常に低いＳＭＤの液滴流を生成することができる。

ここで理解すべきことは、ロータリインジェクタ１０の噴射プロセスが、インジェクタポート５８の幅方向での高い圧力低下に頼らないことである。対比として、バイパスおよび／またはコアダクトの直交流中に液体を噴霧する既知の方法は、噴霧バー上の一連の圧力霧化装置を使用しており、これは一般に噴射オリフィスの幅方向での比較的高い圧力低下に頼っている。圧力霧化装置の霧化の程度―または関連する噴射液滴のＳＭＤ―は、噴射液体の速度、密度および表面張力、直交流内の流体の密度、および噴射オリフィスの幅方向での圧力低下の関数であり、その結果、噴射された液滴のＳＭＤは圧力低下に逆比例する。液体燃料の密度は簡単に改質されるものではなく、したがって、圧力霧化装置は、低ザウタ平均液滴径をもたらすために非常に高い圧力低下を必要としがちである。このことは、他の点では関連するエンジンの重量、コストおよび複雑さを増大させる、比較的大型の燃料ポンプを必要とする。

図１４ａおよび図１４ｂを参照すると、タービンエンジン１２の後方部分に組み込まれたフリーホイーリング（free-wheeling）ロータリインジェクタ１０．３は、排出ガス３０の主流と空気２６のバイパス流１１２の混合気を含む直交流７６中に、液体燃料２２を噴射するように適合されている。排出ガス３０は、内部シュラウド１１６およびミキサ１１８と境界を接する第１の環１１４を介して流れる。図１４ａに示す直線環状ミキサ１１８は、ローブ形（robed）、デルタタブ（delta tab）形、スキャロップ形（scalloped）、またはその他のミキサタイプとすることができる。バイパス流１１２は、周辺環３２を通過して流れ、その周辺環は、タービンエンジン１２の外壁１２２によって境界を定められている。ロータリインジェクタ１０．３は、１対のシャフト１２８にその両側から結合されているディスク１２６を含む。シャフト１２８は、１対のローラーベアリング１３２によって中心シャフト１３０に回転可能に結合されており、中心シャフト１３０は、タービンエンジン１２の外壁１２２に構造的に結合されたストラット１３４から後方に片持ち梁で支持されるとともに、内部シュラウド１１６とタービンエンジン１２のディフューザ１３８の部分における外壁１２２との間の環１３６を通過して延びており、このディフューザの内部では、ロータリインジェクタ１０．３によって液体燃料２２がその中に噴射されるのに先立って、排出ガス３０が空気２６のバイパス流１１２と混合される。

シャフト１２８の端部には、対応するラビリンスシールハウジング（labyrinth seal housing）１４２と協働する、ラビリンスシール面（labyrinth sealing surface）１４０が組み込まれている。後壁ライナ（aft wall liner）１４４は、その一端で中心シャフト１３０に動作可能に結合され、中心シャフト１３０には--中心シャフト１３０の他端において--関連する導管１４８によって冷却空気１５０の源に動作可能に結合された、中心プレナム（central plenum）１４６が設けられている。第１の組の流体通路１５２．１は、空間１５４を加圧し、それによってその中への排出ガス３０の侵入を防止するために、中心プレナム１４６からローラーベアリング１３２とラビリンスシールハウジング１４２の間の空間１５４へと導かれる。第２の組の流体通路１５２．２は、空間１５６を加圧して、その中への排出ガス３０の侵入を防止するために、中心プレナム１４６から、ロータリインジェクタ１０．３前方のラビリンスシールハウジング１４０．１外部の空間１５６へと導かれる。第３の組の流体通路１５２．３は、後方プレナム１５８を加圧するために、中心プレナム１４６から後方プレナム１５８中に導かれ、必要に応じて後壁冷却を行うことができる。後壁ライナ１４４は、衝撃（impingement）または噴散（effusion）型冷却方式を使用して冷却することができる。

中心シャフト１３０には、第１の円筒形溝１６０．１および第２の円筒形溝１６０．２がその上に設けられ、これらの溝は、それぞれ中心シャフト１３０内の流体通路１６２に動作可能に結合されている。これらの流体通路は、それぞれの導管１６４．１、１６４．２によって液体燃料２２の源から供給を受ける。前方および後方ローラーベアリング１３２の冷却は、ローラーベアリング１３２の対の間で、中心シャフト１３０を取り囲むスリーブ１６７内のそれぞれのオリフィス１６６．１、１６６．２から、第１の円筒形溝１６０．１および第２の円筒形溝１６０．２内に、加圧液体燃料２２を噴霧することによって、それぞれ行われる。
中心シャフト１３０には、さらに６組の円筒形溝１６８．１、１６８．２、１６８．３、１６８．４、１６８．５、１６８．６をその上に設けてあり、それらは中心シャフト１３０内のそれぞれの流体通路１７０に動作可能に結合されており、これらの流体通路が、それぞれの制御バルブ１７２．１、１７２．２、１７２．３、１７２．４、１７２．５、１７２．６を介して、それぞれの導管１７４．１、１７４．２、１７４．３、１７４．４、１７４．５、１７４．６によって、液体燃料２２の源４６から供給を受ける。

図２ａおよび図２ｂに示す態様の動作と同様に、中心シャフト１３０上の円筒形溝１６８．１、１６８．２、１６８．３、１６８．４、１６８．５、１６８．６は、ディスク１２６のボア１７７における、対応する円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５、１７６．６と整列されている。スリーブ１６７--中心シャフト１３０とディスク１２６の間に配置されている--には、複数のオリフィス１７８．１、１７８．２、１７８．３、１７８．４、１７８．５、１７８．６が組み込まれており、これらは、中心シャフト１３０上の関連する円筒形溝１６８．１、１６８．２、１６８．３、１６８．４、１６８．５、１６８．６と位置合わせされている。したがって、対応するバルブ１７２．１、１７２．２、１７２．３、１７２．４、１７２．５または１７２．６によって源４６から流体通路１７０に入った液体燃料２２は、中心シャフト１３０上の対応する円筒形溝１６８．１、１６８．２、１６８．３、１６８．４、１６８．５または１６８．６へと流れ、その流れは、スリーブ１６７内の関連するオリフィス１７８．１、１７８．２、１７８．３、１７８．４、１７８．５または１７８．６によって絞られ、それによって、関連するオリフィス１７８．１、１７８．２、１７８．３、１７８．４、１７８．５または１７８．６から噴射すべき、円筒形溝１６８．１、１６８．２、１６８．３、１６８．４、１６８．５または１６８．６内の圧力下の液体燃料２２が、ディスク１２６の径１７７内の関連するオリフィス１７８．１、１７８．２、１７８．３、１７８．４、１７８．５または１７８．６から対応する円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５または１７６．６の中に噴霧される。

噴霧液体燃料２２は、回転円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５または１７６．６によって、その内部に収集されて、回転ディスク１２６内の収集された液体燃料２２の結果としての回転によって生成される遠心力によって、円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５、１７６．６内における収集された液体燃料２２の加圧が生じ、これらの溝は、対応する関連流体通路１８０．１、１８０．２、１８０．３、１８０．４、１８０．５、１８０．６を介して、ロータリインジェクタ１０．３のそれぞれが半径方向に配向されたアーム１８４の後縁および先端上で連続的に増加する半径方向距離に位置する対応する関連インジェクタポート１８２．１、１８２．２、１８２．３、１８２．４、１８２．５、１８２．６に動作可能に結合されている。それぞれの円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５、１７６．６に収集される十分な液体燃料２２に対して、それらの関連する流体通路１８０．１、１８０．２、１８０．３、１８０．４、１８０．５または１８０．６への流れは、図２ａに示すように、そこで詰まるか、または図２ｂ示すように詰まらない。

流体通路１８０．１、１８０．２、１８０．３、１８０．４、１８０．５、１８０．６およびインジェクタポート１８２．１、１８２．２、１８２．３、１８２．４、１８２．５、１８２．６の配設を図１４ａに図式的に示してある。最外部のインジェクタポート１８２．６は、それぞれのアーム１８４の先端５４上のそれぞれのランド５２上に位置するが、残りのインジェクタポート１８２．１、１８２．２、１８２．３、１８２．４、１８２．５は、図４〜８に詳細を示す態様のいずれかに従ってそれぞれのアーム１８４の後縁５６上に位置する、すなわちインターフェイスは、インジェクタポート１８２．１、１８２．２、１８２．３、１８２．４または１８２．５からそれぞれ後縁５６を介してそこから半径方向に増加する方向への液体燃料２２の流れを禁止するように適合されている。さらに、１つまたは２つ以上の流体通路１８０．１、１８０．２、１８０．３、１８０．４、１８０．５または１８０．６には、例えば図３に示されているように、回転流体トラップ７８を組み込んでもよく、または液体燃料２２の源と１つまたは２つ以上のインジェクタポート１８２．１、１８２．２、１８２．３、１８２．４または１８２．５との間の流体通路のどこか別の場所に組み入れてもよい。

アーム１８４は、空気力学的断面形状１０４で適合されているとともに、ロータリインジェクタ１０．３を十分な速度で回転させ--そのアーム１８４を通過する排出ガス３０の流れに応答して--それに供給された液体燃料２２を噴射、霧化するのに必要な、直交流７６に対して十分な迎え角で配向されている。
作動に際しては、タービンエンジン１２の燃焼器およびタービンから出る排出ガス３０は、ロータリインジェクタ１０．３のアーム１８４と衝突して、ロータリインジェクタ１０．３をその回転の軸５０のまわりに回転させる。その源４６からの液体燃料２２は、制御バルブ１７２．１、１７２．２、１７２．３、１７２．４、１７２．５、１７２．６および関連する導管１７４．１、１７４．２、１７４．３、１７４．４、１７４．５、１７４．６および関連する流体通路１７０を介して、中心シャフト１３０の外側の対応する円筒形溝１６８．１、１６８．２、１６８．３、１６８．４、１６８．５、１６８．６に供給される。液体燃料２２は、そこから、中心シャフト１３０のまわりの、それに結合されたスリーブ１６７における、対応するオリフィス１７８．１、１７８．２、１７８．３、１７８．４、１７８．５、１７８．６を介して、ロータリインジェクタ１０．３のディスク１２６の内径１７７内の対応する円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５、１７６．６中に噴霧される。

噴霧液体燃料２２は、その中の遠心力の結果として、円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５、１７６．６によって回転され、かつ捕捉され、それによって、そうでない場合には円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５、１７６．６を互いにシールするがその必要性がなくなる。液体燃料２２は、円筒形溝１７６．１、１７６．２、１７６．３、１７６．４、１７６．５、１７６．６からロータリインジェクタ１０．３内の対応する流体通路１８０．１、１８０．２、１８０．３、１８０．４、１８０．５、１８０．６中に流れ、その内部では、液体燃料２２は、主としてその壁に沿って移動するように加速される。次いで、液体燃料２２は、関連するインジェクタポート１８２．１、１８２．２、１８２．３、１８２．４、１８２．５、１８２．６から、それに関連する半径方向距離のそれぞれにおいて、インジェクタポート１８２．１、１８２．２、１８２．３、１８２．４、１８２．５、１８２．６の半径方向噴射点、ロータリインジェクタ１０．３の回転速度、および直交流７６の速度に依存する、関連する流跡線１１６および霧化の品質--例えば関連する液滴寸法の分布の微粉度および分散--で直交流７６中へ噴射される。ロータリインジェクタ１０．３によって噴射される液体燃料２２と直交流７６との混合物は、タービンエンジン１２のアフタバーナ３６において燃焼させられる。

図１５を参照すると、ロータリインジェクタ１０．４の代替態様は、両側から１対のシャフト１２８に結合されたディスク１２６を含み、このディスクは、図１４ａおよび１４ｂに示す態様に類似する、１対のローラーベアリング１３２によって中心シャフト１３０に回転可能に結合されている。シャフト１２８の端部には、ラビリンスシール面１４０が組み込まれ、このラビリンスシール面は、対応するラビリンスシールハウジング１４２と協働する。ディスク１２６のリム１８６の内側には、複数の円筒形溝１８８．１、１８８．２、１８８．３、１８８．４、１８８．５、１８８．６が組み込まれており、この複数の円筒形溝は、関連する流体通路１９０．１、１９０．２、１９０．３、１９０．４、１９０．５、１９０．６によって、ロータリインジェクタ１０．３のそれぞれの半径方向に配向されたアーム１９４の後縁５６および先端５４上の連続的に増大する半径方向距離に位置するインジェクタポート１９２．１、１９２．２、１９２．３、１９２．４、１９２．５、１９２．６に動作可能に結合されている。燃料分配装置１９８は、それぞれ対応する円筒形溝１８８．１、１８８．２、１８８．３、１８８．４、１８８．５、１８８．６と協働する複数のオリフィス１９６．１、１９６．２、１９６．３、１９６．４、１９６．５、１９６．６を含む。

燃料分配装置１９８は、少なくとも１つの制御バルブ２００によって液体燃料２２の源４６に動作可能に結合されて、オリフィス１９６．１、１９６．２、１９６．３、１９６．４、１９６．５、１９６．６から、ディスク１２６のリム１８６における対応する円筒形溝１８８．１、１８８．２、１８８．３、１８８．４、１８８．５、１８８．６への液体燃料２２の分配を可能にし、これらの円筒形溝は、関連する流体通路１９０．１、１９０．２、１９０．３、１９０．４、１９０．５、１９０．６を介して、対応するインジェクタポート１９２．１、１９２．２、１９２．３、１９２．４、１９２．５、１９２．６に配給する。燃料分配装置１９８は、様々な方法で具現化が可能である。例えば、図１５に示す態様においては、燃料分配装置１９８は、マニホルド２０２、例えば少なくとも１つの管、または例えばタービンエンジン１２に相対的に固定されている円筒形シェルのいずれかを含み、ここでオリフィス１９６．１、１９６．２、１９６．３、１９６．４、１９６．５、１９６．６の間における液体燃料の相対的分配は、それぞれのオリフィス１９６．１、１９６．２、１９６．３、１９６．４、１９６．５、１９６．６の相対的寸法および位置によって固定されている。代替的に、燃料分配装置１９８のオリフィス１９６．１、１９６．２、１９６．３、１９６．４、１９６．５、１９６．６は、図１４ａおよび１４ｂに示す態様の場合のように、別個の流体通路を介して別個の、それぞれの制御バルブ２００に独立に結合して、それぞれのオリフィス１９６．１、１９６．２、１９６．３、１９６．４、１９６．５、１９６．６への液体燃料２２の関連する流れを独立に制御することもできる。

本明細書では、ターボジェットまたはターボファンエンジンのアフタバーナーに液体燃料を噴射するためのいくつかの実施態様を用いて本発明を説明した。ここで理解すべきことは、これらの実施態様およびその用途は、説明を目的とするものであり、限定するものとは考えないことである。例えば、本発明は、駆動型またはフリーホイール式のロータリインジェクタとして使用して、段間（interstage）タービンバーナー内に燃料を配給することもできる。さらに、バイパス流が組み込まれたタービンエンジンの環境において本発明を説明したが、本発明をバイパス流なしで作動するように適合させることもできることを理解すべきである。さらに、本発明は、タービンエンジンの主燃焼室にその圧縮機ブレードから直接的に液体燃料を配給するように適合させ、それによって主燃焼室における別個の燃料スリンガを不要にすることもできる。ロータリインジェクタのアームは、関連するディスクに動作可能に結合された別個の構成要素とするか、またはブリスク（blisk）とも呼ばれる、ブレード付きディスクとしてそれに一体化することもできる。

さらに、本発明は、ガスの直交流における液体の霧化に限定されるものではない。例えば、本発明は、第１の流体を汎用流体中に混合するために、汎用流体、例えば液体を含む直交流中に、燃料液体を噴射するためのロータリインジェクタに組み込むこともできる。
前述の詳細な説明においては、特定の実施態様について詳細に記述し、添付の図面に示したが、当業者であれば、本開示の全体的な教示に照らして、それらの詳細に対して様々な修正形態および代替形態が考えられることを認識するであろう。したがって、開示した特定の配設は、説明の目的だけのものであり、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は、添付のクレームとそのすべての均等物の全幅が与えられるべきである。

タービンエンジンのアフタバーナーにタービン駆動ロータリインジェクタを組み込んだタービンエンジンの部分横断面図である。 その中の流れが詰まっている、動作中のロータリインジェクタの部分横断面図である。 その中の流れが詰まっていない、動作中のロータリインジェクタの部分横断面図である。 回転流体トラップを組み込んだ動作中のロータリインジェクタの部分横断面図である。 インジェクタポートおよび関連するランドの第１の態様を組み込んだ動作中のロータリインジェクタの第１の部分横断面図である。 インジェクタポートおよび関連するランドの第１の態様を組み込んだ動作中のロータリインジェクタの第２の部分横断面図である。 インジェクタポートおよび関連するランドの第２の態様を組み込んだ動作中のロータリインジェクタの部分横断面図である。 インジェクタポートおよび関連するランドの第３の態様を組み込んだ動作中のロータリインジェクタの部分横断面図である。 アームの後縁上のインジェクタポートおよび関連する溝の一態様を組み込んだ動作中のロータリインジェクタの部分横断面図である。 ロータリインジェクタの等角図である。 図９に示すロータリインジェクタの端面図である。 燃料分配システムの第１の態様を示す、図１０に示すロータリインジェクタのアームの横断面図である。 図１０に示すロータリインジェクタのアーム内の、燃料分配システムの第２の態様を示す図である。 ロータリインジェクタを組み込んだタービンエンジンの部分の部分等角図である。 図１２に示すタービンエンジンの部分の部分端面図である。 フリーホイールロータリインジェクタをタービンエンジンのアフタバーナーに組み込んだタービンエンジンの部分の横断面図である。 フリーホイールロータリインジェクタをタービンエンジンのアフタバーナーに組み込んだタービンエンジンの部分の横断面図である。 ロータリインジェクタの一代替態様の横断面図である。

Claims (35)

1. ロータリインジェクタであって、
   ａ．回転の軸のまわりに回転するように適合された少なくとも１つのアームであって、前記アームは前記回転の軸に対して半径方向に延びるとともに、アームを横断して流れるように適合された第１の流体の流れの中で回転するように適合され、さらに、アームは複数のランドを含み、前記複数のランドは、前記第１の流体の流れが、前記複数のランドを横断して流れることが可能であるとともに、前記複数のランドの少なくとも２つが、前記回転の軸から異なる距離に位置するように適合されている、前記少なくとも１つのアーム；および
   ｂ．前記複数のランドのそれぞれに位置する少なくとも１つのポートであって、関連する流体通路によって第２の流体の源に動作可能に結合されている前記少なくとも１つのポートを含む、前記ロータリインジェクタ。
2. 少なくとも１つのアームが回転の軸のまわりに自由に回転するように適合されている、請求項１に記載のロータリインジェクタ。
3. 少なくとも１つのアームが、回転の軸のまわりに駆動されるように適合されている、請求項１に記載のロータリインジェクタ。
4. 第１の流体がガス状酸化剤を含み、第２の流体が液体燃料を含む、請求項１に記載のロータリインジェクタ。
5. 複数のランドの少なくとも１つが、少なくとも１つのアームにおける段の表面を形成する、請求項１に記載のロータリインジェクタ。
6. 少なくとも１つの段が、回転の方向に対して、アームの後縁に位置する、請求項５に記載のロータリインジェクタ。
7. 第２の流体の源と少なくとも１つのポートとの間に位置する回転流体トラップをさらに含む、請求項１に記載のロータリインジェクタ。
8. 関連する流体通路が、ポートの少なくとも２つをマニホールドに接続する、複数の関連する流体通路を含み、前記ポートの少なくとも２つが、少なくとも１つのアームの異なるランド上に位置する、請求項１に記載のロータリインジェクタ。
9. 少なくとも１つのアームが、回転の方向に対して前縁および後縁を有する空気力学的断面形状を含む、請求項１に記載のロータリインジェクタ。
10. 第２の流体内に第１の流体を噴射する方法であって：
    ａ．第１の流体を複数のポートに配給し、前記複数のポートを対応する複数のランド上に配置するとともに、前記複数のランドの少なくとも２つを、回転の軸から異なる半径方向距離に配置すること；
    ｂ．前記第２の流体を複数のランドのそれぞれを横断して流すこと；
    ｃ．前記複数のポートおよび前記対応する複数のランドを、前記回転の軸のまわりに回転させ、それによって前記複数の第１のポートから前記第１の流体を前記第２の流体中に噴射させること；および
    ｄ．前記第１の流体と、前記複数の第１のポートの外部の前記第２の流体との相互作用に応答して、前記第１の流体を霧化することによって、霧化された第１の流体を生成することを含む、前記方法。
11. 回転する流体トラップを使用して複数のポートの少なくとも１つにおいて、第１の流体の源の第１の圧力を、前記第１の流体の第２の圧力から遮断することをさらに含む、請求項１０に記載の第２の流体内に第１の流体を噴射する方法。
12. 流体トラップを、複数のポートおよび対応する複数のランドと同期して回転の軸のまわりに回転させる、請求項１１に記載の第２の流体内に第１の流体を噴射する方法。
13. 複数のポートおよび対応する複数のランドを回転させる動作が、アームと第２の流体の相互作用に応答性を有する、請求項１０に記載の第２の流体内に第１の流体を噴射する方法。
14. 霧化した第１の流体を第２の流体と混合させて、その結果として得られるそれらの混合物を燃焼させることをさらに含む、請求項１０に記載の第２の流体内に第１の流体を噴射する方法。
15. ロータリインジェクタであって、
    ａ．回転の軸のまわりに回転するように適合され、前記回転の軸に対して半径方向に延びるとともに、アーム自体を横断して流れるように適合された第１の流体の流れの中で回転するように適合された、少なくとも１つのアームであって、さらにランドを含み、前記ランドは、前記少なくとも１つのアームの後縁中に切り込まれている、前記少なくとも１つのアーム；および
    ｂ．前記ランド上に位置する少なくとも１つのポートであって、それ自体が関連する流体通路によって第２の流体の源に動作可能に結合されているとともに、前記ランドとそれ自体が、前記ランドから半径方向に増大する方向に前記第２の流体を噴射するように適合されている、前記１つのポートを含む、前記ロータリインジェクタ。
16. 少なくとも１つのアームの後縁が、ランドに隣接するライザ面を含み、該ライザ面は前記後縁に切り込まれており、前記ランドが、少なくとも１つのポートと前記ライザ面との間に位置する溝を含む、請求項１５に記載のロータリインジェクタ。
17. 少なくとも１つのアームの後縁が、ランドに隣接するライザ面を含み、該ライザ面は前記後縁に切り込まれており、少なくとも１つのポートが前記ランド上で前記ライザ面から十分な距離に位置して、それによって第２の流体が前記少なくとも１つのポートから噴射されるときに、前記少なくとも１つのポートから出るときに、第２の流体が前記ランドと前記ライザ面とから離れるようにされている、請求項１５に記載のロータリインジェクタ。
18. 少なくとも１つのアームが回転の軸のまわりに自由に回転するように適合されている、請求項１５に記載のロータリインジェクタ。
19. 少なくとも１つのアームが、回転の軸のまわりに駆動されるように適合されている、請求項１５に記載のロータリインジェクタ。
20. 第１の流体がガス状酸化剤を含み、第２の流体が液体燃料を含む、請求項１５に記載のロータリインジェクタ。
21. 第２の流体の源と少なくとも１つのポートとの間に位置する回転流体トラップをさらに含む、請求項１５に記載のロータリインジェクタ。
22. 少なくとも１つのアームが、回転の方向に対して前縁および後縁を有する空気力学的断面形状を含む、請求項１５に記載のロータリインジェクタ。
23. ロータリインジェクタであって、
    ａ．回転の軸のまわりに回転するように適合された少なくとも１つのアームであって、前記アームは前記回転の軸に対して半径方向に延びるとともに、アームを横断して流れるように適合された第１の流体の流れの中で回転するように適合された、前記少なくとも１つのアーム；および
    ｂ．前記少なくとも１つのアームの後縁上に位置する少なくとも１つのポートを含み、前記少なくとも１つのアームは、前記少なくとも１つのポートと前記少なくとも１つのポートから半径方向に増大する方向の前記後縁の部分との間の前記後縁上に位置する溝を含むとともに、前記少なくとも１つのポートは関連する流体通路によって第２流体の源に動作可能に結合されている、前記ロータリインジェクタ。
24. 少なくとも１つのアームが回転の軸のまわりに自由に回転するように適合されている、請求項２３に記載のロータリインジェクタ。
25. 少なくとも１つのアームが、回転の軸のまわりに駆動されるように適合されている、請求項２３に記載のロータリインジェクタ。
26. 第１の流体がガス状酸化剤を含み、第２の流体が液体燃料を含む、請求項２３に記載のロータリインジェクタ。
27. 第２の流体の源と少なくとも１つのポートとの間に位置する回転流体トラップをさらに含む、請求項２３に記載のロータリインジェクタ。
28. 少なくとも１つのアームが、回転の方向に対して前縁および後縁を有する空気力学的断面形状を含む、請求項２３に記載のロータリインジェクタ。
29. 第２の流体内に第１の流体を噴射する方法であって：
    ａ．第１の流体を、アームの後縁上に位置するポートに配給すること；
    ｂ．前記ポートからの第１の流体が、前記ポートから半径方向に増大する方向に後縁に沿って流れるのを防止するために、該後縁にランドを切り込み該ポートを該ランド上に位置させる、もしくは該ポートと該ポートから半径方向に増大する方向に位置する該後縁の部分との間に溝を設けることで、該ポートに近接する前記アームの後縁を適合させること；
    ｃ．前記第２の流体を前記ポートを横切って流すこと；
    ｄ．前記アームを前記回転の軸のまわりに回転させ、それによって前記ポートから前記第１の流体を前記第２の流体中に噴射させること；および
    ｅ．前記第１の流体と、前記複数の第１のポート外部の前記第２の流体との相互作用に応答して、前記第１の流体を霧化することによって、霧化された第１の流体を生成することを含む、前記方法。
30. 後縁を適合させる動作が、該後縁にランドを切り込むことを含み、ポートは前記ランド上に位置している、請求項２９に記載の第２の流体に第１の流体を噴射する方法。
31. 後縁を適合させる動作が、ポートと該ポートから半径方向に増大する方向に位置する前記後縁の部分との間に位置する溝を設けることを含む、請求項２９に記載の第２の流体に第１の流体を噴射する方法。
32. 回転する流体トラップを使用して、第１の流体の源の第１の圧力を、ポートにおける前記第１の流体の第２の圧力から遮断することをさらに含む、請求項２９に記載の第２の流体に第１の流体を噴射する方法。
33. 流体トラップを、ポートと同期して回転の軸のまわりに回転させる、請求項３２に記載の第２の流体に第１の流体を噴射する方法。
34. ポートを回転させる動作が、アームと第２の流体の相互作用に応答性を有する、請求項２９に記載の第２の流体に第１の流体を噴射する方法。
35. 霧化した第１の流体を第２の流体と混合させて、その結果として得られるそれらの混合物を燃焼させることをさらに含む、請求項２９に記載の第２の流体に第１の流体を噴射する方法。

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