JP4505654B2 - 燃料噴射装置の層状の燃料ストリップ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、ガスタービンエンジン燃焼器の燃料噴射装置に関し、より具体的には、層状のストリップを有する燃料噴射装置の導管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンなどの燃料噴射装置は、マニホルドから1つ又はそれ以上の燃焼チャンバに加圧された燃料を導く。燃料噴射装置はまた、燃焼前に空気と混合する燃料を準備する。噴射装置の各々は、典型的には、マニホルドに接続される入口継手と、その継手の一端に接続された管状の延長部即ちステムと、そのステムの他端に接続された1つ又はそれ以上の、燃焼チャンバ内に燃料を導くための噴霧ノズルとを有する。燃料導管又は通路（例えば、管、パイプ又は円筒形通路）は、ステムを通して延びて入口継手からノズルへ燃料を供給する。適切な弁及び／又は分流器を設け、ノズルを介して燃料流を導き制御することができる。燃料噴射装置は、多くの場合、均等に離間された環状配列で設置され、燃焼チャンバ内に均一な状態で燃料を分配する（噴霧する）。ステム内の空気キャビティは、燃料導管に断熱を与える。弁ハウジングとノズルとに取付け可能な燃料導管が必要とされる。燃料導管は、該導管を収容し、この低温の導管よりも大きい熱的寸法増加を生じる導管の伸びによって生じる低サイクル疲労（ＬＣＦ）応力に耐性がなければならない。弁ハウジングへの導管の取付けは、エンジン作動中に漏洩を生じることのない信頼性のある結合でなければならない。高温空気キャビティ内への燃料の漏洩は、爆発及び破局的過圧状態を引き起こすことがある。
【０００３】
燃料噴射装置は、通常、ステム部分を囲む1つ又はそれ以上の熱シールドと、圧縮機の高温吐出空気に曝されるノズルとを含む。熱シールドは、作動中に圧縮機の高温吐出空気から断熱するめに用いられる。これは、燃料通路内の濡れた壁が最高温度（典型的なジェット燃料の場合は、ほぼ華氏約４００度（摂氏２００度））を越えたときに燃料が分解して固形堆積物（例えば、「コークス化」）を生じるのを防止する。燃料ノズルにコークスが蓄積して燃料ノズルを通る燃料流を制限し、ノズルを効率の悪いものにするか又は使用不能にすることがある。こうした熱シールド組立体の１つが、特許文献１に示されており、それは、互いに固定され、燃料噴射装置のステム部分のための囲いを形成する一対のＵ字形熱シールド部材を含む。少なくとも1つの可撓性クリップ部材が、噴射装置のステムの中間地点あたりで熱シールド部材を噴射装置に固定する。熱シールドの上端は、噴射装置の拡大頚部を緊密に受入れる大きさにされ、圧縮機の吐出空気が熱シールド部材とステムとの間を流れるのを防止する。クリップ部材は、噴射装置のステムから熱シールド部材を断熱する。クリップ部材の可撓性は、熱的サイクル中の熱シールド部材とステムとの間の熱膨張を可能にし、同時に、取付け点における機械的応力を最小にする。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５，５９８，６９６号公報
【０００５】
別のステム及び熱シールド組立体が、特許文献２に示されており、これには、停滞空気間隙が管の周りに形成されるように噴射装置のステム内に完全に挿入された燃料管が開示されている。燃料管は、その入口端及び出口端において入口継手ノズルにそれぞれ固定的に取付けられ、燃焼及び停止の際における内部ノズル構成部品及び外部ノズル構成部品の熱膨張の違いによって生成された機械的応力を吸収するコイル状又は回旋状部分を含む。燃料管の多くはまた、二次的シール（弾性シールなどの）及び／又は摺動面が必要とされ、熱的サイクル中に生じる極限作動条件のもとで燃料管に対し熱シールドを適切にシールする。上記のようなこうした熱シールド組立体は、多数の部品と、付加的な製造段階及び組立段階を必要とし、それらが、当初の購入と継続する保守の両観点から噴射装置の総費用を増加させることになる。更に、熱シールド組立体は、燃焼チャンバの内部及び周りにおいて有用な空間を占有し、燃焼器への空気流を妨げ、エンジンの重量を増加させることになる。現在の産業需要が、費用削減、噴射装置寸法（「エンベロープ」）のより小型化及びより効率的作動のための重量低減を求めている状況では、これは全て望ましいことではない。
【０００６】
【特許文献２】
米国特許第６，０７６，３５６号公報
【０００７】
もっと通常のノズルは、主ノズルと二次ノズルとを採用し、始動の際には主ノズルのみが用いられる。より高出力作動の際に両方のノズルが用いられる。始動及び低出力作動の際には、二次ノズルへの流量が減少されるか又は停止される。パイロットノズルとメインノズルとを有する燃料噴射装置は、段階的燃焼用に開発されてきた。主ノズルと二次ノズルは、燃焼器においてほぼ同一の軸線方向位置で吐出する。燃焼器の特定の要求に対して、燃料流量がより正確に制御され、燃料噴霧がより正確に向けられることができるため、メインノズルとパイロットノズルを有する燃料噴射装置は、より効率的でよりクリーンな燃焼を行うものとして開発されてきた。メインノズルとパイロットノズルを有する燃料噴射装置は、燃焼空気流領域内の異なる軸線方向及び半径方向位置に吐出する多数の燃料回路を用いて、高出力時に良好な空気と燃料との混合を達成する。低出力時には、回路の一部が停止され、残りの燃料噴射位置において局所的な燃空比を高い状態に維持する。低出力時に停止される回路及びノズルは、メイン回路及びメインノズルと呼ばれる。燃焼フレームを消さない状態にしたまま作動状態に維持される回路及びノズルが、パイロット回路及びパイロットノズルと呼ばれる。パイロットノズルとメインノズルとは、同じノズル・ステム組立体内に包含させることができ、又は別々のノズル組立体に支持させることもできる。二重ノズル型燃料噴射装置はまた、更に、二重燃焼器のための燃料制御を可能とするように構成でき、更に大きな燃料効率と有害エミッションの低減をもたらすことができる。
【０００８】
燃料噴射装置のステム部分を介して燃料を送る典型的な技術は、ステム内に同軸通路を有し、燃料が異なる通路を介して別々に送られるようにした燃料導管を設けるものである。次に、燃料は、噴射装置のノズル部分の通路及び／又は環状チャネルを介して噴霧オリフィスに導かれる。例えば、特許文献３には、冷却目的のために、パイロット燃料流が、メインノズルに沿って下方向及び逆方向へ送られるようになった同軸通路が開示されている。これもまた、多数の部品と付加的な製造段階及び組立段階とを必要とし、望ましい費用及び重量削減と小型噴射装置エンベロープに全く反することになる。
【０００９】
【特許文献３】
米国特許第５，４１３，１７８号公報
【００１０】
特許文献４は、燃料噴射装置に伴うこれらの懸念及び欠点に対応するものであり、燃料噴射装置は、入口継手と、その入口継手に一端で接続されたステムと、そのステムの他端に接続されエンジン燃焼チャンバで又はその内部で支持された1つ又はそれ以上のノズル組立体とを含む。単一の細長い層状の供給ストリップ形状の燃料導管は、ステムを貫通してノズル組立体にまで延び、入口継手からノズル組立体のノズルにまで燃料を供給する。供給ストリップの上流端は、付加的シーリング部品（弾性シールなどの）を備えることなく入口継手に直接（蝋付け又は溶接などによって）取付けられる。供給ストリップの下流端は、単体（一体型）の形態でノズルに接続される。単一供給ストリップは、その長さに沿った回旋形状を有し、ステム軸線に沿った方向に増加した相対的変位の余裕を与え、ノズルが曝される極限温度による熱膨張差によって生起される応力を減少させる。これにより、噴射装置のステム部分の付加的熱シールドの必要性が減少されるか又は解消される。
【００１１】
【特許文献４】
米国特許第６，３２１，５４１号公報
【００１２】
層状の供給ストリップ及びノズルは、複数のプレートから形成される。各プレートが、細長い供給ストリップ部分と、この供給ストリップ部分にほぼ垂直な単体ヘッド（ノズル）部分とを含む。プレート内の燃料通路及び開口部は、プレート表面を選択的にエッチング加工することによって形成される。プレートは、次に、蝋付け又は拡散接合などによって互いに面対面接触に配列されて互いに固定され、一体構造を形成する。プレートを選択的にエッチング加工することにより、多数の燃料回路と、単一か又は多数のノズル組立体と、冷却通路とを噴射装置内に容易に設けることができる。エッチング加工方法はまた、多数の燃料通路と冷却回路とを比較的小断面に作成できるようにし、それにより、噴射装置の大きさを縮小する。
【００１３】
プレート組立体の供給ストリップ部分は、曲げ加工などによって機械的に形成されて、回旋形状を与えられる。１つの実施形態において、プレートは全て平面図においてＴ字形状を有する。この形状においては、プレート組立体のヘッド部分は、環状断面又は他の適切な形状を有する円筒形に機械的に形成されることができる。ヘッド端は、互いに離間させることができるし、或いは互いに組み合わせ蝋付け或いは溶接などによって結合することができる。噴霧オリフィスは、燃料をノズルから半径方向外向きに、半径方向内向きに、及び／又は軸線方向に導くように、円筒形ノズルの半径方向外面、半径方向内面及び／又は端部に設けられる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
より可撓性があり、曲げ応力が少なく、それ故に従来の供給ストリップ設計に比べて低サイクル疲労の影響が少ない燃料導管を有することが望ましい。ステム軸線に沿った方向の相対変位に対する優れた可撓性を備え、かつノズルが曝される極限温度に起因する熱膨張差によって生起される応力が減少する供給ストリップを有することもまた、望ましい。熱シールドためのエンベロープが小さく、それによって流れ内での周方向幅が小さく、より空力学的に効率的な設計に寄与する抗力とそれに付随する流量損失が低くなる供給ストリップを持つこともまた、望ましい。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
燃料噴射装置の導管は、互いに接合され長手方向に延びる単一対のプレートを有する単一供給ストリップを含む。各プレートが幅方向に離間されており、長手方向に延びる平行な溝の単一列を有する。プレートの各々における対向する溝が位置合わされて、入口端から出口端までのストリップの長さにわたる内部燃料流路を形成するような状態で互いに接合される。
【００１６】
供給ストリップは、入口端と出口端との間に半径方向に延びるほぼ直線状中間部を含む。燃料噴射装置の導管の直線状ヘッダは、中間部の出口端から離れる方向に横向きに（軸線方向後方に）延び、環状メインノズルに通じる。供給ストリップの半径方向の熱的寸法増加は、中間部に対し完全に又は部分的に横向きであるか或いは該中間部に対してほぼ横方向に撓むストリップの曲げアームの撓みによって吸収される。直線状ヘッダは、第１曲げアームＡ１であり、これは曲げアームの最も長い部分である。
【００１７】
本発明の例示的な実施形態において、中間部は僅かに湾曲状にされており、中間部の長さよりも大きい曲率半径を有する。中間部は、取付けやすくするために僅かに湾曲状にされる。
【００１８】
本発明の例示的な実施形態において、供給ストリップは、入口端と中間部との間の少なくとも1つの鋭角的曲り部と、出口端と中間部との間の曲り部とを有する。鋭角的曲り部は、それぞれが第２曲げアーム長さと第３曲げアーム長さとを有する半径方向内側アームと半径方向外側アームとを有する。内側アームと外側アームとは、鋭角分だけ角度をもって離間される。第２曲げアームの長さと第３曲げアームの長さとが、中間部に対し完全に又は部分的に横向きであるか或いは該中間部に対してほぼ横方向に撓む。供給ストリップは、内部燃料流路に接続された入口端の燃料入口孔を有する。入口端は、弁ハウジング内で固定される。
【００１９】
本発明の別の実施形態において、環状メインノズルは供給ストリップの出口端に流体的に接続され、互いに接合され長手方向に延びる単一対のプレートからなる供給ストリップと一体的に形成される。内部燃料流路は、供給ストリップと環状メインノズルとを通って延びる。環状脚部は、メインノズルを通る内部燃料流路の少なくとも第１番目の流路から周方向に延びる。噴霧オリフィスは、環状脚部からプレートの少なくとも1つを通って延びる。環状脚部は波状部を有することができる。環状脚部は、時計回り及び反時計回りに延びる環状脚部を含むことができる。時計回り及び反時計回りに延びる環状脚部は、それぞれ平行な第１波状部と第２波状部とを有し、噴霧オリフィスは、第１波状部と該第２波状部の互い違いの部分に配置されて、円にほぼ沿って整列させることができる。
【００２０】
より詳細な実施形態において、導管は、メインノズルを通る内部燃料流路の少なくとも第２番目の流路から周方向に、時計回り及び反時計回りに延びるパイロット脚部を含むパイロットノズル回路を備える。
【００２１】
本発明は、上部弁ハウジングと、該ハウジングから垂下する中空ステムと、該ステムによって支持されている少なくとも1つの燃料ノズル組立体と、ステムを通ってハウジングからノズル組立体までの間を延びる燃料噴射装置導管とを含む燃料噴射装置を備える。噴射装置は更に、噴霧オリフィスに整列された開口部を備える環状メインハウジングを有するメイン混合器を含むことができる。環状キャビティがメインハウジング内に形成され、かつメインノズルが環状キャビティ内にメインハウジングによって支持される。環状滑り接合シールが、噴霧オリフィスの各々と位置合わせされた開口部の各組内に配置される。ハウジングは、内側熱シールドと外側熱シールドとを含むことができ、内側熱シールドは更に、内壁及び外壁とそれらの間にある環状間隙とを含み、開口部が内側熱シールドと外側熱シールドとを通るようにすることができる。環状滑り接合シールは、内側熱シールドの内壁に取付けることができる。
【００２２】
本発明はまた、環状メインノズルと、メインノズルにおいて噴霧オリフィスに整列された開口部を備える環状メインハウジングを有するメイン混合器と、メインハウジング内に形成された環状キャビティとを有する燃料噴射装置を提供する。メインノズルが環状キャビティ内に収容され、環状滑り接合シールが噴霧オリフィスの各々に整列された開口部の各組内に配置される。ハウジングは更に、それぞれ内側熱シールドと外側熱シールドとを含むことができ、内側熱シールドが、それらの間に環状間隙をともなう内壁と外壁とを含むことができる。開口部は、内側熱シールドと外側熱シールドとを通ることができ、環状滑り接合シールは、内側熱シールドの内壁に取付けることができる。
【００２３】
本発明の供給ストリップは、ステム軸線に沿った方向の相対変位に対する良好な可撓性を有し、かつノズルが曝される極限温度に起因する熱膨張差によって生起される応力を低下させるものである。本発明は、導管のための熱シールドとして働く中空ステムに対して使用されるエンベロープを小さくすることを可能にする燃料導管を提供する。その結果、中空ステムは、流れ内における小さい周方向の幅を有し、それ故に、抗力とそれに付随する流量損失を低下させて空力学的により効率的な設計を可能にする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１に示すのは、燃焼器１６の例示的な実施形態であり、該燃焼器１６は、それぞれ環状の半径方向外側ライナ２０と半径方向内側ライナ２２との間に、それらによって形成された燃焼域１８を含む。外側ライナ２０及び内側ライナ２２は、それらの周りを周方向に延びる環状燃焼器ケーシング２６の半径方向内側に配置される。燃焼器１６はまた、外側ライナ２０及び内側ライナ２２の上流側に取付けられた環状ドーム３４を含む。ドーム３４が燃焼域１８の上流端３６を定め、複数の混合器組立体４０（１つのみを示す）が、ドーム３４の周りに周方向に離間されて配置される。混合器組立体４０の各々は、それぞれパイロットノズル５８及びメインノズル５９を支持し、該パイロットノズル及びメインノズルと共に、燃料と空気の混合気を燃焼域１８に供給する。混合器組立体４０の各々は回転軸線５２を有し、その回転軸線の周りにパイロットノズル５８及びメインノズル５９が配置される。
【００２５】
図１及び図２を参照すると、本発明による燃料噴射装置１０の例示的な実施形態は、燃料ノズル組立体１２（半径方向に離間したノズル組立体を１つ以上用いることができる）を有し、該燃料ノズル組立体は、ガスタービンエンジンの燃焼チャンバの燃焼域内へ燃料を導くパイロットノズル５８とメインノズル５９とを含む。燃料噴射装置１０は、燃焼器ケーシング２６に固定され、シールされるようにしたノズル取付け台即ちフランジ３０を含む。中空ステム３２は、フランジ３０と一体的に形成されるか又は該フランジ３０に固定され（蝋付け又は溶接などによって）、燃料ノズル組立体１２と混合器組立体４０とを支持する。
【００２６】
中空ステム３２は、チャンバ３９の上部開放端の上方又は内部に配置された入口組立体４１を有し、フランジ３０と一体的に形成されるか又は蝋付けなどによって該フランジ３０に固定される。入口組立体４１は弁ハウジング４３の一部とすることができ、該ハウジングから中空ステム３２が垂下するようにすることができる。ハウジング４３は、図７に概略的に示される燃料マニホルド４４に流体的に接続されて、噴射装置１０内に燃料を導くように設計されている。入口組立体４１は、燃料マニホルド４４から燃料を受入れるように作動する。入口組立体４１は、燃料ノズル組立体１２の燃料回路１０２を通る燃料流量を制御する燃料弁４５を含む。
【００２７】
図２に示される入口組立体４１は、フランジ３０と一体的に成形されるか又は該フランジ３０に固定され、かつ該フランジから半径方向外向きに配置されて、燃料弁４５を収容する燃料弁受け１９を収納する。ノズル組立体１２は、パイロットノズル５８及びメインノズル５９をそれぞれ含む。一般的には、パイロットノズル５８とメインノズル５９とが定常及び最高出力状態において用いられ、始動及び部分出力作動時には、パイロットノズルのみが用いられる。細長い単一供給ストリップ６２を有する燃料噴射装置の可撓性導管６０を用いて、入口組立体４１からノズル組立体１２に燃料を供給する。供給ストリップ６２は、可撓性の供給ストリップであり、製造工程における蝋付け中などの高温に、悪影響を受けることなく曝すことができる材料で形成される。
【００２８】
図５及び図６を参照すると、供給ストリップ６２は、長手方向に延び互いに接合された単一対の第１プレート７６及び第２プレート７８を有する。第１プレート７６及び第２プレート７８の各々は、幅方向に離間されて配置され、長手方向に延びる平行溝８４の単一列８０を有する。プレートは互いに接合され、供給ストリップ６２の入口端６６から出口端６９までの供給ストリップ６２の長さＬにわたって内部燃料流路９０を形成するように、プレート各々の対向する溝８４が位置合わせされるようになる。図４に更に示されるように、パイロットノズル延長部５４は、メインノズル５９から前方に延びており、パイロット供給管５６によってパイロットノズル５８の燃料噴射装置先端部５７に流体的に接続される。図３に示されるように、供給ストリップ６２はメインノズル５９に燃料を供給する。図４及び図８を参照すると、パイロットノズル延長部５４とパイロット供給管５６とは、具体的には、回転軸線５２の周りで角度方向に図８に示す角度ＡＡだけ離されている。
【００２９】
図２及び図８を参照すると、供給ストリップ６２は、入口端６６と出口端６９との間で、半径方向に延びるほぼ直線状の中間部６４を有する。燃料噴射装置導管６０の直線状ヘッダ１０４は、中間部６４の出口端６９から離れるように横向きに（軸線方向後方に）延び、固定されて撓みを防ぐようになった環状メインノズル５９に導かれる。図９を参照すると、供給ストリップ６２の熱的寸法増加の長さＬＴＧは、半径方向の熱的寸法増加によるものであり、これは、中間部６４に対して完全に又は部分的に横向きであるか或いは該中間部に対してほぼ横方向に撓むストリップの曲げアームＡＮの撓みにより吸収される。曲げアームＡＮの最も長い部分は第１曲げアームＡ１として示され、直線状ヘッダ１０４である。曲げアームＡＮは、中間部６４に対して完全に又は部分的に横向きである曲げアーム・モーメント長さＬＮを有し、第１曲げアームＡ１は曲げアーム・モーメント長さＬ１を有する。
【００３０】
ここに図示される本発明の例示的な実施形態においては、中間部６４が僅かに湾曲されており、図８及び図９において示されるように、中間部６４の中間部長さＭＬよりも大きい曲率半径Ｒを有する。図示された本発明の実施形態にはまた、入口端６６と中間部６４との間の少なくとも1つの鋭角的曲り部６５と、中間部６４と出口端６９との間の曲り部６８とが含まれる。鋭角的曲り部６５は、それぞれ半径方向内側アーム７５と半径方向外側アーム７７とを有し、これらアームは、中間部６４に対し完全に又は部分的に横向きであるか或いは該中間部に対してほぼ横方向に撓む第２曲げアームＡ２及び第３曲げアームＡ３として機能する。内側アーム７５と外側アーム７７とは、鋭角７９だけ角度的に離間されて配置される。第２曲げアームＡ２と第３曲げアームＡ３は、第２曲げアーム長さＬ２と第３曲げアーム長さＬ３を有する。第２偏向曲げアームＡ２と第３偏向曲げアームＡ３とは、中間部６４に対し横向きであり、かつ該中間部に対してほぼ横方向の撓みを生じさせるように働く第２偏向曲げアーム・モーメント長さＬ２と第３偏向曲げアーム・モーメント長さＬ３とをそれぞれ有する。曲り部６８は、燃料噴射装置導管６０の中間部６４からヘッダ１０４にストリップ６２を繋ぐものである。入口端６６は固定され、弁ハウジング４３内での熱的寸法増加に起因する動きが拘束される。
【００３１】
燃料噴射装置導管６０は、最大許容低サイクル疲労ＬＣＦ応力を有するように設計される。熱的ひずみによる誘発応力のＬＣＦ寿命分析を行い、ＬＣＦの最大応力ＳＭを求める必要がある。こうしたＬＣＦ寿命分析の１つは、ひずみ制御されたＬＣＦデータを用いることである。材料のサイクル試験は、各サイクルについて同じピークひずみを用いて実行される。これは、実際面では、熱的応力対ひずみ状態によく似ている。全ピークひずみは、所定の熱的サイクルについては一定であるが、実際のピーク応力は、局所的な塑性流れに伴って減少する。今日の方法は、遠心加速によってピーク応力が高まる回転部品についての、及びピーク応力が圧力によって加えられる圧力容器についての負荷制御されたＬＣＦデータを用いることを含む。負荷制御のサイクル試験は、各サイクルにおける負荷を一定に維持し、局所的ピーク応力を一定にするか、塑性流れが発生し総断面積が減少するにつれてむしろ増加させるようにするものである。これは、両方の場合を似たものとするが、それは、両方の場合において、塑性流れが発生したとき、典型的には負荷（遠心力及び／又は圧力）が軽減されず一定であることによる。燃料噴射装置導管６０は、熱的ひずみによって寿命が限定されるものとなり、そのため、ひずみ制御データを寿命サイクル分析に用いるべきである。
【００３２】
熱的ひずみのＬＣＦ寿命分析を実行する方法の１つは、平均応力として擬似弾性応力範囲の平均［（最大応力−最小応力）／２］を用い、反復応力として（最大応力−平均応力）を用いることである。Ａ比率は、（反復応力）／（平均応力）と定義され、大部分の金属については、所与の反復応力に対する最も厳しいサイクルは、Ａ比率＝無限大（即ち平均応力ゼロで、そのため応力の完全反転が生じる）の場合である。ＬＣＦデータは、典型的には、Ａ＝＋１及びＡ＝無限大の場合について異なる温度で得られ、場合によっては、他のＡ比率で求めることができる。このデータは、亀裂開始（ｘ軸）対反復擬似弾性応力（ｙ軸）についてのサイクル形態で表される（図１０参照）。インコネル６００は、使用に向け現在研究されている１つの材料である。図１０において示されるデータは、華氏２５０度のインコネル６２５の推定値である。本発明に関連したインコネル６００の材料特性は、インコネル６２５の材料特性に類似すると思われる。このデータは統計形式であり、即ち平均曲線ＣＡ、−３シグマ曲線Ｃ３、及び９５／９９曲線Ｃ９である。９５／９９曲線は、最悪の場合の材料を表し、典型的には、設計目的のために用いられる。９５／９９曲線は、９５％の信頼水準で試験された試験片の９９％についての所与のサイクル量に対する亀裂発生を招くことがない応力水準を表す。この曲線は、典型的には、平均曲線より下の−５シグマから−６シグマである。
【００３３】
ＣＦＭ５６の低温部品上に見出すことができるようなエンジンの低温部品のための伸び設計目標は、それぞれが３回の使用間隔による１５，０００回の完全熱的サイクル（ＦＴＣ）であり、２０年以上にわたる使用を表すものである。慎重な手法として、更に悪い場合のＦＴＣがあらゆるフライトで発生すると仮定し、例示的分析において、５０％の応力限界をともなう５０，０００サイクルの目標が用いられる。これは、５０，０００サイクルで９５／９９の値（６５ｋｓｉ）の６７％よりも少ない反復擬似応力に等しい。従って、ＩＮ６２５の場合には、ピークの集中許容曲げ応力σｍａｘは、２×４３．５即ち８７ｋｓｉである。次の方程式は、ハウジングの曲げアーム長さＬＮと、厚さＨと、高温金属温度ＴＨと、供給ストリップの所与の金属について図９に概略的に図示された供給ストリップ６２の低温金属温度ＴＣを上回ることがないピークの集中許容曲げ応力σｍａｘに関連するものである。
【００３４】
【数１】

【００３５】
図１０の方程式４の最大許容曲げ応力σｍａｘについての上記方程式は、図１０の方程式１から方程式３によって示される供給ストリップ６２の熱的寸法増加の長さＬＴＧによる半径方向の熱的寸法増加分析を用いて開発された。図１０の方程式において用いられたパラメータを定義し説明する名称は、図１１に列挙される。方程式１は、熱的寸法増加に起因する供給ストリップ６２の熱的寸法増加の長さＬＴＧの変化｜ＬＴＧを定義するものである。変化｜ＬＴＧは、室温から設計作動条件までＴＨによって示される高温ハウジングと低温供給ストリップ６２との間の差の変化を示す項である。入口端６６は固定され、弁ハウジング４３内での熱的寸法増加に寄って誘起される動きが拘束される。図１０の方程式２に示されるように、曲げアームＡＮは、合計で、供給ストリップ６２の熱的寸法増加の長さＬＴＧの変化｜ＬＴＧと等しい量だけ撓む。図１０の方程式３は、曲げアーム・モーメント長さＬ１を有する第１曲げアームＡ１で生じることになるピークの集中許容曲げ応力σｍａｘ間の関係を定義するものである。図１０における方程式４の最大許容曲げ応力σｍａｘの方程式は、方程式１から方程式３による。曲げアーム・モーメント長さＬＮは、方程式４におけるσｍａｘが、上記で開示された例示的な実施形態において約８７ｋｓｉとなる設計考慮事項に基づいた所定の設計値を越えないように選択される。
【００３６】
ヘッダ１０４は、回転軸線５２とほぼ平行にメインノズル５９に至る。供給ストリップ６２、特に中間部６４の形状は、噴射装置内の機械的応力を減少させながら、燃焼チャンバにおける熱的変化に応じて供給ストリップの膨張及び収縮を可能にする。一部の高温状態においては、付加的な熱シールドが、依然として必要となるか又は望ましくなることがあるが、供給ストリップの形状は、多くの用途においてステム部分の付加的な熱シールドの必要性を低下させるか又は解消することに役立つ。
【００３７】
図５及び図８を参照すると、ストリップという用語は、供給ストリップ６２が、互いにほぼ平行であり、互いに対向して向かい合った第１側面７０及び第２側面７１を備える細長い実質的には平板状の形状を有することを意味する。ここに図示される実施形態において、ストリップ６２は、第１側面７０及び第２側面７１にほぼ垂直で、ほぼ平行な互いに対向して向かい合った第１縁部７２及び第２縁部７３を含む。ストリップは断面が矩形状７４（通常の燃料管の円筒形状と比較すると）であるが、この形状は製造する要件及び技術によって変えることができる。供給ストリップは、中間部６４の十分な曲率半径Ｒを持たせることができ、ストリップに過度な応力をかけることなく、ストリップが容易に中空ステム３２内へ挿入され該中空ステム３２から引出されることを可能にする。ストリップは、燃焼システムの励振に応じて該ストリップが共振挙動を示すのを防止するか又は回避するような大きさにすべきである。特定用途に適うストリップ形状及び大きさは、実験と分析モデリング及び／又は共振周波数試験とによって、求めることができる。
【００３８】
図２及び図８を参照すると、供給ストリップ６２の入口端６６にある入口６３は、入口組立体４１における第１入口ポート４６、第２入口ポート４７、第３入口ポート４８及び第４入口ポート４９のそれぞれと流体連通するか又は流体的に接続され、供給ストリップに燃料を導く。入口ポートは、供給ストリップ６２の長さＬ分だけ下流にあり、ノズル組立体１２のパイロットノズル５８及びメインノズル５９に向う多数の内部燃料流路９０に燃料を供給し、同時にノズル組立体における熱的制御のための冷却回路を提供することにもなる。図７及び図８に示されるように、ノズル組立体１２のヘッダ１０４は、供給ストリップ６２から燃料を受入れ、メインノズル５９へ、及び、パイロットノズルが組込まれている場合であれば該パイロットノズル５８へ、燃料回路１０２を介して燃料を送る。
【００３９】
ここに示す本発明の例示的な実施形態において、供給ストリップ６２と、メインノズル５９と、それらの間にあるヘッダ１０４とは、長手方向に延びる第１プレート７６と第２プレート７８とで一体的に構成される。メインノズル５９及びヘッダ１０４は、供給ストリップ６２の要素と考えることもできる。燃料回路１０２の燃料流路９０は、供給ストリップ６２と、ヘッダ１０４と、メインノズル５９とを通る。燃料回路１０２の燃料流路９０は、噴霧オリフィス１０６に至り、図４に示されるように、パイロット供給管５６に流体的に接続されパイロットノズル５８に燃料を供給するように作動可能なパイロットノズルの延長部５４に通じている。燃料回路１０２の燃料流路９０の平行溝８４は、図５及び図６に示されるように、第１プレート７６及び第２プレート７８の隣接面２１０内にエッチング加工される。
【００４０】
図６、図７及び図８を参照すると、燃料回路１０２は、第１メインノズル回路２８０と、第２メインノズル回路２８２とを含み、それら回路の各々が、メインノズル５９において、時計回りに延びる環状脚部２８４と反時計回りに延びる環状脚部２８６とをそれぞれ含む。噴霧オリフィス１０６は、環状脚部２８４及び環状脚部２８６から第１プレート７６及び第２プレート７８のうちの一方又は両方を通って延びる。例示的な実施形態において、噴霧オリフィス１０６は、メインノズル５９にある半径方向外側のプレートの１つである第１プレート７６を通って外向きに延びる。時計回りに延びる環状脚部２８４と反時計回りに延びる環状脚部２８６とは、それぞれ平行な第１波状部２９０と第２波状部２９２とを有する。噴霧オリフィス１０６は、円３００に沿ってほぼ環状に整列するように第１波状部２９０と第２波状部２９２とからなる互い違いの波状部群に配置される。燃料回路１０２はまた、パイロットノズルの延長部５４に燃料を供給するループ状パイロットノズル回路２８８を含む。ループ状パイロットノズル回路２８８は、それぞれメインノズル５９において時計回りに延びる環状パイロット脚部２９４と反時計回りに延びる環状パイロット脚部２９６とを含む。
【００４１】
ノズル組立体と、接合プレートの間の燃料回路とに関する情報については、米国特許第６，３２１，５４１号を参照されたい。図２、図８及び図９を参照すると、供給ストリップ６２の長さ分だけ下流にある内部燃料流路９０は、燃料回路１０２に燃料を供給するために用いられる。供給ストリップ６２及びヘッダ１０４における内部燃料流路９０の各々に流れ、パイロットノズル５８とメインノズル５９とに送込まれる燃料は、燃料弁４５によって制御され、この燃料弁４５は、弁ハウジングの一部である入口組立体４１によって示され、更には、図７において概略的に示されている。ノズル組立体１２のヘッダ１０４は、供給ストリップ６２から燃料を受取り、その燃料をメインノズル５９へ送る。メインノズル５９は環状であり、円筒形状又は円筒構造を有する。プレート７６及びプレート７８内の噴霧装置の流路、開口部及び様々な部品は、エッチング加工、より具体的には、化学的エッチング加工などによる適切な方法で形成することができる。こうしたプレートの化学的エッチング加工は、当業者には公知であり、例えば、米国特許第５，４３５，８８４号に記載されている。プレートのエッチング加工は、極めて微細で、輪郭のはっきりした、複雑な開口部と通路との形成を可能とし、これらの部品のための小さな断面を持たせながらエッチング加工により、供給ストリップ６２とメインノズル５９内に多数の燃料回路を設けることができるようにする。プレート７６とプレート７８とは、蝋付け又は拡散接合法などの接合方法を用いて対面接触で互いに接合することができる。こうした接合方法は、当業者にとっては周知であり、様々なプレート間の極めて信頼性の高い接続を提供する。拡散接合法は、隣接した層間の最初の接合境界面全体に粒界成長をもたらし、機械的に優れた結合を与えるので、特に有用である。
【００４２】
図１、図３及び図４を参照すると、混合器組立体４０の各々は、パイロット混合器１４２と、メイン混合器１４４と、それらの間に延びる中央体１４３とを含む。中央体１４３は、パイロット混合器１４２と流体連通し、その下流に位置するチャンバ１５０を形成する。パイロットノズル５８は、チャンバ１５０内の中央体１４３によって支持される。パイロットノズル５８は、チャンバ１５０の下流へ燃料の小滴を噴霧するように設計される。メイン混合器１４４は、噴霧オリフィス１０６より上流に配置された第１メインスワーラ１８０と第２メインスワーラ１８２とを含む。パイロット混合器１４２は、同心に取付けられた一対のパイロットスワーラ１６０を含む。図示された本発明の実施形態において、スワーラ１６０は軸流式スワーラであり、内側パイロットスワーラ１６２と外側パイロットスワーラ１６４とを含む。内側パイロットスワーラ１６２は環状であり、周方向にパイロットノズル５８の周りに配置される。内側パイロットスワーラ１６２及び外側パイロットスワーラ１６４の各々は、それぞれパイロットノズル５８の上流に配置された複数の内側パイロットスワール発生羽根１６６と外側パイロットスワール発生羽根１６８とを含む。
【００４３】
環状パイロットスプリッタ１７０は、半径方向に内側パイロットスワーラ１６２と外側パイロットスワーラ１６４との間に配置され、内側パイロットスワーラ１６２及び外側パイロットスワーラ１６４から下流へ延びている。パイロットスプリッタ１７０は、内側パイロットスワーラ１６２を通過する空気流と外側パイロットスワーラ１６４を通って流れる空気流とを分離するように設計される。スプリッタ１７０は、エンジンの低出力作動中に燃料フィルム面を形成する中細になった内面１７４を有する。スプリッタ１７０はまた、パイロット混合器１４２を通って流れる空気の軸線方向速度を制御して、高温ガスの再循環を制御する。
【００４４】
１つの実施形態において、内側パイロットスワール発生羽根１６６は、そこを通って流れる空気を、外側パイロットスワール発生羽根１６８を通って流れる空気と同じ方向に旋回させる。別の実施形態においては、内側パイロットスワール発生羽根１６６は、そこを通って流れる空気を、外側パイロットスワール発生羽根１６８がそこを通って流れる空気を旋回させる第２の周方向の方向とは逆向きの第１の周方向の方向に旋回させる。
【００４５】
メイン混合器１４４は、環状キャビティ１９２を形成する環状メインハウジング１９０を含む。メイン混合器１４４は、パイロット混合器１４２に対して同心に整列され、該パイロット混合器１４２の周りを周方向に延びている。環状メインノズル５９は、パイロット混合器１４２とメイン混合器１４４との間で周方向に配置される。より具体的には、メインノズル５９は、パイロット混合器１４２の周りを周方向に延びており、半径方向に中央体１４３とメインハウジング１９０との間に配置される。
【００４６】
ハウジング１９０は、内側熱シールド１９４と外側熱シールド１９６とを含む。内側熱シールド１９４は、それぞれ内壁２０２及び外壁２０４と、それらの間の３６０度の環状間隙２００とを含む。内側熱シールド１９４と外側熱シールド１９６の各々は、噴霧オリフィス１０６に位置合わせされた複数の開口部２０６を含む。内側熱シールド１９４と外側熱シールド１９６は、溶接又は蝋付けなどによる適切な方法でステム３２に固定される。
【００４７】
メインノズル５９と噴霧オリフィス１０６とは、内側熱シールド１９４と外側熱シールド１９６との開口部２０６を介してメイン混合器キャビティ１９２内へ半径方向外向きに燃料を噴射する。環状滑り接合シール２０８が、噴霧オリフィス１０６の各オリフィスと位置合わせされた内側熱シールド１９４の開口部の各組に配置されて、環状間隙２００を通過するクロス流れを防止する。環状滑り接合シール２０８は、蝋付け又は他の方法によって内側熱シールド１９４の内壁２０２に取付けられる。環状間隙２００を通過するクロス流れを防止するために内側熱シールド１９４の開口部２０６の各々に配置された環状滑り接合シール２０８は、他の形式の燃料噴射装置でも用いることができる。
【００４８】
ここでは、本発明の好ましい例示的な実施形態と考えられるものを記載してきたが、本発明による他の修正は、当業者にとって本明細書の教示から明らかである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料ストリップを有する燃料噴射装置の例示的な実施形態を備えたガスタービンエンジン燃焼器の断面図。
【図２】 図１の燃料噴射装置の拡大断面図。
【図３】 図２の混合器組立体における燃料ノズル組立体の拡大断面図。
【図４】 図２の燃料ノズル組立体を通る第２の角度で取った拡大断面図。
【図５】 図２の線５−５における燃料ストリップの断面図。
【図６】 図１の燃料ストリップを形成するのに用いられるプレートの平面図。
【図７】 図１の燃料噴射装置の燃料回路の概略図。
【図８】 図７の燃料回路を備えた燃料ストリップの斜視図。
【図９】 図１の燃料ストリップの概略図。
【図１０】 図９の燃料ストリップ内における熱的寸法増加力を分析するのに用いられる方程式の例証。
【図１１】 図１０の方程式において用いられるパラメータ定義の例。
【符号の説明】
１２ 燃料ノズル組立体
５９ メインノズル
６２ 供給ストリップ
６４ 中間部
６５ 鋭角的曲り部
６６ 入口端
６９ 出口端
１０４ ヘッダ
１０６ 噴霧オリフィス
２８４、２８６ 環状脚部
２９０ 第１波状部
２９２ 第２波状部

Claims (10)

1. 互いに接合され長手方向に延びる単一対のプレート（７６、７８）を有する単一供給ストリップ（６２）を備え、
   前記プレートの各々が、幅方向に離間され長手方向に延びる平行溝（８４）の単一列（８０）を有し、
   前記プレートの各々における対向する溝（８４）が、入口端（６６）から出口端（６９）までの前記ストリップの長さにわたる内部燃料流路（９０）を形成するように、前記プレートが、位置合わせされ互いに接合されており、
   前記供給ストリップ（６２）が、前記入口端（６６）と前記出口端（６９）との間に中間部（６４）を有し、該中間部（６４）が該中間部（６４）の長さ（ＭＬ）よりも大きい曲率半径（Ｒ）を有する、
   ことを特徴とする燃料噴射装置の導管（６０）。
2. 前記供給ストリップ（６２）が、前記出口端（６９）と前記中間部（６４）との間に、曲り部（６８）を有することを特徴とする、請求項１に記載の導管（６０）。
3. 前記供給ストリップ（６２）の前記出口端（６９）に流体的に接続されており、互いに接合され長手方向に延びる単一対の前記プレート（７６、７８）からなる前記供給ストリップ（６２）と一体的に形成された環状メインノズル（５９）を更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の導管（６０）。
4. 更に、前記内部燃料流路（９０）が前記供給ストリップ（６２）と前記環状メインノズル（５９）とを通して延びており、
   前記メインノズル（５９）を通る前記内部燃料流路（９０）の少なくとも第１番目の流路から周方向に延びるように環状脚部（２８４、２８６）が設けられ、前記プレート（７６、７８）の少なくとも１つを通って前記環状脚部から延びるように噴霧オリフィス（１０６）が設けられている、
   ことを特徴とする、請求項３に記載の導管（６０）。
5. 前記環状脚部が波状部（２９０、２９２）を有することを特徴とする、請求項４に記載の導管（６０）。
6. 前記環状脚部が、時計方向及び反時計方向に延びる環状脚部（２８４、２８６）を含むことを特徴とする、請求項４に記載の導管（６０）。
7. 時計方向及び反時計方向に延びる前記環状脚部（２８４、２８６）が、平行な第１及び第２波状部（２９０、２９２）をそれぞれ有することを特徴とする、請求項６に記載の導管（６０）。
8. 前記噴霧オリフィス（１０６）が、前記第１及び第２波状部（２９０、２９２）の互い違いの部分に配置されて、円（３００）に沿って整列されていることを特徴とする、請求項７に記載の導管（６０）。
9. 前記メインノズル（５９）を通る前記内部燃料流路（９０）の少なくとも第２番目の流路から周方向に、時計方向及び反時計方向に延びるパイロット脚部（２９４、２９６）を含むパイロットノズル回路を更に備えることを特徴とする、請求項５又は８に記載の導管（６０）。
10. 前記入口端（６６）と前記中間部（６４）との間に鋭角的曲り部（６５）を備え、該鋭角的曲り部（６５）は、前記中間部に対し軸線方向に撓む半径方向内側アームと半径方向外側アームとからなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の導管（６０）。

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