JP5008401B2 - 特にジェットエンジンの燃焼チャンバ用多モード燃料噴射器の冷却 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼チャンバ、特にジェットエンジンの燃焼チャンバ用の多モード燃料噴射器に関する。さらに詳細には、本発明は、第２回路によって供給され、複数の燃料噴出オリフィスに連絡し、第２回路によって送達される燃料の周辺霧化を確実にする環状分配チャンバの冷却に関する。

航空機ジェットエンジンにおいて、燃焼チャンバには、燃焼チャンバの後部に周縁に沿って一定間隔に分配された複数の燃料噴射器が設けられる。各燃料噴射器は、それぞれ第１回路および第２回路と呼ばれる燃料回路に属する同軸の通路が画定されたアームを備える。アームの中に画定された同軸通路の各々は、同じ霧化ヘッド中に画定された２個の同軸燃料霧化システムに供給する。

第１回路または低いエンジン速度の回路は、特に微細な燃料霧化を得るように設計される。その流量は制限されるが連続的（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ）である。

第２回路または高いエンジン速度の回路はフルスロットルの点まで燃料流量を補充するように設計され、特に離陸に必要な全ての出力を得ることを可能にする。他方、この第２回路は連続的には使用されず、その流量は、場合によってあるエンジン速度で非常に弱い。

例として、欧州特許第１，３６９，６４４号明細書はこの型式の多モード燃料噴射器について記述する。

高圧圧縮機から来る圧縮空気は、燃焼チャンバが配置された筐体中を循環する。空気の一部は燃料噴射器を横断し、燃焼チャンバの後部の第１回路および第２回路によって送達される燃料と混合した後、燃焼チャンバ中で着火する。

燃料噴射器は、高圧圧縮機の最終段から来る熱い空気の流れ中に設置されるので、高温（フルスロットルの出力で３００°Ｋ〜９５０°Ｋ）に曝されることがある。さらに、圧縮機からの空気の温度が比較的高い（４３０°〜６３０°Ｋ）運転のある状態中に、第２回路は使用することができず、または非常に弱い流量を有するであろう。
欧州特許第１，３６９，６４４号明細書

ゴム化またはコークス化は、霧化ヘッドの内部、さらに詳細には周辺の霧化を提供する様々な燃料噴出オリフィスに供給する環状分配チャンバ内部の、燃料の沈滞に起因することがある。これらの現象は第２回路によって供給される燃料の霧化の品質を損なうことがあり、燃焼チャンバ中の不均一な気化ならびに燃焼チャンバ内部の温度分布の歪みを招く。これは燃焼チャンバおよび高圧タービンの性能の損失を招く。これらの問題は、高圧分配器、高圧タービン、および低圧タービンのいくつかの部品の焼きつきを招くことがある。

本発明は、第１回路によって送達される燃料の連続的循環によって、第２回路により送達される燃料を確実に冷却し、コークス化の危険性を取り除くことを可能にする霧化ヘッド用の新しい設計を提供する。

さらに詳細には、本発明は、連続的流量を有する第１回路と断続的流量を有する第２回路のそれぞれ２個の回路によって供給される２個の同軸燃料霧化システムを有する型式の、燃焼チャンバ用の多モード燃料噴射器に関し、この多モード燃料噴射器は、上記第２回路が、周縁に沿って一定間隔に分配された複数の燃料噴出オリフィスを穿孔した環状分配チャンバに接続され、上記第１回路が、その冷却のために、上記分配チャンバに隣接する少なくとも１個の通路部分を備える、霧化ヘッドを備えることを特徴とする。

例えば上記通路部分は、上記分配チャンバに対して外側に径方向に配置された外部環状部分と、この同じ分配チャンバに対して内側に径方向に配置された内部環状部分とを備える。

２個の環状部分は直列に接続することができる。

代替例によれば、分配チャンバが２個の別々に供給される対称部品を備え、２個の内部および外部環状部分は各々上記２個の対称性部品に隣接した分岐をそれぞれ備える。

霧化ヘッドはいくつかの部品の組み立てによって構成される。これらの部品の中で、アームに接続された環状本体は、その下流面に刻まれて分配チャンバおよびその冷却を行う上記第１回路の上記通路部分を画定する溝を備える。環状フランジがこれらの溝を覆い、上記燃料噴出オリフィスはこのフランジに設けられる。有利なことに、上記溝はこの環状本体の粗鋳造体に電気浸食を１回行うことによって得られる。

本発明は、添付の図面を参照しながら純粋に例示として与えられる以下の説明によってより良好に理解され、その他の利点が明らかになるであろう。

図１に、ターボエンジンの環状燃焼チャンバ１５の後部壁１３上に取り付けられた多モード燃料噴射器１１の１つを断面概略図で示す。例において、２つの噴出モードが組み合わされ、説明される燃料噴射器は、本明細書において連続的流量を有する第１回路１７と、本明細書において断続的流量を有する第２回路１９のそれぞれ２個の燃料分配回路によって供給される、２個の同軸燃料霧化システムを備える。

通常、２個の回路は、それぞれ第１および第２回路に属する２個の同軸通路１７ａおよび１９ａが設けられて霧化ヘッド１８に接続された、アーム２１を有する。連続的流量を有する第１回路は比較的弱い流量を有する。それは特により低いエンジン速度に適合する。

断続的流量を有する第２回路１９は、燃料の流量をフルスロットル点まで補充するように設計され、特に離陸に必要な全ての出力を得ることを可能にする。その第１可変流量はゼロとすることができ、またはあるエンジン速度で非常に弱くすることができる。

高圧圧縮機から来る圧縮空気（図示せず）は、燃焼チャンバ１５の周囲の筐体２３中を循環する。空気は矢印Ｆの方向に従って上流から下流へ循環する。

残りの説明の中で、用語「上流」または「下流」は、ガスの流れ方向を考慮して、１つの要素の他の要素に対する位置を示すために用いられる。

空気の一部は燃焼チャンバ１５中に侵入し、燃料噴射器１１を通過する。燃料は、その燃焼チャンバ中で点火する前にチャンバの後部で空気と混合される。

霧化ヘッド１８において、第１回路１７は軸状燃料噴出ノズル２７（本明細書では霧化ヘッド自体の軸Ｘが考慮される）に終端し、第２回路は環状分配チャンバ３０を備える分配器２９に接続されて、分配器の下流端部で周縁に沿って一定間隔に分配される複数の燃料噴出オリフィス３１に連絡する。

霧化ヘッドは、アーム２１に取り付けられた環状本体３９を備え、アーム２１には、上記第１および第２回路に属して通路１７ａ、１９ａをそれぞれノズル２７と分配チャンバ３０に接続する孔が設けられる。図１では、通路１９ａを分配チャンバ３０に接続する孔１９ｂを特に認識することができる。

また、霧化ヘッド１８は、その複数の噴出オリフィスに対して外側に径方向に設置された、通常「渦流器」と呼ばれる環状空気渦流偏向器３３を備える。この偏向器は周縁に翼３５を備え、これらの間に、一定の間隔で周縁に配置されて空気を燃料ジェットに向かって導く空気噴出チャネル３６を画定する。

分配器２９は２個の環状部品から構成され、互いに嵌合して（および互いに蝋付けされ）これらの間に上記分配チャンバ３０を画定する。部品の１つは上述の本体３９である。他の部品は一種の蓋を形成する環状フランジ４１であり、これは本体の下流端部で嵌合する。このフランジ４１にオリフィス３１が穿孔される。

本体３９およびフランジ４１は、対応する直径を有する円筒状領域を備え、それらの互いの中心合わせを確実にする。２個の部品は蝋付けによって組み立てられる。

図３が示すように、本体３９の下流面に溝が刻まれる。全体的に環状の溝４５は分配チャンバ３０の核心部分を画定し、この溝もやはりフランジ４１によって閉じられて上記チャンバ３０を構成する。他の溝４７、４８は第１回路１７の通路部分を画定する（それらもフランジ４１によって閉じられる）。以下に詳細を説明する。

有利なことに、溝４５、４７、４８は、環状本体３９の粗鋳造体に電気浸食作業を一回行うことによって得ることができる。電気浸食工具の形状は図３に見える断面の形状に一致し、これらの溝４５、４７、４８を画定する。

環状空気渦流偏向器３３は、蝋付けによって組み立てられた２個の環状部品５１、５３から作られる。それは図４に斜視図で示される。２個の部品は翼３５を有するリス籠の一種を形成し、図２に示すように、その厚みは内部に向かって減少する。上流の環状部品５１は翼３５を備える下流の環状部品５３に嵌合する。部品５１、すなわち偏向器の上流壁は、フランジ４１の球状領域５７の外部直径に等しい直径を有する内部円筒状領域５５を備える。分配器のこの球状領域５７は偏向器の円筒状領域５５中に嵌合する。下流の環状部品５３は、典型的にボウルと呼ばれる分岐円錐要素６１によって下流に向かって延在し、周縁に沿って一定間隔に分配された２組のオリフィス６３、６５が穿孔される。オリフィス６３は要素６１の円錐部分に設けられる。より小さなオリフィス６５は外部の径方向フランジ６７上に設けられる。これらは径方向偏向器６９に面して現れる（図１）。

圧縮機から来る空気はチャンバの後部に衝突し、チャネル３６および詳細にはオリフィス６３、６５を通過する。

図示したように、２個の部品５１、５３から構成される環状偏向器３３は、それぞれ上流および下流に２個の同軸内部切形壁５１ａ、５３ａを備える。壁５１ａは部品５１中に画定される。壁５３ａは部品５３中に画定される。これらの壁の円錐形は下流に向かって導かれる、すなわちそれらの直径は上流から下流へ向かって減少する。また、分配チャンバ３０は下流の切形壁を備える。それはオリフィス３１が設けられるフランジ４１の壁である。この壁の外側は、環状偏向器の上流壁５１ａの内部面に平行な、または（本明細書の場合のように）これと合流する発生器を有する。

これらの面の円錐形の角度は４５°〜８０°の範囲であるのが有利である。

他の顕著な特徴によれば、各オリフィス３１の軸はこの点で表面５１ａの発生器に垂直である。

図２を参照すると、各空気噴出チャネル３６には、少なくともその径方向に最も内側の部分の平行な表面から等距離にある線として、中心線Ｍが画定される。説明される例において、実際に翼３５の１つの表面ａは平坦であるが、隣接する他の翼の表面ｂは表面ａに平行な少なくとも短い内側部分ｃを備える。したがって、中心線Ｍは表面ａおよびｃから等距離である。ａとｃの間に位置する部分は対象の空気噴出チャネルのゲージゾーンを構成する。表面ｂは部分ｃに合流することができる。

顕著な特徴によれば、噴出オリフィス３１によって画定される燃料噴出軸の各々に空気噴出チャネル３６（２個の翼３５の間に）が存在し、その少なくとも径方向に最も内側部分（すなわちゲージゾーン）は、この燃料噴出軸に実質上交差する中心線Ｍを有する。

例において、燃料噴出オリフィスの数は空気噴出チャネルの数に等しい。代りに、空気噴出チャネルの数は燃料噴出オリフィスの数の倍数とすることができる。

図２の構成を得るために、組み立てのための割出手段（切り欠きおよび突起）が設けられることはいうまでもない。分配器２９は燃料噴射器１１の部分を構成し、偏向器３３はチャンバ１３の後部に取り付けられる（燃料噴射器１１およびチャンバ１３の後部は筐体２３によって配列される）。分配器２９は偏向器３３中で表面５５と５７の周りを滑る。

渦流器の空気チャネルを燃料噴出オリフィスに対して配置するこの特別の構成は、この燃料の最適な霧化を可能にする。空気−燃料混合物の均一性は燃焼を改善し汚染を低減する。

さらに、壁５１ａ、５３ａの傾きは結果として、空気渦流偏向器を横断する空気流の妨害を少なくする。また、燃料噴射器の軸状断面積を全体的に低減する。

また、霧化ヘッド１８は、環状本体３９の内部に軸状に取り付けられた中心部品７５（空気渦流偏向器を形成する）を備える。この部品は図５に斜視図で示される。これは周縁に沿って一定間隔に配置された翼７７を備える。したがって、スロート７８がこれらの翼の間に画定される。これらの形状はスロートが軸Ｘに対して傾斜するようになっている。中心部品が環状本体３９中に嵌合されるとき、スロート７８は再び外側に径方向に閉じられ、ノズル２７の周りに配置された他の空気渦流偏向器または「渦流器」の空気噴出チャネルを画定する。

部品７５は、その円錐形が下流に向かって導かれる下流の円錐部分を備え、その上流端部で本体３９中に画定される、対応する円錐部分に嵌合する。翼７７はこの円錐部分中に画定され、ここでも霧化ヘッド１８の軸状断面積（Ｘに一致する）を低減する。加えて、部品７５は上流に円筒状領域８５を備え、上記本体３９中に部品７５を良好に中心合わせするために、本体３９の上流に画定された対応する円筒状領域に配列される。割出手段は部品７５と本体３９間の周縁方向の位置決めを確実にする。

閉じた空洞７９が部品７５の中心に画定される。ノズル２７がこの空洞中に取り付けられる。翼７７中に通路８０が設けられ、上記空洞７９中に現れる。これは第１回路の最終部分を構成する。この通路８０は本体３９の他の孔８１に連絡し、溝４８の１つの端部に現れる（図３）。本体３９に設けられた孔８２は、上で定義した第１回路に属する通路１７ａの端部に溝４７の一端を接続する。

重要な特徴によれば、上記第１回路は、冷却のため、上記分配チャンバ３０に隣接する少なくとも１個の通路部分８６を備える。実際には、この通路部分８６はフランジ４１で覆われた溝４７、４８によって画定されたチャネルによって構成される。説明の例において、上記通路部分は、上記分配チャンバに対して径方向に外側に配置された外側の環状部分（溝４７に対応する）と、上記分配チャンバに対して径方向に内側に配置された内側の環状部分（溝４８に対応する）とを備える。

図３の実施形態において、電気浸食によって得られた構造は溝４５を横断する径方向通路８４を画定し、溝４７と４８間の連絡を確立する。また、径方向壁８７は孔８１のオリフィス近傍に画定され、燃料を内部環状部分に実質上３６０°に渡って流れさせる。したがって、図３の例において、第１回路の上記通路部分８６を構成する２個の前述の環状部分は直列に接続される。第１回路の燃料は孔８２を通ってこの迷路に侵入し、分配チャンバ３０の外側周囲を径方向に循環し、次いで分配チャンバ３０に対して内側を径方向に循環した後、孔８１を経由し次いで通路８０を経由して空洞７９に再び合流する。

第１回路中の燃料の流れが連続的であるので、いかなる状況においても分配チャンバ３０は確実に冷却され、第２回路中の流量がゼロまたは非常に弱いときに発生し得る上記分配チャンバ中の燃料のコーキング現象が回避される。

図６は、分配チャンバ３０の構造およびその冷却を提供する上記通路部分８６ａの代替例を示す。

分配チャンバは、２個の孔１９ｂ１、１９ｂ２によって別々に供給される２個の対称部分（２個の対称性溝４５ａ、４５ｂによって画定される）を備え、両方とも通路１９ａに接続される。

溝４５ａ、４５ｂを取り囲む、溝によって画定された２個の環状内部部分および外部部分は各々、分配チャンバの２個の対称性部品（溝４５ａ、４５ｂ）に隣接するそれぞれ２個の分岐を備える。

したがって、外部環状部分は２個のそれらの対称性分岐（溝４７ａ、４７ｂ）を備え、通路８０ａ、８０ｂを経由して、空洞７９に連絡する２個の孔８２ａ、８２ｂを別々に供給する。これらは分配チャンバの２個の対称性部品間に配置された径方向通路８７の周りで合流し、やはり２個の対称性分岐（溝４８ａ、４８ｂ）を備える内部の環状部分に再び接続し、通路８７の対角線上の点で合流して、通路１７ａによって供給される孔８１に再び接続する。

分配チャンバに隣接する上記通路部分８６ａのこの構造による燃料の対称的な流れは、特に分配チャンバの均一な冷却を確実にする。

同じ構造要素が同じ参照符号で表される図７における代替例では、ノズル２７の周囲に配置された空気渦流偏向器が変更されている。これは２個の逆回転「渦流器」を画定する、軸状に組み立てられた２個の環状案内９０、９１から構成される。言い換えれば、内部空気渦流偏向器９０ａと外部空気渦流偏向器９１ａとは、ベンチュリを形成する形状にされた環状案内９０によって分離され、区別される。他の環状案内９１はボウルまで下流に向かって延在し、分配チャンバ３０に付随する「渦流器」との相互作用を回避する。この構成は空気流の「剪断」を増加させ、ノズルから来る燃料の霧化に関与する。ノズルの周囲に画定された２個の渦流器が逆回転であることは、Ｘ軸近傍の燃料の霧化の集中を助長する。ベンチュリの存在によって加速が可能になり、したがってノズルから放出される燃料液滴を低下させ、この燃料の霧化に大きく加担する。外部渦流器から来る空気は、軸Ｘに向かって導かれる成分を有して、ボウルに導入される。２個の渦流器から来る２つの空気流の合流ゾーンは高い乱流を有する流れを形成し、燃料の霧化を向上させる。全体として、この構造は低いエンジン速度における燃焼チャンバの良好な安定性と良好な性能を保証する。

本発明による燃料噴射器の立面および断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 電気浸食によって得た燃料噴射器の環状本体の下流面を示す図である。 燃料噴射器の部分展開斜視図である。 燃料噴射器の他の部分斜視図である。 代替例を示す図３に類似の図である。 他の代替例を示す、図１に類似の部分半断面図である。

符号の説明

１１ 燃料噴射器
１３ 後部壁
１５ 環状燃焼チャンバ
１７ 第１回路
１７ａ、１９ａ 軸状通路
１８ 霧化ヘッド
１９ 第２回路
１９ｂ１、１９ｂ２、８１、８２ 孔
２１ アーム
２３ 筐体
２７ 軸状燃料噴出ノズル
２９ 分配器
３０ 環状分配チャンバ
３１ 燃料噴出オリフィス
３３ 環状空気渦流偏向器
３５ 翼
３６ 空気噴出チャネル
３９ 環状本体
４１ 環状フランジ
４５、４７、４８ 溝
５１、５３ 環状部品
５１ａ、５３ａ 同軸内部切形壁
５５ 内部円筒状領域
５７ 球状領域
６１ 分岐円錐要素
６３、６５ オリフィス
６７ 径方向フランジ
６９ 径方向偏向器
７５ 中心部品
７７ 翼
７８ スロート
７９ 空洞
８０、８７ 通路
８４ 径方向通路
８５ 円筒状領域
８６ 通路部分
９０、９１ 環状案内

Claims (12)

1. 連続的流量を有する第１回路（１７）および断続的流量を有する第２回路（１９）のそれぞれ２個の回路によって供給される２個の同軸燃料霧化システムを備える型式の、燃焼チャンバ用多モード燃料噴射器であって、霧化ヘッドを備え、前記第２回路が周縁に沿って一定間隔に分配された複数の燃料噴出オリフィス（３１）を穿孔した環状分配チャンバ（３０）に接続され、前記第１回路が、その冷却のために、前記分配チャンバに隣接する少なくとも１個の通路部分（８６）を備えることを特徴とする、燃料噴射器。
2. 前記通路部分（８６）が、前記分配チャンバ（３０）に対して径方向外側に配置された外部環状部分と、前記分配チャンバに対して径方向内側に配置された内部環状部分とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射器。
3. ２個の環状部分が直列に接続されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料噴射器。
4. 前記分配チャンバが２個の別々に供給される対称部分を備え、２個の内部および外部環状部分が各々前記２個の対称部分に隣接した２個の分岐をそれぞれ備えることを特徴とする、請求項２に記載の燃料噴射器。
5. 前記内部環状部分の２個の分岐と前記外部環状部分の２個の分岐が、分配チャンバの２個の対称部分の間に配置された径方向通路（８７）によって連絡することを特徴とする、請求項４に記載の燃料噴射器。
6. 前記霧化ヘッドが、溝（４５、４７、４８）が刻まれて前記分配チャンバと前記第１回路の前記通路部分を画定する環状本体（３９）と、前記溝を覆う環状フランジ（４１）とを備え、前記燃料噴出オリフィスが前記フランジに設けられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料噴射器。
7. 前記溝が、前記環状本体の粗鋳造体に電気浸食を１回行うことによって得られることを特徴とする、請求項６に記載の燃料噴射器。
8. 前記環状本体（３９）が、それぞれ前記第１回路と前記第２回路に属する２個の同軸通路（１７ａ、１９ａ）が配置された噴射器アーム（２１）の端部に取り付けられることを特徴とする、請求項６または７に記載の燃料噴射器。
9. 前記霧化ヘッドが、前記第１回路によって供給されるように接続された軸状燃料噴出ノズル（２７）を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料噴射器。
10. 前記霧化ヘッドが前記第１回路によって供給されるように接続された軸状燃料噴出ノズル（２７）を備え、前記ノズルが前記環状本体の内部に取り付けられた中心部品（７５）に装着されて、空気渦流偏向器の翼を画定することを特徴とする、請求項６に記載の燃料噴射器。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の複数の多モード燃料噴射器を備えることを特徴とする、燃焼チャンバ。
12. 請求項１１に記載の燃焼チャンバを備えることを特徴とする、ジェットエンジン。

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