JP5676647B2 - 噴射装置および該噴射装置を備えるターボ機械用燃焼室 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の燃焼室で燃焼される適切な空気／燃料混合物を供給する構造の噴射装置に関する。本発明はさらに、該噴射装置を備える燃焼室に関する。

それぞれのターボ機械の燃焼室では、少なくとも１つの噴射器が空気と混合された燃料を燃焼室の底壁に固定されている噴射装置に供給する。空気は、ターボ機械の圧縮機の最終段から流入し、噴射装置内に環状に導入される。燃料は、マニホールドの端部に形成されセンタリングガイドで調整されるノズルを通って上流側に導入されて、噴射装置に供給される。その後、空気と燃料は混合されて燃焼室で燃焼されて、非常に高温のガスが生成される。

図１ａに示されるように、通常は、空気は、各々が円周方向に配置された吸気セルを有する２つの環状部１２、１４から成る渦流室４を通って噴射装置１に導入される。保持リングまたはカバー１６は、上流側部分１２（燃料の流れに従って）に溶接することによって燃料噴射マニホールド１７をセル部に連結することができる。

セル部１２、１４は、互いに軸方向に並んで互いに溶接される。セルは、半径方向に延在しそれぞれのセル部の周囲に配置される複数のスリット１５を形成する。セル部間の一体溶接部１８、１９は、スリット１５の半径方向壁を形成する。前記スリットは、軸を中心としたいずれの半径に対しても反対方向の角度を成す２つの方向に沿って一方のセル部から他方のセル部に向けられる。ベンチュリ管内で反対方向の空気の渦は、重なる空気面を形成し、ベンチュリ管内で燃料粒子が均一に混ざり、そのことで空気／燃料混合物を生成することができる。

このような噴射装置は、３つの環状溶接部、つまりそれぞれのセル部を一体にする溶接部１８および１９と、保持リング１６と第１のセル部１２との間の１つの溶接部２０とを備える。スリット１５に近い溶接部に関しては、製造時のスリットの変形を抑えるためにコストがかかる特有の手段を開発する必要がある。

実際に、図１ａに示されるように、噴射装置１の溶接部１８、１９、および２０は溶接しにくく、再溶接できない。具体的には、溶接部１８および１９はスリットを変形させ、このことが空気の流れに悪影響をもたらす。

本発明の目的は、上述の問題を解決することであって、特に、実質的にコストがより低く、製造がより簡単で、より頑丈な噴射装置を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明は、部品を特殊な入れ子構造にしてセル部間の溶接を省くことを提案する。

より詳細には、本発明の目的は、同じ軸を中心として、少なくとも２つの外側および内側の環状吸気部を有する渦流室と、センタリングガイドと、保持リングとを備え、環状部は、軸方向内壁によって形成された外側および内側の同軸のベンチュリ管へと開口するセル導管を有する燃料／空気混合物噴射装置を提供することである。環状部は同軸に取り付けられ、内側環状部は、軸方向壁および半径方向壁に接触することにより外側環状部内で自動心合わせされる構造である。保持リング、外側環状部、および内側環状部は、同じ半径方向平面内で対向する半径方向面に沿って互いに溶接され、保持リングは、センタリングガイドを半径方向ハウジング内で保持するようにセンタリングガイドを覆う。有利には、その後、溶接ビードは、内側環状部を回転しないように固定する。

噴射装置の特定の実施形態によれば、
外側環状部の空気導管は、軸に直交する２つのクラウンに均一に配置され、軸からの半径に対して、一方のクラウンの導管を他方のクラウンの導管と反対方向の角度または同じ方向の角度に従って配向することができる、
反対方向の角度は、±２０°〜４０°の範囲に含まれる、
内側環状部の導管は、外側環状部の一方のクラウンの導管の延長部に配置され、内側ベンチュリ管へと開口し、外側環状部の他方のクラウンの導管は、内側ベンチュリ管と外側ベンチュリ管との間に形成された空間へと開口する、
内側環状部の導管は、内側環状部を外側環状部内で心合わせして保持リングで溶接した後に外側環状部のクラウンの導管の延長部に形成されるような構造である、
導管は、少なくとも２つの垂直方向が実質的に同じ寸法の断面の導管であり、特に、導管は円形断面または正方形断面の円筒形である、
クラウンの導管の数は等しく、一方のクラウンの導管は外側環状部の周囲で半ピッチだけずらされる、
保持リングは、内側環状部を外側環状部に位置合わせしやすくする形状の半径方向面取り縁部を有する、
噴射ノズルを受承するセンタリングガイドは、保持リングおよび／またはセンタリングガイド上に形成されたカラーを適切な寸法にすることによって、保持リングの半径方向壁と内側環状部の半径方向壁との間に形成される半径方向ハウジング内の適切な位置で調整可能である。

本発明はさらに、上述したような噴射装置を備える燃焼室に関する。燃焼室は、環状壁と底壁とを備え、噴射装置用の固定手段が燃料噴射ノズルをセンタリングガイドに連結するために開口している通路を有する燃焼室底壁に配置される。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に詳述される例示的な実施形態から明らかになるであろう。

製造時の先行技術の例示的な噴射装置の斜視図である（すでに説明済み）。 製造後の先行技術の例示的な噴射装置の斜視図である（すでに説明済み）。 本発明の例示的な実施形態の斜視図である。 図２の例示的実施形態の長手方向断面図である。 図３の平面ＹＹに沿った断面図である。 図３の平面ＺＺに沿った断面図である。

用語「内側」またはその等価表現および「外側」またはその等価表現はそれぞれ、一要素またはその等価要素の対称軸Ｘ’Ｘに比較的最も近い位置および対称軸Ｘ’Ｘから最も遠い位置に関して使用される。用語「上流側」および「下流側」またはその等価表現は、軸Ｘ’Ｘに沿って流れる噴射装置内の燃料の流れに対する要素の部分を指す。

図２の本発明の例示的な噴射装置の斜視図を参照すると、渦流室４０の第１のセル部２２（すなわち、外側環状部）と噴射装置２の保持リング２１との間に環状溶接部３０が１つある。渦流室４０の第２のセル部２４（すなわち、内側環状部）は、第１のセル部と同軸であり、燃焼室１００側に、第１のセル部２２の内壁によって形成される外側ベンチュリ管２８の開口部２９に位置する内側ベンチュリ管２６を形成する。第１のセル部２２のセルは、円形断面の円筒状導管２５ａおよび２５ａ’であり、環状クラウンＣ１およびＣ２に沿って均一に配置され、噴射装置２の対称軸Ｘ’Ｘそれぞれに垂直ないずれの半径に対しても反対方向の２つの角度を成す２つの方向にそれぞれ配向される。各々のクラウンの導管の数は等しく、導管はセル部２２の外周において半ピッチだけずらされる。

図３の長手方向断面図は、該噴射装置２１を構成するさまざまな要素間の取り付け方法を示している。外側環状部２２の長手方向壁２２０は、軸Ｘ’Ｘに平行な外側面２２ｅを有し、内側面２２ｉは、上流側は軸Ｘ’Ｘに平行であり、下流側は燃焼室１００の方向に開口部２９に向かって次第に先細になっている。この先細部分は、外側ベンチュリ管２８を形成する。

外側環状部２２の内側面２２ｉと外側面２２ｅとは、軸Ｘ’Ｘに垂直な半径方向面２２ｐによって上流側で接続される。外側環状部２２と同軸で同心の第２のセル部２４または内側環状部は、いわゆる軸Ｘ’Ｘに垂直な半径方向壁２４１と、いわゆる該対称軸に沿って延在する長手方向壁２４０とを有する。半径方向壁２４１は下流側面２４ａを有し、長手方向壁２４０は外側面２４ｅを有し、下流側面２４ａおよび外側面２４ｅは、それぞれ外側環状部２２の面２２ｐおよび２２ｉに接触して配置される。外側環状部２２の第１のクラウンの導管２５ａは、第１の導管２５ａの延長部に形成される導管２５ｂによって延長される。導管は、組立後、つまり渦流室の外側環状部２２および内側環状部２４が対向面に沿って互いに嵌め込まれて保持リング２１に溶接された後に形成されるので、完全に位置合わせすることができる。

内側環状部２４の長手方向壁２４０の外側面２４ｅは、上流側部分のみが外側環状部の内側面２２ｉに接触した状態になる。長手方向壁２４０は、下流側部分が軸Ｘ’Ｘに平行な状態になく、この軸に向かって次第に先細になり、内側面２４ｉの内側にベンチュリ管２６を形成し、外側面２４ｅにより２つのベンチュリ管２６、２８間のベンチュリ間空間Ｅを形成する。外側環状部２２の第２のクラウンの導管２５ａ’は、この空間Ｅへと開口する。

半径方向壁２４１は、上流側が保持リング２１によって覆われ、外側環状面２１ｃは、対称軸Ｘ’Ｘに平行に外側環状部２２の外側環状面２２ｅの延長部まで伸びる。リング２１は、環状壁２１０と半径方向壁２１１とを備える。半径方向ハウジングＬは、センタリングガイド２７のカラー２７ｃを収容するために半径方向壁２１１と２４１との間に形成される。半径方向ハウジングＬは、ガイド２７がハウジングＬの平面内で変位することで適切な位置で合わされるように、リングの半径方向壁２１１と環状壁２１０とを適切な寸法にしてカラー２７ｃに対して過大寸法にされる。あるいは、センタリングガイド２７のカラー２７ｃを適切な寸法にすることで、このガイドに二重の自由度をもたらすことができる。

さらに、環状壁２１０は、有利には、内側環状部２４を外側環状部２２に位置合わせするために内側面に面取り縁部２１ｃを有する。

組立後、外側環状部２２は、一方は外側環状部２２の半径方向面２２ｐと、他方は反対側に位置するリング２１の半径方向面２１ａおよび内側環状部２４の半径方向面２４ａとの間で同じ半径方向平面Ｐに付着されたビード３０によって、リング２１および内側環状部２４に溶接される。有利には、溶接される壁の少なくとも一方は、溶接できるように面取りされる。その後、内側環状部２４は、第１のセル部２２に嵌め込むことで２つの垂直壁で自動心合わせされ、溶接ビード３０は内側環状部が回転しないように固定する。

図４ａおよび図４ｂの噴射装置２の断面図は、一方は、導管２５ａおよび２５ｂの組、他方は導管２５ａ’の反対方向の配向位置を示している。また、この断面図には、外側環状部２２および内側環状部２４、内側ベンチュリ管２６およびベンチュリ間空間Ｅ（図４ｂ）が示されている。噴射装置２の周囲において、対称軸Ｘ’Ｘと導管２５ａおよび２５ａ’の中心を通る半径ＲおよびＲ’に対して導管が成す反対方向の角度ＡおよびＡ’は、±２０〜４０°の範囲に含まれる。

その後、噴射装置は、環状壁と底壁とを備える燃焼室内で固定される。噴射装置の固定手段は、燃料噴射ノズルをセンタリングガイドに連結するために開口している通路を有する燃焼室の底壁に配置される。

動作時に、燃料は、センタリングガイド２７（図３）に係合されているノズルによってそれぞれの噴射装置に噴射され、空気は環状導管を通って流れ込む。例えば、離陸時の最大出力で、空気は２５ｇ／秒、すなわち約２４５ｍ／秒で流入し、燃料は５ｇ／秒、すなわち約５０ｍ／秒で流入する。内側ベンチュリ管２６およびベンチュリ間空間Ｅで、空気の渦が反対方向の空気面を形成し、空気面は燃焼室の入口で重なる。それぞれの空気面で、噴射される燃料粒子は流体的かつ均一に混合され、そのことにより高性能の空気／燃料混合物を生成することができる。

本発明は、説明および図示されている例示的な実施形態に限定されない。例えば、３つ以上の導管クラウン、例えば、４個のクラウンで、そのうちの２つはベンチュリ間空間へと開口し、他の２つは内側ベンチュリ管へと開口するクラウンを形成することも可能である。さらに、ベンチュリ管によって生じる旋回効果は、異なる導管クラウンにおいて導管の傾斜角度を合わせることで平衡が保てる。

Claims (10)

1. 同じ軸（Ｘ’Ｘ）を中心として、少なくとも２つの吸気環状部を有する渦流室（４０）と、センタリングガイド（２７）と、保持リング（２１）とを備える燃料／空気混合噴射装置（２）であって、
   少なくとも２つの吸気環状部が、軸方向内壁（２２ｉ、２４ｉ）によって形成された外側および内側の同軸のベンチュリ管（２６、２８）へと開口する複数のセル導管（２５ａ、２５ａ’、２５ｂ）を有すること、
   少なくとも２つの吸気環状部が、同軸に取り付けられた内側環状部（２４）および外側環状部（２２）からなり、内側環状部（２４）と外側管状部（２２）とが、互いの軸方向壁（２２ｉ、２４ｅ）および半径方向壁（２２ｐ、２４ａ）同士を接触させることによって自動心合わせする構造であること、ならびに、
   保持リング（２１）と外側環状部（２２）と内側環状部（２４）とが、対向する半径方向面（２１ａ、２２ｐ、２４ａ）に沿って同じ半径方向平面（Ｐ）で互いに溶接され、保持リング（２１）が、その半径方向ハウジング（Ｌ）内にセンタリングガイド（２７）を保持するように該センタリングガイドを覆っていることを特徴とする、噴射装置。
2. 外側環状部（２２）の空気導管（２５ａ、２５ａ’）が、円筒状であり、軸（Ｘ’Ｘ）に直交する２つのクラウン（Ｃ１、Ｃ２）に均一に配置されており、噴射装置（２）の軸（Ｘ’Ｘ）の方向から見て、一方のクラウン（Ｃ１、Ｃ２）の導管（２５ａ、２５ａ’）の中心線が、これに対応する他方のクラウン（Ｃ２、Ｃ１）の導管（２５ａ’、２５ａ）の中心線とは、噴射装置（２）の半径（Ｒ、Ｒ’）に対して反対方向の角度（Ａ、Ａ’）をなして配向される、請求項１に記載の噴射装置。
3. 導管（２５ａ、２５ａ’）の中心線と、軸（Ｘ’Ｘ）と噴射装置（２）の周囲上に位置する導管（２５ａ、２５ａ’）の中心点とを通る半径（Ｒ’、Ｒ）との間に形成される前記反対方向の角度（Ａ、Ａ’）が、±２０°〜４０°の範囲に含まれる、請求項１または２に記載の噴射装置。
4. 内側環状部（２４）の導管（２５ｂ）が、外側環状部（２２）の一方のクラウン（Ｃ１）の導管（２５ａ）の延長部に配置され、内側ベンチュリ管（２６）へと開口し、外側環状部（２２）の他方のクラウン（Ｃ２）の導管（２５ａ’）は、内側ベンチュリ管（２６）と外側ベンチュリ管（２８）との間に形成された空間（Ｅ）へと開口する、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 内側環状部（２４）の導管（２５ｂ）が、内側環状部（２４）を外側環状部（２２）内で心合わせして保持リング（２１）で溶接した後に外側環状部（２２）の一方のクラウン（Ｃ１）の導管（２５ａ）の延長部に形成される、請求項４に記載の装置。
6. 内側環状部（２４）の導管（２５ｂ）および外側環状部（２２）の導管（２５ａ、２５ａ’）の横断面が、少なくとも互いに直交する２つの方向に関して同じ寸法を有している、請求項２から５のいずれかに記載の噴射装置。
7. 一方のクラウン（Ｃ１）の導管の数は他方のクラウン（Ｃ２）の導管の数に等しく、クラウンは外側環状部（２２）の周囲で半ピッチだけずらされる、請求項２から５のいずれかに記載の噴射装置。
8. 保持リング（２１）が、内側環状部（２４）を外側環状部（２２）に位置合わせしやすくする形状の面取り縁部（２１Ｃ）を有する、請求項１から７のいずれかに記載の噴射装置。
9. センタリングガイド（２７）が、保持リング（２１）および／またはセンタリングガイド（２７）のカラー（２７ｃ）を適切な寸法にすることによって、保持リング（２１）の半径方向壁（２１１）と内側環状部（２４）の半径方向壁（２４１）との間に形成される半径方向ハウジング（Ｌ）内の適切な位置で調整可能である、請求項１から８のいずれかに記載の噴射装置。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の噴射装置を装備した燃焼室であって、環状壁と底壁とを備え、噴射装置（２）用の固定手段が燃料噴射ノズルを噴射装置（２）のセンタリングガイド（２７）に連結するために開口している通路を有する燃焼室底壁に配置されることを特徴とする、燃焼室。

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