JP5902621B2 - 異なる形態の燃焼孔を有する航空機タービンエンジンの燃焼室 - Google Patents

Description

本発明は、航空機タービンエンジンの燃焼室の分野に関する。特に、本発明は、航空機タービンエンジンの燃焼室で、長手方向軸Ａを中心とした環状であり、外側側壁、内側側壁、および外側側壁の一端を内側側壁の一端に接続する環状燃焼室端壁によって画定され、外側側壁はその周囲に沿って配置される、スパークプラグ、一次孔、および長手方向軸Ａの方向に一次孔から下流側に位置する希釈孔を含む燃焼室に関する。

以下では、用語「上流側」および「下流側」は、燃焼室を通過する空気の正常な流れ方向に対して定義される。用語「内側」および「外側」は、それぞれ燃焼室の内部領域および外部領域に関係する。

図１は、航空機タービンエンジンの燃焼室１０のセクタの長手方向断面図である。燃焼室１０は、長手方向軸Ａを中心とした環状である。燃焼室１０は、軸Ａを中心とした略円筒状の外側側壁１２と、軸Ａを中心とした略円筒状で外側側壁１２の平均直径より小さい平均直径を有する内側側壁１４と、外側側壁１２の一端を内側側壁１４の対向端に接続して燃焼室１０の上流側端部を閉じる環状燃焼室端壁１３とによって画定される。したがって、燃焼室端壁１３から下流側端部１５へと燃焼室１０を通る中間面は、長手方向軸Ａを中心とした円錐面である。この円錐面と長手方向軸Ａを含む面との交線は、参照されている図１のＣである。

燃焼室端壁１３は、燃料を燃焼室１０に噴射する複数の燃料噴射システム３３を有する。噴射システム３３は、長手方向軸Ａの周囲に配置される。

空気は、燃焼室端壁１３、外側側壁１２に位置する一次孔１００と希釈孔２００と冷却孔（図示せず）、さらに内側側壁１４に位置する一次孔１１０と希釈孔２１０と冷却孔（図示せず）を通って燃焼室１０に入り込む。

スパークプラグ３６（図４に示す）は、ほぼ一次孔１００と同じ高さに位置し、長手方向軸Ａを中心とした外側側壁１２の周囲に一定の間隔で配置される。

図１に示される形態では、燃焼室１０は２つのスパークプラグ３６（図４参照）を有し、これらのスパークプラグは軸Ａを中心として正反対の位置にある。

このような燃焼室は、さまざまな高度で動作するように設計されている。今日の基準では、燃焼室は常により高い高度での動作に適するものであることが求められる。特に、燃焼が中断された場合、燃焼室は再点火上限と呼ばれる最も高い高度で再点火できなければならない。

燃焼室における高高度再点火試験により、再点火上限を高くするために、ひいては燃焼室がより高い高度で再点火できるようにするために、
（燃焼室を通過する空気の総量に対して）一次孔を通って燃焼室に入り込む空気の割合を減らすこと、または
空気が燃焼室内で一定に分配されるように（すなわち、燃焼室への種々の空気入口間の空気の分配が一定になるように）一次領域の容積Ｖ_ＺＰを増大させることのいずれかが必要であることを示す。一次領域は、燃焼室端壁と一次孔を含む面との間に延在する燃焼室の領域として定義される。

上述の解決策は共に、燃焼室から排出される煙のレベルおよびＮＯ_ｘのレベルの上昇を引き起こすという欠点がある。

現在の燃焼室では、再点火上限をより高くすることは、特に、汚染基準がますます厳しくなってきているために、汚染基準を満たさなくなるというリスクがある。

本発明は、より高い高度で再点火（高い再点火上限）できると同時に、現行の汚染基準を満たす燃焼室を提供することを目的とする。

上述の目的は、隣接領域への空気供給が隣接領域の外側への空気供給とは異なるように、スパークプラグの１つに隣接する隣接領域の各々に位置する一次孔が隣接領域の外側に位置する一次孔の形態とは異なる形態を有することによって達成される。

これらの構造によって、高い再点火上限が保たれ、場合によってはこの上限は高くすることができると同時に、煙およびＮＯ_ｘの生成が制御されて、汚染基準を満たすことができる。

本発明の第１の実施形態では、スパークプラグの１つに隣接する隣接領域のそれぞれに位置する一次孔が隣接領域の外側に位置する一次孔よりさらに下流側に位置する。

本発明の第２の実施形態では、スパークプラグの１つに隣接する領域にある希釈孔を通過する空気の流量に対する一次孔を通過する空気の流量の比Ｒ_１は、前記領域の外側の希釈孔を通過する空気の流量に対する一次孔を通過する空気の流量の比Ｒ_２より小さい。

非限定的な例として挙げられた一実施形態の以下の詳細な説明を読めば、本発明はより良く理解され、本発明の利点がより明らかになるであろう。以下に、添付図面を参照して説明する。

燃焼室セクタの長手方向断面図である。 本発明の第１の実施形態の燃焼室の外側側壁の一部の透視図である。 本発明の第２の実施形態の燃焼室の外側側壁の一部の透視図である。 先行技術の燃焼室の外側側壁の一部の透視図である。

図４は、上述した先行技術の燃焼室１０の外側側壁１２の一部の透視図である。一次孔１００、希釈孔２００、および２つのスパークプラグ３６のうちの１つが示されている。

各スパークプラグ３６に対して、スパークプラグ３６に最も近い一次孔１００と二次孔２００とを有する領域である隣接領域６０が画定される。したがって、スパークプラグ３６は、隣接領域６０のほぼ中間に位置する。図２および図３に示されている例では、隣接領域６０は、２個の一次孔１００と、４個の希釈孔２００（３個の希釈孔と、隣接領域の２つの境界のそれぞれに、またがって位置する２分の１の希釈孔）とを有する。このスパークプラグ３６からさらに遠くに位置する孔は、隣接領域６０の外側に位置する。この配置は、他のスパークプラグ３６の場合も同様である。

あるいは、スパークプラグ３６周囲の隣接領域６０は、単に２個の一次孔１００（スパークプラグ３６の両側に１つの孔）と２個の希釈孔２００（スパークプラグ３６の両側に１つの孔）とを含んでもよい。

一次孔１００は、前記軸に直角な面の長手方向軸Ａの周囲に沿って位置する。希釈孔２００は、一次孔１００の周囲を含む面に平行な面の別の周囲に沿って、長手方向軸Ａの方向に一次孔１００から下流側に位置する。

驚くべきことに、本発明者は、隣接領域６０の外側にある一次孔１００と隣接領域６０にある一次孔１００とを区別できるように一次孔１００の特徴を変更することによって、再点火上限を保つ、または高くすることができると同時に、現行の汚染基準を満たすことができることに気付いた。

したがって、本発明者は、隣接領域６０にある一次孔１００と隣接領域６０の外側にある一次孔１００とを区別できるように、一次孔１００の形態を変更した。用語「一次孔の形態」は、例えば、一次孔１００の位置、および／または形状、および／または一次孔１００のサイズを指すのに使用される。

隣接領域６０の外側にある一次孔１００の形態に対して隣接領域６０にある一次孔１００を異なる形態にすることで、隣接領域６０への空気供給は隣接領域６０の外側への空気供給とは異なるものとされる。

本発明の第１の実施形態では、隣接領域６０にある一次孔１００は隣接領域６０外側に位置する一次孔１００よりさらに下流側に位置する。この配置は、図２に示されている。隣接領域６０に見られる一次孔１００は、前記軸に直角な第１の面Ｐ１の長手方向軸Ａを中心とした周囲に沿って位置する。隣接領域６０の外側に位置する一次孔１００は、第１の面に平行な第２の面Ｐ２の周囲に沿って位置し、第１の面Ｐ１から上流側に位置する。

例えば、図２に示されるように、第１の面Ｐ１と第２の面Ｐ２との距離は、一次孔１００の直径に等しい（面Ｐ１と面Ｐ２とは平行であるので、通常は、これらの２つの面の間の距離は一方の面から他方の面に向かって当該軸に直角に延在する線分の長さとして定義される）。また、第１の面Ｐ１と第２の面Ｐ２との距離は、一次孔１００の最大径より長くてもよい。

あるいは、第１の面Ｐ１と第２の面Ｐ２との距離は、一次孔１００の最大径より短くてもよい。

したがって、隣接領域６０に位置する一次孔１００から上流側の一次領域の容積は大きくなる。このことにより、再点火上限が高くなると同時に、燃焼室から排出される煙およびＮＯ_ｘのレベルを一定に保つことができる。反対に、隣接領域６０の一次領域の容積の値を一定に保つ、すなわち、図４に示されている先行技術のようにスパークプラグ３６の近くの一次孔１００の位置（面Ｐ１）を一定に保つことができると同時に、隣接領域６０の外側に位置する一次孔１００を上流側（面Ｐ２）に動かすことができる。このことにより、燃焼室から排出される煙およびＮＯ_ｘのレベルを低減すると同時に、再点火上限を一定に保つことができる。したがって、本発明者によって実施された試験は、隣接領域６０の外側の一次領域の容積が２．７７リットルから２．２リットルになると、３ＳＮの値の煙レベルの減少が得られる（ＳＮ＝煙価、煙の量を測定するのに使用される単位）ことを示している。また、スパークプラグ３６に隣接する領域６０の外側では、周知のＩＣＡＯ（国際民間航空機関）のＮＯ_ｘガス基準に対するマージンの３％増加が得られる。

図２に示されているように、図４と比較すると、隣接領域６０内にある一次孔１００に対する隣接領域６０の外側にある一次孔１００の上流側のオフセットは、希釈孔２００の同一のオフセットを伴う、すなわち、一次孔１００と軸Ａの方向に一次孔１００からすぐ下流側に位置する希釈孔２００との距離は、燃焼室１０の周囲全体にわたってほぼ一定である。各隣接領域６０では、隣接領域の２つの境界のそれぞれにまたがって位置する希釈孔２００は、他の希釈孔２００のオフセットの距離の半分だけオフセットしている。

あるいは、希釈孔２００は、隣接領域６０と隣接領域６０の外側の外側側壁１２部分との間でオフセットする必要はない、すなわち、希釈孔２００の全ては軸Ａを中心とした同じ周囲に位置してもよい。

燃焼室１０の内側側壁１４は、一次孔１１０と希釈孔２１０とを含むことができる。

有利には、これらの一次孔１１０の燃焼室端壁１３に対する距離は、スパークプラグ３６の１つに隣接する隣接領域６０のそれぞれに位置する外側側壁１２の一次孔１００の場合とほぼ同じである。

したがって、内側側壁１４の一次孔１１０は、外側側壁１２の一次孔１００と、側壁に直角な方向にほぼ位置合わせされる。

この配置により、空気力学的な観点から考えて、一次領域の容積をより正確に画定することができる。

同様に、希釈孔２１０は、スパークプラグ３６の１つに隣接する隣接領域６０のそれぞれに位置する外側側壁１２の希釈孔２００とほぼ位置合わせされてもよい。

本発明の第２の実施形態では、隣接領域６０にある希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ１に対する隣接領域６０に位置する一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ１の比Ｒ_１は、隣接領域６０の外側に位置する希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ２に対する隣接領域６０の外側に位置する一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ２の比Ｒ_２より小さい。この配置は、図３に示されている。

隣接領域６０の外側では、一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ２は、希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ２に比べて大きい。このことにより、汚染基準を満たすことができる。しかし、スパークプラグ３６を囲む隣接領域６０では、希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ１に対する一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ１の比Ｒ_１は変わらないので、望ましい高い再点火上限を保つことができる。

図３に示されているように、図４と比較すると、隣接領域６０の外側に位置する希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ２に対する隣接領域の外側に位置する一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ２の比Ｒ_２は、空気流量ρ_Ｐ２を増加させて空気流量ρ_Ｄ２を減少させることにより大きくなる。これらの流量変更は、少なくともいくつかの一次孔１００の断面および少なくともいくつかの希釈孔２００の断面を変更することで行われる。

したがって、本発明者によって実施された試験は、隣接領域６０の外側にある一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ２が燃焼室流量の２％増加して、隣接領域６０の外側にある希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ２が減少すると、隣接領域６０にある一次孔１００および希釈孔２００を通過する空気の流量を変更せずに、煙レベルが２ＳＮ低減されることを示している。

またこれらの流量変更は、隣接領域６０の外側にある一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ２を増加させるのみか、隣接領域６０の外側にある希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ２を減少させるのみかいずれかによって行われてよい。

図３では、図４と比較すると、隣接領域６０の外側にある一次孔１００のそれぞれの断面は、隣接領域６０内にある一次孔１００のそれぞれの断面に比べて大きくなる。同時に、隣接領域６０の外側にある希釈孔２００では、４個の希釈孔２００のうちの１個の希釈孔２０１の断面は、最初は他の３個の希釈孔２００の１つの断面より大きいが、他の３個の希釈孔２００の１つの断面の大きさまで小さくなり、隣接領域６０にある４個の希釈孔２００の断面は変化しない、つまり、これらの希釈孔２００のうちの３個はそれぞれ、隣接領域６０の外側にある他の３個の希釈孔２００の１つの断面に等しい断面を有し、残りの希釈孔２００はそれより大きい断面を有する。

一般に、本発明によれば、隣接領域６０にある一次孔１００の断面の平均は、隣接領域６０の外側にある一次孔１００の断面の平均より小さくなる。例えば、隣接領域６０にある各一次孔１００の断面は、隣接領域６０の外側にある各一次孔１００の断面より小さい。例えば、隣接領域６０にある一次孔１００のそれぞれの断面は、隣接領域６０の外側にある一次孔１００のそれぞれの断面の２分の１にほぼ等しい。

さらに、一般的に、本発明によれば、隣接領域６０にある希釈孔２００の断面の平均は、隣接領域６０の外側にある希釈孔２００の断面の平均より大きい。例えば、隣接領域６０にある特定の希釈孔２００は第１の断面を有し、隣接領域６０にある他の希釈孔２００は第１の断面より小さい第２の断面を有するが、隣接領域６０の外側にある希釈孔２００の全ては前記第２の断面に等しい断面を有する。例えば、隣接領域６０にある希釈孔２００のいくつかは第１の断面を有し、隣接領域６０にある他の希釈孔２００は第１の断面の２分の１に等しい第２の断面を有するが、隣接領域６０の外側にある希釈孔２００の全ては前記第２の断面に等しい断面を有する。

図３の孔は円形であるので、その断面を変更するということはその直径を変更するということになる。

あるいは、隣接領域６０の外側で、希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ２に対する一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ２の比Ｒ_２を維持して、隣接領域６０内では、希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ１に対する一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ１の比Ｒ_１を小さくすることができる。この比Ｒ_１の低下は、これらの孔の断面を変更することで行われる。

本発明によれば、２つの実施形態を組み合わせることもできる、つまり、まず、隣接領域６０の外側にある一次孔１００が隣接領域６０内にある一次孔１００よりもさらに上流側に位置するようにして、次に、隣接領域６０にある希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ１に対する隣接領域６０にある一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ１の比Ｒ_１が隣接領域６０の外側にある希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ２に対する隣接領域６０の外側にある一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ２の比Ｒ_２ より小さくなるようにすることができる。

したがって、本発明者によって実施された試験は、隣接領域６０の外側の一次空気の容積が２．７７リットルから２．２リットルになると、また、隣接領域６０の外側にある一次孔１００を通過する空気の流量ρ_Ｐ２が燃焼室流量の２％増加して、隣接領域６０の外側にある希釈孔２００を通過する空気の流量ρ_Ｄ２が減少すると、隣接領域６０にある一次孔１００および希釈孔２００を通過する空気の流量を変更せずに、４ＳＮの煙レベルの減少が得られ、隣接領域６０の外側では、ＮＯ_ｘガスのＩＣＡＯ基準に対して４％増が得られることを示している。

燃焼室１０の内側側壁１４は、一次孔１１０と希釈孔２１０とを含むことができる。

有利には、これらの一次孔１１０は、一次孔１１０を通過する空気の流量が外側側壁１２の一次孔１００を通過する空気の流量にほぼ等しくなるように形成される。

したがって、燃焼室内の燃焼はより対称的になり、そのことでガスタービンの寿命を長くすることができる。

本発明の全ての実施形態では、一次孔１００および希釈孔２００は、汚染基準が満たされ、望まれる高い再点火上限が達成および／または保たれるように配置される。

Claims (9)

1. 長手方向軸Ａを中心とした環状であり、外側側壁（１２）、内側側壁（１４）、および前記外側側壁の一端を前記内側側壁の一端に接続する環状燃焼室端壁（１３）によって画定され、前記外側側壁（１２）が、その周囲に沿って配置された、スパークプラグ（３６）、一次孔（１００）、および前記長手方向軸Ａの方向に前記一次孔（１００）から下流側に位置する希釈孔（２００）を含んでいる、航空機タービンエンジン用の燃焼室（１０）であって、
   前記スパークプラグ（３６）の１つに隣接する隣接領域（６０）のそれぞれに位置する一次孔（１００）が、前記隣接領域の外側に位置する一次孔（１００）よりもさらに下流側に位置しており、前記隣接領域に位置する一次孔（１００）が、スパークプラグ（３６）と同じレベルに位置し、前記隣接領域の外側に位置する一次孔（１００）が、スパークプラグ（３６）の上流側に位置することを特徴とする、前記燃焼室（１０）。
2. 前記隣接領域（６０）にある前記一次孔（１００）を含む第１の面（Ｐ１）と前記隣接領域（６０）の外側にある前記一次孔（１００）を含む第２の面（Ｐ２）との距離が、前記一次孔（１００）の１つの最大径より長いことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室。
3. 前記内側側壁（１４）が、燃焼室端壁（１３）からの距離が前記スパークプラグ（３６）の１つに隣接する隣接領域（６０）のそれぞれに位置する前記外側側壁（１２）の一次孔（１００）とほぼ同じである一次孔（１１０）を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の燃焼室。
4. 前記スパークプラグ（３６）の１つに隣接する前記隣接領域（６０）にある希釈孔（２００）を通過する空気の流量に対する一次孔（１００）を通過する空気の流量の比Ｒ_１が、前記隣接領域の外側の希釈孔（２００）を通過する空気の流量に対する一次孔（１００）を通過する空気の流量の比Ｒ_２より小さいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼室（１０）。
5. 前記隣接領域（６０）内にある一次孔（１００）の断面の平均が、前記隣接領域の外側にある一次孔（１００）の断面の平均より小さいことを特徴とする、請求項４に記載の燃焼室。
6. 前記隣接領域（６０）内にある一次孔（１００）のそれぞれの断面が、前記隣接領域の外側にある一次孔（１００）のそれぞれの断面の２分の１にほぼ等しいことを特徴とする、請求項５に記載の燃焼室。
7. 前記隣接領域（６０）内にある希釈孔（２００）の断面の平均が、前記隣接領域（６０）の外側にある希釈孔（２００）の断面の平均より大きいことを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載の燃焼室。
8. 前記隣接領域（６０）内にある希釈孔（２００）のいくつかが第１の断面を有し、前記隣接領域（６０）内にある他の希釈孔（２００）が前記第１の断面の２分の１に等しい第２の断面を有するが、隣接領域（６０）の外側にある希釈孔（２００）の全てが前記第２の断面に等しい断面を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃焼室。
9. 前記内側側壁（１４）が、前記一次孔（１１０）を通過する空気の流量が前記外側側壁（１２）の一次孔（１００）を通過する空気の流量にほぼ等しくなるような一次孔（１１０）を含むことを特徴とする、請求項４から８のいずれか一項に記載の燃焼室。

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