JP6245057B2 - アフタバーナ及び航空機エンジン - Google Patents

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Description

本発明は、航空機エンジンのコア流路から排出された燃焼ガスと航空機エンジンのファン流路から排出された空気との混合ガスに燃料を供給して、燃焼(再燃焼)させることにより、航空機エンジンの推力を増大させるアフタバーナ等に関する。
近年、航空機エンジンの高推力化の要請に伴い、アフタバーナについて種々の研究開発がなされており、一般的なアフタバーナの構成について簡単に説明すると、次のようになる。
即ち、航空機エンジンにおけるエンジンケースの出口側(後側)には、リアダクト(排気ダクト)が設けられており、このリアダクトの内側には、混合ガスを流通させるための筒状のライナが設けられている。また、リアダクトには、ライナ内において液状の燃料を噴射する燃料噴射器が設けられており、リアダクトにおける燃料噴射器の下流側には、ライナ内において燃料を含む混合ガスに点火する点火器(点火プラグ)が設けられている。そして、ライナ内における燃料噴射器の下流側には、火炎を保持する保炎器(フレームホルダ)が設けられている。更に、保炎器は、ライナの内側に放射状に配設されかつ火炎を半径方向へ伝播可能な複数のラジアル保炎部材と、ライナの内周面に離隔した位置に複数のラジアル保炎部材と同心上に配設されかつ火炎を円周方向へ伝播可能な環状のアニュラス保炎部材とを備えている。
なお、本発明に関する先行技術として特許文献1及び特許文献2に示すものがある。
特開2008−8606号公報 特開平9−4511号公報
ところで、燃料噴射器からライナ内において噴射される燃料の拡散状態(拡散特性)は、航空機エンジンの運転状態(運転条件)に応じて変化する。そのため、航空機エンジンの運転状態によっては、点火器によって燃料を含む混合ガスに着火する際又は直前に、点火器の着火箇所に適切な濃度及び蒸発状態の燃料を供給できない場合がある。このような場合には、点火器によって燃料を含む混合ガスに着火することが困難になり、アフタバーナの着火安定性の低下を招くことになる。
また、保炎器の火炎の伝播性を高めて、アフタバーナの保炎性(燃焼安定性)を十分に確保するには、前述のように、保炎器が火炎を半径方向へ伝播可能な複数のラジアル保炎部材だけでなく、火炎を円周方向へ伝播可能な環状のアニュラス保炎部材を備える必要がある。一方、環状のアニュラス保炎部材をライナの内周面に離隔した位置に配設すると、アニュラス保炎部材とライナ内の混合ガスの主流の流れとの干渉によって、ライナ内における圧力損失(推力損失)が増大して、航空機エンジンのエンジン効率の低下を招くことになる。
つまり、航空機エンジンのエンジン効率の低下を抑えつつ、アフタバーナの着火安定性及び保炎性を十分に確保することが困難であるという問題がある。
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成からなるアフタバーナ等を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様は、航空機エンジンのコア流路(主流路)から排出された燃焼ガスと前記航空機エンジンのファン流路(バイパス流路)から排出された空気との混合ガスに燃料を供給して、燃焼(再燃焼)させアフタバーナであって、前記航空機エンジンにおけるエンジンケースの出口側に設けられたリアダクト(排気ダクト)と、前記リアダクトの内側に設けられ、混合ガスを流通させ筒状のライナと、前記ライナ内において液状の燃料を噴射する燃料噴射器と、前記燃料噴射器の下流側(前記燃料噴射器の噴射箇所の下流側)に配設され、前記ライナ内において燃料を含む混合ガスに着火(点火)する点火器(点火プラグ)と、前記燃料噴射器の直下流側に配設され、前記ライナの内周面(内壁面)に設けられかつ火炎を円周方向へ伝播可能な環状のアニュラス保炎部材、及び前記アニュラス保炎部材の内側に放射状に配設されかつ火炎を半径方向へ伝播可能な複数のラジアル保炎部材を備え、火炎を保持する保炎器と、前記アニュラス保炎部材の内側に設けられ、外周面(外壁面)と前記アニュラス保炎部材の内周面との間に燃料を含む混合ガス(混合気)を下流方向へ案内する環状のガイド流路が形成されたガイドリング(環状のガイド部材)と、を具備したことである。
ここで、本願の特許請求の範囲及び明細書において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意であり、「配設され」とは、直接的に配設されたことの他に、別部材を介して間接的に配設されたことを含む意である。また、「下流」とは、燃焼ガス、空気、又は混合ガスの主流の流れ方向から見て下流のことをいい、航空機エンジンの後側に向かう方向を意味する。「上流」とは、燃焼ガス、空気、又は混合ガスの主流の流れ方向から見て上流のことをいい、航空機エンジンの前側に向かう方向を意味する。そして、「内径が下流方向に向かって縮径し」とは、全体として内径が下流方向に向かって縮径していることの意であって、一部分の内径が縮径してない場合を含む意である。同様に、「外径が下流方向に向かって縮径し」とは、全体として外径が下流方向に向かって縮径していることの意であって、一部分の外径が縮径してない場合を含む意である。更に、「半径方向」とは、航空機エンジンの半径方向(換言すれば、リアダクトの半径方向、又はライナの半径方向)のことをいう。なお、「軸方向」とは、航空機エンジンの軸方向(換言すれば、リアダクトの軸方向、又はライナの軸方向)のことをいう。
第1の態様によると、前記航空機エンジンの稼働中に、前記燃料噴射器から前記ライナ内において燃料を噴射すると、燃料を含む空気が前記ガイド流路の入口から前記ガイド流路内に導入され、前記ガイド流路内を流通して、前記ガイド流路の出口から前記点火器の着火箇所(前記アニュラス保炎部材の直下流側)に流出する。そして、前記点火器によって燃料を含む混合ガスに着火することにより、前記保炎器の下流側(直下流側)に火炎を形成しつつ、前記ライナ内において燃料を含む混合ガスを燃焼(再燃焼)させる。これにより、前記ライナ内において燃焼ガスに多くの熱エネルギーを注入して、前記航空機エンジンの推力を増大させることができる。
ここで、燃料を含む空気が前記ガイド流路の入口から前記ガイド流路内に導入され、前記ガイド流路の出口から前記点火器の着火箇所に流出するため、前記ライナ内における燃料の拡散を抑えて、前記点火器の着火箇所に適切な濃度及び蒸発状態の燃料を供給することができる。換言すれば、前記航空機エンジンの運転状態(運転条件)に拘わらず、前記点火器によって燃料を含む混合ガスに着火する際又は直前に、前記点火器の着火箇所に適切な濃度及び蒸発状態の燃料を供給することができる。
前記保炎器が火炎を半径方向へ伝播可能な複数の前記ラジアル保炎部材だけでなく、火炎を円周方向へ伝播可能な前記アニュラス保炎部材を備えているため、前記保炎器の火炎の伝播性を高めることができる。また、前記アニュラス保炎部材が前記ライナの内周面に設けられているため、前記アニュラス保炎部材と前記ライナ内の混合ガスの主流の流れとの干渉を抑えて、前記ライナ内における圧力損失(推力損失)を低減することができる。
本発明の第2の態様は、燃焼ガス(燃焼ガス及び空気)を後方向へ排出することにより、推力を発生させる航空機エンジンにおいて、第1の態様からなるアフタバーナを具備したことである。
第2の態様によると、第1の態様による作用と同様の作用を奏する。
本発明によれば、前記航空機エンジンの運転状態に拘わらず、前記点火器によって燃料を含む混合ガスに着火する前に、前記点火器の着火箇所に適切な濃度、蒸発状態等の燃料を供給できるため、前記点火器によって安定的に着火することができ、前記アフタバーナの着火安定性を十分に確保することができる。また、前記保炎器の火炎の伝播性を高めつつ、前記アニュラス保炎部材と前記ライナ内の混合ガスの主流の流れとの干渉を抑えて、前記ライナ内における圧力損失を低減できるため、前記航空機エンジンのエンジン効率の低下を抑えつつ、前記アフタバーナの保炎性(燃焼安定性)を十分に確保することができる。よって、本発明によれば、前記航空機エンジンのエンジン効率の低下を抑えつつ、前記アフタバーナの着火安定性及び保炎性を十分に確保することができる。
図1は、図4における矢印で示した部分Iの拡大図であって、本発明の実施形態に係るアフタバーナの側断面図である。 図2は、本発明の実施形態に係るアフタバーナの特徴部分の斜視図である。 図3は、図4におけるIII-III線に沿った拡大図である。 図4は、本発明の実施形態に係る航空機エンジンの側断面図である。
本発明の実施形態について図1から図4を参照して説明する。なお、図面中、「F」は、前方向(上流方向)、「R」は、後方向(下流方向)、「SD」は、軸方向、「RD」は、半径方向、「CD」は、円周方向をそれぞれ指している。
図4に示すように、本発明の実施形態に係る航空機エンジン1は、燃焼ガス(高温ガス)G及び空気(低温空気)Aを後方向へ排出することにより、推力(エンジン推力)を発生させる装置である。また、航空機エンジン1は、筒状のコアケース(エンジン内筒)3を具備しており、このコアケース3の内側には、環状のコア流路(主流路)5が形成されている。更に、コアケース3の外側には、筒状のエンジンケース(エンジン外筒)7がコアケース3と同心上に配設されており、エンジンケース7の内周面とコアケース3の外周面との間には、環状のファン流路(バイパス流路)9が形成されている。
エンジンケース7内の前部には、コア流路5及びファン流路9に空気Aを取り入れるファン11が配設されており、ファン11の前側の中央部には、空気Aを後方向へ案内するインレットコーン13が配設されている。また、ファン11の後側には、コア流路5に取り入れた空気Aを圧縮する圧縮機15が配設されており、圧縮機15の後側には、燃焼器17が配設されており、この燃焼器17は、燃料を含む空気Aを燃焼させて燃焼ガスGを生成するものである。
燃焼器17の後側には、高圧タービン19が配設されており、この高圧タービン19は、燃焼器17からの燃焼ガスGの膨張によって駆動すると共に圧縮機15を連動して駆動させるものである。また、高圧タービン19の後側には、低圧タービン21が配設されており、この低圧タービン21は、燃焼ガスGの膨張によって駆動すると共にファン11を連動して駆動させるものである。更に、コアケース3内における後部には、燃焼ガスGを後方向へ案内するテールコーン23がコアケース3と同心上に配設されており、テールコーン23は、コアケース3から後方向へ突出している。
エンジンケース7の後部には、アフタバーナ25が配設されており、このアフタバーナ25は、コア流路5から排出された燃焼ガスGとファン流路9から排出された空気(低温空気)Aとの混合ガスに燃料を供給して、燃焼(再燃焼)させることにより、航空機エンジン1の推力(エンジン推力)を増大させるものである。また、アフタバーナ25の後側には、燃焼ガスG及び空気A(燃焼ガスGと空気Aとの混合ガス)を排出する排気ノズル27が配設されている。
続いて、本発明の実施形態に係るアフタバーナ25の具体的な構成について説明する。
図1から図3に示すように、エンジンケース7の下流側(後側)には、リアダクト(排気ダクト)29がエンジンケース7と同心上に配設されている。また、リアダクト29の内側には、燃焼ガスGと空気Aとの混合ガスを後方向へ流通させるための筒状のライナ31が複数(図1において1つのみ図示)の支柱33を介してリアダクト29と同心上に配設されており、このライナ31の軸方向(航空機エンジン1の軸方向)に沿った断面は、波型形状を呈するようにしても構わない。そして、ライナ31の外周面(外壁面)とリアダクト29の内周面(内壁面)との間には、ファン流路9から排出された空気Aの一部を冷却空気CAとして流通させ環状の冷却流路35が形成されている。更に、ライナ31の全域には、冷却空気CAをライナ31の内周面に沿うように吹き出すための複数の冷却孔37が満遍なく貫通形成されている。なお、コアケース3の後部に、コア流路5から排出された燃焼ガスGとファン流路9から排出された空気Aとを混合する公知のミキサ(図示省略、例えば特開2013−181473号公報、特開2012−132630号公報等参照)が配設されるようにしても構わない。
リアダクト29には、ライナ31内において液状の燃料を噴射する中空棒状の複数の燃料噴射器39が円周方向(所定の円周方向)に間隔を置いて配設されており、複数の燃料噴射器39は、液状の燃料を供給するための燃料供給源(図示省略)に接続されている。また、各燃料噴射器39の先端部は、ライナ31を貫通しており、各燃料噴射器39の先端部には、液状の燃料を噴射可能な噴射孔41が形成されている。そして、リアダクト29における燃料噴射器39の噴射孔41(噴射位置)の下流側には、ライナ31内において燃料を含む混合ガスに着火(点火)する複数(図1において1つのみ図示)の点火器(点火プラグ)43が円周方向に間隔を置いて配設されており、各点火器43の先端部は、ライナ31を貫通している。なお、リアダクト29に中空棒状の複数の燃料噴射器39が配設される代わりに、ライナ31の内壁面にライナ31内において液状の燃料を噴射する中空環状の燃料噴射器(図示省略)が配設されるようにしても構わない。
ライナ31内における燃料噴射器39の噴射孔41の直下流側には、火炎を保持する保炎器(フレームホルダ)45が配設されている。また、保炎器45は、ライナ31の内周面(内壁面)に複数(図1において1つのみ図示)の支柱47を介して設けられかつ火炎を円周方向へ伝播可能な環状のアニュラス保炎部材49と、アニュラス保炎部材49の内側に放射状に配設されかつ火炎を半径方向へ伝播可能な複数のラジアル保炎部材51とを備えている。ここで、アニュラス保炎部材49は、円周方向に沿って分割した円弧状の複数の保炎セグメント53からなり、下流側(直下流側)に保炎領域(低速領域)FAを生成可能であって、アニュラス保炎部材49の内径は、下流方向に向かって縮径してある。また、各ラジアル保炎部材51の基端部(半径方向外側の端部)は、リアダクト29に固定されており、各ラジアル保炎部材51は、下流側(直下流側)に保炎領域FAを生成可能であって、各ラジアル保炎部材51の半径方向に直交する方向に沿った断面は、下流側を開放したV字形状を呈している。なお、アニュラス保炎部材49が円周方向に沿って分割した円弧状の複数の保炎セグメント(図示省略)により構成されるようにしても構わない。
アニュラス保炎部材49の内側には、ガイドリング(環状のガイド部材)53が複数(図1において1つのみ図示)の支柱55を介して同心上に設けられている。また、ガイドリング53の外径は、下流方向に向かって縮径しており、ガイドリング53の上流端(上流側の端縁)は、燃料噴射器39の噴射孔41の上流側に位置している。そして、ガイドリング53の外周面(外壁面)とアニュラス保炎部材49の内周面との間には、燃料を含む混合ガス(混合気)を下流方向へ案内する環状のガイド流路57が形成されている。ここで、ガイド流路57の入口57iは、燃料噴射器39の噴射孔41側に位置しており、ガイド流路57の出口57oは、点火器43の着火箇所側(アニュラス保炎部材49の直下流側)に位置している。なお、ガイドリング53が円周方向に沿って分割した円弧状の複数のガイドセグメント(図示省略)により構成されるようにしても構わない。
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
適宜のスタータ装置(図示省略)の作動によってファン11及び圧縮機15を駆動させると、ファン11によってコア流路5及びファン流路9に空気Aを取り込むことができ、圧縮機15によってコア流路5に取り込んだ空気Aを圧縮することができる。次に、燃焼器17によって燃料を含む空気Aを燃焼させて、高圧の燃焼ガスを生成すると、燃焼ガスの膨張によって高圧タービン19及び低圧タービン21を駆動させて、圧縮機15及びファン11を連動して駆動させることができる。更に、一連の動作(ファン11の駆動、圧縮機15の駆動、燃焼器17による燃焼、高圧タービン19の駆動、及び低圧タービン21の駆動)が連続して行われることにより、航空機エンジン1を稼動させることができる。これにより、航空機エンジン1の稼動中に、コア流路5を経由した燃焼ガスG及びファン流路9を経由した空気Aが排気ノズル27から後方向へ排出され、航空機エンジン1の推力(エンジン推力)を発生させることができる。なお、排気ノズル27から排出される空気Aは、排気ノズル27から排出される燃焼ガスGを覆っている(航空機エンジン1の通常の作用)。
航空機エンジン1の稼働中に、複数の燃料噴射器39からライナ31内において燃料を噴射すると、燃料を含む空気Aがガイド流路57の入口57iからガイド流路57内に導入され、ガイド流路57内を流通して、ガイド流路57の出口57oから複数の点火器43の着火箇所(アニュラス保炎部材49の直下流側)に流出する。そして、複数の点火器43によって燃料を含む混合ガスに着火することにより、保炎器45の下流側(直下流側)に火炎を形成しつつ、ライナ31内において燃料を含む混合ガスを燃焼(再燃焼)させる。これにより、ライナ31内において燃焼ガスに多くの熱エネルギーを注入して、航空機エンジン1の推力を増大させることができる。
一方、航空機エンジン1の稼働中に、ファン流路9から排出された空気Aの一部が冷却空気CAとして冷却流路35を流通することにより、ライナ31に対して対流冷却を行うことができる。また、ライナ31の対流冷却に寄与した冷却空気CAが複数の冷却孔37から吹き出されることにより、ライナ31の内周面を覆うフィルム冷却層(図示省略)を形成して、ライナ31に対してフィルム冷却を行うことができる。なお、ライナ31のフィルム冷却に寄与した冷却空気CAは、混合ガスの一部になる(アフタバーナ25の通常の作用)。
ここで、燃料を含む空気Aがガイド流路57の入口57iからガイド流路57内に導入され、ガイド流路57の出口57oから複数の点火器43の着火箇所に流出するため、ライナ31内における燃料の拡散を抑えて、複数の点火器43の着火箇所に適切な濃度及び蒸発状態の燃料を供給することができる。特に、ガイドリング53の上流端が燃料噴射器39の噴射孔41の上流側に位置しているため、燃料を含む空気Aのガイド流路57内への導入が促進され、ライナ31内における燃料の拡散をより抑えることができる。換言すれば、航空機エンジン1の運転状態(運転条件)に拘わらず、複数の点火器43によって燃料を含む混合ガスに着火する際又は直前に、複数の点火器43の着火箇所に適切な濃度及び蒸発状態の燃料を供給することができる。
保炎器45が火炎を半径方向へ伝播可能な複数のラジアル保炎部材51だけでなく、火炎を円周方向へ伝播可能なアニュラス保炎部材49を備えているため、保炎器45の火炎の伝播性を高めることができる。また、アニュラス保炎部材49がライナ31の内周面に設けられているため、アニュラス保炎部材49とライナ31内の混合ガスの主流の流れとの干渉を抑えて、ライナ31内における圧力損失(推力損失)を低減することができる(アフタバーナ25の特有の作用)。
従って、本発明の実施形態によれば、航空機エンジン1の運転状態に拘わらず、複数の点火器43によって燃料を含む混合ガスに着火する際又は直前に、複数の点火器43の着火箇所に適切な濃度及び蒸発状態の燃料を供給できるため、複数の点火器43によって安定的に着火することができ、アフタバーナ25の着火安定性を十分に確保することができる。また、保炎器45の火炎の伝播性を高めつつ、アニュラス保炎部材49とライナ31内の混合ガスの主流の流れとの干渉を抑えて、ライナ31内における圧力損失を低減できるため、航空機エンジン1のエンジン効率の低下を抑えつつ、アフタバーナ25の保炎性(燃焼安定性)を十分に確保することができる。よって、本発明の実施形態によれば、航空機エンジン1のエンジン効率の低下を抑えつつ、アフタバーナ25の着火安定性及び保炎性を十分に確保することができる。
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
1:航空機エンジン、5:コア流路、7:エンジンケース、9:ファン流路、25:アフタバーナ、29:リアダクト、31:ライナ、39:燃料噴射器、43:点火器(点火プラグ)、45:保炎器、49:アニュラス保炎部材、51:ラジアル保炎部材、53:ガイドリング、57:ガイド流路、A:空気、FA:保炎領域、G:燃焼ガス

Claims (3)

  1. 航空機エンジンのコア流路から排出された燃焼ガスと前記航空機エンジンのファン流路から排出された空気との混合ガスに燃料を供給して、燃焼させアフタバーナであって、
    前記航空機エンジンにおけるエンジンケースの出口側に設けられたリアダクトと、
    前記リアダクトの内側に設けられ、混合ガスを流通させ筒状のライナと、
    前記ライナ内において液状の燃料を噴射する燃料噴射器と、
    前記燃料噴射器の下流側に配設され、前記ライナ内において燃料を含む混合ガスに着火する点火器と、
    前記燃料噴射器の直下流側に配設され、前記ライナの内周面に設けられかつ火炎を円周方向へ伝播可能な環状のアニュラス保炎部材、及び前記アニュラス保炎部材の内側に放射状に配設されかつ火炎を半径方向へ伝播可能な複数のラジアル保炎部材を備え、火炎を保持する保炎器と、
    前記アニュラス保炎部材の内側に設けられ、外周面と前記アニュラス保炎部材の内周面との間に燃料を含む混合ガスを下流方向へ案内する環状のガイド流路が形成されたガイドリングと、を具備したアフタバーナ。
  2. 前記ガイドリングの上流端が前記燃料噴射器の上流側に位置している請求項1に記載のアフタバーナ。
  3. 燃焼ガスを後方向へ排出することにより、推力を発生させる航空機エンジンにおいて、
    請求項1又は請求項2に記載のアフタバーナを具備した航空機エンジン。
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