JP7434858B2 - Flame holding device and engine - Google Patents

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本発明は、保炎装置及びエンジンに関する。 The present invention relates to a flame holding device and an engine.

下記特許文献1には、ターボファンエンジンのアフターバーナが開示されている。このアフターバーナは、保炎器(保炎板)を設けることにより、アフターバーナにおける火炎の吹き消えを抑制している。この保炎器(保炎板)は、燃料噴射ノズルの下流側に設けられた「くの字」状の耐熱合金製部材であり、前段のタービンから供給される高速の排気ガス中に局所的な低速領域を形成し、この低速領域において火炎を保持(保炎)するものである。なお、ターボファンエンジンでは、アフターバーナだけではなく、主燃焼器にも保炎器(保炎板)が設けられており、前段のコンプレッサから供給される圧縮空気による火炎の吹き消えを抑制している。 Patent Document 1 listed below discloses an afterburner for a turbofan engine. This afterburner is provided with a flame stabilizer (flame holding plate) to suppress the flame from blowing out in the afterburner. This flame stabilizer (flame stabilizer plate) is a dogleg-shaped heat-resistant alloy member installed on the downstream side of the fuel injection nozzle. It forms a low speed region and holds the flame (flame holding) in this low speed region. In addition, in turbofan engines, a flame stabilizer (flame holding plate) is installed not only in the afterburner but also in the main combustor, which prevents the flame from blowing out due to the compressed air supplied from the compressor in the previous stage. There is.

国際公開第2015/178477号International Publication No. 2015/178477

ところで、上記背景技術における保炎器(保炎板)は、燃焼ガスの流れに対して抵抗として作用するものであり、保炎性能の副産物として燃焼ガスの流速を低減させ得るものである。すなわち、従来の保炎器(保炎板)は、保炎機能の代償としてアフターバーナや主燃焼器の本来的機能を阻害するものである。 By the way, the flame stabilizer (flame stabilizer plate) in the above-mentioned background art acts as a resistance to the flow of combustion gas, and can reduce the flow velocity of combustion gas as a byproduct of flame stabilization performance. That is, the conventional flame stabilizer (flame stabilizer plate) obstructs the original functions of the afterburner and the main combustor in exchange for the flame stabilizing function.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、燃焼ガスの流速低減作用を従来よりも緩和することが可能な保炎装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and it is an object of the present invention to provide a flame stabilizing device that can reduce the effect of reducing the flow velocity of combustion gas more than ever before.

上記目的を達成するために、本発明では、保炎装置に係る第1の解決手段として、燃焼場に形成された火炎にレーザ光を照射するレーザ照射器を備え、当該レーザ照射器は、前記レーザ光を前記火炎に集光させる集光光学系を備える、という手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention is provided with a laser irradiator that irradiates a flame formed in a combustion field with a laser beam as a first solution related to a flame stabilizing device, and the laser irradiator is configured to A method is adopted in which a condensing optical system is provided to condense the laser beam onto the flame.

本発明では、保炎装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記火炎が前記燃焼場の複数ヶ所に形成される場合、前記レーザ照射器は、複数ヶ所の前記火炎に前記レーザ光をそれぞれ照射する、という手段を採用する。 In the present invention, as a second solution related to a flame stabilizing device, in the first solution, when the flame is formed at a plurality of locations in the combustion field, the laser irradiator A method is adopted in which the laser beam is irradiated to each of the areas.

本発明では、保炎装置に係る第3の解決手段として、上記第2の解決手段において、前記集光光学系は、複数ヶ所の前記火炎毎に設けられる、という手段を採用する。 In the present invention, as a third solving means related to a flame stabilizing device, a means is adopted in which the condensing optical system is provided for each of the plurality of flames in the second solving means.

本発明では、保炎装置に係る第4の解決手段として、上記第1~第3のいずれかの解決手段において、前記レーザ光は、所定の時間間隔で繰り返すレーザパルスである、という手段を採用する。 In the present invention, as a fourth solution related to the flame stabilizing device, a method is adopted in any of the first to third solutions, wherein the laser light is a laser pulse that repeats at a predetermined time interval. do.

本発明では、保炎装置に係る第5の解決手段として、上記第1~第4のいずれかの解決手段において、前記レーザ照射器は、物体の表面にレーザ光を集光させる、という手段を採用する。 In the present invention, as a fifth solution related to a flame stabilizing device, in any one of the first to fourth solutions, the laser irradiator focuses the laser beam on the surface of the object. adopt.

本発明では、保炎装置に係る第6の解決手段として、上記第1~第5のいずれかの解決手段において、前記燃焼場はターボファンエンジンの燃焼器である、という手段を採用する。 In the present invention, as a sixth solving means related to a flame stabilizing device, a means is adopted in which the combustion field is a combustor of a turbofan engine in any one of the first to fifth solving means.

本発明では、保炎装置に係る第7の解決手段として、上記第1~第5のいずれかの解決手段において、前記燃焼場はターボファンエンジンの再熱器である、という手段を採用する。 In the present invention, as a seventh solving means related to a flame stabilizing device, a means is adopted in which the combustion field is a reheater of a turbofan engine in any one of the first to fifth solving means.

本発明では、エンジンに係る解決手段として、第1~第7のいずれかの解決手段に係る保炎装置を備える、という手段を採用する。 In the present invention, as a solving means related to the engine, a means of providing a flame holding device according to any one of the first to seventh solving means is adopted.

本発明によれば、燃焼ガスの流速低減作用を従来よりも緩和することが可能なレーザ保炎装置を提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a laser flame stabilizing device that can reduce the flow velocity reduction effect of combustion gas more than ever before.

本発明の一実施形態に係るターボファンエンジンの構成を示す断面図である。1 is a sectional view showing the configuration of a turbofan engine according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る保炎装置の構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a flame stabilizing device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態の第1変形例に係る保炎装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the flame stabilizing device based on the 1st modification of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の第2変形例に係る保炎装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the flame stabilization device based on the 2nd modification of one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
最初に図1及び図2を参照して、本実施形態に係るターボファンエンジンA及び保炎装置B、Cの構成について説明する。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, with reference to FIGS. 1 and 2, the configurations of the turbofan engine A and flame stabilizing devices B and C according to this embodiment will be described.

このターボファンエンジンAは、軸Lを中心とする略回転対称形状を有しており、ケーシング1、ファン2、低圧圧縮機3、高圧圧縮機4、燃焼器5、高圧タービン6、低圧タービン7、シャフト8、再熱器9(アフターバーナ)、排気ノズル10及びライナ11を備えている。 This turbofan engine A has a substantially rotationally symmetrical shape around an axis L, and includes a casing 1, a fan 2, a low pressure compressor 3, a high pressure compressor 4, a combustor 5, a high pressure turbine 6, and a low pressure turbine 7. , a shaft 8, a reheater 9 (afterburner), an exhaust nozzle 10, and a liner 11.

ケーシング1は、ファン2、低圧圧縮機3、高圧圧縮機4、燃焼器5、高圧タービン6、低圧タービン7、シャフト8及び再熱器9を収容する円筒部材である。このケーシング1は、前側の開口が内部に空気を取り込むためのインテーク1aであり、後側に排気ノズル10が設けられている。 The casing 1 is a cylindrical member that houses a fan 2, a low pressure compressor 3, a high pressure compressor 4, a combustor 5, a high pressure turbine 6, a low pressure turbine 7, a shaft 8, and a reheater 9. This casing 1 has an opening on the front side serving as an intake la for taking air into the interior, and an exhaust nozzle 10 on the rear side.

このようなケーシング1は、内部にケーシング1の半径方向内側に設けられる流路であるコア流路1bと、半径方向外側に設けられる流路であるバイパス流路1cとが形成されている。コア流路1b及びバイパス流路1cは、図1に示すように、ファン2の下流側においてケーシング1の内部が半径方向に区画されることにより設けられている。 Such a casing 1 has a core flow path 1b, which is a flow path provided inside the casing 1 in the radial direction, and a bypass flow path 1c, which is a flow path provided outside the casing 1, in the radial direction. The core flow path 1b and the bypass flow path 1c are provided by dividing the inside of the casing 1 in the radial direction on the downstream side of the fan 2, as shown in FIG.

コア流路1bは、燃焼器5に空気を案内すると共に燃焼器5から排出される燃焼ガスを高圧タービン6及び低圧タービン7を介して再熱器9に向けて案内する流路である。バイパス流路1cは、ファン2から圧送される空気を、低圧圧縮機3、高圧圧縮機4、燃焼器5、高圧タービン6及び低圧タービン7をバイパスして再熱器9に向けて案内する流路である。 The core flow path 1b is a flow path that guides air to the combustor 5 and guides combustion gas discharged from the combustor 5 toward the reheater 9 via the high-pressure turbine 6 and the low-pressure turbine 7. The bypass flow path 1c is a flow path that guides air compressed from the fan 2 toward the reheater 9, bypassing the low pressure compressor 3, high pressure compressor 4, combustor 5, high pressure turbine 6, and low pressure turbine 7. It is a road.

ファン2は、ケーシング1の内部における最も上流側に配置されている。このファン2は、シャフト8の後述する低圧軸8aに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング1に固定される静翼からなる静翼例が複数段に交互に配列されてなる。このようなファン2は、シャフト8の回転に伴って動翼が回転され、インテーク1aから取り込まれた空気を下流側に圧送する。 The fan 2 is disposed at the most upstream side inside the casing 1. The fan 2 has a row of rotor blades fixed to a low-pressure shaft 8a, which will be described later, of a shaft 8, and a stator blade row fixed to a casing 1, which are alternately arranged in multiple stages. In such a fan 2, the rotor blades are rotated as the shaft 8 rotates, and the air taken in from the intake 1a is forcedly conveyed to the downstream side.

低圧圧縮機3は、コア流路1bにおいて最も上流側に配置されている。この低圧圧縮機3は、シャフト8の低圧軸8aに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング1に固定される静翼からなる静翼列が複数段に交互に配列されてなる。このような低圧圧縮機3は、シャフト8の回転に伴って動翼が回転され、コア流路1bに取り込まれた空気を静翼で整流しつつ動翼で圧縮する。 The low pressure compressor 3 is arranged at the most upstream side in the core flow path 1b. The low-pressure compressor 3 includes a row of rotor blades fixed to a low-pressure shaft 8a of a shaft 8 and a row of stator blades fixed to a casing 1, which are alternately arranged in multiple stages. In such a low-pressure compressor 3, the rotor blades are rotated as the shaft 8 rotates, and the rotor blades compress the air taken into the core flow path 1b while rectifying it with the stator blades.

高圧圧縮機4は、コア流路1bにおいて低圧圧縮機3の下流に配置されている。この高圧圧縮機4は、シャフト8の後述する高圧軸8bに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング1に固定される静翼からなる静翼列が複数段に交互に配列されてなる。このような高圧圧縮機4は、シャフト8の回転に伴って動翼が回転され、低圧圧縮機3で圧縮された空気を静翼で整流しつつ動翼でさらに圧縮する。 The high pressure compressor 4 is arranged downstream of the low pressure compressor 3 in the core flow path 1b. This high-pressure compressor 4 has a row of rotor blades fixed to a high-pressure shaft 8b, which will be described later, of a shaft 8, and a row of stator blades fixed to a casing 1, which are arranged alternately in multiple stages. Become. In such a high-pressure compressor 4, the rotor blades are rotated as the shaft 8 rotates, and the air compressed by the low-pressure compressor 3 is rectified by the stator blades and further compressed by the rotor blades.

燃焼器5は、コア流路1bにおいて高圧圧縮機4の下流に配置されている。この燃焼器5は、不図示の燃料ノズル及び着火装置を備えており、高圧圧縮機4で生成された圧縮空気と燃料とからなる混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成する。 The combustor 5 is arranged downstream of the high-pressure compressor 4 in the core flow path 1b. The combustor 5 includes a fuel nozzle and an ignition device (not shown), and generates combustion gas by burning a mixture of compressed air and fuel generated by the high-pressure compressor 4.

このような燃焼器5は、図2(a)に示すように、燃焼器ライナ5a、複数の燃料噴射ノズル5b及び複数のレーザ照射器5cを備えている。燃焼器ライナ5aは、複数の耐熱金属プレートで構成された略円環状(ドーナツ状)の容器であり、内部空間が略円環状(ドーナツ状)の燃焼場である。この燃焼器ライナ5a内には、高圧圧縮機4で生成された圧縮空気が酸化剤として流入する。なお、本実施形態で用いる「燃焼場」という用語は、燃焼現象が発生している空間という意味である。 As shown in FIG. 2(a), such a combustor 5 includes a combustor liner 5a, a plurality of fuel injection nozzles 5b, and a plurality of laser irradiators 5c. The combustor liner 5a is a substantially annular (doughnut-shaped) container composed of a plurality of heat-resistant metal plates, and has an internal space that is a substantially annular (doughnut-shaped) combustion field. Compressed air generated by the high-pressure compressor 4 flows into the combustor liner 5a as an oxidizer. Note that the term "combustion field" used in this embodiment means a space where a combustion phenomenon occurs.

複数の燃料噴射ノズル5bは、このような燃焼器ライナ5aの上流側に設けられており、燃焼器ライナ5a内の下流側に向けて燃料を噴射する。これら燃料噴射ノズル5bは、略円環状(ドーナツ状)の燃焼器5について、周方向に所定の角度ピッチで設けられている。なお、本実施形態では、45度の角度ピッチで8つの燃料噴射ノズル5bが設けられている。 The plurality of fuel injection nozzles 5b are provided upstream of such a combustor liner 5a, and inject fuel toward the downstream side within the combustor liner 5a. These fuel injection nozzles 5b are provided at predetermined angular pitches in the circumferential direction of the approximately annular (doughnut-shaped) combustor 5. In this embodiment, eight fuel injection nozzles 5b are provided at an angular pitch of 45 degrees.

ここで、各燃料噴射ノズル5bから燃焼器ライナ5a内に噴射された燃料は、上記酸化剤(圧縮空気)の存在下で燃料することにより、各々に火炎を形成する。すなわち、本実施形態では、略円環状(ドーナツ状)の燃焼器ライナ5aの内部に45度の角度ピッチで、つまり燃焼場の8ヶ所(複数ヶ所)に火炎が各々形成される。 Here, the fuel injected into the combustor liner 5a from each fuel injection nozzle 5b forms a flame in the presence of the oxidizing agent (compressed air). That is, in this embodiment, flames are formed inside the approximately annular (doughnut-shaped) combustor liner 5a at an angular pitch of 45 degrees, that is, at eight locations (multiple locations) in the combustion field.

複数のレーザ照射器5cは、集光光学系を備え、所定の時間間隔で繰り返すパルス状のレーザ光(レーザパルス)を燃料あるいは火炎に向けて集光かつ照射するものである。レーザ照射器5cは、各々にレーザ発振器と集光光学系とを備え、レーザ発振器が発生させたレーザパルスを凸レンズ等からなる集光光学系で集光させて燃料あるいは火炎に照射する。このような複数のレーザ照射器5cは、各燃料噴射ノズル5bから噴射された燃料への着火、また各火炎に対する保炎(火炎の維持)を行う。 The plurality of laser irradiators 5c are equipped with a condensing optical system and condense and irradiate pulsed laser light (laser pulses) that repeats at predetermined time intervals toward the fuel or flame. Each of the laser irradiators 5c includes a laser oscillator and a condensing optical system, and the laser pulses generated by the laser oscillators are condensed by the condensing optical system including a convex lens and irradiated onto fuel or flame. Such a plurality of laser irradiators 5c ignite the fuel injected from each fuel injection nozzle 5b, and also perform flame stabilization (maintenance of the flame) for each flame.

これらレーザ照射器5cは、燃料噴射ノズル5bに対応して複数設けられている。すなわち、本実施形態では、略円環状(ドーナツ状)の燃焼器5について、45度の角度ピッチで8つのレーザ照射器5cが設けられている。このようなレーザ照射器5cの集合体は、本実施形態における保炎装置Bを構成している。 A plurality of these laser irradiators 5c are provided corresponding to the fuel injection nozzles 5b. That is, in this embodiment, eight laser irradiators 5c are provided at an angular pitch of 45 degrees for the approximately annular (doughnut-shaped) combustor 5. An assembly of such laser irradiators 5c constitutes a flame holding device B in this embodiment.

高圧タービン6は、コア流路1bにおいて燃焼器5の下流に配置されている。この高圧タービン6は、シャフト8の高圧軸8bに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング1に固定される静翼からなる静翼列とが複数段に交互に配列されてなる。このような高圧タービン6は、燃焼器5で生成された燃焼ガスを静翼で整流しつつ動翼で受けることによって動翼が回転し、これによってシャフト8の高圧軸8bを回転させる。 The high-pressure turbine 6 is arranged downstream of the combustor 5 in the core flow path 1b. The high-pressure turbine 6 includes a plurality of rows of rotor blades fixed to the high-pressure shaft 8b of the shaft 8 and rows of stator blades fixed to the casing 1, which are alternately arranged in multiple stages. In such a high-pressure turbine 6, the combustion gas generated in the combustor 5 is rectified by the stationary blades and received by the rotor blades, so that the rotor blades rotate, thereby rotating the high-pressure shaft 8b of the shaft 8.

低圧タービン7は、コア流路1bにおいて高圧タービン6の下流に配置されている。この低圧タービン7は、シャフト8の低圧軸8aに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング1に固定される静翼からなる静翼列とが複数段に交互に配列されてなる。このような低圧タービン7は、高圧タービン6を通過した燃焼ガスを静翼で整流しつつ動翼で受けることによって動翼が回転し、これによってシャフト8の低圧軸8aを回転させる。 The low pressure turbine 7 is arranged downstream of the high pressure turbine 6 in the core flow path 1b. The low-pressure turbine 7 includes a row of rotor blades fixed to the low-pressure shaft 8a of the shaft 8 and a row of stator blades fixed to the casing 1, which are alternately arranged in multiple stages. In such a low-pressure turbine 7, the combustion gas that has passed through the high-pressure turbine 6 is rectified by the stator blades and received by the rotor blades, so that the rotor blades rotate, thereby rotating the low-pressure shaft 8a of the shaft 8.

シャフト8は、半径方向内側の低圧軸8aと、半径方向外側の高圧軸8bとを備え、これらの低圧軸8aと高圧軸8bとが個別に同軸回転可能な二重軸構造を有している。低圧軸8aには、低圧タービン7の動翼、低圧圧縮機3の動翼及びファン2の動翼が固定されている。このような低圧軸8aは、低圧タービン7の動翼が燃焼ガスを受けて回転されることによって生成される回転動力を低圧圧縮機3の動翼と及びファン2の動翼に伝達し、これらの低圧圧縮機3の動翼と及びファン2の動翼を回転させる。 The shaft 8 includes a radially inner low-pressure shaft 8a and a radially outer high-pressure shaft 8b, and has a double-shaft structure in which the low-pressure shaft 8a and the high-pressure shaft 8b can independently rotate coaxially. . The rotor blades of the low pressure turbine 7, the rotor blades of the low pressure compressor 3, and the rotor blades of the fan 2 are fixed to the low pressure shaft 8a. Such a low-pressure shaft 8a transmits rotational power generated when the rotor blades of the low-pressure turbine 7 receive combustion gas and rotate to the rotor blades of the low-pressure compressor 3 and the rotor blades of the fan 2, and The rotor blades of the low pressure compressor 3 and the rotor blades of the fan 2 are rotated.

高圧軸8bには、高圧タービン6の動翼と、高圧圧縮機4の動翼とが固定されている。このような高圧軸8bは、高圧タービン6の動翼が燃焼ガスを受けて回転されることによって生成される回転動力を高圧圧縮機4の動翼に伝達し、この高圧圧縮機4の動翼を回転させる。 The rotor blades of the high-pressure turbine 6 and the rotor blades of the high-pressure compressor 4 are fixed to the high-pressure shaft 8b. Such a high-pressure shaft 8b transmits rotational power generated when the rotor blades of the high-pressure turbine 6 receive combustion gas and rotate to the rotor blades of the high-pressure compressor 4, and the rotor blades of the high-pressure compressor 4 Rotate.

再熱器9は、低圧タービン7の下流に配置されている。この再熱器9は、低圧タービン7を通過した燃焼ガス、及び、バイパス流路1cを通過した空気の混合気に含まれる酸素を用いて燃料を再燃焼させることにより推力を増強させるものであり、複数の燃料噴射ノズル9a及び複数のレーザ照射器9b等を備えている。 Reheater 9 is arranged downstream of low pressure turbine 7. The reheater 9 increases thrust by re-burning the fuel using oxygen contained in the mixture of the combustion gas that has passed through the low-pressure turbine 7 and the air that has passed through the bypass passage 1c. , a plurality of fuel injection nozzles 9a, a plurality of laser irradiators 9b, and the like.

複数の燃料噴射ノズル9aは、ケーシング1の下流側に向けて燃料を噴射する。すなわち、複数の燃料噴射ノズル9aは、低圧タービン7の排気に対して新たな燃料を供給する。これら燃料噴射ノズル9aは、略円環状のケーシング1について、周方向に所定の角度ピッチで設けられている。 The plurality of fuel injection nozzles 9a inject fuel toward the downstream side of the casing 1. That is, the plurality of fuel injection nozzles 9a supply new fuel to the exhaust gas of the low pressure turbine 7. These fuel injection nozzles 9a are provided at predetermined angular pitches in the circumferential direction of the substantially annular casing 1.

なお、本実施形態では、45度の角度ピッチで8つの燃料噴射ノズル9aが設けられている。このような燃料噴射ノズル9aの下流側近傍領域は、燃料が燃焼する燃焼場である。すなわち、本実施形態では、再熱器9の燃焼場における8ヶ所(複数ヶ所)に火炎が各々形成される。 In this embodiment, eight fuel injection nozzles 9a are provided at an angular pitch of 45 degrees. The region near the downstream side of the fuel injection nozzle 9a is a combustion field where fuel is combusted. That is, in this embodiment, flames are formed at eight locations (multiple locations) in the combustion field of the reheater 9.

複数のレーザ照射器9bは、集光光学系を備え、所定の時間間隔で繰り返すパルス状のレーザ光(レーザパルス)を燃料あるいは火炎に向けて集光かつ照射するものである。レーザ照射器9bは、各々にレーザ発振器と集光光学系とを備え、レーザ発振器が発生させたレーザパルスを凸レンズ等からなる集光光学系で集光させて燃料あるいは火炎に照射する。このような複数のレーザ照射器9bは、各燃料噴射ノズル9aから噴射された燃料への着火、また各火炎に対する保炎(火炎の維持)を行う。 The plurality of laser irradiators 9b are equipped with a condensing optical system and condense and irradiate pulsed laser light (laser pulses) that repeats at predetermined time intervals toward the fuel or flame. The laser irradiators 9b are each equipped with a laser oscillator and a condensing optical system, and the laser pulses generated by the laser oscillators are condensed by the condensing optical system including a convex lens, and irradiated onto fuel or flame. The plurality of laser irradiators 9b ignite the fuel injected from each fuel injection nozzle 9a, and also perform flame stabilization (maintenance of the flame) for each flame.

これらレーザ照射器9bは、燃料噴射ノズル9aに対応して複数設けられている。すなわち、本実施形態では、図2(b)に示すように、略円環状のケーシング1に対して45度の角度ピッチで8つのレーザ照射器9bが設けられている。このようなレーザ照射器9bの集合体は、本実施形態における保炎装置Cを構成している。 A plurality of these laser irradiators 9b are provided corresponding to the fuel injection nozzles 9a. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 2(b), eight laser irradiators 9b are provided at an angular pitch of 45 degrees with respect to the substantially annular casing 1. An assembly of such laser irradiators 9b constitutes a flame holding device C in this embodiment.

排気ノズル10は、ケーシング1の下流側の端部に設けられており、コア流路1bから排気される燃焼ガスと、バイパス流路1cから排気される空気流とを後方に噴射する。ライナ11は、再熱器9内に設けられた円筒状の隔壁であり、バイパス流路1cから燃料が混合されずかつ圧縮されていない低温の空気が流れる流路を形成する。 The exhaust nozzle 10 is provided at the downstream end of the casing 1, and injects the combustion gas exhausted from the core passage 1b and the airflow exhausted from the bypass passage 1c rearward. The liner 11 is a cylindrical partition wall provided in the reheater 9, and forms a flow path through which low-temperature air with no fuel mixed and uncompressed flows from the bypass flow path 1c.

次に、本実施形態に係るターボファンエンジンA及び保炎装置B、Cの動作について詳しく説明する。 Next, the operations of the turbofan engine A and the flame stabilizing devices B and C according to this embodiment will be described in detail.

このターボファンエンジンAでは、ファン2の駆動によってケーシング1のインテーク1aを通じて外部から空気が取り込まれ、取り込まれた空気がコア流路1bと、バイパス流路1cとに分配される。コア流路1bを流れる空気は、低圧圧縮機3及び高圧圧縮機4によって圧縮されてから燃焼器5に供給される。 In this turbofan engine A, air is taken in from the outside through the intake 1a of the casing 1 by driving the fan 2, and the taken air is distributed between the core flow path 1b and the bypass flow path 1c. Air flowing through the core flow path 1b is compressed by a low pressure compressor 3 and a high pressure compressor 4, and then supplied to a combustor 5.

そして、燃焼器5では、燃料が高圧圧縮機4で生成された圧縮空気を酸化剤として燃焼することによって火炎が形成され、同時に燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスは、コア流路1b、高圧タービン6、低圧タービン7、再熱器9の順で流れ、最終的に排気ノズル10から噴出される。 Then, in the combustor 5, a flame is formed by burning fuel using the compressed air generated by the high-pressure compressor 4 as an oxidizing agent, and at the same time, combustion gas is generated. This combustion gas flows through the core flow path 1b, the high pressure turbine 6, the low pressure turbine 7, and the reheater 9 in this order, and is finally ejected from the exhaust nozzle 10.

また、バイパス流路1cを流れる空気は、低圧圧縮機3、高圧圧縮機4、燃焼器5、高圧タービン6及び低圧タービン7をバイパスして流れ、再熱器9を経由した後に排気ノズル10から燃焼ガスと共に噴射される。このように排気ノズル10から燃焼ガス及びバイパス流路1cを流れる空気が排気ノズル10から噴出されることによって推力が得られる。 Furthermore, the air flowing through the bypass flow path 1c bypasses the low pressure compressor 3, high pressure compressor 4, combustor 5, high pressure turbine 6, and low pressure turbine 7, and passes through the reheater 9 before exiting from the exhaust nozzle 10. Injected with combustion gas. In this way, thrust is obtained by ejecting the combustion gas from the exhaust nozzle 10 and the air flowing through the bypass flow path 1c from the exhaust nozzle 10.

ここで、コア流路1bを流れる燃焼ガスが高圧タービン6を通過するときに、高圧タービン6の動翼が回転駆動されて回転動力が生成される。この回転動力がシャフト8の高圧軸8bを通じて高圧圧縮機4に伝達され、これによって高圧圧縮機4の動翼が回転する。また、コア流路1bを流れる燃焼ガスが低圧タービン7を通過するときに、低圧タービン7の動翼が回転駆動されて回転動力が生成される。 Here, when the combustion gas flowing through the core flow path 1b passes through the high-pressure turbine 6, the rotor blades of the high-pressure turbine 6 are rotationally driven to generate rotational power. This rotational power is transmitted to the high-pressure compressor 4 through the high-pressure shaft 8b of the shaft 8, thereby rotating the rotor blades of the high-pressure compressor 4. Furthermore, when the combustion gas flowing through the core flow path 1b passes through the low-pressure turbine 7, the rotor blades of the low-pressure turbine 7 are rotationally driven to generate rotational power.

また、大きな推力が必要な場合には、再熱器9で高圧タービン6及び低圧タービン7を通過した燃焼ガスに対して燃料を供給して再燃焼させることにより、新たな燃焼ガスがケーシング1内で生成される。この新たな燃焼ガスが排気ノズル10から噴出されることによって推力の増強が図られる。 In addition, when a large thrust is required, the reheater 9 supplies fuel to the combustion gas that has passed through the high-pressure turbine 6 and the low-pressure turbine 7 and re-burns it, so that new combustion gas is pumped into the casing 1. is generated. This new combustion gas is ejected from the exhaust nozzle 10, thereby increasing the thrust.

本実施形態に係るターボファンエンジンAの全体的な動作は以上の通りであるが、本実施形態に係る保炎装置B、Cは、このようなターボファンエンジンAの全体的な動作に対して以下のように動作する。 Although the overall operation of the turbofan engine A according to the present embodiment is as described above, the flame stabilizing devices B and C according to the present embodiment are capable of controlling the overall operation of the turbofan engine A. It works as follows.

すなわち、燃焼器5に備えられた保炎装置Bは、ターボファンエンジンAの始動時においては燃料噴射ノズル5bから噴射される燃料に対して所定の時間間隔(パルス周期T1)のレーザパルスを照射することによって着火させる。すなわち、保炎装置Bは、各レーザ照射器5cから各燃料噴射ノズル5bから噴射された燃料にレーザパルスを各々集光させて照射することにより、燃料及び圧縮空気の一部を局所的に加熱して高温プラズマを発生させる。 That is, when the turbofan engine A is started, the flame stabilizing device B provided in the combustor 5 irradiates the fuel injected from the fuel injection nozzle 5b with laser pulses at a predetermined time interval (pulse period T1). ignite it by doing so. That is, the flame stabilizing device B locally heats a portion of the fuel and compressed air by concentrating and irradiating the fuel injected from each fuel injection nozzle 5b from each laser irradiator 5c with a laser pulse. to generate high-temperature plasma.

そして、この高温プラズマによって燃料と圧縮空気とが燃焼状態となり火炎が生成される。このような高温プラズマは、燃料噴射ノズル5b毎つまりレーザ照射器5c毎に生成されるので、燃焼器5内では合計8ヶ所で燃料への着火つまり火炎の生成が行われる。 This high-temperature plasma brings the fuel and compressed air into a combustible state and generates a flame. Since such high-temperature plasma is generated for each fuel injection nozzle 5b, that is, for each laser irradiator 5c, fuel is ignited, that is, flame is generated, at eight locations in total within the combustor 5.

また、このような着火後の定常運転状態において、保炎装置Bは、各レーザ照射器5cから各燃料噴射ノズル5bの燃料にレーザパルスを各々集光させて照射することにより、火炎の保持(保炎)を行う。すなわち、保炎装置Bは、各レーザ照射器5cからレーザパルスをパルス周期T1で照射することにより、当該パルス周期T1で高温プラズマを生成させて火炎の保持(保炎)を行う。 In addition, in such a steady state of operation after ignition, the flame stabilizing device B maintains the flame ( flame holding). That is, the flame holding device B performs flame holding (flame holding) by emitting laser pulses from each laser irradiator 5c at a pulse period T1 to generate high-temperature plasma at the pulse period T1.

ここで、上記パルス周期T1は、ターボファンエンジンAの動作状態、燃料の性状及び/あるいは圧縮空気(酸化剤)の圧縮度等の燃焼条件を考慮することにより最適設定される。すなわち、上記パルス周期T1としては、燃焼条件をパラメータとした予備実験等により、保炎性能を最大化する時間間隔が設定される。 Here, the pulse period T1 is optimally set by considering combustion conditions such as the operating state of the turbofan engine A, the properties of the fuel, and/or the degree of compression of the compressed air (oxidizing agent). That is, the pulse period T1 is set to a time interval that maximizes flame holding performance through preliminary experiments using combustion conditions as parameters.

一方、再熱器9に備えられた保炎装置Cは、再熱器9の始動時においては燃料噴射ノズル9aから噴射される燃料に対して所定の時間間隔(パルス周期T2)のレーザパルスを照射することによって着火させる。すなわち、保炎装置Cは、各レーザ照射器9bから各燃料噴射ノズル9bから噴射された燃料にレーザパルスを各々集光させて照射することにより、燃料及び圧縮空気の一部を局所的に加熱して高温プラズマを発生させる。 On the other hand, the flame stabilizing device C provided in the reheater 9 applies laser pulses at predetermined time intervals (pulse period T2) to the fuel injected from the fuel injection nozzle 9a when the reheater 9 is started. Ignite it by irradiating it. That is, the flame stabilizing device C locally heats a portion of the fuel and compressed air by concentrating and irradiating the fuel injected from each fuel injection nozzle 9b with a laser pulse from each laser irradiator 9b. to generate high-temperature plasma.

そして、この高温プラズマによって燃料と圧縮空気とが燃焼状態となり火炎が生成される。このような高温プラズマは、燃料噴射ノズル9a毎つまりレーザ照射器9b毎に生成されるので、再熱器9では合計8ヶ所で燃料への着火つまり火炎の生成が行われる。 This high-temperature plasma brings the fuel and compressed air into a combustible state and generates a flame. Since such high-temperature plasma is generated for each fuel injection nozzle 9a, that is, for each laser irradiator 9b, fuel is ignited, that is, flame is generated, at eight locations in total in the reheater 9.

また、このような着火後の定常運転状態において、保炎装置Cは、各レーザ照射器9bから各燃料噴射ノズル9aの燃料にレーザパルスを各々集光させて照射することにより、火炎の保持(保炎)を行う。すなわち、保炎装置Cは、各レーザ照射器9bからレーザパルスをパルス周期T2で照射することにより、当該パルス周期T2で高温プラズマを生成させて火炎の保持(保炎)を行う。 In addition, in such a steady state of operation after ignition, the flame stabilizing device C maintains the flame ( flame holding). That is, the flame holding device C irradiates laser pulses from each laser irradiator 9b with a pulse period T2, thereby generating high temperature plasma at the pulse period T2 and holding the flame (flame holding).

ここで、上記パルス周期T2は、上述した保炎装置Bにおけるパルス周期T1と同様に、ターボファンエンジンAの動作状態、燃料の性状及び/あるいは圧縮空気(酸化剤)の圧縮度等の燃焼条件を考慮することにより最適設定される。すなわち、パルス周期T2については、再熱器9における燃焼条件をパラメータとした予備実験等により、再熱器9における保炎性能を最大化するように設定される。 Here, the pulse period T2 is similar to the pulse period T1 in the flame stabilizing device B described above, and is determined by combustion conditions such as the operating state of the turbofan engine A, the properties of the fuel, and/or the compression degree of the compressed air (oxidizing agent). The optimum setting is made by considering the following. That is, the pulse period T2 is set so as to maximize the flame holding performance in the reheater 9 through preliminary experiments using the combustion conditions in the reheater 9 as parameters.

本実施形態によれば、保炎装置B、Cがレーザ光を用いて保炎を行うものなので、つまり保炎装置B、CがターボファンエンジンAで生成される燃焼ガスに対して減速作用を及ぼすものではないので、燃焼ガスの流速低減作用を従来よりも緩和することが可能である。 According to this embodiment, the flame stabilizing devices B and C perform flame stabilization using laser light, so that the flame stabilizing devices B and C exert a deceleration effect on the combustion gas generated by the turbofan engine A. Therefore, it is possible to reduce the effect of reducing the flow velocity of combustion gas more than before.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記実施形態では、燃料と圧縮空気とが存在する気中にレーザパルスを集光させたが、本発明はこれに限定されない。例えば所定のターゲット(物体)にレーザパルスを集光させてもよい。すなわち、本実施形態の第1変形例に係るターボファンエンジンA1は、図3に示すように、上述した燃焼器5に代えて燃焼器5Aを備え、また上述した再熱器9に代えて再熱器9Aを備える。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and for example, the following modifications can be considered.
(1) In the above embodiment, the laser pulse is focused in the atmosphere where fuel and compressed air are present, but the present invention is not limited to this. For example, a laser pulse may be focused on a predetermined target (object). That is, as shown in FIG. 3, the turbofan engine A1 according to the first modification of the present embodiment includes a combustor 5A in place of the combustor 5 described above, and a reheater in place of the reheater 9 described above. A heating device 9A is provided.

燃焼器5Aは、上述したレーザ照射器5cに代えてレーザ照射器5dを備えるものである。このレーザ照射器5dは、燃料噴射ノズル5bの先端部を上記ターゲットとしてレーザパルスを集光させて照射する。このようなレーザ照射器5dを備える保炎装置B1は、ターゲット(物体)の表面に高温プラズマが発生するので、上述した保炎装置Bよりも保炎性能の向上が見込まれる。 The combustor 5A includes a laser irradiator 5d instead of the laser irradiator 5c described above. This laser irradiator 5d focuses and irradiates laser pulses on the tip of the fuel injection nozzle 5b as the target. The flame stabilizing device B1 including such a laser irradiator 5d generates high-temperature plasma on the surface of the target (object), so it is expected to have better flame stabilizing performance than the flame stabilizing device B described above.

再熱器9Aは、新たな構成要素として突起物9cを備え、また上述したレーザ照射器9bに代えてレーザ照射器9dを備える。突起物9cは、燃料噴射ノズル9aの下流側に位置し、ケーシング1の内面から中心に向けて所定高さまで突出する部位である。このような突起物9cは、燃料噴射ノズル9a毎に設けられており、燃料噴射ノズル9aから噴射された燃料に曝されている The reheater 9A includes a protrusion 9c as a new component, and a laser irradiator 9d instead of the laser irradiator 9b described above. The protrusion 9c is located on the downstream side of the fuel injection nozzle 9a, and is a part that protrudes from the inner surface of the casing 1 toward the center to a predetermined height. Such a protrusion 9c is provided for each fuel injection nozzle 9a, and is exposed to the fuel injected from the fuel injection nozzle 9a.

レーザ照射器9dは、このような突起物9cをターゲットとしてレーザパルスを集光させて照射する。このようなレーザ照射器9dを備える保炎装置C1は、ターゲット(物体)である突起物9cの表面に高温プラズマが発生するので、上述した保炎装置Bよりも保炎性能の向上が見込まれる。 The laser irradiator 9d focuses and irradiates laser pulses on such a protrusion 9c as a target. The flame stabilizing device C1 equipped with such a laser irradiator 9d generates high-temperature plasma on the surface of the protrusion 9c which is a target (object), so it is expected to have improved flame stabilizing performance compared to the flame stabilizing device B described above. .

(2)上記実施形態では、燃焼器5における各燃料噴射ノズル5b及び再熱器9における各燃料噴射ノズル9aについて、燃料と圧縮空気とが存在する気中の1ヶ所(1点)にのみレーザパルスを集光させたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、レーザパルスを複数ヶ所に集光させてもよい。例えば、本実施形態の第2変形例に係るターボファンエンジンA2は、図4に示すように、上述した燃焼器5に代えて燃焼器5Bを備え、また上述した再熱器9に代えて再熱器9Bを備える。 (2) In the above embodiment, for each fuel injection nozzle 5b in the combustor 5 and each fuel injection nozzle 9a in the reheater 9, the laser is applied only to one place (one point) in the air where fuel and compressed air exist. Although the pulses are focused, the present invention is not limited thereto. That is, the laser pulse may be focused at multiple locations. For example, as shown in FIG. 4, a turbofan engine A2 according to a second modification of the present embodiment includes a combustor 5B instead of the combustor 5 described above, and a reheater 5B instead of the reheater 9 described above. A heating device 9B is provided.

燃焼器5Bは、上述したレーザ照射器5cに代えて2つのレーザ照射器5e、5fを備えるものである。一方のレーザ照射器5eは、燃料と圧縮空気とが存在する気中において燃料噴射ノズル5bにより近い位置にレーザパルスを集光させて照射する。他方のレーザ照射器5fは、燃料と圧縮空気とが存在する気中において燃料噴射ノズル5bにより遠い位置にレーザパルスを集光させて照射する。 The combustor 5B includes two laser irradiators 5e and 5f instead of the laser irradiator 5c described above. One laser irradiator 5e focuses and irradiates a position closer to the fuel injection nozzle 5b with laser pulses in the atmosphere where fuel and compressed air are present. The other laser irradiator 5f focuses and irradiates laser pulses onto a distant position using the fuel injection nozzle 5b in the atmosphere where fuel and compressed air are present.

このような2つのレーザ照射器5e、5fを備える保炎装置B2は、各々の燃料噴射ノズル5bから噴射される燃料について2箇所にレーザパルスを集光させて照射するので、2箇所に高温プラズマが発生させることが可能である。したがって、この保炎装置B2によれば、上述した保炎装置Bよりも保炎性能の向上が見込まれる。 The flame stabilizing device B2 including such two laser irradiators 5e and 5f condenses and irradiates the fuel injected from each fuel injection nozzle 5b at two locations with laser pulses, so that high-temperature plasma is applied to the two locations. can be generated. Therefore, according to this flame stabilizing device B2, it is expected that the flame stabilizing performance will be improved more than the flame stabilizing device B mentioned above.

再熱器9Bは、上述したレーザ照射器9bに代えて2つのレーザ照射器9e、9fを備えるものである。一方のレーザ照射器9eは、燃料と圧縮空気とが存在する気中において燃料噴射ノズル9aにより近い位置にレーザパルスを集光させて照射する。他方のレーザ照射器9fは、燃料と圧縮空気とが存在する気中において燃料噴射ノズル9aにより遠い位置にレーザパルスを集光させて照射する。 The reheater 9B includes two laser irradiators 9e and 9f instead of the laser irradiator 9b described above. One laser irradiator 9e focuses laser pulses and irradiates a position closer to the fuel injection nozzle 9a in the atmosphere where fuel and compressed air are present. The other laser irradiator 9f focuses and irradiates laser pulses to a distant position using the fuel injection nozzle 9a in the atmosphere where fuel and compressed air are present.

このような2つのレーザ照射器9e、9fを備える保炎装置C2によれば、各々の燃料噴射ノズル9aから噴射される燃料について2箇所にレーザパルスを集光させて照射するので、2箇所に高温プラズマが発生させることが可能である。したがって、この保炎装置C2によれば、上述した保炎装置Cよりも保炎性能の向上が見込まれる。 According to the flame stabilizing device C2 including such two laser irradiators 9e and 9f, since the laser pulse is focused and irradiated at two locations for the fuel injected from each fuel injection nozzle 9a, the laser pulses are focused and irradiated at two locations. It is possible to generate high temperature plasma. Therefore, according to this flame stabilizing device C2, it is expected that the flame stabilizing performance will be improved more than the flame stabilizing device C mentioned above.

(3)上記実施形態では、ターボファンエンジンAに本発明に係る保炎装置を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本願発明に係る保炎装置は、様々な形態のエンジンに適用可能である。例えば、ラムジェットエンジンやスクラムジェットエンジンに適用することが考えられる。 (3) In the above embodiment, a case has been described in which the flame stabilizing device according to the present invention is applied to the turbofan engine A, but the present invention is not limited thereto. That is, the flame stabilizing device according to the present invention is applicable to various types of engines. For example, it can be applied to ramjet engines and scramjet engines.

(4)上記実施形態では、レーザ光としてレーザパルスを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。特に着火の場合には、レーザパルスに代えて連続レーザ光を採用してもよい。 (4) In the above embodiment, a case has been described in which a laser pulse is used as the laser light, but the present invention is not limited to this. Particularly in the case of ignition, continuous laser light may be used instead of laser pulses.

A、A1、A2 ターボファンエンジン
B、B1、B2、C、C1、C2 保炎装置
1 ケーシング
1a インテーク
1b コア流路
1c バイパス流路
2 ファン
3 低圧圧縮機
4 高圧圧縮機
5 燃焼器
5a 燃焼器ライナ
5b 燃料噴射ノズル
5c~5f レーザ照射器
6 高圧タービン
7 低圧タービン
8 シャフト
8a 低圧軸
8b 高圧軸
9 再熱器
9a 燃料噴射ノズル
9b、9d~9f レーザ照射器
9c 突起物
10 排気ノズル
11 ライナ

A, A1, A2 Turbofan engine B, B1, B2, C, C1, C2 Flame holding device 1 Casing 1a Intake 1b Core passage 1c Bypass passage 2 Fan 3 Low pressure compressor 4 High pressure compressor 5 Combustor 5a Combustor Liner 5b Fuel injection nozzle 5c to 5f Laser irradiator 6 High pressure turbine 7 Low pressure turbine 8 Shaft 8a Low pressure shaft 8b High pressure shaft 9 Reheater 9a Fuel injection nozzle 9b, 9d to 9f Laser irradiator 9c Projection 10 Exhaust nozzle 11 Liner

Claims (5)

ターボファンエンジンの再熱器の燃焼場に形成された火炎にレーザ光を照射するレーザ照射器を備え、
当該レーザ照射器は、前記レーザ光を所定の角度ピッチで前記再熱器に複数形成された複数ヶ所の前記火炎に集光させる複数の集光光学系を備え、
前記集光光学系は、燃料噴射ノズルにより近い位置とより遠い位置とにレーザパルスを集光させ、
前記より遠い位置における前記レーザ光の集光位置は、前記燃料噴射ノズルが前記燃焼場に噴射する燃料の噴射中心に対して、前記より近い位置における前記レーザ光の集光位置よりも遠いことを特徴とする保炎装置。
Equipped with a laser irradiator that irradiates the flame formed in the combustion field of the reheater of the turbofan engine with laser light,
The laser irradiator includes a plurality of condensing optical systems that converge the laser beam at a plurality of flames formed in the reheater at a predetermined angular pitch ,
The focusing optical system focuses the laser pulse at a position closer to the fuel injection nozzle and a position farther from the fuel injection nozzle,
The focusing position of the laser beam at the farther position is further from the injection center of the fuel injected by the fuel injection nozzle into the combustion field than the focusing position of the laser beam at the closer position. Characteristic flame holding device.
前記集光光学系は、複数ヶ所の前記火炎毎に設けられることを特徴とする請求項1に記載の保炎装置。 The flame stabilizing device according to claim 1 , wherein the condensing optical system is provided for each of the plurality of flames . 前記レーザ光は、所定の時間間隔で繰り返すレーザパルスであることを特徴とする請求項1または2に記載の保炎装置。 3. The flame stabilizing device according to claim 1 , wherein the laser beam is a laser pulse that repeats at predetermined time intervals . 前記レーザ照射器は、物体の表面にレーザ光を集光させることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の保炎装置。 The flame stabilizing device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the laser irradiator focuses laser light on the surface of an object . 請求項1~4のいずれか一項に記載の保炎装置を備えることを特徴とするエンジン。An engine comprising the flame stabilizing device according to any one of claims 1 to 4.
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