JPH06265146A - ガスタービンエンジン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ガスタービンからのＮＯｘを低減させるため
に燃焼温度を制限可能にする。 【構成】 燃焼室内で燃料を燃焼させる前に燃料を蒸発
させ、蒸発燃料を空気と混合させると共に、燃焼器の高
温壁を囲んで冷却空気通路を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明はガスタービンエンジンに
関し、特にガスタービンエンジン用燃焼器に関する。 【０００２】 【従来の技術】以下 NOxと称する亜酸化窒素は空気によ
る燃料の燃焼の間に形成される。最近の調査並びに実験
では全ての NOx生成物は「即発 NOx」即ち燃焼過程の開
始後極めて短い時間、即ち数ミリ秒発生する非均衡燃焼
過程の間に形成される NOxであると結論づけている。前
述の非均衡状態は均衡温度まで急速に減衰する厳しい温
度スパイクを創成し、かつ概ね全ての NOxがこれらの高
ピーク温度の間に形成されることが最近になって初めて
主張されている。この考えは NOxの形成が燃焼室内での
滞留時間とは無関係であるが燃焼が発生するときの温度
に指数的に関連しているとの結論を導いている。そのよ
うな結論は、 NOx生成を滞留時間に関連づける従来の考
え方と矛盾している。 【０００３】図１は NOx生成と焔温度との間の経験的な
関係を示す。この図において、温度は均衡焔温度であ
り、 NOxの量はその初期の高い値から均衡値まで温度が
低下するにつれて形成された全ての NOxの総和である。
NOxの量は図１では対数値として示してある。従って、
図１の曲線は概ね真直であるが、実際には焔温度に対す
る指数関係を反映している。 【０００４】酸素源として空気を用いている燃焼系は殆
んど窒素を常に含有しており、かつ非均衡状態から均衡
状態への弛緩時間は専ら燃焼過程に含まれている分子に
依存しているので、図１の曲線は空気吹込み燃焼系に対
しては有効である。さらに、均衡温度状態における NOx
生成速度は極めて低いので、数秒以下の時間ガスが均衡
温度にある通常の燃焼系において形成された NOxの量に
目立って影響しないことが判明した。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】このように、本発明の
目的は概ね全ての NOx生成が燃焼が発生するときの温度
にのみ関係し、燃焼室内での滞留時間に関係しないとい
う「即発 NOx」であるとの結論を利用した構造上の特徴
を有する予め混合し、対流冷却した低 NOx排出燃焼器を
提供することである。 【０００６】本発明のさらに別の目的は燃焼室で燃焼さ
れる前に燃料を蒸発させ空気と混合する改良された能力
を有するガスタービンエンジン用の燃焼器を提供するこ
とである。 【０００７】本発明のさらに別の目的は、概ね障害がな
くすため通路を通る空気の流れを冷却する効果を高める
燃焼器の高温壁を囲んでいる対流冷却空気流通路を有す
るガスタービンエンジン用の室構造を提供することであ
る。そのような構造はまた、燃焼器の機械設計を簡素化
し、製作コストを低減させ、検査手順を簡素化し、壁の
温度勾配や低いため耐久性を驚異的に向上させる。 【０００８】本発明のさらに別の目的は現在の設計のも
のより燃料噴射ノズルの所要数の少ない燃焼器を構成す
ることである。 【０００９】また本発明の目的は一次および二次燃焼ゾ
ーンに分離され、一次燃焼ゾーンでの燃料と空気の燃焼
が低い焔温度で発生することにより NOxの生成を低減さ
せる燃焼室を有する燃焼器を構成することである。 【００１０】さらに別の本発明の目的は、燃料との燃焼
あるいは燃焼生成物の稀釈のいずれかに対して全ての冷
却空気が用いられ、タービンへ入るガスの温度を低減さ
せる、燃焼器の壁の対流冷却に適合した燃焼器を構成す
ることである。 【００１１】さらに別の本発明の目的は未燃焼炭化水素
および一酸化炭素の量を低減する燃焼器を構成すること
である。 【００１２】 【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本明細書において実施され、かつ広く記述されて
いる本発明の目的によれば、その中で燃料と空気とが燃
焼される空間を画成する燃焼室を含む予め混合され、対
流冷却された低排出燃焼器が提供される。前記燃焼器は
さらに、燃料と空気とを混合し、燃料と空気との混合物
を燃焼室へ入れる手段を含む。前記混合手段は、公知の
燃焼器形態とは対照的に燃焼室自体内に配置される。 【００１３】好適実施例においては、燃焼器はまた、燃
焼室内で一次および二次燃焼ゾーンを画成する手段を含
む。前記画成手段は、燃焼室自体内に配置されるため、
一次燃焼ゾーンを二次燃焼ゾーンから分離させる流れ規
制を発生させる混合手段から都合よく構成できる。本明
細書で用いている燃焼ゾーンの分離は一方のゾーンを他
方のゾーンから完全に遮断することを意味する意図のも
のでない。むしろ、本明細書で用いる分離とは両ゾーン
間において、各ゾーンの燃料と空気の燃焼即ち酸化が二
次ゾーンを貫流する一次ゾーンからの燃焼生成物とは概
ね独立して発生して燃焼室から出ていくようにするに十
分な差圧を発生させることを意味する。 【００１４】混合手段において燃焼することなく概ね均
質な燃料と空気の混合物が混合手段によって一次燃焼ゾ
ーンへまづ入れられる。一次燃焼ゾーンに入れられた混
合物の燃料対空気の重量比は緊密に制御され、エンジン
の全開即ちパワー範囲の間の空気の重量に対する燃料の
重量の化学的に正しい化学量比の約５０％以下に保たれ
ることが好ましい。焔温度は空気に対する燃料の重量比
に直接関連しているので、一次燃焼ゾーンにおいて燃焼
する燃料と空気との混合物の焔温度は前記比を化学量比
以下に保つことにより低減する。本発明は、概ね全ての
NOx生成物が「即発 NOx」であり、かつ初期の非均衡燃
焼の間の焔温度によってのみ影響され、滞留時間によっ
て影響されるものでないとの前提に基いているので、本
発明の燃焼器は燃焼ゾーンにおける焔温度を低減するこ
とによって NOxの生成を制限している。 【００１５】混合手段は一次および二次末広コーンを含
むことがさらに好ましい。各一次および二次コーンは入
口端から出口端に向かって広がる壁によって画成されて
いる。入口端は燃料源並びにエンジン空気と流れ連通し
ている。混合手段を画成しているコーンの末広角と長さ
とは燃焼室に入る前に燃料と空気とが完全に混合される
ことを保証し、かつコーン内で燃焼が起らないことをさ
らに保証するように選択される。液体燃料の場合、コー
ンを画成する壁が燃焼室内に配置していることによって
燃焼室内で焔により加熱される結果燃料の蒸発が高めら
れる。 【００１６】エンジンが空転しているとき、燃料は一次
コーンを介してのみ燃焼室へ噴射され、稀釈空気の一部
が二次コーンを介して添加される。この状態は一次燃焼
ゾーンに対して燃料対空気の最大の重量比を選択するこ
とによって決められるエンジンパワーの範囲にわたり介
在する。エンジンをより広いパワー範囲にわたって作動
させたいときは、二次混合コーンを介して追加の燃料が
二次燃焼ゾーンに入れられる。二次燃焼ゾーンに入れら
れた燃料と空気とは一次燃焼ゾーンから出ていく燃焼生
成物により酸化され、この二次燃料の流れのエネルギ
は、たとえ燃料対空気比が燃焼可能限界以下であったと
しても解放される。 【００１７】一次および二次混合コーンは、一次ゾーン
からの高温の燃焼生成物が二次ゾーン中へ入るとき混合
を向上させるための対向旋回流を発生させるよう各燃焼
ゾーン内で反対の円周方向に各コーンから出てくる燃料
と空気の混合物を導くよう一次および二次混合コーンを
適合させ、かつ燃焼室内に配置させることがさらに好ま
しい。 【００１８】一次および二次混合コーンは燃焼室自体内
に配置され、かつこれらのコーンから出てくる燃料と空
気の混合物が燃焼生成物より低温にあるので、これらの
コーンは燃料と空気の混合物によって冷却される。この
形態においては、本発明による燃焼器は、コーンによっ
て発生した流れ規制部がコーンへ入るエンジンの空気に
より既に空冷されているので、一次および二次燃焼ゾー
ンを画成する手段を冷却するためのいずれかの特殊な冷
却空気通路を必要としない。 【００１９】燃焼器は一次および二次混合コーンにおけ
る燃料／空気の混合物の自動点火を抑制するために混合
手段と協働する手段を含むことも好ましい。前記抑制手
段は詳しくは、一次および二次混合コーンの間で冷却空
気を分流させるべく、前記一次および二次混合コーンを
囲み、かつそこから隔置された各シュラウドと、分流さ
れた冷却空気流量を計量する手段とを含みうる。前記シ
ュラウドは各々の混合コーン入口近傍まで冷却空気を再
循環される二重壁部材としうることが好ましく、混合コ
ーン自体内で冷却空気を燃料および空気と混合するよう
開口のような手段を設けることが好ましい。 【００２０】さらに、一次および二次混合コーンの少な
くとも数個に空気を接続し、制御可能に分配するための
マニホルドのような手段を、設けることが好ましい。ま
たマニホルドは燃焼室から対流冷却空気を受け取るよう
流れ接続できる。 【００２１】さらに、燃焼器は一次および二次混合コー
ンの各々と関連した燃料ノズル手段をそれぞれ含み、か
つ混合コーンと関連の燃料ノズル手段とを、燃焼室から
後退可能の一体ユニット組立体として構成することが好
ましい。そうすれば、各ユニット組立体の燃料／空気比
を燃焼室に混合コーンを設置する前に有利に較正し、セ
ットすることができる。ユニット組立体は混合コーンの
スロートとノズルにそれぞれ付属した燃料ノズル手段と
の間の距離を選択可能に固定する調整可能手段を含むこ
とができる。 【００２２】本発明はまた、燃焼室自体内に配置した混
合コーンにより一次および二次燃焼ゾーンに分離された
燃焼室を有するタイプの燃焼器を操作する方法も網羅す
る。本方法は空気対燃料の比を燃料に対する化学的に正
しい化学量比以下に保ちながら混合コーンを介して一次
燃焼ゾーンへ一次燃料と空気の混合物を入れるステップ
を含むことが好ましい。次いで、一次燃料と空気の混合
物は NOx生成を低減させる温度で一次ゾーンにおいて燃
焼される。 【００２３】エンジンパワー要件即ちエンジンパワー範
囲が一次燃料と空気の混合物において解放されたエネル
ギーを上廻る場合、本発明の方法は一次ゾーンから出て
くる高温の燃焼生成物によって酸化される追加の燃料を
二次燃焼ゾーンへ入れる別のステップを含む。 【００２４】本明細書に含まれ、かつ本発明の一部を構
成する添付図面は本発明の現在好適な実施例を示し、前
述した全体的な説明並びに以下の好適実施例の詳細説明
と共に本発明の原理を説明する。 【００２５】 【実施例】数葉の図面を通して同じあるいは対応部材を
同じ参照番号で指示している添付図面に示す本発明の現
在好適な実施例と方法とを詳細に以下参照する。 【００２６】図２は全体的に１０で指示する筒形の燃焼
器の主要断面図である。本発明によれば、筒形燃焼器１
０は、その中で燃料と空気とが燃焼される室を画成する
高温燃焼室壁１４を有する燃焼室１２を含む。燃焼室１
２は上流端２０と下流端２２とを含む。高温燃焼器壁１
４は冷温燃焼器壁１６により囲繞され概ね環状の冷却空
気流路１８を画成する。エンジン空気即ちタービンエン
ジンを貫流する空気は冷却空気流路１８へ入り、高温燃
焼器壁１４に沿って流れ対流冷却を提供する。 【００２７】本発明の燃焼器はフイルム冷却と対照的に
高温燃焼器壁の対流冷却に特に適合している。本発明の
広義の局面においてはいずれかのタイプの冷却方法を用
いることが可能であるが、燃焼に関与しない空気は偽似
「空気」を排除するため出来る限り制限すべきである。
さらに、本発明は概ね全ての NOx生成物が「即発 NOx」
であって滞留時間とは無関係であるとの前提に基いてい
るので、対流冷却方法では以下詳細に述べるように全て
のエンジン空気を燃焼および稀釈段階で使用できるよう
にする。このため、エンジン設計者が燃焼室における滞
留時間を長くとることによって従来の考えによらず、 N
Ox生成を増加させることなく未燃焼炭化水素の量を低減
できるように設計できるようにする。フイルム冷却は、
冷い空気の薄いフイルムを燃焼器の壁の内面に位置させ
ることによりある程度のエンジン空気を厳格に燃焼器壁
の冷却に使用することを要する。冷い空気のこの薄いフ
イルムにより燃焼器の壁において温度勾配を発生させこ
れが亀裂や終局的に故障を促進させる。またフイルム冷
却を適用する場合、燃焼室へ入る冷い空気は燃料対空気
の重量比に影響を与え、ある場合には燃焼室の断続した
領域における燃焼を冷却させることにより燃焼過程にお
ける効率を低下させ、未燃焼の炭化水素の量を増加させ
る。本発明は特に対流冷却法に適合させることによりフ
イルム冷却の前記の欠点を排除する。 【００２８】本発明によれば，燃焼器はさらに、燃料と
空気とを混合し、その混合物を燃焼室へ入れるために燃
焼室内に実質的に配置した手段を含む。本明細書におい
て実施されるように、混合手段は燃焼室自体内に配置し
た少なくとも１個の一次末広混合コーン２４を含む。特
定のエンジンの適用に対する設計制限内に適合するいず
れかの数の末広コーン２４を用いることができる。各コ
ーン２４は壁２６により画成されており、該壁２４は形
状が概ね切頭円錐形で、入口端２８から出口端３０まで
広がっている。 【００２９】図３は図２に示す筒形燃焼器１０の端面図
で、一次末広コーン２４を示し、該コーンは４個からな
り、噴射器３２の位置の周りで壁１４からの接線に近づ
く角度で高温の燃焼器１４から燃焼室１２へと延びてい
る。コーン２４の入口端２８は、燃料噴射器３２を介し
てコーン２４へ噴射される燃料の供給源（図示せず）と
流体連通している。同様に、各コーン２４の入口端２８
は燃料噴射器３２の周りに形成された導管３４を介して
圧縮機セクション（図示せず）から出ていく高圧のエン
ジン空気と連通する。 【００３０】噴射器３２と導管３４とを介して燃料と空
気とがコーン２４へ噴射されるにつれて、それらは燃焼
室１２内へ入れられる前にコーン内で均質に混合され
る。コーン２４内で膨張する際の空気の速度変化は燃料
の小滴の表面を剪断して、そのため蒸発化と混合とを促
進する傾向がある。また、コーン２４は、コーン内で膨
張する際の空気の速度が燃焼室内の焔速度より速くに保
たれることによって焔がコーンへ入って早期燃焼を起さ
ないような寸法とされる。 【００３１】従来技術の燃焼器に対する本発明の特定の
利点はコーン２４からなる混合手段を実質的に燃焼室自
体内に位置させたことである。このように、コーンの壁
２６は燃焼室１２内の焔温度により加熱され液体燃料の
蒸発を高め、かつ外側スペースを節約する。 【００３２】コーンの中心軸に対するコーン壁２６の広
がり角は壁からの流れの分離を排除しながら可能最大角
となるように選択されることが好ましい。典型的には空
力学的制約によりコーン壁２６の広がり角を６度の半角
に制限し、従って全開先角度を１２度とする。それより
小さい角度も用いることができるが、特に液体燃料に対
してコーンの長さを増大させる必要がある。 【００３３】さらに、本発明の好適実施例においては、
燃料噴射器３２は末広コーン２４の小径の入口端の丁度
上流に装着することが好ましい。燃料噴射器３２はコー
ンへ入る空気の流量を較正するようにコーン２４の入口
端２８に対して運動可能としうる。このように、同じ流
量の空気が常に各コーンへ入るように各コーン２４を通
る空気流量を均衡させることができる。このように、コ
ーン２４における燃料対空気の重量比は噴射器３２にお
ける燃料圧力、従って燃料の流量のみによって左右され
る。 【００３４】燃焼器からの NOx排出量を少なくするため
に、本発明は燃焼室１２内で一次および二次燃焼ゾーン
を画成する手段を含む。本明細書において実施されてい
るように、この画成手段は高温燃焼器壁１４の周囲に配
置された一次コーン２４と、適用可能であれば、コーン
が位置されている位置における燃焼室の有効断面積を小
さくすることにより流れ規制部を作る二次コーン４２と
からなっている。このように、燃焼室はそれぞれ、軸線
方向に整合した一次および二次燃焼ゾーン３６、３８に
分離される。 【００３５】本発明の燃焼器においては、一次コーン２
４を介して燃焼室１２に入れられた一次燃料と空気の混
合物はコーン２４を燃焼室１２の上流端２０に向かって
コーン２４を傾動させることにより一次燃焼ゾーン３６
に向かって導かれる。コーン２４の傾動角４０は約５と
１５度の間でよく、約１０度にセットされることが好ま
しい。しかしながら、特定の傾動角が本発明の範囲を限
定するものではない。さらに、一次コーン２４から出る
混合物の燃料対空気の重量比は、燃焼を持続させる最低
の燃料対空気の重量比を上廻りながら化学的に正しい化
学量比の約５０％以下に限定されることが好ましい。勿
論、一次コーン２４における燃料対空気の重量比はエン
ジンが絞られ、従って当該技術分野で周知の弁装置によ
り燃料の流量が調整されるにつれて上限と下限との間を
変動する。 【００３６】一次コーン２４における燃料対空気の重量
比を化学量の値の５０％以下に限定することにより、一
次燃焼ゾーン３６における焔温度が低減し、そのため燃
焼の間に形成される NOxの量を低減させる。 【００３７】このように末広コーン２４を燃焼室１２の
上流端２０に向かって傾動させることにより、コーン２
４から出てくる一次燃料と空気の混合物は一次燃焼ゾー
ン３６に向かって導かれ、そこで従来の手段により点火
され燃焼を開始することができる。さらに、図２に示す
ように接線に近づいた角度で高温燃焼器壁１４の周囲に
コーン２４を配置することにより、一次燃料と空気の混
合物が一次燃焼ゾーン３６においてうず巻き形に導かれ
る。その点に関して、本発明の燃焼器の形態の特定の利
点は一次コーン２４内で燃料の蒸発と混合の全てが行わ
れ、これら２種類の機能に対する空間を燃焼ゾーンに設
ける必要がないことである。典型的には燃料と空気の混
合物が一次燃焼ゾーン３６内で完全に燃焼するために３
から１０ミリ秒の滞留時間で十分である。 【００３８】一次燃焼ゾーン３６における燃料対空気の
重量比は化学量値よりはるかに下に保たれるので、一次
燃焼ゾーン３６における焔温度は低減する。 NOxの生成
は焔の温度に左右されるのであって、燃焼器内での滞留
時間に左右されるものでないと想定されているので、燃
料と空気との混合物は一次燃焼ゾーン３６で燃焼し、NO
x生成は著しく低下する。さらに、従来の考え方とは対
照的に燃焼室における燃焼生成物の滞留時間を増加させ
NOx排出を増大させるという結末を伴うことなく未燃焼
炭化水素およびCOの量を低減させることができる。典型
的には、前記の滞留時間は燃焼室を長くしたり、稀釈用
孔をさらに下流に移すことなく増加させることができ
る。 【００３９】広範囲のパワーにわたって作動するガスタ
ービンエンジンにおいては、混合手段は、追加の燃料を
燃焼室１２の二次燃焼ゾーン３８へ入れるために上流の
入口端４４と下流の出口端４６とを有する少なくとも１
個の二次コーン４２を含んでいる必要がある。燃料噴射
器３２は入口端４４近傍に配置され、エンジン空気は適
当な導管を介して二次コーン４２へ導入される。本発明
の筒形燃焼器の好適実施例においては、二次コーン４２
は、下流端４６が燃焼室１２内で中央に配置され二次燃
料と空気の混合物を二次燃焼ゾーン３８へ入れるように
端壁５０から燃焼器１０中へ延びている。そのような構
造により、二次コーン４２は一次コーン２４と協働して
燃焼室１２内で流れを規制し燃焼室を上流の一次燃焼ゾ
ーン３６と下流の二次燃焼ゾーン３８とに分離する。 【００４０】二次コーンおよび二次燃料と空気の混合物
とを要する燃焼器においては、好適実施例におけるエン
ジン空気は、たとえパワー範囲の下端において追加の燃
料が必要とされなくても稀釈のために二次コーンを介し
て燃焼室へ常に導入される。スロットルを前進させるこ
とによりエンジンのパワーが増加すると一次コーン２４
の噴射器３２を通る燃料の流量は最初に増加し、一次燃
焼ゾーンに対して選択した所定の燃料対空気の重量比に
留っている。このことは図７においてグラフで示されて
おり、図７は一次および二次の燃料と空気との流れにお
ける燃料対空気の重量比を典型的なエンジン適用例にお
けるエンジンパワーの関数としてプロットしている。 【００４１】図７におけるグラフの線１００はエンジン
のパワーの範囲にわたっての一次流れにおける燃料対空
気の重量比のプロットであり、グラフの線１０２は二次
流れにおける燃料対空気の重量比のプロットである。全
体のエンジンの燃料対空気の重量比は線１０４により示
されている。図示のように、所定の作動点１０６に近づ
くにつれて燃料が二次コーン４２に噴射され空気と混合
される。エンジンパワーが増加するにつれて、二次流れ
における燃料対空気の比率が増加し、続け、一方一次流
れにおける比率は僅かに下がる。図７のグラフは例示の
ためにのみ提供したものである。図示された特定の傾向
は、それらが特定の適用に対して変わりうるものである
ため本発明の範囲を限定するものでない。好ましくは、
燃焼を持続させるには低すぎる燃料対空気の重量比にお
いて追加の燃料と空気とがまずコーン４２に供給され
る。しかしながら、コーン４２からのこの二次混合物が
一次燃焼ゾーン３６から来る高温の燃焼生成物と混合さ
れると、二次混合物内の燃料は二次燃焼ゾーン３８内で
完全に酸化される。 【００４２】さらに、コーン４２から出てくる燃料と空
気の混合物と一次燃焼ゾーン３６から来る高温の燃焼生
成物との混合を向上させるために、本発明の好適実施例
はコーン４２の下流端４６に取り付けた旋回翼５２を組
み込んでいる。旋回翼はいずれか公知の形態のものを用
いればよい。例えばコーン４２の下流端の周囲に等間隔
で隔置され、コーンから出てくる燃料と空気の混合物に
旋回運動を加えるようある角度で傾斜した複数の翼から
なる旋回翼を用いることができる。 【００４３】また、コーン４２から出てくる二次混合物
に対して重要な旋回方向は、一次燃焼ゾーン３６におい
て発生している燃焼の旋回方向に対して対向するよう選
択されることが好ましい。一次および二次燃焼ゾーンに
おける燃料と空気との混合物の対向旋回並びにその結果
としての燃焼生成物の対向旋回とは、実際には燃料の点
火はコーンの出口端から極めて短い距離をおいて発生す
るため二次燃焼ゾーンにおける混合を向上させる。 【００４４】さらに、一次コーン２４と二次コーン４２
とが燃焼室１２内に配置されているので、本発明による
構成は燃焼器の機械的設計を簡素化し、製作コスト並び
に外形寸法を低減させ、組立ておよび検査過程をより効
率的とするという利点を有する。また、本発明による混
合コーンは燃焼室の壁を貫通して延びないので、冷却空
気の流路１８は実質的に障害が無く、燃焼器の壁が、フ
イルム冷却とは対照的に対流冷却に対して特に適合する
ようにさせる。このように、フイルム冷却の欠点、即ち
冷却のためにエンジンの空気を厳格に使用する必要性
や、フイルム冷却により発生する燃焼器壁における温度
勾配、および燃焼の低効率が排除される。 【００４５】引続き図２を参照すれば、稀釈用孔５４を
二次燃焼ゾーン３８の下流において高温燃焼器壁１４に
形成することができる。これらの稀釈孔５４は混合手段
を通過ずみの残りの空気を燃焼室中へ導入し燃焼室１２
から出てくる燃焼生成物の出口温度を、タービンあるい
はその他の末端装置（図示せず）に対して適当なレベル
まで低下させるように機能する。このように、燃焼器１
２は全てのエンジン空気を燃焼あるいは稀釈のいずれか
の過程で利用する。 【００４６】図４に基本的に示された本発明の第２の実
施例においては、環状の燃焼器を全体的に６４として指
示している。燃焼器６４は、それぞれ内側および外側の
高温の燃焼器壁６８、７０により画成された燃焼室６６
から構成されている。燃焼器の壁６８と７０とは燃焼器
の中心線６５に対して相互に半径方向に隔置されてい
る。内側および外側の高温燃焼器の壁６８、７０の各々
に対して概ね平行に、かつ隔置されて、冷い燃焼器壁７
２が延びており、冷却空気流路７４を画成する。前記流
路を通してエンジン空気が高温の燃焼器壁に対する対流
冷却を提供する。 【００４７】図４に示す本発明の実施例は図２および３
について前述したものと類似であるが環状の燃焼器の形
状に適合した配置の混合手段を含む。詳しくは、図４に
示す環状燃焼器の混合手段は、その中で燃料と空気とが
混合される空間を画成する末広の一次混合コーン７６を
含む。一次混合コーン７６は図２および３に示すコーン
２４と形態が概ね同一である。 【００４８】燃焼器６４の部分端面図である図５を参照
すれば、一次コーン７６は高温の外側の燃焼器壁７０か
ら燃焼室６６へ内方に延びており、コーン７６の中心軸
線７５は図３に示すコーン２４に関して図示したのと同
様に中心線６５から延びる半径に対してある角度７７を
つけて配置している。燃焼室６６内での完全燃焼を助長
し、向上させるに十分ないずれか希望する数量の一次コ
ーンを用いることができる。 【００４９】各一次コーン７６は入口端７８と出口端８
０とを含み、入口端７８は弁装置９３、燃料マニホル
ド、および終局的には入口端７８に配置した燃料噴射器
３２とを介して燃料供給源９１と流体連通している。エ
ンジン空気はコーン２４について前述したのと概ね同様
に一次コーン７６の入口端に供給される。さらに、一次
コーン７６は燃焼室６６の上流端８２に向かって傾きコ
ーン７６から出てくる燃料と空気の混合物を、燃焼室の
上流端８２に近い一次燃焼ゾーン８４にまず導いて入れ
る。 【００５０】一次コーン７６から出てくる混合物の燃料
対空気の重量比は化学的に正しい化学量比以下に保たれ
一次燃焼ゾーン８４における焔温度を下げ NOx生成を低
減させる。勿論一次コーン７６における燃料対空気の重
量比は、エンジンのパワー出力が増加するにつれて希薄
な吹き出し下限と、プリセットした上限との間で変動す
る。本発明の好適実施例においては一次コーン７６にお
ける燃料対空気の重量比は化学量の値の約５０％にセッ
トされている。しかしながら、対応する焔温度が一次燃
焼ゾーンにおける NOx生成を低減するに十分低く保たれ
ている限りは本発明の範囲内でより高い比率を選定して
よい。 【００５１】また、 NOxは一次燃焼ゾーン８４における
燃料の点火直後の高温の非均衡状態の間のみ形成され、
滞留時間は NOx生成に著しく影響を与える要素ではない
ので、本発明の燃焼器は燃焼生成物が従来可能と考えら
れていた以上に長い滞留時間を有するように構成でき
る。滞留時間が増加すると未燃焼炭化水素とCOとが著し
く低減されることによってエンジンからの全体の汚染排
気物を低減させる。 【００５２】図４に示す本発明の実施例の構成の別の利
点は公知の環状燃焼器以上に使用する燃料噴射ノズルが
少なくてすむことである。この利点はコーン７６内で発
生する蒸発が向上していることであり、さらに外側の高
温の燃焼器の壁７０に対するコーン７６の位置によって
もたらされる。即ち、コーン７６は外側の高温の燃焼器
の壁７０に対して概ね切線方向に配置しているので、コ
ーン７６から出てくる燃料と空気の混合物は図５におい
て矢印９７で示すように一次燃焼ゾーン８４の周りの環
状の流路へ導かれる。一次燃焼ゾーン８４の周りで周囲
方向に導かれた流れによって焔の持続性を向上させ、必
要噴射器の数を低減させる。噴射ノズルの数を低減させ
ることにより小さいノズルの詰まりと、その後の燃焼室
内での燃焼パターンの不連続性とに関する潜在的問題を
排除し、ハードウェアのコストを低下させる。 【００５３】エンジンの作動範囲が一次コーン７６を介
して提供される以上の範囲の追加燃料流量を必要とする
場合には二次コーンから出てくる燃料と空気の混合物を
燃焼室６６の下流端８８近傍に配置した二次燃焼ゾーン
８９に向かって導くために燃焼室６６の下流端８８に向
かって傾いた末広の二次混合コーン８６を環状燃焼器６
４に設けてよい。前記の二次コーンは一次コーン７６を
通る燃料の流量でエンジンの作動範囲に完全に対応でき
ない場合に必要とされる。このような場合には、図７に
関して前述したものと同じ要領で追加の燃料を二次燃焼
ゾーン８９に噴射することができる。 【００５４】図５を参照すれば、二次コーン８６は、角
度７７とは反対方向であるが、同じ大きさであることが
好ましい角度で高温の燃焼器の壁７０から延びている。
このように、二次コーン８６は二次燃料と空気の混合物
を、一次コーン７６からの流れが導かれる方向９７とは
反対の、環状燃焼室６６の周りの方向９９に導いてい
る。このように、一次燃焼ゾーンからの燃焼生成物が二
次燃焼ゾーンへ入ると、二次ゾーンにおいて対流方向の
旋回状態が発生して二次燃料と空気の混合物の流れの混
合と酸化／燃焼とを向上させる。 【００５５】前述した筒形燃焼器と丁度同様に環状燃焼
器６４において、燃焼室内の一次および二次燃焼ゾーン
を画成する手段は、コーン７６と８６との壁により作ら
れる流れ規制部からなる。さらに、二次燃焼ゾーン８９
の上流で冷却空気流路７４からの稀釈空気を燃焼室へ添
加するよう内側および外側の高温の燃焼器壁に形成され
ている。稀釈空気は燃焼生成物の温度を、タービンある
いはその他の末端装置において使用するのに許容される
レベルまで低下させるよう作用する。 【００５６】図６は本発明の環状室を中に配置したラジ
アルタービンエンジンモジュールの断面図である。図５
において、コンプレッサ１００はエンジン空気を拡散器
１０２に送る。拡散器１０２からエンジン空気は、矢印
の線で示すように冷却空気流路７４、一次および二次コ
ーン７６、８６および稀釈孔９０へ入る。燃焼と空気と
は前述のように混合コーン７６と８６とを介して燃焼室
６６へ入る。残りのエンジン空気は稀釈孔９０を介して
噴射され、タービン入口ノズル１０６へ入りタービン１
０８を介して膨張して有用な仕事を提供する前に燃焼生
成物の温度を低下させる。 【００５７】図９および図１０に示す本発明の別の実施
例は前述の半径方向内方に配置された混合コーンを組み
入れるに十分な半径方向高さを備えていない環状ガスタ
ービンに適合する。この実施例はまた、大型の商業用ジ
ェット用であることが典型的な「直線貫流」タイプのエ
ンジンにも十分適合する。図９および図１０に示す実施
例はまた、特定の形状上の制限を避けられない前述の形
態に対する変形として用いることができる。 【００５８】図９はエンジンの中心線２０１から半径方
向に隔置され、かつ該中心線に対して軸線方向に延びて
いる環状室２００を断面で示す。エンジン空気はタービ
ンエンジンコンプレッサから燃焼器２００の入口２０２
へ入り、全体的に軸線方向に燃焼器２００を通って出口
端２０４まで流れる。燃焼器２００は内側および外側の
環状の冷却空気通路２０７、２０８によって囲まれた内
側の高温室２０６を含む。内側室２０６の端壁２１０を
貫通して該内側室２０６へ少なくとも１個の末広混合コ
ーン２１２と少なくとも１個の二次末広混合コーン２１
４が延びている。一次および二次混合コーンは内側室２
０６内に配置され、燃料と空気とを混合し、燃料と空気
の混合物を燃焼室内へ入れる手段を構成する。図示した
環状の室において、環状体の周りに複数の一次および二
次混合コーンを配置させることができる。図示の目的の
ために、各々１個のコーンを図９と図１０とに示してい
る。 【００５９】入口２０２へ入るエンジン空気は一次混合
コーン２１２と二次混合コーン２１４とに分配される。
またエンジン空気の一部は図９において矢印で示すよう
に内側と外側の環状冷却通路２０７と２０８とへ入り、
対流により内側燃焼室２０６の壁を冷却する。環状の通
路２０７と２０８とを通る冷却空気の少なくとも一部
は、本発明の他の実施例について前述した目的に対して
稀釈孔２１６を介して内側室２０６の下流端２１６へ入
る。 【００６０】混合コーンは図１０において最良に示され
ているように中央部２０１に対して全体的に軸線方向に
配置されている。一次および二次混合コーンの双方共燃
焼器２００の軸方向および横方向軸線の双方に対してあ
る角度をおいて整合しうる。傾斜角は約４５度までであ
る。本発明の前述の他の実施例と同様に、混合コーンは
内側の高温燃焼室２０６を、その中に流れ規制部を発生
させることにより一次および二次燃焼ゾーン２２０、２
２２に分割する。 【００６１】一次ゾーン２２０および二次ゾーン２２２
における混合コーンの数は利用できるスペースに応じて
同じにするか、あるいは相違させてよい。例えば、一次
コーン２１２の数は一次コーンのスペースをより良好に
利用するために二次コーン２１４の数の倍としうる。 【００６２】図１０に最良に示すように、一次および二
次の末広混合コーン２１２と２１４とは、それぞれの末
広がり、好ましくは円錐形の壁２３８と２４０とによっ
て接続されている入口端２３０、２３２と、出口端２３
４、２３６とを有する。二次コーン２１４の出口端２３
６は端壁２１０から、一次コーン２１２の出口端よりも
遠くに配置されることによりそこから出てくる燃料と空
気の混合物をそれぞれ一次および二次燃焼ゾーン中へ導
いている。本実施例においては、一次コーン２１２と二
次コーン２１４とは、混合コーンから出てくる燃料と空
気の流れを内側室２０６の周りで円周方向に導くよう出
口端２３４、２３６においてホーン状の転回部が形成さ
れている。一次および二次コーン２１２および２１４の
出口端はそれぞれの流れを燃焼室の周りで反対方向の円
周方向に導き混合を向上させる。 【００６３】好適実施例においては、円錐形壁２３８、
２４８の半角は６度以下か、約６度に等しくあるべきで
あるが、本発明はその数字に限定されない。また、壁２
３８、２４０の長さ全体あるいは一部に対して、流れの
分離により混合コーン内で再循環および燃焼を起因させ
ない限り混合コーンの円錐形即ち円形断面形状から楕円
形あるいは「レーストラック」状に変えてもよい。 【００６４】一次および二次コーンのそれ自体、および
相互に関連しての作動は、混合コーンが全体的に半径方
向から全体的に軸線方向に移動しており、混合コーンか
ら出てくる燃料の流れが湾曲した出口端２３４、２３６
を介して再度導かれることを除いて本発明の他の実施例
に関して前述したものと同じである。 【００６５】燃料ノズル２４２と２４４とは一次および
二次混合コーン２１２および２１４の入口端２３０、２
３２近傍に位置されている。本発明のこの実施例を環状
室に適合する場合、一次および二次混合コーンは、正味
均一に環状体の周りで移動させる。二次ゾーン２２２に
おいて燃焼が発生した後、稀釈空気が２１８において添
加され、そのとき全質量は高圧タービンのノズル案内羽
根２５０へ入る。 【００６６】冷却通路２０７と２０８とを画成する環状
壁の間隔を保つためにスペーサ２６０を用いることがで
きる。 【００６７】図９と図１０とに示す形態は環状燃焼器に
対して特に適合しているが、筒形燃焼器に対しても使用
できる。さらに、ある適用例においては本発明の目的を
達成するために要する混合コーンは１組だけでよい。 【００６８】図１１から図１４までは本発明の別の好適
実施例を示し、この実施例は全体的に３００で指示す
る。まず図１１を参照すれば、燃焼室は外壁３０４、内
壁３０６、および燃焼ライナ３０８とを有する環状燃焼
室３０２を含む。燃焼器３００はさらに例えばコーン３
１０のような複数の（１個のみ図１１に示している）一
次および二次混合コーンを含む。混合コーン３１０は、
燃料と空気の混合物を受け取るための入口端３４と、十
分混合された燃料と空気の混合物を燃焼室３０２におい
て適当な位置と方向で送り出す出口端３１６とを備え
た、末広の円錐形の内側空洞を有する細長い本体部分３
１２を含む。混合コーン本体部３１２の内壁により画成
される内側空洞は全体的には混合コーン入口３１４に隣
接位置した最小流れ領域を備えたスロート３１８を有す
るベンチュリの形態である。図１１に示すように、混合
コーン本体部３１２の円錐方向に広がる内壁はベータ
（β）で指示し、＜６度であるべき広がり半角を含む。
混合コーン３１０は以下詳細に説明する全体的に３２０
で指示する燃料ノズル手段から燃料が送られ、その入口
端３１４において混合コーン本体部３１２に位置した開
口３２４を介して外壁３０４とライン３０８との間の空
間３２２から燃焼空気を受け取る。 【００６９】混合コーン３１０を含む燃焼器３００の機
能と作動とは前述した実施例のものと概ね同じである
が、以下の付加的な特徴と利点とを有している。詳しく
は、末広混合コーン内での燃焼を排除することが不可欠
であると断定されたことである。そのような燃焼は外側
の燃焼からコーン壁を介してコーンへの熱伝導により起
因する混合コーン内での燃焼性チャージの自動点火を介
して発生しうる。従って、本発明によれば、燃焼器は一
次および二次混合コーンにおける燃料と空気の混合物の
自動点火を抑制するよう混合手段と協働する手段を含
む。引続き図１１を参照すれば、燃焼器３００はさら
に、混合コーン本体３１２を囲繞し、かつそこから離隔
しているシュラウド部材３３０を含む。少量の燃焼空気
が制御通路空間３３４（図１３を参照）により流路３３
２を介して前記空間３２２から計量される。 【００７０】試験による経験によれば図１１の広がり半
角βは混合コーン本体部３１２の内壁に沿って境界層の
過度の堆積を排除するために約６度以下か、それに等し
いところに限定すべきであることを示している。燃焼は
境界層において起りうるので、境界層の堆積を最小とす
ることは混合コーン３１０における自動点火の抑制を達
成しやすくする。 【００７１】さらに本発明によれば、各混合コーンおよ
び付属のノズル手段は燃焼室から後退可能の一体ユニッ
ト組立体として構成される。そのような構成の目的は混
合コーンを含む前記組立体を燃焼室に設置する前に燃料
／空気の比率を慎重に較正してセットできるようにする
ことである。燃料／空気の比率を慎重に較正することは
NOxの低減に必須であって、もし燃料ノズルと混合手段
とが、当該技術分野の専門家なら直ちに理解するように
燃焼器の残りの部分から分離され、試験装置に装着され
るとすれば容易にかつ正確に達成することができる。 【００７２】引続き図１１を参照すれば、全体的に３５
０で指示する一体の後退可能のユニット組立体は混合コ
ーン本体３１２、制御通路スペーサ要素３３６、クリア
ランスガイド３３８および混合コーンフランジ部分３５
２とを含む。一体のユニット組立体３５０はさらに主ノ
ズル３５６を有する燃料ノズル小組立体３５４と、前記
燃料ノズル小組立体３５４に接続された調整フランジ３
５８とロックナット３６０とを含む燃料ノズル手段３２
０を含む。 【００７３】依然として図１１を参照すれば、燃焼空気
は例えばコンプレッサ（図示せず）のような供給源から
外壁３０４と燃焼ライナ３０８との間の環状空間３２２
へ入る。次いで、燃焼空気は混合コーンの入口部分３１
４の開口３２４を介して混合コーン本体部３１２へ入
る。これらの開口の全体面積は混合コーン３１０のスロ
ート３１８の面積より著しく大きい。燃焼空気のある部
分は制御通路スペーサ３３６により規定される量で環状
空間３３２へ入り混合コーン３１２を冷却する。冷却空
気の量は燃焼器の所期の作動条件に従ってセットされる
が、燃焼過程の希薄限度を延長させ、従って可能最低の
NOxレベルを得るべく出来るだけ低く保たれる。冷却空
気は図１１に示すように混合コーン３１０の出口３１６
で予め混合した燃料空気チャージと合わされるか、ある
いは図１２で代替的に示すようにオリフイス３４０を介
して分流され、混合コーン３１０から出ていく前に燃料
空気の混合物に混入される。当該技術分野の専門家には
理解されるように、制御通路スペーサ３３６は通路３３
２を通しての冷却空気の流量を計量することの他に、ガ
イド３３８と同様にクリアランスゲートとして作用す
る。開示された実施例におけるガイド３３８は冷却通路
３３２の環状空間を制御する機能のみを有しているが、
混合コーン本体部３１２の一体部分として都合よく作る
ことができる。勿論当該技術分野の専門家には流量計量
がガイド３３８により達成でき、かつ制御通路スペーサ
３３６は単にスペーサ要素として作用しうるか、双方共
計量機能を有しうることが決められる。これらの変形は
特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内に入
るものと考えられる。 【００７４】燃焼空気は開口３２４へ入った後、燃料ノ
ズル手段３２０によって供給される燃料と混合すべく混
合コーンのスロート領域３１８を通る。図示する燃料ノ
ズル手段３２０の燃料ノズル小組立体３５４は、燃料／
空気の噴霧化および混合の一部がノズル小組立体自体内
で行われる「エアブラスト」タイプの組み合わされた液
体燃料と気体燃料とのノズルである。これは燃焼空気を
ノズル３５６の出口３６６の上流に位置したオリフイス
３６２を介してノズル小組立体へ送入することにより達
成される。部分的に予め混合された空気と燃料とはスロ
ート３１８において混合コーン３１０へ入る燃焼空気の
残りの部分と組み合わされ予め混合された燃料／空気チ
ャージの主要部分を形成する。燃料／空気のチャージの
最終部分は前述のように混合コーン３１０の端部におい
てチャンネル３３２から冷却空気を導入することにより
形成される。 【００７５】燃料ノズル手段３２０は中央の液体燃料入
口接続部３７０および気体燃料入口接続部３７２とを備
えたものとして示されている。中央の燃料ライン３７０
からの液体燃料を除いて燃料ノズル３３６の中央空洞３
７４へ入る全ての燃料は、燃料が共通の方向で「旋回」
するように接線方向の速度成分を有するように故意にさ
れている。例えばオリフイス３６２を介する燃焼空気と
オリフイス３７６を介する気体燃料の送入は図示の便宜
上図では半径方向のものとして示している。歪並びにさ
もなければ燃料／空気の比率を変化させうるその他の作
用による運動とは無関係に一定の燃料／空気の関係を提
供するためにノズル３５６に対するスロート３１８の安
定した位置決めを保証するよう混合コーン本体部３１２
に機械的に接続される限りはその他の燃料ノズル構造を
用いてもよい。 【００７６】燃焼器で使用されている全ての混合手段に
対して燃料／空気の比率を均等に、かつ一定に確実に保
つことが極めて重要である。本実施例においては、この
ことは小組立体３５４と調整フランジ３５８との間のね
じ係合を用いることにより燃料ノズル小組立体３５４を
運動させて較正の間に達成される。調整フランジ３５８
と混合コーンフランジ３５２の位置は一定に保たれてい
るので燃料ノズル小組立体３５４と調整フランジ３５８
との間で相対的に軸線方向に運動させることによりノズ
ル３５６と混合コーンスロート３１８との間の間隙を変
えさせる。 【００７７】前述のように、ユニット組立体３５０を燃
焼室から外し、かつ例えばユニット組立体を通る空気の
流れを当該技術分野の専門家に全体的に知られている要
領で適当な圧力センサと温度センサとを用いてベルマウ
スにわたって測定しうるジグに取り付けることにより較
正および調整を都合よく実行することができる。燃焼器
３００の全てのユニット組立体を調整し、かつ較正した
後、該組立体は混合コーン本体部３１２を、燃焼室ライ
ナ３０８に固定され該ライナに留っている各シュラウド
３３０、挿入することにより燃焼器３００に設置され
る。混合コーンフランジ３５２は燃焼室３０２の外壁３
０４に設けられた取付けフランジ３８０にボルト止めさ
れる。最終的に複式燃料ノズルの場合の燃料ラインが接
続される。 【００７８】図１４を参照すれば、本装置の概略端面図
が示されており、３個の一次混合コーンと３個の二次混
合コーンとは燃焼室ライナ３０８に永久的に取り付けら
れた（溶接された）ものとして示されている。また、溶
接あるいは他の方法で外壁３０４に固定された取付けフ
ランジ３８０も示されている。挿入された一体のユニッ
ト組立体３５０が図１４に概略的に点線で示されてい
る。混合コーンの数、アルファ（α）の角度並びにコー
ンの軸線と（図示していない）燃焼器との間の角度は用
途によって変わる。しかしながら、一次混合コーン３１
０ａおよび二次混合コーン３１０ｂは図１４で示すよう
に反対方向の入口角度を有する。また当該技術分野の専
門家は理解するように、本実施例に示す特定の特徴と利
点は前述した利点を達成するために前述の実施例に対し
て適用しうる。 【００７９】図１５は図１１に示す燃焼器の代替実施例
を示すが、自動点火抑制性並びに図１１に示す実施例に
おいて使用した一体ユニット組立体の概念は依然として
保有している。図１５に示す実施例においては、本発明
によって作られ全体的に４００で指示する燃焼器は、外
壁４０４と、内壁４０６と、冷却空気および稀釈空気の
ための空間４２２を画成する燃焼ライナ４０８とを有す
る燃焼室４０２を含む。全体的に４１０で指示する複数
の混合コーンの１個は入口端４１４と、出口端４１６と
スロート部分４１８とを有するベンチュリの形態の混合
コーン本体部４１２を含む。燃料ノズル４５６を含む燃
料ノズル小組立体４５４を用いて図１１に示す実施例の
対応する要素と同様に混合コーン４１０へ燃料を供給す
る。ノズル４５６からの燃料と混合するための空気は開
口４２４を通して送入されスロート４１８と末広がりの
円錐形の下流部分とにより提供される輻合−末広作用に
より完全に混合され、出来た燃料／空気の混合物は出口
４１６において混合コーン４１０から出ていく。 【００８０】図１５に示す実施例はまた自動点火を抑制
する手段を含むが、図１５において採用した手段を構造
が図１１に示す実施例で使用した手段と相違する。詳し
くは、燃焼器４００は同心状の外壁４３０ａと内壁４３
０ｂとからなる二重壁シュラウド組立体４３０を含む。
図示した構造は、冷却空気の流れが混合コーン４１０に
おける燃料／空気の混合物と全体的に同じ方向である冷
却流路４３２ａと、冷却空気の流れが混合コーン４１０
における燃料／空気混合物に対して方向が反対である対
流冷却流路４３２ｂとを形成している。冷却流路４３２
ａと４３２ｂとはスロットあるいは開口４４０を介して
混合コーン出口端４１６に隣接して相互に接続されてい
る。さらに、冷却流路４３２ｂと混合コーン４１０の内
部とを相互に接続するスロート４１８に隣接しているが
そのすぐ上流で混合コーン本体４１２の壁に設けられて
いる。 【００８１】作動時、混合コーン入口端４１４において
燃焼空気から取り入れられた少量の冷却空気が４４４の
位置において通路４３２ａへ送入され、通路４３２ａに
沿って流れ、開口即ちスロット４４６を介して冷却流路
４３２ｂへ入る。次いで、冷却空気の流れは前記冷却流
路を出るまで通路４３２ｂを移動し、開口４４２を介し
て混合コーン４１０の内部へ入り、そのとき混合コーン
内で燃料／空気の混合物と完全に混合される。スペーサ
／制御通路要素３３６ａ（好ましくは合計３個）は壁４
３０ａと４３０ｂとを離すよう、かつまた希望に応じて
冷却空気の流量を計量するよう作用する。冷却空気流入
口４４４と混合コーン４１０の内側と接続する開口４４
２との位置関係により冷却空気の流れを駆動するよう正
の差圧が作用する。混合コーン本体部４１２の壁の温度
は自動点火を阻止するに十分冷却でき、一方冷却空気は
混合コーン出口４１６の上流において燃料／空気の混合
物と組み合わされ混合物の均質性を高め、従って NOxの
低減を可能とする。開口４４２はチャンネルを通して冷
却空気を駆動するに十分な差圧を提供するためにスロー
ト４１８に近接して、しかしながらスロートを通る流れ
を乱さないようにするに十分スロート４１８の実際位置
から離れて位置されている。当該技術分野の専門家は特
定の構成並びに適用に対して開口４４２の正確な位置を
決定することができる。 【００８２】図１５に示す実施例においては、シュラウ
ド組立体４３０は、これも混合コーン４１０と燃料ノズ
ル小組立体４５４とからなるユニット組立体４５０ａの
一体部分とされる。図１１に示すユニット組立体３５０
と同様に、一体のユニット組立体４５０ａは燃料／空気
の混合物を正確に較正、セッティングできるよう燃焼器
４００から取り外しできる。ユニット組立体４５０ａが
燃焼器に取り付けられるとシュラウド組立体４３０の外
壁４３０ａを緊密に受け入れるための着座カラー４４６
が燃焼器ライナ４０６に設けられている。カラー４４６
とシュラウドの壁４３０ａとの間での許容しえない量の
空気の漏れを阻止するために適当なシール（図示せ
ず）、すべり嵌め部材あるいはその他の装置が設けられ
ている。前述のシールやすべり嵌め部材の構造は当該技
術分野の専門家には周知のものである。 【００８３】さらに本発明によれば、燃料と混合するた
めの空気を燃焼器の一次および二次混合コーンの中の少
なくとも若干のものに対して制御可能に分配するための
手段が設けられている。図１５に示すように、開口４２
４を介して燃焼空気を混合コーンに供給するために混合
コーン４１０の入口端４１４を囲むようマニホルド４９
０が構成されている。マニホルド４９０は一次および二
次混合コーンあるいは一次混合コーンのみ全て、あるい
はより少ない数の一次混合コーンを接続することがで
き、二次混合コーンの全て、あるいはより少ない数の二
次混合コーンを接続するために個別のマニホルドが使用
される。 【００８４】前述した実施例においては、混合コーンへ
個別に燃焼空気を供給することは行われていなかった。
それは、外側の燃焼室壁と燃焼ライナとの間の間隙即ち
図１１に示す実施例における空間３２２に対応する空間
から空気が取り入れられるものと想定したからであっ
た。燃焼ライナと外側の燃焼室壁との間の空間は作動中
変動しうるので、各混合コーンを通る空気の量も変動す
る可能性があり、その結果燃料／空気の比率が変わり排
出制御が損われうる。 【００８５】図１５に示す実施例においては、コンプレ
ッサ（図示せず）から直接および／または対流冷却要件
が充たされた後空間４２２からの冷却空気をマニホルド
４９０へ通すことによりマニホルド４９０を利用して個
別に燃焼空気が供給される。後者の装置も、特に限定数
の混合コーンを用いている状況下においては図１５に示
す実施例の燃焼ライナ４０８のような燃焼器ライナへよ
り均一な冷却を供給するという別の利点を有する。空間
４２２とマニホルド４９０の内部とを接続する、図示の
孔４９２のような開口あるいは孔を、当該技術分野の専
門家には理解されるように、局部冷却要件に応じて形成
しマニホルド４９０への対流冷却空気のための軌道を提
供することができる。 【００８６】本発明はまた、その中で流れ規制部を発生
させるように燃焼室内に配置された少なくとも１個の一
次混合コーンにより分離され、かつ画成され順次整合し
た一次および二次燃焼ゾーンを有するタイプのガスター
ビンエンジンチャンバを作動する方法も網羅する。本発
明による方法のステップを図８のブロック線図に示す。
ステップ１５０において、一次燃料と一次空気とは採用
された燃料の化学量比以下の燃料対空気比率において一
次混合コーンで混合される。ステップ１５２において一
次燃料と空気の混合物が一次燃焼ゾーンに入れられそこ
で点火される。混合コーンにおける燃料対空気の重量比
は慎重に制御され、採用された燃料の化学量の比の約５
０％以下に限定されることが好ましい。このように、一
次燃料と空気の混合物が一次燃焼ゾーンで燃焼されると
焔温度が低減され、そのため一次ゾーンにおける NOxの
生成を低減する。 【００８７】本発明の燃焼器を採用したエンジンの作動
範囲が一次混合物におけるもの以上の追加の燃料の流れ
を必要とする場合、本発明による方法は図８のブロック
１５４で示すように燃焼室に配置した二次混合コーンで
二次燃料と二次空気とを混合する付加的ステップを網羅
する。その後、二次混合コーンからの二次燃料と空気の
混合物はブロック１５６において二次燃焼ゾーンに入れ
られ、そこで一次燃焼ゾーンから出てくる高温の燃焼生
成物と混合されることにより酸化され燃焼される。エン
ジンのパワー要件が増大するにつれて、二次混合コーン
における燃料対空気の重量比が図７のグラフに示すよう
に増加しうる。 【００８８】また、本発明による方法は二次燃焼ゾーン
の下流に配置した稀釈ゾーンにおいて稀釈空気を燃焼室
へ添加するステップを網羅する。前述のように、稀釈空
気はガスタービンエンジンに接続された末端装置におい
て使用するに適した空気を提供するよう高温の燃焼生成
物の温度を低下させるよう作用する。 【００８９】最後に、これらの混合コーンユニットは燃
焼室に設置されると、即ちある条件下で「一次」および
「二次」ミキサの双方として機能でき、「二次」ミキサ
という用語の通常意味するところは例えば始動状態にお
いて最初に作動するもので排出の低減を含む最良のエン
ジンの全体性能を達成するために二段式装置が提供しう
る柔軟性を最大利用するものである。 【００９０】本発明の方法のステップを実行することに
より、一次燃焼ゾーン内での焔温度が低下され、そのた
め NOxの生成を低減させることができる。さらに図７に
示すように、二次燃料および空気混合物における燃料対
空気の重量比も化学量の燃料対空気の比以下に保たれる
ので、燃料が二次燃焼ゾーンにおいて燃焼すると NOx生
成物も著しく低減される。さらに、 NOx生成物は基本的
に燃焼器内での滞留時間とは無関係なので、本発明によ
る方法はまた炭化水素および一酸化炭素の量を著しく低
減させるに十分な時間に燃焼室内での燃料と空気の混合
物の滞留時間を保つことを含む。このように、本発明の
方法と装置とは、 NOxおよび未燃焼炭化水素と一酸炭素
の排出が従来技術による燃焼器構成に比して著しく低減
されるガスタービンエンジン用燃焼器を提供する。 【００９１】その他の利点や修正は当該技術分野の専門
家には想起される。例えば一次および二次燃焼ゾーンを
分離する流れ規制部分は、流れ規制部を位置させるべき
位置において高温の燃焼器壁を狭くすることから構成し
うる。代替的に、流れ規制部を提供するために狭くされ
た高温燃焼器壁と、末広のコーンとの組合せを用いるこ
とができる。また、燃料の燃焼をさらに促進し、排出を
さらに低減するために燃焼室内に２個以上の燃焼ゾーン
を画成してもよい。従って、本発明は広義の局面におい
て、特定の詳細、代表的な装置並びに図示し説明してき
た例に限定されない。従って、特許請求の範囲やその均
等物により規定される本発明の精神や全体的な発明概念
から逸脱することなく、詳細の変更が可能である。

【図面の簡単な説明】 【図１】燃焼過程における NOxの生成に対する焔温度の
予想された関係を示すグラフ。 【図２】本発明の教示を組み入れた筒形燃焼器の基本断
面図。 【図３】図２に示す筒形燃焼器の端面図。 【図４】本発明の教示を組み入れた環状燃焼器の基本断
面図。 【図５】図４に示す環状燃焼器の部分端面図。 【図６】ラジアルガスタービンエンジンモジュールに設
置された図４の環状燃焼器の断面図。 【図７】一次および二次燃料と空気の混合物における燃
料対空気の重量比がエンジンの作動範囲にわたって典型
的に変動する態様を示すグラフ。 【図８】本発明の方法のステップを示すブロック線図。 【図９】本発明の別の実施例を組み入れた環状燃焼器の
部分側面図。 【図１０】図９に示す一次および二次混合コーンの詳細
側面図。 【図１１】本発明の別の実施例を組み入れた環状燃焼器
の部分概略側面図。 【図１２】図１１に示す実施例の一部に対する対替構造
の詳細図。 【図１３】図１１に示す実施例の一部の詳細図。 【図１４】図１１に示す実施例の概略端面図。 【図１５】本発明のさらに別の実施例の部分概略側面
図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 その中で燃料と空気とが燃焼する空間を
   画成する燃焼室と、 未点火の一次燃料と空気とを混合し、前記の未点火の一
   次燃料と空気の混合物を前記燃焼室へ入れる手段であっ
   て、前記燃焼室内に実質的に配置され、前記の未点火燃
   料と空気がそこを通ってコーンへ入る狭い入口端とそこ
   を通って前記の未点火の一次燃料と空気が前記燃焼室へ
   出ていく広い出口端とを有する少なくとも１個の一次混
   合コーンを含む混合手段と、 燃料を前記一次混合コーンの入口端へ噴射する手段と、 空気を前記一次混合コーンの入口端へ噴射する手段とを
   含み、 前記一次混合コーンが、燃焼のために前記一次混合コー
   ンの入口端へ噴射された燃料と空気の概ね全てが前記一
   次混合コーンの出口端を通って前記燃焼室へ入るように
   構成されていることを特徴とするガスタービンエンジン
   燃焼器。 【請求項２】 少なくとも１個の一次コーンがさらに、
   燃焼室で流れ規制を発生させることにより前記一次燃焼
   ゾーンを前記二次燃焼ゾーンから分離するように配置さ
   れることにより前記燃焼室内で少なくとも一次および二
   次燃焼ゾーンを画成する手段を構成することを特徴とす
   る請求項１に記載の燃焼器。 【請求項３】 前記混合手段が二次燃料と空気の混合物
   を前記二次燃料ゾーンへ入れる少なくとも１個の二次混
   合コーンを含み、前記の少なくとも１個の二次混合コー
   ンが狭い入口端と広い出口端とを有していることを特徴
   とする請求項２に記載の燃焼器。 【請求項４】 前記の少なくとも１個の二次コーンが前
   記の少なくとも１個の一次混合コーンと協働して、前記
   一次燃焼ゾーンを前記二次燃焼ゾーンから分離する流れ
   規制を燃焼室で発生させることにより前記画成手段を構
   成することを特徴とする請求項３に記載の燃焼器。 【請求項５】 前記燃焼室が上流端と、下流端と、高温
   の燃焼壁とを有する筒形燃焼室からなり、前記一次燃焼
   ゾーンが前記上流端近傍にあり、前記二次燃焼ゾーンが
   前記下流端近傍にあり、 前記一次コーンが前記燃焼室に配置され前記高温壁に対
   して概ね接線方向に延び一次燃料と空気の混合物を前記
   一次燃焼ゾーンの周りの旋回流の形で導き、前記少なく
   とも１個の一次コーンが、前記一次コーンから出てくる
   燃料と空気の混合物が最初一次燃焼ゾーンへ導かれるよ
   うに燃焼室の前記上流端に向かって傾動していることを
   特徴とする請求項２に記載の燃焼器。 【請求項６】 前記一次コーンの傾動角が約５と１５度
   の間であることを特徴とする請求項５に記載の燃焼器。 【請求項７】 二次燃料と空気の混合物を前記の二次燃
   焼ゾーンへ入れる少なくとも１個の二次混合コーンを含
   み、前記二次混合コーンが入口端と出口端とを有し、前
   記二次コーンは前記入口端が前記燃焼室の上流端壁で始
   まり前記二次燃焼ゾーンで前記出口端が終るように燃焼
   室の中心軸と概ね整合していることを特徴とする請求項
   ５に記載の燃焼器。 【請求項８】 前記二次混合コーンがそこから出てくる
   二次燃料と空気の混合物に旋回流を加える手段を含み、
   前記旋回手段が前記第一の燃焼ゾーンの旋回流の方向に
   対して反対の方向に二次旋回流を導くことを特徴とする
   請求項７に記載の燃焼器。 【請求項９】 前記燃焼室が前記一次燃焼ゾーン近傍の
   上流端と、前記二次燃焼ゾーン近傍の下流端と相互に対
   して半径方向に離隔して環状の燃焼室を画成する内側お
   よび外側の燃焼器高温壁とを有する環状燃焼室からな
   り、 前記混合手段が前記の外側の高温燃焼壁に対して概ね接
   線方向に燃焼室中へ延び前記一次燃焼ゾーンの周りで一
   次コーンから出てくる一次燃料と空気の混合物に旋回流
   を加える複数の一次混合コーンを含み、前記一次混合コ
   ーンが一次燃料と空気の混合物が前記一次燃焼ゾーンに
   向かって導かれるように燃焼室の上流端に向かって傾動
   しており、 前記混合手段がさらに、前記二次混合コーンから出てく
   る二次燃料と空気の混合物が前記二次燃焼ゾーンに向か
   って導かれるように前記外側の高温の燃焼器壁に対して
   概ね接線方向に燃焼室へ延び、かつ前記燃焼室の前記下
   流端に向かって傾動しており、前記二次コーンが二次燃
   料と空気の混合物に対して旋回流を加えるよう配置さ
   れ、前記二次燃焼ゾーンにおける旋回の方向が一次燃焼
   ゾーンにおける旋回の方向に対して反対であることを特
   徴とする請求項２に記載の燃焼器。 【請求項１０】 前記二次燃焼ゾーンの上流で燃焼した
   燃料と空気とに稀釈空気を添加する手段を含むことを特
   徴とする請求項２に記載の燃焼器。 【請求項１１】 前記燃焼室手段が前記内側の高温壁か
   ら離隔されその間で対流冷却空気流路を画成する内側の
   高温壁と外側の冷い壁とを含むことを特徴とする請求項
   １０に記載の燃焼器。 【請求項１２】 前記の少なくとも１個の一次混合コー
   ンが前記入口端から前記出口端に向かって広がっている
   概ね円錐形の内壁を有し、 前記の少なくとも１個の末広の混合コーンが前記燃焼室
   内に配置され、前記燃焼室で流れ規制を発生させること
   によりその流れ規制の両側で燃焼室を一次と二次の燃焼
   ゾーンに分離しており、 前記の少なくとも１個の一次末広コーンが前記の少なく
   とも１個のコーンの入口端へ入っている前記一次燃料と
   空気の混合物の概ね全てを前記の少なくとも１個の一次
   コーンの出口端を通して前記一次燃焼ゾーン中へ導くよ
   うにつくられていることを特徴とする請求項２に記載の
   燃焼器。 【請求項１３】 前記一次燃焼ゾーンが前記燃焼室の前
   記上流端の近傍にあり、前記の少なくとも１個の一次の
   末広混合コーンが、一次燃料と空気の混合物が前記一次
   燃焼ゾーンの周りで旋回して一次コーンを出ていくよう
   に前記の燃焼器の高温壁に対して概ね接線方向に前記燃
   焼室へ延びていることを特徴とする請求項１２に記載の
   燃焼器。 【請求項１４】 前記の少なくとも１個の一次の末広混
   合コーンが前記燃焼室の前記上流端に向かって傾動して
   一次燃料および空気の混合物を前記一次燃焼ゾーンへ導
   いていることを特徴とする請求項１３に記載の燃焼器。 【請求項１５】 狭い入口端と広い出口端とを有し、燃
   料と空気とを混合し二次燃料と空気の混合物を前記燃焼
   室へ入れるよう前記燃焼室内に配置された少なくとも１
   個の二次の末広混合コーンを含み、前記の少なくとも１
   個の二次の末広混合コーンが前記の二次の燃料と空気の
   混合物を前記の二次燃焼ゾーンへ導くようにつくられて
   いることを特徴とする請求項１２に記載の燃焼器。 【請求項１６】 前記燃焼室が中心軸を有する筒形の形
   態であり、少なくとも１個の二次の末広混合コーンが、
   その出口端が前記の二次燃焼ゾーンで終るよう前記中心
   軸と整合していることを特徴とする請求項１５に記載の
   燃焼器。 【請求項１７】 前記の少なくとも１個の一次の末広混
   合コーンが一次燃料と空気の混合物を前記一次燃焼ゾー
   ンの周りで円周方向の旋回流の形で導くようにつくら
   れ、前記の少なくとも１個の二次の末広混合コーンが二
   次燃料と混合物を一次燃焼ゾーンにおける旋回流とは反
   対の方向に前記二次燃焼ゾーンの周りで円周方向の旋回
   流の形で導くようにつくられていることを特徴とする請
   求項１６に記載の燃焼器。 【請求項１８】 前記燃焼室が環状の形態であり、前記
   の少なくとも１個の一次と二次の末広の混合コーンがそ
   れぞれ前記燃焼室内に配置され前記の高温の燃焼器の壁
   に対して概ね接線方向に延びていることを特徴とする請
   求項１５に記載の燃焼器。 【請求項１９】 前記の少なくとも１個の一次の末広混
   合コーンが前記燃焼室の前記上流端に向かって傾動し前
   記一次燃料と空気の混合物を前記の一次燃焼ゾーンへ導
   き、前記の少なくとも１個の二次の末広混合コーンが前
   記燃焼室の前記下流端に向かって傾動し二次燃料と空気
   の混合物を前記二次燃焼ゾーンへ導くことを特徴とする
   請求項１８に記載の燃焼器。 【請求項２０】 前記の少なくとも１個の一次の末広混
   合コーンが一次燃焼ゾーンの周りで円周方向の旋回流の
   形で一次燃料と空気の混合物を導くように配置され、前
   記の少なくとも１個の二次コーンが二次燃料と空気の混
   合物を一次燃焼ゾーンにおける旋回流とは方向が反対の
   二次燃焼ゾーンの周りの円周方向の旋回流の形で導くよ
   うに配置されていることを特徴とする請求項１９に記載
   の燃焼器。 【請求項２１】 前記燃焼室が入口端を有し、 前記混合手段がまた、前記燃焼室内に実質的に配置さ
   れ、燃料と空気とがそこを通って前記の二次混合コーン
   へ入る狭い入口端と二次燃料と空気の混合物がそこを通
   って前記二次混合コーンから前記燃焼室へ入る広い出口
   端とを有する少なくとも１個の二次混合コーンを含み、 前記一次混合コーンが前記燃焼室から第１の距離をおい
   て配置した出口端を有し、前記二次混合コーンが前記第
   １の距離より大きい第２の距離をおいて前記燃焼室入口
   端から離れて配置した出口端を有しており、 前記一次および二次混合コーンの前記出口端がそこから
   出てくる空気と燃料の混合物を前記燃焼室の周りで概ね
   円周方向に導くように構成されていることを特徴とする
   請求項１に記載の燃焼器。 【請求項２２】 前記第１の混合コーンの前記出口端は
   燃料と空気の混合物を前記燃焼室において第１の円周方
   向に導くように構成されており、前記第２の混合コーン
   の前記出口端はそこから出てくる燃料と空気の混合物を
   前記第１の円周方向とは反対の第２の円周方向に導くよ
   うに構成されていることを特徴とする請求項２１に記載
   の燃焼器。 【請求項２３】 前記混合コーンの各々の前記出口端が
   それぞれの入口端に対して湾曲されてそこから出てくる
   燃料と空気の混合物の流れ方向を変えることを特徴とす
   る請求項２１に記載の燃焼器。 【請求項２４】 前記燃焼室は形態が概ね環状であり、
   前記第１と第２の混合コーンが環状室の周囲で正味均等
   に配置されていることを特徴とする請求項２１に記載の
   燃焼器。 【請求項２５】 前記燃焼室が筒形であることを特徴と
   する請求項 【請求項３０】 前記混合手段と協働し前記一次および
   二次混合コーンにおける燃料／空気の混合物の自動点火
   を抑制する手段をさらに含むことを特徴とする請求項２
   １に記載の燃焼器。 【請求項３１】 前記抑制手段が冷却空気流をその間で
   分流させるために前記一次および二次混合コーンを囲
   み、かつ隔置された各シュラウドと前記の分流された冷
   却空気の流れを計量する手段とを含むことを特徴とする
   請求項３１に記載の燃焼器。 【請求項３２】 前記シュラウドの各々が冷却空気を各
   混合コーンの入口端近傍まで循環させる構成とされた二
   重壁部材を含み、前記混合コーンが前記の冷却空気流チ
   ャンネルと前記混合キーの内部とを相互に流れ接続する
   ための手段を前記混合コーン入口端近傍で含むことによ
   って前記冷却空気の流れは前記混合コーンから出てくる
   燃料と空気の混合物と十分混合されることを特徴とする
   請求項３１に記載の燃焼器。 【請求項３３】 前記混合コーンが前記入口端近傍でス
   ロートを有するベンチュリ状であり、前記の流れ接続手
   段が前記スロートを形成する前記混合コーンの壁にある
   開口であることを特徴とする請求項３２に記載の燃焼
   器。 【請求項３４】 前記一次および二次混合コーンの各々
   と関連した各々の燃料ノズル手段をさらに含み、前記混
   合コーンと関連の燃料ノズル手段の各々は前記燃焼室か
   ら後退可能の一体ユニット組立体として構成されること
   によって、各ユニット組立体の燃料空気の比は前記燃焼
   室に前記混合コーンを配置する前に較正およびセットが
   可能であることを特徴とする請求項２１に記載の燃焼
   器。 【請求項３５】 前記燃料ノズル手段の各々はノズルを
   含み、前記一次および二次の混合コーンの各々はそこを
   通って燃料／空気の混合物が通るスロート部分を含み、
   前記ユニット組立体は前記混合コーンスロートと前記の
   関連した燃料ノズル手段との間の距離を選択的に固定す
   るための調整可能手段を含んでいることを特徴とする請
   求項３４に記載の燃焼器。 【請求項３６】 自動点火を抑制するために前記一次お
   よび二次の混合コーンを囲繞するシュラウド手段が提供
   され、前記シュラウド手段は前記一体ユニット組立体と
   共に取り外し可能であることを特徴とする請求項３４に
   記載の燃焼器。 【請求項３７】 前記一次および二次混合コーンの中の
   数なくとも数個の各入口端を接続して燃料と混合するた
   めに空気を制御可能に分配するマニホルド手段をさらに
   含むことを特徴とする請求項２に記載の燃焼器。 【請求項３８】 前記燃焼室が対流冷却され、前記対流
   冷却に用いた空気の少なくとも一部をマニホルドへ送入
   させる手段が設けられていることを特徴とする請求項３
   ７に記載の燃焼器。