JPS6161015B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は気化装置、特に中心燃料噴射器を有す
るガスタービンエンジン燃焼系統に関する。

ガスタービンエンジンの設計において、効率の
よい燃焼器を設計することは勿論、不完全燃焼の
排気を最小限にして、できる限り安全燃焼を行う
燃焼器を設計することも重要になつている。地上
でのエンジンの運転は環境にとつて一層重大であ
り、緩速運転状態で高レベルの不完全燃焼の排気
が生じがちであるので、重大な関心を注ぐべきは
この緩速運転状態である。

高圧燃料スプレー噴霧器には種々の離間がある
ので、低圧燃料噴射系統の使用の方が有力となつ
ている。かゝる低圧系統では、互に反対回転する
一次および二次旋回羽根を用いて、反対回転する
空気流の合流点に発現する高い剪断力によつて燃
料を効率的に霧化する。もつとも一般的な反対回
転系統では、一次旋回段に軸流旋回装置を用い、
空気は軸線方向に入つてから幾分円周方向に偏向
されて空気流に旋回が導入され、次いでベンチユ
リ内を軸線方向下流に流れ、最後に反対回転の二
次旋回装置からの空気と混合および相互作用す
る。言い換えると、一次旋回装置では燃料と空気
を混合して、通常は広い角度の噴霧パターンを生
成する。二次旋回装置は最初空気を半径方向内向
きに導入し、次にほゞ軸線方向に流すので、大き
な運動量および旋回角度を有し、排出噴射角を増
す傾向があり、燃料噴霧を半径方向外方へ飛ばし
て一次旋回装置からの混合流と相互作用させる。
この結果得られる広角噴霧パターン（150〜180
゜）のため、液体燃料が円錐形スプラツシユ板に
付着しがちであり、かゝる付着物はスプラツシユ
板を横切つて燃焼器ライナに流れ、ここで冷却空
気膜と、一緒になり、完全に燃焼されずに燃焼器
の外へ運ばれる。この結果、当然排気ガス中の不
完全燃焼の排出レベルが高くなる。

スプラツシユ板の内径部分にスリーブを配置し
て燃料の分散を制御するとともに、燃料が半径方
向外方へスプラツシユ板へ流れるのを防止するこ
とが提案されている。しかし、これはスリーブお
よびスプラツシユ板間に低圧空所を生じ、これが
燃料／空気混合気流に空洞現象（キヤビテーシヨ
ン）を起す。空洞が原因で、前述したように燃料
がスプラツシユ板に付着するのみならず、スプラ
ツシユ板に高温スポツトや局部燃焼が生じる。

従つて本発明の主要目的は、燃料の効率的かつ
不完全燃焼が低い燃焼に好適な気化装置を提供す
ることにある。

本発明の他の目的は、燃焼器において燃料粒子
がライナ冷却空気膜に入り込むのを防止する装置
を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、燃焼器用気化装置
において液体燃料粒子がスプラツシユ板構体に付
着するのを防止する装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、燃焼器用気化器ラ
イナにおいて燃焼器ドーム内での有効な噴射角を
制御する装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、燃焼器用気化器ド
ームにおいてスプラツシユ板上での局部燃焼を防
止する装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、製造が経済的で作
動が効率的な燃焼器ドーム装置を提供することに
ある。

簡単に説明すると、本発明の第一の観点によれ
ば、円筒状スリーブを二次旋回装置の下流端に配
置して二次空気流が通る軸線方向通路の外側流路
壁を得る。スリーブはこの二次空気流の流路に沿
つて軸線方向に延在し、スプラツシユ板が末広の
トランペツト形状に発散し始める点を越えた点ま
で達し、これにより噴霧パターン角度を狭め、ス
プラツシユ板表面への燃料粒子の付着を防止す
る。スプラツシユ板とスリーブとの間の空所を空
気流で清掃（purge）して燃料が空所に流れ込む
のを防止する。このようにすれば、すべての液体
燃料粒子が燃焼領域内に留まり完全燃焼する。

本発明の他の観点によれば、円筒状スリーブの
下流端に円錐台形部分を設け、この部分は外方へ
その下流端に向かつて発散し、燃料噴霧の分散を
制御し、燃料粒子をスプラツシユ板に付着させな
い。この制御された広い噴射角の結果、ドーム内
の燃料／空気比の均一性が改善されるので、点火
特性および出口温度輪郭が改善される。

本発明のさらに他の観点によれば、冷却空気を
スプラツシユ板に円周方向に離してあけた複数個
の孔を経て導入し、スリーブの外側表面に衝突さ
せるとともに外側表面に沿つて流すことによつて
スリーブを冷却する。

図面に本発明の一実施例を示すが、本発明の要
旨を逸脱せぬ範囲内で他の種々の変形や変更が可
能である。

第１図は、ガスタービンエンジンに用いるのに
適切なタイプの連続燃焼型の燃焼器１１に本発明
を適用した例を示す。この燃焼器１１は内部に燃
焼室１３を画成する中空本体１２を具える。中空
本体１２はほゞ環形状であり、外側ライナ１４、
内側ライナ１６およびドーム状端板１７よりな
る。しかし、本発明はこのような環状型に限定さ
れず、周知の円筒状カン型または管状型の燃焼器
に同等に効果的に使用することができる。この環
状型の例では、中空本体１２のドーム状端板１７
に複数個の円周方向に離して配置された開口１８
を設け、各開口１８には空気／燃料混合気を燃焼
室１３に送出す本発明の改善された燃焼装置１０
を配置する。

中空本体１２を適当な殻１９で包囲することが
でき、殻１９はライナ１４および１６との間に通
路２１および２２をそれぞれ画成する。これらの
通路２１および２２は加圧空気流を適当な給源、
例えば圧縮機（図示せず）およびデイフユーザ２
３から適当な孔またはよろい板隙間２４を経て燃
焼領域１３に送出し、周知の要領で中空本体１２
を冷却するとともにガス状燃焼生成物を希釈す
る。中空本体１２の上流延長部２６は分流板とし
て機能し、圧縮機から送出された加圧空気を通路
２１および２２および延長部２６の上流端開口２
７へ分割する。開口２７は本発明の改善された気
化装置１０と流体連通して気化に必要な空気を与
える。

燃料噴射装置への燃料の送出は、取付パツド２
９により外側殻１９に固定された中空燃料管２８
を介して行なわれる。燃料管２８は内部に燃料通
路を有する中空管部材からなり、開口２７内に適
合するように湾曲されており、液体燃料を燃料噴
射器チツプ３１に供給する。この後燃料は本発明
の気化装置により霧化される。

図示の気化装置は空気吹込み円板３２、ベンチ
ユリシユラウド３３および二次旋回装置３４を順
次直列関係で有する。空気吹込み円板３２および
燃料噴射器チツプ３１の特定の構造および作動に
ついては、本出願人に譲渡された米国特許出願第
644040号を参照されたい。簡単に述べると、１次
旋回装置（空気吹込み円板３２）は次の通りであ
る。燃料噴射器３１の先端部から出る燃料を気化
して燃焼室１３に導入するには、まず高圧空気噴
流群を燃料噴射器３１の先端部から出る低圧燃料
流に向け、こうして燃料の液滴を一部破壊しベン
チユリシユラウド３３内で噴霧混合気を反時計方
向に旋回させる。空気吹込み円板３２には、第２
図に矢印で示すように燃焼室１３内に高圧空気を
導くための複数の通路１３８が形成されている。
各通路１３８は一端に空気吹込み円板３２の斜面
１４８に形成された入口１４７を有し、他端には
空気吹込み円板３２の下流側平面１５１に形成さ
れた細長い出口１４９を有する。第６図に示す様
に、通路１３８はほぼ半径方向を向いて整合され
ているが空気吹込み円板３２の中心からわずかに
ずれて、燃料噴射器３１の先端部に向けられてい
る。これによつて、燃料の液体粒子の幾分かを破
壊し霧状にし、ベンチユリシユラウド３３内に噴
霧混合気の反時計方向旋回流をつくり出す。旋回
混合気は、軸方向速度成分を有し、ベンチユリシ
ユラウド３３の下流リツプ３６の外へ流出し、こ
こで二次旋回装置３４により送出される反対回
転、即ち時計方向旋回空気流と相互作用する。２
つの空気流間の相互作用により高い剪断力の領域
が生じ、この領域はベンチユリシユラウド３３か
ら旋回して出て来る燃料を微細に噴霧化して燃焼
器１３内で点火するのに最適な状態にする作用を
なす。

第２図に気化器ドーム部分を拡大して示す。ベ
ンチユリシユラウド３３はそのフランジ部分３７
から最小半径点即ちのど３８まで収束し、次いで
下流リツプ３６まで僅かに発散して中心穴３９を
画成する。燃料／空気混合気はこの中心穴３９内
を反時計方向に旋回しながら二次旋回装置３４の
能動領域に入る。ベンチユリシユラウド３３の外
側には平坦面４１を形成してこれを二次旋回装置
３４の前壁４２に取付け支持する。平坦面４１は
次に直角に曲がつて軸線方向に配列された外壁４
３となり、この外壁４３は二次旋回装置３４から
の軸線方向流路４４の内側境界をなす。二次旋回
装置３４は前壁４２およびこれから軸線方向に離
れた後壁４６ならびに壁４２および４６間に配置
された複数個の反対方向に回転し得る半径方向羽
根４７を含み、これにより高圧空気流を最初半径
方向内方へ、次に軸線方向配列外壁４３に沿つて
軸線方向へ時計方向旋回状態で流す。二次旋回装
置３４は、第１環状フランジ４８を装置から後方
に延在しろう付けなどによりドーム端板１７に固
着することによつて支持される。二次出口リツプ
４９は第１環状フランジ４８から半径方向内方に
配置された軸線方向配例環状フランジで、その半
径方向外側には第２図に示すように燃焼室１３中
へ延びる末広トランペツト状出口またはスプラツ
シユ板５１を固着する。スプラツシユ板５１の冷
却は、ドーム端板１７に形成された複数個の孔５
２からスプラツシユ板５１の上流側に冷却空気を
衝突させることによつて行う。さらに、ドーム端
板１７の内径部分および半径方向最内端に複数個
の円周方向に離れた孔４５および５３をそれぞれ
形成して、スプラツシユ板５１の半径方向最内端
の孔５０へ空気を供給できるようにする。これは
パージ用であり、後述する。

二次出口リツプ４９の内側には環状スリーブ５
４をしまりばめ関係で配置する。このスリーブ５
４は二次旋回装置の後壁４６に隣接する一端５５
からほゞ軸線方向に下流端５６に延在する。図面
から明らかなように、環状スリーブ５４はスプラ
ツシユ板５１が外向きに広がり始める点５７を越
えてはるかに下流まで延在し、これとスプラツシ
ユ板５１との間にくさび状空所５８を画成する。
環状スリーブ５４はその内壁５９により軸線方向
流路４４を狭め、その軸線方向長さはスプラツシ
ユ板５１の末広部分の端部間の中間点まで達し、
かくしてドーム装置からの有効噴射角を狭め、液
体燃料粒子がスプラツシユ板５１の表面に移動す
るのを防止する。その理由は、燃料粒子がスプラ
ツシユ板表面に付着すると、これらは点火されず
に燃焼器のライナ壁に移動するおそれがあるから
である。

第３図に気化器部分を拡大して示す。図示の環
状スリーブ５４は軸線方向延在部分６１および中
心軸線に対して角度αで配置された偏向部分６２
を含む。この角度αを30〜50゜の範囲にすると最
善の性能が得られることを実験により確かめた。
特に、所謂「広角」スリーブが空気始動を行うの
に良好に作動することを確かめた。環状スリーブ
５４は二次旋回装置３４からの軸線方向流路４４
の外側境界を形成しているので、前端５５付近に
円形先端６３を設けて所望の空気流特性を得やす
くするのが好適である。同様に、軸線方向延在部
分６１と偏向部分６２との間の移行部にも円形端
６４を設ける。急な鋭い角（軸線方向延在部分か
ら偏向部分への移行部の曲がり）は流れを表面か
ら剥離し、その結果流れパターンを崩すので、こ
の湾曲面は重要である。即ち、流れの旋回につれ
て、流れが速度を増し、表面静圧勾配を生成しが
ちであり、かゝる表面静圧勾配は回転半径によつ
て決められる割合で変化する。従つて半径を十分
に大きくとつて、スリーブ表面からのランダムな
局部剥離を生じることなく、流れが角を旋回でき
るようにしなければならない。当業者には容易に
理解できることだが、これらの円形端６３および
６４の半径を特定の設計および所望の性能特性に
適合するように変えることができる。環状スリー
ブ５４の外側には、へこみ面６６を形成して環状
スリーブ５４を二次旋回装置３４の二次出口リツ
プ４９の内側にしまりばめする。第２段表面６７
の直径は、表面がスプラツシユ板５１の軸線方向
延在部分の内側に密着する大きさとするのが好適
である。偏向部分６２の外側表面６８は図示のよ
うに反対側壁面と同一の角度αまたはそれに近い
角度で配置するのが好適であり、必ずしも必要で
はないが、外側表面６８をスプラツシユ板５１の
壁面と平行にするのがよい。

第４図に示す環状スリーブ５４の他の例は、軸
線方向延在部分６１を含むが、偏向部分をもたな
い。その代り、下流端５６付近の円形端６４が急
に曲がつて平坦面６９となる。この平坦面６９は
中心軸線に対して角度βで傾斜している。この所
謂「筒」型の環状スリーブの場合、角度βを30〜
90゜の範囲とするのが好適であることを確かめ
た。本例でもへこみ面６６を適当な直径として二
次出口リツプ４９の内側へのしまりばめを容易に
する。

第５図に環状スリーブのさらに他の例を示す。
本例では環状スリーブが内側に曲線部分７１およ
び平坦部分７２を具える。曲線部分７１はほゞ一
定の半径Ｒを有し、面取前縁６３から平坦部分７
２まで延在して図示のように僅かに発散する輪郭
を呈する。平坦部分７２は第３図の例と同様の角
度αで傾斜している。

上述したスリーブのうちいずれかを採用する
と、空所５８に低圧領域が生まれ、この低圧領域
が維持されれば、スプラツシユ板に流れ空洞現象
および局部燃焼（燃焼噴射器３１からの低圧燃料
流を空気吹込み円板３２からの反時計方向の一次
旋回流で破壊して霧状にし、更に一次旋回流を取
囲む、半径方向羽根４７からの反時計方向の二次
旋回流で剪断破壊し噴霧化する。この時、二次旋
回流は高速で軸方向に拡散しながら環状スリーブ
５４に沿つて移動するので、空所５８に低圧領域
が生まれ、即ち噴霧の流れの空洞が出じる。この
ため、燃料噴霧の流れが吸込まれてスプラツシユ
板に付着し局部的な燃焼を生じる。）を生じる原
因となる。そこで、孔５０を設けて冷却空気流を
空所５８に流し、これにより空所に集まりがちな
燃料粒子を空所から清掃する（即ち、くさび状空
所５８は低圧領域になつていること、及びデイフ
ユーザ２３からは加圧冷却空気流が開口２７を介
して吹込まれていることからこの冷却空気流は孔
４５，５３を介して孔５０よりくさび状空所５８
に勢いよく吹込む。この吹込み作用により、燃料
噴霧が空所５８に流れ込み易いのを、逆に吹き飛
ばし、局部燃焼を防止する。その上、この空気は
スリーブの外側に沿つて流れて、衝突および気膜
冷却過程によりスリーブを冷却する。

本発明を特定の実施例について説明したが、本
発明の要旨の範囲内で任意の他の形状をとり得る
ことが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のドーム装置を設けた燃焼器を
示す軸線方向断面図、第２図は気化器ドーム部分
の拡大断面図、第３図は気化器に設ける本願発明
のスリーブの一例を示す略図、第４図は本願発明
のスリーブの他の例を示す略図、および、第５図
は他のスリーブを設けた気化器ドーム部分の拡大
断面図である。第６図は第２図の線６−６にそつ
て見た複数の通路を有する空気吹込み円板の特徴
を示す図である。 １０……気化装置、１１……燃焼器、１３……
燃焼室、１４……外側ライナ、１６……内側ライ
ナ、１７……ドーム端板、３１……燃料噴射器チ
ツプ、３２……空気吹込み円板、３３……ベンチ
ユリシユラウド、３４……二次旋回装置、３６…
…下流リツプ、３９……中心開口、４３……外
壁、４４……軸線方向流路、４５，５０，５２，
５３……孔、４７……羽根、４９……出口リツ
プ、５１……スプラツシユ板、５４……環状スリ
ーブ、５５……前端、５６……下流端、５７……
スプラツシユ板拡開点、５８……空所、５９……
内壁、６１……軸線方向延在部分、６２……偏向
部分、６９，７２……平坦面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料噴射器３１、ベンチユリ３３、該燃料噴
   射器から出て来る燃料に対し、軸方向成分を有す
   る旋回空気流ジエツトを向ける一次旋回装置３
   ２、二次旋回装置３４およびドーム端板１７から
   僅かに離れた末広トランペツト状のスプラツシユ
   板５１を具え、二次旋回装置がベンチユリおよび
   スプラツシユ板間を介して、反対回転の旋回空気
   流を生じ、スプラツシユ板の一部が軸線に対して
   鋭角をなす型の燃焼器ドーム装置１１において、 ベンチユリおよびスプラツシユ板間にスリーブ
   ５４を設け、該スリーブの一部がほゞ軸線方向に
   配置されて内側では二次旋回装置からの空気流用
   の外側流路を形成するとともに外側では上記スプ
   ラツシユ板の傾斜部分と相まつて下流方向くさび
   状空所５８を形成し、該スリーブは軸線方向下流
   にベンチユリを越え、更にスプラツシユ板が広が
   り始める点を越えて延在し、更に軸線に対して下
   流方向発散角度で配置された下流部分を含み、 さらに該くさび状空所を空気で清掃する手段５
   ０を設けたことを特徴とする燃焼器ドーム装置。 ２ 前記下流方向発散角度が30〜50゜の範囲にあ
   る特許請求の範囲第１項記載の燃焼器ドーム装
   置。 ３ 前記清掃する手段が空気流をくさび状空所に
   導入するようにスプラツシユ板の内径部分に形成
   された複数個の孔を含む特許請求の範囲第１項記
   載の燃焼器ドーム装置。 ４ 前記ドーム端板はスプラツシユ板の半径方向
   外側に位置し、 前記清掃手段がドーム端板の内径部分に形成さ
   れた複数個の孔も含む特許請求の範囲第３項記載
   の燃焼器ドーム装置。 ５ 冷却空気流をスリーブの外側に導入する冷却
   手段を含む特許請求の範囲第１項記載の燃焼器ド
   ーム装置。 ６ 前記冷却手段がスプラツシユ板に円周方向に
   離してあけた複数個の孔を含む特許請求の範囲第
   ５項記載の燃焼器ドーム装置。 ７ ベンチユリ３３、ベンチユリ内に軸線方向に
   配置された燃料噴射器３１、軸方向成分を有する
   施回空気流をベンチユリ中に導入し燃料／空気混
   合気を下流に通過させる一次旋回装置３２、ベン
   チユリを囲み反対回転の旋回空気流を下流方向に
   導びく二次旋回装置３４、およびドーム端板１７
   に僅かな離隔関係で二次旋回装置に連結された末
   広トランペツト状のスプラツシユ板５１を具える
   型の燃焼器ドーム装置１１において、 二次旋回装置に円筒状スリーブ５４を連結し、
   該スリーブの軸線方向下流にベンチユリを越えて
   更にスプラツシユ板が広がり始める点を越えて延
   在する部分がこれを囲むスプラツシユ板の少くと
   も一部と相まつて空所５８を画成し、且つ軸線に
   対して下流方向発散角度で配置された下流部分を
   含み、内側表面では二次旋回装置からの空気流の
   外側流路を画成し、 さらに前所空所を空気で清掃する手段５０を設
   けたことを特徴とする燃焼器ドーム装置。 ８ 前記発散角度が30〜50゜の範囲にある特許請
   求の範囲第７項記載の燃焼器ドーム装置。 ９ 前記清掃する手段が空気流を空所に導入する
   ようにスプラツシユ板の内径部分に形成された複
   数個の孔を含む特許請求の範囲第７項記載の燃焼
   器ドーム装置。 １０ ドーム端板がスプラツシユ板の半径方向外
   側に位置し、 清掃する手段がドーム端板の内径部分に形成さ
   れた複数個の孔も含む特許請求の範囲第９項記載
   の燃焼器ドーム装置。 １１ 冷却空気流をスリーブの外側に導入する冷
   却手段を含む特許請求の範囲第７項記載の燃焼器
   ドーム装置。 １２ 前記冷却手段がスプラツシユ板に円周方向
   に離してあけた複数個の孔を含む特許請求の範囲
   第７項記載の燃焼器ドーム装置。 １３ 前記スリーブ内側で、スリーブの軸線方向
   延在部分と下流部分との間の表面移行部分が曲線
   状である特許請求の範囲第７項記載の燃焼器ドー
   ム装置。