JPH01277125A - 炭化水素燃料の小滴で構成された炭化水素燃料を点火する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本５Ｉ５明は、炭化水！燃料点火装置に関するものであ
り、とくに、ガスタービンエンジンの光子点火装置に関
する４０である。

〔従来の技術〕

航空機に使用されているガスタービンエンジンのような
従来の全てのガスタービンエンジンは、エンジンの燃焼
器部分の内部で空気、／燃料混合気を点火するために１
台または複数の火花放電点火装置を用いている。燃焼器
は典型的にはハウジングで構成される。そのハウジング
は、缶形またはほぼ環状の燃焼室を囲む内部ライナーを
有する。

燃焼室は典型的には１台または複数の燃料噴射器を有す
る。各燃料噴射器は加圧した燃料と空気をその中に通す
ことにより霧化して燃料噴射を行なう。点火装置の動作
によシ高エネルギーの火花放電が生ずる。その火花放′
１ｌｉｃは点火器の向き合っている２個の電極の間を点
火装置の表面を横切って移動する。火花放電のエネルギ
ーが燃焼室の周縁部において噴霧に点火する。点火によ
り生じた噴霧の燃焼は燃焼室の周縁部から中央部分まで
伝わ９、その中央部分において燃料噴射器を出た燃料の
噴霧が点火される。火花放電点火装置は、広く使用され
ていることから示されるように、それの所期の目的に良
く適するが、ガスタービンエンジンの技術革新により一
層効率的な種類の点火装置が必要とされるようになった
。

〔発明が解決しようとする課題〕

火花放電点火装置の使用にはいくつかの問題が伴う。第
１の問題は、燃焼室の周縁部における点火器の位置に関
連するものである。その周縁部位置は燃料噴射器から出
た空気／燃料噴霧を点火するには最適の位置ではない。

したがって、点火器の火花放電が点火に失敗したり、燃
焼室内で空気／燃料噴霧を完全に点火するのに失敗する
ことがおる。

ｔ！ｃ２に、点火器の動作の性質のために、装置を横切
って移動する火花放電の作用により装置が劣化および侵
食される。この劣化により点火器を一定の時間間隔で交
換する必要が生ずる結果とな９、したがって点火器の使
用者は点火器の交換のために出費と、交換に伴う作業を
強いられる。

第３に、点火器の軸を燃焼器の内部ライナーを通って燃
焼室内部へ延長させる必要があるために、点火器の軸が
燃焼器の外部の空気通路を通る空気、の流れを妨げ、そ
の結果として空気流が乱され、外部の空気通路内に乱流
が発生される結果となる。

ライナーの壁の周ｆｆ１部における周縁部位置は、ライ
ナーを冷却するために必要な空気が噴霧を点火器から除
去するから、やは９最適ではない。そのような最適でな
い条件の下で最適な点火を行うために、点火器に供給す
る電力を増大するのが普通であり、その結果として、電
力の増大に比例して点火器の寿命が短くなる。

火花放電点火装置の別の欠点は点火装置の電源と点火器
の間で生ずる電力損失に関連するものでｂる。点火装置
の電源は通常は容量型でおって、点火器の降伏電圧まで
充′ｄし、その降伏電圧になった時に点火器の電極の間
で放電して火花放電となる。この放電エネルギーは電気
ケーブルにより運ばれるが、その１気ケーブルには誘導
損失が伴う。放電エネルギーがこうむるその誘導損失は
放電エネルギーの８０〜９０％にも達することがおる。

そのような容童盃゛電源゛の性質のために、１秒間当り
約３回の火花放電という比較的一定の火花放電周波数と
なる。エンジンのある運転条件の下においては、その周
波数は最適な周波数でないことがおる。

〔発明の概要」 従来技術の前記諸問題は本発明の方法および装置によっ
て解消され、かつ燃焼室内で空気／燃料混合気を点火す
る光子点火装置を有するガスタービンエンジンによりそ
の他のオＵ点が実現される。

本発明の一実施例においては、空気／燃料混合気を点火
するために放射エネルギー源すなわち光子源が設けられ
る。放射エネルギー源はレーザで構成できる。そのレー
ザはパルス状の放射出力を生じ、そのパルス状放射出力
の波長は電磁スペクトルの紫外線（ＵＶ）部分内に含ま
れる。その紫外線はＪＰ−５燃料を構成する炭化水素分
子によυ液も完全に吸収されるスペクトル部分に含まれ
る。

放射出力は光ファイバのような光子伝送手段により燃焼
室へ結合される。放射エネルギー源は出力波長が紫外′
ａ領域内に含まれる尖光灯とすることもできる。放射は
光ファイバにより集束手段へ伝送される。この集束手段
は放射ビームを空気／ｆｆｉ料混合気内の選択された領
域に集束する。その混合気は通常は噴霧として供給され
る。点火特性を最適にするために、燃料噴射の領域は噴
霧内の最適な位置が選択される。光子点火装置は光子源
と、伝送手段と、集束手段とを備える。それらの光子源
や手段は、航空機のジェットエンジンに取付けることが
できる小型・軽量のモジュールにまとめることができる
。

本発明を使用することにより、放射の焦点を、燃料噴！
ｌを点火するために最適な領域に決定される空間内の領
域内位置させることができるから有利でちゃ、したがっ
て必要とする点火装置のエネルギー量が最少となる。こ
うすることにより、火花放電点火器が、燃料噴霧が一般
的には望ましくない燃焼器のライナーの壁に位置される
従来技術の問題が解消される。ライナーを冷却する空気
によυ燃料噴霧が点火器から除去される。このような環
境の下において確実な点火を行うために一層高いエネル
ギーを必要とする、そのために点火器の有用な寿命を短
くする問題も解消される。特殊なライナー冷却処理を特
徴とする特殊な点火器穴を必要としないように、本発明
の点火装置は、希望によっては、放射を既存の燃焼器ラ
イニング主空気穴を通って照射する。また、燃焼器の外
部空気通路を流れる空気流を妨げる傾向がある点火器の
軸が無くされ、それにより妨害されない外部空気通路が
設けられ、その外部空気通路内での破壊的な乱流が解消
される。

本発明の光子点火装置は点火器の電＃（通常は容量型回
路）と点火器の間の点火電力こうむる比較的大きい誘導
損失に関連する問題も解決する。

本発明の光子点火装置においては、最少の誘導損失効果
が含まれるから、それらの誘導損失は大幅に減少する。

その代りに、損失は、光が光ファイバを伝わる間にこう
むる比較的７４％さい光損失となる。

更に、容量型回路の緒特性による１秒間当９約３回とい
う比較的一定な点火率が、光子点火装置が可変パルス周
波数で動作させられる光子源を有することができるため
に、解消される。

火花放電点火器を無くしたために、本発明の光子点火装
置は、動作中に急速に消費され、または劣化させられる
部品を持たず、そのために保守の手間を省くことができ
、したがって保守に伴う費用も減少する。点火装置にし
たがってエンジンの全体の信頼度も大幅に向上する。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

まず、燃謂器ハウジング１２と、燃焼器ライナー１４と
、燃焼室１５の近くの複数の燃料噴射器１６とを有する
ガスタービンエンジン１４の一部が示されている第１図
を参照する。各燃料噴射器１Ｂは、空気／燃料混合気を
含む燃料噴霧１Ｂを発生できる。ガスタービンエンジン
１０のための燃料は通常はＪＰ−５のような炭化水素燃
料である。

そのような炭化水素燃料は複数の谷檀の炭化水素分子で
構成される。それらの炭化水素分子は一般に高工坏ルギ
ーの炭素−は素結合により特徴づけられる。それらの炭
素−戚累績合は、点火中に分離されると、エンジンに希
望の動力を供給する。

ガスタービンエンジンの動力は、エンジンの用途に応じ
て、各種のやυ方で利用できる。このエンジンは、たと
えば、ローターを回転させるためにヘリコプタ−で使用
でき、動力を供給するために装甲車で使用でき、または
ジェット機に推力を・供給するためにジェット機におい
て使用できる。したがって、以下に説明する本発明の諸
実施例は各種の用途において非常に有用であることを理
解すべきでおる。

本発明の詳細な説明している実施例においては、燃料噴
霧１８の点火は放射エネルギー出力を有する光子源２０
により行われる。その光子源は光ファイバ２２のような
光子伝送手段によりエンジン１０の燃焼室１５へ結合さ
れる。光子源２０の放射エネルギー出力は集束手［２４
のような結合手段により燃焼室１５へ結合されて放射エ
ネルギー出力の集束されたエネルギービームを発生する
。

ビーム２６は燃料噴′ｓ１８のｔ逼な領域に集束されて
点火を行う。集束されたビーム２６は燃料噴１１１Ｂの
最適な領域内の１個または複数個の小滴を点火し、その
点火による燃焼は燃焼Ｎ１５全体に伝わって各複数の燃
料噴射器１６からの燃料噴霧に点火する。ひとたび点火
されると、燃料の燃焼は、理想的には、連続した自己保
持過程である。

光子源２０は尖光灯またはレーザのようなパルス状光子
源とすることが好ましい。本発明に従って、光子源２０
の放射出力は所定の波長または所定の波長範囲を有する
。波長または波長範囲は、炭化水素燃料により最も完全
に吸収される波長範囲に一致するように予め定められる
。したがって、燃料噴ｌ１１ａ内の燃料小滴により光子
源２０の放射エネルギー出力の吸収によって、１個また
は複数個の小滴内で局部的に加熱され、それにより小滴
が点火される。本発明のこの特徴については後で詳しく
説明する。

第１図および第２図に示すように、集束されたビームは
、燃焼器のハウジング１２に設けられている開口Ｓを通
じて燃焼器に照射される。ライナー１４に設けられてい
る主空気穴をこの目的のために有利に利用できる。ある
いは、集束されたビーム１６を燃焼器内に入れるために
とくに作られた開口部を設けることによυ本発明を使用
できる。

第３図には本発明の別の実施例が示されている。

この実施例においては、１つの燃料噴射器１６に伝送手
段２２と集束手段２４が設けられる。そのような燃料噴
射器１６においては、矢印人で示されているように、加
圧された液体燃料が、中央に配置されている空気導管の
周囲に供給される。その導管は圧縮空気を燃料噴射器１
６の端部に設けられている開口部へ送ることによυ、空
気と液体燃料が混合されて燃料噴霧１８を形成する。本
発明のこの実施例に従って、伝送手段（この伝送手段は
元ファイバで構成できる）には、半径方向に変化する油
接率を有する端末部３０が設けられる。

そのように半径方向に変化する油接率を持つことにより
、放射エネルギーを集束されたビーム２６に集束できる
。そのような光ファイバは「グレーデッド形」光ファイ
バとして知られている。したカッチ、独立した集束レン
ズすなわち別の集束レンズの使用は必要でない。ビーム
２６が噴霧２６内の最適な点に集束されてその噴霧１８
を点火するように、光ファイバ２２の端部は位置させら
れる。その最適な点は、光子源２０への最少量の入力エ
ネルギーで燃料噴霧を点火できる点として決定される。

もちろん、最適な点の正確な位置は、たとえば燃焼器の
寸法、形状に関連し、経験的な手法で最適に決定できる
。

次に、本発明の前記諸特徴が詳しく示されている第４図
と第５図を参照する。第４図かられかるように、光子源
２Ｇは放射エネルギー出力３２を有する。その放射エネ
ルギー出力は集光レンズ３４に入射し、その集光レンズ
により放射エネルギー出力３２は部分的に集束されたビ
ーム３６となり、そのビーム３６は光ファイバ２２の′
端部に入射する。ビーム３６の集束度は、光ファイバ２
２の端部へ損傷を与えない程度に選択される。それから
、放射エネルギー出力３２は光７アイバ２２の内部を伝
わって反対側の終端部に達する。光ファイバ２２の終端
部内に包含させることができる集束手Ｒ２４は集束レン
ズ４０で構成できることがわかる。その集束レンズに、
光７アイパ２２から出た放射エネルギー出力３８を集束
されたビーム２６に集束するために機能できる。１個ま
たは複数個の小滴の前記局部的な加熱が起きて、小滴が
点火されるように、ビーム２６の集束点は噴霧１８の空
間領域内に定めると有利である。

第５図において、集束手段２４はグレーデッド形光ファ
イバ２２を有することがわかる。この種の光ファイバ２
２の終端部３０は、前記したように、半径方向に変化す
る油接率を有し、その半径方向に変化する油接率部分に
おいて放射エネルギーをビーム２６に集束する。１つの
適当な種類のグレーデッド形光ファイバが３ＥＬ−ＦＯ
Ｃとして知られている。

Ｎ４図と第５図に示されているレンズは例示的なもので
あって、特定の用途においてはそのようなレンズｔ−３
枚以上利用できることがわかる。更に、集束手段２４は
レンズまたはグレーデッド形光ファイバ以外の手段とす
ることができることもわかる。放射エネルギー出力を集
束できるものであればどのような集束手段も本発明に使
用できる。

前記したように、光子源２０の波長または波長範囲は、
点火することを希望する炭化水素燃料の放射吸収特注に
関連づけられる。第６図は何種類かの炭化水素燃料、と
くにＪＰ−４，ＪＰ−５および隘２燃料油（ディーゼル
燃料）による放射エネルギーの吸収特性の百分率を示す
グラフである。もちろん、燃料の放射エネルギー吸収は
透過率の逆関数でおる。すなわち、１００％の透過率は
０％の吸収率に対応し、同様に１００％の吸収率は０％
の透過率に対領する。第６図かられかるように、ＪＰ−
５の吸収の百分率は、約４００ｎｍからはるかに長い波
長範囲まで、約６２０ｎｍの領域における小さい上昇を
除いて、はぼ１％ないし２％のままでめる。Ｎ６図のグ
ラフにおいては、波長は９００ｎｍまで示されている。

４００ｎｍ以下においては、　吸収百分率は急激に上昇
し、３３５　ｎｍにおいて吸収ゴ分率は約８０係である
ことがわかる。約３３０ｎｍおよびそれ以下においては
吸収百分率は最高で、はぼ１００％である。この高い吸
収率の波長範囲は、紫外線と名づけられている電磁スペ
クトルの部分内に含まれる。

更に詳しくいえば、この高い吸収率の領域は、空気の透
過速断波長、約１８５ｎｍ、から約４００　ｍｍまで延
びる紫外朦スペクトルの部分に含まれる。

約１８５ａｍ以下は、ｉｃ空紫外線として特徴づけられ
る領域であるから、動作のために空気の環境に頼るガス
タービンエンジンのようなエンジンの場合に：ｒ２：と
くに対象とはしない。もちろん、対象とする特定の波長
は、燃焼鼠において用いることを希望する燃料により強
く吸収される波＊乾吐に依存する。したがって、本発明
の方法および！ｌｉ！置は、定義によりスペクトルの紫
外線領域内である波長以外の改良・を有する放射で実施
できることを理解すべきである。

周知のようは、物質によｐｉｔ磁エネルギーが吸収され
ると、その吸収したエネルギーによりそのｖｌＪ負の内
部で局部的な発熱が起る。たとえは、−船釣な窓ガラス
は赤外線スペクトルにおいて高−電磁放射透過率を示す
ことが知られている。したがって、太陽のように赤外線
領域内の波長を有する電磁放射源は、窓の板ガラスを照
射してもほとんど妨げられずに透過するために赤外線放
射によるガラスの加熱は無視できるほどである。しかし
、ガラスは紫外線の効率的な吸収物質であって、ガラス
により吸収される日光の紫外線部分のために発熱する。

前記例に従って、光子源２０の放射エネルギー出力が、
たとえばＪＰ−５により吸収される波長に対応する波長
範囲を有するものとすると、ＪＰ−５の小滴は放射エネ
ルギー出力にさらされると局部的に発熱する。光子源の
エネルギーが十分であれば、その局部的な発熱はＪＰ−
５の小滴の破砕、電気的な降伏および点火を生ずるよう
な範囲まで起る。放射エネルギーの前記集束は、希望の
波長における出力の十分なエネルギーを達成するための
１つの方法にすぎない。

次に、燃料噴霧１８中に存在する小滴の典型的なもので
ある代表的な燃料小滴５０が示されている第７図を参照
する。この小満５０はほぼ球形であって、点火時の直径
は典型的には２０μｍから１０００μｍまたはそれ以上
でおる。小滴の直径の実際の値は燃料の温度、燃料噴射
器の構造のような種々の要因に依存する。燃料噴霧１８
中に存在する小滴の平均直径は主として燃料噴射器１６
の関数である。グラフ５２は、約１８５〜４００　ｎｍ
の波長範囲内の放射エネルギーを小満５０が吸収したこ
とによるその小滴の内部温度変化を三次元で示すもので
ある。放射エネルギーは矢印人で示されている方向から
小満５０に入射する。このグラフ５２は小滴５０の上側
の半球、すなわち、小滴５０を通る赤道平面５６の上側
の小滴領域の円部温度を示す。もちろん全体の小滴はそ
のようにして加熱される。

このグラフかられかるように、小滴の内部温度は、空間
的に変化する振幅で非直線的に変化する。

この温度プロフィールの特定の性質、または温度勾配、
は入射する放射の偏向、放射の波長および強さ、小滴の
直径、小滴５０内の炭化水素燃料の複屈接率のようない
くつかの要因に依存する。ガスタービンエンジンＯ空気
／燃料噴霧中で典型的に見られる寸法を有し、約１８５
〜４００ｎｍの波長範囲の紫外線を照射された小滴につ
いて、小滴の局限された領域内の内部温度がその炭化水
素燃料の気化温度をこえることが見出されている。たと
えば、大気圧においては、ＪＰ−４の概略気化温度は約
１６０℃（２２０？）　、ＪＰ−５の概略気化温度は約
２２１℃（４３０”Ｆ　）、Ｎ１２燃料の概略気化温度
は約２４３℃（４７０下）である。第２図に領域５８と
して２個所示されているそれらの局限された高温度領域
のために、液体燃料小滴の内部に過熱された炭化水素燃
料蒸気が形成されることになる。それらの過熱蒸気が膨
張して、小滴の光面張力より大きい力を小滴の表面に発
生し、その結果として小滴５０が破裂する。小満５０が
破裂すると過熱された燃料蒸気とサブミクロンの寸法の
燃料小滴が小滴５０を囲んでいる領域内に放出される。

その局部的な加熱と、破裂および小滴５０からの放出は
、典型的には１０ナノ秒より短い時間内で起る。

上記のように小滴が破裂した後で、入射した放射のエネ
ルギーは空気／燃料噴霧の分子を更に分解して自由電子
を生じさせる。また、放射エネルギーの強さは、空気／
燃料ｇＸ霧中に存在する酸素から原子酸素を発生させる
のに十分でおる。空間の限られた領域内に、自由′１子
と、原子酸素と、燃料蒸気および微小滴であるそれら各
種の成分が存在するために、その領域内の燃料が点火さ
れることになる。

先に説明したように、入射する放射の波長はそのような
点火を行う際の１つの重要な要素である。

更に、６る与えられた空間領域内でのその入射放射の強
さも重要な要素でおる。放射の波長と強さは光子源２０
と、伝送手段２２と、集束手段２４とにより主として決
定されるから、本発明のそれらの部品については以下に
詳しく説明する。

次に第９図とともに第８図を参照する。第８図には・光
子源２０が電磁スペクトルの紫外線領域内の光子出力を
有する尖光灯６０を備、ｔ６本発明の一実施例が示され
ている。第８図かられかるように、尖光灯６０は約２０
０〜３８　Ｑ　ｎｍの波長範囲の出力、カーブＡ１を生
ずる。第６図と第８図に示されているグラフを重ね合わ
せたとすると、その波長範囲はＪＰ−５により最も良く
吸収される波長範囲に含まれることが容易にわかる。

尖光灯６０は放′ｔｔ源６６へ結合される陽極６２と陰
極６４を有する。尖光灯６０はトリガ源ＴＯへ結合され
るトリガ電極６８も有する。そのトリガ電源１０は、尖
光灯６０から電磁放射のパルス７４を発生させるために
トリガ電極６８に高′シ圧パルスを調節できるようにし
て印加するために動作できる。電磁放射のパルスが尖光
灯６ｏから適当な窓Ｔ２を通って出る。電磁放射のパル
ス７４は集光レンズＴ６によシ集光され、光ファイバ２
２のような伝送手段により集束手段２４へ送られる。

それによｐ１尖光灯６０ｃ１ｍ束された出方は燃焼室１
５内へ供給されてその燃焼室内での空気／燃料噴霧の点
火ｔｌ−開始させる。

電磁放射パルスＴ４の希望の特性に応じて、集光レンズ
Ｔ６は１枚または複数枚のレンズを含むことがある。た
とえば、ｆ値が比較的小さい集光レンズは一般により多
くの放射を果めで、より多くのパワーを出力ビームに供
給する。多素子集光レンズ７６の球面収差は一般に小さ
く、したがってより多くのビームエネルギーが光ファイ
バ２２の端部に集束される。尖光灯６０には、大部分の
出力放射′に集光レンズＴ６へ反射させるために適当に
位置させられる反射器（図示せず）を設けることもでき
る。

知られているように、尖光灯６０のような尖光灯は、紫
外線の発生に適当である水銀−キセノンのような気体状
媒体を通常含む。希望の紫外線範囲の出力を生ずる別の
気体状媒体として重水素がある。尖光灯６０に使用する
ために選択される特定の媒体を最適にして、希望の波長
範囲内で強力なｔ慨出力を生じさせることができる。

次に、本発明の別の実施例が示されている第１０図を参
照する。第１０図において、放電源８４へ結合された一
対の１極８０と８２の間の領域に↓υ影形成れている空
胴をレーザＴ８が有することがわかる。放１を源８４は
、レーザ７８の内部に設けられて−るＶ−ザ媒体（図示
せず）を励起するために機能できる。レーザＴ８の空胴
の一端部に反射鏡８６が設けられ、レーザの空胴の他端
部には半透明の出力ｗ８８８が設けられる。

ｉａｃ極８０．８２および放電源８４の動作のために、
レーザ７８内部のレーザ媒体ガスレーザ発振をひき起さ
れて強力な出力放射パルス９０を発生する。その出力放
射パルスは第１の巣元レンズにより、元ファイバ２２の
ような伝送手段へ送られる。出刃放射パルス９０に集束
レンズ８４、菫たは光ファイバ２２が前記グレーデッド
形でちれば、ｖ：、７アイバ２２目体の元字的特性によ
ｐ、光ファイバ２２を出た時に集束できる。一般に、１
秒間当りに発生されるパルスの敷金制御しつり質えるこ
とがでさるように、そのようなレーザの製作によシバル
ス繰返光し率を制御する。尖光灯６０と同様に、パルス
繰返えし率のこの制御は、尖光灯またはレーザ＾、結合
される適当な周知の制御装置を設けることにより、操縦
士のようなエンジンの利用者が行うことができる。この
ようにして火花放電点火装置の一定点火率が解消される
。

レーザ７８は、クリプトン−フッ化吻で構成されたレー
ザガス媒体を有し、特性波長が約２５０ｎｍで６るエキ
シマレーザとすることができる。第８図を参照して、こ
の特性波長がスペクトル線Ｂとして示されていることが
わかる。レーザＴ８に用しられているレーザ媒体は３０
８ｎｍＯｃ１９性波長を発生するキセノン−塩化物を用
いることもできる。

この特性波長が第８図にスペクトル線Ｃとして示されて
いる。゛ 一般に、尖光灯６０は比較的広い波長範囲を発生し、レ
ーザ１８ははるかに狭い波長範囲または特性波長さえも
発生する。もちろん、尖光灯６０またはレーザ７８に使
用するために選択される特定の媒体は出力放射の希望の
波長によシ決定され、したがって何ｔＳｔかの公知の気
体状媒体または非気体状媒体を使用できる。先に示した
気体状媒体の例は羊に例示的なものでるり、本発明の範
囲を制限したυ、それらの媒体ｉｃ関連する波長に限定
されることを意味するものではない。同様にして、光子
源２Ｇを、点火することを希望する特定の燃料により強
く吸収されるものとして決定される波長で構成される持
続出力またはパルス状出力を発生するものであれば、任
意の電磁エネルギー源とすることができる。

先に述べたように、燃料噴霧中の希望の空間領域におけ
るワット／ｃｎ１２で表した強さ、またはパワー、は燃
料を点火する際に考慮すべき重要な要件である。第９図
に示されている本発明の尖光灯実施例の場合には、空気
／燃料噴霧を点火するのにＩＯＷの平均パルスパワーで
十分であることが確かめられている。したがって、尖光
灯６０をたとえば１秒間当９１０パルスで動作させられ
たとすると、その各パルスは約１ジユールの特性エネル
ギーを有することがわかる。尖光灯のパルス幅は０．１
マイクル秒またはそれよｐ狭くすることができる。もち
ろん、尖光灯６０により発生されたパルスの幅が狭くな
ると、そのパルスに含まれる瞬時パワーが大きくなる。

第１０図に示されている実施例では、パルスパワーが０
．１ジユールで、パルス幅が約１０マイクロ秒であるレ
ーザパルスを発生するキセノン−塩化物レーザは、空気
／燃料噴霧を点火するのに十分であることが判明してい
る。一般に、必要なパワーは噴霧中のビームの集束度と
、噴霧の分子組成と、噴霧中に含まれている小滴の直径
と、いくつかの他の要因とに関連する。

このように、光子源として選択した特定の電磁放射源の
スペクトル特性とパワー特性は、特定の用途の要求によ
り決定できる。一般に、燃料蒸気とサブミクロン寸法の
小滴の混合物を点火するのに約１０８〜ｌ　Ｑ”　ｑ／
ｃｍ”で十分であることが判明している。その混合物は
小滴が破裂している間に小滴により放出されるものであ
ることを憶えておかれたい。このパワーは、小滴を含ん
でいない純粋な燃料蒸気を電気的に破壊するために必要
であることが判明している約Ｉ　Ｑ”　Ｗ／ｃｍ”のパ
ワーレベルに匹適するから好ましい。

以上の説明かられかるように、本発明を用いることによ
りいくつかの利点が得られ、従来技術の火花放電点火技
術に関連する諸問題の多くが解決される。たとえば、火
花放電点火器を用いるガスタービンエンジンにおいては
、その点火器が２個用いられるのが普通である。１個の
点火器は、第１の点火器の有用な寿命をこえた時に使用
するための予備としてとっておかれる。しかし、尖光灯
を使用すると点火器の保守作業が大幅に減少する。

たとえば、尖光灯を１秒間当９１０回尖光を発生するよ
うに動作させたとすると（これは火花放電点火装置の点
火率の約３倍である）、尖光灯の最短寿命は約１０１パ
ルスであるから、動作寿命は約２０００時間である。レ
ーザの有用寿命も何百万個のパルス発生数で測定される
ものであるから、同様な性能が得られる。もちろん、エ
ンジンの信頼度に関連して冗長性を持たせるために、各
エンジンに独立した２台の光子点火装置を設けることが
できる。

有用寿命を前記のように長くできることにより、エンジ
ンの運転中は点火装置をそのまま放置しておくことがで
きるからガスタービンエンジンにおいては非常に有利で
あり、そのためにエンジンの信頼度が大幅に向上する。

通常は、燃焼室内で失火が生じた時に空気／′燃料霧噴
を迅速に再点火するために、航を機の離陸中および着陸
中は火花放電点火装置が使用される。離陸および着陸以
外の飛行中は火花放電点火装置は使用しない。飛行中に
失火が生じた時は、空気／燃料噴霧を再点火するために
火花放電点火装置を再度使用せねばならない。しかし、
本発明を使用することにより、点火器の交換による保守
作業の増大をもたらすことなしに、全ての飛行段階にお
いて点火装置を定常的に使用できる。このようにしてエ
ンジンの全体の信頼度が向上する。もちろん、動力源と
してガスタービンエンジンを用いる他の装置においては
、燃焼器における失火による出力低下をほとんど無くす
ために本発明のこの％徴を利用することもできる。

１つの光子源で複数のエンジンを点火することができる
ように光子点火装置を構成できる点で、本発明を用いる
ことは有利でもある。第１１図かられかるように、光子
出力１０２を生ずる光子源１００に複数の集光レンズ１
０４〜１０８が設けられる。

それらの集光レンズは光子出力を複数の光７アイＩ（１
１０〜１１４へそれぞれ結合する。各光７アイバ１１０
〜１１４は光子出力１０２の一部を対応するガスタービ
ンエンジン１１６〜１２０へそれぞれ送る。このように
して、エンジンの点火を確実に行うことができるうえに
、構造が簡単で、軽量であバかつ安価な点火装置を得る
ことができる。

本発明の使用は一定の波長または波長範囲に限定される
ものではなく、光子源から波長を制御しつつ変化できる
出力を発生することも本発明の範囲に含まれることを理
解すべきである。たとえば、燃料がエンジンへ供給され
る間にその燃料の波長吸収特性を実時間で連、続測定す
る適当な波長吸収測定手段をエンジンの燃料源に結合で
きる。測定した波長吸収特性を基にして、制御可能な回
接格子手段などにより光子源の波長出力を動的に変化し
て、燃料の吸収特性に合わせて波長出力を最適にするこ
とができる。

また、本発明を使用しても、燃料の吸収特性を増強する
ために、燃料に添加剤を添加する必要はないことも理解
すべきである。同様に、不発明を用いても、たとえば油
煙粒子のような、エンジンの運転により燃料中に含まれ
るようになることがある吸収性物質の存在を必要とする
こともない。

更に、光子出力は、燃料により強く吸収される波長範囲
内にるるから、点火を行うために多数のエネルギーパル
ス全供給する必要はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は伝送手段と集束手段によυ燃焼室へ結合されて
いる光子源を示す概略部分断面図、第２図は集束された
光子ビームおよび炭化水素燃料噴霧に対するその光子ビ
ームの位ｔｔを示すｓ１図の一部の概略部分断面図、第
３図は燃料噴射器から供給されている９に末された光子
ビームを示す概略断面図、第４図は燃料噴霧に光子ビー
ムを集束するために設けられるレンズｖｉ−ｒる本発明
の一実施例の略図、第５図は光子ビームの集束をグレー
デッド光ファイバで行う本発明の別の実施例の略図、第
６図は何種類かの炭化水素燃料のナノメートルで表した
波長の関数としての放射吸収百分率を示すグラフ、第７
図は入射１ｊＩＬ磁エネルギーパルスによる炭化水素燃
料小滴内にひき起された温度こう配を示すグラフ、第８
図はナノメートルで表した波長の関数としての尖光灯の
エネルギー出力とレーザ光子源のエネルギー出力を示す
グラフ、第９図は尖光灯光子源を有する光子点火装置の
略図、第１０図はレーザ光子源を有する光子点火装置の
略図、第１１図は複数のエンジンへ点火エネルギーを供
給するために１つの光子源と複数の光子伝送手段とで構
成された光子点火装置を示すブロック図である。 ２０　、１００・・・・光子源、２２　、１１０〜１１
４・・・・光ファイバ（光伝送手段）、２４・・・・集
束手段、３４，７６．１０４〜１０８・・・・集光レン
ズ、４０．９４・・：、・集束レンズ、６０−・・） ・・・尖光灯、６６．８４・・・・放′１諒、７０φ・
・・トリガ源、７８・・・・レーザ特許出願人　　ユニ
パーシティ・オブ・テネシー・リサーチ・コーポレーシ
ヨン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化水素燃料により強く吸収される電磁エネルギ
   ーの波長の範囲を決定する過程と、 炭化水素燃料の小滴を供給する過程と、 決定された波長範囲の１つまたは複数の波長を有する電
   磁エネルギーを発生する過程と、 １個または複数個の小滴がエネルギーを吸収することに
   より小滴が点火され、それに続いて燃料中にほぼ全ての
   小滴が点火されるように、エネルギーを燃料に照射する
   過程と、 を備えることを特徴とする炭化水素燃料の小滴で構成さ
   れた炭化水素燃料を点火する方法。
2. （２）電磁エネルギー源を起動して放射エネルギー出力
   を発生させる過程と、 その出力を燃焼室内の、燃料の小滴を含む、空気／燃料
   の噴霧に照射して、１個または複数個の小滴に放射エネ
   ルギーを吸収させ、放射エネルギーを吸収した小滴が加
   熱されて点火されることにより空気／燃料噴霧も点火さ
   れるようにする過程と、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼
   室内で空気／燃料混合気を点火する方法。
3. （３）所定の波長範囲内の波長を有する光子源を発生す
   る手段と、 この発生手段からの光子をガスタービンエンジン内の燃
   焼室へ送る手段と、 燃焼室内の燃料の霧の内部に光子を照射する手段と、 を備え、その燃料の霧は光子を吸収してそれの点火温度
   まで加熱され、それにより燃料が点火されることを特徴
   とするガスタービンエンジンの燃焼室内の燃料の霧に点
   火する光子点火装置。
4. （４）燃料により強く吸収されて燃料を発熱させる波長
   の範囲に対応する波長を有する光子源と、光子を光子源
   から燃焼室へ送るために動作できる光子伝送手段と、 送られた光子を燃焼室の最適領域内で集束して燃料を点
   火するために動作できる集束手段と、を備えることを特
   徴とするガスタービンエンジンの燃焼室内の空気／燃料
   噴霧を点火するガスタービンエンジン光子点火装置。
5. （５）ガスタービンエンジンの燃焼室内で、炭化水素燃
   料の小滴で構成されている燃料噴霧を点火する方法にお
   いて、 約１８０〜４００ｎｍの間の波長範囲内の波長を有する
   電磁エネルギーのパルスを発生する過程と、電磁エネル
   ギーのパルスが１個または複数個の小滴に接触するよう
   に電磁エネルギーのパルスを集束する過程と、 小滴内で電磁エネルギーのパルスのエネルギーを吸収さ
   せて、その小滴内で温度勾配を生じさせ、その小滴の１
   個所または複数の個所の内部領域の温度が炭化水素燃料
   の気化温度を超えるようにする過程と、 炭化水素燃料の気化温度を超える前記領域内の温度のた
   めにその領域内の燃料を気化することにより、気化した
   燃料の膨張によりその小滴の表面へ、小滴の表面張力よ
   り大きい外向きの力が加えられることにより、小滴の表
   面が破られて燃料の蒸気が放出され、小滴が一層小さい
   小滴および自由電子に分解されることにより、小滴が点
   火され、その点火により、近くに存在する別の燃料小滴
   が点火されて、燃料噴霧中のほぼ全ての小滴が点火され
   るようにする過程と、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼
   室内で、炭化水素燃料の小滴で構成されている燃料噴霧
   を点火する方法。
6. （６）動力を供給するために、燃焼室をおのおのが有す
   る１台または複数台のガスタービンエンジンを有する装
   置において、 電磁エネルギー源を起動して放射エネルギー出力を発生
   させる過程と、 各燃焼室内で、燃料の小滴で構成されている空気／燃料
   混合気内に放射エネルギー出力を照射して、１個または
   複数個の小滴にその放射エネルギーを吸収させて、その
   放射エネルギーにより小滴を加熱することにより空気／
   燃料噴霧を点火する過程と、 を備えることを特徴とするガスタービンエンジンの各燃
   焼室内で空気／燃料混合気を点火する方法。
7. （７）所定の波長範囲内の波長を有する光子源を発生す
   る手段と、 この発生手段からの光子をガスタービンエンジン内の燃
   焼室へ送る手段と、 燃焼室内の燃料の噴霧の内部に光子を照射する手段と、 を備え、その燃料の噴霧は光子を吸収してそれの点火温
   度まで加熱され、それにより燃料が点火されることを特
   徴とする燃焼室内の燃料の霧に点火する光子点火装置。