JPH02233907A - 燃焼器の燃料噴射器配列 - 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］ 本発明は、航空機のスラスト（推力）を発生するガスタ
ービンエンジンに関し、特に高負荷燃焼をｒＩ１能とす
るガスタービンエンジン用燃焼器の燃料噴射器配列に関
ケる。

Ｅ従来の技術ｊ より高性能な航空機を生み出すために、航空ガスタービ
ンエンジン産業においては、ガスタービンエンジンの単
位重量当たりの発生スラスト、所謂スラスト重量比を増
加する試みがしきりと行われている。通常、より大きな
スラストを得るために燃焼器の燃焼温度を上昇したり、
他方では、エンジン重量を低減するために燃焼室の長さ
を短くしたりしている。安定化した燃焼を犠牲にするこ
となく、燃焼温度の上昇を達成する技術として、１９８
０年３月２５日、ステンガー（Ｒ．Ｅ．　Ｓｔｅｎｇｅ
ｒ）に付与された米国特許第４，１９４．３５８号には
、二重環状燃焼器が開示されている。この二重環状燃焼
器においては、燃焼温度の上昇を来すことができるが、
燃焼室の環状ドームの幅及び燃焼室を画成するライチの
表面積を増加しなければならず、燃焼器全体の寸法形状
の増加を来し、これに伴ってタービンエンジン総重ｍの
増加を来すといった欠点を持っていた。

二重環状燃焼器及び一般的な環状燃焼器における燃焼室
の発熱虫は、空気と燃料からなる混合気の空燃比に依存
する。燃焼器のドーム内に配設された燃料噴射器内の燃
料噴射ノズル／一次空気渦流器は、燃料と一次空気を混
合する効率的なミキシング装置ではあるが、実際に燃料
噴射器内に配設された空気渦流器近傍には、比較的混合
度合いの低い混合領域、即ち低負荷燃焼を来す領域が存
在する。このことは、燃焼室内では、必ずしも燃焼領域
全体に亘って均等な高負荷燃焼が生じないことを意味す
る。そこで、燃焼ガスがタービンに到達する前に、混合
気を完全燃焼するため、比較的長い燃焼室を必要とした
。

［発明が解決しようとする課題］ 二重環状燃焼器或は一般的な環状燃焼器における高負荷
燃焼領域を改善するために、燃料噴射器内の渦流器のス
ワール（渦）の巻き方向、所謂スワール方向を考慮して
、隣接する燃料噴射器からの一次空気の渦流を強め、空
気／燃料の混合度合いを高めることも考えられる。例え
ば、隣接する燃料噴射器内の渦流器のスワール方向を相
互に反対向きに設定すると、即ち第一渦流器のスワール
方向を時計方向に、第二渦流器のスワール方向を反時計
方向に、第三渦流器のスワール方向を時計方向に設定し
た場合は、これらの渦流器の内の一個の渦流器の周囲を
流れるスワールは、常に隣接する渦流器の周囲を流れる
スワールと同一方向となる。このようなスワール方向の
設定に従って、隣接する渦流器は、互いにその渦流を強
め合って、空気／燃料の混合度合いを高め、結果的には
燃焼器の燃焼効率を高めることが可能である。しかしな
がら、一定の半径で配列された燃料噴射器内に渦流器を
有する環状燃焼器、或は中間壁により隔成された二列の
燃料噴射器内に渦流器を有する二重環状燃焼器において
は、前記したようなスワール方向を交互に逆方向に設定
するようなことは為されておらず、実際には全ての渦流
器のスワール方向．が同一方向に設定されている。これ
は、上述したような交互にスワール方向を逆方向とする
ことにより、隣接する渦流器は相互に渦流を強めること
ができるが、勢いの強まった、高温の渦流が燃焼室のラ
イナ壁に衝突するように方向付けられ、ライチの熱劣化
を来し、燃焼器の寿命を短くしてしまうためである。こ
のように、燃焼器の耐久性を考慮して、通常、従来の環
状燃焼器の全ての渦流器のスワール方向は、同一方向に
設定されている。同一スワール方向を有する渦流器の場
合には、ある渦流器の周囲を流れるスワール方向は、隣
接する他の渦流器の周囲を流れるスワール方向とは逆方
向である。このため、渦流器からの高温ガスを燃焼器の
ライナ壁に方向付けることを防ぎ、ライナの熱劣化を防
ぐことができる。しかしながら、この場合には、渦流器
と渦流器の間に占める低負荷燃焼領域の占める割合を大
きくしてしまうといった欠点がある。

本発明の目的は、タービンエンジンのスラスト重量比を
増加するために、燃焼器の燃焼温度上昇を伴って、燃焼
器寸法及びその重量の低減を図ることを目的とする。

このために、本発明に従う燃焼器の第一の特徴は、燃焼
器のドーム内の燃料噴射器をドームの外周に沿って千鳥
型配列としたことである。

また、本発明の他の特徴は、隣接する渦流器のスワール
方向を相互に反対方向となるように設定して、渇流器の
周囲を流れる渦流を相互に強め合うと共に、勢いの強め
られた渦流状高温燃焼生成ガスを燃焼器ライナ壁面に方
向付けることのないように、隣接する渦流器のスワール
方向を設定することである。

［課題を解決するための手段ｊ 上記した目的を達成するために、本発明の構成に従うと
、燃焼器の軸方向に延びる環状外壁と、環状外壁に対し
て同軸に配設され且つ環状外壁と共に燃焼室を画成する
軸方向に延びる環状内壁と、環状外壁と環状内壁を相互
結合し且つ燃焼室の上流端を閉口するドームと、ドーム
に配設され且つ空気渦流手段を有する複数の燃料噴射器
とから構成し、複数の燃料噴射器を燃焼器の軸に対して
二つの異なる半径で配列し、複数の燃料噴射器の隣接す
る三つの燃料噴射器の内、二つを大きな半径又は小さな
半径のいずれかで配列し、隣接する三つの燃料噴射器の
内、残りの一つを他の二つと異なる半径で配列し、且つ
隣接する三つの燃料噴射器の各燃料噴射器の中心を結ぶ
想像線が三角形を画成するように配列したガスタービン
エンジンの環状燃焼器を提供するものである。加えて、
隣接する燃料噴射器の各空気渦流手段を介して供給され
る空気のスワール方向を相互に反対方向に設定するもの
とする。

［作用］ 上記のように構成されたガスタービンエンジンの燃焼器
によると、複数の燃料噴射器を燃焼器ドームの外周に沿
って千鳥型配列すると共に、隣接する噴射器の渦流器の
スワール方向を相互に逆方向に設定しており、隣接する
渦流器の周囲を流れる渦流の勢いを相互に強め、一次空
気／燃料の混合気の混合度合いを高めるように作用する
。このため、高負荷燃焼領域が燃料噴射器に対して、よ
り接近した領域から始まる。また、燃料噴射器の千鳥型
配列に従って、内側と外側に噴射器が交互に配列され、
外側に配設された相互に隣接する噴射器は、その間に内
側に配設された一個の噴射器を挟むように配列され、こ
の結果、外側の隣接する噴射器は事実上同一スワール方
向の渦流器を有していることになり、外側の隣接する噴
射器のスワールはその勢いを相互に打ち消し合うように
作用して、燃焼器ライナ壁面に対して合成されたスワー
ルが方向付けられ勢いよくライナ壁而に高温燃焼ガスが
衝突することを防いでいる。また、燃料噴射姦の千鳥型
配列により、燃焼器ドーム内に密度高く複数の噴射器を
配列可能である。

［実施例］ タービンエンジンの燃焼鼎や燃料噴射器の製造方法、並
びにこれらの支持構造等は公知であり、例えば本明細書
の譲受人であるユナイテッドテクノロジーズコーポレー
ションのプラット＆ホイットニー製のＰＩ　４０００系
，　ＰＷ　２０００系，及びＦ　１００系航空エンジン
に一般的な燃焼器の構造をみることができる。

上述の一般的な燃焼器は、一次空気／燃料の混合気を燃
焼している一次燃焼領域と、燃焼生成ガスに二次空気を
混合して希釈混合している二次希釈領域とからなる燃焼
室を有している。一般的に、この燃焼器の多くは、円環
状外周ライナ及び円環状内周ライチとから画成された燃
焼室を有する環状燃焼器である。このライナは、高速航
空機で生ずる高温に耐え得る材質から形成されたルーバ
ライナ或はフロートウオールライナに相当するものであ
る。典型的な環状燃焼器は、その前端に外周及び内周ラ
イチを相互結合する燃焼器ドームを有しており、このド
ームにより燃焼室の前端を閉口すると共に、燃焼領域に
燃料及び一次空気を供給する複数の燃料噴射器を支持し
ている。この一次空気は、エンジン内に供給されて、そ
の温度と圧力が圧縮器によって高められた後、燃焼器内
に供給される。通常、燃焼室に供給される空気の一部は
、圧力噴霧型燃料ノズル又は空気噴射型燃料ノズルの周
囲に配設された空気渦流器を介して燃焼室の燃焼領域に
供給されている。また、空気の一郎は、燃料噴射器の下
流に設けられた燃焼器ライチに形成されている燃焼器空
気孔を介して供給されている。更に、空気の一部は、燃
焼器の内壁に沿って冷却空気を導入するようにして、ラ
イチを冷却する目的に使用されている。

第１ａ図〜第１ｃ図に示す従来の燃料噴射器の配列と第
２ａ図〜第２ｃ図に示す本発明の燃料噴射器の配列との
相異を明確にするために、従来技術の配列を最初に詳述
した後に、本発明の配列を詳述するものとする。

第１ａ図〜第１ｃ図に示す燃焼器のドームに組み付けら
れた従来の燃料噴射器の配列においては、燃焼器ドーム
の外周に沿って一定の半径で等間隔に各燃料噴射器を配
列するのが一般的である。また、従来の燃焼器の各燃料
噴射器内に配設された易流器は、一般的に同一のスワー
ル方向を有しており、燃焼室に通ずる全ての渦流器のス
ワール方向は、全て時計方向、或は全て反時計方向に設
定されている。

第１ａ図に示すように、燃焼器のドームＩＯは、その円
周に沿って等間隔に配列された複数の燃料噴射器ｌ２を
有する。これらの燃料噴射器１２は、燃焼領域に燃料を
噴射するためのオリフイス又は噴射ノズルと一般にその
周囲に配設され燃焼領域に空気を渦状にして供給するた
めの渦流器を有する。この渦流器は、燃焼領域に空気を
供給する萌に、空気を渦状にすると共に、この渦流器の
設計に従って渦状空気のスワール方向を制御する役割を
果たしている。従来の燃焼４を示す第１ａ図の矢線Ａは
、渦流器によるスワール方向を示している。第１ａ図に
示す従来の燃焼器の一例では、スワール方向は時計回り
であり、全ての渦流器が同一スワール方向を有している
。近接する渦流器のスワール方向を交互に反対方向に設
定することも可能であるが、萌述したように、そのよう
な設定により、隣接する渦流器の周囲を流れる渦流の勢
いを相互に強め合うことができるが、高温の燃焼ガスが
ライナ壁に方向付けられライナ壁に強く衝突してしまう
ために、反対にライチ寿命に悪影響を与えてしまう。そ
こで、近年の高速用ガスタービンエンジンに用いられる
一般的な環状燃焼器或は二重環状燃焼器においては、上
述のような交互にスワール方向を反対に設定するような
渦流器の設計は現実には行われていない。

第１ｂ図においては、高負荷燃焼を生じている−次燃焼
領域１４を斜線Ｂで示しているが、この一次燃焼領域は
、燃焼室の全容積に亘って七分に及んではいない。この
ように、従来の燃焼器の容積は、実際の燃焼領域に対し
て、かなり大きめに設定されている。

上記した従来の燃焼器の構造に対して、第２ａ図〜第２
ｃ図に示す本発明の燃焼器においては、燃料噴射器１２
２Ｌが燃焼器のドームｌＵａに破線Ｇで示すようなドー
ムの円周に沿って千鳥型を画成するように配列されてい
る。更に、隣接する燃料噴射器から噴射される空気のス
ワール方向は第２ａ図から明らかなように、互いに反対
方向に設定され且つ隣接する燃料噴射器内の渦流器は相
互に異なる半径に設定されている。燃料噴射器１２ａの
内、内側に属するものは時計回りのスワール方向に設定
された渦流器を有し、他方、外側に属するものは反時計
回りのスワール方向に設定された渦流器を有している。

このような隣接する燃料噴射器！２ａの千鳥型配列によ
り、燃焼ガスを燃焼器のライナ壁面に向けて方向付ける
ことを避けながら、隣接する燃料噴射器内の渦流器の周
囲を流れる渦流の勢いを相互に強め合うことができ、効
果的に混合度合いを高めることができる。

第２ｂ図により明らかなように、隣接する燃料噴射器内
に各々配設された渦流器による相互作用によりスワール
の勢いを強めることにより、燃料噴射器の噴射ノズルか
らの燃料はより均等に配分されると共に、空気と燃料と
の混合度合いがより一層高められる。これにより、高い
燃焼負荷率を有する高負荷燃焼が第２ｂ図のＣＩ区間で
示すように、第１ｂ図のＣ区間よりも燃料噴射器により
接近した位置から始まり、第１ｂ図のＤ区間よりも実際
には短い第２ｂ図のＤ，区間に亘って高負荷燃焼が行わ
れる。また、燃料噴射器の燃焼器ドームの外周に沿った
千鳥型配列により、高負荷燃焼領域は、第２ｃ図の斜線
で示すＥ，領域のほうが第１Ｃ図の斜線で示すＥ領域よ
りもドームの円環状領域全体に占める割合が高い。また
、燃焼器の効率的な燃焼を実現するために、より短い燃
焼室長さが望まれるが、本発明による燃焼器の燃焼室長
さは、上記した理由により、短く設定することができ、
結果的にエンジン全長の短縮やエンジン総重量の低減を
図ることができる。また、上記したように、本発明によ
る燃焼器のドームの直径は、第１ａ図〜第１ｃ図に示す
従来の燃焼器のドームの直径を越えるものではないにも
拘わらず、従来の燃焼器に略等しいドーム領域内におい
て、より多くの燃料噴射装置を配設することができ、燃
焼領域に高い混合度合いの混合気を提供することができ
、高い燃焼負荷率を達成することができる。第２ｃ図の
符号Ｆ１で示す低負荷燃焼領域に関しては、本発明によ
る燃焼器が第１ｃ図に示す従来の燃焼器よりも狭い領域
を占めていることかわかる。

第３図から明らかなように、本発明の燃焼器の燃料噴射
器配列に従うと、一般に燃焼室長さと関連する燃焼器の
ドーム全体の寸法形状、即ちパターンファクタを変える
ことなく、従来の燃焼器よりも短い燃焼室長さを達成可
能である。仮に、定の燃焼室長さとした場合、本発明に
従う千鳥型配列の燃焼器のパターンファクタは、第１ａ
図〜第１ｃ図に示す従来の燃焼器よりも小さくて済む。

即ち、本発明の燃焼器の燃料噴射器の千鳥型配列により
、従来の燃焼器よりもコンパクトな寸法形状の燃焼器で
、従来の燃焼器と同等のスラストを発生できることがわ
かる。

［発明の効果］ 上述した本発明に従う燃焼器の燃料噴射器の千鳥型配列
によると、パターンファクタを変えることなく、従来の
燃焼室に比べて燃焼室長さの短縮を図ることができる。

また、隣接する渇流器のスワール方向を相互に反対方向
とすることにより、燃料／空気の混合度合いを高め、比
較的短い燃焼室長さにも拘わらず、高い燃焼負荷率を達
成することができる。本発明の燃焼器は、二重環状燃焼
器に要求されるようなドーム幅の増加やライチ表面積の
増加を伴うことなく、ドーム上により多くの燃焼噴射器
を配設可能である。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は従来の燃焼器の燃料噴射器及びドームの配列
を示す概略平面図であり、第１ｂ図は第ｌａ図に示す従
来の燃焼器の高負荷及び低負荷燃焼領域を示す概略平面
図であり、第１ｃ図は第１ａ図に示す従来の燃焼器のド
ームに配列された隣接する燃料噴射器の拡大図であり、
第２ａ図は本発明に従う燃焼器の燃料噴射器をドームに
千鳥型配列した状態を示す概略図であり、第２ｂ図は第
２ａ図に示す本発明の燃焼器の高負荷及び低負荷燃焼領
域を示す概略平面図であり、第２ｃ図は第２ａ図に示す
本発明の燃焼器のドームに配設された数個の燃料噴射器
を示す拡大図であり、及び第３図は、従来の燃料噴射器
配列におけるパターンファクタと本発明に従う燃料噴射
器配列におけるパターンファクタとを燃焼室長さに対し
て比較した説明図である。 ＩＯ，ｌＯａ・　・　・　ドーム、１２，１２ａ・　・
　・燃料噴射器。 ＰＲ／０１？　　ＡＩ？ｒ ＰＦ？／０／？　　ＡＥｒ ＦＩＧ．　　／ｃ ＰＲ／０１？　ＡＩ？Ｔ Ｆ／σ，　２σ ＦＩＧ．２ｂ ズニ尤ｔｌ−Ａさ ＦＩ６．　　３

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガスタービンエンジンの環状燃焼器において、燃
   焼器の軸方向に延びる環状外壁と、環状外壁に対して同
   軸に配設され且つ環状外壁と共に燃焼室を画成する軸方
   向に延びる環状内壁と、環状外壁と環状内壁を相互結合
   し且つ燃焼室の上流端を閉口するドームと、ドームに配
   設され且つ空気渦流手段を有する複数の燃料噴射器とか
   ら構成し、複数の燃料噴射器を燃焼器の軸に対して二つ
   の異なる半径で配列し、複数の燃料噴射器の隣接する三
   つの燃料噴射器の内、二つを大きな半径又は小さな半径
   のいずれかで配列し、隣接する三つの燃料噴射器の内、
   残りの一つを他の二つと異なる半径で配列し、且つ隣接
   する三つの燃料噴射器の各燃料噴射器の中心を結ぶ想像
   線が三角形を画成するように配列したガスタービンエン
   ジンの環状燃焼器。
2. （２）隣接する燃料噴射器の各空気渦流手段を介して供
   給される空気のスワール方向が相互に反対方向である請
   求項１記載のガスタービンエンジンの環状燃焼器。