JP2007271257A - 空気と燃料の混合物を噴射する装置、両方ともそのような装置を装備した燃焼チャンバおよびターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】滑りブッシュの行程または空気力学的固定への影響に制限されることなく、パージ孔を通過する空気の流量を増加させるように構成された滑りブッシュを含む噴射装置を提案する。
【解決手段】本発明は空気と燃料の混合物をターボ機械の燃焼チャンバ中に噴射するための装置に関し、空気の供給が改善される。さらに詳細には、本発明は新しい種類の滑りブッシュに関する。
【選択図】図４

Description

本発明はターボ機械の分野に適用され、ターボ機械の燃焼チャンバ中に空気と燃料の混合物を噴射するための装置に関する。

さらに正確には、本発明は空気／燃料混合物のための空気の供給が改善される新しい種類の滑りブッシュに関する。

以降、本明細書において用語「上流」および「下流」は、ガス流の方向を基準点にして、構造要素の軸方向の互いの位置を表すために用いられる。同様に、用語「内部」または「放射状に内部」および「外部」または「放射状に外部」は、ターボ機械の回転軸を基準点にして、構造要素の半径方向の互いの位置を表す。

ターボ機械は１個または複数の圧縮機を含み、これは加圧された空気を燃焼チャンバに送り、そこで空気は燃料と混合されて点火され、高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスはチャンバの下流へ１個または複数のタービンに向かって流れ、そこでこのようにして受容したエネルギーを変換して圧縮機または複数の圧縮機を回転させ、例えば航空機を推進するために必要な仕事量を提供する。

典型的に、図１に示したように、航空機に用いられる燃焼チャンバ１は、それらの上流端部でチャンバの端部壁４によって相互接続された内部壁２と外部壁３とを含む。チャンバ端部壁４は、周縁に間隔を置く複数の開口部を有し、各々空気と燃料の混合物をチャンバに供給することのできる噴射装置１０を収容する。

図２は、従来技術による噴射装置１０の断面を示す。その回転の対称軸がＸで表される噴射装置１０は、上流から下流に配置されて、環状皿３０によって放射状渦発生器４０に接続された滑りブッシュ２０を含む。放射状渦発生器４０はベンチュリ管５０を含み、その下流端部で発散円錐壁を有するボウル６０に接続される。ボウル６０はそれ自体、偏向器７０によってチャンバ端部壁４に接続される。滑りブッシュ２０は、上流から下流に配置されて、円筒状壁２４中に続き下流でフランジ２３に終端する収斂円錐形状の上流壁２１を含む。

燃焼チャンバ１には、圧縮機から空気と混合された液体燃料が供給される。液体燃料は噴射器５によってチャンバまで送られる。噴射器５の下流端部６はヘッドとしても知られ、噴射器ヘッド６の対称軸が滑りブッシュの対称軸に一致するように滑りブッシュ２０中の噴射装置１０中に配置される。したがって、滑りブッシュ２０の機能の１つは、噴射器を位置に案内して、この噴射器と噴射装置１０間の封止を提供することである。噴射器を案内する機能は、滑りブッシュ２０の上流壁２１によって行われる。

空気と燃料は、いくつかの場所で噴射装置１０で混合される。最初の混合作業は、滑りブッシュ２０で行われる。これを行うために、パージ孔としても知られている穿孔２２を経由して加圧された空気が運ばれ、噴射器５を出る燃料に接触する。このようにして燃料の噴霧が開始され、その後その形成は放射状渦発生器４０とボウル６０で継続される。したがって、滑りブッシュ２０は追加の機能として加圧空気と燃料間の初期の混合を行う機能を有する。パージ孔２２に到達する空気は、燃料の噴霧の正しい形成の制御を可能にするだけでなく、噴射器ヘッド６の冷却も行う。パージ孔２２は、滑りブッシュ２０のフランジ２３上に作られる。

滑りブッシュ２０の第３の機能は、噴射器５と燃焼チャンバ１との間の相対的な動きを可能にし、同時に、噴射器５と噴射装置１０との間の封止を保つことである。この動きは製造公差および噴射器とチャンバの間に存在する膨張の差に関連する。この目的のために、滑りブッシュ２０と放射状渦発生器４０間の接続は皿３０により行われ、滑りブッシュはフランジ２３を含む面の全ての方向に数ミリメートル動くことが可能である。

パージ孔２２を通過する空気の量は、特にその数とその直径に依存する。パージ孔２２のサイズはこれらの孔を通過する空気の総流量と滑りブッシュ２０の空気力学的固定の両方に影響を与える。空気力学的固定は次の比によって定義される。

空気力学的固定＝（孔２２の数×孔２２の直径）／（孔２２の中心を通る円の周長）
同じ流量で、異なる空気力学的固定値を得ることが可能であり、したがって、燃料の噴霧の形成に影響を与えることができる。特に、この要因は、パージ流の浸透およびパージからの空気流と渦発生器からの空気流間の相互作用レベルに影響を与える。それは、液滴のサイズと噴霧中のそれらの分布および噴射器を離れる燃料の初期円錐角度を制御する働きの一部を行う。

空気力学的固定はパージ孔２２の直径に比例し、空気の流量はその直径の２乗に比例するので、これらの２つの要因を異なるように変化させて特定の対象とする燃焼チャンバの仕様に適合させることが可能である。

パージ孔２２を通過する空気の流量を増加させたければ、その直径を大きくするか、またはその数を増加するかのいずれかが必要である。ここで、孔２２の直径の増加は、放射状渦発生器４０に対する滑りブッシュ２０の行程によって制限される。さらに、孔２２の数の増加は空気力学的固定に影響を与え、そのいくつかは常に望ましいとは限らない。

流量を増加させる他の方法は、パージ孔２２に到達する空気の圧力を高くすることである。しかし、孔２２に供給するには、空気は滑りブッシュの収斂壁２１の周りを流れなければならず、これは圧力降下と再循環を招き、したがって、圧力損失を招き供給状態を悪化させる。
仏国特許第２７６３７７９号明細書

この問題に対処する１つの知られている方法は、仏国特許第２７６３７７９号明細書に記述されたように、その軸が噴射装置の軸Ｘに平行となるようにパージ孔２２を滑りブッシュの円筒状壁２４に作ることである。この解決策の欠点は、滑りブッシュがより大きくなり、孔が同じ直径に対してより長くなることである。これは空気がパージ孔を通過する際にエネルギー損失を受け、空気流量にとって好ましくない再循環が起きる。

本発明は、滑りブッシュの行程または空気力学的固定への影響に制限されることなく、パージ孔を通過する空気の流量を増加させるように構成された滑りブッシュを含む噴射装置を提案することによってこれらの問題の解決を可能にする。

本発明はまた、パージ孔を通過する空気の流量が滑りブッシュの幾何形状に依存しない、例えば、収斂上流壁の長さに依存しないことが可能である。

さらに詳細には、本発明は空気と燃料の混合物をターボ機械の燃焼チャンバに噴射するための装置に関し、噴射装置は軸Ｘの周りの回転対称性を有し、ガスが流れる方向に上流から下流へ配置された、放射状渦発生器と皿によって接続された回転軸Ｙの滑りブッシュと、放射状渦発生器から軸状に間隔を置く空気力学的ボウルとを含み、滑りブッシュは軸Ｘの円筒状壁に続く収斂円錐状上流壁と円筒状壁の下流端部で放射状に展延する下流フランジとを含み、下流のフランジにはパージ孔としても知られている加圧された空気供給孔が設けられ、この装置は滑りブッシュの収斂上流壁に、少なくとも１列の周縁に間隔を置く追加の加圧空気供給オリフィスが設けられることを特徴とする。

追加の供給オリフィスは、パージ孔の総通路断面以上の総通路断面を有することが有利である。

多くの実施形態によれば、追加の供給オリフィスは、円形または長円形または四辺形の形状の準線を備える円筒形状である。

追加の供給オリフィスの軸は滑りブッシュの軸と平行とすることができ、または代わりに収斂上流壁の壁に直交することができる。

本発明は、最終的にそのような燃焼チャンバを設けたターボ機械に関する。

本発明の他の実施形態によれば、追加の供給オリフィスは収斂上流壁の上流端部に配置され、開放側を有しスカロップを形成する。

本発明の変形によれば、本発明は空気と燃料の混合物をターボ機械の燃焼チャンバに噴射するための装置に関し、噴射装置は軸Ｘの周りに回転対称性を有し、ガスが流れる方向に上流から下流へ配置された、放射状渦発生器と皿によって接続された回転軸Ｙの滑りブッシュと、放射状渦発生器から軸状に間隔を置く空気力学的ボウルとを含み、滑りブッシュは軸Ｘの円筒状壁に続く収斂上流壁と下流フランジとを含み、下流のフランジにはパージ孔としても知られている加圧された空気供給孔が設けられ、装置はパージ孔が入口と出口に異なる直径を有し、入口直径が出口直径よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明は有利なことに、異なる実施形態変形の組合せにも関し、詳細には、滑りブッシュは追加の供給オリフィスまたはスカロップと、異なる直径の入口（２６）および出口（２７）を有するパージ孔の両方を有することができ、入口直径（２６）は出口直径（２７）よりも大きい。

本発明はまた、燃焼チャンバおよび本発明による噴射装置を設けたターボ機械に関する。

非制限的な実施例として与えられる、添付図面を参照するいくつかの好ましい実施形態の説明によって、本発明は、より良好に理解され、その他の利点がより明らかになるであろう。

同じ参照番号は、説明を通して図面ごとに類似の部品または詳細部を表す。

既に説明した図１および図２は、従来技術による燃焼チャンバと噴射装置の断面図を示す。

図３は、ターボ機械１００、例えば航空機ジェットエンジンの全体図を断面で示し、低圧圧縮機２００と、高圧圧縮機３００と、燃焼チャンバ１と、低圧タービン５００および高圧タービン６００とを含む。燃焼ガスは燃焼チャンバ１中を下流方向に流れ、その後、タービン５００および６００に供給され、それぞれ２個のシャフト９００および１０００によって、それぞれチャンバ端部壁４の上流に配置された圧縮機２００および３００を駆動する。高圧圧縮機３００は、それぞれ燃焼チャンバ１の内部および外部に放射状に配置された２個の環状空間と一緒に噴射装置に空気を供給する。燃焼チャンバ１中に導入された空気は、燃料の気化とその燃焼に寄与する。燃焼チャンバ２の壁の外部を流れる空気はその壁の冷却に寄与し、タービンに向かう燃焼ガスを冷却するために、希釈孔（図示せず）を経由してチャンバに入る。

図４は、本発明による噴射装置１０の滑りブッシュ２０の例示的実施形態を断面で示す。滑りブッシュ２０は、円筒状壁２４の形で下流に続く収斂円錐状の上流壁２１から作られ、その軸Ｙは噴射装置の対称軸に平行である。円筒状壁２４は、放射状に外側へ展延するフランジ２３で終端する。フランジ２３には、滑りブッシュ２０と噴射装置１０との間にいかなる相対的な動きが起きても放射状渦発生器４０によって部分的にも妨害されないように、好ましくはその部品中に円筒状壁２４に最も近く配置されたパージ孔２２が設けられる。パージ孔に加圧された空気を供給するための追加のオリフィス２５は、滑りブッシュ２０の収斂上流壁２１上に作られる。本明細書に記載される実施例において、収斂上流壁２１には周縁に間隔を置く追加の供給オリフィス２５が１列だけ設けられるが、数列のオリフィスも作ることができる。これらの追加のオリフィス２５の軸Ｚは、図４に示すように、収斂上流壁２１の壁に直交することができる。また、図５に示すように軸Ｙに平行とすることもでき、または代わりに収斂上流壁２１と任意の角度を形成することもできる。

したがって、パージ孔２２には、滑りブッシュ２０の収斂上流壁２１の周りを流れるべき加圧された空気はもはや供給されないが、追加の供給オリフィス２５からの空気が直接供給される。これは上流壁２１の周囲を流れることによる圧力降下を避けることを可能にする。パージ孔２２へのこの種の供給を効率的にするために、追加の供給オリフィス２５の空気通路の総断面はパージ孔の空気通路の総断面以上であることが必要である。追加の供給オリフィス２５の通路の総断面は、１個のオリフィスにオリフィスの数を乗じた通路の断面積に一致する。同じことはパージ孔２２の通路断面についても当てはまる。この場合、パージ孔２２にはより高い圧力の空気が供給され、従来技術と同じパージ孔幾何形状、および同じパージ孔数で、より多くの流量がこれらの孔を通過することが可能になる。

同時に、所望の流量が従来技術と同じに留まれば、追加の供給オリフィス２５を使用することによって、従来技術よりも小さな直径のパージ孔２２の使用が可能になり、したがって、それに対応するフランジ２３の内径の縮小が達成され、したがって、放射状渦発生器４０のサイズの縮小を達成することができ、したがってより小型の噴射装置を得ることができる。

追加の供給オリフィスの断面が大きいほど、パージ孔２２の形状と粗さの不規則性に対する公差が広くなり、これは製造コストを低減するであろう。

追加の供給オリフィス２５は滑りブッシュの収斂上流壁２１上に作られるが、これらのオリフィスでの空気の総通路断面が保たれる限り、パージ孔２２への供給は、ここではもはや滑りブッシュ、特に収斂上流壁の幾何形状に依存しない。

追加の供給オリフィス２５の数は、パージ孔２２の数と等しいかまたは異なることができ、重要な要因は総通路断面である。

さらに、追加の供給オリフィス２５は、図４および図５に示すように、円形とすることができ、または代わりに、図６から図９に示すように、長円形、平行六面体、または台形とすることができる。長円形状の場合、オリフィス２５の主要長さは、図６に示すように、収斂上流壁２１の周縁に沿って配置することができる。また、図７に示すように、滑りブッシュ２０のＹ軸に平行に配置することもでき、または図８に示すように、これらの２つの位置の間で任意の角度範囲で配置することもできる。

本発明の他の実施形態によれば、図１０に示すように、追加の供給オリフィス２５は、それらが開放側を有し、したがってスカロップ２８を形成するように作られた収斂壁２１の上流端部に配置することができる。滑りブッシュ２０が鋳造法を用いて得られるとき、スカロップ２８は特別の機械加工を必要としないで、鋳造で直接得ることができるため、スカロップ２８は製造がより簡単であるという利点を有する。

本発明の変形によれば、パージ孔２２を通過する空気の量を増加するために必要な圧力の増加は、パージ孔２２の幾何形状を変更することによって得ることができる。図１１は、滑りブッシュ２０の断面図を示し、パージ孔２２は円錐形であり、その入口直径２６はその出口直径２７よりも大きい。したがって、流量はパージ孔２２の長さ全体で一定に保たれ、空気は加速され、所与の時間でパージ孔２２を通過する空気量はより多い。

無論、追加の供給オリフィス２５またはスカロップ２８の追加に伴う効果と、円錐状パージ孔２２の使用に伴う効果を結合して、本発明の変形を組み合わせることが可能である。そのような組合せの実施例は図１２に示される。

実施例として、三次元的な数値シミュレーションが行われ、直径１．４ｍｍのパージ孔１４個を設けた滑りブッシュについて、図４に示すように、直径１．８ｍｍの円形の追加の供給オリフィスを２０個配置することによって、パージ孔２２を通過する空気流量が１５％増加することを確認した。

従来技術による燃焼チャンバの概略断面図である。 従来技術による噴射装置の概略断面図である。 ターボ機械、さらに詳細には航空機ジェットエンジンの概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの第２実施形態の概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの第３実施形態の概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの第４実施形態の概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの第５実施形態の概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの第６実施形態の概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの第１の実施形態変形の概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの第２の実施形態変形の概略断面図である。 本発明による滑りブッシュの２つの実施形態変形の組合せの概略断面図である。

符号の説明

１、２ 燃焼チャンバ
４ チャンバ下流端部壁
１０ 噴射装置
２０ 滑りブッシュ
２１ 上流壁
２２ パージ孔
２３ フランジ
２４ 円筒状壁
２５ オリフィス
２６ 入口直径
２７ 出口直径
２８ スカロップ
４０ 放射状渦発生器
１００ ターボ機械
２００ 低圧圧縮機
３００ 高圧圧縮機
５００ 低圧タービン
６００ 高圧タービン
９００、１０００ シャフト

Claims (11)

1. 空気と燃料の混合物をターボ機械の燃焼チャンバに噴射するための装置であって、噴射装置は軸の周りに回転対称性を有し、ガスが流れる方向に上流から下流へ配置された、皿によって放射状渦発生器に接続された回転軸Ｙの滑りブッシュと、放射状渦発生器から軸状に間隔を置く空気力学的ボウルとを含み、滑りブッシュは軸Ｘの円筒状壁に続く収斂円錐状上流壁と、円筒状壁の下流端部で放射状に展延する下流フランジとを含み、下流のフランジにはパージ孔としても知られている加圧された空気供給孔が設けられ、滑りブッシュの収斂上流壁には、少なくとも１列の周縁に間隔を置く追加の加圧された空気供給オリフィスが設けられる、噴射装置。
2. 追加の供給オリフィスがパージ孔の総通路断面以上の総通路断面を有する、請求項１に記載の噴射装置。
3. 追加の供給オリフィスが円形形状の準線を備える円筒形状である、請求項１および２の一項に記載の噴射装置。
4. 追加の供給オリフィスが長円形状の準線を備える円筒形状である、請求項１および２の一項に記載の噴射装置。
5. 追加の供給オリフィスが四辺形形状の準線を備える円筒形状である、請求項１および２の一項に記載の噴射装置。
6. 追加の供給オリフィスが滑りブッシュの軸に平行な軸を有する、請求項１から５の一項に記載の噴射装置。
7. 追加の供給オリフィスが収斂円錐上流壁に直交する軸を有する、請求項１から５の一項に記載の噴射装置。
8. 追加の供給オリフィスが収斂上流壁の上流端部に配置され、開放側を有し、スカロップを形成する、請求項１および２のいずれか一項に記載の噴射装置。
9. パージ孔が入口と出口で異なる直径を有し、入口直径が出口直径よりも大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載の噴射装置。
10. 内部壁と、外部壁と、チャンバ端部壁とを含み、請求項１から９のいずれか一項に記載の噴射装置を少なくとも１個設けられた、燃焼チャンバ。
11. 請求項１０に記載の燃焼チャンバを設けられた、ターボ機械。

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