JPH06159097A - 熱交換装置、熱交換装置を有している推進エンジン燃焼装置、及びガスタービンエンジン内で燃料を燃焼する方法 - Google Patents
熱交換装置、熱交換装置を有している推進エンジン燃焼装置、及びガスタービンエンジン内で燃料を燃焼する方法Info
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Abstract
する。 【構成】 本発明に係る熱交換器12は、燃焼装置10
に特に有用であって、炭化水素液体燃料加熱用の熱交換
装置であり、気化加熱前に比較的多量の不凝縮性気体を
液体燃料と混合する手段24を設けることにより、高温
表面に隣接する燃料の在留時間を短縮させる。不凝縮性
気体は空気、例えばメタンのような低温凝縮性物質、又
は気化燃料の化学的分別部であってもよく、このような
気体は、それのみでは重大な量のガム又はコークスの付
着物の形成を促進しないものである。
Description
られ、特に、ガスタービンエンジン燃焼器に適用できる
ような熱交換装置に関し、更に詳述すれば、ガスタービ
ンエンジン燃焼装置の熱交換器の表面に熱的に生ずる燃
料付着物を無くする装置及び方法に関する。
置を設計することは周知である。その一目的は、燃焼過
程中の窒素酸化物(NOx)の発生を減少させることで
あり、これは非常に重大な設計要目である。アントニオ
フェリ(Antonio Ferri )による「燃焼過程中の窒素
酸化物の発生を減少させる装置(Apparatus for Reduci
ng Formation of Oxides of Nitrogen in Combustion P
rocesses)」と題した米国特許番号第3890088号
は、最初に液体燃料を熱交換器内で気化することによ
り、NOxの発生を減少させる多くの着想の代表的なも
のである。この引用特許は、熱交換装置内の液体燃料の
気化と、気化燃料のその後の燃焼前の空気との混合とを
開示している。
よりも空気と混合し易いので、局所的な化学量論的温度
及びNOx発生の問題を減ずる。NOxの発生を更に減
少させて燃焼器の長さを短くするために、気体燃料と酸
化剤、例えば空気とを混合することも又、知られてい
る。このような方法及び装置に関して生ずる問題は、化
学反応により熱交換装置の表面に燃料付着物が生ずるこ
とである。この過程で、燃料と接触する高温の熱交換器
表面に付着した形態のガム及びコークスの生成物が生ず
る。航空機燃料に関するこの問題は、表面に付着して成
長するガム(主に重合体)生成物が生ずる約550゜F
〜900゜F(熱交換器表面温度)の中温範囲温度にお
いて特に過酷である。ガムにコークス及び他の固体が埋
め込まれて、厚い表面付着物に成長する。
る多数の機構及び化学反応が存在する。1983年10
月3日〜7日にトルコのチェシュメ(Cesme )で開催さ
れた「タービンエンジンにおける燃焼問題に関するAG
ARD推進及びエネルギ論のパネルシンポジウム(AGAR
D Propulsion and Energetics Panel Symposium on Com
bustion Problems in Turbine Engines )」のために準
備されたベイカ(C. E. Baker)、ビットカ(D. A. Bitt
ker )、コーエン(S. M. Cohen )及びセング(G. T.
Seng)による「航空燃料の不安定性に関する研究(Rese
arch on Aviation Fuel Instability )」と題した米国
航空宇宙局テクニカル・メモランダム(NASA Technical
Memorandum )83420には、これらの現象がロケッ
ト及びガスタービンエンジンの設計者に関連するものに
限って説明されている。上述の著者等の記述によれば、
燃料流量及び在留時間は、いかなる状況の下でも生ずる
おそれのある付着の速度及び量に影響する重要な因子で
ある。在留時間は、本発明で扱われる主要な問題であ
る。すべての化学反応は、反応物を密接に保つことと、
反応又は一連の反応を完了する時間とを必要とする。ガ
ム及びコークスの付着物の形成は、多数の連続する反応
段階を包含している。従って、もし付着物を形成してい
る反応物及び中間生成物が、化学反応の促進に要する熱
エネルギを供給する高温表面に近接し続ければ、在留時
間は長いと言われ、そして付着物は多くなる。しかしな
がら、反応物及び中間生成物を高温表面から迅速に除去
すれば、正味在留時間が短過ぎて、化学的な付着過程は
完了できないことになる。厄介な反応物及び中間生成物
は、高温表面上を単に通過して遠去かるので、悪影響を
及ぼさない。
置、例えば、船舶用及び工業用ガスタービン、スクラム
ジェット、ラムジェット、ロケット等の燃焼エンジンに
適用される。ガム及びコークスを生ずる問題は、これら
の用途すべてに固有であり、本発明は、これらの用途す
べてに用い得るものである。
置及び方法であって、気化加熱前に比較的多量の不凝縮
性気体を燃料と混合する手段を提供する。不凝縮性気体
は空気、例えばメタンのような低温凝縮性物質、又は気
化燃料の化学的分別部(フラクション)であってもよ
い。但し、不凝縮性気体はガム及びコークスの付着物の
形成に関して、本質的に不活性のものである。不凝縮性
気体は、それのみでは重大な量のガム又はコークスの付
着物の形成を促進しないものである。
燃料を約800゜Fの臨界温度(即ち、物質が気体とし
てのみ存在し得る下限温度)以上に加熱する手段を設け
ることにより、気体燃料が燃焼器に供給され得る。更に
詳細な実施例では、燃焼器壁と、タービンノズル静翼と
によって部分的に形成されており、液体燃料によって冷
却されている熱交換器が設けられており、この熱交換器
は、空気膜冷却の必要を減ずると共に、関連する境界層
NOxの発生量を減少させる。
体燃料の混合物とを次のような空気対液体体積比、即
ち、燃料の在留時間を重大なコーキングが生ずる時間以
下に減少させるのに要する限度よりもかなり高い燃料希
薄混合物をもたらす体積比、例えば約22.5対1で混
合する第1の混合装置を設ける。その混合物を、燃焼器
壁と、タービンノズルとによって部分的に形成されてい
る熱交換通路に通す手段が設けられている。燃料空気混
合気の第1の部分を燃焼器ノズルに流すと共に第2の部
分を第2の混合装置に流す手段が、熱交換器の出口に設
けられており、第2の混合装置は又、エンジン圧縮機か
らの空気を受け入れるように動作可能である。第2の混
合装置は、エンジン圧縮機空気と燃料空気混合気とを混
合して比較的低温の混合気を生成し、圧縮機空気成分の
温度を十分下げるので、混合気は小さなターボ圧縮機に
よって圧縮され得る。こうして圧縮された空気と気体燃
料との混合気はその後、第1の混合装置に導かれて、前
述のように液体燃料と混合される。
例えば、熱交換器内で燃料を気化する手段が燃焼装置、
特に推進エンジンにおいて用いられており、化学反応に
より熱的燃料付着物が熱交換器表面上に形成されること
を防止する。これは、製造及び使用上経済的な燃焼器で
あって、比較的清浄な作用をなすと共に比較的短い燃焼
器を提供する。
交換器の高温表面上に生じて、熱交換効果を低減するこ
とを防止する。本発明は、燃焼装置内の燃料熱交換器を
汚染するガム及びコークスの付着物を減少させることに
より、作用を良好にし且つ耐久性を高めた改良低NOx
燃焼器を提供する。本発明は、熱交換器表面に付着して
成長するガム(主に重合体)生成物が生ずる約550゜
F〜900゜F(表面温度)の中温範囲において気化さ
れる気化燃料を用いるように設計された燃焼装置内で熱
交換器を清浄に保つために特に有用である。
料の化学的分別部であるとき、コーキングは減少する
か、又は起こらなくなる。なぜならば、燃料の液滴又は
濃縮部が高温表面と接触し続ける時間が比較的短くな
り、従って、高温表面に隣接している永続的な燃料相境
界層が存在しなくなるからである。その代わりに、主と
して不凝縮性気体が表面境界層を占めることにより、熱
接触及び化学反応の両方を防止する。空気は、燃料が拡
散と乱流とにより通路表面から通路中央へ移動するにつ
れて、燃料を加熱する。
の燃焼装置よりも運転費が安く且つ市販に適しており、
そして比較的耐久性の高い気化燃料燃焼装置を提供す
る。本発明の上述及び他の特徴は、図面と関連する以下
の説明から更に明らかとなろう。
ケットエンジン用、又は航空機用、船舶用若しくは工業
用のガスタービンエンジン用の燃焼装置が、総体的に参
照番号10で示されている。燃焼装置10は、総体的に
参照番号13で示されているエンジンの燃焼部内に配設
されている熱交換器12を有している。熱交換器12は
流体通路14を含んでおり、流体通路14は、熱交換壁
16に沿って加熱すべき流体を導くように構成されてい
る。熱交換壁16は高温源からの熱を伝達するように設
計されており、この高温源は、本実施例では燃焼部13
の燃焼域18である。燃焼部13は又、複数のノズル2
0を含んでおり、複数のノズル20は、混合域17内で
空気又は他の酸化剤と混合され、そして燃焼域18内で
燃焼される燃料を供給している。ガスタービン及びある
種の液体酸化剤ロケットエンジンの場合、空気は、圧縮
機吐出しダクト22によって表されているエンジンの圧
縮機部から抽出されている。燃焼過程で燃料と酸化剤と
が燃焼されて、推力の発生に用いられる非常に高温のガ
スを発生する。
る装置及び方法を提供する。比較的多量の不凝縮性気体
が混合装置24内で液体燃料と混合されて、液体燃料と
空気との混合物25となり、その後、熱交換器12内で
燃料が気化される。これは、熱交換器内の熱的燃料付着
物及び(又は)コーキングを無くすためである。熱交換
器12によって燃料と空気との混合気が発生し、次いで
混合気は、ノズル20を通流して燃焼域18内で燃焼さ
れ、その際に、少量のNOxが発生する。不凝縮性気体
はエンジンの圧縮機部から、更に詳細には圧縮機吐出し
ダクト22から得られるような空気、例えばメタンのよ
うな低温凝縮性物質、又は気化燃料の化学的分別部であ
ってもよい。
うな熱伝達表面に、そして特に熱交換壁16に沿って被
覆を施すことにより促進され得る。このような被覆の一
例は、本発明者による「高温炭化水素流体用の流体収納
物、及び燃料熱分解付着物を防止する方法(Fluid Cont
ainment Article for Hot Hydrocarbon Fluid and Meth
od of Preventing Fuel Thermal Decomposition Deposi
ts)」と題した同時係属米国特許出願番号第07/67
3924号の主題である。
うな代替燃焼装置10Aを有している本発明の更に詳細
な実施例の概略図である。圧縮機吐出しダクト22は、
第1の混合装置24内で液体燃料と混合して液体燃料と
空気との混合物25を生ずる不凝縮性気体の供給源とし
て用いられている。圧縮機吐出しダクト22からの空気
は更にターボ圧縮機40によって、少なくとも、第1の
混合装置24に入る液体燃料の圧力に圧縮される。燃焼
装置10Aは、圧縮機吐出しダクト22から圧縮機吐出
し空気26を抽出し、その一部、即ち第1の線28で示
す部分を、ターボ圧縮機40のタービン44によって駆
動される圧縮機42に通すように構成されている。ター
ビン44を駆動する動力は、圧縮機吐出し空気26の第
2の部分、即ち第2の線36で示す部分によって供給さ
れ、この空気部分はその後、タービン出口50から排出
される。このとき、適度に圧縮された不凝縮性気体48
が第1の混合装置24に供給される。
高過ぎて更に高い圧力に効率良く圧縮できないので、従
って、図2に示す実施例では、図1における熱交換器1
2に類似した代替熱交換器12Aが設けられている。熱
交換器12Aは、第2の混合装置32内で燃料と空気と
の混合気の一部30を、第1の線28で示す圧縮機吐出
し空気26の一部と混合する手段を含んでいる。燃料と
空気との混合気は通例、800゜Fであり、通例120
0゜F以上の温度である圧縮機吐出し空気よりも低温で
ある。流体通路14からの燃料と空気との混合気の残部
はその後、混合域17での混合、及び燃焼域18での燃
焼のためにノズル20を通流する。
この実施例では、他の代替熱交換器12Bがエンジンの
高温部に配設されており、この高温部は通例、燃焼部
と、エンジンのタービン部とを含んでいる。本発明の高
温部は、燃焼域18と、燃焼域18のすぐ下流に配設さ
れているタービンノズル静翼60とによって表されてい
る。液体燃料は、液体燃料と空気との混合物25をエン
ジンの燃焼部13における熱交換器12Bの流体通路1
4と、タービンノズル静翼60の熱交換通路62とを通
るよう流すことにより気化される。これは、タービンノ
ズル静翼の冷却を助長し、従って、エンジンの圧縮機部
又はファン部から通常抽出される冷却空気の節減に役立
つ。本発明は、燃焼器壁と、タービンノズル静翼とを冷
却することにより、空気膜冷却の必要と、それに関連す
る境界層でのNOxの発生とを減少させるか、又は無く
し得る。
発明の好適な実施例を詳述したが、本発明の要旨の範囲
内で好適な実施例の様々な改変及び変更が可能であるこ
とを理解されたい。
る。
ンエンジンの燃焼装置の概略図である。
の代替熱交換器の概略図である。
Claims (16)
- 【請求項1】 加熱前の液体気体混合物を形成すべく、
比較的多量の不凝縮性気体を液体炭化水素燃料と混合す
る第1の混合手段と、 該第1の混合手段からの前記液体気体混合物を受け入れ
るように動作可能であり、前記混合物のみを加熱するよ
うに動作可能な流体通路を有していると共に、熱を高温
源から前記流体通路の熱交換壁手段を介して前記混合物
に伝達可能な熱交換器と、 該熱交換器に熱伝達をなすと共に、前記液体気体混合物
内の液体燃料を加熱するように動作可能な熱源とを備え
た熱交換装置。 - 【請求項2】 前記熱源は、推進エンジンの高温部内に
存在している請求項1に記載の熱交換装置。 - 【請求項3】 前記熱交換壁手段は、燃焼器壁を含んで
いる請求項2に記載の熱交換装置。 - 【請求項4】 前記熱交換壁手段は、燃焼器内流れ方向
に関して前記燃焼器壁のすぐ下流にあるタービン静翼を
更に含んでいる請求項3に記載の熱交換装置。 - 【請求項5】 前記第1の混合手段に不凝縮性気体を供
給する気体供給手段を更に含んでおり、該気体供給手段
は、空気及び気体燃料の混合気を供給するように動作可
能である請求項1に記載の熱交換装置。 - 【請求項6】 請求項5に記載の熱交換装置を有してい
る推進エンジン燃焼装置であって、 前記熱交換器は、前記推進エンジンの高温部に設けられ
ている、熱交換装置を有している推進エンジン燃焼装
置。 - 【請求項7】 前記熱交換壁手段は、燃焼器壁を含んで
いる請求項6に記載の推進エンジン燃焼装置。 - 【請求項8】 前記熱交換壁手段は、燃焼器内流れ方向
に関して前記燃焼器壁のすぐ下流にあるタービン静翼を
更に含んでいる請求項7に記載の推進エンジン燃焼装
置。 - 【請求項9】 液体燃料と空気及び気体燃料との燃料希
薄混合物を前記熱交換器に供給する手段を更に含んでお
り、前記混合物は、燃料の在留時間を重大なコーキング
が生ずる時間以下に短縮するのに要する限度よりも高い
空気対液体体積比を有している請求項8に記載の推進エ
ンジン燃焼装置。 - 【請求項10】 前記気体供給手段は、前記エンジンの
圧縮機からの空気を、前記熱交換器からの空気及び気体
燃料の混合気と混合する第2の混合手段を更に含んでい
る請求項8に記載の推進エンジン燃焼装置。 - 【請求項11】 前記気体供給手段は、前記第2の混合
手段と前記第1の混合手段との間に設けられて動作可能
な圧縮手段を更に含んでおり、該圧縮手段は、前記第2
の混合手段からの気体燃料及び空気の混合気を圧縮する
ように動作可能である請求項10に記載の推進エンジン
燃焼装置。 - 【請求項12】 前記圧縮手段は、前記エンジン圧縮機
からの空気により駆動可能なターボ圧縮機である請求項
11に記載の推進エンジン燃焼装置。 - 【請求項13】 ガスタービンエンジン内で燃料を燃焼
する方法であって、 加熱される前の液体気体混合物を形成すべく、前記ガス
タービンエンジンの圧縮機部により圧縮された比較的多
量の空気を液体燃料と第1の混合手段内で混合する段階
と、 燃料及び空気の混合気を形成すべく、前記液体気体混合
物を熱交換器内に流して、液体燃料及び気体のすべてを
気化する段階と、 該燃料及び空気の混合気を前記ガスタービンエンジンの
燃焼部に流して、該燃料及び空気の混合気を燃焼する段
階とを含んでいる、ガスタービンエンジン内で燃料を燃
焼する方法。 - 【請求項14】 比較的低温の空気及び燃料の混合気を
形成すべく、前記ガスタービンエンジンの圧縮機部によ
り圧縮された空気を、前記熱交換器を出た前記燃料及び
空気の混合気の一部と第2の混合手段内で混合し、液体
燃料と混合すべく、前記比較的低温の空気及び燃料の混
合気を前記第1の混合手段に流す中間段階を更に含んで
いる請求項13に記載の燃料を燃焼する方法。 - 【請求項15】 前記比較的低温の空気及び燃料の混合
気を前記液体燃料と混合すべく前記第1の混合手段に流
す前に、該比較的低温の空気及び燃料の混合気を圧縮す
る中間段階を更に含んでいる請求項14に記載の燃料を
燃焼する方法。 - 【請求項16】 前記比較的低温の空気及び燃料の混合
気を前記液体燃料と混合すべく前記第1の混合手段に流
す前に、該比較的低温の空気及び燃料の混合気を前記ガ
スタービンエンジンの圧縮機部からの圧縮空気により駆
動されるターボ圧縮機で圧縮する中間段階を含んでいる
請求項15に記載の燃料を燃焼する方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/919,459 US5247792A (en) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | Reducing thermal deposits in propulsion systems |
US919459 | 1992-07-27 |
Publications (2)
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