(57)【要約】【課題】燃焼器における熱音響的不安定性の制御方法を提供する。【解決手段】本発明は、複数の燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆを有する燃焼器１０内部の温度分布を制御するための方法に関するもので、前記燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆにおける空燃比を調整することを含む。少なくとも二つの燃焼室部分３８が、熱音響的不安定性を低減するように燃焼器１０内に不均一な温度分布を形成するための異なる空燃比を有する。【選択図】図１
2008082330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃焼室部分を有する燃焼器内温度分布の制御方法において、
前記燃焼室部分の空燃比を制御することを含み、熱音響的不安定性を低減するため前記燃焼器内部に不均一な温度分布を形成するように、少なくとも二つの前記燃焼室部分が異なる空燃比を有することを特徴とする燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項２】
前記不均一な温度分布は、熱放出フィードバック効果を打ち消すことにより、熱音響的不安定性を低減するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項３】
前記不均一な温度分布が前記燃焼器内部に不均一な波速分布プロファイルを形成することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項４】
前記不均一な波速分布プロファイルが複数の熱音響波モード間のエネルギー交換を引き起こすことを特徴とする請求項３に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項５】
前記熱音響波モードの一つが高度に減衰された波モードであり、前記熱音響波モードのもう一つが軽度に減衰された波モードであることを特徴とする請求項４に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項６】
前記燃焼室部に制御された量の空気を分配することにより、前記空燃比が制御されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項７】
前記燃焼器が、前記燃焼室部分に制御された量の空気を分配するように構成された複数の空気旋回器を含むことを特徴とする請求項６に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項８】
エンジン動作条件の関数として各燃焼室部分に配分される空気の量を調整することをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項９】
前記エンジン動作条件がエンジン速度であることを特徴とする請求項８に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項１０】
前記燃焼室部に制御された量の燃料を分配することにより、前記空燃比が制御されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項１１】
前記燃料が分流弁によって分割されることを特徴とする請求項１０に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項１２】
前記分流弁への合計燃料流量の関数として各燃焼室部分に分配される燃料の制御量を調整することをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項１３】
所定の合計燃料流量を越えた際に、前記不均一な温度分布が実質的に均一な温度分布に変化することを特徴とする請求項１２に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項１４】
燃焼器条件を制御することにより前記燃焼器内部に不均一な温度分布を形成することを含むことを特徴とする燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項１５】
前記燃焼器条件が前記燃焼器内部にある複数の燃焼室部分に分配される燃料の量であることを特徴とする請求項１４に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項１６】
前記燃焼器条件が前記燃焼器内部にある複数の燃焼室部分に分配される空気の量であることを特徴とする請求項１４に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項１７】
前記燃焼器内部に不均一な温度分布を形成するように、制御された量の空気が前記燃焼室部分に分配されることを特徴とする請求項１６に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項１８】
前記燃焼器が、前記燃焼室部分に制御された量の空気を分配するように構成された複数の空気旋回器を含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法
【請求項１９】
エンジン動作条件の関数として各燃焼室部分に配分される空気の量を調整することをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２０】
前記エンジン動作条件がエンジン速度であることを特徴とする請求項１９に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２１】
燃料源からの燃料を分流弁内で分割すること、および
熱音響的不安定性を低減するため不均一なパターンで複数の燃料帯に前記分流弁から制御された量の燃料を分配すること、
を含むことを特徴とする燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２２】
前記不均一なパターンは、熱放出フィードバック効果を打ち消すことにより、熱音響的不安定性を低減することを特徴とする請求項２１に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２３】
前記不均一な燃料パターンが前記燃焼器内部に不均一な温度分布を形成することを特徴とする請求項２１に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２４】
前記分流弁への合計燃料流量の関数として各燃料帯に分配される燃料の制御量を調整することをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２５】
所定の合計燃料流量を越えた際に、前記不均一な燃料パターンが実質的に均一な燃料パターンに変化することを特徴とする請求項２４に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２６】
前記燃焼器が環状燃焼器であることを特徴とする請求項２１に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２７】
前記環状燃焼器が旋回安定型環状燃焼器であることを特徴とする請求項２６に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２８】
前記燃焼器が円筒状燃焼器であることを特徴とする請求項２１に記載の燃焼器内の熱音響的不安定性制御方法。
【請求項２９】
複数の燃料帯に制御された量の燃料を分配することを含み、
熱音響的不安定性を低減するため燃焼器内部に不均一な燃料分布プロファイルを形成するように少なくとも二つの燃料帯は異なる量の燃料を受けることを特徴とする燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項３０】
前記不均一な燃料分布プロファイルが前記燃焼器内部に不均一な温度分布を形成することを特徴とする請求項２９に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項３１】
前記不均一な温度分布が前記燃焼器内部に不均一な波速分布プロファイルを形成することを特徴とする請求項３０に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項３２】
前記不均一な波速分布プロファイルが複数の熱音響波モード間のエネルギー交換を引き起こすことを特徴とする請求項３１に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【請求項３３】
前記熱音響波モードの一つが高度に減衰された波モードであり、前記熱音響波モードのもう一つが軽度に減衰された波モードであることを特徴とする請求項３２に記載の燃焼器内温度分布の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービンエンジンに関する。さらに詳しくは、本発明は、燃焼器における熱音響的不安定性の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の出願が同時係属出願として同日になされており、ここにその全内容を参照し援用する。「燃焼器温度分布を制御するための分流弁」発明者；Ｊｅｆｆｒｅｙ Ｍ． Ｃｏｈｅｎ、Ｊａｍｅｓ Ｂ． Ｈｏｋｅ，Ｓｔｕａｒｔ Ｋｏｚｏｌａ（代理人整理番号Ｕ７３．１２−００７８）。ガスタービンおよび航空エンジンにおいて、熱音響的不安定性は、音響モードがポジティブフィードバックループにおける燃焼から放出される不安定な熱と合わさった際に発生する。これらの不安定性は燃焼器のキャビティ内における大きな圧力変動を招く場合があり、前記燃焼器の安定動作に影響を与え、燃焼器部品を損傷する潜在的な原因となる。環状燃焼器で発生する熱音響的不安定性の例として、主燃焼室における「スクリーチ（甲高い音）」不安定と、「ハウル」不安定がある。
【０００３】
従来技術における熱音響的不安定性を制御するための方法は、一般に音響モードを緩衝するように構成された受動ライナや調整した共鳴器を使用している。しかし、これらの解決方法にはいくつか不利な点がある。特に、これらの方法は重量増加をもたらし、また実施コストが高い場合がある。さらに、共鳴器はある限られた周波数帯域にのみ有効であり、例えば作動条件の変更により、前記不安定の周波数が変わると有効性が失われる。またこれら受動装置には冷却が必要で、エンジンの効率に悪い影響を及ぼす場合がある。さらに、共鳴器を有効に調整するためには、事前に不安定周波数を知ることが必要である。
【０００４】
熱音響的不安定性を制御するための能動的な燃焼制御も考えられている。一般に能動的な方法は、制御設計のため熱音響力学の正確な数学的モデルを必要とする。しかしながら、燃焼力学は複雑なため、代表的なスクリーチなどの不安定の発生、継続に関する正確な物理学的機構は解明されていない。さらに、能動的制御に必要な適切なバンド幅を有する燃料バルブが不足している等の実用的な問題もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に熱音響的不安定性は、航空エンジンの飛行エンベロープ、または地上設置型燃焼器の動作条件の限られた部分にのみ発生する。したがって、受動的緩衝器や能動的制御システムは、限られた動作条件部分における熱音響振動の制御には有効なものの、通常の動作条件に対しては機能しない。さらに、これらの方法は不安定が生じない状態で動作するエンジンに対し、重量や性能の面で負の影響を及ぼす。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数の燃焼室部分を有する燃焼器内部の温度分布を制御するための方法に関するもので、前記燃焼室部分における空燃比を調整することを含む。少なくとも二つの燃焼室部分が、熱音響的不安定性を低減するように燃焼器内に不均一な温度分布を形成するための異なる空燃比を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１はバルクヘッド部１４を有する航空機エンジンの環状燃焼器１０の端面図である。バルクヘッド部１４には複数の燃料ノズル１７（ならびに図１に示していない他の部品）を含むマニホールドアッセンブリ１６が取り付けられている。なお、環状燃焼器１０は例示のために記すもので、限定を意図するものではなく、円筒状燃焼器など他の型式の燃焼器も本発明の意図する範囲内にある。
【０００８】
燃焼器１０は燃料と空気を混合、燃焼し燃焼ガスを発生させるように構成されている。このような燃焼ガスは、タービン入り口にて許容される温度を超えない温度で、燃焼器１０下流のタービンに送られる。燃焼器１０は、限られたスペース内で、エンジンを通過するガスに十分な熱とエネルギーを与え、タービンを駆動するに望ましい出力を与え、エンジンに十分な推力を発生させるように、これらのガスを加速する必要がある。高燃焼効率や最小出力ロスなどと言った性能に加え、バーナーおよび燃焼室の設計において重要な基準は、燃焼器内における熱音響的不安定性を抑制または制限する能力にある。
【０００９】
図２は燃焼器１０の断面を示したもので、燃焼室外周側部分１８Ａおよび燃焼室内周側部分１８Ｂをさらに含んでいる。図２に示すように、組みあがった状態で、燃焼室外周側部分１８Ａと燃焼室内周側部分１８Ｂは環状燃焼室１９を形成し、この内部に燃焼が発生する部位であるポケット２０が含まれる。燃焼室外周側部分１８Ａおよび燃焼室内周側部分１８Ｂは、航空機エンジンの圧縮機駆動シャフトハウジングの外側を囲んで配置されるように構成された、連続的な環状のシュラウドを備える。燃焼室外周側部分１８Ａおよび燃焼室内周側部分１８Ｂには複数の孔２２が設けられ、二次空気Ｃが燃焼室１９に入り、バーナーの火炎が燃焼室外周側部分１８Ａおよび燃焼室内周側部分１８Ｂに接触しないように構成されている。
【００１０】
図３は、燃料ノズル１７、分流弁３０および複数の燃料ライン３２を備える燃料マニホールドアッセンブリ１６を示す。図３に示したように、燃料ノズル１７はグループ分けされており、第一燃料帯３６Ａ、第二燃料帯３６Ｂ、第三燃料帯３６Ｃ、第四燃料帯３６Ｄ、第五燃料帯３６Ｅ、および第六燃料帯３６Ｆを形成している。燃料帯３６Ａ〜３６Ｆは内部の燃焼を制御し、燃料マニホールドアッセンブリ１６中心のドーナッツ状領域に示した燃焼室１９の各対応する燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆの温度を制御する。なお、前記ドーナッツ状領域は、各燃料ノズルに対応する燃焼室内の領域を一般に示すもので、単に説明のために示されたものである。
【００１１】
図３は六つの燃料帯を有する燃料マニホールド１６を示すが、燃料マニホールド１６の燃料帯の数は幾つでも良いという点は重要である。さらに、燃料帯３６Ａ〜３６Ｆはそれぞれの帯あたり三つのノズル１７を含むものとして示したが、燃料帯のノズル１７の数はいくつであっても良い。
【００１２】
燃焼器１０の一実施形態では、燃料供給源（図示せず）からの燃料流の一つを、燃料ノズルの数に等しい数の燃料帯（図示した実施形態では六つ）に分岐させるように、分流弁３０が構成されている。各燃料帯３６Ａ〜３６Ｆは燃料ライン３２の一つから供給を受け、各燃料帯専用のマニホールドが、前記各燃料帯内の各燃料ノズル１７に燃料流をさらに分配する。本実施形態における分流弁３０は、各燃料帯に分配される燃料の量を常時調整し、燃焼器の温度分布が望ましい状態になるように構成されている。各燃料帯３６Ａ〜３６Ｆへの燃料供給量を制御し、これに対応する燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆの温度を制御することで、分流弁３０は、とりわけ、燃焼室１９の音響と燃焼プロセスそのものの相互作用によって生じる熱音響的不安定性を回避する助けとなる。
【００１３】
「熱音響的不安定性」なる用語は、燃焼システム内に認められる様々な振動現象を意味する。ガスタービンエンジン燃焼室における熱音響的不安定性は一般に、局所的で不安定な高エネルギーの放出を招く燃焼プロセスに起因する。このような燃焼プロセスの結果として生じる不安定な高エネルギーの放出が、前記燃焼室の音波と合わさって燃焼室内に振動現象が生じ、前記燃焼室内で様々な周波数を有する振幅の大きな圧力変動を引き起こす。この不安定の周波数は、一般に燃焼室の形状に関係し、前記燃焼室とその流れ場の相互作用に影響される。
【００１４】
熱音響的不安定性は、一般に「調性ノイズ（ｔｏｎａｌ  ｎｏｉｓｅ）」と呼称される。調性ノイズは航空機内部および周辺の人々に不快感を与えるばかりでなく、調性ノイズに起因する振動が、エンジン３０の部品を含む航空機部分の損傷の原因となる場合がある。従ってシステムの熱音響的不安定性を抑制することは、不安定の結果として生じる騒音の低減のみならず、システム性能を向上しエンジン寿命を延ばす点においても望ましい。本発明は、燃焼器内の温度場を制御し、したがってそこにおける音速を制御することで、熱音響的不安定性を制御する方法を提供するものである。
【００１５】
図４は熱音響モデル５０のブロック図で、燃焼器の音響がその燃焼プロセスにどのように影響するかを示す。環状燃焼器の熱音響不安定は、熱放出、受動ライナ、流れの影響等のフィードバックを受ける、円周に分布した一次元波動方程式のフィードバック相互の連結としてモデル化することができる。燃焼は、鈍頭物体安定型オーグメンターの火炎保持器や、旋回安定型燃焼室の旋回器など、円周上に分布したエレメントによってもたらされる。説明のため、熱放出フィードバックのモデルは仮定しない。さらに単純化のため、各火炎保持器または旋回器は同一形状であると仮定する。ただし本発明の方法は同一形状の火炎保持器または旋回器に限定されるものではない。
【００１６】
フィードバックが全く無い場合、Ｎ番目の円周モード（ｎＴと表記される場合がある）は二組の複雑な固有値（ｃｏｍｐｌｅｘ  ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ）に対応する。対応する固有ベクトルは、二つの相反回転する波、一つは時計方向に回転し、もう一つは反時計方向に回転する波と物理的に解釈される。同様にしてｎＴモードもまた時計方向、および反時計方向の回転を有している。例示として、本発明の以下の開示を通じて、＋１の正接音波モード（＋１  ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  ａｃｏｕｔｉｃ  ｗａｖｅ）（１Ｔモード）および−１の正接音波モード（同様に、１Ｔモード）は、燃焼室１９内で相反回転する波を示すものとする。
【００１７】
図４の熱音響モデル５０を参照すると、ブロック５２に示すように燃焼プロセスは流動障害と乱流を発生する。前記流動障害は、ブロック５２からブロック５４への矢印で示すように、前記燃焼プロセスが燃焼室１９に固有のシステム音響と相互作用して発生する。図４に示すように、フィードバックループ５６がブロック５４とブロック５８を繋ぎ、連続的な閉ループを形成するが、これはシステムの熱放出がシステム音響と連続的に相互作用することを示している。前記熱放出フィードバックの効果は、前記波形方向の一つまたは両方を、それぞれの固有値を不安定にすることにより不安定化する。
【００１８】
一般に熱放出フィードバックは、対称および歪対称性フィードバックの合計として分解される場合がある。本明細書に用いられる燃焼エレメントは、単一の火炎保持器または旋回ノズルの背後で燃焼が起こるものと定義されている。概念的に、前記対称フィードバックは反射対称を有する燃焼力学に対応し、また歪対称性フィードバックは燃焼の局所的非対称によって生じる。前記対称フィードバックは相反回転モードにも同様に作用するが、歪対称性フィードバックは一つの回転モードを安定化するものの、相反回転モードを不安定化させる。本発明は、歪対称性フィードバックによって生じる熱音響不安定に対して特に有効である。
【００１９】
図５は歪対称性熱放出フィードバックが、ｎＴモードの音響固有値に与える影響を示す。図５では、＋１正接音波モードに対応する固有値をＥ１、−１正接音波モードに対応する固有値をＥ２として示している。図５に示すように、歪対称性フィードバックは固有値Ｅ１およびＥ２を分割し、一つの回転モードがより多くの減衰を得（すなわちより安定化し）、もう一つの回転モードが減衰を失う（すなわち不安定化する）結果を招く。
【００２０】
熱音響的不安定性は、軽度に減衰された方向（より不安定な波モード）に対応する固有値が、図５に示す不安定領域への仮想的な軸を越えた際に発生する。仮に固有値が不安定領域に向かって前記仮想的な軸を越えない場合にあっても、かなりの乱流ノイズと軽度に減衰された固有値が共存することで、大きな圧力振動を生じる。いずれの場合においても、結果として生じる空間的な波形は、前記軽度に減衰した固有値の固有ベクトルの方向と一致した方向に回転する波に対応する。
【００２１】
歪対称性フィードバックの有害な効果は、燃焼室１９の方位角に沿った空間温度分布を変化させることで、波速（音速）の空間的な同調をずらすこと（ずれ調和）で打ち消すことができる。ｎＴモードを抑制するためには、２ｎＴモードの形状を有する燃焼室１９内の温度分布から生じる時計方向および反時計方向の波形モード間において、最適な有効エネルギーの交換が行われる。特に、ｎＴモードの時計方向および反時計方向の波形モード間における有効エネルギーの交換は、ずれ調和パターンの２ｎＴ成分に比例する。従って、ここに示す１Ｔモードおよび−１Ｔモードに代表される燃焼室１９内の相反回転する波の例において、２Ｔモードの形状を有する熱分布パターンを用いることにより歪対称性フィードバックを打ち消すことが可能である。同様にして、２Ｔモードおよび−２Ｔモードに代表される燃焼室１９内の相反回転する波に対しては、４Ｔモードの形状を有する熱分布パターンを使用することができる。このように、およそ２ｎＴモード形状を有する温度分布パターンは、本発明の意図する範囲内に含まれる。
【００２２】
図６Ａは本発明の歪対称性熱放出フィードバックによる方法の効果を示す。図６Ａに示すように、燃料帯３６Ａ〜３６Ｆ内の空間燃料分布３０を変化させ、それにより対応する燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆの温度を変化させることで、この不均一な温度分布に起因する音速の変化がそれぞれの固有値を、図６Ａの矢印で示す方向に互いに近づける。このように燃焼室１９内部に空間燃料分布を適用することで、前記二つの相反回転する波モード間の減衰交換を起こす。
【００２３】
温度パターンの役割は、音速の空間的変化を導入することによる二つのｎＴ回転方向のずれ調和として理解することができる。燃焼室１９などの燃焼室外周に沿った燃料供給の局所的な増加（または減少）は局所的な温度の上昇（または下降）をもたらし、その結果局所的な音速の増加（または減少）が起こる。物理学の一般的な法則として、燃焼器内部の音速は当該燃焼器の温度の平方根に比例する。さらに、温度は前記燃焼器に関連する空燃比の関数である。最終的には、空気が恒常的に分布するものとすれば、空燃比は局所的な燃料流の関数である。従って、燃料流の分布を変化させ、ある燃焼室部分に多くの燃料流を、また他の燃焼室部分に少ない燃料流を分布することで、燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆにおける音速を制御することができる。
【００２４】
歪対称性フィードバック（すなわち図５に説明した固有値の分割）に対し、当該歪対称性フィードバックの有害な効果を打ち消すための最適な燃料供給変化量が存在する。この最適量は、二つの１Ｔ固有値が互いに比較的近い図６Ａに示した固有値線図に対応する。最適量からのずれ調和量を減少させると、ある一方向に対する減衰を他の方向に対する減衰よりやや軽くする結果となる。一方、最適量を超えてずれ調和量を増大させると、前記二つの相反回転する波の周波数を、追加的減衰効果なしにシフトする結果となる。この現象を図６Ｂに説明する。図６Ｂに示すように、燃料ノズル３６Ａ〜３６Ｆが最適な燃料供給変化量を越えて「ずれ調和」されると、前記モード間の「減衰交換」は最適量を越え、前記追加的な燃料供給変化の唯一の効果は、図６Ｂの矢印で示す方向に固有値Ｅ１およびＥ２間の周波数分離をさらに促す結果となる。その結果、最適なずれ調和量を越えると、相反回転する波モード間で有益なエネルギー交換（減衰）が起こらない。空間的に不均一な燃料供給は熱音響的不安定性を抑制する効果がある一方、不均一な燃料供給は周囲部分の温度分布を不均一化し、エンジンの耐久性に悪影響を及ぼす場合がある。燃焼室１９内部の温度を、飛行エンベロープまたは飛行動作条件に関する最大域に亘ってできるだけ均一にするために、エンジンの動作条件が変わる都度、燃料分布プロファイルを調整するように本発明の方法を使用する。前記燃料分配方法は、例えば、飛行条件や他のエンジン変数などの外部パラメータに基づく低周波帯領域のクローズドループ燃料再分配法またはオープンループ燃料再分配法などによって実行することができる。前記燃料再分配の必要速度は、エンジン作動条件変化の時間スケールに依存し、その関数となる。
【００２５】
このような適応スケジュールは、各動作条件において所望される減衰増大（ｄａｍｐｉｎｇ  ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）の量に応じて変化させる。例えば、熱音響的不安定性が発生しないエンジン動作条件の間には、減衰増大は不要であり、燃焼室１９内部の燃料分布プロファイルは実質的に均一とすべきである。しかしながら、動作条件の変化により所望の減衰量が変化した場合、前記の適応型燃料再分配法は、必要と考慮される減衰量を前記燃焼室に与えるように構成することができる。このように前記燃料再分配は必要な時にのみ必要な量だけ動作するため、前記エンジンの耐久性が改善される。
【００２６】
図７は、図４において示し、説明した波速のタイミングのずれによって生じるフィードバック接続を有する熱音響モデル５０を改良したもので、燃焼室１９内部の燃料分布の空間的不均一性を考慮した結果を含むものである。熱音響モデル５０と同様に、燃焼プロセスは流動障害と乱流を発生し、これらが燃焼室１９の音響と相互作用し、軽度に減衰された音響モード（モード１）と高度に減衰された音響モード（モード２）を発生させる。ここでもまた、熱放出フィードバックが二つの音響モードと相互作用し、上述したように、歪対称性フィードバックを生み出す結果となる。しかしながら、本発明の燃料分配法を用いることにより、燃焼室１９内部の不均一な温度分布により発生する音速のずれ調和パターンが、前記軽度および高度に減衰された音響モードの間で、有益なエネルギー交換フィードバックループを形成する。上述したように、ｎＴモードを抑制するためには、２ｎＴモードの形状を有する空間燃料分布から生じる時計方向および反時計方向の波形モード間において、最適な有効エネルギーの交換が行われる。
【００２７】
図８は本発明に関わる燃焼室１９内の燃料不均一分布を一般に示す。図３に関して上述したように、燃焼室１９は燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆを含む。例示のため、前記六つの燃焼室部分はほぼ同形で、各部分内部の三つのノズルに対応する三つの旋回安定型火炎が各部分に含まれるものと仮定する。さらに、各燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆは空間的に繋がっており、燃焼室１９全体にわたって音波が伝播できるようになっているものと仮定する。前に考察したように熱音響的不安定性は、図４を参照して上述したように、熱放出フィードバックの歪対称性によって発生する。特に、このような歪対称性は燃焼室１９内部に配置された旋回器（ｓｗｉｒｌｅｒ）の局所的な非対象性に直接起因するものである。
【００２８】
燃焼室１９内部の熱音響的不安定性の安定性増大は、各燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆへの燃料流の円周方向への不均一分布によって図ることができる。特に、燃焼室１９内部で回転する波の安定性は、各燃焼室部分への燃料流を合計燃料流の関数として設定することにより達成することができる。本例においては、＋１正接回転波モードと−１正接回転波モードとの間のエネルギー交換を行うため、前述したように２次高調波パターンを活用する。この２次高調波パターンは、図８に示す六つの部分パターンによって近似される。図８に示したように、燃焼室部分３８Ａ，３８Ｃ，３８Ｆは平均部分燃料流よりも多くの燃料を受け、一方燃焼室部分３８Ｂ，３８Ｄ，３８Ｅは、それぞれより少ない量の燃料を受ける。この燃料分布パターンにより不均一な平均温度分布が生じ、その結果、前に論じた温度と波速の関係から、燃焼室１９内に波速の不均一性が効果的に生み出される。前記温度不均一分布の程度は、以下の図で示すように、熱音響的不安定性の低減効果を決定する。
【００２９】
図９は熱音響的不安定性の低減効果を温度不均一分布の関数として示したグラフである。一般に、「振幅」軸の数値が大きくなるほど、＋１および−１回転波モードの圧力振動レベルが大きくなり、その結果、燃焼システムのノイズが大きくなると共に、より不安定になる。さらに、「％温度ずれ調和（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｍｉｓｔｕｎｉｎｇ）」軸の数値が大きくなるほど、「高温」および「低温」燃焼室部分の差が大きくなる。
【００３０】
図９に示すように、燃焼室１９内の温度分布が均一の場合（０％温度ずれ調和）、前記システムは最も高いノイズと不安定性を呈する。燃焼室１９内部の温度分布が不均一になるに従い、振幅はまず急激に低下し、およそ１０％温度ずれ調和の点で一定値に近づく。実際、本発明の開示の例として使用した２ｎＴ高調波を用いる際、平均燃料流量より４％程度大きな円周方向の燃料再分配パターンにより、前記回転波モードの安定化に対し顕著で有益な効果を得ることができる。
【００３１】
図９に示すように、およそ１０％までの温度ずれ調和は、固有値に対し上述した図６Ａの場合と同様の効果をもたらす。しかしながら、およそ１０％を超える温度ずれ調和は、上述した図６Ｂの場合と同様の効果をもたらす。従って、この六つの分離的に燃料供給される部分を有する燃焼室の事例において、「最適な」燃料不均一分布の量はおよそ１０％となる。しかしながら、前述の例は、本発明に関わる熱音響的不安定性制御の一例に過ぎず、説明を目的として掲示したもので限定を意図しないものと理解されるべきである。従って、「最適な」燃料不均一分布の量は、前記燃焼室内の平均空燃比に依存し１０％を超える、またはこれに満たない場合もある。
【００３２】
以上、本発明の方法について、燃焼器１０に制御された量の燃料を分配するために分流弁を用いる例を説明したが、分流弁を使用しない実施形態も考案され、本発明の意図する範囲内にある。
【００３３】
分流弁を使用する代わりの第一の代替例は燃料ノズル１７を異なった流量能力に設計する方法がある。特に、各燃料帯３６Ａ〜３６Ｆを「リッチ」燃料帯または「リーン」燃料帯に割当てることができる。ある燃料流量に対し、リッチ燃料帯はリーン燃料帯に比べより多くの燃料を受ける。その結果、対応する「リッチ」燃焼室部分は温度がより高く、いっぽう「リーン」燃焼室部分は温度がより低くなり、前記燃焼室内部に不均一な温度分布を形成する。「リッチ」燃料帯を形成する一つの方法として、前記燃料ノズルの開口部を大きくし、特定の流量に対する燃料放出量を増大させる方法がある。同様に、「リーン」燃料帯を形成する一つの方法として、前記燃料ノズルの開口部を小さくし、当該ノズルが放出する燃料の量を減少させる方法がある。さらに、段階的燃料システムを用いることで、これらの燃料ノズルが燃料流量の関数として可変の燃料均一性を提供するようにすることができる。例えば、各ノズルに対し燃料を供給する第一および第二の燃料回路を有するように各ノズルを設計する。所定の燃料流量未満においては、前記第一の燃料回路のみが各対応するノズルに燃料を供給し、前記燃焼室内に不均一な燃料分布（従って、不均一な温度分布）を形成する。しかしながら、流量が所定量を上回った場合、前記第一および第二の燃料回路が各対応するノズルに燃料を供給し、各ノズルから実質的に等量の燃料流を形成する。その結果、前記燃焼器内部には実質的に均一な温度分布が形成される。
【００３４】
分流弁に対する第二の代替方法は、各ノズル１７または各燃焼帯３６Ａ〜３６Ｆに対し個々の弁を使用する方法である。各弁を、「閉」位置（ノズルに燃料が供給されない位置）から「開」位置（燃料流の一部または全てが燃料ノズルに供給される位置）までの所定の燃料流量に設定し、前記燃焼室内に可変の温度不均一性を形成する。
【００３５】
分流弁に対する第三の代替方法は、「固定オリフィス」を有する燃料ノズル１７を利用する方法である。一般に、固定オリフィスを有するノズルは、全ての燃料流量に対し、固定された不均一性（ｆｉｘｅｄ  ｎｏｎ−ｕｎｉｆｏｒｍ）を提供する。従って、前述した分流弁３０とは異なり、固定オリフィス内に可変の流量を形成することのできる装置をシステム内に取り入れない限り、固定オリフィスを有するノズルはほぼ全てのエンジン動作条件に対し、不均一な温度分布を形成する。
【００３６】
上述の議論は、複数の燃料ノズル（または燃料帯）に分配される燃料の量を制御することにより、燃焼室内の温度分布を制御する方法に焦点を当ててきたが、前記温度分布を、代わりに、前記燃焼室内に分配される空気の量を制御することによって制御することも可能である。特に燃焼室部分の温度は、その部分に関連する燃料帯の空燃（ｆｕｅｌ ｔｏ ａｉｒ：ｆ／ａ)比に依存する。上述したように、「リッチ」燃料帯に関連する燃焼室部分は、「リーン」燃料帯に関連する燃焼室部分よりも温度が高い。「リッチ」燃料帯は、一定量の空気と増量した燃料を燃料帯に分配するか、一定量の燃料と減じた量の空気を燃料帯に分配するか、あるいは増された量の燃料と減じた量の空気を燃料帯に分配するか、のいずれかの方法で形成することができる。同様にして「リーン」燃料帯は、一定量の空気と減量した燃料を燃料帯に分配するか、一定量の燃料と増量した空気を燃料帯に分配するか、あるいは減量した燃料と増量した空気を燃料帯に分配するか、のいずれかの方法で形成することができる。これらの例から理解されるように、燃料流量、空気流量、またはその両者を変更することで、燃焼室内に温度不均一を生み出すことができる。 
【００３７】
燃焼室１９への燃焼空気流量を変化させる一つの方法は、異なる流量能力を有する燃料ノズル空気旋回器を設計することにある。図１０は図１を参照に説明した燃焼器１０の一部分を示したものである。図１０に示すように、燃料ノズル１７は内部空気旋回器７０と、燃料インジェクタ部分７２と、外側旋回器７４と、を含む。内側旋回器７０および外側旋回器７４は燃焼室部分３８Ａ〜３８Ｆに燃焼空気を供給し、燃焼室１９前部の主燃焼帯における空燃比を調節する。一実施形態において、内側旋回器７０は、燃料インジェクタ部分７２の内側への「旋回する空気」の供給源となるように構成された、複数のベーン部材を有する円筒状の導通路で、一方、外側旋回器７４は、燃料インジェクタ部分７２の外側への「旋回する空気」の供給源となるように構成された、複数のベーン部材を有する環状の導通路である。内側旋回器７０および外側旋回器７４から分配される旋回空気は、内側旋回器７０と外側旋回器７４との間における環状燃料インジェクタ部分７２から噴射される燃料に剪断力を与える。内側旋回器７０および外側旋回器７４は、単に燃焼室１９内の「燃焼空気」の供給源となるばかりでなく、燃料インジェクタ部分７２から噴射される燃料を小滴に分断し燃焼プロセスを促進する。ノズル１７は単に例示の目的で示したもので、限定的なものではなく、他の型式のノズルや旋回器が考案される点は重要である。
【００３８】
マニホールドアッセンブリ１６に取り付けられたノズル１７は、例えば、同じ圧力損失において、内側空気旋回器７０および外側空気旋回器７４が異なった流量の空気を燃焼室１９に供給する等の様々な形態に設計することができる。一実施形態においては、燃焼室１９内部に不均一な空気流分布を形成するように、燃料帯３６Ａ〜３６Ｆの各組のノズル１７がそれぞれ異なる空気量を分配するように設計される。上述したように、不均一な空気流分配は、不均一な燃料流分配と同様に、燃焼室１９内部の温度分布に影響を与える。従って、燃焼室１９内部に分配される燃焼空気の量を変更することで、燃焼室１９内部に不均一な温度分布を形成すること（従って、熱音響的不安定性を制御すること）が可能になる。
【００３９】
燃焼室１９への燃焼空気の流量を変化させるもう一つの方法は、燃焼室１９への「急冷（ｑｕｅｎｃｈ）」空気の流量を変化させることを含む。本開示における「急冷」空気とは、燃焼室外周側部分および燃焼室内周側部分に設けられたそれぞれの孔から燃焼室に分配される空気流を示す。例えば、いくつかの燃料帯は、低い温度が望ましい燃焼室部分により大量の空気を供給するため、より多くの数の孔、または直径のより大きな孔を含むように設計することができる。このような設計の例を図１１Ａに示す。より詳しくは、図１１Ａは、燃焼器１０´の断面図であり、これは図２に示した燃焼器１０と類似したものであるが、燃焼室外周側部分１８Ａ´および燃焼室内周側部分１８Ｂ´のそれぞれの孔２２´の数は、燃焼器１０より多い。孔２２´の数の増加によって、燃焼室１９への燃焼空気流を全体的に増加させ、燃焼室温度を低下させることになる。いくつかの燃料帯は、高い温度が望ましい燃焼室部分に空気を減量して供給するため、より少ない数の孔、または直径のより小さな孔を含むように設計することができる。このような設計の例を図１１Ｂに示す。より詳しくは、図１１Ｂは、燃焼器１０″の断面図であり、これは図２に示した燃焼器１０と類似したものであるが、燃焼室外周側部分１８Ａ″および燃焼室内周側部分１８Ｂ″のそれぞれの孔２２″の数は、燃焼器１０より少ない。孔２２″の数の減少によって、燃焼室１９への燃焼空気流を全体的に減少させ、燃焼室温度が上昇することになる。
【００４０】
上記の開示と矛盾しない方法で、温度不均一を形成するため、燃焼室内への空気流を変化させる様々な方法が考案できると言う点は理解されるべきである。さらに、上述した燃焼空気量の変化方法は、「固定された」温度不均一を形成するものであるが、ある動作条件が整った際に、前記温度不均一を実質的に均一な温度分布へ変化させる方法もまた本発明の意図する範囲に含まれる。
【００４１】
本発明は、燃焼器内の動的安定性を増加させるために、当該燃焼器内の平均温度分布を形成するための方法である。本方法は、燃焼器内の円周部に燃料および空気を適応的に最適なパターンで再分配し、様々な音響モード間で有益なエネルギー交換を引き起こすものである。具体的な最適パターンは、本方法が制御しようとする熱音響波モードの形状に依存する。特に本発明の方法は、より安定なモードが、より不安定な対象モードの減衰を増大させるように作用させることを可能にする手段を提供する。さらに本方法は、前記燃料または空気の再分配が必要な場合のみ、必要な程度に応じて行われるように構成することができる。
【００４２】
本方法は燃焼不安定のモード構造を利用するもので、限定する趣旨ではないが、下記のいくつか利点を享受する。
（１）本方法は旋回法、鈍頭物体（ｂｌｕｆｆ  ｂｏｄｙ）法の両者を含む一般的な燃焼法に適用可能である。
（２）本方法は不安定な熱放出応答に対する物理学を基礎とした力学モデルを必要としない。
（３）本方法は、熱音響的不安定性のモード構造がおよそそのままの状態で維持される限り、周波数の変化等、モデル化されない多くの物理的効果に対処するに十分な堅牢さを有している。
（４）熱音響的不安定性の安定化に必要なずれ調和の定量的な量は、燃焼室温度等の平均流効果にのみ依存する。
（５）本方法は熱音響的不安定性の発症するエンジン動作条件の小さな領域のみに作用するよう構成することができるため、ほとんどのエンジン動作条件において、タービンの耐久性やエンジン推力は犠牲にされない。
【００４３】
本発明を好適な実施形態に基づいて説明したが、当業者は本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状や詳細の変更ができるものと認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】航空機エンジンの燃焼器を示す図。
【図２】燃焼器の部分断面図。
【図３】燃料マニホールドを示す図。
【図４】燃焼器の音響が燃焼プロセスに与える影響を示すブロック図。
【図５】歪対称性熱放出フィードバックが音響モードに与える影響を示す図。
【図６Ａ】適応型空間燃料分布法が歪対称性熱放出フィードバックに与える影響を示す図。
【図６Ｂ】最適量を超えた燃料ずれ調和の影響を示す図。
【図７】燃焼室内における燃料分布の不均一によって発生するフィードバックを説明する熱音響モデルのブロック図。
【図８】燃焼室内における燃料不均一分布のパターンの一つの形態を示す図。
【図９】熱音響的不安定性の低減効果を温度不均一分布の関数として示したグラフ。
【図１０】図１に示した燃焼器の部分拡大図。
【図１１Ａ】第一の代替的燃焼器の断面図。
【図１１Ｂ】第二の代替的燃焼器の断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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