(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジンなどで使用するのに適する燃料ノズル装置（３２）が提供される。【解決手段】  複数のガスオリフィス（３６）の各々の音響抵抗は、燃料ノズル装置（３２）と燃焼器との間で最大の音響エネルギーを伝達できる。ガスタービンエンジンシステムの燃焼ダイナミクスを制御する燃料ノズル装置（３２）の能力を向上させるように、燃料ライン（３４）の音響インピーダンスと整合するように選択される。燃料噴射共振器アセンブリ（４０）は、可変長管（５０）により分離された複数のオリフィス（４２、４６）を含む。複数のオリフィスの面積比は、相対流動抵抗を修正及び／又は制御するために自動化弁システムを使用して調整される。燃料噴射共振器アセンブリ（４０）は燃料を燃焼器へ送り出すように動作可能である同調可能音響導波管として作用する。【選択図】      図９
2004150793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流れの中へ燃料を噴射するように動作可能であり、ガスタービンエンジンシステムなどで使用するのに適する燃料ノズル装置（３２）において、
第１の横断面面積Ａh及び第１の音響インピーダンスＺ１を有するオリフィス部分（３６）と、
第２の横断面面積ＡT及び第２の音響インピーダンスＺ２を有する管部分（３４）とを具備し、
前記オリフィス部分（３６）の第１の横断面面積Ａhと、前記管部分（３４）の第２の横断面面積ＡTとの比は、前記オリフィス部分（３６）の第１の音響インピーダンスＺ１が前記管部分（３４）の第２の音響インピーダンスＺ２とほぼ同じになるように選択されている燃料ノズル装置。
【請求項２】
前記オリフィス部分は、各々が第１の横断面面積Ａh及び第１の音響インピーダンスＺ１を有する複数のオリフィスを具備する請求項１記載の燃料ノズル装置。
【請求項３】
前記複数のオリフィスの各々の第１の横断面面積Ａhと、前記管部分の第２の横断面面積ＡTとの比は、前記複数のオリフィスの各々の第１の音響インピーダンスＺ１が前記管部分の第２の音響インピーダンスＺ２とほぼ同じになるように選択されている請求項２記載の燃料ノズル装置。
【請求項４】
前記オリフィス部分の第１の横断面面積Ａhと、前記管部分の第２の横断面面積ＡTとの比は、ｄｐ％が所定の圧力降下を表し、ＣDが前記オリフィス部分の吐出し係数を表し、γが燃料の所定の特性を表すとき、等式
【数１】
2004150793.tif 000018
により表される請求項１記載の燃料ノズル装置。
【請求項５】
前記管部分は燃料ラインを構成する請求項１記載の燃料ノズル装置。
【請求項６】
前記オリフィス部分の第１の横断面面積Ａhは調整自在である請求項１記載の燃料ノズル装置。
【請求項７】
前記管部分の第２の横断面面積ＡTは調整自在である請求項１記載の燃料ノズル装置。
【請求項８】
空気流れは燃焼装置の中に位置している請求項１記載の燃料ノズル装置。
【請求項９】
Ｚ１及びＺ２は０．５２から１．９２までの値である請求項１記載の燃料ノズル装置。
【請求項１０】
ガスタービンエンジンシステムなどの燃料ダイナミクスを制御する方法において、
第１の横断面面積Ａh及び第１の音響インピーダンスＺ１を有するオリフィス部分（３６）を設けることと、
第２の横断面面積ＡT及び第２の音響インピーダンスＺ２を有する管部分（３４）を設けることと、
前記オリフィス部分（３６）の第１の横断面面積Ａhと、前記管部分（３４）の第２の横断面面積ＡTとの比を、前記オリフィス部分（３６）の第１の音響インピーダンスＺ１が前記管部分（３４）の第２の音響インピーダンスＺ２とほぼ同じになるように選択することから成る方法。
【請求項１１】
前記オリフィス部分は、各々が第１の横断面面積Ａh及び第１の音響インピーダンスＺ１を有する複数のオリフィスを具備する請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記オリフィス部分の第１の横断面面積Ａhと、前記管部分の第２の横断面面積ＡTとの比を、前記オリフィス部分の第１の音響インピーダンスＺ１が前記管部分の第２の音響インピーダンスＺ２とほぼ同じになるように選択することは、前記複数のオリフィスの各々の第１の横断面面積Ａhと、前記管部分の第２の横断面面積ＡTとの比を、前記複数のオリフィスの各々の第１の音響インピーダンスＺ１が前記管部分の第２の音響インピーダンスＺ２とほぼ同じになるように選択することから成る請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記オリフィス部分の第１の横断面面積Ａhと、前記管部分の第２の横断面面積ＡTとの比は、ｄｐ％が所定の圧力降下を表し、ＣDが前記オリフィス部分の吐出し係数を表し、γが燃料の所定の特性を表すとき、等式
【数２】
2004150793.tif 000019
により表される請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記管部分を設けることは燃料ラインを設けることから成る請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
前記オリフィス部分の第１の横断面面積Ａhを調整することを更に含む請求項１０記載の方法。
【請求項１６】
前記管部分の第２の横断面面積ＡTを調整することを更に含む請求項１０記載の方法。
【請求項１７】
空気流れの中へ燃料を噴射するように動作可能であり、ガスタービンエンジンシステムなどで使用するのに適する燃料噴射共振器アセンブリ（４０）において、
上流側端部（４４）及び下流側端部（４８）を具備し、長さが調整自在であり、燃料を収容し且つ搬送するように動作可能である管部分（５０）と、
前記管部分（５０）の上流側端部（４４）の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能である複数の上流側オリフィス（４２）と、
前記管部分（５０）の下流側端部（４８）の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能である複数の下流側オリフィス（４６）とを具備し、
前記管部分（５０）の長さは所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択されている燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項１８】
空気流れの中へ燃料を噴射するように動作可能であり、ガスタービンエンジンシステムなどで使用するのに適する燃料噴射共振器アセンブリ（４０）において、
上流側端部（４４）及び下流側端部（４８）を具備し、長さが調整自在であり、燃料を収容し且つ搬送するように動作可能である管部分（５０）と、
前記管部分（５０）の上流側端部（４４）の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能であり、各々の横断面面積が調整自在である複数の上流側オリフィス（４２）と、
前記管部分（５０）の下流側端部（４８）の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能である複数の下流側オリフィス（４６）とを具備し、
前記管部分（５０）の長さは所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択され、
前記複数の上流側オリフィス（４２）の各々の横断面面積は所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択されている燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項１９】
前記複数の上流側オリフィスの各々の横断面面積は調整自在である請求項１７記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２０】
前記複数の上流側オリフィスの各々の横断面面積は所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択されている請求項１９記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２１】
前記管部分は環状チャンバから構成されている請求項１７又は請求項１８記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２２】
前記管部分は複数の管から構成されている請求項１７又は請求項１８記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２３】
前記複数の下流側オリフィスの各々の横断面面積は調整自在である請求項１７又は請求項１８記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２４】
前記複数の下流側オリフィスの各々の横断面面積は所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択されている請求項２３記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２５】
前記管部分と連通する共振器装置を更に具備し、前記共振器装置は前記管部分に共振周波数を印加するように動作可能である請求項１７又は請求項１８記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２６】
前記共振器装置の共振周波数は所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択されている請求項２５記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２７】
空気流れは燃焼装置の中に位置している請求項１７又は請求項１８記載の燃料噴射共振器アセンブリ。
【請求項２８】
ガスタービンエンジンなどの燃焼ダイナミクスを制御する方法において、
上流側端部（４４）及び下流側端部（４８）を具備し、長さが調整自在であり、燃料を収容し且つ搬送するように動作可能である管部分（５０）を設けることと、
前記管部分（５０）の上流側端部（４４）の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能であり、各々の横断面面積が調整自在である複数の上流側オリフィス（４２）を設けることと、
前記管部分（５０）の下流側端部（４８）の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能である複数の下流側オリフィス（４６）を設けることと、
所定の範囲内の前記管部分（５０）、前記複数の上流側オリフィス（４２）及び前記複数の下流側オリフィス（４６）の共振を回避又は実現するように前記管部分（５０）の長さを選択することと、
所定の範囲内の前記管部分（５０）、前記複数の上流側オリフィス（４２）及び前記複数の下流側オリフィス（４６）の共振を回避又は実現するように前記複数の上流側オリフィス（４２）の各々の横断面面積を選択することから成る方法。
【請求項２９】
前記管部分は環状チャンバから構成されている請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記管部分は複数の管から構成されている請求項２８記載の方法。
【請求項３１】
前記複数の下流側オリフィスの各々の横断面面積は調整自在である請求項２８記載の方法。
【請求項３２】
前記複数の下流側オリフィスの各々の横断面面積を所定の範囲内の前記管部分、前記複数の上流側オリフィス及び前記複数の下流側オリフィスの共振を回避又は実現するように選択することを更に含む請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記管部分と連通し、前記管部分に共振周波数を印加するように動作可能である共振器装置を設けることを更に含む請求項２８記載の方法。
【請求項３４】
前記共振器装置の共振周波数を所定の範囲内の前記管部分、前記複数の上流側オリフィス及び前記複数の下流側オリフィスの共振を回避又は実現するように選択することを更に含む請求項３３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に燃焼ダイナミクスの分野に関する。特に、本発明は音響インピーダンス整合燃料ノズル装置、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ、及びそれに関連する、ガスタービンなどと関連して使用するのに適する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンなどにおける燃焼ダイナミクスの制御には相対的に圧力降下の少ない燃料ノズルが重要であることは当業者には知られている。燃料ノズルの圧力変動は燃料流量の変動を引き起こす。燃料流量の変動は燃焼器の炎と相互に作用して、圧力振動を発生させることがある。これにより発生する変動サイクルは強め合うサイクル又は弱め合うサイクルのいずれかであり、相互作用の大きさと位相に応じて相対的に大きな振幅の振動につながることもある。従って、ガスタービンエンジンの燃焼ダイナミクスを制御する上で、燃料ノズルの音響特性は極めて重大である。
【０００３】
燃料ラインは、その燃料ラインを通過する音波の伝搬に対する音響インピーダンス（Ｚ）により特徴づけられる。この音響インピーダンスは次の等式により表されるであろう。
【０００４】
【数１】
2004150793.tif 000003
【０００５】
式中、ρは密度であり、Ｃ0は局所音速であり、Ａは使用されるオリフィスの横断面面積である。反射され、伝達される音響エネルギーの量はパワー反射係数αR＝Ｂ2／Ａ2及びパワー透過係数αT＝１−αRにより表され、所定のシステムにおいて、Ａは下流側伝搬波の振幅であり、Ｂは上流側伝搬波の振幅である。オリフィスの音響抵抗は、流量に関する圧力降下の変化の増分速度により与えられる。音響インピーダンス整合状態は、流動システムの音響インピーダンスがオリフィスの音響抵抗とほぼ等しいときに現れる。この条件が与えられると、境界面における音響インピーダンスは１に近づき、燃料ノズルから燃焼器への音響エネルギーの伝達は最大になる。修正及び／又は制御が可能である内部音響構造を有する燃料ノズルの場合、又は作動弁を使用する能動制御スキーマの場合、得られる燃料圧力波は最小限の減衰を伴って燃焼器へ伝達されるであろう。これは、燃料ノズルの内部音響構造が燃焼器と互いに音響的に作用し合うことを可能にする重大な過程である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料圧力波を反射なしに燃焼器へ伝達することを目指す従来の試みは、燃料ノズルの内部ボリュームに連通するオリフィスを有する集中パラメータソフトノズルを使用することに集中していた。そのようなアセンブリを図１に示す。図１を参照すると、従来の２段階燃料ノズル１０は上流側オリフィス１２と、下流側オリフィス１４とを含むことがわかる。それらのオリフィスの間に捕捉応答ボリューム１６が位置している。上流側オリフィス１２は気体燃料の圧力をほぼ圧縮機排出空気の圧力まで相対的に大きく降下させる。下流側オリフィス１４は空気供給のための燃焼器ライナの開口の両側における圧力降下に匹敵する圧力降下を発生させる。プレミキサゾーンにおける圧力変化に起因する燃料／空気濃度の変化を排除するために、プレミキサゾーンに至る燃料入口及び空気入口の動的圧力応答特性はほぼ整合される。捕捉応答ボリューム１６の大きさは、プレミキサゾーンにおける圧力強制関数の位相角に対して第１の位相角で上流側オリフィス１２を通って捕捉応答ボリューム１６に流入する燃料と、プレミキサゾーンにおける圧力強制関数の位相角に対して第２の位相角で下流側オリフィス１６を通って捕捉応答ボリューム１６から流出する燃料との位相角の不一致に十分対応しうる燃料を蓄積するように定められている。音響インピーダンス整合は伝達線路理論において当業者には知られているが、依然として必要とされているのはそれを燃焼ダイナミクスの観点から適用するシステム及び方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の様々な実施例において、ガスタービンエンジンなどで使用するのに適する燃料ノズル装置が提供される。燃料ノズル装置は燃料ラインと、燃料ラインの下流側端部に配置された複数のガスオリフィスとを含み、複数のガスオリフィスは空気流れの中へ燃料を噴射するように動作可能である。複数のガスオリフィスの各々の音響抵抗は、燃料ノズル装置と燃焼器との間で最大限の音響エネルギーを伝達でき、それにより、ガスタービンエンジンシステムの燃焼ダイナミクスを制御する燃料ノズル装置の能力を向上させることができるように、燃料ラインの音響インピーダンスと整合するように選択される。本発明の方法は、燃焼室などに結合された燃料噴射システムを組み込んだどのような燃焼システムにも適用できるであろう。
【０００８】
本発明の様々な実施例において、ガスタービンエンジンなどで使用するのに適する燃料噴射共振器アセンブリも提供される。燃料噴射共振器アセンブリは、可変長管により分離された複数のオリフィスを含む。複数のオリフィスの面積比は、複数のオリフィスの相対流動抵抗を修正及び／又は制御するために、例えば、自動化弁システムを使用して調整されても良い。これにより得られる燃料噴射共振器アセンブリは、燃焼器へ燃料を送り出すように動作可能である同調可能音響導波管として作用する。この同調可能音響導波管の外部圧力摂動に対する応答を修正及び／又は制御しても良い。
【０００９】
本発明の一実施例では、空気流れの中へ燃料を噴射するように動作可能であり、ガスタービンエンジンシステムなどで使用するのに適する燃料ノズル装置は、第１の横断面面積Ａh及び第１の音響インピーダンスＺ１を有するオリフィス部分と、第２の横断面面積ＡT及び第２の音響インピーダンスＺ２を有する管部分とを含む。オリフィス部分の第１の横断面面積Ａhと、管部分の第２の横断面面積ＡTとの比は、オリフィス部分の第１の音響インピーダンスＺ１が管部分の第２の音響インピーダンスＺ２とほぼ同じになるように選択される。これが起こると、オリフィスにおける音響インピーダンスは１に近づき、オリフィスを通って伝達されるパワーは最大になる（αT→１）。
【００１０】
本発明の別の実施例では、ガスタービンエンジンシステムなどの燃料ダイナミクスを制御する方法は、第１の横断面面積Ａh及び第１の音響インピーダンスＺ１を有するオリフィス部分を設けることと、第２の横断面面積ＡT及び第２の音響インピーダンスＺ２を有する管部分を設けることを含む。方法は、オリフィス部分の第１の横断面面積Ａhと、管部分の第２の横断面面積ＡTとの比を、オリフィス部分の第１の音響インピーダンスＺ１が管部分の第２の音響インピーダンスＺ２とほぼ同じになるように選択することを更に含む。同様に、これが起こると、オリフィスにおける音響インピーダンスは１に近づき、オリフィスを通って伝達されるパワーは最大になる（αT→１）。
【００１１】
本発明の更に別の実施例では、空気流れの中へ燃料を噴射するように動作可能であり、ガスタービンエンジンシステムなどで使用するのに適する燃料噴射共振器アセンブリは、上流側端部及び下流側端部を具備し、長さが調整自在であり、燃料を収容し且つ搬送するように動作可能である管部分を含む。燃料噴射共振器アセンブリは、管部分の上流側端部の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能である複数の上流側オリフィスを更に含む。燃料噴射共振器アセンブリは、管部分の下流側端部の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能である複数の下流側オリフィスを更に含む。管部分の長さは所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択される。
【００１２】
本発明の更に別の実施例では、空気流れの中へ燃料を噴射するように動作可能であり、ガスタービンエンジンシステムなどで使用するのに適する燃料噴射共振器アセンブリは、上流側端部及び下流側端部を具備し、長さが調整自在であり、燃料を収容し且つ搬送するように動作可能である管部分を含む。燃料噴射共振器アセンブリは、管部分の上流側端部の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能であり、各々の横断面面積が調整自在である複数の上流側オリフィスを更に含む。燃料噴射共振器アセンブリは、管部分の下流側端部の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能である複数の下流側オリフィスを更に含む。管部分の長さは所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択される。複数の上流側オリフィスの各々の横断面面積は所定の範囲内のアセンブリの共振を回避又は実現するように選択される。
【００１３】
本発明の更に別の実施例では、ガスタービンエンジンなどの燃焼ダイナミクスを制御する方法は、上流側端部及び下流側端部を具備し、長さが調整自在であり、燃料を収容し且つ搬送するように動作可能である管部分を設けることを含む。方法は、管部分の上流側端部の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能であり、各々の横断面面積が調整自在である複数の上流側オリフィスを設けることを更に含む。方法は、管部分の下流側端部の周囲に配置され、空気流れの中へ燃料を送り出すように動作可能である複数の下流側オリフィスを設けることを更に含む。方法は、所定の範囲内の管部分、複数の上流側オリフィス及び複数の下流側オリフィスの共振を回避又は実現するように管部分の長さを選択することを更に含む。方法は、所定の範囲内の管部分、複数の上流側オリフィス及び複数の下流側オリフィスの共振を回避又は実現するように複数の上流側オリフィスの各々の横断面面積を選択することを更に含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図２は、燃料ノズルなどの単純な１次元管の場合の音響インピーダンス（Ｚ）と、下流側伝搬音波（Ａ）及び上流側伝搬音波（Ｂ）を含む複数の音波の伝搬との関係を示す。Ｚは次の等式により定義できるであろう。
【００１５】
【数２】
2004150793.tif 000004
【００１６】
式中、Ｐは、例えば、Ｎ／ｍ2単位の圧力であり、Ｑは、例えば、ｍ3／ｓｅｃ単位の体積速度又は体積流量である。また、Ｚは次の等式によっても定義できるであろう。
【００１７】
【数３】
2004150793.tif 000005
【００１８】
式中、Ａは入射音波の振幅であり、Ｂは反射音波の振幅であり、音響反射係数（ｒ）はＢ／Ａとして定義され、パワー反射係数（αr）はＢ2／Ａ2として定義される。
【００１９】
図２を参照すると、１次元管が端部（ｘ＝０である）で閉鎖されている場合（ケース２０）、体積速度又は体積流量（Ｕ）は必然的に管／オリフィス境界（ｘ＝０）で０に向かう。従って、Ｚは無限大に向かおうとする。この場合、Ａ−Ｂ＝０、Ａ＝Ｂ、ｒ＝１であり、パワー反射係数は１、パワー透過係数は０である。入射音波（Ａ）は反射されて、１次元管に戻る。１次元管が端部（ｘ＝０である）で開いている場合（ケース２２）には、管／オリフィス境界（ｘ＝０）における圧力（Ｐ）は０に向かおうとする。従って、Ｚは０に向かおうとする。この場合、Ａ＋Ｂ＝０、Ａ＝−Ｂ、ｒ＝−１であり、パワー反射係数は１、パワー透過係数は０である。音波は管の端部を通って伝搬し、反射音波は管／オリフィス境界（ｘ＝０）から上流側へ伝播されて、戻る。音響インピーダンス整合の場合（ケース２４）には、Ｚ＝１である。これは、Ｂ＝０である（すなわち、管／オリフィス境界（ｘ＝０）に音響反射が存在しない）ことを示唆している。この場合、パワー反射係数は０、パワー透過係数は１である。従って、入射音波（Ａ）は反射せずに１次元管の端部の開口（ｘ＝０）を通って伝搬し、音波の減衰はない。
【００２０】
音響インピーダンス（Ｚ）とパワー係数との関係を図３及び図４に示す。Ｚが１（最大透過）から減少するにつれて、パワー反射係数は増加し、パワー透過係数は減少する。Ｚが１から増加するときにも同じことが起こる。約９０％を超えるパワー透過係数を得るためには、音響インピーダンスは約０．５２より大きく、約１．９２より小さくなければならない。
【００２１】
オリフィス及び管を通る流れに対して下記の等式を使用できるであろう。
【００２２】
【数４】
2004150793.tif 000006
【００２３】
式中、Ａhはオリフィスの横断面面積であり、ＣDはオリフィスの吐出し係数であり、ｐはオリフィスを通過するときの圧力降下である。また、
【００２４】
【数５】
2004150793.tif 000007
【００２５】
式中、ＡTは管の横断面面積であり、ＵTは管を通過するときの流速（ｍ／ｓ）である。
【００２６】
管を通る流れをオリフィスを通る流れと等しく設定するために質量保存の原理を使用すると、次の等式が得られる。
【００２７】
【数６】
2004150793.tif 000008
【００２８】
管における速度について解くと、次の等式が得られる。
【００２９】
【数７】
2004150793.tif 000009
【００３０】
先に説明したように、下記の等式に従って、音響インピーダンス（Ｚ）は圧力と体積流量の比として、又は密度に局所音速を乗算した値を所定の流路の横断面面積で除算した値として定義できるであろう。
【００３１】
【数８】
2004150793.tif 000010
【００３２】
この等式を使用すると、比Ｐ／ＵをρＣ0として定義できるであろう。これらの量の摂動を検討し、この比を反転させると、次の等式が得られる。
【００３３】
【数９】
2004150793.tif 000011
【００３４】
管における体積速度についてこの等式を使用し、微分をとると、ｄＵ／ｄΔｐに関して次の等式が得られる。
【００３５】
【数１０】
2004150793.tif 000012
【００３６】
項２ρを消去すると、次の等式が得られる。
【００３７】
【数１１】
2004150793.tif 000013
【００３８】
管の音響インピーダンスとオリフィスの音響インピーダンスとを等しくすることは、次のように等式（９）及び（１１）により実現される。
【００３９】
【数１２】
2004150793.tif 000014
【００４０】
面積比について解くと、次の等式が得られる。
【００４１】
【数１３】
2004150793.tif 000015
【００４２】
下記のように項を定義する。
【００４３】
【数１４】
2004150793.tif 000016
【００４４】
式中、γは比熱の比（Ｃp／Ｃv）であり、所定の流体の特性である。Δｐに関する等式を等式（１３）に代入し、Ｐとρの関係を使用すると、次の等式が得られる。
【００４５】
【数１５】
2004150793.tif 000017
【００４６】
従って、管の面積（ＡT）、所望の圧力降下（ｄｐ％）及び関連するオリフィスの吐出し係数（ＣD）が与えられれば、音響インピーダンス整合状態を実現するために要求されるオリフィスの面積（Ａh）を判定できるであろう。同様に、オリフィスの面積が与えられれば、管の面積（従って、直径）を判定できるであろう。ここで説明するプロセスから所望の利益を得るために、管の音響インピーダンスとオリフィスの音響インピーダンスの双方を１に等しくなるように設定する必要はないことに注意すべきである。先に説明した通り、Ｚ＝０．５２〜１．９２の場合、パワー透過係数は約９０％に等しい。この関係は図３及び図４に示されている。
【００４７】
相対的に大きな周波数帯域幅にわたり音響インピーダンス整合状態を得ることができるか否かを判定するために、１次元管を使用して一連の実験を実行した。１次元管と組み合わせて、様々に異なる直径（約１／８インチ、約５／３２インチ、約１１／６４インチ、約３／１６インチ、約７／３２インチ及び約１／４インチ）を有する複数のオリフィスを使用した。実験によれば、１／８インチのオリフィスは開いた管の端部境界条件に類似する端部境界条件（Ｚ→０）を示すことがわかった。また、実験により、１／４インチのオリフィスは閉鎖された管の端部境界条件に類似する端部境界条件（Ｚ→無限大）を示すこともわかった。その結果を図５のグラフ３０に示す。所定の幾何学的形状及び圧力降下に対し、約１１／６４インチのオリフィス直径は相対的に大きな周波数帯域幅にわたり音響インピーダンス整合条件をもたらした。
【００４８】
図６及び図７を参照すると、先に説明した原理を取り入れた音響インピーダンス整合燃料ノズル装置３２は管部分３４と、オリフィス部分３６とを含む。総じて、音響インピーダンス整合燃料ノズル装置３２の管部分３４及びオリフィス部分３６は、ガスタービンエンジンなどの燃焼器に存在しているような空気流れへ燃料を送り出し、その中へ燃料を導入するように動作可能である。音響インピーダンス整合燃料ノズル装置３２のオリフィス部分３６の面積３７と、音響インピーダンス整合燃料ノズル装置の管部分３４の面積３８との比は等式（１５）に従っており、先に説明したように、性能の向上を実現するために、音響インピーダンス整合燃料ノズル装置３２は管部分３４の音響インピーダンスをオリフィス部分３６の音響インピーダンスと整合させるのが好ましい。燃料システムと、それが接続されている燃焼システムとの相互作用を最小にするように燃料システムの音響応答を調整することを可能にする完全同調可能燃料噴射共振器アセンブリを提供するように、音響インピーダンス整合燃料ノズル装置３２のその他の特性も制御されて良い。この結果、燃料システムと燃焼システムの結合によって起こる燃料駆動振動が減少するので、好都合である。
【００４９】
図８及び図９を参照すると、本発明の同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０は、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の上流側端部４４に配置された複数の上流側オリフィス４２と、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の下流側端部４８に配置された複数の下流側オリフィス４６とを含む。複数の上流側オリフィス４２は、長さが可変である環状チャンバ５０などにより複数の下流側オリフィス４６に接続されている。環状チャンバ５０は音響通路を形成する。環状チャンバ５０は同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の軸５４に沿って延出する第１の部分５２と、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の軸５４から半径方向外側へ延出する第２の部分５６とを含むのが好ましい。複数の上流側オリフィス４２は同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の環状チャンバ５０の第１の部分５２の中／周囲に配置され、複数の下流側オリフィス４６は同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の環状チャンバ５０の第２の部分５６の中／周囲に配置されている。オプションとして、複数の上流側オリフィス４２及び複数の下流側オリフィス４６は、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の環状チャンバ５０の第１の部分５２に装着されているか又はそれと一体に形成されている第１のフランジ５８の中／周囲と、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の環状チャンバ５０の第２の部分５６に装着されているか又はそれと一体に形成されている第２のフランジ６０の中／周囲とにそれぞれ配置されている。更に、環状チャンバ５０の第２の部分５６は複数の下流側オリフィス４６を収容する複数のペグ構造（図示せず）を含んでいても良い。
【００５０】
尚、図８は７ＦＡ＋ｅセンターノズル用のＤＬＮ２燃料ノズルに適用した場合の本発明の同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の一実施例を示していることに注意すべきである。このセットアップは、例えば、複数の調整自在の上流側オリフィス４２、複数の定面積下流側オリフィス４６及び長さが調整自在である環状チャンバ５０を特徴としていると考えられるであろう。
【００５１】
本発明の別の実施例においては、複数の上流側オリフィス４２は複数の管など（図示せず）により複数の下流側オリフィス４６に接続されており、複数の管の各々の長さは可変である。複数の管の各々は音響通路を形成する。複数の管の各々は同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の軸５４に沿って延出する第１の部分と、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の軸５４から半径方向外側へ延出する第２の部分とを含む。複数の上流側オリフィス４２は同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の複数の管の各々の第１の部分の中／周囲に配置され、複数の下流側オリフィス４６は同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の複数の管の各々の第２の部分の中／周囲に配置されている。オプションとして、複数の上流側オリフィス４２及び複数の下流側オリフィス４６は、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の複数の管の各々の第１の部分に装着されているか又はそれと一体に形成されている第１のフランジ（図示せず）の中／周囲と、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の複数の管の各々の第２の部分に装着されているか又はそれと一体に形成されている第２のフランジ（図示せず）の中／周囲とにそれぞれ配置されている。
【００５２】
環状チャンバ５０又は複数の管は燃料源（図示せず）から複数の上流側オリフィス４２及び／又は複数の下流側オリフィス４６へ燃料を搬送するように動作可能であり、それらのオリフィスで燃料は燃焼器（図示せず）の空気流れの中へ放出される。複数の上流側オリフィス４２の各々の面積（及び／又はそれらを組み合わせた面積）及び／又は複数の下流側オリフィス４６の各々の面積（及び／又はそれらを組み合わせた面積）は、燃焼器へ燃料を送り出すための同調可能音響導波管を構成するように変化されても良い。オプションとして、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０は、同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０を燃焼器に固着するように動作可能であるプレミキサアセンブリ６２を含む。複数の上流側オリフィス４２の各々の面積（及び／又はそれらを組み合わせた面積）及び／又は複数の下流側オリフィス４６の各々の面積（及び／又はそれらを組み合わせた面積）は、製造工程の間に又は自動化弁システムなどの使用により変化されても良い。同様に、環状チャンバ５０又は複数の管の長さも、燃焼器へ燃料を送り出すための同調可能音響導波管を構成するように、製造工程の間に又は自動化作動システムなどの使用により変化されても良い。
【００５３】
従って、複数の上流側オリフィス４２、複数の下流側オリフィス４６及び／又は環状チャンバ５０又は複数の管が調整自在であるという性質を持っているため、ガスタービンエンジンなどにおいて実現された場合に強力な燃料システムと燃焼システムの結合をもたらす臨界範囲の共振を生じないように、燃料システムを音響同調することができる。言い換えれば、燃料ラインにおける一定の圧力降下を維持しつつ、燃料システムの音響インピーダンス、すなわち、音響応答を変化させて、定常燃料質量を維持する能力が得られるように、本発明の同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０を調整できるのである。オプションとして、現場設置システムで燃焼振動をリアルタイムで抑制できるように、自動化論理システム（図示せず）を使用して同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０の動作を制御しても良い。この制御システムは様々に変化するエンジン動作条件及び燃料システム圧力に応答し、例えば、燃料供給を脈動させるべき場合（正弦波など）に、音響インピーダンスの整合を可能にする。
【００５４】
本発明の更に別の実施例では、燃料ラインにおける一定の圧力降下を維持しつつ、システムの音響インピーダンス、すなわち、音響応答を変化させて、同様に定常燃料質量を維持する能力を提供するために、ヘルムホルツ共振器などの同調可能音響共振器装置（図示せず）が同調可能燃料噴射共振器アセンブリ４０と結合される。
【００５５】
本発明のシステム及び装置に従って、音響インピーダンス整合燃料ノズル装置及び同調可能燃料噴射共振器アセンブリが提供されたことは明白である。本発明のシステム及び方法を好ましい実施例及びその例を参照して説明したが、他の実施例及び例も同様の機能を果たし且つ／又は同様の結果を実現するであろう。例えば、本発明のシステム及び方法をガスタービンエンジンなどに関連させて説明したが、音響インピーダンス整合燃料ノズル装置及び同調可能燃料噴射共振器アセンブリを燃焼室と結合された燃料噴射システムを取り入れたどのようなシステム、アセンブリ、装置又は方法と組み合わせて使用しても差し支えないであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】上流側オリフィスと、下流側オリフィスと、それらのオリフィスの間に配置された捕捉応答ボリュームとを含む従来の２段階燃料ノズルの一実施例の部分横断面側面図。
【図２】下流側伝搬音波及び上流側伝搬音波による単純な１次元管に関する音響インピーダンスと音響反射の伝搬との関係を示す概略図。
【図３】音響インピーダンスと、パワー反射係数と、パワー透過係数との関係を示すグラフ。
【図４】音響インピーダンスと、パワー反射係数と、パワー透過係数との関係を示す別のグラフ。
【図５】本発明のシステム及び方法を使用して相対的に大きな周波数帯域幅にわたり音響インピーダンス整合条件が得られることを実証する、１次元チューブを使用して実行された一連の実験の結果を示すグラフ。
【図６】本発明の音響インピーダンス整合燃料ノズル装置の一実施例を示す概略図。
【図７】本発明の音響インピーダンス整合方法の一実施例を示すフローチャート。
【図８】本発明の同調可能燃料噴射共振器の一実施例の部分横断面側面図。
【図９】本発明の音響同調方法の一実施例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５７】
３２…音響インピーダンス整合燃料ノズル装置、３４…管部分、３６…オリフィス部分、４０…同調可能燃料噴射共振器アセンブリ、４２…上流側オリフィス、４４…上流側端部、４６…下流側オリフィス、４８…下流側端部、５０…環状チャンバ
【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６】
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【図７】
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【図９】
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【図１】
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【図８】
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