JPH04131620A

JPH04131620A - 副燃焼室式渦巻燃焼器

Info

Publication number: JPH04131620A
Application number: JP25303390A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Watanabe; 智渡辺; Yoshihisa Gunji; 郡司　善壽; Yoichiro Okubo; 陽一郎大久保; Yoshinori Idota; 芳典井戸田; Yoshihiro Nomura; 佳洋野村
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1990-09-22
Filing date: 1990-09-22
Publication date: 1992-05-06

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、主としてガスタービンに用いられる燃焼器、
特に主燃焼室の上流側に副燃焼室を設けたガスタービン
用の渦巻燃焼器に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図〜第６図に、主燃焼室の上流側に副燃焼室を設け
た従来のガスタービン用燃焼器（特公昭５４−８８９０
号公報参照）が例示されている。これらの図において、
１は燃焼器外筒、２は外筒１の中に広い通気間隙３をお
いて支持された燃焼器内筒で、内筒２は副燃焼室４、主
燃焼室５等をその内部に形成している。燃焼器内筒２の
第４図及び第６図における左端部は、外筒１の端部壁６
にボルト等によって取付けられるフランジ部７を介して
固定・支持されるが、そのフランク部７の中心を貫通し
て燃料噴射弁８が副燃゛焼室４の中に噴口１６を有して
おり、加圧された軽油のような燃料ｆを副燃焼室４の中
へ霧化して噴射するようになっている。なお９は副燃焼
室４内に臨んで設けられた点火プラグを示す。

通気間隙３には図示されない空気圧縮機によって加圧さ
れた空気ａが供給されており、その一部は１次空気すと
して、第５図に示すような案内羽根１０を有する１次空
気通路１１の開口を通り、副燃焼室４内へ接線方向に流
入して、燃料噴射弁８の噴口１６から噴射される燃料噴
霧と共に副燃焼室４内において渦流を形成し、燃料と１
次空気が混合して、点火プラグ９により点火され、１次
燃焼を行なう。

１２は副燃焼室４と主燃焼室５の仕切壁に形成された絞
り開口で、１次燃焼をした未燃成分を含む燃焼ガスは、
旋回しながら絞り開口１２を通過して主燃焼室５へ流入
し、主燃焼室５の下流側部分の壁に設けられている多数
の小さな空気孔１３を通して、通気間隙３から２次空気
及び冷却空気Ｃとして加圧された空気の供給を受け、２
次燃焼を行なう。燃焼ガスは更に流出筒１４に設けられ
た希釈空気口１５を通して通気間隙３から流入する希釈
空気ｄによって増量されて大流量のタービン作動ガスｇ
となり、図示されないタービンロータを駆動して動力を
発生する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のガスタービンの燃焼器においては、１次空気通路
１１は副燃焼室４を形成する筒壁のうち、比較的上流側
の部分から開口するように設けられ、第４図及び第６図
に示したものでも、燃料噴射弁８の噴口１６から１次空
気通路１１の前方端までの距離Ｙは、副燃焼室４の直径
りのおよそ１０分の１程度にすぎない。

そのたｔ１燃料は燃料噴射弁８から噴射されると同時に
１次空気が混合されることになり、燃料噴霧が蒸発して
気化する前の粗粒の状態で空気の中に浮遊するものと考
えられる。もちろん、その状態でも燃料は蒸発・気化す
るが、完全に蒸発が終らないうちに燃焼域に流入するの
で、比較的燃料粒子が大きいうちに燃焼が始まることに
なる。

したがって、着火性・始動性が必ずしも良くなく、着火
しても不完全燃焼になり易いから、燃焼安定性が高いと
は言えない。

また、燃料が十分蒸発・気化していない粗粒のままで空
気と共に旋回するので、遠心力によって外方へ飛ばされ
た燃料粒が１次燃焼室４の筒壁などに付着しやすく、そ
れが輻射熱等により分解して煤状のカーボン（遊離炭素
）を生じ、壁面に堆積して流体の通路や燃焼室容積を狭
めるばかりでなく、時には大きな塊になって剥れ落ちて
、下流にあるタービン翼等を損傷させることもある。本
発明は、従来の副燃焼室式渦巻燃焼器のこのような問題
を解決し、着火性を改善し、完全燃焼が行なわれるよう
にして、燃焼安定性とタービンの熱効率を高めると共に
、カーボンの発生を抑制することを発明の目的としてい
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者等は、従来の副燃焼室式渦巻燃焼器における前
述のような問題点は、燃料噴射弁の噴口と１次空気通路
の開口との距離Ｙが小さかったために生じたものである
との原因解明のもとに、距離Ｙを大きくとり、燃料噴射
弁から噴出した燃料噴霧が、１次空気通路から接線方向
に流入する空気と出会う前に噴霧の蒸発空間を通過する
ようにし、ここで燃料粒が輻射熱を受け、また減圧され
ることによって蒸発・気化するように構成することを考
えついた。

そこで、色々な形状の燃焼器を試作して実験を繰返した
ところ、前証のように距離Ｙを大きくとって、そこに燃
料噴霧の蒸発空間を形成すると、たしかに好ましい結果
が得られることが確認されたが、距離Ｙをあまりに大き
くすると、１次空気の混合が遅れるために、逆に空気不
足となって、やはりカーボンの発生をみることも判明し
た。この事実から、適正な距離Ｙの値には下限と共に上
限のあることを知り、その限界を追究した結果として本
発明の解決手段に到達したも、のである。

したがって、本発明は、前記の課題の解決手段として、
上流側に設けられた燃料噴射弁と１次空気を接線方向に
流入させる１次空気通路とを備え内部に燃焼ガスの渦流
を発生させる副燃焼室と、前８己副燃焼室の下流側に接
続する主燃焼室からなリ、前記１次空気通路の前記副燃
焼室の壁面における開口の上流端は、前記燃料噴射弁の
噴口との間に所定の距離Ｙを有し、前記距離Ｙの値は前
記副燃焼室の直径をＤとして、Ｄ／４≦Ｙ≦Ｄの範囲から選定されており、それによって前記副燃焼室
の上流側に所定の大きさの燃料の噴霧蒸発空間が形成さ
れていることを特徴とする副燃焼室式渦巻燃焼器を提供
する。

〔作　用〕

副燃焼室の上流側に設けられた燃料噴射弁の噴口から燃
料が噴射されると、燃料噴霧は円錐形に十分に拡開して
減圧されると共に、噴射された副燃焼室の上流側の部分
は、噴霧蒸発空間となっていて、そこに１次空気が直接
流入することがないので、空気が混入する前の燃料噴霧
は壁面や燃焼ガスからの輻射熱を受けて加熱され、液状
の燃料粒は蒸発して気化し、すみやかに気体状の燃料と
なる。

気化した燃料は副燃焼室の下流側の壁面に開口している
１次空気通路から渦巻状に噴火する１次空気と混合する
と共に着火して燃焼するが、燃料の気化が進んでいるの
で着火しやすく、また燃焼効率も高く、カーボンを発生
することがない。

１次空気が流入する位置が適正であるから、燃料蒸発の
気化が十分に進んだ後であり、しかも１次空気の混入が
遅すぎて逆に燃料と空気の混合状態が悪化し、空気不足
の部分を生じて燃焼効率が低下するという問題も生じな
い。

〔実施例〕

第１図〜第３図に本発明の第１実施例を示す。

第２図は第１図の一部の横断面を拡大して示す側面図で
あり、第３図は第１図の要部を拡大して示すものである
。これらの図において、既に説明した第４図〜第６図に
示す従来のガスタービンの燃焼器と実質的に同じ構造部
分については、同じ参照符号を付けることによって重複
する説明は省略することとする。

この実施例の特徴は、副燃焼室４′を形成する筒壁にお
いて、１次空気通路１１′の開口と、それに伴なう案内
羽根１０′をできるだけ主燃焼室５に接近させて設け、
それによって１次空気通路１１′の開口前端と燃料噴射
弁８の噴口１６との間に、副燃焼室４′の直径りの２分
の１程度の距離Ｙを取り、副燃焼室４′の前方部分に空
気の吹き込まない噴霧蒸発空間１７を形成したことであ
る。第１実施例の場合、副燃焼室４′の前方部分はフラ
ンジ部７の外周に溶接された室壁が、燃料噴霧角θ（約
４５°）と略同程度の開き角θ′によりラッパ状に拡開
する部分１８によって形成され、その拡開部分１８の周
辺が滑らかなＲ面によって副燃焼室４′の円筒部分１９
に接続している。

加圧された燃料が燃料噴射弁８の噴口１６から噴射され
ると、噴霧蒸発空間１７の中へ噴射角θを有する円錐状
に拡散し、減圧されると共に燃焼ガスや燃焼室壁からの
輻射熱を受けて液体の粒である燃料粒が蒸発し、すみや
かに気体状の燃料になる。

そして気化が進んだ状態で円筒部分１９に入り、１次空
気通路１１′から接線方向に流入する１次空気と出会い
、渦流を形成しながら燃料分子と空気がよく混合して着
火・燃焼する。

したがって燃焼効率が高く、燃焼が安定し、可燃限界が
高くて着火性・始動性も良くなる。拡開部分１８の開き
角θ′は燃料の噴霧角θと略同じ大きさにとっであるか
ら、噴霧蒸発空間１７は最小の容積で燃料に対し十分な
蒸発・気化作用をもたらし、デッドスペースがないから
２次的な渦流の停滞によるカーボンの堆積も起こらない
。

燃焼効率の点では第１図〜第３図に示した第１実施例に
対して若干劣るが、同様に可燃限界が高く、燃焼安定性
に優れている第２実施例を第７図に示す。参照符号は既
に述べたものと共通であるが、この実施例は、第１実施
例にぐらべて副燃焼室４″の形が相違する。燃料噴射弁
８の先端と１次空気通路１１′の前端との距離Ｙは、や
はり副燃焼室４′の直径りの１７２程度と大きくとり、
燃料のための十分な大きさの噴霧蒸発空間１７′を形成
しているが、その形状はラッパ形でなく略円筒形である
。

これらの例について空気流量（Ｇａ）と燃料流量（Ｇｆ
）の比を変化させた場合の可燃限界を調べて線図として
示したものが第８図である。燃料が希薄となる領域では
、空燃比がそれ以上大きくなると安定燃焼を続けること
ができなくなる可燃限界が存在するが、可燃限界は前記
の距離Ｙの大きさによって著しく変化することが判明し
た。試作実験に使用した第１実施例（第１図〜第３図に
示したもの。第８図における曲線Ａ）、第２実施例（第
７図に示したもの。第８図の曲線Ｂ）のほかに、比較例
として第９図に示したもの（曲線Ｃ）、及び第１０図に
示したもの（曲線Ｄ）の特性も調べて同じ第８図に表示
した。

第９図及び第１０図に示した比較例は、いずれも噴口１
６の位置と１次空気通路１１″及び１１　’の開口の前
方端位置とが一致していて、前述の距離Ｙが零の場合で
あり、燃料は燃料噴射弁８から噴射されると同時に１次
空気すの旋回流に巻き込まれ、直ちに着火される。した
がって燃料の液粒は蒸発・気化のいとまを与えられるこ
となく燃焼域に送り込まれるため燃焼が完全に行なわれ
ない。また、遠心力により副燃焼室４″及び４″′の室
壁に振りとばされて付着する燃料の量も多く、それが熱
分解してカーボンの堆積を生じやすい。さらに第９図の
ように、１次空気通路１１″の後端と絞り開口１２との
間に大きな距離ｌがあると、絞り開口１２が１次空気す
の一部によって被覆されるとか冷却されるということが
ないから、絞り開口１２が燃焼ガスの接触によって溶損
しやすいという別の問題もある。

本発明の２つの実施例（第１図Ａ１第７面Ｂ）と２つの
比較例（第９図Ｃ・第１０図Ｄ）の可燃限界を比較して
示す第８図から判るように、各曲線の右下の領域である
燃焼安定範囲の広さは、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄのように副燃焼室の構造によって著しい違いを示した。

本発明の２つの実施例は副燃焼室の上流側に噴霧蒸発空
間１７．１７’を備えているために共に高い可燃限界を
有し、非常に希薄な燃料空気の混合物でも着火し、安定
に燃焼するから、燃焼効率もアイドル時でＡが９８％、
Ｂが９５％と高い。これに反して、２つの比較例の場合
はＹの距離が零であって、燃料が噴射されると直ちに１
次空気すの旋回流に巻き込まれるから吹き消えも多（、
燃料が十分に濃くないと着火することができない。また
、燃焼効率も低く、カーボンの発生・堆積も多くなる。

第８図に記入した直線はＹの値が副燃焼室４の直径りの
１／４とした場合であって、Ｙの値がこれより小さくな
ると比較例Ｃ，Ｄのように可燃限界が低下し、燃焼効率
が悪化する。しかしながら、Ｙの値があまりに大きい場
合も、前述のように１次空気の混合が遅れて不完全燃焼
となり、カーボンを発生するが、実験の結果、良好な燃
焼状態をもたらすＹの値の最大値は、副燃焼室の直径り
と同程度の値であることが確認されている。なお、第８
図における点ａはアイドル時を示すものである。

〔発明の効果〕

本発明により可燃限界が高くなり、燃焼効率が向上して
安定燃焼の範囲が著しく広くなるので、低負荷時にも燃
焼が停止するようなおそれがなく、またカーボンの発生
・堆積も少なくなるので、堆積したカーボンによるトラ
ブルも避けることができる。また、燃焼状態が良好とな
るために、ＨＣや白煙、または黒煙の発生も少なくなる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の全体構成を示す縦断面図
、第２図は第１図の■−■断面図、第３図は第１図の要
部を拡大して示す縦断面図、第４図は従来例の全体構成
を示す縦断面図、第５図は第４図の■−■断面図、第６
図は第４図の要部を拡大して示す縦断面図、第７図は本
発明の第２実施例の全体構成を示す縦断面図、第８図は
可燃限界の特性を比較して示す線図、第９図及び第１０
図はそれぞれ比較例の全体構成を示す縦断面図である。１・・・燃焼器外筒、　　２・・・燃焼器内筒、３・・
・通気間隙、４′　・４”　、４”’・・・副燃焼室、５・・・主燃
焼室、　　　６・・・端部壁、７・・・フランジ部、　
　訃・・燃料噴射弁、９・・・点火プラグ、　　１０．
１０’・・・案内羽根、１１・１１’　　、　１１”　
、　１１”’・・・１次空気通路、１２・・・絞り開口
、　　　１３．１３’・・・空気孔、１４・・・流出筒
、　　　　１５・・・希釈空気口、１６・・・噴口、　
　　　　１７．１７’・・・噴霧蒸発空間、１８・・・
拡開部分、　　　１９・・・円筒部分、ａ・・・加圧空
気、　　　ｂ・・・１次空気、Ｃ，Ｃ’・・・２次空気
及び冷却空気、ｄ・・・希釈空気、　　　ｆ・・・軽油
、ｇ・・・タービン作動ガス、ｌ・・・距離、Ｙ・・・噴口と１次空気通路との距離、θ・・・噴霧角
、　　　　θ′・・・開き角。第３図第１４′・・・副燃焼室訃・・燃料噴射弁１１’・・・１次空気通路図】７・・・噴霧蒸発空間ｂ・・・１次空気Ｙ・・・距　離第国第４・・・副燃焼室５・・・主燃焼室１１・・・１次空気通路図１６・・・噴　口ｂ・・・１次空気第図第図燃料流量Ｇｆ

Claims

【特許請求の範囲】　上流側に設けられた燃料噴射弁と１次空気を接線方向
に流入させる１次空気通路とを備え内部に燃焼ガスの渦
流を発生させる副燃焼室と、前記副燃焼室の下流側に接
続する主燃焼室からなり、前記１次空気通路の前記副燃
焼室の壁面における開口の上流端は、前記燃料噴射弁の
噴口との間に所定の距離Ｙを有し、前記距離Ｙの値は前
記副燃焼室の直径をＤとして、Ｄ／４≦Ｙ≦Ｄの範囲から選定されており、それによって前記副燃焼室
の上流側に所定の大きさの燃料の噴霧蒸発空間が形成さ
れていることを特徴とする副燃焼室式渦巻燃焼器。