JPH07305849A

JPH07305849A - 予混合管

Info

Publication number: JPH07305849A
Application number: JP6099398A
Authority: JP
Inventors: Hidemi Fuji; 秀実藤; Jun Hosoi; 潤細井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1994-05-13
Filing date: 1994-05-13
Publication date: 1995-11-21

Abstract

(57)【要約】【目的】逆火、自己着火を防止する。【構成】内筒１８の前端には燃料噴射弁１１と空気取
入口が設けられ、後端が燃焼室２５に連通しており、外
筒１９は内筒１８の外周面に沿って所定の間隔を有して
設けられ、複数の開口２２を有し、後端で燃焼室２５の
隔壁板２３に結合し燃焼室２５に連通した構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンやジェッ
トエンジンに用いられる空気と燃料を予混合して燃焼器
に供給する予混合管に係わり、詳しくは逆火、自着火を
防止する予混合管に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンやジェットエンジンの燃焼
装置では、燃焼器と燃料噴射ノズルとの間に予混合器を
配設し、燃焼器に供給される燃料の蒸発および空気との
混合を促進し、良好な燃焼を得るようにしている。この
ような予混合方式の場合、希薄燃焼が可能でありＮＯｘ
（窒素酸化物）等の排出量を大幅に低減することが可能
となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
予混合方式の燃焼器にあっては、予混合管によって良好
な混合気が生成されるが、予混合管内の混合気の流速が
火炎伝播速度よりも遅くなると逆火を招き、また予混合
管内での混合気の滞留時間が着火遅れ時間よりも長くな
ると自己着火を起こすという問題がある。しかし、予混
合管の管壁付近では混合気の粘性により境界層が形成さ
れるため、混合気が管壁に近いほど低速となり火炎伝播
速度よりも遅くなることは避けられない。また、混合気
が予混合管内を流れる際に旋回流が強いと、軸方向の逆
向きの圧力勾配が強くなって予混合管内中心軸付近の流
速が遅くなるか、もしくは逆流を生じるようになり、逆
火や自己着火を起こす危険が生じる。一方混合気の温度
が高いほど火炎伝播速度は速くまた着火遅れ時間は短か
い。従って燃焼器に対し再生式ガスタービンなどのよう
に熱交換器により加熱した空気を供給する場合、または
ジェットエンジンなどのように高温高圧の空気を供給す
る場合、予混合方式を適用すると、予混合管内の温度は
かなりの高温となり、例えばジェットエンジンの場合５
００℃以上となるため逆火や自己着火を起こす危険が高
い。

【０００４】実公平３−７７３８号、実公平４−５８９
９号公報には上述の逆火、自己着火を防止するため、予
混合管の外面に多数の小孔を設け、予混合管の管壁付近
に形成される境界層に外側の空気を流入して境界層内の
燃料と空気との混合比を極めて希薄にすることにより逆
火、自己着火を抑える技術が開示されている。図６はこ
の方法を説明する図で、１は燃焼筒、９は燃焼筒に接続
する予混合管である。予混合管９の先端には二重の空気
ノズル３，４と旋回器５，６とが設けられており、旋回
器５の中心に燃料噴射ノズル２が設けられている。予混
合管９と燃焼筒１との間には、保炎器７が設けられその
回りに旋回器８が配設されている。予混合管９には多数
の小孔１０が設けられ外側の空気が流入する。

【０００５】これら公報に開示された技術の場合、予混
合管９の外側から流入する空気によって管壁を流れる混
合気を極めて希薄にすることにより逆火、自己着火を防
止しているが、このため予混合管を出た後の燃焼領域内
でも空燃比（空気と燃料との比）分布は不均一となって
いたため、ＮＯｘ排出量の低減と燃焼効率や燃焼安定性
等の他の燃焼諸性能との両立が困難となっていた。ま
た、旋回器５，６により混合気を旋回させているので、
予混合管中央部に逆流が発生したり、流速が遅くなるた
めここにおいて逆火や自己着火が発生し易いという問題
点があった。

【０００６】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、燃焼領域内での混合気の不均一を少なくして逆
火、自己着火を防止する予混合管を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、前端に設けられた燃料噴射弁より噴射される燃料を
前端より取り入れた空気と混合し、後端に連通した燃焼
室に供給する内筒と、該内筒の外周面に沿って所定の間
隔を有して設けられ複数の開口を有し、後端で燃焼室隔
壁板に結合し燃焼室に連通する外筒とを備えたものであ
る。

【０００８】また、前記内筒の後端は前記外筒端より燃
焼室側へ突出しており、該内筒後端外周に前記隔壁板に
沿って、かつ間隙を有して遮熱板を設けて流路を形成し
外筒の開口より流入する空気を燃焼室隔壁に沿って流れ
るようにしたものである。

【０００９】また、前記内筒の前端内面に前記燃料噴射
弁を支持し、吸入空気を燃焼室に向けて軸方向に整流す
る支柱を設けたものである。

【００１０】

【作用】内筒内およびこれと連通する燃焼室内は、外筒
の外側より圧力が低い。外筒と内筒の間の空間は後端で
燃焼室に連通しているため外筒の外側の空気より圧力が
低く、これにより外筒の外側より開口を通して空気が流
入し、内筒に衝突して内筒を冷却する。燃焼反応が開始
もしくは維持されるためには燃焼反応による発熱速度が
伝熱による周囲への熱損失速度を上回るか、あるいは釣
り合う必要があるが、上述の内筒の衝突冷却により逆
火、自己着火が発生する可能性のある内筒内壁近傍での
熱損失速度は高まるので、このような冷却をしない場合
よりも当該領域での燃焼は困難となる。即ち内筒の衝突
冷却により、内筒の消炎作用を強め消炎距離を長くする
ことで逆火、自己着火を抑制する。また内筒内に従来例
のように外面より空気を流入せず、内筒の衝突冷却に用
いた空気を遮熱板と隔壁板の間を通してから燃焼室の内
壁に沿って排出するので、混合気は内筒内ひいては燃焼
領域で不均一になることはない。なお、内筒内を流れる
空気と、外筒の外側を流れる空気の温度は通常は同じで
あるが、内筒内壁近傍の流速の遅い部分に逆火や自己着
火が発生しつつある時、そこの温度は流入する空気の温
度より高くなるので、外筒の開口より吸入された空気に
よって冷却される。

【００１１】また、内筒の前端の空気取入口に燃料噴射
弁の支柱を設け、この形状により取り入れた空気は燃焼
室に向かって軸方向へ直線的に流れるので、循環流など
による遅い流れの場所は発生しない。これにより内筒の
壁面近傍以外では逆火、自己着火の発生するおそれは少
なく、この壁面近傍は上述したように冷却されているの
で、逆火、自己着火のおそれ少ない。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の実施例の構成図である。図
２は図１のＸ−Ｘ矢視図である。図３は図１のＹ−Ｙ断
面で燃料噴射弁を支える支柱の断面図である。図１〜３
において、予混合管２１の前端に燃料噴射弁１１が設け
られ、後端は燃焼室２５に連通している。燃料噴射弁１
１は、空気流入口１３を有する内部ボデー１２と、内部
ボデー１２の後部外面との間に環状の燃料流路１４を形
成する同軸の外部ボデー１６よりなり、外部ボデー１６
の内外周は先細りになって後端へ伸び、後端部に周方向
へ所定の間隔を置いて切り欠き１５を有している。外部
ボデー１６に同軸に配置され、外部ボデー１６の後部外
周部に対して所定の間隔を保持し、後部外周部との間に
環状の空気流路１７を形成し、下流にゆくに従い縮径
し、所定の位置から筒状となる内筒１８と、この内筒１
８の表面に沿って所定の間隔を有して同軸上に設けら
れ、多数の小孔２２を有する外筒１９とから予混合管２
１は構成される。外部ボデー１６の後部外周と内筒１８
の先端内面には円周上に支柱２０が所定のピッチで設け
られ、外部ボデー１６を内筒１８で支持している。支柱
２０は流入空気が燃焼室２５へ向かって軸方向に流れる
よう図３に示す断面形状となっている。外筒１９の後端
外周は燃焼室２５の隔壁板２３と結合している。内筒１
８後端は外筒１９後端よりも燃焼室２５へ突出してお
り、その外周に隔壁板２３に沿って、かつ間隔を設けて
遮熱板２４が取付けられ、隔壁板２３と共に流路を形成
し、外筒１９の小孔２２より流入する空気を燃焼室２５
の隔壁に沿って流す。これにより予混合管２１のインピ
ンジ冷却に用いた空気は燃焼室隔壁２６に沿って流れる
ので、燃焼域は均質な混合気となる。

【００１３】図４は予混合管２１の外筒１９に設けられ
た多数の小孔２２の作用を説明する図である。内筒１８
と外筒１９で構成される中空円筒の空間は燃焼室２５と
連通している。内筒１８は先端に設けられた燃料噴射弁
１１の空気流入口１３および空気流路１７を通って空気
が外部より内筒１８内に流入する際に起こる圧力損失の
ため外部より圧力が低くなっており、燃焼室２５も同様
に外筒外側より圧力が低くなっている。これにより中空
円筒内の圧力は外筒１９の外側より低くなり、外筒１９
の外側の空気が多数の小孔２２から流入し、内筒１８外
面に衝突し、内筒１８を冷却する。この冷却効果は、外
筒１９がない状態で内筒１８の表面に沿って空気が軸方
向に流れる場合よりも大きい。

【００１４】図４において、各寸法の一例を説明する。
矢印は空気の流れ方向を示す。ｄは小孔２２の直径を示
し、ｘは周方向のピッチ、ｙは軸方向（矢印方向）のピ
ッチ、ｚは内筒１８と外筒１９との間隔をしめす。次の
ような値の場合良好な冷却効果が得られる。ｄ＝０．６〜１．０ｍｍｘ／ｄ＝４〜８ｙ／ｄ＝５〜１５ｚ≒２ｍｍ

【００１５】図５は内筒１８の表面に沿って空気を流す
フィルム冷却方法と多数の小孔から空気を流入させ、内
筒１８の表面に衝突させるインピンジ（Impinge)冷却方
法の冷却効果を示すものである。縦軸は高温ガスにさら
されている壁をある所定温度まで冷却するために必要な
冷却空気流量のパーセントを表したものでＢをフィルム
冷却方法とし、これを１００％とした場合、Ａのインピ
ンジ冷却方法では８０％の流量で同じ効果が得られるこ
とを示す。

【００１６】予混合管２１の内筒１８と多数の小孔２２
を有する外筒１９はこのようなインピンジ冷却効果を生
じるよう構成されている。通常は内筒１８の内部を流れ
る混合気と外筒１９の小孔２２より流入する空気とはほ
ぼ同じ温度であるが、内筒内壁の流速の遅い境界層に燃
焼室２５からの火炎が伝播して逆火が発生するとこの部
分の温度は急激に上昇しようとするが、インピンジ冷却
による熱損失のため燃焼速度は低下し燃焼反応は抑制さ
れ、ついには消炎される。

【００１７】内筒１８の先端には燃料噴射弁１１が内筒
１８の内周上に一定のピッチで設けられた支柱２０によ
って支持されており、支柱２０は図３に示したように、
予混合管２１の軸に対し平行に配設しているので、流入
した空気は燃焼室２５に向かって軸方向に流れてゆく。
これに対し、従来のものは図６に示すように旋回器５，
６を設けて流れを旋回させるようになっている。このた
め、予混合管中央部で逆流が発生し、もしくはこの部分
の流速が遅くなるため、ここに逆火や自己着火が生じる
可能性があるが、本発明では、このような旋回器は用い
ておらず、内筒１８の内壁近傍以外は流速の遅くなると
ころは発生しないため、内壁近傍以外で逆火や自己着火
の発生する領域は存在しない。また、本実施例では逆
火、自己着火防止のため予混合管２１内のインピンジ冷
却に使用した空気を図１に示すように隔壁板２３と遮熱
板２４の間を通じて燃焼室壁に沿って排出するので図６
に示した従来例のように逆火、自己着火防止のため予混
合管の管壁より外側の空気を取り込んで管壁近傍の空燃
比（空気と燃料との比）を希薄にしたために燃焼領域で
は空燃比分布が不均一になるという不具合も発生しな
い。

【００１８】予混合管２１を用いて予混合予蒸発する燃
焼方法は、低ＮＯｘ化が主眼であり、このためには希薄
（当量比を約０．６）燃焼させなければならず、従来型
の燃焼器よりも多量の空気を燃焼用に用いなければなら
ない。このためさらに逆火、自己着火防止用空気を確保
しようとすると燃焼室２５内壁冷却用の空気量が不足す
る可能性もあるが、本発明では予混合管２１でインピン
ジ冷却に使用した空気を図１に示したように内壁のフィ
ルム冷却に再利用しているので問題ない。また、予混合
管内壁冷却用空気を予混合管内に導入していないので、
航空機用、産業用等使用目的によって異なる燃焼器設計
条件、従って燃焼器入口温度、入口圧力が変わって、必
要とする予混合管内壁冷却用空気流量が変わっても、予
混合管内筒１８内の空燃比（空気と燃料との比）分布に
は影響を与えない。これにより、設計にあたっては内筒
１８の出口で空燃比分布をフラットにする燃料噴射弁１
１をまず設計しておき、後に燃焼器入口条件に応じて予
混合管内壁冷却用空気流量（インピンジ冷却空気流量）
をインピンジ孔の径や数を変えて調整すればよい。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、内筒に複数の開口を有する外筒を同軸上に設けてイ
ンピンジ冷却効果によって内筒を冷却しているので、内
筒内壁の低流速領域に発生し易い逆火や自己着火を抑制
することができる。また、内筒内の流れを軸方向に直線
的に整流しているので、循環流などによる流速の遅い領
域は発生せず、そのような流速の遅い領域に発生する逆
火や自己着火の恐れが少ない。また従来のように予混合
管の管壁より逆火、自己着火防止用空気を管内に吸入し
ていないので燃焼領域で燃料と空気の混合比が不均一と
なることも少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の予混合管の構成を示す縦断面図であ
る。

【図２】図１のＸ−Ｘ矢視図である。

【図３】予混合管と燃料噴射ノズルを結合する支柱の断
面図で図１のＹ−Ｙ矢視図である。

【図４】本実施例のインピンジ冷却方法を説明する図で
ある。

【図５】フィルム冷却方法とインピンジ冷却方法の効果
を比較した図である。

【図６】従来例を説明する図である。

【符号の説明】

１１燃料噴射弁１２内部ボデー１３空気流入口１４燃料流路１５切り欠き１６外部ボデー１７空気流路１８内筒１９外筒２０支柱２１予混合管２２小孔（開口）２３隔壁板２４遮熱板２５燃焼室２６燃焼室隔壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】前端に設けられた燃料噴射弁より噴射さ
れる燃料を前端より取り入れた空気と混合し、後端に連
通した燃焼室に供給する内筒と、該内筒の外周面に沿っ
て所定の間隔を有して設けられ複数の開口を有し、後端
で燃焼室隔壁板に結合し燃焼室に連通する外筒とを備え
たことを特徴とする予混合管。
【請求項２】前記内筒の後端は前記外筒端より燃焼室
側へ突出しており、該内筒後端外周に前記隔壁板に沿っ
て、かつ間隙を有して遮熱板を設けて流路を形成し外筒
の開口より流入する空気を燃焼室隔壁に沿って流れるよ
うにしたことを特徴とする請求項１記載の予混合管。
【請求項３】前記内筒の前端内面に前記燃料噴射弁を
支持し、吸入空気を燃焼室に向けて軸方向に整流する支
柱が設けられていることを特徴とする請求項１または２
記載の予混合管。