JPH05240436A - 副燃焼室式渦巻燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一次空気を制御することにより、排気中に含
まれる有害成分（ＮＯ_X、ＣＯ、ＨＣ、スス等）を効率
良く的確に低減する副燃焼室式渦巻燃焼装置を提供する
ことにある。 【構成】 燃焼室に沿って空気噴流を形成する一次空気
通路１を配設した副燃焼室８と、副燃焼室８の一方に燃
料噴射弁７を配置し、副燃焼室８の他方の開放端下流側
に絞り開口１０を介して接続する主燃焼室１１からなる
副燃焼室式渦巻燃焼装置において、前記副燃焼室８に一
次空気噴流を接線方向に流入させ、かつ一次空気噴流を
可変制御する空気制御機構２、３を一次空気通路１に配
置したことにより、着火、安定性を確保して低排気エミ
ッションとなる作動範囲の広い燃焼器を実現することが
でき、耐久性の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主としてガスタービン
に用いられる燃焼装置、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。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特開昭６１−９６３３２号
記載の燃焼器のように、圧縮空気の全量を燃焼器内に導
入せずにバイパス弁を設けて、これに圧縮空気の一部を
バイパスさせて安定燃焼が可能となるように燃焼器の燃
空比を精度良く一定に保つものがある。さらに、特開昭
６１−１９５２１４号記載の燃焼器のように、燃焼室の
周壁に開口した複数の空気供給口の開口面積を調整する
機構に関するものは、機械的な摺動部を排除することで
信頼性の向上と寿命の増大を図っている。しかし、これ
らの燃焼器においても火炎の安定性や燃焼の良否を直接
支配するのは、燃焼器の１次燃焼空気の旋回強さや乱れ
強度であるために空気導入方法または機構が重要な役割
を持つ。このため、単にバイパス空気量を制御するもの
や１次空気開口面積を可変にしても燃焼効率を高く保ち
つつ、ＮＯｘも少ない作動許容範囲を広くすることは出
来ない。つまり、空気量制御と共に空気旋回流の制御が
同時に必要である。

【０００３】ところで、低ＮＯ_X 燃焼方法に関して、例
えば特開昭５９−２２５２２３号記載の燃焼器がある。
この燃焼器は、第１の燃焼筒内の燃焼室で１次空気を噴
射弁回りの比較的中央部分に設けた羽根型スワーラ等か
ら導入する。そして、噴射燃料の量に対する理論混合比
の空気量よりかなり少ない空気を効率よく混合してリッ
チ燃焼をさせ、第２の燃焼筒内の燃焼室でリーン燃焼
（理論混合比の空気量より多い状態で燃焼させること）
をさせる構成である。これは、いわゆる２段燃焼方式で
ある。すなわち、リッチからリーンに至る途中でＮＯ_X
が多量に排出される理論燃空比部分を形成させないよう
にするため、絞り孔で絞られたリッチな燃焼ガス噴流に
燃焼室の入り口で空気噴流を激しく衝突させて、一気に
リーン組成にしてＮＯ_X の発生を少なくしようとするも
のである。

【０００４】ところが、この燃焼方式では、特に液体燃
料を微粒化して噴霧燃焼させようとすると、第一の燃焼
筒内の燃焼室がリッチで燃焼用空気が少なすぎるため
に、燃料噴霧が炭素化して噴射弁回りや燃焼室壁に多量
に堆積されて実用に耐えるものではない。さらに、リッ
チな燃焼ガス噴流が第二の燃焼筒内の燃焼室の入り口で
直ちに多量な空気噴流で一気に冷却されるためＣＯ、Ｈ
Ｃおよびススといった有害成分が燃焼室で十分に燃焼し
きれないことになる。このために、ＮＯ_X の排出が少な
くてもＣＯ、ＨＣやススといった有害成分が多量に排出
される結果となっては低公害なガスタービン燃焼器とは
言えない。また、燃料の噴射量を大きく、しかも急激に
変化させなければならない車両用のガスタービン燃焼器
では、ＮＯｘ生成を抑制するために一定のリッチ燃焼を
維持するには噴射燃料量に対応して応答性良く空気量の
制御をしなければならず、現実的に使用できる可変機構
がないという欠点があった。

【０００５】また、例えばＳＡＥテクニカルペーパー８
２０１７５に記載の燃焼器は、１次燃焼領域の空気量を
燃料噴射量に応じて可変にする構成である。この燃焼器
は、旋回流とブラフボディの組み合わせによる火炎保持
機構を採用して燃料噴射量に応じて火炎安定性と高い燃
焼効率を維持するようにしている。そして、この燃焼器
では、燃焼筒の外側に回転可能な円筒を配置し、その円
筒を回転することで空気導入開口面積を塞いで空気導入
量を制御する構成である。しかし、この燃焼器は、開口
面積の開閉により空気導入方向が変化するため旋回流を
うまく形成する空気導入とならない。このため、旋回流
による火炎保持の弱さを補うために、ブラフボディの後
流領域に火炎を安定に形成するようにする。このとき、
火炎はブラフボディ近傍にあるためにブラフボディ自体
が加熱されて耐久性に問題が生じる。さらに、燃焼室に
おける火炎保持と完全燃焼を達成させる為には燃料噴射
量に応じたきめの細かい空気量制御が必要となり、可変
機構には高い応答性と制御精度が要求されることにな
り、温度の高い燃焼壁でそのような精度の高い可変機構
を装着することは現実に非常な困難を伴うものである。

【０００６】さらに、従来、実開平２−１４７６６５号
記載のガスタ−ビン燃焼器のように副燃焼器の接線方向
から旋回流が発生するように偏向板を固定的に配設する
ものがある。しかし、この燃焼器は、軽負荷時等の燃料
流量が少ない時、副燃焼器の空気流量が相対的に多いた
め、リ−ン過ぎて、ＨＣ、ＣＯ等が多く発生し易く、ま
た単に開口面積を負荷に応じて所定値に設定しても旋回
流が発生できず火種をキ−プすることが難しいといった
実用上解決すべき問題点を有する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】燃料（例えばＣｎＨ
ｍ）を空気中の酸素（Ｏ₂ ）で効率よく燃焼させると供
給した燃料が完全にＯ₂ と燃焼して二酸化炭素（ＣＯ
₂ ）と水（Ｈ₂ Ｏ）になり、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃
炭化水素（ＨＣ）やススといった有害成分は排出されな
い。しかし、燃焼温度が相当に高くなるために空気中の
窒素（Ｎ₂ ）が空気中のＯ₂ と反応して窒素酸化物（Ｎ
Ｏx ）が生成される。ＮＯｘの排出傾向は図９に示すよ
うになり、燃料リッチ側と燃料リーン側で少なくなる。
ガスタービン燃焼器の許容作動範囲は、ＮＯ_X 排出の許
容値以下となるリッチ側とリーン側で、燃料性状により
決まる両側の可燃限界に近い範囲となる。さらに、図８
のように可燃限界近くでは燃焼が不十分になるため、未
燃燃料の排出が増加する。従って、リーン燃焼ではＮＯ
_X と未燃の排出許容値から決まる作動範囲を広くするた
め、ＮＯ_X 排出を抑える工夫が必要である。リッチ燃焼
では多量な未燃燃料をできるだけ燃焼器から出る前に、
急激に燃焼させる工夫が必要となる。

【０００８】このＮＯx は反応すべきＯ₂ がなければ当
然生成されないが、十分なＯ₂ があるリーン燃焼では燃
焼過程の温度とその温度に曝される滞在時間に大きく依
存する。ＮＯx を低減させる狙いでＯ₂ が欠乏するリッ
チ燃焼をさせるとＣＯ、ＨＣやススといった有害成分の
発生につながるために、Ｏ₂ が多量に存在するリーン燃
焼を効率よくさせて、ＮＯx 、ＣＯ、ＨＣやススといっ
た有害成分の排出が少ない低公害なガスタービン燃焼器
を提供する必要がある。

【０００９】また、自動車用原動機に要求される急峻な
負荷変動に対しても火炎安定性が確保されると共に冷間
始動時等の比較的温度が低い条件における着火の１００
％確実性を実証する必要がある。

【００１０】

【発明の目的】このため、本発明の目的は、局部的な火
炎の遍在をなくして耐久性を改善するために強い旋回流
による流体力学的な火炎保持のための燃焼空間（副燃焼
室）と完全燃焼を達成させる燃焼空間（主燃焼室）を絞
り開口を介して分離する構成で排気中に含まれる有害成
分（ＮＯ_X 、ＣＯ、ＨＣ、スス等）を低減するととも
に、耐久性、信頼性の高い副燃焼室式渦巻燃焼装置を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の副燃焼室式渦巻燃焼装置は、燃焼室壁面に
沿って空気旋回流を形成する１次空気通路を配設した副
燃焼室と、副燃焼室の一方に燃料噴射弁を配置し、副燃
焼室の他方の開放端下流側に絞り開口を介して接続する
主燃焼室からなる副燃焼室式渦巻燃焼器において、前記
１次空気通路開口面積を副燃焼室内側から絞ることによ
り可変にする手段を備え、少なくとも軽負荷時に前記手
段を作動するように配置した構成である。

【００１２】

【作用】上記構成からなる本発明の副燃焼室式渦巻燃焼
装置は、少なくとも軽負荷時に前記１次空気通路開口面
積を副燃焼室内側から絞るため、軽負荷時に副燃焼室で
は、主燃焼室よりもリッチとなり、燃焼効率が良くな
り、排気エミッションが良好となる。また単に１次空気
通路開口面積を絞るものでないため、軽負荷時も燃焼室
壁面に沿って安定、円滑に空気旋回流を発生させ、副燃
焼室において火種を良好にキ−プすることができるた
め、失火の恐れが小さくなるといった実用的効果を奏す
る。さらに、本発明は、温度または燃料の燃焼量が低い
時に副燃焼室に導入される１次空気を空気制御機構によ
り全開から１０％程度まで絞ることで、空気流速に起因
する着火不良や火炎不安定を解消することができる。さ
らに、このとき副燃焼室内の流速が低下するので副燃焼
室に燃料が滞在する時間が確保されて混合が促進される
ためＣＯ、ＨＣ等の未燃燃料排出を低く抑えることがで
きる。次に、燃焼負荷がある値より高くなったところで
１次空気を全開し、より燃料リーン状態になるようにし
て燃空比の上昇にともなう燃焼温度の上昇で生成される
サーマルＮＯｘの排出を相対的に抑制するとともに、旋
回渦中央部分に形成された火炎を燃焼壁近傍から噴出す
る十分な１次空気噴流でしっかりと包み燃焼壁の局所的
な温度上昇による耐久性の低下を防止することができ
る。

【００１３】以上のように、本発明の副燃焼室式渦巻燃
焼装置は、ＯＮ−ＯＦＦ的な作用を奏する簡単な空気制
御機構を１次空気通路に装着することにより着火・火炎
安定性を確保して低排気エミッションとなる作動範囲の
広い燃焼器を実現することができるために耐久信頼性や
製造価格を比較的低く抑えることができる。

【００１４】

【発明の効果】上記構成からなる本発明の副燃焼室式渦
巻燃焼装置において、空気制御機構は温度が比較的低い
１次空気通路に簡単に装着する構造であるために可変機
構自信の耐久信頼性が高い。しかも、ＯＮ−ＯＦＦ的な
制御で良いため高い制御精度や早い応答性を必要としな
い。このため、従来の可変機構付き燃焼器に比較して格
段に簡便で安上がりな機構を採用しているにもかかわら
ず、車両用原動機が要求される確実な着火・火炎安定性
と低負荷時のＣＯ、ＨＣ排出や高負荷時のＮＯｘ排出を
低減することができる実用的効果を奏する。

【００１５】

【実施例】図１乃至図４に本発明の代表的な実施例を示
す。本実施例装置は、図３および図４に示すように１次
空気通路１に装着しこの１次空気通路１の開口面積を副
燃焼室８の内側から絞ることにより可変にする手段とし
ての可変ベーン２のリンク機構３を装着してなる。この
リンク機構３は、エンジン回転数と燃料噴射量、または
燃焼装置４の入口空気温度により制御器５（ＣＰＵ）が
決めた制御量に応じて外部アクチュエータ６で作動させ
る構成である。具体的には、副燃焼室８に導入する一次
空気を接線方向に流入させる一次空気通路１に薄板で形
成したベーン２を装着し、このベーン２を簡易的なリン
ク機構３を介して外部アクチュエータで動かし、一次空
気開口面積を全開の１００％から１０％程度まで加減制
御できる構成である。前記リンク機構３は、その回動軸
３０が燃焼装置４の副燃焼室８の外壁部に回動可能に両
端支持されている。この回動軸３０の軸支間には、一次
空気通路１の開口幅よりやや小の幅を有すると共に、開
口高さ方向揺動として横断可能に構成したベーン２の一
端が一体的に取り付けられている。

【００１６】そして、湾曲形成したベーン２は、その開
放端を一次空気通路１の開口３１より副燃焼室８に向か
って装備され流通抵抗とならないように構成されてい
る。回動軸３０の一般にはＬ状のレバー３２が一体的に
連動可能に取り付けられている。レバー３２の突出部３
３は、それぞれ隣接する。レバー３２の突出端部３３に
対してリンク３４を介して連結されている。そして回動
軸３０のうち一つは燃焼装置４の外壁部に回動可能に軸
支された連結軸３５に一体的に接続されている。この連
結軸３５の開放端３６は、回動伝達機能３７、３８、３
９をそれぞれ介してアクチュエータ６に連結されてい
る。

【００１７】次に、燃料噴射量とエンジン回転数、また
は燃焼装置の入口空気温度に応じて一次空気通路１に装
着したベーン２により一次空気噴流の厚さを変化させて
副燃焼室８内の旋回流強さを変えるとともに、旋回渦中
心部に噴射される燃料噴霧量との平均燃空比が燃料リー
ン状態、あるいは必要以下の燃料リッチ状態とならない
一定の範囲に一次空気通路１のベーン２を開閉制御する
構成である。

【００１８】軽油等の燃料を二流体噴射弁あるいは圧力
噴射弁等での燃料噴射弁７で微粒化して９０度に広がる
中空または中実噴霧として供給する。副燃焼室８には可
変ベーン２を持つ１次空気通路１を通して１次空気を接
線方向に流入させて、副燃焼室８の内部に安定な渦流を
形成する。燃料噴霧は副燃焼室８において渦流中心から
離れた比較的速度勾配の大きい領域で１次空気と混合し
つつ蒸発する。そして、さらに側方の領域で１本ないし
２本の点火プラグ９で着火するとともに一部燃焼が開始
される。さらに側方の副燃焼室８壁近傍では空気層が形
成されて、この領域に燃料噴霧は到達することが少な
い。燃料噴霧は空気と混合しながら蒸発した後、１次空
気と十分に燃焼する前に絞り開口１０により増速されつ
つ渦中心付近に集められることになる。このため、副燃
焼室８では燃焼ガスは温度上昇が抑えられサーマルＮＯ
_X の生成は少ないものとなる。

【００１９】そして、燃焼ガス噴流が絞り開口１０を通
り過ぎて、副燃焼室８の内径よりも拡大した第１主燃焼
室１１に導かれて十分広がった位置に２次空気導入通路
１２を向かい合わせて４カ所配置し、絞り開口１０内径
と第１主燃焼室１１の内径の中間位置に２次空気を導入
する。なお、第１主燃焼室１１の壁は空気膜による冷却
構造としている。第１主燃焼室１１は出口で徐々に絞っ
て、第１主燃焼室１１の内径より縮小された第２主燃焼
室１３に接続されている。第２主燃焼室１３の入り口近
くには希釈空気を導入するための希釈空気孔１４が向か
い合わせの位置に４カ所設けられている。なお、２次空
気と希釈空気の周方向の位置関係は千鳥配置になってい
る。

【００２０】本実施例の副燃焼式渦巻燃焼装置は、ガス
タービンエンジンの作動条件に応じて前記一次空気通路
に装着した空気制御機構におけるベーンの開閉度により
一次空気噴流の接線方向の厚さを変化させて副燃焼室内
の旋回流強さを可変とするとともに、旋回渦中心部に噴
射される燃料噴霧量との平均燃空比が一定の範囲になる
ように一次空気通路の開口を制御するような構成であ
る。そして、燃焼装置４の空気温度が２００℃以下の低
いときか、急速な減速でエンジン回転数が所定の回転数
より高く大量の空気が燃焼装置を通過している場合か、
または燃焼負荷の低いとき（アイドリングから最高出力
の１０％程度まで）は１次空気通路１を絞り、ベーン開
度を１０％程度にして比較的薄いシート状空気噴流とし
て副燃焼室８に接線方向に流入させて、副燃焼室８の内
部に比較的ゆっくりした安定な旋回渦流を形成し、そこ
で燃料噴射弁７から供給される比較的少ない燃料噴霧を
混合しつつリーン燃焼させる。

【００２１】図５、６に示すように、燃焼不完全率やＣ
Ｏ排出は、全開の１００％の場合より相当に改善され
る。さらに、副燃焼室８の壁近傍は適当な空気層が形成
されるために噴霧が壁や燃料噴射弁７に堆積することも
ない。しかも、逆に多すぎる１次空気で吹き飛ばされて
第１主燃焼室１１をすり抜けることも少ない。このた
め、比較的燃焼効率を高く維持することができる。

【００２２】次に、燃焼負荷がある値（最高出力の１０
％程度）以上に高くなって燃料噴霧量が多くなる状態で
は、１次空気通路１を全開口し比較的厚いシート状の１
次空気噴流を形成して燃料噴霧が燃焼壁面に到達しない
ようにするとともに副燃焼室８の温度上昇を抑えるため
に多量な空気で必要以上に燃焼が進まないようにする。
これにより、燃焼壁面の耐熱性が向上する。副燃焼室８
内の強い旋回渦流のために旋回中心部分が比較的燃料濃
度が高くなるが、噴霧が蒸発混合する過程であるために
逆に副燃焼室８の局所燃焼ガス温度の上昇を抑えてい
る。このために、図７に示すように、ＮＯ_X 排出は、ベ
ーン開度１０％のときより低くなる。副燃焼室８で生成
されるサーマルＮＯ_X は少ないものとなるが、副燃焼室
８で燃え残った燃料があり、未燃ガスを含む燃焼ガス噴
流を絞り開口１０で絞った後に第１主燃焼室１１の内径
を拡大して形成するために、比較的ゆっくりした速度で
燃焼させることができ、副燃焼室８のリーン燃焼で燃え
残ったＣＯ、ＨＣやススをさらに燃焼させることが出来
て、燃焼効率９９％以上の完全燃焼を実現する。

【００２３】すなわち、副燃焼室８に導入させる一次空
気量を大まかなＯＮ−ＯＦＦ的制御ができる簡易的なリ
ンク機構３の可変ベーン２で開閉制御することにより負
荷の低い運転時に強く要求される急峻な燃料噴射量の変
動に対しては、副燃焼室８内に形成される旋回渦の特性
を応用して確実な着火・火炎安定性と高い燃焼効率（Ｃ
Ｏ、ＨＣやスス排出の低減）を維持するように空気を制
御する。次にある負荷以上の高負荷運転時には一定の燃
空比以下の希薄燃焼状態になるように一次空気導入量を
増加させることで燃焼装置４の圧力損失を一定の値に制
御するとともに、サーマルＮＯ_X の排出低減を実現す
る。

【００２４】ところで、本実施例は空気制御機構を上記
のようにＯＮ−ＯＦＦの二段制御だけではなく、可変量
を数段に設定することも可能である。さらに、空気制御
機構は上記のような１次空気通路１の開口面積を変える
構成の他、例えば１次空気通路自体が変形する等の構成
でも同様な作用効果を奏する。また、燃料が液体状のみ
ならずガス状または固体状等のものであっても同様な作
用効果を奏する。

【００２５】また、前記ベーン２の構成は、空気流入方
向に対し空気がベーン２を押す方向に力が働くことにな
り、作動時のベーン２の位置にガタが生ずることがな
く、空気制御の再現性が確保し易い実用的効果を奏す。
さらに、１次空気通路１にベーン２を設定する簡単な構
成のために燃焼装置の外観形状に突起等が生ずることが
なく、シンプルとなりガスタービンエンジンに燃焼装置
を装着するのが容易である利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の副燃焼室式渦巻燃焼装置を
示す縦断面図

【図２】本発明の一実施例の副燃焼室式渦巻燃焼装置を
示す図１中ＩＩ−ＩＩ線に沿う横断面図

【図３】本発明の一実施例装置におけるベーンのリンク
機構を示す縦断面図

【図４】本発明の一実施例装置におけるベーンのリンク
機構を示す図３中ＩＶ−ＩＶ線に沿う横断面図

【図５】本発明の一実施例装置におけるベーンのリンク
機構を示す線図

【図６】ＣＯ排出傾向と未燃燃料の排出傾向を示す線図

【図７】ＮＯ_X 排出傾向と未燃燃料の排出傾向を示す線
図

【図８】未燃燃料の排出傾向を示す線図

【図９】ＮＯ_X 排出傾向を示す線図

【符号の説明】

１ １次空気通路 ２ ベーン ３ リンク機構 ４ 燃焼装置 ５ 制御器 ６ アクチュエータ ８ 副燃焼室 ９ 点火プラグ １０ 絞り開口 １１ 第１主燃焼室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 郡司 善壽 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室壁面に沿って空気旋回流を形成す
   る一次空気通路を配設した副燃焼室と、副燃焼室の一方
   に燃料噴射弁を配置し、副燃焼室の他方の開放端下流側
   に絞り開口を介して接続する主燃焼室からなる副燃焼室
   式渦巻燃焼装置において、前記一次空気通路開口面積を
   副燃焼室内側から絞ることにより可変にする手段を備
   え、少なくとも軽負荷時に前記手段を作動するようにし
   たことを特徴とする副燃焼室式渦巻燃焼装置。