JP3985027B2

JP3985027B2 - 燃焼試験装置

Info

Publication number: JP3985027B2
Application number: JP2001056218A
Authority: JP
Inventors: 茂林; 秀志山田; 政一東; 敏志福原
Original assignee: Nikkiso Co Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Nikkiso Co Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: JP2002257334A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、航空エンジンや産業用ガスタービンの燃焼器の研究開発に使用される燃焼試験装置に関し、詳しくは、軽量かつ低コストで断熱性および冷却性能に優れた熱遮蔽体を備えた燃焼試験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空エンジンや産業用ガスタービンの燃焼器の研究開発には、燃焼部の温度、圧力、流速等を実際のエンジンのものに一致させて燃焼試験を行うことのできる燃焼試験装置が使用される。そのような従来の燃焼試験装置の代表的な構成を図８〜図１０に示す。図８は、従来の燃焼試験装置の全体構成を示す図である。空気源である圧縮機１からの圧縮された空気は、流量調整弁２を通り、空気加熱器３に流入し、所定の温度に加熱され、試験部ケーシング４内の燃焼器５（図９参照）に供給される。燃焼器５において燃焼された燃焼ガス６は、下流の水噴霧冷却器７に入り、水噴霧８の蒸発熱により冷却され、調圧弁９を通り、煙突１０から排出される。圧縮機１から吐出される空気のうち、余剰分は流量調整弁２で分岐され、調圧弁１１を通り、煙突１０に導かれる。
【０００３】
図９は、試験部ケーシング４の内部構造を示す断面図である。また、図１０は、図９におけるＢ−Ｂ矢視方向に見た試験部ケーシング４の断面図である。試験部ケーシング４内には燃焼器５が設置されており、圧縮され加熱された空気と燃料が混合されてこの燃焼器５で燃焼される。燃焼器５の出口には排気評価のためのガス採取プローブ２２が設けられている。ガス採取プローブ２２には、燃焼ガス６の温度を計測するための熱電対も設けられている。圧力計測管２３は、燃焼ガス６の圧力損失を検出するためのものである。ガス採取プローブ２２および圧力計測管２３は、断熱層３１およびケーシング壁面を貫通するように取り付けられており、それらの配管や導線が気密を保って試験部ケーシング４の外に導かれる。
【０００４】
試験部ケーシング４内の空気や燃焼ガスの温度および圧力は、試験の種類や開発対象によってかなりの幅があるが、最も条件の厳しい試験では、空気温度は７００℃、燃焼ガス温度は２２００℃にもなり、圧力は５０気圧に達する。試験部ケーシング４は耐熱金属で製作されるが、高圧での許容温度の上限は４００〜５００℃である。そのため試験部ケーシング４の壁面には耐火物からなる断熱層３１をかなりの厚さで施工し、高温の燃焼用空気および燃焼ガスからの熱流入を抑制している。
【０００５】
特に問題になるのが、燃焼器５の出口より下流の試験部ケーシング４の内壁面の断熱である。工業用加熱炉では、セラミックス繊維材料からなるいわゆるブランケット断熱材を壁面にボルト等により固定して断熱層とすることが多いが、燃焼試験装置においては高温かつ高速の燃焼ガスが表面に接触するため、ブランケット断熱材が剥がれ易いという問題点がある。燃焼試験装置の場合には、一般的に燃焼ガスの流速が大きく、加圧条件では燃焼ガスの密度も大きいために、さらに緻密な組織の断熱層が必要となる。
【０００６】
そこで、従来の燃焼試験装置においては、鋳込み可能な耐火セラミックスを試験部ケーシング４の内壁面とその内側に設置した仮枠との間に流し込み、乾燥させて一体型の断熱層を形成する方法や、あるいは耐火セラミックス製円筒を焼成して製作し、試験部ケーシング４内に挿入して固定する方法が採られていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃焼試験装置における断熱層の形成方法では、以下のような問題点があった。前者の鋳込み可能な耐火セラミックスによる方法では、重量物である試験部ケーシング４を製造工場へ輸送しなければなければならないことや、乾燥に時間がかかるという問題点がある。したがって、断熱層３１を損傷した場合に、その修理に必要な時間も長時間となり、このような修理のために長期間にわたり燃焼試験を中断せざるをえなくなるという問題も生じる。
【０００８】
後者の耐火セラミックス製円筒を試験部ケーシング４内に挿入して固定する方法では、予備品の耐火セラミックス製円筒を用意しておけば現場で取り替えることが可能である。その場合でも、耐火セラミックス製円筒が高価である、大型の場合には耐火セラミックス製円筒も大重量となり交換作業が困難であるというような問題点があった。さらに、前者、後者のいずれの方法でも、断熱層３１の修理のための加工や配管等のための追加加工ができないという問題点があった。
【０００９】
そこで、本発明は、断熱層におけるこれらの問題点を解決し、軽量かつ低コストで断熱性および冷却性能に優れた熱遮蔽体を備えた燃焼試験装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃焼試験装置は、燃焼器が装着される試験部ケーシングと、前記試験部ケーシング内に設けられ、前記燃焼器の出口からの燃焼ガス噴流を取り囲むように形成され、内部に冷却媒体が流通可能な環状空間が形成された熱遮蔽体と、前記熱遮蔽体の表面に設けられ、前記熱遮蔽体内部の冷却媒体が流出する流出口と、前記試験部ケーシングの外部から前記熱遮蔽体内部に冷却媒体を供給するために、前記試験部ケーシングの壁面を貫通して設けられている供給管と、前記熱遮蔽体と前記供給管との間の接続部に配置され、かつ、前記熱遮蔽体の壁面に設けられた穴にはめ込まれて、当該穴を中心とした所定範囲内を壁面に沿って移動可能に設けられた接続部材とを有する。そして、前記供給管は、前記燃焼器に流体を供給する管路とは別の経路に設けられたものである。なお、熱遮蔽体および供給管は、試験部ケーシングに対して着脱可能に設けることが好ましい。
【００１１】
また、上記の燃焼試験装置において、前記試験部ケーシングの外部に前記冷却媒体を冷却するための冷却器が設けられており、前記冷却媒体は、燃焼試験装置の空気源から供給される空気を前記冷却器によって冷却したものであることが好ましい。
【００１３】
また、上記の燃焼試験装置において、前記流出口は、前記熱遮蔽体の内周面側に設けられていることが好ましい。
【００１４】
また、上記の燃焼試験装置において、前記流出口は、前記熱遮蔽体の外周面側に設けられていることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃焼試験装置の全体構成を示す図である。空気源である圧縮機１からの圧縮された空気は、流量調整弁２において分岐されて、一部は燃焼試験用に供給され、他の一部は試験部ケーシング４内に設けられた断熱用の熱遮蔽体３２（図２参照）に供給される。燃焼試験用空気は、空気加熱器３により所定の温度に加熱され、試験部ケーシング４内の燃焼器５（図２参照）に供給される。燃焼器５において燃焼された燃焼ガス６は、下流の水噴霧冷却器７において水噴霧８の蒸発熱により冷却され、さらに、調圧弁９を通って煙突１０から排出される。圧縮機１から吐出され流量調整弁２で分岐された空気のうち、余剰分は調圧弁１１を通り煙突１０に導かれる。
【００１６】
図２は、本発明の燃焼試験装置の試験部ケーシング４の内部構造を示す断面図である。また、図３は、図２におけるＡ−Ａ矢視方向に見た試験部ケーシング４の断面図である。試験部ケーシング４内には燃焼器５が設置されており、圧縮され加熱された空気と燃料が混合されてこの燃焼器５で燃焼される。燃焼器５の出口には排気評価のためのガス採取プローブ２２が設けられている。ガス採取プローブ２２には、燃焼ガス６の温度を計測するための熱電対も設けられている。圧力計測管２３は、燃焼ガス６の圧力損失を検出するためのものである。ガス採取プローブ２２および圧力計測管２３は、熱遮蔽体３２およびケーシング壁面を貫通するように取り付けられており、それらの配管や導線が気密を保って試験部ケーシング４の外に導かれる。
【００１７】
冷却用かつ熱遮蔽用の空気は、試験部ケーシング４の壁面を貫通する取り外し可能な供給管３３により熱遮蔽体３２内に供給される。この空気は、冷却効果を高めるために、流量調整弁２から熱遮蔽体３２までの配管途中に水冷による冷却器１２を設けて温度を下げている。ただし、この冷却器１２は省略してもよい。調圧弁１３は、熱遮蔽体３２への冷却用空気の圧力を調節するためのものである。
【００１８】
熱遮蔽体３２は、試験部ケーシング４の内部に着脱可能に取り付けられている。熱遮蔽体３２によって、高温の燃焼ガス６が試験部ケーシング４の壁面に直接接触することを避けるだけでなく、燃焼ガス６からの熱放射も遮断することができる。熱遮蔽体３２は、燃焼器５から噴出される燃焼ガス６を取り囲むように環状に形成されている。また、熱遮蔽体３２は耐熱金属の板材で形成されており、その内部は空洞になっていて、冷却用空気が内部を流通可能となっている。
【００１９】
熱遮蔽体３２の内周側壁面には、多数の流出口３４が設けられている。流出口３４は、円周方向には全周にわたってほぼ均等に設けられている。熱遮蔽体３２に供給された空気は、多数の流出口３４から燃焼ガス６の流れに向かって噴出して、あるいは熱遮蔽体３２の内周側壁面に沿って噴出して、燃焼ガス６を冷却するとともに、熱遮蔽体３２自体を冷却して耐熱温度以下に保つ。
【００２０】
図４は、冷却用空気の供給管３３と熱遮蔽体３２との接続構造を示す断面図である。熱遮蔽体３２の壁面には接続用の穴があけられており、この穴には環状のカラー４１が取り付けられている。カラー４１は、図４に示すように接続用穴の縁を包み込むような形状に形成されている。また、カラー４１は熱遮蔽体３２の壁面に沿って所定量だけ移動することが可能である。
【００２１】
カラー４１のこの移動により、試験部ケーシング４に設けられた配管用の穴と、熱遮蔽体３２の接続用穴との位置のずれを吸収することができ、組み立て作業が容易となる。また、カラー４１と熱遮蔽体３２の壁面材料との接触を良好にすれば、熱遮蔽体３２の内圧を利用して供給管３３と熱遮蔽体３２の接続部を気密状態に保つことができる。
【００２２】
図５は、熱遮蔽体３２の他の形態を示す図である。この形態の熱遮蔽体３２は、冷却用空気が流出する流出口３４ａをスリットとして形成したものである。流出口３４ａは、熱遮蔽体３２の内周側壁面に、円周方向に延びるスリットとして形成されている。
【００２３】
図６は、熱遮蔽体３２のさらに他の形態を示す図である。この形態の熱遮蔽体３２は、冷却用空気が流出する流出口３４ｂを熱遮蔽体３２の後方側端面に設けるようにしたものである。冷却用空気は熱遮蔽体３２の内周側壁面に沿って流れて壁面を冷却し、後方側壁面の流出口３４ｂから流出して燃焼ガス６に混入する。
【００２４】
図７は、熱遮蔽体３２のさらに別の形態を示す図である。この形態の熱遮蔽体３２は、冷却用空気が流出する流出口３４ｃを熱遮蔽体３２の外周側壁面に設けるようにしたものである。冷却用空気を流出口３４ｃから試験部ケーシング４の壁面に向かって噴出させ、試験部ケーシング４を冷却する。
【００２５】
なお、図２に示した流出口３４、および、図５から図７に示した各形態の流出口３４ａ〜３４ｃは、互いに組み合わせて使用することもできる。例えば、図２の流出口３４と図７の流出口３４ｃの両方を熱遮蔽体３２に設けるようにしてもよい。また、図５の流出口３４ａと図７の流出口３４ｃを組み合わせたり、図６の流出口３４ｂと図７の流出口３４ｃを組み合わせたりすることもできる。
【００２６】
さらに、熱遮蔽体３２の内部に、図１１および図１２に示すような、穴を設けた仕切板３２１を固定して設けてもよい。このような仕切板３２１を設けると、冷却用空気は、仕切板３２１の穴から噴出して熱遮蔽体３２の内周側壁面に高速で衝突するようになり、熱遮蔽体３２の冷却効果が向上する。
【００２７】
以上に説明した燃焼試験装置によれば、熱遮蔽体３２の表面の流出口３４，３４ａ〜３４ｃから空気等の冷却媒体を噴出させることによって、熱遮蔽体３２自体を冷却するとともに、燃焼ガス６から試験部ケーシング４の壁面への熱伝達量を著しく低減することができる。また、必要な場合には試験部ケーシング４の壁面に対しても冷却媒体を噴出させて壁面を冷却し許容温度以下に保つことができる。
【００２８】
この燃焼試験装置では、熱遮蔽体が耐熱金属の板材により内部が空洞の環状体として形成されているので、熱遮蔽体が低コストで製作できる。また、熱遮蔽体が軽量となるため試験部ケーシングへの取り付け取り外し作業が容易となる。さらに、熱遮蔽体に対して、修理のための加工や各プローブにあわせた穴の追加加工等を容易に行うことができる。また、熱遮蔽体の環状部の厚さが小さい場合でも大きな冷却効果が得られるので、燃焼ガスの通過空間を大きく取れるという特長もある。
【００２９】
さらに、熱遮蔽体から流出した空気等の冷却媒体は燃焼ガスと混合し、その温度を低下させるだけでなく、調圧弁への総ガス流量は燃焼器に流入する空気量が少ない場合でもかなりの量を確保することができる（ほぼ一定に保つこともできる）ので調圧弁の開度調節による圧力制御が容易になる。また、試験において点火が失敗した場合に生燃料が下流に流れるが、熱遮蔽体からの空気流出量を多くして混合気を可燃限界以下に希釈できるため、空気を導入しないこれまでの熱遮蔽方法に比べ安全性の点でも優れている。
【００３０】
なお、以上の実施の形態では、熱遮蔽体に供給する冷却媒体として空気を使用するようにしたが、空気以外の気体を使用してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００３２】
冷却媒体が流通可能な熱遮蔽体の表面から冷却媒体を流出させるようにしたので、熱遮蔽体自体を冷却するとともに、燃焼ガスから試験部ケーシングの壁面への熱伝達量を著しく低減することができる。また、必要な場合には試験部ケーシングの壁面に対しても冷却媒体を噴出させて壁面を冷却し許容温度以下に保つことができる。
【００３３】
熱遮蔽体が内部が空洞の環状体として形成されているので、熱遮蔽体が低コストで製作でき、また、熱遮蔽体が軽量となるため試験部ケーシングへの取り付け取り外し作業が容易となる。さらに、熱遮蔽体に対して、修理のための加工や各プローブにあわせた穴の追加加工等を容易に行うことができる。また、熱遮蔽体の環状部の厚さが小さい場合でも大きな冷却効果が得られるので、燃焼ガスの通過空間を大きく取ることができる。さらに、冷却媒体を噴出して燃焼ガスに混入するため、調圧弁の開度調節による圧力制御が容易になるとともに、安全性も向上する。
【００３４】
冷却媒体を燃焼試験装置の空気源から供給される空気としたので、冷却媒体の供給源を燃焼試験用の空気源と共用することでき、余分な設備を増加させることがなく、燃焼試験装置のコスト上昇を抑制することができる。
【００３５】
熱遮蔽体と供給管との間の接続部に移動可能な接続部材を設けるようにしたので、試験部ケーシングに設けられた配管用の穴と、熱遮蔽体の接続用穴との位置のずれを吸収することができ、組み立て作業が容易となる。また、接続部材と熱遮蔽体の壁面材料との接触を良好にすれば、熱遮蔽体の内圧を利用して供給管と熱遮蔽体の接続部を気密状態に保つことができる。
【００３６】
流出口が熱遮蔽体の内周面側に設けられているので、冷却媒体を燃焼ガスに向けて直接噴出させて燃焼ガスを冷却するとともに、燃焼ガスから試験部ケーシングの壁面への熱伝達量を著しく低減することができる。
【００３７】
流出口が熱遮蔽体の外周面側に設けられているので、冷却媒体を試験部ケーシングの壁面に向けて直接噴出させて、効率よく試験部ケーシングの壁面を冷却することができる。これにより、試験部ケーシングの壁面を許容温度以下に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の燃焼試験装置の全体構成を示す図である。
【図２】図２は、試験部ケーシングの内部構造を示す断面図である。
【図３】図３は、図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】図４は、冷却用空気の供給管と熱遮蔽体との接続構造を示す断面図である。
【図５】図５は、熱遮蔽体の他の形態を示す図である。
【図６】図６は、熱遮蔽体のさらに他の形態を示す図である。
【図７】図７は、熱遮蔽体のさらに別の形態を示す図である。
【図８】図８は、従来の燃焼試験装置の全体構成を示す図である。
【図９】図９は、試験部ケーシングの内部構造を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図９におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図１１】図１１は、熱遮蔽体に追加した仕切板を示す図である。
【図１２】図１２は、熱遮蔽体に追加した仕切板を示す図である。
【符号の説明】
１…圧縮機
２…流量調整弁
３…空気加熱器
４…試験部ケーシング
５…燃焼器
６…燃焼ガス
７…水噴霧冷却器
８…水噴霧
９，１１，１３…調圧弁
１０…煙突
１２…冷却器
２２…ガス採取プローブ
２３…圧力計測管
３１…断熱層
３２…熱遮蔽体
３３…供給管
３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ…流出口
４１…カラー
３２１…仕切板

Claims

燃焼器（５）が装着される試験部ケーシング（４）と、
前記試験部ケーシング（４）内に設けられ、前記燃焼器（５）の出口からの燃焼ガス（６）噴流を取り囲むように形成され、内部に冷却媒体が流通可能な環状空間が形成された熱遮蔽体（３２）と、
前記熱遮蔽体（３２）の表面に設けられ、前記熱遮蔽体（３２）内部の冷却媒体が流出する流出口（３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ）と、
前記試験部ケーシング（４）の外部から前記熱遮蔽体（３２）内部に冷却媒体を供給するために、前記試験部ケーシング（４）の壁面を貫通して設けられている供給管（３３）と、
前記熱遮蔽体（３２）と前記供給管（３３）との間の接続部に配置され、かつ、前記熱遮蔽体（３２）の壁面に設けられた穴にはめ込まれて、当該穴を中心とした所定範囲内を壁面に沿って移動可能に設けられた接続部材（４１）とを有し、
前記供給管（３３）は、前記燃焼器（５）に流体を供給する管路とは別の経路に設けられたものである燃焼試験装置。
請求項１に記載した燃焼試験装置であって、
前記試験部ケーシング（４）の外部に前記冷却媒体を冷却するための冷却器（１２）が設けられており、
前記冷却媒体は、燃焼試験装置の空気源から供給される空気を前記冷却器（１２）によって冷却したものである燃焼試験装置。
請求項１，２のいずれか１項に記載した燃焼試験装置であって、
前記流出口（３４，３４ａ）は、前記熱遮蔽体（３２）の内周面側に設けられている燃焼試験装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載した燃焼試験装置であって、
前記流出口（３４ｃ）は、前記熱遮蔽体（３２）の外周面側に設けられている燃焼試験装置。