JP4997645B2 - 流体素子による空気流量配分制御機構を備えた燃焼器 - Google Patents
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Description
窒素酸化物の生成量は強い温度依存性を有し、燃焼器での燃焼温度を下げることにより、排気中の窒素酸化物の濃度を低下させることができる。また、燃料と酸化剤をあらかじめ混合した混合ガスを燃焼させる予混合燃焼方式を用いることにより、局所的な高温領域の形成を抑制し、燃焼温度を制御することができ、燃料を過剰な空気で燃焼させる燃料希薄予混合燃焼を用いることにより、平均燃焼温度を低下させることができる。
しかし、希薄予混合燃焼を用いた燃焼器では、燃料と酸化剤の混合比を変えた時に、燃焼器の破壊につながるような圧力振動が発生したり、十分な燃焼反応が行われずに未燃焼のまま燃焼器外に排出される燃料が増加したりする。未燃焼成分の排出量の増加は燃費の悪化にほかならず、また大気汚染の防止の観点からも許容されない。このように、希薄予混合燃焼は、有効に利用可能な混合比の範囲が狭いという間題がある。
燃焼領域の燃料と空気の混合比を適切な範囲に保ち安定な火炎を保持するために、安定な火炎を形成するための比較的燃料の濃い予混合燃焼あるいは拡散燃焼を用いたパイロット燃焼部と低NOx 燃焼を行うための比較的燃料の薄いメイン燃焼部を持った燃焼器が用いられる。パイロット燃焼部とメイン燃焼部を持った燃焼器の一形態として、図6のように、パイロット燃焼部18を中心にしてその周りにメイン燃焼部19を配置した燃焼器が知られている。このような燃焼器では中心にあるパイロット燃焼部に安定な火炎を形成し、不安定になりやすいメイン燃焼部の混合気を比較的安定に燃焼させることができる。しかし、産業用ガスタービンや航空用ジェットエンジンの運転条件は空気流量や燃料流量が広範囲にわたり変化するので、燃焼領城の燃料濃度を適切な範囲に保ち、燃焼器内での燃焼をより安定なものにするために、燃焼領域に流入する空気流量の制御がおこなわれることがある。
制御用空気の流量と燃焼用空気の流量配分の関係特性は流路形状によって様々に変化し、ヒステリシス(履歴現象)特性を持たせることもできる。
本発明の1形態として、前記複数バーナは中央のパイロットバーナを環状形態のメインバーナが囲む形態であり、前記流体素子は断面がY字状の環状形態であるものを提示する。
その1形態として、前記流体素子はスプリッターの先端を平坦な形状としたものを提示する。
また、本発明の1形態として、前記制御空気流路に空気を吸い出す又は吹き出す手段は2つの制御ポートの一方に吸い出す機能と、他方に吹き出す機能を切替可能に備えたものを提示する。
また、本発明の1形態として、前記制御空気流路に空気を吸い出す又は吹き出す手段は制御ポートに吸い出す機能のみを備えたものを提示する。
また、本発明の1形態として、メインバーナに供給される空気は前記流体素子を通過する流路とは完全に分離された流路を設けられ、スワラ下流位置で両流路を通った空気が混合されるものを提示する。
さらに、上記の空気流量配分制御機構を備えた燃焼器をライナ内部位置に円環型に多数配置したジェットエンジンを提示する。
制御空気流路に空気を吸い出す又は吹き出す手段は2つの制御ポートの一方に吸い出す機能と、他方に吹き出す機能を切替可能に備えたものにあっては、一方だけを制御する形態よりも流量比制御を幅広くより精度よく安定して行うことができる。
また、前記制御空気流路に空気を吸い出す又は吹き出す手段は制御ポートに吸い出す機能のみを備えたものにあっては、流体素子内の制御用空気を吹き出す場所の圧力よりも高圧の空気源を用意する必要が無く、容易に制御圧力源を実現することができる。
また、各バーナに供給される空気は前記流体素子を通過する流路の他に流体素子を通過しない流路を設けられた形態の燃焼器はスワラを通る空気のうち所定量を定常的に確保し、のこりの空気の流量を調整する形態となるため、流量割合の変化する量を小さくすることができ、それぞれのスワラを通る空気が過少になることを防ぐことができる。
特許文献6の「ガスバーナ」は機械的駆動部が無くても燃焼排気中の窒素酸化物の低減可能なガスバーナを提供することを課題としたもので、このガスバーナは、外部から供給されたガスが一つのガス通路を介して一つのガス噴出口から噴出されているとき、一つのガス通路を流れているガスの一部を他のガス通路にフィードバックさせることにより外部から供給されたガスを他のガス通路を介して他のガス噴出口から噴出させるようにガス通路を切り替える流体素子2A,2B,2Cを用いるものである。
このように、バーナの上流位置に流体素子を配置したものは既に提示されているが、いずれも本発明とはその目的効果を異にするものである。
流体素子4は円筒形の流路である流体素子入口2から流入した燃焼用空気が途中で分岐し円筒形の流路である流体素子出口5aおよびその内側に配置された円筒形の流路である流体素子出口5bから流出するようになっている。流体素子出口5aおよび流体素子出口5bはそれぞれスワラ6およびスラワ7につながっており、流体素子出口から流出した空気はそれぞれのスワラ6,7を経てライナ10内に流入する。流体素子4の流路が分岐する位置には、流体素子4中の空気を制御用空気配管11aおよび11bを通して燃焼器ケーシング20の外部に流出させるかあるいは、燃焼器ケーシング20の外部から空気を流体素子中に流入させるための制御用空気流路3aおよび3bが接続されている。制御用空気流路3aおよび3bから流入/流出する制御用空気の流量を変化させることにより、流体素子出口5aおよび5bから流出する空気の流量配分を変化させ、スワラ6および7からライナ10に流入する空気の流量配分を変化させる。
なお、本発明のねらいは、燃焼器入口からライナ内に至る各経路の空気流量割合を変化させることであり、流体素子出口とライナの間にスワラ等が設けられているかどうかは、本発明の実施において本質的な問題ではない。
また図1は円筒状の燃焼器について示しているが、本発明はこの形状の燃焼器に限らず、例えば、横方向に複数のバーナを配置した燃焼器においても、それらの空気流量配分を変化させることができる。
制御ポートが二つの時には、それぞれのポートを(イ)、(ロ)とすると、吹き出しにより制御する場合には、制御用空気の状態として次の3つの状態がある。
まず、[流体素子]について説明する。流れの向きを制御するfluidic diverterは高速の流れが壁面に付着して流れるコアンダ効果を利用した流体素子であり、少量の制御流によって、より大きな流れの向きの二つの状態を切り替えることができる。図7にfluidic diverterの動作を示す。fluidic diverterは主流の入口と二つの出口、二つの制御孔が接続された形状をしている。(a)主流入口から入ってきた流れはコアンダ効果により、どちらか一方の壁面に付着して流れる。(b)制御孔から少量の流体(制御流)を流出させるか、あるいは流入させることにより、主流が反対側の壁面に付着し、流れの向きが変わる。(c)制御流を止めても主流の向きは前の状態を保つ。図7(b)では上側の制御孔から制御流が流出することにより主流の向きが切り替わる様子を示しているが、下側の制御孔から制御流を流入させることによっても主流の向きを切り替えることができる。一般的には流体素子の制御は制御流を流入させることにより行い、この場合には制御流の流量の5倍から30倍の流量の主流の流れを切り替えることができる。
燃焼器内にこの流体素子を設けることを考えると、制御流を流入させることにより制御を行うには、エンジン内で最も圧力の高い部位である燃焼器よりもさらに圧力の高い空気源を用意しなければならず現実的ではない。それに対して、制御流を流出させることにより制御を行うには、より圧力の低い場所に接続するだけでよいので、容易に実現することができる。そのため、本発明では流体素子の制御はすべて制御流を流出させることにより行っている。
まず、2次元模型試験であるが、2次元形状の流体素子模型は、入口の流路の幅が10mm、奥行き方向の長さが100mmであり、奥行き方向に同一の流路形状をしている。奥行き方向の中心断面でPIV計測を行った。主流の体積流量Qaを6.7×10-4m3/sとし、100回の計測結果から計算した平均流速分布を図8に示す。(a)と(b)は上下の出口を仕切るスプリッターの形に違いがあり、標準的な形態である先端が鋭角の形状(a)と、より安定した動作が期待できる先端を切り落とした平坦な形状(b)について試験を行った。これらの図はいずれも上側の制御孔から制御流を流出させた後、制御流を止めた時の状態を示している。どちらの形状でも、制御流を止めた後も入口から入った流れが上側の壁面に沿って流れ、上側の出口から流出していることが分かる。
出口を塞いでいない場合には、スプリッターの形によらずほぼ同じ流量配分特性を示している。すなわち、state1からstate2に移行した時には流量割合はあまり変化せず、主流の向きは変化しない。そこからstate3に移行すると主流の向きが変わり流量割合が大きく変化する。またstate2に移行しても流量割合はあまり変化せず、主流の向きは前の状態を保存する。つまり、それぞれの出口の流量変動量が130%程度あり、また、この流体素子はヒステリシス特性を有している。流量配分が100%を超えるあるいは0%を下回っているが、これは主流が流出する出口とは逆の出口から流れが逆流してきていることを
示している。
流体素子の出口の一部を塞ぐとstate1とstate3での流量配分の差は50%程度に減少するが、スプリッターの形状による違いはほとんどない。しかし、state2では違いが見られ、平坦なスプリッターでは制御流を止める前の状態を保っているのに対して、鋭角のスプリッターでは流量配分は50%と、主流は上下どちらの壁面にも付着していない流れとなり、ヒステリシス特性を有さなくなっている。つまり、スプリッターの先端を平坦な形状にすることにより、出口下流の流路の抵抗が大きい場合でもヒステリシス特性を持ちやすくなることが分かる。
二次元形状の流体素子の場合と異なり、流量配分特性が対称ではないものの、二次元形状の場合と同様に流量変動量は120%と大きく、またヒステリシス特性を有していることが確認できた。
また、上記の燃焼器に限らず、複数の空気の流入系統を備えていて、運転条件が大きく変わる燃焼器に適用できる可能性がある。
3a,3b 制御用空気流路(制御ポート) 4 流体素子
5a,5b 流体素子出口 6,7 スワラ
8 希釈孔 9 冷却孔
10 ライナ 11a,11b 制御用空気配管
14,15 流体素子を通らない流路 16 メイン側流路
17 パイロット側流路 18 パイロットバーナ
19 メインバーナ 20 燃焼器ケーシング
20a,20b 制御ポート3aの制御用空気流
21a,21b 制御ポート3bの制御用空気流
Claims (6)
- 中央のパイロットバーナを環状形態で囲むメインバーナからなる燃焼器において、両バーナに供給される燃焼用空気流路に断面がY字状で円環状の流体素子を配置すると共に、その制御空気流路に空気を吸い出し又は吹き出させる手段を備えることにより燃焼用空気流の流れる方向を変え、前記流体素子からの空気流はスワラの上流側では他の空気流と混合されることなく該スワラを介してパイロットバーナとメインバーナに直接流入させて空気流量の配分を制御することを特徴とする燃焼器。
- 前記流体素子はスプリッターの先端を平坦な形状としたものである請求項1に記載の空気流量配分制御機構を備えた燃焼器。
- 前記制御空気流路に空気を吸い出す又は吹き出す手段は2つの制御ポートの一方に吸い出す機能と、他方に吹き出す機能を切替可能に備えたものである請求項1または2に記載の空気流量配分制御機構を備えた燃焼器。
- 前記制御空気流路に空気を吸い出す又は吹き出す手段は制御ポートに吸い出す機能のみを備えたものである請求項1または2に記載の空気流量配分制御機構を備えた燃焼器。
- 各バーナに供給される空気は前記流体素子を通過する流路とは完全に分離された流路を設けられ、スワラ下流位置で両流路を通った空気が混合されるものである請求項1乃至4のいずれかに記載の空気流量配分制御機構を備えた燃焼器。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の空気流量配分制御機構を備えた燃焼器をライナ内部位置において円環型に多数配置したジェットエンジン。
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