JPH08312370A - 過給機構付き燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 過給空気を利用して、高負荷燃焼および希釈
距離の短縮化により燃焼器の小型化および短寸化を達成
するとともに、燃焼室出口温度分布調整を容易にし、冷
却性能の向上等による燃焼器の高温化および高性能化を
達成する。 【構成】 前部空気室、過給空気が導入される後部空気
室、前部ライナ・後部ライナにより形成される燃焼室、
燃料を燃焼室内に供給する回転式燃料微粒化機構、およ
び本発明の特徴である流入空気の一部を昇圧し後部空気
室に導入させる過給機構等から構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転軸が存在し、連
続的に供給されている空気と燃料とを燃焼させる連続流
燃焼器に関するものであるが、タービンロータの前部で
タービンの回転軸の周囲に設置して使用されるガスター
ビン燃焼器が一般的である。以下、ガスタービン燃焼器
を例に説明する。

【０００２】

【従来の技術】従来、航空機用ガスタービン燃焼器とし
ては、圧縮機出口ディフューザ、複数の燃料噴射弁、燃
焼室の主燃焼域および燃焼ガスの温度希釈域をガスター
ビン回転軸の軸線方向に沿って前方から後方にかけて順
次配設してなる直流型燃焼器が多用されている。

【０００３】また、車両用ガスタービン燃焼器等に応用
可能な例として、特公昭５８−２５９３３号公報などに
開示されているように、回転軸の周囲に形成された環状
の燃焼室に対して、燃料を回転式燃料微粒化機構により
微粒化して半径方向内側から外側に向けて供給する一
方、圧縮機出口ディフューザから吐出される空気を空気
室形成用ケーシングの外側に形成された長い空気案内通
路に送り込み、熱交換器を通した後に上記ケーシングの
内側に戻し、燃焼室の前部側空気室および前後の空気室
をつなぐ貫通部より後部側空気室に導くとともに、燃焼
室を形成するライナに設けられた空気孔から燃焼室内に
導入するように構成された遠心噴霧型燃焼器も知られて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した直流型燃焼器
による場合は、圧縮機出口ディフューザを要する上に、
各機能部が軸線方向に沿って配設されているので、燃焼
器全体の軸線方向長さが大きくなって、ガスタービンが
重量化する。また、圧縮機出口流のディストーション
（偏流）の影響によって空気と燃料との混合性が変化
し、その結果、燃焼性能の劣化を生じ易い。さらに、高
負荷燃焼およびタービン冷却のためにはある程度の燃焼
室内外の圧力差すなわち燃焼器圧力損失が必要になる
が、この圧力損失はエンジン性能を低下させる。一方、
圧縮機出口位置の異なるガスタービンに適用させる場合
には、圧縮機出口ディフューザ、燃料噴射部および燃焼
室の配置を適合させるための多くの試験研究を必要とし
て、長い開発期間を要することから、開発即応性に欠け
るものである。

【０００５】上記した遠心噴霧型燃焼器による場合は、
多数の燃料噴射弁が不要であることおよび燃料を回転軸
から半径方向に噴射するため、直流型燃焼器に比べれば
燃焼器全体の軸線方向長さを短縮することがある程度可
能であるが、後部側空気室に充分な空気を供給できない
ため、主に前部ライナ側から燃焼室内に空気を供給する
ことになり、直流型燃焼器と同程度の高負荷燃焼に必要
な空気と燃料との急速な混合が難しく、燃焼室容積を小
さくできないため短縮化に限度がある。また、同様な空
気供給上の理由から、後部ライナの過熱が生じ易く、か
つその空気を利用してのタービン冷却能力も劣るため、
高温化にも限度があり、ガスタービンの高性能化も難し
い。

【０００６】この発明は、遠心噴霧型を上記課題に鑑み
て改善するもので、直流型燃焼器と同程度の高負荷燃焼
を実現して、小型化および短寸化を可能にするととも
に、圧縮機出口位置やその偏流に影響されにくい燃焼安
定性を実現し、さらに異種のガスタービン開発に対する
即応性を発揮させることもできるものであり、また後部
空気室への充分な空気の供給が後部ライナおよびタービ
ンの冷却能力を向上させることから、高温化等によるガ
スタービンの高性能化を可能とするガスタービン燃焼器
等を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題の解決手段とし
て、回転式燃料微粒化機構を備えた遠心噴霧型燃焼器に
おいて、燃焼室内に高速空気ジェット流を形成させるた
めに流入空気の一部を昇圧するための翼または貫通孔を
回転軸に構成させた過給機構を有することを特徴とする
燃焼器を提供しようとするものである。

【０００８】

【作用】この発明は次の作用を有する。ガスタービンに
おける回転軸の外周部に設けた燃料供給管先端部から半
径方向の外側へ向けて噴射された燃料は、回転式燃料微
粒化機構の円筒体の内周面に供給されて、該内周面の回
転により生じる大きな遠心力を受け、円周方向に均一な
流量分布を有する極めて小さい粒径の噴霧状燃料となっ
て噴霧口から燃焼室内に供給される。一方、圧縮機から
吐出されて空気導入口より環状空気室の前部に流入した
空気の一部は、過給機構におけるリム部の動翼または貫
通孔から静翼を経て昇圧された後、上記後部空気室に導
入される。その空気が燃焼室内圧力より高圧であること
から、後部ライナの空気孔から高速ジェット流となって
燃焼室内に供給されることで、燃焼室内に強力な循環流
領域が作られることになり、これによって、上記の噴霧
状燃料と空気との混合が促進されて、比較的小さな領域
で高負荷かつ安定燃焼をするとともに、それに続く領域
にも高速空気ジェット流を噴射することにより、その高
速空気ジェット流の強い貫通力により急速に混合し、短
距離で高温燃焼ガスが希釈されるため、燃焼室の小型化
が可能となる。さらに、これらの空気は強制的に過給さ
れることから圧縮機出口の影響を受けにくく、この出口
流を整える圧縮機出口ディフューザ部が不要となるた
め、燃焼器部の大幅な短寸化も可能となる。

【０００９】また、上記希釈用高速空気ジェット流は小
口径でも貫通距離が大きいことから、周方向に短ピッチ
で多数の空気孔を配置することで、燃焼室出口部の周方
向温度分布の偏差を小さくすることが可能となる。加え
てこの希釈用空気は後部ライナ側から流入するため、タ
ービンにとって望ましいタービン翼根側が低い半径方向
温度分布が容易に得られる。

【００１０】また、上記昇圧空気の一部を後部ライナの
冷却に用いると、冷却空気の圧力が高いため、冷却効率
の向上が図られ、従来の遠心噴霧型燃焼器で発生してい
た後部ライナの過熱を防止することが可能となる。同様
に、タービン冷却空気として用いると、タービン冷却効
率の向上により、その冷却空気量の減少あるいは冷却能
力向上に伴うタービンの高温化によるガスタービンの高
性能化が可能となる。

【００１１】さらに、過給空気により高負荷燃焼、出口
温度分布調整および充分な冷却が可能であり、燃焼室内
外の圧力差すなわち燃焼器圧力損失を小さくできること
から、ガスタービン性能の向上が期待できる。

【００１２】一方、上記過給空気の一部を上記回転式燃
料微粒化機構の噴霧口の近傍に噴射させることにより、
燃料の微粒化が促進されて、着火特性、有害排出ガス成
分の低減、燃焼効率などの燃焼器性能を一層高めること
が可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面にもとづい
て説明する。図１は、この発明の一実施例によるガスタ
ービン燃焼器の縦断面図であり、同図において、１はガ
スタービンの回転軸、２はその回転軸１の周囲に形成さ
れた環状の燃焼室で、この燃焼室２は上記回転軸１の軸
線方向の前後に配置された一対のライナ３Ａ，３Ｂによ
り構成され、前後のライナ３Ａ，３Ｂにはそれぞれ複数
の空気孔３ａ，３ｂおよび３ｃが形成されている。

【００１４】上記燃焼室２の外側に形成された環状の空
気室４Ａ，４Ｂは、上記一対のライナ３Ａ，３Ｂにそれ
ぞれ対応して上記回転軸１の軸線方向の前後に配置され
た一対のケーシング５Ａ，５Ｂにより構成されていると
ともに、前部のケーシング５Ａには、圧縮機（図示省
略）から吐出される空気Ａを環状空気室の前部４Ａに導
入する空気導入口６が接続されており、また、後部のケ
ーシング５Ｂには、タービン冷却用空気Ａ５をタービン
（図示省略）に供給する冷却用空気送給孔８が接続され
ている。なお、上記燃焼室２の半径方向内側底部には、
ライナ３Ａと３Ｂとの周上の間隙すなわち燃料Ｇを燃焼
室２内に噴霧するための開口２ａを設けている。

【００１５】円筒体９は、円筒状内周面９ａおよびその
円周方向に沿い等間隔で半径方向に向かって開設された
複数個の噴霧口９ｂを有し、その軸線方向の一端側にお
いてリム部１０を介して上記回転軸１に一体回転自在に
固定されており、この円筒体９と上記燃料ノズル７Ａと
により回転式燃料微粒化機構１１が構成されている。７
は燃料供給管であり、上記回転軸１の外側に沿って配設
され、その先端部７Ａは上記回転式燃料微粒化機構１１
の円筒体９の内周面９ａに向けられている。

【００１６】上記回転式燃料微粒化機構１１におけるリ
ム部１０には、軸線方向に動翼または貫通孔１２が円周
方向に等間隔を隔てて複数個形成されており、さらに固
定された静翼１８とにより、上記環状空気室の前部４Ａ
に流入した空気Ａの一部Ａ２を空気室の後部４Ｂへ導入
させる過給機構１３を構成している。なお、上記回転式
燃料微粒化機構１１および過給機構１３に対して軸線方
向の前後の回転軸１の外周面には、前後一対のケーシン
グ５Ａ，５Ｂの半径方向底部にシール１４Ａ，１４Ｂが
取り付けられている。

【００１７】次に、上記構成の動作について説明する。
ガスタービンにおける回転軸１の外側に沿って配設され
た燃料供給管７に流入した燃料Ｇはその先端部７Ａから
半径方向の外側に向けて供給される。この燃料Ｇは、回
転軸１とともに一体回転する回転式燃料微粒化機構１１
の円筒体９の内周面９ａに付着し、円筒体９の回転によ
り生じる大きな遠心力を受け、内周面９ａの円周方向に
均一に分布し、複数個の噴霧口９ｂから極めて小さい粒
径となり、前後のライナ３Ａと３Ｂとの開口２ａを経て
燃焼室２内に噴霧される。

【００１８】一方、空気導入口６より前部空気室４Ａに
流入した空気Ａの一部Ａ２は、リム部１０の動翼または
貫通孔１２およびケーシング５Ｂに固定された静翼１８
から成る過給機構１３により昇圧され、後部空気室４Ｂ
に導入される。その空気Ａ２の一部Ａ４は、後部ライナ
３Ｂの空気孔３ｂから強い貫通力を伴って燃焼室２内に
供給されるとともに、前部空気室４Ａの空気の一部Ａ１
も前部ライナ３Ａの空気孔３ａから燃焼室２内に供給さ
れることから、燃焼室２内に環状を成す強力な循環流領
域Ｅが作られ、その領域内では上記の噴霧状燃料Ｇと空
気との急速な混合、燃焼反応が起こり、安定で高負荷な
ドーナツ形状の燃焼領域が形成される。この燃焼ガスは
各高速空気ジェット流Ａ４の間を通過して希釈領域Ｆの
方向に流れ、その希釈領域Ｆに強力な空気ジェット流Ａ
６を噴射することにより、高温燃焼ガスは急速に希釈さ
れて、短距離で温度が下がり、燃焼室出口２Ａに至る。
その際、空気ジェット流Ａ６は貫通力が強く、周方向に
短ピッチで多数の空気孔３ｃを配置して、燃焼室出口２
Ａの周方向温度分布の偏差を小さくする。さらに、空気
ジェット流Ａ６は後部ライナ側から流入するため、ター
ビン翼根側が低い所要の半径方向温度分布Ｃとなるよう
に空気孔３ｃを選定することが容易である。

【００１９】また、上記後部空気室４Ｂの圧力は燃焼室
２の圧力より高いため、後部ライナ３Ｂに沿って燃焼室
２内に流入する冷却空気が高速になること、および空気
ジェット流Ａ４とＡ６の流量が比較的大きくなることか
ら後部ライナ３Ｂの空気室４Ｂ側に沿って多量の空気が
流れるため、後部ライナ３Ｂを空気室４Ｂ側から対流伝
熱冷却する効果が加わることにより、ライナ全体の冷却
効率が上がり、後部ライナ３Ｂの過熱が防止されるとと
もに、空気Ａ２の一部Ａ５を冷却用空気送給孔８を経て
タービン（図示省略）の冷却空気として供給すると、高
圧の冷却空気源となるため、タービン冷却効率が上が
り、冷却空気量の減少あるいはタービンの高温化を図る
ことが可能になり、ガスタービン全体としての性能が高
くなる。

【００２０】さらに、従来の燃焼器における高負荷燃
焼、出口温度分布調整およびライナ、タービンの冷却の
ためには空気貫通力を得るために所定の圧力損失が必要
であった。しかし、本発明では、空気Ａの一部Ａ２が過
給されることにより、空気ジェット流Ａ４による高負荷
燃焼、空気ジェット流Ａ６による出口温度分布調整およ
び冷却がそれぞれ達成されるため、空気導入口６から燃
焼室出口Ａ２までの燃焼器圧力損失を小さくすることが
でき、ガスタービン性能を向上させることが可能とな
る。しかしながら空気Ａ２の昇圧に要するある程度の動
力が必要である。

【００２１】図２は、この発明の実施例によるガスター
ビン燃焼器の回転式燃料微粒化機構１１および過給機構
１３の拡大縦断面図であり、この実施例では、上記過給
機構１３における円筒体９の外周部に環状の段部１６を
形成し、この環状段部１６に上記後部空気室４Ｂから回
転式燃料微粒化機構１１における燃料ノズル７Ａに対向
する噴霧口９ｂの近くにまで至る空気逆流口１７を設け
て、過給空気Ａ２の一部Ａ３を上記空気逆流孔１７を通
して噴霧口９ｂの近傍に噴射させている。

【００２２】このような構成のガスタービン燃焼器によ
れば、上記過給機構１３により後部環状空気室４Ｂに導
入される過給空気Ａ２の一部Ａ３を上記空気逆流孔１７
を通して噴霧口９ｂの近傍に噴射させることにより、噴
霧口９ｂから噴霧された燃料Ｇの微粒化を促進して、ラ
イナ開口部２ａから燃焼室２内に噴霧された燃料の燃焼
において、着火特性、有害排出ガス成分の低減、燃焼効
率などの燃焼器性能を一層高めることが可能となる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１によ
れば、基本形態は遠心噴霧型であり、流入空気の一部を
積極的に昇圧して空気室の後部に導入させ、それを利用
して燃焼室内に強力な循環流領域を作り、空気と微粒化
された燃料との混合および燃焼反応を促進することによ
り高負荷燃焼させ、また燃焼域に続く領域にも強力な空
気ジェット流を噴射して、高温燃焼ガスを急速に希釈
し、燃焼室出口温度分布を短距離で調整することがで
き、さらに圧縮機出口ディフューザが不要であることか
ら、直流型に比べて軸線方向の長さが短くできることに
加えて、従来の遠心噴霧型よりも、燃焼器の大幅な小型
化、短寸化を図ることができる。

【００２４】上記空気室の後部に過給された空気は、後
部ライナの過熱を防止するとともにタービン冷却に用い
た場合には、タービン冷却効率の向上による冷却空気量
の低減あるいは冷却能力向上による高温化により、ガス
タービンの高性能化が図れる。また、燃焼性能が圧縮機
出口位置に影響されにくいことから、圧縮機出口位置が
異なる多種のガスタービンにも容易に適用可能となる。

【００２５】さらに、過給空気を利用することにより、
燃焼器圧力損失を小さくできるため、ガスタービンの高
性能化が図れる。

【００２６】一方、過給空気の一部を燃料噴射口近傍に
噴射させることにより、燃料の微粒化を促進して、着火
特性、有害排出ガス成分の低減、燃焼効率などの燃焼器
性能を一層高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるガスタービン用燃焼
器の縦断面図である。

【図２】この発明の他の実施例によるガスタービン用燃
焼器の要部の拡大縦断面図である。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ 環状燃焼室 ３Ａ，３Ｂ ライナ ３ａ，３ｂ ライナ空気孔 ４Ａ，４Ｂ 環状空気室 ５Ａ，５Ｂ ケーシング ６ 空気導入口 ７ 燃料供給管 ７Ａ 燃料供給管先端部 ９ 円筒体 ９ａ 円筒状内周面 ９ｂ 噴霧口 １０ リム部 １１ 回転式燃料微粒化機構 １２ 翼または貫通孔 １３ 過給機構 １４Ａ，１４Ｂ シール １６ 環状段部 １７ 空気逆流孔 １８ 静翼

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 友行 東京都立川市栄町１−６−１共済住宅Ａ− 212 (72)発明者 渡辺 猛 東京都西多摩郡瑞穂町殿ケ谷229番地 石 川島播磨重工業株式会社瑞穂工場内 (72)発明者 北原 一起 東京都港区浜松町２−４−１ 川崎重工業 株式会社東京本社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転式燃料微粒化機構を備えた遠心噴霧
   型燃焼器において、燃焼室内に高速空気ジェット流を形
   成させるために流入空気の一部を昇圧するための翼また
   は貫通孔を回転軸に構成させた過給機構を有することを
   特徴とする燃焼器。