JPS5825932B2 - ガスタ−ビンエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は環状の燃焼室を備えたガスタービンエンジンに
関する。

環状燃焼室を備えた自動車用の小型ガスタービンエンジ
ンにおいて、燃焼室内での混合気の燃焼の急速および燃
焼火炎長を短縮して高温度での燃焼時間の短縮を図り、
又は、燃料濃度の均一な薄い濃度の混合気を燃焼して、
燃焼温度を低下させてエンジンからの有害窒素酸化物（
ＮＯｘ）成分排出量を低減するため、予め空気と燃料と
を混合して混合気を形威し、この混合気を燃焼室に噴射
導入させる方法が知られている。

さて、ガスタービンエンジンにおいて燃費性能を向上さ
せるために、熱交換器の使用が必要なのであるが、かか
る場合において上記の予混合室を備えた型式のガスター
ビンエンジンは次の如き欠点がある。

即ち燃焼器に導入される空気温度を燃料の着火温度より
高い例えば４５０℃を超えるような高温に熱交換器によ
って高めると、予混合室内に生じている境界層とかよど
み流れのために、予混合室内に滞留する時間の長い可燃
混合気の流れが存在する故に予混合室内で自然発火した
り、予混合室内へ火炎が逆火する危険が大きい。

かかる事態が生ずるとエンジンの破損はさけられない。

本発明の目的は上記技術の欠点を解決し高温の空気を燃
焼室内に供給しても逆火や自然発火の生ずるおそれのな
い燃焼室の構造を提供することにある。

この目的を達するため本発明にあっては、環状燃焼室と
その上流側の環状空気通路との間の環状仕切壁に、流路
中心線が燃焼室側で交差するよう互に傾斜する噴出口対
を円周方向に等間隔に多数穿設するとともに、これらの
各噴出口の途中に、蒸発燃料源に連通される燃料ノズル
出口端を開口させるようにしている。

このようにした結果、燃料は混合気噴出口に至るまで空
気とは奮然混合せず、可燃混合気の状態で存在するのは
各噴出口だけであるので、たとえ燃焼用一次空気の温度
を４５０℃を超えるまで加熱していても発火や逆火の生
ずるおそれはない。

又各村の噴出口からの混合気は燃焼室内で衝突するから
ここに混合気の流れの撹拌が生じ、完全な混合効果が得
られ、燃焼の急速及び火炎長の短縮が保証されかつ、燃
料濃度の薄い混合気でも高い燃焼効率で燃焼できるので
かくて有害ＮＯｘ成分排出量の少いエンジンが提供され
る。

以下添付図面によって本発明を具体的に説明する。

本発明に係る自動車用ガスタービンエンジンの燃焼室付
近の構造を示す第１図において、１０はエンジンの外側
ハウジングであってその前端には端部プレート１２が固
定される。

筒状をなす前記ハウジング１０の内方には筒状内側ハウ
ジング１４が配置され、その前端には、前記端部プレー
ト１２の内方に近接位置するディフューザ羽根担持円板
１６が固定される。

該円板１６の内周には、ラビリンス溝を形成したスリー
ブ１８が固着され、該スリーブ１８内にタービン主軸２
０の前端が挿通されている。

一方タービン主軸２０の後端は、不動のブラケット２１
に担持された所謂空気軸受２２によって高速回転可能に
支承されている。

端部プレート１２の中心孔内には、主軸２０の前端に固
着のコンプレッサ羽根２４が位置している。

このコンプレッサ羽根２４の出口附近における円板１６
上にはディフューザ羽根２６が円周方向に形成されてい
る。

かくてコンプレッサ羽根２４の回転に基づく高圧空気は
ディフューザ羽根２６を介して外側ハウジング１０と内
側ハウジング１４との間に形成される空気通路３０に噴
出される。

タービン主軸２０の後端上には詳しくは図示していない
後部ハウジング３４の中心孔内に位置するタービン羽根
３２が固装される。

タービン羽根３２の入口端における後部ハウジング３４
にはタービンノズル３６が円周方向不動に設けられてい
る。

前記スリーブ１８の外周部には環状ブロック４０が固着
される。

該環状ブロック４０と前記後部ハウジング３４との間に
はパ２重筒″を構成する外側筒状部材４２と内側筒状部
材４４が接続され、かくて、これら筒状部材４２と４４
間に環状の燃焼室４６が形成されると共に、外側筒状部
材４２の外方には環状空気室４８が、内方には環状空気
室５０が夫々形成される。

これら環状空気室４８と５０間は複数本の導通管５２に
よって連通されている。

それ故、空気室４８内に導入された空気を空気室５０内
に分配することができる。

これらの空気室４８．５０と前記燃焼室４６間の仕切壁
を構成するこの環状ブロック４０には、互に傾斜する噴
出口対６２ａおよび６２ｂが円周方向に等間隔に多数穿
設される（第２図参照）。

第１図から明らかなように一対の噴出口６２ａおよび６
２ｂの流路中心線は燃焼室４６内で交錯するよう互に傾
斜している。

これら一対の噴出口６２ａと６２ｂとが互になす角度は
３００〜９０゜の範囲にする。

環状ブロック４０内には断簡矩形の蒸発燃料室６８が形
成される。

該燃料室６８と各噴出口６２ａ。６２ｂとの間は極めて
小寸法の燃料ノズル７２ａ。

７２ｂによって夫々連通される（第２図参照）。

各ノズル７２ａ（７２ｂ）は、第１図に示すように、対
応する噴出口６２ａ（６２ｂ）にこの出口端から十分上
流側に離れた途中で傾斜して開口している。

それ故、燃料ノズル７２ａ （７２ｂ ）からの燃料流
を噴出口６２ａ（６２ｂ）内の空気流と効果的に混合で
きる。

環状ブロック４０の下部には閉鎖部材６６が一体固定さ
れかくてこれらの間には蒸発燃料室６８ｂが形成され、
この室６８ｂと前記の室６８との間は細い寸法の連通孔
６９で連絡されている。

前記した後部ハウジング３４に一体な環状内部ハウジン
グ７４は、前記蒸発燃料室６８ｂを塞ぐよう環状ブロッ
ク４０および閉鎖部材６６に固着されている。

このハウジング７４内には少くとも一つの燃料通路７６
が穿設される。

この通路の一端は燃料室６８ｂに開口し、その他端に燃
料パイプ７８の下端が挿入固着され、その上端は、端部
プレート１２内に穿設した燃料供給ポート８０に挿入固
定される。

該ポート８０は、図示しない蒸発燃料供給源に接続され
る。

以上述べたガスタービンエンジンの作動において、図示
しない空気クリーナから矢印Ａの如く取入れられた外気
は、回転する圧縮羽根２４の遠心力によって矢印Ｂの如
くディフューザ羽根２６に吹きつけられ、空気通路３０
を矢印Ｃの如く通って図示しない熱交換器に向う。

ここで、予熱された空気は通路４８に矢印りの如く入る
とともに、導通管５２を矢印Ｅのように通って内方の空
気通路５０内に入る。

通路４８および５０にこのように導入された空気の大部
分は外方および内方の筒状部材４２および４４内に多数
穿設した稀釈空気孔４２１および４４１から矢印Ｆの如
く環状燃焼室４６の燃焼領域下流側へ導入されるが、一
部は空気通路５０を矢印０１通路４８を矢印Ｇ′の如く
通って噴出口６２ａ 、６２ｂに夫々向う。

一方、図示しない蒸発燃料源よりポート８０に来た蒸発
燃料は、燃料パイプ７８、通路７６を矢印Ｊの如く通っ
て燃料室６８ｂに導入される。

室６８ｂ内にこのように導入された燃料は、連通孔６９
を介して燃料室６８に導入される。

この室６８内の蒸発燃料は燃料ノズル７２ａ 、７２ｂ
に矢印に、に’の如く導ひかれて、対応する噴出口６２
ａ、６２ｂ内に矢印Ｇ、Ｇ’の如く導入された空気の流
れに合流されて、ここで可燃混合気となる。

このようにして、噴出口６２ａ 、６２ｂ内で形成され
た混合気は矢印Ｌ 、 Ｌ’の如く燃焼室４６内に噴出
され互に衝突して強い乱れを生じながら燃焼する。

かくして形成された高温燃焼ガスは稀釈空気孔４２１．
４４１より矢印Ｆの如く燃焼室４６ａ下流側に導入され
る稀釈空気と混合して、ガス温度を下げた後、タービン
ノズル３６を経て矢印Ｍの如くタービン羽根３２に吹き
つけられてここに回転力を付与する。

以上述べたように本発明では蒸気燃料と燃焼用一次空気
とは混合気噴出口６２ａ 、６２ｂまで夫夫別系統で供
給されるから、可燃混合気の状態で長時間滞留すること
はなく、混合気の状態となるのは噴出口６２ａ 、６２
ｂの通過に要する短い時間に限られる。

それ故、一次空気の温度を、熱交換器によって４５０℃
を超えるような高温に高めても噴出口６２ａ 、６２ｂ
内で可燃混合気が発火したり火炎が燃焼室４６より噴出
口側に逆比することは、自動車用ガスタービンエンジン
の如く噴出口よりの混合気流速が比較的低く押えられて
いるエンジンでも、なく、その結果安全な構造となる。

第３図には、噴出口６２ａ 、６２ｂの直径Ｒと、該噴
出口からの混合気噴出速度■とを色々と変化させた際の
逆火発生状態を、空気通路４８゜５０に７００℃の空気
を導入して実験した結果を示す。

図から明らかなように、噴出口の直径が２〜６ｍであれ
ば、ガスタービンエンジンの常用流速（＞１０ｍ／ｓ）
で逆火の生じない安全な構造とできる。

尚、本発明のように空気と燃料とを噴出口６２ａ。

６２ｂ内で混合させても十分な均一な混合効果が得られ
る。

即ち、ノズル７２ａ 、７２ｂを噴出口６２ａ 、６２
ｂに対し傾斜配置している故に、燃料の流れは空気の流
れと激しく衝突して乱れおよび渦が噴出口６２ａｔ６２
ｂ内で生ずるからである。

以上の作用に加えて、本発明では、一対の噴出口６２ａ
および６２ｂより噴出される混合気の流れＬおよびＬ′
が燃焼室４６内で衝突するようこれらの噴出口６２ａと
６２ｂとを相互に３００〜９０’の角度をなすよう傾け
ている。

噴出口６２ａと６２ｂとからの混合気流が燃焼室４６内
で相互に衝突する結果、室４６内の気流は高度に撹乱さ
れ、強い乱れが生じる結果、以下の（１） 、 （２）
の２つの効果によって、窒素酸化物ＮＯｘの排出量の十
分低イガスタービンエンジンを提供することが可能とな
る。

（１）混合気の急速燃焼が図れ、それ故に形成される火
炎長は極めて短縮されることとなり、稀釈空気孔４２１
．４４１を燃焼室４６の上流側に設けることができるの
で、燃焼ガスが高温度にさらされる時間を短縮でき、Ｎ
Ｏｘ発生量の著るしい高温での燃焼時間を短縮できる。

（２）噴出口６２ａ、６２ｂで形成される混合気の燃料
濃度の薄い、均一濃度の混合気でも高い燃焼効率で燃焼
できるので、ＮＯｘ発生量の少ない低い燃焼温度で燃焼
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガスタービンエンジンの燃焼室付
近を示す断面図；第２図は第１図の■−■線に沿う矢視
断面図；第３図は本発明に係るガスタービンエンジンの
逆火特性グラフ。 ４６・・・・・・環状燃焼室、４８，５０・・・・・・
環状空気通路、６２ａ 、ｓ：２ｂ−・・−噴出口対、
７２ａ。 ７２ｂ・・・・・・燃料ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 環状燃焼室を備えたガスタービンエンジンにおいて
   、環状燃焼室とその上流側の環状空気通路との間の環状
   仕切壁を構成する環状ブロックに、一個の環状蒸発燃料
   室と円周方向に間隔をおいて位置する混合気噴出口の複
   数対とを穿設は各村をなす噴出口の各流路中心線は燃焼
   室内で交錯するよう相互に傾斜され、環状蒸発燃料室は
   蒸発燃料源に接続されると共に環状ブロックに円周方向
   に間隔をおいて穿設した燃料ノズルの一端に接続され、
   各燃料ノズルの夫々の他端は対応する混合気噴出口にそ
   の途中において開口していることを特徴とするガスター
   ビンエンジンの燃焼室構造。