JPS6325418A - 化学量論的量を下回る燃焼のための前燃焼室を備えた燃焼室装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、化学量論的量を下回る燃焼のための前燃焼室
を備えた燃焼室装置であって、前燃焼室のケーシング内
で不完全燃焼した燃焼混合物が後燃焼室内で大きな空気
過剰量でもって完全に燃焼せしめられるようになってい
る形式のものに関する。

従来技術 高温で経過する燃焼過程は許容し得ない程高いＮＯｘ−
放出をもたらし、その回避ないしは減少が今日環境保護
の見地からある国々では当局側から提案されている。こ
れについては主として工業用火力設備および特にガスタ
ービンが該当する。後者についてはガス燃焼では前混合
燃焼が発展せしめられた。この前混合燃焼の技術はガス
状の燃料でＮＯｘ−形成を相当程度減少せしめる点につ
いては有望な方法である。

この技術は液体燃料に関しては短い着火遅れ時間がある
ために（高圧でディーゼル方式の着火が起る）、実際に
は使用可能ではない。したがって液体燃料の、有害物質
発生の少ない燃焼に対しては別の方法が見つけられなけ
ればならない。燃焼を２工程で経過させる方法が有望と
思われる１、このいわゆる２段階燃焼では燃料は前燃焼
室内で化学量論的量を下回る混合条件で、例えば空気過
剰率λ−０，７で前燃焼せしめられる。

このような、化学量論的量を著しく下回る燃焼では発生
するＮＯｘはきわめて少量であるにすぎず、それに対し
てほぼ化学量論的量に近い混合物では、すなわちλ＝１
に近い混合物ではきわめて多量のＮＯｘが形成される。

λ）１での、すなわち大きな空気過剰量および対応して
低温の火炎での燃焼過程では発生するＮＯｘは同様に少
量であるにすぎない。

ＮＯｘの形成に関係する反応は比較的緩慢に経過するの
で、λ−１で生じるＮＯｘの高い生成率は、前燃焼室の
端部で流出する、燃焼ガスと未燃焼燃料との混合物中へ
空気をきわめて迅速に添加混合することによって回避す
ることができる。次いでこれによって形成された、λ）
ｌを有する、化学量論的量な上回る燃料／空気混合物を
第２の燃焼室内で後燃焼させる。このような２段階燃焼
によって月相された一ＮＯｘ形成の減少は実験で証明さ
れた〔ジョーンズ（Ｒ，Ｅ、Ｊｏ−ｎｅＳ）ノ論文ゝゝ
ガスタービン・エンジンズ・エミッションズープロブレ
ムズ、プログレス・アン）”　・７　ニーチーｒ−７（
Ｇａ５ｔｕｒｂｉｎｅ　ＥｎｇｉｎｅｓＥｍｉｓｓｉｏ
ｎｓ　−Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　、　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａ
ｎｄ　Ｆｕｔ−ｕｒｅ　）“、”　Ｐｒｏｇｒ、　Ｅｅ
ｅｒｇｙ　Ｃｏｍｂｕｓｔ、　Ｓｃｉ、　〃所収、第■
巻、７３〜１１３頁（１９７８年）参照〕。

しかしこの思想を実地で使用する際には前燃焼が極端に
高い温度を発生し、前燃焼室壁の相応してきわめて高い
加熱を伴うという困難が発生する。通常の燃焼室で一般
的な冷却方法、例えば膜冷却および対流冷却はこのよう
な前燃焼室では不適切である、それというのも燃焼混合
物中に入る冷却空気が空気過剰率を化学量論的量に近い
範囲内へもたらし、これがまた、不完全曲燃焼によって
減少せしめなければならないＮＯｘ形成を著しくするか
らである。

発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は、空気および燃料層による、着火した燃
焼混合物からの前燃焼室壁の遮蔽を前燃焼室の特別な構
成によって達成し、かつこれによって壁附近の温度を前
燃焼室壁の材料に対して許容し得る値にまで低下させる
ことによって上記の欠点を取除くことである。

問題点を解決するための手段 上記の課題を解決するための本発明による手段は冒頭に
記載の形式の燃焼室装置において、前燃焼室のケーシン
グがほぼ回転体であり、該回転体が、先端を切取られた
ハート形の線を対称軸線を中心にしてまたはこの対称軸
線に平行であって、しかも上記のハート形の線の外部に
ある回転軸線を中心にして回転させることによって形成
される形状を有しており、流出路が、上記のハート形の
線を回転させることによってハート形の先端が切取られ
ているために得られるような円形シリンダ状または円リ
ング形シリンダ状を有しており、流出路の縁にわたって
延びる燃焼空気通路が設けられており、該燃焼空気通路
の流出口が、燃焼空気が流出路の縁領域内においてケー
シングの内側の縁に対して接線方向で該ケーシング内へ
流入し得るようにして流出路の縁に沿って配置されてお
り、液体燃料のための噴射ノズルが設けられており、該
噴射ノズルの軸線が、燃料流がケーシング内に流入する
燃焼空気を着火した燃焼混合物から遮蔽するように向け
られており、かつ付加空気を、これが流出路を出だ後で
前燃焼した燃焼混合物内に供給するための手段が設けら
れていることである。

発明の効果 本発明による燃焼室装置によって上記の課題が達成され
る。

実施態様 本発明による燃焼室装置の優れた実施態様によれば、噴
射ノズルが噴射導管の端部に配置されており、噴射導管
が流出路を取巻く燃料環状導管から分岐していて、しか
も半径方向でみて燃焼空気通路の流出口の内側で直接ケ
ーシングに開口しており、噴射ノズルの軸線がそれぞれ
隣接するケーシングの壁部分における接線に対してほぼ
平行に向けられており、かつ付加空気の供給のために流
出路の端部に配置された環状の付加空気通路が設けられ
ている。

構造上より簡単な実施態様によれば、噴射ノズルが燃料
導管の端部に配置されており、燃料導管がケーシングの
対称軸線に対して同軸的にケーシングに開口しており、
噴射ノズルの軸線が、燃料流がケーシング内に吹込まれ
た燃焼空気を着火した燃焼混合物から遮蔽するように向
けられており、かつ後燃焼室のための燃焼空気から付加
空気が取出されるようになっている。

実施例 第１図に示された前燃焼室１のケーシング２は回転体の
回転軸線を含む軸方向断面図でみて先端を切取られたハ
ートの形状を有している。

先端の箇所においてケーシングはこのケーシング２内で
発生した不完全燃焼した燃焼混合物のための流出路３で
終わっている。

ケーシング２の下方部では液体燃料のための燃料環状導
管牛がケーシングから距離をおいて配置されている。燃
料は燃料タンク（図示せず〕から供給導管５を介して燃
料環状導管仝内へ入る。燃料環状導管からは周方向に均
一に分配された、多数のフック状に曲げられた噴射導管
６が分岐しており、噴射導管は流出路３内部で噴射ノズ
ル７で終っている。噴射ノズルから燃料流８がケーシン
グ２の内面に対して平行に流出する。半径方向でみて噴
射導管６の内側には回転体として構成された案内板９が
配置されており、案内板はケーシング２の下方部分のケ
ーシング外面と一緒に環状の燃焼空気通路１０を制限し
ている。矢印１１は燃焼空気の流れを示す。燃焼空気は
燃焼空気通路ｌＯ内で前加熱され、かつケーシング２の
下端で変向の後、ケーシング内ヘケーシング壁にほぼ平
行に上方へ流入して、燃料流８と混合する。

もう１つの回転対称的な案内板１２は噴射導管６を取巻
いており、かつ上記の第１の案内板９とともに環状の付
加空気通路１３を制限して上回る割合で、前燃焼した燃
焼混合物に流出路３の範囲内で添加混合される。次いで
この混合物は完全燃焼のために後燃焼室１６内に達する
。

後燃焼室１６についてはケーシングの一部が示されてい
る。

化学量論的量を下回る前燃焼で生じる高い燃焼温度から
ケーシング壁を遮蔽する機構゛は、燃焼空気がケーシン
グ２の内面全体にわたって接線方向に吹込まれることに
基いている。この燃焼空気は円環体状のコア１５を有す
るうず巻リングを生せしめる。コアの横断面は第１図に
破線による二重陰影線を有する２つの円によって示され
ている。このうず巻のコアは着火した燃料ではきわめて
高熱のガスを含んでおり、遠心作用によって温度もしく
は濃度の異なる燃焼ガスの成層が形成されており、この
成層はきわめて緩慢にしか内から外へと均等化されない
。しかしｉｐこの内から外への温度もしくは濃度の均等
化は定常運転では常時後供給される燃料／空気混合物に
よって抑制される。したがってケーシング材を許容し得
ない過熱から保護する、定常の自己遮蔽が行なわれる。

うず巻のコア１５は定常運転では点火源としても働き、
これによって化学量論的量を下回る燃料／空気混合物は
着火される。壁に近い燃焼空気層の半径方向でみて内側
で燃料噴射が行なわれるために燃焼空気層はケーシング
２の下からほぼ％の所までは不完全燃焼している燃焼混
合物の芯から隔離される、その結果燃焼混合物は壁に近
い層からの空気と一緒に燃焼することはできず、付加空
気通路１３からの付加空気の添加混合後に初めて再び着
火可能となり、これにより後燃焼室１６内で完全燃焼す
ることができる。

前燃焼室１内への空気吹込みの速度は火炎の伝播速度よ
りも著しく高くなげればならず、これはらせん形のフレ
ームフロントを生ぜしめ、このフレームフロントは理想
的な例ではケーシング２の内面に衝突することはない。

混合過程は着火の時点までに既に充分に進行しているの
で、薄い混合ゾーンはもはや生じない。

上述したように、部分的に燃焼したにすぎない燃焼混合
物に流出路３の範囲内で付加空気通路１３がら空気が、
後燃焼室内で化学量論的量を著しく上回る、λ−）］　
でもって完全燃焼が行なわれるような量で添加混合され
る。これによりこのように濃厚にされた廃ガスではＮＯ
ｘ形成は充分に抑制される。

第２図には簡便化された構成の前燃焼室１７が示されて
いる。この構成では液体燃料はケーシング１８の対称軸
線に対して同軸的な燃料導管１９を通って燃料導管の端
部に配置された噴射ノズル２０へ供給される。前燃焼の
ための空気は第１図による実施例と同様に下方から壁近
くでケーシング１８内へ吹込まれるが、燃料の噴射は逆
方向で」ニガから大きな速度で行なわれる。その場合ノ
ズルの軸線は、同様に中央で着火した燃焼混合物に対し
て壁近くの空気流の遮蔽が行なわれるように向けられて
いる。かかる前燃焼室１７は周方向に均一に分配されて
配置されたガスバーナと組合わせることができると有利
であり、第２図には２つのガスバーナが符号２１で示さ
れている。ガスバーナから流入する燃焼ガスの流れが矢
印２２によって示されており、燃焼空気の流れが矢印２
３によって示されている。燃焼空気流は、これが少なく
ともガスの完全燃焼および前燃焼室から流出した、不完
全燃焼した燃焼混合物の後燃焼室２４内における後燃焼
に充分な量に計量される。

【図面の簡単な説明】

第１図は流出路に配置された、燃料を供給するための環
状導管を備えた前燃焼室の略示図、第２図は中央の燃料
噴射式の前燃焼室とガス運転用に装備された後燃焼室と
を備えた本発明による燃焼室装置の略示図である。 １．１７・・・前燃焼室、２．１８・・・ケーシング、
３・・・流出路、４・・・燃料環状導管、５・・・供給
導管、６・・・噴射導管、７．２０・・・噴射ノズル、
８・・・燃料流、９，１２・・・案内板、１０・・・燃
焼空気通路、１１．２２．２３・・・矢印、１３・・・
付加空気通路、１５・・・コア、１６．２４・・・後燃
焼室、１９・・・燃料導管、２０・・・ガスバーナー １６．２４後炉焼室 ＦＩＧ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、化学量論的量を下回る燃焼のための前燃焼室を備え
   た燃焼室装置であつて、前燃焼室（１；１７）のケーシ
   ング（２；１８）内で不完全燃焼した燃焼混合物が後燃
   焼室（１６；２４）内で大きな空気過剰量でもつて完全
   に燃焼せしめられるようになつている形式のものにおい
   て、前燃焼室（１；１７）のケーシング（２；１８）が
   ほぼ回転体であり、該回転体が、先端を切取られたハー
   ト形の線を対称軸線を中心にしてまたはこの対称軸線に
   平行であつて、しかも上記のハート形の線の外部にある
   回転軸線を中心にして回転させることによつて形成され
   る形状を有しており、流出路（３）が、上記のハート形
   の線を回転させることによつてハート形の先端が切取ら
   れているために得られるような円形シリンダ状または円
   リング形シリンダ状を有しており、流出路（３）の縁に
   わたつて延びる燃焼空気通路（１０）が設けられており
   、該燃焼空気通路の流出口が、燃焼空気が流出路（３）
   の縁領域内においてケーシング（２；１８）の内側の縁
   に対して接線方向で該ケーシング内へ流入し得るように
   流出路（３）の縁に沿つつて配置されており、液体燃料
   のための噴射ノズル（７；２０）が設けられており、該
   噴射ノズルの軸線が、燃料流がケーシング（２；１８）
   内に流入する燃焼空気を着火した燃焼混合物から遮蔽す
   るように向けられており、かつ付加空気を、これが流出
   路（３）を出た後で前燃焼した燃焼混合物内に供給する
   ための手段が設けられていることを特徴とする、化学量
   論的量を下回る燃焼のための前燃焼室を備えた燃焼室装
   置。 ２、噴射ノズル（７）が噴射導管（６）の端部に配置さ
   れており、噴射導管が流出路（３）を取巻く燃料環状導
   管（４）から分岐していて、しかも半径方向でみて燃焼
   空気通路（１０）の流出口の内側で直接ケーシング（２
   ）に開口しており、噴射ノズル（７）の軸線がそれぞれ
   隣接するケーシング（２）の壁部分における接線に対し
   てほぼ平行に向けられており、かつ付加空気の供給のた
   めに流出路（３）の端部に配置された環状の付加空気通
   路（１３）が設けられている、特許請求の範囲第１項記
   載の燃焼室装置。 ３、噴射ノズル（２０）が燃料導管（１９）の端部に配
   置されており、燃料導管がケーシング（１８）の対称軸
   線に対して同軸的にケーシングに開口しており、噴射ノ
   ズル（２０）の軸線が、燃料流がケーシング（１８）内
   に吹込まれた燃焼空気を着火した燃焼混合物から遮蔽す
   るように向けられており、かつ後燃焼室（２４）のため
   の燃焼空気（２３）から付加空気が取出されるようにな
   つている、特許請求の範囲第１項記載の燃焼室装置。