(57)【要約】【課題】過濃希薄の２段の燃焼を圧損の少ない単純な構成で可能とし、しかも小型化を図ることができるガスジェネレータの環状２段燃焼器を提供する。【解決手段】主燃焼室３４内には、タービン軸１４の外周面１４ｓが露出させられている。外側に低密度の高温の過濃燃焼ガスＧ１が位置している過濃燃焼ガスＧ１および二次空気Ａ２の合流気体が高速で回転するそのタービン軸１４の外周面１４ｓに接触することで大きな遠心力を受けると、流路幅全体にわたる三次元的な攪拌渦が発生し、速やかに且つ均質に過濃燃焼ガスＧ１および二次空気Ａ２が相互に混合され理論燃空比付近の高燃焼温度に起因するＮＯｘの発生がなく、主燃焼室３４内において希薄燃焼による完全燃焼が好適に行われる。過濃希薄の２段の燃焼が圧損の少ない単純な構成で可能となり、同時に環状２段燃焼器１０の小型化を図ることができる。【選択図】図１
2011208926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機から供給された圧縮空気に燃料を加えて燃焼させて燃焼ガスをタービンへ供給し、該燃焼ガスによりタービン軸に固定されたタービン翼車を回転させるガスジェネレータにおいて、前記タービン軸の外周に位置する円筒状の主燃焼室と、該主燃焼室と連通するように該主燃焼室の外周側に配置された環状の副燃焼室とを備え、前記燃料と一次空気とが噴き込まれることで生成した高温渦を該副燃焼室内に停留させて過濃燃焼を行い、次いで過濃燃焼ガスと二次空気とを該主燃焼室内へ導入して希薄燃焼を行う環状２段燃焼器であって、
前記主燃焼室内には、前記過濃燃焼ガスとそれに合流した前記二次空気とを攪拌するために、前記タービン軸の外周面が露出させられていることを特徴とするガスジェネレータの環状２段燃焼器。
【請求項２】
前記副燃焼室は、前記燃料が噴き込まれる燃料噴射口と、該燃料噴射口よりも内周側に位置する一次空気供給口とを備え、前記一次空気が該燃料噴射口よりも内周側に位置する該一次空気供給口から前記タービン側へ向かって噴き込まれることで生成され、内周側が該タービン側へ向かう回転方向とされた前記高温渦を収容するものであることを特徴とする請求項１のガスジェネレータの環状２段燃焼器。
【請求項３】
前記副燃焼室と該副燃焼室の内周側の合流室とを内部に形成させるための円筒状の第１ハウジング部と、
該第１ハウジング部に続いて前記タービン側に接続され、前記主燃焼室を内部に形成させるための該第１ハウジング部よりも小径円筒状の第２ハウジング部と、
前記圧縮機からの圧縮空気の一部を前記二次空気として受け入れて前記副燃焼室の内周側の合流室を経由して前記主燃焼室内へ導くための、前記第１ハウジング部から軸心方向に突設された内側空気筒と、
該内側空気筒の外周側にそれと同心に前記第１ハウジング部から軸心方向に突設され、前記圧縮空気の他の一部を前記一次空気として受け入れて前記一次空気供給口を経て前記副燃焼室内へ導く外側空気筒と
を、備えていることを特徴とする請求項２のガスジェネレータの環状２段燃焼器。
【請求項４】
前記内側空気筒および前記第１ハウジング部内の空間は、前記タービン軸の外周面を覆う非回転の円筒状カバー部材によって該外周面から隔てられ、
該円筒状カバー部材は、前記第２ハウジング部内に前記タービン軸の外周面のうち前記第２ハウジング部内に対応する部分の少なくとも一部を前記主燃焼室に露出させるものである請求項３のガスジェネレータの環状２段燃焼器。
【請求項５】
前記タービン軸は、回転軸と、該回転軸の外周面から所定の円筒状隙間を隔てて該回転軸に固定された円筒状回転部材とを備えて、前記副燃焼室および主燃焼室を貫通した状態で設けられ、
前記圧縮空気のうちのさらに他の一部が該円筒状回転部材の内周面と該回転軸の外周面との間の前記円筒状隙間を通して前記タービン側へ流通させられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１のガスジェネレータの環状２段燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンなどに用いられるガスジェネレータにおいて、過濃燃焼および希薄燃焼の２段の燃焼を行うための環状２段燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転軸に固定された圧縮翼車を有し、吸気口から吸入された気体を圧縮する圧縮機と、その圧縮機から送られた圧縮気体に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、前記回転軸に固定されたタービン翼車を有し、その燃焼器から送られた燃焼ガスを受けてタービン翼車が回転させられることにより前記圧縮翼車を回転駆動するタービンとを備えて、動力源となる高速ガス流を発生させるためのガスジェネレータが知られている。
【０００３】
一般に、燃料の燃焼により動力を取り出すガスジェネレータの出力の大きさは使用燃料量に比例し、その熱効率の改善は燃焼温度の上昇と圧損の低下とによりもたらされる。特に、航空機に用いられるガスジェネレータでは、機体重量を極力小さくすることが、燃費の改善と二酸化炭素の排出量の抑制とにつながるので、装置の小型化が重要な課題となっている。
【０００４】
ガスジェネレータの熱効率を上げるには燃焼温度を高くするのが良いが、燃焼時の空気の高温化はＮＯｘの生成を増加させるので、環境対策として近年のガスジェネレータでは理論混合比による燃焼を避ける傾向にあり、希薄燃焼型の燃焼器を備えた環境適合型のガスジェネレータの開発が進められている。しかし、希薄燃焼では余分に空気を使用しなければならないことにより、ガスジェネレータの小型化には不利である。そこで、環境問題に対応しつつ、少ない空気を用いて同じ出力を得るために、初めに過濃燃焼させた後に希薄燃焼させる２段燃焼器が提案されている。たとえば、多缶型燃焼器を対象とした特許文献１に記載されたものがそれである。
【０００５】
上記特許文献１の過濃希薄の２段燃焼器は、過濃燃焼後のガス内に残存する燃料を速やかに空気と混合させ安定に希薄燃焼させるためには、流れを制御するための装置を付設する必要があり、小型化が困難である。加えて、缶型の燃焼器を用いたのでは、環状の流路を流れてきた空気を燃焼部において複数の燃焼器に分流し、燃焼ガスを再び環状の流路に合流させる配管によって大きな圧力損失が発生する。
【０００６】
そのため、近年では、燃焼器も環状にしたものに関心が向いている。非特許文献１には、環状の燃焼器を対象にし、燃料と一次空気とが噴き込まれることで生成した高温渦を環状空洞の副燃焼室内に停留させて過濃燃焼させ、次いでその過濃燃焼ガス（火炎）を着火源として主燃焼室内へ導入する環状２段燃焼器が提案されている。この環状２段燃焼器ＴＶＣは、回転軸の軸心Ｃを基準とした線対象となる断面を有して全体として環状を成しており、たとえば図５の模式図に示される片側の断面図に示すように、燃料Ｆと一次空気Ａ１とが噴き込まれることで専ら過濃燃焼させた高温渦（過濃燃焼ガス）Ｖが停留させられる環状空洞の副燃焼室Ｓ１と、その副燃焼室Ｓ１の内周側に設けられ、その副燃焼室Ｓ１内の過濃燃焼ガスＧ１を着火源として受け入れ、過濃燃焼ガス内に残存する燃料を二次空気Ａ２と共に希薄燃焼させ、燃焼ガスを後方の排気口から送出する円筒状の主燃焼室Ｓ２とを備え、過濃燃焼と希薄燃焼との２段燃焼が可能とされている。この環状２段燃焼器では、燃料噴射口ＮＦから副燃焼室Ｓ１内へ燃料Ｆが後方へ向かって噴き込まれ、その燃料噴射口ＮＦよりも内周側に設けられた一次空気噴射口ＮＡ１から副燃焼室Ｓ１内へ高速の一次空気Ａ１が前方へ向かって噴き込まれることで、副燃焼室Ｓ１内において形成される高温渦Ｖが二次空気Ａ２との混合領域で反対向きとされ、その混合領域で二次空気Ａ２と高速の一次空気Ａ１との相対速度に応じた乱流剪断混合によって、過濃燃焼ガスＧ１と二次空気Ａ２とが短時間に混合されて、主燃焼室Ｓ２において希薄燃焼により完全燃焼され、高速の燃焼ガスＧ２が出力されるようにすることが、期待されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−１８７２７０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】横森剛、植田利久著、「Trapped Vortex Combustorを利用したNOx 低減技術の開発」、JFE21 世紀財団技術研究助成報告書、pp. 195-202、2008年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記従来の環状２段燃焼器では、混合が燃焼ガスＧ１と二次空気Ａ２との間の速度差の大きさに依存していることにより、次に述べる不都合が生じる。すなわち、混合状態が、速度差、従って流れ条件、によって変化するため、流れの制御がなされないと、期待する希薄燃焼を実現することが困難である。また、混合ガスＧ１と二次空気Ａ２との間の混合領域内に、未混合の二次空気Ａ２の高速気流層の存在を前提としていることから、燃焼に関係しない高速気流を形成するための空間を過濃燃焼室の内側に設ける必要があって径方向寸法の小型化に難点があるので、航空機用タービンエンジンとしては不向きであり、発電用などの地上据置型のガスジェネレータなどに適用が限定される。
【００１０】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、余分な空気を使わないで過濃希薄の２段の燃焼を圧損の少ない単純な構成で可能とし、しかも小型化を同時に図ることができるガスジェネレータの２段燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、従来の環状２段燃焼器の副燃焼室Ｓ１内の高温渦Ｖを逆回転とすることで、副燃焼室Ｓ１から排出される燃焼ガスと二次空気との合流部での圧損と混合を抑制すると共に余分な二次空気を不要とする一方で、主燃焼室Ｓ２内において、副燃焼室Ｓ１からの過濃燃焼ガスＧ１と二次空気Ａ２とを混合した状態で高速回転する回転軸の外周面に接触させると、極めて短時間で混合が進行することから速やかに過濃燃焼状態から希薄燃焼状態へ移行するので、その理論燃空比付近の高燃焼温度に起因するＮＯｘの発生がなく、好適に希薄燃焼が得られるという事実を見いだした。本発明は、斯かる知見に基づいて為されたものである。
【００１２】
すなわち、請求項１に係る発明の要旨とするところは、圧縮機から供給された圧縮空気に燃料を加えて燃焼させて燃焼ガスをタービンへ供給し、該燃焼ガスによりタービン軸に固定されたタービン翼車を回転させるガスジェネレータにおいて、前記タービン軸の外周に位置する円筒状の主燃焼室と、該主燃焼室と連通するように該主燃焼室の外周側に配置された環状の副燃焼室とを備え、前記燃料と一次空気とが噴き込まれることで生成した高温渦を該副燃焼室内に停留させて過濃燃焼を行い、次いで過濃燃焼ガスと二次空気とを該主燃焼室内へ導入して希薄燃焼を行う環状２段燃焼器であって、前記主燃焼室内には、前記過濃燃焼ガスとそれに合流した前記二次空気とを攪拌するために、前記タービン軸の外周面が露出させられていることにある。
【００１３】
請求項２に係る発明の要旨とするところは、請求項１の発明において、前記副燃焼室は、前記燃料が噴き込まれる燃料噴射口と、該燃料噴射口よりも内周側に位置する一次空気供給口とを備え、前記一次空気が該燃料噴射口よりも内周側に位置する該一次空気供給口から前記タービン側へ向かって噴き込まれることで生成され、内周側が該タービン側へ向かう回転方向とされた前記高温渦を収容するものであることにある。
【００１４】
請求項３に係る発明の要旨とするところは、請求項２の発明において、前記副燃焼室と該副燃焼室の内周側の合流室とを内部に形成させるための円筒状の第１ハウジング部と、該第１ハウジング部に続いて前記タービン側に接続され、前記主燃焼室を内部に形成させるための該第１ハウジング部よりも小径円筒状の第２ハウジング部と、前記圧縮機からの圧縮空気の一部を前記二次空気として受け入れて前記副燃焼室の内周側の合流室を経由して前記主燃焼室内へ導くための、前記第１ハウジング部から軸心方向に突設された内側空気筒と、該内側空気筒の外周側にそれと同心に前記第１ハウジング部から軸心方向に突設され、前記圧縮空気の他の一部を前記一次空気として受け入れて前記一次空気供給口を経て前記副燃焼室内へ導く外側空気筒とを、備えていることにある。
【００１５】
請求項４に係る発明の要旨とするところは、請求項３の発明において、前記内側空気筒および前記第１ハウジング部内の空間は、前記タービン軸の外周面を覆う非回転の円筒状カバー部材によって該外周面から隔てられ、該円筒状カバー部材は、前記第２ハウジング部内に前記タービン軸の外周面のうち前記第２ハウジング部内に対応する部分の少なくとも一部を前記主燃焼室に露出させるものであることにある。
【００１６】
請求項５に係る発明の要旨とするところは、請求項１乃至４のいずれか１の発明において、前記タービン軸は、回転軸と、該回転軸の外周面から所定の円筒状隙間を隔てて該回転軸に固定された円筒状回転部材とを備えて、前記副燃焼室および主燃焼室を貫通した状態で設けられ、前記圧縮空気のうちのさらに他の一部が該円筒状回転部材の内周面と該回転軸の外周面との間の前記円筒状隙間を通して前記タービン側へ流通させられることにある。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明のガスジェネレータの環状２段燃焼器によれば、前記主燃焼室内には、前記過濃燃焼ガスとそれに合流した前記二次空気とを攪拌するために、前記タービン軸の外周面が露出させられていることから、合流状態では二次空気の内層と過濃燃焼ガスの外層とが併流してそれらの混合が抑制されているが、外側に低密度の高温の過濃燃焼ガスが位置している過濃燃焼ガスおよび二次空気の合流気体が高速で回転するそのタービン軸の外周面に接触することで大きな遠心力を受けると、強いレーリー・テーラー不安定性が発生するので、流路幅全体にわたる三次元的な攪拌渦が発生し、速やかに且つ均質に過濃燃焼ガスおよび二次空気が一挙に相互に混合され、過濃燃焼状態から希薄燃焼状態へ速やかに通過することから、無駄な空気を用いることなく、その理論燃空比付近の高燃焼温度に起因するＮＯｘの発生がなく、主燃焼室内において希薄燃焼による完全燃焼が好適に行われる。したがって、過濃希薄の２段の燃焼が圧損の少ない単純な構成で可能となり、同時にガスジェネレータの２段燃焼器の小型化を図ることができる。
【００１８】
請求項２に係る発明のガスジェネレータの環状２段燃焼器によれば、前記副燃焼室は、前記燃料が噴き込まれる燃料噴射口と、該燃料噴射口よりも内周側に位置する一次空気供給口とを備え、前記一次空気が該燃料噴射口よりも内周側に位置する該一次空気供給口から前記タービン側へ向かって噴き込まれることで生成される、内周側が該タービン側へ向かう回転方向とされ前記高温渦を収容するものであることから、高温渦の内周側の方向が二次空気流の方向とは反対の方向である従来の環状２段燃焼器に比較して、その高温渦の内周側の方向が二次空気流の同じタービン側へ向かう方向であって二次空気流の流通抵抗が低減されるので、圧損の少ないガスジェネレータの２段燃焼器が得られる。
【００１９】
請求項３に係る発明のガスジェネレータの環状２段燃焼器によれば、前記副燃焼室と該副燃焼室の内周側の合流室とを内部に形成させるための円筒状の第１ハウジング部と、該第１ハウジング部に続いて前記タービン側に接続され、前記主燃焼室を内部に形成させるための該第１ハウジング部よりも小径円筒状の第２ハウジング部と、前記圧縮機からの圧縮空気の一部を前記二次空気として受け入れて前記副燃焼室の内周側の合流室を経由して前記主燃焼室内へ導くための、前記第１ハウジング部から軸心方向に突設された内側空気筒と、該内側空気筒の外周側にそれと同心に前記第１ハウジング部から軸心方向に突設され、前記圧縮空気の他の一部を前記一次空気として受け入れて前記一次空気供給口を経て前記副燃焼室内へ導く外側空気筒とを、備えて基本的な構造が形成されていることから、過濃希薄の２段の燃焼が圧損の少ない単純な構成で可能となり、小型且つ安価で、圧損の少ないガスジェネレータの２段燃焼器が得られる。
【００２０】
請求項４に係る発明のガスジェネレータの環状２段燃焼器によれば、前記内側空気筒および前記第１ハウジング部内の空間は、前記タービン軸の外周面を覆う非回転の円筒状カバー部材によって該外周面から隔てられ、該円筒状カバー部材は、前記第２ハウジング部内に前記タービン軸の外周面のうち前記第２ハウジング部内に対応する部分の少なくとも一部を前記主燃焼室に露出させるものであることから、その円筒状カバー部材の長さや位置を変更してタービン軸の外周面の露出長さを調節することで、過濃燃焼ガスおよび二次空気の合流気体に急速混合を与える位置を所望の位置とすることができる。
【００２１】
請求項５に係る発明のガスジェネレータの環状２段燃焼器によれば、前記タービン軸は、回転軸と、該回転軸の外周面から所定の円筒状隙間を隔てて該回転軸に固定された円筒状回転部材とを備えて、前記副燃焼室および主燃焼室を貫通した状態で設けられ、前記圧縮空気のうちのさらに他の一部が該円筒状回転部材の内周面と該回転軸の外周面との間の前記円筒状隙間を通して前記タービン側へ流通させられることから、タービン軸の回転軸の過熱が防止されるので、その回転軸の軸受装置の耐久性が高められる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例において、ガスジェネレータの環状２段燃焼器の要部構成を説明するための概念図である。
【図２】図１のガスジェネレータの環状２段燃焼器のII−II視断面を示す図である。
【図３】上記図１の燃焼器に対応するモデルを用いてレーリー・テーラー不安定性を確認した実験における観察画像を示す図である。
【図４】ガスジェネレータでの燃空比Ｆ／Ａと燃焼温度およびＮＯｘ量との関係を示す図である。
【図５】従来のガスジェネレータの環状２段燃焼器の要部構成を説明する要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の一実施例の環状２段燃焼器１０を備えた軸流式のガスジェネレータ１２の要部構成を説明する概念図である。図１において、ガスジェネレータ１２は、図示しない軸受装置によって軸心Ｃまわりに回転可能に支持されたタービン軸１４と、そのタービン軸１４の前方側端部に固定された図示しないポンプ翼車を備えて、外部空気を吸気口１６から吸気して圧縮する軸流式の圧縮機１８と、その圧縮機１８から供給された圧縮空気に燃料Ｆを加えて燃焼させて燃焼ガスを後方へ送出する環状２段燃焼器１０と、タービン軸１４の後方側端部に固定された図示しないタービン翼車を備え、その環状２段燃焼器１０からの燃焼ガスをタービン翼車で受けて回転力に変換し、タービン軸１４を介して圧縮機１８を回転駆動させる軸流式のタービン２０とを備えている。
【００２４】
タービン軸１４は、上記軸受装置によって回転可能に支持された回転軸２２と、その回転軸２２の外周面から所定の円筒状隙間Ｍを隔てるようにスペーサ２４を介してその回転軸２２に固定された円筒状回転部材２６とを備えており、環状２段燃焼器１０の中心を貫通させられた状態で配設されている。圧縮機１８から供給された圧縮空気のうちの一部Ａ３は、上記円筒状回転部材２６の内周面と回転軸２２の外周面との間の円筒状隙間Ｍを通してタービン２０側へ流通させられ、回転軸２２およびその軸受の過熱が防止されるようになっている。
【００２５】
環状２段燃焼器１０は、タービン軸１４の軸心Ｃに対して対象的に構成され、図示しない非回転部材に固定されている。環状２段燃焼器１０は、周方向に連続する空間である環状の副燃焼室２８とその副燃焼室２８の内周側の合流室３０とを内部に形成させるための円筒状の第１ハウジング部３２と、その第１ハウジング部３２に続いてタービン２０側に接続され、環状の主燃焼室３４を内部に形成させるための、その第１ハウジング部３２よりも小径円筒状の第２ハウジング部３６と、圧縮機１８からの圧縮空気の一部を二次空気Ａ２として受け入れて副燃焼室２８の内周側の合流室３０を経由して主燃焼室３４内へ導くために、第１ハウジング部３２から軸心Ｃ方向に前方へ突設された内側空気筒３８と、その内側空気筒３８の外周側にそれと同心に第１ハウジング部３２から軸心Ｃ方向に前方へ突設され、前記圧縮空気の他の一部を一次空気Ａ１として受け入れて一次空気供給口４０を経て副燃焼室２８内へ後方へ向かって噴き入れる外側空気筒４２とを、備えている。上記第１ハウジング部３２には、燃料Ｆを図示しない燃料噴射弁或いは燃料噴霧ノズルを用いて前方へ向かって噴き入れるための燃料噴射口４４が、一次空気供給口４０よりも外周側に設けられている。また、上記第１ハウジング部３２には、副燃焼室２８内の混合気を初期的に或いは連続的に点火するために、図示しない点火プラグが設けられている。
【００２６】
内側空気筒３８および第１ハウジング部３２内の空間は、タービン軸１４の外周面１４ｓを覆う非回転の円筒状カバー部材４６によってその外周面１４ｓから隔てられている。その円筒状カバー部材４６の長さは、タービン軸１４の外周面１４ｓのうち第２ハウジング部３６内に対応する部分の少なくとも一部を第２ハウジング部３６の主燃焼室３４内に露出させるように設定される。本実施例では、円筒状カバー部材４６の長さは、タービン軸１４の外周面１４ｓのうち第２ハウジング部３６内に対応する部分の全部を露出させるように、円筒状カバー部材４６の長さが設定されているが、必ずしもそうでなくともよく、タービン軸１４の外周面１４ｓのうち第２ハウジング部３６内にタービン軸１４の外周面１４ｓの一部が露出させらえていてもよいし、或いは、タービン軸１４の外周面１４ｓのうち第２ハウジング部３６内に対応する部分の全部と第１ハウジング部３２内に対応する部分の一部とが露出させられていてもよい。
【００２７】
上記第２ハウジング部３６の後方側には、後方に向かうほど大径となる円錐状の第３ハウジング部４８が固定されている。また、この円錐状の第３ハウジング部４８内には、主燃焼室３４内で完全燃焼した燃焼ガスＧ２をタービン２０のタービン翼車の羽根へ導くために、後方に向かうほど大径となる円錐状の整流部材５０が固定されている。この第３ハウジング部４８と整流部材５０との間には、主燃焼室３４の内径および外径よりも大径の内径および外径を有する環状の排気口５２が形成されている。専ら希薄燃焼を行うための主燃焼室３４は、第３ハウジング部４８内の前方側部位まで延びていてもよく、整流部材５０の前方側端部は、主燃焼室３４内の希薄燃焼が十分に完了する部位に位置させられている。
【００２８】
以上のように構成された環状２段燃焼器１０においては、圧縮機１８から供給された圧縮空気に液体の燃料Ｆを加えて燃焼させて燃焼ガスＧ２をタービン２０へ供給し、その燃焼ガスＧ２によりタービン軸１４に固定されたタービン翼車を回転させるガスジェネレータ１２の作動により、タービン軸１４はたとえば１００００ｒｐｍ程度或いはそれ以上の高速回転で回転させられる。この状態において、タービン軸１４の外周に位置する環状の副燃焼室２８内に、燃料Ｆと一次空気Ａ１とが噴き込まれることで、過濃燃焼が行われる。副燃焼室２８内の燃空比Ｆ／Ａが理論燃空比（完全燃焼となるように酸素が過不足なる含まれる比率）よりも燃料リッチ側すなわち過濃燃焼側となるように、図示しない流量制御弁などによって、上記副燃焼室２８内に供給される燃料Ｆと一次空気Ａ１との割合が設定され或いは制御されている。
【００２９】
上記副燃焼室２８は、燃料Ｆが前方側すなわち圧縮機１８側へ向かって噴き込まれる燃料噴射口４４と、その燃料噴射口４４よりも内周側に位置し、一次空気Ａ１が後方へ向かって吹き込まれる一次空気供給口４０とを備えていることから、その一次空気Ａ１が燃料噴射口４４よりも内周側に位置する一次空気供給口４０からタービン２０側へ向かって噴き込まれることで、内周側がタービン２０側へ向かう回転方向を有する高温渦Ｖが副燃焼室２８内に生成される。すなわち、副燃焼室２８は、過濃燃焼ガスＧ１から成る渦巻き状の火炎である高温渦Ｖを収容する状態となる。
【００３０】
この状態において、内側空気筒３８により導き入れられた二次空気Ａ２と上記の過濃燃焼ガスＧ１とは、副燃焼室２８の内周側に位置する合流室３０において合流して後方に隣接する主燃焼室３４内へ導かれる。この合流気体は、専ら二次空気Ａ２から成り相対的に密度が高い内周層と、専ら過濃燃焼ガスＧ１から成り高温であるため相対的に密度の低い外周層との２層の層流構造であるが、主燃焼室３４内において露出しているタービン軸１４の外周面１４ｓに接触すると、高速回転中の外周面１４ｓと共に連れ回る内周層が大きな遠心力を受けて強いレーリー・テーラー不安定性が発生するので、それにより流路幅全体にわたる三次元的な攪拌渦が発生し、速やかに且つ均質に過濃燃焼ガスＧ１および二次空気Ａ２が相互に混合され、主燃焼室３４内において希薄燃焼による完全燃焼が好適に行われる。この環状２段燃焼器１０では、主燃焼室３４内の燃空比Ｆ／Ａが理論燃空比よりも燃料リーン側すなわち希薄燃焼側となるように、且つ、主燃焼室３４内の酸素が過不足とならず完全燃焼するように、図示しない流量制御弁装置などによって、上記主燃焼室３４内に供給される二次空気Ａ２の割合が設定され、且つ制御されている。
【００３１】
上記レーリー・テーラー不安定性とは、上層と下層との間に密度差が存在し、密度が大きい層側から密度が小さい層側へ向かって加速度が作用した場合において発生する３次元的な攪拌渦が全幅にわたって発生する現象を言う。前述のタービン軸１４は１００００ｒｐｍ程度或いはそれ以上の回転速度で高速回転するものであって、その外周面１４ｓと共に高速で連れ回る内周層の気体に発生する遠心力は極めて大きいものであることから、全体にわたる三次元的な攪拌渦が発生して速やかに且つ均質に過濃燃焼ガスＧ１および二次空気Ａ２が相互に混合されるので、主燃焼室３４内において希薄燃焼による完全燃焼が好適に行われる。
【００３２】
図３は、レーリー・テーラー不安定性の発生を確認するために行われた可視化実験の画像を示している。この実験では、密度の低い外層側気体としてヘリウムガスを用い、密度の高い内層側気体として粒径が２−３μｍφ程度の細かなＳｉＯ２のトレーサー粒子を混入した空気を用い、それらヘリウムガスおよび空気を０．５乃至０．６５程度の体積流量比で合流させて、大径円筒Ｔ１内の空洞Ｋ１から、小径円筒Ｔ２内に形成されて、４０００ｒｐｍ程度で高速回転させられる回転円柱ＣＹの外周面Ｓｃｙに内周側が露出した小径空間Ｋ２内へ流入させ、レーザシート光を照射して空気に含まれるトレーサー粒子を光らせつつ、空気の移動を高速カメラで観察したときの写真を表わすものである。図３から明らかなように、小径円筒Ｔ２の下流部位に生じた渦に捕獲されたトレーサー粒子の下流に、外周面Ｓｃｙからジェット状に噴き上がるトレーサー粒子が観察でき、確かにレーリー・テーラー不安定性が発生していることがわかる。また、下流部位において流路全体にトレーサー粒子が分布していることから、空洞Ｋ１から流入した、ヘリウムガスと空気とから成る２層が完全に混合されていることを示している。また、上記ヘリウムガスと空気とが合流している部分において流れが加速していることから、そこでは混合され難いことを意味している。また、空洞Ｋ１からでた高温ガスがそこで巡回していることから、下流にできた混合気の着火源として作用することを意味している。いずれも、２段燃焼にとって好ましい条件が存在していることがわかる。
【００３３】
図４に示すように、燃空比Ｆ／Ａは、過濃燃焼状態から希薄燃焼状態への移行途中において理論燃空比を通過するが、理論燃空比に近いほど燃焼温度が高く且つＮＯｘの発生も多くなるので、過濃燃焼状態から希薄燃焼状態への移行は可及的速やかに行われることが望まれる。本実施例の環状２段燃焼器１０では、主燃焼室３４内へ導かれた二次空気Ａ２と過濃燃焼ガスＧ１との合流気体が２層状態で併流して流れることにより、それらの間の混合が抑制される一方で、主燃焼室３４に至ると、タービン軸１４の外周面１４ｓに接触して内周層が高速で連れ回ることで強い遠心力により速やかに且つ均質に混合されることから、過濃燃焼から希薄燃焼へ速やかに移行し、理論燃空比付近の高燃焼温度に起因するＮＯｘの発生がなく、主燃焼室３４内において希薄燃焼による完全燃焼が好適に行われるようになっている。
【００３４】
上述のように、本実施例のガスジェネレータ１２の環状２段燃焼器１０によれば、主燃焼室３４内には、過濃燃焼ガスＧ１とそれに合流した二次空気Ａ２とを攪拌するために、タービン軸１４の外周面１４ｓが露出させられていることから、合流室３０では二次空気Ａ２の内層と過濃燃焼ガスＧ１の外層とが併流してそれらの混合が抑制されているが、外側に低密度の高温の過濃燃焼ガスＧ１が位置している過濃燃焼ガスＧ１および二次空気Ａ２の合流気体が高速で回転するそのタービン軸１４の外周面１４ｓに接触することで大きな遠心力を受けると、強いレーリー・テーラー不安定性が発生して流路幅全体にわたる三次元的な攪拌渦が発生し、速やかに且つ均質に過濃燃焼ガスＧ１および二次空気Ａ２が一挙に相互に混合される。これにより、過濃燃焼状態から希薄燃焼状態へ速やかに移行することから、無駄な空気を用いないで、その理論燃空比付近の高燃焼温度に起因するＮＯｘの発生がなく、主燃焼室３４内において希薄燃焼による完全燃焼が速やかに行われるので、過濃希薄の２段の燃焼が圧損の少ない単純な構成で可能となり、同時にガスジェネレータ１２の環状２段燃焼器１０の小型化を図ることができる。
【００３５】
また、本実施例のガスジェネレータ１２の環状２段燃焼器１０によれば、副燃焼室２８は、燃料Ｆが噴き込まれる燃料噴射口４４と、その燃料噴射口４４よりも内周側に位置する一次空気供給口４０とを備え、一次空気Ａ１が燃料噴射口４４よりも内周側に位置する一次空気供給口４０からタービン２０側へ向かって噴き込まれることで生成される、内周側がタービン２０側へ向かう回転方向とされた高温渦Ｖを収容するものであることから、高温渦Ｖの内周側の方向が二次空気Ａ２の方向とは反対の方向である従来の環状２段燃焼器に比較して、その高温渦Ｖの内周側の方向が二次空気Ａ２の流れと同じタービン２０側へ向かう方向であって二次空気Ａ２の流通抵抗が低減され、圧損の少ないガスジェネレータ１２の環状２段燃焼器１０が得られる。
【００３６】
また、本実施例のガスジェネレータ１２の環状２段燃焼器１０によれば、副燃焼室２８とその副燃焼室２８の内周側の合流室３０とを内部に形成させるための円筒状の第１ハウジング部３２と、その第１ハウジング部３２に続いてタービン２０側に接続され、主燃焼室３４を内部に形成させるためのその第１ハウジング部３２よりも小径円筒状の第２ハウジング部３６と、圧縮機１８からの圧縮空気の一部を二次空気Ａ２として受け入れて副燃焼室２８の内周側の合流室３０を経由して主燃焼室３４内へ導くための、第１ハウジング部３２から軸心Ｃ方向前方に突設された内側空気筒３８と、その内側空気筒３８の外周側にそれと同心に第１ハウジング部３２から軸心Ｃ方向前方に突設され、圧縮空気の他の一部を一次空気Ａ１として受け入れて一次空気供給口４０を経て副燃焼室２８内へ導く外側空気筒４２とを、備えていることから、過濃希薄の２段の燃焼が圧損の少ない単純な構成で可能となり、小型且つ安価で、圧損の少ないガスジェネレータ１２の環状２段燃焼器１０が得られる。
【００３７】
また、本実施例のガスジェネレータ１２の環状２段燃焼器１０によれば、内側空気筒３８および第１ハウジング部３２内の空間は、タービン軸１４の外周面１４ｓを覆う非回転の円筒状カバー部材４６によってその外周面１４ｓから隔てられ、その円筒状カバー部材４６は、第２ハウジング部３６内にタービン軸１４の外周面１４ｓのうち前記第２ハウジング部３６内に対応する部分の少なくとも一部を主燃焼室３４に露出させるものであることから、その円筒状カバー部材４６の長さや位置を変更してタービン軸１４の外周面１４ｓの露出長さを調節することで、過濃燃焼ガスＧ１および二次空気Ａ２の合流気体に急速混合を与える位置を所望の位置とすることができる。
【００３８】
また、本実施例のガスジェネレータ１２の環状２段燃焼器１０によれば、タービン軸１４は、回転軸２２と、その回転軸２２の外周面から所定の円筒状隙間Ｍを隔ててその回転軸１４に固定された円筒状回転部材２６とを備えて、副燃焼室２８および主燃焼室３４を貫通した状態で設けられ、圧縮機１８からの圧縮空気のうちのさらに他の一部が円筒状回転部材２６の内周面と回転軸２２の外周面との間の円筒状隙間Ｍを通してタービン２０側へ流通させられることから、タービン軸１４の回転軸２２の過熱が防止されるので、その回転軸２２の軸受装置の耐久性が高められる。
【００３９】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００４０】
たとえば、前述の実施例の環状２段燃焼器１０において、第１ハウジング部３２、第２ハウジング部３６、内側空気筒３８、外側空気筒４２は、必ずしも図１、図２に示される形状でなく、たとえば軸心方向の長さや径方向において異なる形状であってもよい。たとえば、内側空気筒３８および外側空気筒４２は、前方へ向かうほど径が増加する形状であってもよい。
【００４１】
また、前述の実施例においては、主燃焼室３４内での希薄燃焼により完全燃焼が行われるように、二次空気Ａ２の量が調節されていたが、その完全燃焼は必ずしも酸素の過不足のないものでなくてもよく、ある程度の範囲で酸素に過不足があってもよい。また、上記二次空気Ａ２の量は、希薄燃焼が安定的に持続するように、たとえば燃焼種に応じてその割合は種々変更され得るものである。
【００４２】
また、前述の実施例の環状２段燃焼器１０において、燃料噴射口４４から副燃焼室２８内へ前方に向かって燃料Ｆが噴射されていたが、その燃料Ｆの噴射方向は必ずしも前方に向かう方向でなくてもよく、たとえば、副燃焼室２８内で生成される高温渦Ｖの回転方向に沿った接線方向であればよい。同様に、一次空気供給口４０から副燃焼室２８内へ後方に向かって一次空気Ａ１が噴き入れられていたが、その一次空気Ａ１の噴き入れ方向は必ずしも後方に向かう方向でなくてもよく、たとえば、副燃焼室２８内で生成される高温渦Ｖの回転方向に沿った接線方向であればよい。
【００４３】
また、前述の実施例の環状２段燃焼器１０には、周方向に連続する環状空間である副燃焼室２８が設けられていたが、必ずしも周方向に連続したものでなくてもよく、たとえば、周方向において２分割或いは４分割等に分割されていてもよい。
【００４４】
また、前述の実施例の環状２段燃焼器１０は、発電機用のガスタービンエンジンや航空機のガスタービンエンジンに用いられるだけでなく、たとえば輸送機器や携帯機器の発電機を駆動するための小型のガスジェネレータ、マイクロガスタービン、マイクロガスジェネレータにも適用され得る。
【００４５】
その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【符号の説明】
【００４６】
１０：環状２段燃焼器
１２：ガスジェネレータ
１４：タービン軸
１４ｓ：タービン軸の外周面
１８：圧縮機
２０：タービン
２２：回転軸
２６：円筒状回転部材
２８：副燃焼室
３２：第１ハウジング部
３４：主燃焼室
３６：第２ハウジング部
３８：内側空気筒
４０：一次空気供給口
４２：外側空気筒
４４：燃料噴射口
４６：円筒状カバー部材
Ａ１：一次空気（圧縮空気）
Ａ２：二次空気（圧縮空気）
Ｆ：燃料
Ｇ２：燃焼ガス
Ｍ：円筒状隙間
Ｖ：高温渦
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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