(57)【要約】【課題】液体燃料（例えば灯油）を燃料とし、小型燃焼室において、安定した着火性能、高い燃焼効率、低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することができるマイクロガスタービン用燃焼器を提供する。【解決手段】中心軸を囲み互いに同心かつ円筒形のインナーライナ１２及びアウターライナ１４と、燃料噴射と着火を行うバーナ１６とを備え、内部に中空円筒形の燃焼室１８を形成するマイクロガスタービン用燃焼器。燃焼室１８は、エンドライナ側に設けられ外径が相対的に小さい１次燃焼室１８ａと、１次燃焼室の下流側に位置し外径が相対的に大きい２次燃焼室１８ｂとからなる。１次燃焼室１８ａは、エンドライナ側の着火室１９ａと、２次燃焼室側の急速希釈室１９ｂとからなり、その間に１次燃焼室の外径を狭める円環状の中間絞り２０を有し、着火室１９ａ内で燃料濃度の高い予混合旋回流を形成して着火し、急速希釈室１９ｂ内で旋回火炎を急速希釈する。【選択図】図１
2011007430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を囲み互いに同心かつ円筒形のインナーライナ及びアウターライナと、燃料噴射と着火を行うバーナ部を備え、内部に中空円筒形の燃焼室を形成するマイクロガスタービン用燃焼器であって、
前記燃焼室は、エンドライナ側に設けられ外径が相対的に小さい１次燃焼室と、該１次燃焼室の下流側に位置し外径が相対的に大きい２次燃焼室とからなり、
前記１次燃焼室は、エンドライナ側の着火室と、２次燃焼室側の急速希釈室とからなり、その間に１次燃焼室の外径を狭める円環状の中間絞りを有し、
前記着火室内で燃料濃度の高い予混合旋回流を形成して着火し、前記急速希釈室内で旋回火炎を急速希釈する、ことを特徴とするマイクロガスタービン用燃焼器。
【請求項２】
さらに、前記着火室に着火用空気を外部から導入し、かつ急速希釈室に希釈用空気を外部から導入して、中心軸を囲む旋回空気流を形成する旋回空気流形成装置と、
前記着火室内の旋回空気流の旋回方向に向けて燃料を噴射し予混合旋回流を形成する燃料噴射装置と、
前記着火室内の予混合旋回流に着火して管状火炎面を形成する着火装置とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロガスタービン用燃焼器。
【請求項３】
前記旋回空気流形成装置は、バーナ部に設けられ、内側に前記１次燃焼室を形成するアニュラー型部材と、
該アニュラー型部材の外面から前記着火室及び急速希釈室内の前記旋回空気流の旋回方向に向けてそれぞれ貫通する着火用空気孔と希釈用空気孔とを有する、ことを特徴とする請求項２に記載のマイクロガスタービン用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置および推進装置に適用するためのマイクロガスタービン用燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの駆動電源、緊急時の携帯電源として、レシプロエンジンより軽く静かな発電用超小型マイクロガスタービンの開発が進められており、その燃焼器として超小型燃焼器が要望されている。
【０００３】
このようなマイクロガスタービン用燃焼器は、小型であるとともに、作動の安定性、排気の清浄性が重要であり、例えば特許文献１、２が既に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，６８４，６４２号明細書，“ＧＡＳ  ＴＵＲＢＩＮＥ  ＥＮＧＩＮＥ  ＨＡＶＩＮＧ  Ａ  ＭＵＬＴＩ−ＳＴＡＧＥ  ＭＵＬＴＩ−ＰＬＡＮＥ  ＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ”
【特許文献２】国際公開第２００８／０４７８２５号公報、「ガスタービン燃焼器」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したマイクロガスタービン用燃焼器は、小型であるとともに、作動の安定性、排気の清浄性が重要となる。
例えば、数百Ｗ容量の小型発電装置を想定した場合、経験則から外挿すると、マイクロガスタービン用燃焼器の燃焼室容積は１００ｃｍ３程度となる。
しかし、従来このような小型燃焼室においては、安定した着火性能、高い燃焼効率、低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することはできなかった。
【０００６】
特に、可搬性が良いことから液体燃料（例えば灯油）を燃料としたマイクロガスタービン用燃焼器が望まれているが、このような液焚きのマイクロガスタービン用燃焼器では燃料流量が数ｍＬ／ｍｉｎと極めて小流量となるため、燃料の十分な微粒化を行うことが難しく、良好な燃焼を行うことが困難であるため、液焚きでは特に、着火、燃焼安定範囲が十分でなく、低負荷時にはＣＯ濃度や未燃分が高く、臭いやエミッションの排出が問題であった。
【０００７】
本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、小型燃焼室において、安定した着火性能、高い燃焼効率、低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することができるマイクロガスタービン用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】
【０００８】
本発明によれば、中心軸を囲み互いに同心かつ円筒形のインナーライナ及びアウターライナと、燃料噴射と着火を行うバーナ部を備え、内部に中空円筒形の燃焼室を形成するマイクロガスタービン用燃焼器であって、
前記燃焼室は、バーナ部に設けられ外径が相対的に小さい１次燃焼室と、該１次燃焼室の下流側に位置し外径が相対的に大きい２次燃焼室とからなり、
前記１次燃焼室は、上流側の着火室と、下流側の急速希釈室とからなり、その間に１次燃焼室の外径を狭める円環状の中間絞りを有し、
前記着火室内で燃料濃度の高い予混合旋回流を形成して着火し、前記急速希釈室内で旋回火炎を急速希釈する、ことを特徴とするマイクロガスタービン用燃焼器が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、さらに、前記着火室に着火用空気を外部から導入し、かつ急速希釈室に希釈用空気を外部から導入して、中心軸を囲む旋回空気流を形成する旋回空気流形成装置と、
前記着火室内の旋回空気流の旋回方向に向けて燃料を噴射し予混合旋回流を形成する液体燃料噴射装置と、
前記着火室内の予混合旋回流に着火して管状火炎面を形成する着火装置とを備える。
【００１０】
また、前記旋回空気流形成装置は、バーナ部に設けられ、内側に前記１次燃焼室を形成するアニュラー型部材と、
該アニュラー型部材の外面から前記着火室及び急速希釈室内の前記旋回空気流の旋回方向に向けてそれぞれ貫通する着火用空気孔と希釈用空気孔とを有する。
【００１１】
また、前記燃料噴射装置は、前記燃焼用空気孔を通り前記着火室内の旋回空気流中に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明の構成によれば、アニュラー型の燃焼室が１００ｃｍ３以下の小型燃焼室の場合でも、安定した燃焼が可能であり、高い燃焼効率が得られることが、後述する実施例により確認された。
【００１３】
特に、１次燃焼室が着火室と急速希釈室とからなり、その間に１次燃焼室の外径を狭める円環状の中間絞りを有するので、中間絞りより着火室の着火用空気を調整することにより着火室内の燃料濃度を高く設定でき、燃焼安定性を高めることができ、これにより着火時やアイドル時の排ガス臭いや未燃分の排出を抑えることができる。また、中間絞りにより２次燃焼室側の急速希釈室の希釈用空気を調整することにより旋回火炎を急速希釈してＮＯｘも低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるマイクロガスタービン用燃焼器の第１実施形態図である。
【図２】図１の燃焼器の燃焼試験結果である。
【図３】本発明による燃焼器の試験装置の構成図である。
【図４】本発明によるマイクロガスタービン用燃焼器の第２実施形態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明によるマイクロガスタービン用燃焼器の第１実施形態図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
この図において、本発明のマイクロガスタービン用燃焼器１０（以下、単に「燃焼器」と呼ぶ）は、インナーライナ１２、アウターライナ１４、及びバーナ部１６を備える。
インナーライナ１２及びアウターライナ１４は、それぞれ円筒形であり、中心軸Ｚ−Ｚを囲み互いに同心に形成されている。
【００１７】
バーナ部１６は、インナーライナ１２とアウターライナ１４の上流側端部（この図で下端）を塞ぐ円環状の円板を有する。インナーライナ１２とアウターライナ１４の下流側端部（この図で上端）は発生した燃焼排ガス９をタービン２と排気管６を介して外部に排気するために開口している。
この燃焼器１０の燃焼室１８は、インナーライナ１２とアウターライナ１４で囲まれるほぼアニュラー型の領域である。
【００１８】
図１（Ａ）において、燃焼器１０の燃焼室１８は、１次燃焼室１８ａと２次燃焼室１８ｂからなる。
１次燃焼室１８ａは、燃焼室１８のエンドライナ１２側に設けられ、外径Ｄ１が相対的に小さく形成されている。また、２次燃焼室１８ｂは、１次燃焼室１８ａの下流側（図で上側）に位置し、外径Ｄ２が相対的に大きく形成されている。
【００１９】
図１（Ａ）において、１次燃焼室１８ａは、着火室１９ａと急速希釈室１９ｂとからなり、その間に１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１を狭める円環状の中間絞り２０を有する。中間絞り２０は内径Ｄ３の中心孔を有する。
【００２０】
後述する実施例１において、燃焼室容積は５０ｃｍ３であり、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１と２次燃焼室１８ｂの外径Ｄ２との比率は、１：１．３６、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１と中間絞り２０の内径Ｄ３の比率は、１：０．９である。
しかし、本発明はこれに限定されず、任意に変更することができる。
【００２１】
図１（Ａ）（Ｂ）において、本発明の燃焼器１０は、さらに旋回空気流形成装置２２、液体燃料噴射装置２４、及び着火装置２６を備える。
旋回空気流形成装置２２は、着火室１９ａに着火用空気７ａを外部から導入し、急速希釈室１９ｂに希釈用空気７ｂを外部から導入して、中心軸Ｚ−Ｚを囲む旋回空気流を形成する。
液体燃料噴射装置２４は、着火室１９ａ内に形成された旋回空気流の旋回方向に向けて液体燃料８を噴射し予混合旋回流を形成する。
着火装置２６は、例えば周知の点火栓であり、形成された予混合旋回流に着火して管状火炎面１１を形成する。
【００２２】
旋回空気流形成装置２２は、この例では、アニュラー型部材２３と着火用空気孔２３ａと希釈用空気孔２３ｂからなる。アニュラー型部材２３は、アウターライナ１４内面のエンドライナ側端部に設けられ、内側に１次燃焼室１８ａを形成する。着火用空気孔２３ａは、アニュラー型部材２３の外面から着火室１９ａ内の旋回空気流の旋回方向に向けて貫通する。希釈用空気孔２３ｂは、アニュラー型部材２３の外面から急速希釈室１９ｂ内の旋回空気流の旋回方向に向けて貫通する。
【００２３】
液体燃料噴射装置２４は、この例では、着火用空気孔２３ａを通り着火室１９ａ内の旋回空気流中にガス燃料８（例えばプロパン）を噴射する燃料噴射ノズルである。
【００２４】
この例において、着火用空気孔２３ａは、周方向に同一間隔で２箇所設けられ、希釈用空気孔２３ｂは、周方向に同一間隔で４箇所設けられており、燃料噴射ノズル２４は、各着火用空気孔２３ａに計２本設けられている。
この構成により、各着火用空気孔２３ａから着火室１９ａ内に外部から着火用空気７ａを導入して中心軸Ｚ−Ｚを囲む旋回空気流を形成することができる。
また、液体燃料噴射装置２４から着火室１９ａ内に形成された旋回空気流の旋回方向に向けて液体燃料８を噴射し予混合旋回流を形成することができる。
さらに、着火装置２６で着火室１９ａに形成された予混合旋回流に着火して管状火炎面１１を形成することができる。
【００２５】
なお、着火用空気孔２３ａと希釈用空気孔２３ｂは、周方向に１箇所以上あればよい。また、燃料噴射ノズル２４も、周方向に１箇所以上あればよい。また、各寸法は、この実施例に限定されず、任意に変更することができる。
さらに、旋回空気流形成装置２２は、この例に限定されず、燃焼器入口にスワーラを設け、燃焼器周方向全体にわたり旋回する空気流を形成するようにしてもよい。
【実施例１】
【００２６】
図２は、図１の燃焼器の燃焼試験結果である。なおこの試験では、燃料としてプロパンガスを用い、着火特性を試験した。
この図において、横軸は空気流量、縦軸は燃料流量、図中の◆は上述した中間絞り有り、■は中間絞り無しの場合の着火限界を示しており、それより空気流量が少ない領域では着火ができなくなる。中間絞り無しでは空気流量が多い条件で着火できなくなるが、中間絞り有りでは少ない燃料流量で空気流量が多い条件でも着火可能である。
【００２７】
図２の試験結果から、１次燃焼室１８ａが、着火室１９ａと急速希釈室１９ｂとからなり、その間に１次燃焼室１８ａの外径を狭める円環状の中間絞り２０を有するので、着火用空気７ａを調整することにより着火室１９ａ内の燃料濃度を高く設定でき、着火性能を高めることができ、これにより着火時やアイドル時の排ガス臭いや未燃分の排出を抑えることができる。また、中間絞り２０より２次燃焼室側の急速希釈室１９ｂの希釈用空気を調整することにより旋回火炎を急速希釈してＮＯｘも低減できることが確認された。
【実施例２】
【００２８】
（実験装置および方法）
図３は、本発明によるマイクロガスタービン用燃焼器の第２実施形態図である。
図１のガス焚き燃焼器との違いは、液体燃料用に噴射弁と点火栓を変えた点であり、その他の基本構造は同一である。
【００２９】
図４は、図３の燃焼器の燃焼試験結果である。なおこの試験では、燃料として灯油を用い、燃焼安定性の吹き消え限界を試験した。
この図において、横軸は空気流量、縦軸は燃料流量、図中の◆は上述した中間絞り有り、■は中間絞り無しの場合を示している。
【００３０】
図２の試験結果から、１次燃焼室１８ａが、着火室１９ａと急速希釈室１９ｂとからなり、その間に１次燃焼室１８ａの外径を狭める円環状の中間絞り２０を有するので、着火用空気７ａを調整することにより着火室１９ａ内の燃料濃度を高く設定でき、燃焼安定性を高めることができ、これにより着火時やアイドル時の排ガス臭いや未燃分の排出を抑えることができる。
【００３１】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００３２】
２  タービン、６  排気管、
７ａ  着火用空気、７ｂ  希釈用空気、
８  液体燃料、９  燃焼排ガス、
１０  マイクロガスタービン用燃焼器（燃焼器）、
１１  管状火炎面、１２  インナーライナ、１２ａ  下流側端部、
１４  アウターライナ、１６  バーナ部、
１８  燃焼室、１８ａ  １次燃焼室、１８ｂ  ２次燃焼室、
１９ａ  着火室、１９ｂ  急速希釈室、２０  中間絞り、
２２  旋回空気流形成装置、２３  アニュラー型部材、
２３ａ，２３ｂ  燃焼用空気孔、
２４  液体燃料噴射装置（燃料噴射ノズル）、
２６  着火装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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