(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸線回りに回転し、内部に供給された燃料を、外周に形成された燃料ノズルの噴霧孔から外周側に向けて噴霧する回転体と、
前記回転体の外周側に設けられ、前記噴霧孔から噴霧された燃料を燃焼させる燃焼室と、
を備え、
前記噴霧孔の孔径は、前記燃料ノズルの回転半径に対して、０．０４４倍〜０．１１６倍とされ、
前記噴霧孔の孔長さは、前記燃料ノズルの回転半径に対して、０．０７０倍〜０．０８６倍とされていることを特徴とする遠心噴霧燃焼器。
【請求項２】
前記燃料ノズルの回転半径は、４３ｍｍ〜１１３ｍｍとされていることを特徴とする請求項１に記載の遠心噴霧燃焼器。
【請求項３】
前記噴霧孔は、前記燃焼室に設けられた酸化剤供給部側に向けて傾斜されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心噴霧燃焼器。
【請求項４】
前記噴霧孔は、前記燃料ノズルの外周回りに４５°以下の角度ピッチで複数形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の遠心噴霧燃焼器。
【請求項５】
前記噴霧孔が複数形成され、
各前記噴霧孔の出口が、前記中心軸線方向にずらして形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の遠心噴霧燃焼器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載された遠心噴霧燃焼器と、
該遠心噴霧燃焼器によって生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
を備えていることを特徴とする飛昇体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心噴霧燃焼器およびこれを備えた飛昇体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
飛昇体のエンジンとして、遠心噴霧燃焼器が用いられている（特許文献１）。この遠心噴霧燃焼器は、燃料としてガソリンから灯油まで幅広く蒸留した燃料（例えば、炭素量C8.5程度の炭化水素燃料であるJP-4）を用いていた。これに対して、近年では、コスト低減の観点からより低価格で低質の燃料である灯油系燃料（例えば、炭素量C11程度の炭化水素燃料JetA-1）を使用する傾向にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３１２３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、灯油系燃料は、ガソリン系燃料と比較して、粘性係数および表面張力がともに大きいため、燃料の微粒化が不十分となり燃焼効率の低下につながる。
そこで、燃料をより微粒化できる遠心噴霧燃焼器を開発する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガソリン系燃料JP-4に比べて灯油系燃料JetA-1のような低質の燃料に対しても燃焼効率を向上させることができる遠心噴霧燃焼器およびこれを備えた飛昇体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の遠心噴霧燃焼器およびこれを備えた飛昇体は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる遠心噴霧燃焼器は、中心軸線回りに回転し、内部に供給された燃料を、外周に形成された燃料ノズルの噴霧孔から外周側に向けて噴霧する回転体と、前記回転体の外周側に設けられ、前記噴霧孔から噴霧された燃料を燃焼させる燃焼室とを備え、前記噴霧孔の孔径は、前記燃料ノズルの回転半径に対して、０．０４４倍〜０．１１６倍とされていることを特徴とする。
【０００７】
回転体に供給された燃料は、燃料ノズルへと導かれて遠心力によって噴霧孔から外周側へ向けて噴霧される。燃料ノズルの外周側に噴霧された燃料は、燃焼室へと導かれて酸化剤（例えば空気）と混合されて燃焼が行われる。燃焼室で形成された燃焼ガスは、例えばタービンに導かれてタービンを回転駆動する。
噴霧孔の孔径を、燃料ノズルの回転半径に対して、０．０４４倍〜０．１１６倍とした。このように噴霧孔の孔径を大きく設定して、噴霧孔の内周面の面積を増大することにより、噴霧孔の内周面を伝って流れる燃料のフィルム厚さを小さくして、燃料の微粒化を促進することができる。
例えば、燃料ノズルの回転半径を４３ｍｍとした場合、噴霧孔の孔径は１．９ｍｍ〜５ｍｍが望ましい。噴霧孔の孔径の上限は、噴霧孔に面する上流側の空間の大きさに依存し、この空間の中心軸線方向の幅が８．５ｍｍの場合には、孔径は５ｍｍが上限となる。
燃料ノズルの回転半径とは、燃料ノズルの外周端における回転中心からの距離を意味する。
【０００８】
さらに、本発明の遠心噴霧燃焼器では、前記燃料ノズルの回転半径は、４３ｍｍ〜１１３ｍｍとされていることを特徴とする。
【０００９】
燃料ノズルの回転半径を４３ｍｍ〜１１３ｍｍとすることによって、遠心力を増大することができる。これにより、燃料のフィルム厚さを小さくして、燃料の微粒化を促進することができる。
【００１０】
さらに、本発明の遠心噴霧燃焼器では、前記噴霧孔の孔長さは、前記燃料ノズルの回転半径に対して、０．０７０倍〜０．０８６倍とされていることを特徴とする。
【００１１】
噴霧孔の孔長さを、燃料ノズルの回転半径に対して、０．０７０倍〜０．０８６倍として、孔長さを短く設定した。これにより、噴霧孔を流れる燃料のウェーバー数を小さくすることができ、燃料の微粒化を促進することができる。
例えば、燃料ノズルの回転半径を４３ｍｍとした場合、孔長さは３ｍｍ〜３．７ｍｍが望ましい。孔長さの下限値である３ｍｍは、薄く加工できる寸法として設定される。この場合、噴霧孔に面する上流側の空間の中心軸線方向の幅は、例えば、８．５ｍｍとされる。
【００１２】
さらに、本発明の遠心噴霧燃焼器では、前記噴霧孔は、前記燃焼室に設けられた酸化剤供給部側に向けて傾斜されていることを特徴とする。
【００１３】
燃焼室に設けられた酸化剤供給部側に向けて噴霧孔を傾斜させることで、噴霧孔から噴霧された燃料を酸化剤の流れに交差させて衝突させることができる。これにより、燃料流が引きちぎられやすくなり、燃料の微粒化を促進することができる。
噴霧孔の傾斜角度は、例えば回転軸線に直交する半径方向を０°とした場合に、０°（０°を含まず）〜７５°とされる。
【００１４】
さらに、本発明の遠心噴霧燃焼器では、前記噴霧孔は、前記燃料ノズルの外周回りに４５°以下の角度ピッチで複数形成されていることを特徴とする。
【００１５】
噴霧孔を、燃料ノズルの外周回りに４５°以下の角度ピッチで複数形成することにより、多くの噴霧孔を形成することとした。これにより、周方向に均一な噴霧濃度とすることができ、燃焼効率を向上させることができる。
【００１６】
さらに、本発明の遠心噴霧燃焼器では、前記噴霧孔が複数形成され、各前記噴霧孔の出口が、前記中心軸線方向にずらして形成されていることを特徴とする。
【００１７】
各噴霧孔の出口が中心軸線方向にずらして形成されているので、中心軸線方向に均一な噴霧濃度とすることができ、燃焼効率を向上させることができる。
例えば、各噴霧孔は、隣り合う噴霧孔が交互に中心軸線方向にずらされた千鳥配置とすることができる。
【００１８】
また、本発明の飛昇体は、上記のいずれかに記載された遠心噴霧燃焼器と、該遠心噴霧燃焼器によって生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備えていることを特徴とする。
【００１９】
上記のいずれかの遠心噴霧燃焼器を備えているので、燃焼効率の良い推進器を備えた飛昇体を提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
微粒化性能を向上させることができるので、ガソリン系燃料JP-4に比べて灯油系燃料JetA-1のような低質の燃料に対しても燃焼効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る遠心噴霧燃焼器を示した縦断面図である。
【図２】図１の遠心噴霧燃焼器の要部を拡大して示した部分拡大縦断面図である。
【図３】図１の遠心噴霧燃焼器の要部を拡大して示した部分拡大縦断面図である。
【図４】図１の燃料ノズルに形成された複数の噴霧孔が示された斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る遠心噴霧燃焼器を示した縦断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る遠心噴霧燃焼器の要部を示し、（ａ）は燃料ノズルに形成された複数の噴霧孔が示された斜視図、（ｂ）は燃料ノズルまわりを示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１には、本実施形態に係る遠心噴霧燃焼器１の要部が示されている。遠心噴霧燃焼器１は、飛昇体のエンジン（推進器）の燃焼器として用いられる。
【００２３】
遠心噴霧燃焼器１は、中心軸線（回転軸線）Ａ１回りに回転する回転体３と、回転体３の外周側に位置する燃焼室５とを備えている。
【００２４】
回転体３は、円筒部３ａと、円筒部３ａの一端に接続された円板部３ｂとを備えている。円筒部３ａと円板部３ｂとは一体で形成されており、これらの内部には、連通した空間３ｃが形成されている。空間３ｃには、図示しない燃料供給部から、JP-4に比べて粘性係数および表面張力が大きい低質な灯油系燃料JetA-1等の燃料Ｆが矢印Ｂ１方向から供給される。
【００２５】
円筒部３ａは、中空状のパイプ形状とされており、燃料Ｆを円板部３ｂ側に供給する導入部となっている。
円板部３ｂは、円筒部３ａの下流側端部に接続されており、円筒部３ａよりも大きい外径を有している。円板部３ｂの外周には、燃料Ｆを噴霧する燃料ノズル３ｄを備えている。円板部３ｂの半径は、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒとなっており、この回転半径Ｒは、中心軸線Ａ１から燃料ノズル３ｄの外周端までの距離となっている。
【００２６】
燃料ノズル３ｄには、複数の噴霧孔３ｅが形成されている。それぞれの噴霧孔３ｅは、中心軸線Ａ１に直交するとともに半径方向に向けて形成されている。図２に示すように、噴霧孔３ｅの内径はｄとされ、孔長さはＬとされている。図３に示すように、噴霧孔３ｅの孔径ｄは、噴霧孔３ｅの上流端に面する空間３ｃの外周端３ｃ１における軸方向距離Ｄよりも小さい寸法とされている。
【００２７】
燃焼室５は、飛昇体の本体側に固定されており、回転体３の燃料ノズル３ｄの外周側を覆うように設けられている。燃焼室５は、燃料ノズル３ｄに対向する位置に接続部５ａを有し、接続部５ａの外周側には着火燃焼部５ｂを有している。着火燃焼部５ｂの中心軸線Ａ１方向における下流側（図１において右側）には、希釈部５ｃが設けられている。希釈部５ｃの下流側には、図示しないタービンが設けられている。
【００２８】
円筒部３ａとは反対側に位置する接続部５ａの壁部（図１において右側壁部）５ａ１には、酸化剤としての空気を供給する１次空気供給部７ａが設けられている。着火燃焼部５ｂには、着火燃焼用の空気を供給する着火燃焼空気供給部７ｂと、着火のための点火プラグ９とが設けられている。着火燃焼部５ｂと希釈部５ｃとの間には、希釈のための希釈空気供給部７ｃが設けられている。
【００２９】
上記構成の遠心噴霧燃焼器１は、以下のように動作する。
図示しない燃料供給部から燃料Ｆが回転体３の円筒部３ａ内の空間３ｃに供給される。燃料Ｆは、円筒部３ａ内を通過しつつ、中心軸線Ａ１回りに回転する遠心力によって、円板部３ｂ内を半径方向外側に流れる。燃料Ｆは、燃料ノズル３ｄの噴霧孔３ｅに到達し、噴霧孔３ｅを通過した後に、燃焼室５内へと導かれる。
燃料ノズル３ｄの噴霧孔３ｅから燃料Ｆが離脱する際に、燃料Ｆが微粒化されて燃焼室５の接続部５ａ内へと導かれる。接続部５ａへと導かれた燃料Ｆは、１次空気供給部７ａから供給された空気と混合しながら、着火燃焼部５ｂへと導かれる。着火燃焼部５ｂでは、着火燃焼空気供給部７ｂから供給された空気とともに着火燃焼させられる。着火の際には、点火プラグ９が用いられる。
【００３０】
着火燃焼部５ｂにて着火燃焼した燃焼ガスは、希釈空気供給部７ｃから供給された空気によって希釈された後に、希釈部５ｃへ導かれる。
希釈部５ｃへ導かれた燃焼ガスは、燃焼室５の外部に位置するタービン（図示せず）へと導かれる。タービンは、燃焼ガスによって中心軸線Ａ１回りに回転駆動されて、飛昇体の推進力を発生する。タービンの回転動力の一部は、回転体３の回転動力として用いられる。
【００３１】
本実施形態の燃料ノズル３ｄの噴霧孔３ｅの孔径ｄは、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒに対して、０．０４４倍〜０．１１６倍とされている。このように噴霧孔３ｅの孔径を大きく設定して、燃料Ｆの微粒化を促進することができる。具体的には、図２に示すように、噴霧孔３ｅ内を流れる燃料Ｆは、噴霧孔３ｅの内周面を伝って流れるため、噴霧孔３ｅの孔径を大きくして内周面の面積を大きくすることによって、燃料Ｆのフィルム厚さｔを小さくする。これにより、燃料Ｆの微粒化が促進されることになる。したがって、灯油系燃料JetA-1のような低質の燃料に対しても燃焼効率を向上させることができる。
例えば、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒを４３ｍｍとした場合、噴霧孔３ｅの孔径ｄは１．９ｍｍ〜５ｍｍとするのが好ましい。噴霧孔３ｅの孔径ｄの上限は、噴霧孔３ｅに面する上流側の空間３ｃの大きさに依存し、この空間の中心軸線方向の幅である軸方向距離Ｄ（図３参照）が８．５ｍｍの場合には、孔径は５ｍｍが上限となる。
【００３２】
さらに、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒを４３ｍｍ〜１１３ｍｍとするのが好ましい。このように回転半径Ｒを増大して遠心力を増大することができる。これにより、燃料Ｆのフィルム厚さｔをより小さくして、燃料Ｆの微粒化を促進することができる。
【００３３】
さらに、噴霧孔３ｅの孔長さＬは、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒに対して、０．０７０倍〜０．０８６倍とされているのが好ましい。このように孔長さＬを短く設定することで、噴霧孔３ｅを流れる燃料Ｆのウェーバー数を小さくすることができ、燃料の微粒化をさらに促進することができる。
例えば、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒを４３ｍｍとした場合、孔長さＬは３ｍｍ〜３．７ｍｍ望ましい。孔長さＬの下限値である３ｍｍは、薄く加工できる寸法として設定される。この場合、噴霧孔３ｅに面する上流側の空間３ｃの中心軸線方向の幅である軸方向距離Ｄは、例えば、８．５ｍｍとされる。
【００３４】
さらに、図４に示すように、燃料ノズル３ｄの外周面に形成された複数の噴霧孔３ｅの数を多く設定することが好ましい。具体的には、燃料ノズル３ｄの外周回りに４５°以下の角度ピッチで噴霧孔３ｅを形成する。例えば、噴霧孔３ｅを３２個以下とすることが好ましい。
このように、多くの噴霧孔３ｅを形成することで、周方向に均一な噴霧濃度とすることができ、燃焼効率を向上させることができる。
【００３５】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、噴霧孔３ｅの向きが異なる点で相違し、その他は同様である。したがって、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
本実施形態の噴霧孔３ｅは、燃焼室５の接続部５ａに設けられた１次空気供給部７ａ側（円筒部３ａとは反対側）に向けて傾斜されている。すなわち、噴霧孔３ｅの傾斜角度αは、中心軸線Ａ１に直交する半径方向を０°とした場合に、０°（０°を含まず）〜７５°とされる。
例えば、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒを４３ｍｍとした場合、円板部３ｂの空間３ｃの外周端３ｃ１の円筒部３ａ側における角部３ｃ２を通過する中心軸線Ａ１に対する直交面Ｐ１から、噴霧孔３ｅの出口部の中心までの中心軸線Ａ１方向の距離ｘは、０（０を含まず）〜１３．１ｍｍとされる。距離ｘの最大値である１３．１ｍｍは、最小の孔径ｄを１．９ｍｍとした場合、噴霧孔３ｅ出口を最も軸方向下流（図５において右側）に位置させた場合の孔中心位置となる。また、噴霧孔３ｅの傾斜角度αの最大値である７５°は、この位置のときの値である。このとき、噴霧孔３ｅの孔長さＬは３ｍｍとされ、噴霧孔３ｅの入口（上流）位置は、円筒部３ａ側における角部３ｃ２に最も近い位置とされる。
【００３７】
このように、本実施形態では、燃焼室５の接続部５ａに設けられた１次空気供給部７ａ側に向けて噴霧孔３ｅを傾斜させることで、噴霧孔３ｅから噴霧された燃料Ｆを１次空気の流れに交差させて衝突させることができる。これにより、燃料Ｆの流れが引きちぎられやすくなり、燃料Ｆの微粒化を促進することができる。
【００３８】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図６を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、噴霧孔３ｅの位置が異なる点で相違し、その他は同様である。したがって、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３９】
図６（ａ）に示されているように、各噴霧孔３ｅの出口が、中心軸線Ａ１方向にずらして形成されている。具体的には、各噴霧孔３ｅは、隣り合う噴霧孔３ｅが交互に中心軸線Ａ１方向にずらされた千鳥配置とされている。
【００４０】
噴霧孔３ｅの出口中心の位置は、図６（ｂ）に示されているように、円板部３ｂの空間３ｃの外周端３ｃ１の円筒部３ａ側における角部３ｃ２を通過する中心軸線Ａ１の直交面Ｐ１から中心軸線Ａ１方向（同図における距離ｘ参照）に、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒに対して、０（０を含まず）〜０．０１８の範囲で設定される。
例えば、燃料ノズル３ｄの回転半径Ｒを４３ｍｍとした場合、距離ｘは、０（０を含まず）〜７．６ｍｍとされる。
【００４１】
このように、本実施形態では、各噴霧孔３ｅの出口が中心軸線Ａ１方向にずらして形成されているので、中心軸線Ａ１方向に均一な噴霧濃度とすることができ、燃焼効率を向上させることができる。距離ｘの最大値である７．６ｍｍは、最小の孔径ｄを１．９ｍｍとした場合、噴霧孔３ｅ出口を最も軸方向下流（図６において右側）に位置させた場合の孔中心位置となる。
【符号の説明】
【００４２】
１  遠心噴霧燃焼器
３  回転体
３ａ  円筒部
３ｂ  円板部
３ｃ  空間
３ｄ  燃料ノズル
５  燃焼室
７ａ  １次空気供給部
７ｂ  着火燃焼空気供給部
７ｃ  希釈空気供給部
９  点火プラグ
Ａ１  中心軸線（回転軸線）
Ｒ  回転半径
【図１】
0006615641.tif 000002
【図２】
0006615641.tif 000003
【図３】
0006615641.tif 000004
【図４】
0006615641.tif 000005
【図５】
0006615641.tif 000006
【図６】
0006615641.tif 000007