JP2007010173A - Nozzle burner device and thermal spraying device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、拡散燃焼方式による高負荷燃焼装置におけるバーナー火炎の安定燃焼技術に関し、より詳細には、ノズルバーナーの噴射口近傍に二次噴流を導入する高負荷燃焼装置および高速噴流火炎を安定化する方法に関する。 The present invention relates to a stable combustion technique of a burner flame in a high-load combustion apparatus using a diffusion combustion method, and more specifically, a high-load combustion apparatus that introduces a secondary jet near the nozzle outlet of a nozzle burner and a high-speed jet flame are stabilized. On how to do.
従来、工業用燃焼炉や航空宇宙用推進装置の燃焼室においては、広い作動範囲において、安定かつ高効率な燃焼の実現が求められていた。一方、騒音や大気汚染などに代表される、燃焼に起因する公害が社会的な問題となっていた。たとえば、近年、工業用燃焼炉等から生じるサーマルＮＯｘが大都市などにおける主要な大気汚染源として問題視されている。サーマルＮＯｘとは、酸化剤としての空気中に含まれる窒素と酸素とが反応することで生成するＮＯｘをいい、燃焼温度が高く、燃焼域における燃焼ガスの滞留時間が長いほど、その生成量が多くなることが知られている。また、燃焼に伴って発生する、いわゆるジェット騒音も問題となっている。これは、高負荷燃焼装置において燃料噴射口の出口速度が音速を超えていることから、流体干渉に起因する燃料ジェットの初期乱れ（せん断乱れ）が要因となって生じるものと考えられている。したがって、これら燃焼に伴う環境負荷を低減しうる高負荷燃焼機構が求められていた。 Conventionally, in a combustion chamber of an industrial combustion furnace or an aerospace propulsion device, it has been required to realize stable and highly efficient combustion in a wide operating range. On the other hand, pollution caused by combustion, represented by noise and air pollution, has become a social problem. For example, in recent years, thermal NOx generated from industrial combustion furnaces or the like has been regarded as a problem as a major air pollution source in large cities. Thermal NOx refers to NOx produced by the reaction of nitrogen and oxygen contained in the air as an oxidizer. The higher the combustion temperature and the longer the residence time of the combustion gas in the combustion zone, the greater the production amount. It is known to increase. In addition, so-called jet noise generated with combustion is also a problem. This is considered to be caused by the initial turbulence (shear turbulence) of the fuel jet due to fluid interference because the outlet speed of the fuel injection port exceeds the speed of sound in the high-load combustion apparatus. Therefore, a high-load combustion mechanism that can reduce the environmental load associated with the combustion has been demanded.
ここで、一般的な燃焼方式について簡単に説明すると、燃焼方式には、予混合燃焼方式と拡散燃焼方式があり、予混合燃焼方式とは、文字通り酸化剤と燃料を燃焼器内で予め混合したものを噴射し燃焼させる方法である。一方、拡散燃焼方式とは、燃料のみを噴射し、外部から酸化剤（空気）を供給することによって燃焼させる方法である。 Here, the general combustion method will be briefly described. The combustion method includes a premixed combustion method and a diffusion combustion method. The premixed combustion method literally mixes oxidant and fuel in advance in a combustor. It is a method of injecting and burning things. On the other hand, the diffusion combustion method is a method in which only fuel is injected and burned by supplying an oxidant (air) from the outside.
予混合燃焼方式は、拡散燃焼方式にくらべ、酸化剤と燃料が予め混合されているため燃焼速度が速い。よって、予混合燃焼方式によれば、燃焼域における燃焼ガスの滞留時間が短いため、拡散燃焼方式と比較してサーマルＮＯｘの生成を抑制しうるという利点がある。しかし、一方で、高負荷燃焼機構における予混合燃焼方式には、高温高圧化に伴う自己着火や逆火の問題などがあり、取り扱い上の危険性が高いため、工業用燃焼炉や航空宇宙用推進装置の燃焼室においては、ほとんどが拡散燃焼方式を採用している。 The premixed combustion method has a higher combustion speed than the diffusion combustion method because the oxidant and the fuel are mixed in advance. Therefore, according to the premixed combustion method, since the residence time of the combustion gas in the combustion region is short, there is an advantage that generation of thermal NOx can be suppressed as compared with the diffusion combustion method. However, on the other hand, the premixed combustion method in the high-load combustion mechanism has problems such as self-ignition and flashback due to high temperature and pressure, and there are high handling risks. Most of the combustion chambers of the propulsion device adopt a diffusion combustion system.
一方、拡散燃焼方式においては、高負荷燃焼に対応して燃料流量を増加させると火炎が燃料ノズルから浮き上がる、あるいは吹き飛ぶ（Ｂｌｏｗ−ｏｆｆ）といった不安定現象が生じるという問題があった。特に、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）において拡散燃焼方式を採用する場合、上記不安定現象が問題となる。高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）とは、高温高速のジェットフレーム（噴流火炎）により、材料（現在は主に粉末）を加熱・溶融・加速して対象物に衝突させることで扁平固化した粒子の積層により皮膜を作る表面処理技術であり、密度が高く、密着力の高い良質な皮膜を形成するためには、溶射粒子の衝突速度、すなわち、噴流火炎の速度（以下、フレーム速度という）を増大させることが必須条件となる。したがって、拡散燃焼方式を採用して高速フレーム溶射を行うに際しては、火炎の不安定現象を回避し、大流量の燃焼ガス（高速燃焼ガス）に対しても安定したフレームを維持することのできる高負荷燃焼機構が必要となる。 On the other hand, in the diffusion combustion system, there is a problem that when the fuel flow rate is increased in response to high load combustion, an unstable phenomenon occurs in which a flame rises from a fuel nozzle or blows off (Blow-off). In particular, when the diffusion combustion method is adopted in high-speed flame spraying (HVOF), the above unstable phenomenon becomes a problem. High-speed flame spraying (HVOF) is a high-temperature, high-speed jet flame (jet flame) that heats, melts, and accelerates material (currently mainly powder) to make it flat and solidify by colliding with an object. It is a surface treatment technology that creates a coating, and in order to form a high-quality coating with high density and high adhesion, it is necessary to increase the impact velocity of spray particles, that is, the velocity of the jet flame (hereinafter referred to as flame velocity). Is a prerequisite. Therefore, when performing high-speed flame spraying using the diffusion combustion method, it is possible to avoid flame instability and maintain a stable flame even with a large flow of combustion gas (high-speed combustion gas). A load combustion mechanism is required.
上述した背景の下、拡散燃焼方式による高負荷燃焼装置において、火炎の不安定現象を回避しつつ、燃焼に伴う騒音や大気汚染などの環境負荷を低減することのできるバーナー火炎の安定燃焼技術の確立が求められていた。 Under the above-mentioned background, in a high-load combustion system using a diffusion combustion method, stable combustion technology for burner flames that can reduce environmental impacts such as noise and air pollution associated with combustion while avoiding instability phenomena of flames. Establishment was required.
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、本発明は、高速噴流火炎の安定燃焼を維持しつつ、燃焼騒音およびサーマルＮＯｘの生成を抑制する、高負荷燃焼装置および溶射装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above prior art, and the present invention provides a high-load combustion apparatus and thermal spray apparatus that suppress the generation of combustion noise and thermal NOx while maintaining stable combustion of a high-speed jet flame. The purpose is to provide.
静止雰囲気（まわりの空気中）に超音速で高速噴流を噴出すると、噴流気体の流速と静止気体の流速との速度差に起因して、両者の界面にせん断層が生じ、このせん断層における気流の乱れが、燃焼騒音および火炎の不安定現象の発生原因と考えられている。そこで、最も燃料流速が高いノズルバーナー出口近傍（すなわち、火炎帯の基部）に、なんらかの二次噴流を導入することによって、上記せん断層をなんらかの形で流体力学的に制御することが、バーナー火炎の安定燃焼のために有効であると考えられる。 When a high-speed jet is ejected at a supersonic speed in a static atmosphere (in the surrounding air), a shear layer is formed at the interface between the two due to the difference in velocity between the flow velocity of the jet gas and the flow velocity of the stationary gas. Is considered to be the cause of combustion noise and flame instability. Therefore, it is possible to control the shear layer in some form hydrodynamically by introducing some secondary jet near the nozzle burner outlet where the fuel flow velocity is the highest (that is, the base of the flame zone). It is considered effective for stable combustion.
また、上述したように、サーマルＮＯｘの生成は、燃焼温度と燃焼ガスの滞留時間に依存するが、一般に燃焼温度が１５００Ｋ以下であれば滞留時間の問題もなく、過度なサーマルＮＯｘ生成は起こらないと言われている。したがって、火炎帯側面に対し、なんらかの二次噴流を導入することで、火炎温度を低減させる冷却効果により、サーマルＮＯｘの生成が抑制されることが考えられる。 As described above, the generation of thermal NOx depends on the combustion temperature and the residence time of the combustion gas, but generally, if the combustion temperature is 1500 K or less, there is no problem of the residence time, and excessive thermal NOx production does not occur. It is said. Therefore, it is considered that the generation of thermal NOx is suppressed by introducing some secondary jet to the side surface of the flame zone due to the cooling effect that reduces the flame temperature.
以上のような着想の下、本発明者は、二次噴流の流体の種類、二次噴流の噴射態様などについて鋭意検討を加えた結果、火炎帯の基部に対し、所定の態様で二次噴流を導入することによって、燃焼騒音を低減すると同時に、火炎の安定燃焼速度範囲を拡大し、さらに、火炎帯側面に対し、二次噴流を導入することによって、サーマルＮＯｘの生成を抑制することが可能であることを見出し、本発明に至ったのである。 Under the above-described concept, the present inventor made extensive studies on the type of fluid of the secondary jet, the injection mode of the secondary jet, and the like, and as a result, the secondary jet in a predetermined manner with respect to the base of the flame zone. It is possible to reduce the combustion noise while expanding the stable combustion speed range of the flame, and to suppress the generation of thermal NOx by introducing a secondary jet to the side of the flame zone As a result, the present invention was reached.
すなわち、本発明によれば、拡散燃焼方式を採用する高負荷燃焼装置であって、前記高負荷燃焼装置は、燃料噴射機構と、該燃料噴射機構の燃料の噴射方向軸について軸対称となる軸を噴射方向軸として燃焼火炎に対し気体である二次流体を噴射する二次流体噴射機構とを備える、高負荷燃焼装置、および該装置を備える溶射装置が提供される。前記燃料の噴射方向軸に前記燃料噴射機構の燃料出口の中心を交点として垂直に交わる平面と、前記二次流体の噴射方向軸とがなす角度を、０°〜９０°の範囲とすることができる。 That is, according to the present invention, a high-load combustion apparatus that employs a diffusion combustion system, the high-load combustion apparatus includes an axis that is axially symmetric with respect to a fuel injection mechanism and a fuel injection direction axis of the fuel injection mechanism. There is provided a high-load combustion apparatus including a secondary fluid injection mechanism that injects a secondary fluid that is a gas with respect to a combustion flame with the injection direction axis as the injection direction axis, and a thermal spraying apparatus including the apparatus. An angle formed by a plane perpendicular to the fuel injection direction axis perpendicular to the center of the fuel outlet of the fuel injection mechanism and an injection direction axis of the secondary fluid may be in a range of 0 ° to 90 °. it can.
また、前記二次流体の噴射方向軸が、前記燃料の噴射方向軸に垂直に交わる円であってその交点を中心とする円の接線となるように構成することもでき、前記円の中心が前記燃料噴射機構の燃料出口の中心から、燃料噴射方向に離間しており、前記離間距離が前記燃料出口の直径の３倍以下とすることができる。 The secondary fluid injection direction axis may be configured to be a circle perpendicular to the fuel injection direction axis and tangent to a circle centered on the intersection, and the center of the circle is It is spaced apart from the center of the fuel outlet of the fuel injection mechanism in the fuel injection direction, and the separation distance can be three times or less the diameter of the fuel outlet.
前記二次流体は、酸化剤を含むものとすることができ、前記燃料は、燃料として水素ガスを含むものとすることができる。 The secondary fluid may include an oxidant, and the fuel may include hydrogen gas as a fuel.
上述したように、本発明によれば、火炎に二次噴流を導入することにより、噴流気体と静止気体との界面に生じる断層を制御し、さらに、火炎温度を低減させることにより、火炎の不安定現象が回避され、燃焼騒音の発生およびサーマルＮＯｘの生成を抑制することができる燃焼装置および溶射装置を提供できる。 As described above, according to the present invention, by introducing a secondary jet into the flame, a fault generated at the interface between the jet gas and the stationary gas is controlled, and further, by reducing the flame temperature, flame failure is prevented. It is possible to provide a combustion apparatus and a thermal spray apparatus that can avoid a stable phenomenon and suppress generation of combustion noise and generation of thermal NOx.
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments shown in the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings.
図１は、本発明のノズルバーナー装置１０の火炎噴射機構部分を示した斜視図である。ノズルバーナー装置１０は、その先端に円錐状のメインノズル１２を備えており、図示しない燃料圧送機構から圧縮され燃料Ｈの供給を受け、メインノズル１２の燃料噴射口１２ａから燃料を超音速で噴射する。燃料の噴射速度は、燃料圧送機構において燃料Ｈの流量を調節することよって制御されている。噴射された燃料Ｈは、燃料噴射口１２ａ近傍の静止雰囲気から供給される空気などの酸化剤と混合されると同時に、図示しないイグナイタなどの点火装置によって点火されて燃焼し、超音速の噴流火炎となって、図中のＤを噴射方向軸として噴射される。本発明のノズルバーナー装置１０において使用する燃料は、水素であることが好ましい。水素は、炭化水素系燃料に比べ、その燃焼速度が予混合火炎において最大１０倍程度速いことが知られており、拡散燃焼方式を採用する本発明のノズルバーナー装置１０においても、燃料に水素を使用することで、燃焼域における燃焼ガスの滞留時間がその分短くなり、サーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。
FIG. 1 is a perspective view showing a flame injection mechanism portion of a
本発明のノズルバーナー装置１０は、燃料噴射口近傍に、メインノズル１２のほかに、複数の二次ノズル１６を備えている。二次ノズル１６は、図示しない二次流体圧送機構から二次流体Ｓの供給を受け、二次流体噴射口１６ａから二次流体Ｓを噴射する。本発明においては、二次流体Ｓとして、酸化剤として作用する流体、たとえば空気などを用いることができ、また、窒素などの燃焼に寄与しない流体を火炎の制御のために用いることもできる。二次流体Ｓの噴射速度は、二次流体圧送機構において二次流体Ｓの流量を調節することよって適宜制御することができ、本発明においては、二次流体Ｓの噴射速度は、フレーム速度に著しく影響を与えることがなく、火炎および燃焼騒音を好適に制御しうる速度に最適化することができる。本発明においては、二次流体Ｓの噴射速度を、フレーム速度の１／１５０〜１／５０程度とすることができる。
The
図１に示す実施の形態においては、ノズルバーナー装置１０は４つの二次ノズル１６を備えている。４つの二次ノズル１６は、メインノズル１２の外周部に設けられた支持盤１４の開口部を介して、燃料噴射口１２ａの中心軸に対し軸対称となるような位置にそれぞれが固定されている。二次ノズル１６の先端部は屈曲して形成されており、二次ノズル１６の二次流体噴射口１６ａの中心軸が、燃料噴射口１２ａの中心軸に対して垂直となるように、すなわち、二次流体Ｓの噴射軸と、燃料Ｈの噴射軸Ｄとが垂直に交わるように支持盤１４によって位置決めされている。本発明においては、メインノズル１２を支持盤１４に固着せず、必要に応じて固定位置を変えられるよう構成することができる。本発明のノズルバーナー装置１０においては、二次ノズル１６を、図に示すＸＹ方向に枢軸回動させて二次ノズル１６の固定位置を変えることができるように構成されており、後述するように、火炎帯に対する二次流体Ｓの噴射方向を調節し、その最適化を図ることができるようになっている。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
図２は、本発明のノズルバーナー装置１０の火炎噴射機構部分の側面図を示した図である。なお、図２においては、説明の便宜のため、対向する一対の二次ノズル１６のみを示している。上述したように、二次ノズル１６は、二次流体噴射口１６ａの中心軸Ｅが、燃料噴射口１２ａの中心軸Ｄに対して垂直となるように固定されており、かつ、二次流体噴射口１６ａの中心軸Ｅが、燃料噴射口１２ａから火炎の噴射方向に距離Ｌだけ離間した状態で固定されている。本発明のノズルバーナー装置１０においては、メインノズル１２を図に示すＺＷ方向を動かして、二次ノズル１６の固定位置を変えることができるように構成されており、後述するように、火炎帯に対する二次流体Ｓの噴射位置（高さ）を調節して、その最適化を図ることができるようになっている。本発明においては、距離Ｌを、燃料噴射口１２ａの直径の３倍程度にすることができる。
FIG. 2 is a view showing a side view of a flame injection mechanism portion of the
図３は、本発明のノズルバーナー装置１０の火炎噴射機構部分の上面図を示した図である。図３は、４つの二次ノズル１６が、燃料噴射口１２ａの中心軸に対し軸対称となる位置で支持盤１４に固定されていることを示す。図３（ａ）は、二対の二次ノズル１６が対向する形で固定された態様を示す。また、図３（ｂ）は、各二次ノズル１６が、図３（ａ）に示す状態から、図に示すＸ方向に回動して新たに位置決めされた態様を示す。本発明のノズルバーナー装置１０においては、各二次ノズル１６を連動して回動させ、４つの二次ノズル１６が、燃料噴射口１２ａの中心軸に対し常に軸対称となるように構成することが好ましい。
FIG. 3 is a top view of the flame injection mechanism portion of the
図４は、メインノズル１２から、火炎Ｆが噴射する態様を示した図である。図４（ａ）は、火炎Ｆが噴射する態様をメインノズル１２の側面から見た図である。なお、図４（ａ）においては、説明の便宜のため、対向する一対の二次ノズル１６のみを示している。図４（ａ）に示すように、拡散燃焼方式においては、火炎Ｆは、燃料噴射口１２ａから噴射され、噴射方向Ｄに向かうにしたがって拡散していく。メインノズル１２から噴射される火炎のフレーム速度は、燃料噴射口１２ａ近傍、すなわち、火炎帯の基部において最も高い。噴流火炎と静止雰囲気との速度差によって生じるせん断層が、上述した燃焼騒音および火炎の不安定現象を誘発しているものと考えられることから、静止雰囲気との速度差が最も大きくなる、火炎帯の基部と静止雰囲気との界面に対し何らかの流体力学的制御を与えることが、上述した、せん断乱れによる騒音を低減し、また、火炎の安定化のために有効であると考えられる。上記知見に基づき、本発明のノズルバーナー装置１０においては、上述したように、可動性の二次ノズルの固定位置（高さ）を調節することで、火炎Ｆの基部に対する好適な二次流体噴射を可能にする構成を備えている。
FIG. 4 is a view showing a mode in which the flame F is ejected from the
図４（ｂ）は、火炎Ｆに対し、二次ノズル１６から二次流体Ｓが噴射される態様を、火炎Ｆの噴射方向Ｄから見た図である。燃料噴射口１２ａ近傍、すなわち、火炎帯の基部においては、火炎Ｆの形状は略円筒状になっており、４つの二次ノズル１６の噴射軸を含む平面における火炎Ｆの断面は、おおよそ、直径Ｑの円Ｃに近い形状となる。図中の点線は、火炎Ｆの上記断面を示す。本発明者は、火炎に対する二次流体の噴射方向につき鋭意検討を重ねた結果、図４（ｂ）に示すように、二次流体Ｓを火炎Ｆに対し噴射する際、二次流体Ｓが火炎帯の外周に接するように噴射した場合、すなわち、二次流体Ｓの噴射方向軸が、火炎Ｆの基部における上記円Ｃに対しおおよそ接線となる場合に、火炎の安定化、燃焼騒音の低減およびサーマルＮＯｘの抑制に効果を示し、特に、火炎の安定化および燃焼騒音の低減に対し特異的な効果を示すことを見出した。上記知見に基づき、本発明のノズルバーナー装置１０は、上述したような可動性二次ノズル１６を備え、二次流体Ｓの噴射方向を適宜変化させて、火炎Ｆに対する二次流体の噴射方向を最適化することができる構成を備えている。
FIG. 4B is a view of the aspect in which the secondary fluid S is injected from the
図５は、本発明の第２の実施形態であるノズルバーナー装置１０の燃料噴射口近傍の側面図である。なお、図５においては、説明の便宜のため、対向する一対の二次ノズル１６のみを示している。本実施形態においては、二次ノズル１６は、火炎Ｆの噴射の方向軸Ｄに、燃料噴射口１２ａの中心を交点として垂直に交わる平面Ｐと、二次ノズル１６の噴射の方向軸とが角度θをなす位置に固定されている。本発明においては、上記角度θを０°〜９０°のレンジで変えることができるように構成することもできる。二次ノズル１６が、特に角度θが直角に近い角度をなす位置に固定された場合、二次流体Ｓと火炎Ｆとが、火炎Ｆの基部のみならず、火炎帯の側面全体において接触することによって、火炎温度を低減させる冷却効果を奏し、サーマルＮＯｘの生成を抑制するものと考えられる。
FIG. 5 is a side view of the vicinity of the fuel injection port of the
以上、本発明のノズルバーナー装置１０について説明してきたが、本発明は、ノズルバーナー装置における二次流体噴射機構を、上述した実施形態に限定するものではない。二次ノズルの数は４つに限られるものではなく、その数は適宜選択することができる。さらに、たとえば、図６に示すように、火炎帯の基部を制御噴射するための二次ノズルＳ１と、火炎帯の側面全体を冷却噴射するための二次ノズルＳ２を両方設けることもでき、それぞれの二次流体噴射を使い分け、あるいは、組み合わせることが可能な構成とすることもできる。また、本発明におけるノズルバーナー装置の二次流体噴射機構は、ノズル形状部材によって構成されるものに限定されず、ノズルバーナー装置の筐体と一体化した二次流体の流通路として形成し、二次流体の噴射方向を流通路に設けられた可動弁などによって制御する構成とすることもできる。
As mentioned above, although the
図７は、本発明のノズルバーナー装置１０を備えた高速フレーム溶射装置５０が基材表面部５２に対して溶射を行っている態様を示した図である。溶射材料供給路５４から供給された溶射材料Ｔは、ノズルバーナー装置１０から噴射される噴流火炎によって加熱、溶解、加速され、基材表面部５２に衝突する。衝突した溶射材料Ｔは、基材表面部５２上で扁平固化して積層し、溶射皮膜５６となる。本発明の高速フレーム溶射装置５０は、従来の高速フレーム溶射装置の１．５倍以上のフレーム速度を実現することができるため、溶射材料Ｔの衝突速度が高速化され、その結果、緻密かつ高密度で密着力の高い溶射皮膜５６の形成が可能となる。
FIG. 7 is a view showing an aspect in which the high-speed
以下、本発明のノズルバーナー装置１０について、実施例を用いてより具体的に説明を行うが、本発明は後述する実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, although the
図８は、本発明のノズルバーナー装置１０の特性を評価するために使用した基本的な実験装置４０を示す。実験装置４０は、概ね、本発明のノズルバーナー装置１０と、二次ノズル１６と、燃料である水素を供給する水素高圧ボンベ２０と、二次流体である空気および窒素をそれぞれ供給するための、空気高圧ボンベ２２および窒素高圧ボンベ２４と、各種計測機器類とを含んで構成されている。なお、図８においては、説明の便宜のため、対向する一対の二次ノズル１６のみを示している。ノズルバーナー装置１０は、先端部にメインノズル１２を備えており、本実施例においては、メインノズル１２は、燃料噴射口の直径が１ｍｍのものを使用し、二次ノズル１６は、二次流体噴射口の直径１．８ｍｍのものを使用した。水素高圧ボンベ２０は、所定の配管を通してノズルバーナー装置１０に水素を供給するようになっており、水素高圧ボンベ２０とノズルバーナー装置１０の間には、燃料用流量調節バルブ２６が設けられ、燃料用流量調節バルブ２６とノズルバーナー装置１０の間には、燃料の流量を計測するための燃料用流量計２８が設けられている。同じく、空気高圧ボンベ２２および窒素高圧ボンベ２４は、所定の配管を通して二次ノズル１６に空気または窒素を選択的に供給できるようになっており、空気高圧ボンベ２２および窒素高圧ボンベ２４と二次ノズル１６の間には、二次流体用流量調節バルブ３０が設けられ、二次流体用流量調節バルブ３０と二次ノズル１６の間には、二次流体の流量を計測するための二次流体用流量計３２が設けられている。
FIG. 8 shows a basic
計測機器類は、ＮＯｘの濃度を計測するためＮＯｘメーター３４（型式ＰＧ−２４０、堀場製作所製、測定可能成分、ＮＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２）と、燃焼騒音を計測するためのマイクロフォン３６（型式ＬＡ−１２５０，小野測器製，計測範囲（性能）；３０−１４０ｄＢ，周波数範囲；２０−８０００Ｈｚ）と、火炎の状態を撮影するためのビデオカメラ３８とを含む。
The measuring instruments include a NOx meter 34 (model PG-240, manufactured by HORIBA, Ltd., measurable components, NOx, CO, CO 2 , O 2 ) for measuring the concentration of NOx, and a
本発明のノズルバーナー装置１０の特性評価実験の手順を簡単に説明すると、燃料用流量調節バルブ２６および燃料用流量計２８を用いて、燃料の流速、すなわち火炎の噴射速度（噴射口近傍）を低速域から高速域（０〜３０００ｍ／ｓ）まで変化させて、メインノズル１２から火炎噴射を行うとともに、火炎に対し、二次流体用流量調節バルブ３０および二次流体用流量計３２を用いて、二次ノズル１６から一定の流速（１９．３ｍ／ｓ）で窒素または空気を選択的に噴射した。なお、後述する特性分析においては、上記火炎の噴射速度を、実測値ではなく、燃料用流量計２８の流量値とメインノズル１２の燃料噴射口の直径から理論値として算出し、これを用いた。それぞれの速度条件における、（１）火炎の浮き上がり高さ（ｍｍ）、（２）ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）、（３）燃焼騒音（ｄＢ）を計測した。上記、火炎の浮き上がり高さ（ｍｍ）は、火炎の安定性の指標として、メインノズル１２の燃料噴射口１２ａと、実際の燃焼域の下端との距離を計測したものであって、ビデオカメラ３８によって、火炎をデジタル撮影し、コンピュータ解析によって求めた。また、ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）の測定は、ＮＯｘの濃度計測用プローブ３４ａを火炎の燃焼域内に配置して行った。上述した手順において、メインノズル１２に対する４本の二次ノズル１６の固定位置を変えて、二次流体が窒素である場合および空気である場合それぞれについて、本発明のノズルバーナー装置１０の特性評価を行った。
Briefly explaining the procedure of the characteristic evaluation experiment of the
図９は、実験を行ったメインノズル１２に対する４本の二次ノズル１６の位置関係を示す図である。図９（ａ）は、実施例１における、メインノズル１２に対する４つの二次ノズル１６の位置を示す。実施例１においては、メインノズル１２の燃料噴射口１２ａの中心軸に対し軸対称となる位置に各二次ノズル１６を固定した。この点については、後述する実施例２および３についても同様である。また、二次流体噴射口１６ａの中心軸が、燃料噴射口１２ａから火炎の噴射方向に３ｍｍ離間するように各二次ノズル１６を固定した。この点については、後述する実施例２についても同様である。さらに、実施例１においては、４つの二次ノズル１６の二次流体噴射口１６ａの中心軸が燃料噴射口１２ａの中心軸上で垂直に交差するように、各二次ノズル１６を固定した。図９（ｂ）は、実施例２における、メインノズル１２に対する４本の二次ノズル１６の位置を示す。実施例２においては、二次ノズル１６の二次流体噴射口１６ａの方向軸が、火炎帯の断面と仮定される円であって、燃料噴射口１２ａの中心軸と垂直に交わる円（半径１０ｍｍ）の接線となるような位置に各二次ノズル１６を固定した。さらに、図９（ｃ）は、実施例３における、メインノズル１２に対する４本の二次ノズル１６の位置を示す。実施例３においては、二次ノズル１６の二次流体噴射口１６ａの方向軸とメインノズル１２の燃料噴射口１２ａの方向軸とが角度θをなす位置に二次ノズル１６を固定した。なお、比較例として、上述したのと同様の条件下、二次噴射を伴わない状態で、ノズルバーナー装置１０のメインノズル１２から噴射させて燃焼特性を評価した。上記実験によって得られたデータを、各特性ごとにまとめた結果を以下に示す。
FIG. 9 is a diagram illustrating the positional relationship of the four
（実験結果１：浮き上がり高さの評価）
図１０は、実施例１〜３について、火炎の浮き上がり高さ（ｍｍ）とフレーム速度（ｍ／ｓ）との関係を示した図である。図１０（ａ）は、二次流体に窒素を用いた場合、図１０（ｂ）は、二次流体に空気を用いた場合を示す。なお、図１０（ａ）中の記号Ｇは、火炎が吹き消えたこと（Ｂｌｏｗ−ｏｆｆ）を示すものであり、図１０〜１１においても同様である。
(Experimental result 1: Evaluation of floating height)
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the flame height (mm) and the frame speed (m / s) in Examples 1 to 3. FIG. 10A shows a case where nitrogen is used as the secondary fluid, and FIG. 10B shows a case where air is used as the secondary fluid. Note that the symbol G in FIG. 10A indicates that the flame has blown off (Blow-off), and the same applies to FIGS.
火炎を維持しうるフレーム速度の範囲（以下、燃焼範囲という）の拡大に関しては、実施例２において、顕著な効果が確認された。図１０は、実施例２の燃焼範囲が格段に拡大していることを示している。特に、図１０（ｂ）が示すように、空気の二次噴射を伴った実施例２の場合、比較例では、噴射速度が約１２００ｍ／ｓ程度で火炎が吹き消えているのに対し、実施例２では、噴射速度が３０００ｍ／ｓを超えても火炎を維持し続けた結果、比較例に比べ燃焼範囲が２倍以上に拡大していることがわかる。一般的な高速フレーム溶射におけるフレーム速度は２０００ｍ／ｓ程度であることに鑑みれば、その約１．５倍の３０００ｍ／ｓ以上の出口噴射速度においても安定した火炎が形成されていることになり、本発明のノズルバーナー装置を、高速フレーム溶射に適用した場合に、高品質な溶射被膜形成のために必要十分な速度で安定した火炎噴流を提供しうることがわかった。 With respect to the expansion of the flame speed range (hereinafter referred to as the combustion range) capable of maintaining the flame, a remarkable effect was confirmed in Example 2. FIG. 10 shows that the combustion range of Example 2 is remarkably expanded. In particular, as shown in FIG. 10B, in the case of Example 2 with secondary injection of air, in the comparative example, the flame was blown off at an injection speed of about 1200 m / s. In Example 2, it can be seen that as a result of maintaining the flame even when the injection speed exceeds 3000 m / s, the combustion range is expanded more than twice as compared with the comparative example. Considering that the flame speed in general high-speed flame spraying is about 2000 m / s, a stable flame is formed even at an outlet injection speed of 3000 m / s or more, which is about 1.5 times that, It has been found that when the nozzle burner device of the present invention is applied to high-speed flame spraying, a stable flame jet can be provided at a speed sufficient for forming a high-quality sprayed coating.
（実験結果２：ＮＯｘ生成抑制の評価）
図１１は、実施例１〜３について、ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）と火炎噴射速度（ｍ／ｓ）との関係を示した図である。図１１（ａ）は、二次流体に窒素を用いた場合、図１１（ｂ）は、二次流体に空気を用いた場合を示す。
(Experimental result 2: Evaluation of NOx production suppression)
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the NOx concentration (ppm) and the flame injection speed (m / s) for Examples 1 to 3. FIG. 11A shows a case where nitrogen is used as the secondary fluid, and FIG. 11B shows a case where air is used as the secondary fluid.
ＮＯｘ生成の抑制に関しては、実施例３において、顕著な効果が確認された。また、実施例２においても過度なＮＯｘ生成には至らないことがわかった。 Regarding the suppression of NOx production, a remarkable effect was confirmed in Example 3. It was also found that Example 2 did not lead to excessive NOx generation.
（実験結果３：燃焼騒音抑制の評価）
図１２は、実施例１〜３について、騒音レベル（ｄＢ）と火炎噴射速度（ｍ／ｓ）との関係を示した図である。図１２（ａ）は、二次流体に窒素を用いた場合、図１２（ｂ）は、二次流体に空気を用いた場合を示す。
(Experimental result 3: Evaluation of combustion noise suppression)
FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between the noise level (dB) and the flame injection speed (m / s) in Examples 1 to 3. FIG. 12A shows a case where nitrogen is used as the secondary fluid, and FIG. 12B shows a case where air is used as the secondary fluid.
燃焼騒音の抑制に関しては、実施例２において、顕著な効果が確認された。
図１２が示すように、実施例２においては、比較例と比べて、最大１０ｄＢ程度の騒音低減を達成していることがわかった。上述した実験結果２および３から、本発明のノズルバーナー装置が、環境負荷を好適に低減しうることがわかった。上記実験結果から得た、実施例１〜３の評価を表にまとめて以下に示す。なお表中の記号は、比較例との比較評価を示し、◎は、「大幅に改善」、○は、△は、「同等」、×は、「劣る」を意味する。
Regarding the suppression of combustion noise, a remarkable effect was confirmed in Example 2.
As shown in FIG. 12, it was found that the noise reduction of about 10 dB at the maximum was achieved in Example 2 as compared with the comparative example. From the
以上説明したように、本発明によれば、高速噴流火炎の安定燃焼を維持しつつ、燃焼騒音およびサーマルＮＯｘの生成を抑制する、高負荷燃焼対応型ノズルバーナー装置が提供される。本発明のノズルバーナー装置は、たとえば、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、スクラムジェットエンジン、水素燃焼ガスタービンおよび水素バーナーを用いたヒーターなどにおける、燃料噴射、保炎装置に適用することができる。 As described above, according to the present invention, there is provided a high-load combustion compatible nozzle burner device that suppresses the generation of combustion noise and thermal NOx while maintaining stable combustion of a high-speed jet flame. The nozzle burner device of the present invention can be applied to a fuel injection and flame holding device in, for example, a high-speed flame spraying (HVOF), a scramjet engine, a hydrogen combustion gas turbine, and a heater using a hydrogen burner.
１０…ノズルバーナー装置、１２…メインノズル、１２ａ…燃料噴射口、１４…支持盤、１６…二次ノズル、１６ａ…二次流体噴射口、２０…水素高圧ボンベ、２２…空気高圧ボンベ、２４…窒素高圧ボンベ、２６…燃料用流量調節バルブ、２８…燃料用流量計、３０…二次流体用流量調節バルブ、３２…二次流体用流量計、３４…ＮＯｘメーター、３４ａ…プローブ、３６…マイクロフォン、３８…ビデオカメラ、４０…実験装置、５０…高速フレーム溶射装置、５２…基材表面部、５４…溶射材料供給路、５６…溶射皮膜
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記燃焼装置は、燃料噴射機構と、
該燃料噴射機構の燃料の噴射方向軸について軸対称となる軸を噴射方向軸として燃焼火炎に対し気体である二次流体を噴射する二次流体噴射機構と
を備える、燃焼装置。 A combustion apparatus adopting a diffusion combustion method,
The combustion device includes a fuel injection mechanism;
A combustion apparatus comprising: a secondary fluid injection mechanism that injects a secondary fluid that is a gas to the combustion flame with an axis that is symmetric about the fuel injection direction axis of the fuel injection mechanism as an injection direction axis.
A thermal spraying apparatus provided with the combustion apparatus described in any one of Claims 1-6.
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