JP2017062084A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器において、単純な機構で振動の抑制を図る。
【解決手段】内部で燃料が燃焼される燃焼容器１０と、上記燃焼容器１０内に燃料を噴射し火炎を形成するバーナ１１とを備える燃焼器１であって、上記燃焼容器１０に対して外側から接続されると共に、上記燃焼容器１０内部に定在波を形成する音響波が入り込む音波管１２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼器に関するものである。

燃焼器は、自励的な圧力振動が発生する場合がある。この圧力変動は、加熱による内部圧力の上昇、内部圧力の上昇による燃料供給量の減少、燃料供給量の減少による発熱量の減少、発熱量の減少による内部圧力の低下を周期的に繰り返すことにより発生している。この振動を抑制するための手法として、例えば、発熱量の変動を抑制するために高速応答のバルブを取り付ける場合がある。また、特許文献１には、振動を抑制するための手法として音響共鳴モード発生手段を備えた燃焼器が開示されている。

特開２０００−０５５３１８号公報

高速応答バルブによる手法は、燃焼器の圧力変動に応じて高速応答バルブを開閉することで燃料の吐出量を調節するものである。また、特許文献１に開示された音響共鳴モード発生手段による手法は、温度を調整する機構や、管の長さを調整する機構を備えるものである。これらの手法は、共に機構が複雑である。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、燃焼器において単純な機構で振動の抑制を図ることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、内部で燃料が燃焼される燃焼容器と、上記燃焼容器内に燃料を噴射し火炎を形成するバーナとを備える燃焼器であって、上記燃焼容器に対して外側から接続されると共に、上記燃焼容器内部に定在波を形成する音響波が入り込む音波管を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記音波管は、上記音響波の半波長の奇数倍の長さであるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記音波管は、抑制対象である振動の伝播方向にて、上記バーナの火炎の発熱量が最大となる位置で上記燃焼容器に接続されるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１または第２の発明において、上記音波管は、抑制対象である振動の伝播方向にて、火炎形成領域の重心位置で上記燃焼容器に接続されるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４のいずれか一つの発明において、上記音波管は、両端が上記燃焼容器に対して接続されているという構成を採用する。

本発明によれば、燃焼器は、燃焼容器に外側から接続されると共に燃焼容器内部に定在波を発生させる音響波が入り込む音波管を備える。このような本発明によれば、音波管に音響波が入り込むことにより、燃焼容器内に形成される定在波による燃焼容器の振動を弱めることができる。したがって、燃焼器において、単純な機構で振動の抑制を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃焼器の概略斜視図である。 火炎形成領域の燃料噴射方向における発熱量の分布の一例を示すグラフである。 本発明の一実験例の実験装置の概略構成図である。 （ａ）が音波管の長さを変更したときの音波管の振動周波数を示すグラフであり、（ｂ）が音波管の長さを変更したときのＱ値の逆数を示すグラフである。 接続する音波管の本数を変化させたときの、Ｑ値の逆数を示すグラフである。 一端を閉塞した音波管を容器部に２本接続したときの、Ｑ値の逆数のグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼器の一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態に係る燃焼器１の概略斜視図である。本実施形態の燃焼器１は、図１に示すように、燃焼容器１０と、バーナ１１と、音波管１２とを備える。燃焼容器１０は、耐熱材料で形成された円筒形の容器である。この燃焼容器１０は、バーナ開口１０ａと、音波管接続開口１０ｂとを有している。バーナ開口１０ａは、バーナ１１が接続される開口であり、燃焼容器１０の底面中央に形成されている。音波管接続開口１０ｂは、音波管１２の両端が接続される２つの開口であり、燃焼容器１０の周面に形成されている。これらの音波管接続開口１０ｂは、燃焼容器１０の周方向に配列されており、燃焼容器１０の軸芯Ｌ１に沿う方向において、同一箇所に配列されている。このような燃焼容器１０は、内部にバーナ１１によって火炎が形成される。

バーナ１１は、図１に示すように、燃焼容器１０のバーナ開口１０ａに接続されており、燃焼容器１０内に上面方向へと燃料を噴射している。このバーナ１１は、燃料を燃焼容器１０の軸芯Ｌ１に沿って噴射することで、軸芯Ｌ１に沿って伸びる火炎を形成する。なお、この火炎が形成される領域を火炎形成領域Ａとする。

本実施形態においては、火炎を形成することによって生じる燃焼容器１０内の振動は、図１の軸芯Ｌ１に沿って伝播しているものとする。また、本実施形態においては、軸芯Ｌ１に沿って伝播する振動を抑制対象とする。つまり、本実施形態において、抑制対象となる振動伝播方向は、軸芯Ｌ１に沿った方向となる。

図２は、火炎形成領域Ａの燃料噴射方向における発熱量の分布の一例を示すグラフである。このグラフの横軸は燃料噴射方向（軸芯Ｌ１に沿う方向）における位置ｘを示し、縦軸は発熱量ｑを示している。本実施形態における火炎形成領域Ａは、燃焼容器１０の内部において、図２に示すように、バーナ開口１０ａ近傍と、燃焼容器１０の上面側では発熱量が小さく、中央近傍で発熱量が最大となる発熱量分布をもつ。なお、図２に示す発熱量分布は、あくまでも一例である。このような発熱量ｑと燃料濃度φとの関係は、例えば、下記式（１）によって表される。なお、式（１）中のｘは燃料噴射方向における位置、ｆ（ｘ）は発熱量の偏導関数、τは遅れ時間、＾は変分、￣は平均値を示している。

また、燃焼容器１０内部には音響波が発生する。この音響波により、燃焼容器１０内部の圧力変動の定在波が形成される。なお、燃焼容器１０内には、様々な周波数の音響波が発生していると考えられるが、このうち、燃焼容器１０の固有振動数と等しい、また固有振動数に近い周波数成分の定在波が卓越する。したがって、卓越した定在波を形成する音響波の波長は、燃焼容器１０の固有振動数から算出可能である。なお、以下の説明では、燃焼容器１０の内部で卓越する定在波を形成する音響波を定在音響波と称する。

音波管１２は、両端が音波管接続開口１０ｂを介して燃焼容器１０に外側から接続された配管である。ここで、定在音響波によって形成される定在波の波長をλとすると、音波管１２の管長はλ／２に設定される。このような音波管１２には、燃焼容器１０内部の定在音響波が入り込む。

このような燃焼器１によれば、燃焼容器１０に対して外側から接続された音波管１２を備える。これにより、燃焼容器１０の内部の定在音響波が音波管１２に入り込み、以下の実験例に示すように、燃焼容器１０の内部の定在波による燃焼容器１０の振動が抑制される。

ここで、本実施形態の燃焼器１の効果を示す実験について、図３〜５を参照して説明する。

図３は、実験装置２の概略構成図である。実験装置２は、図３に示すように、実験容器２０と、スピーカ２１と、音波管２２と、容器内振動検出器２３と、音波管内振動検出器２４とを備える。実験容器２０は、容器部２０ａと、支持部２０ｂとからなる。容器部２０ａは、燃焼容器１０を模擬した円筒形の容器である。このような容器部２０ａは、音波管２２が接続される音波管接続開口２０ｃを側面に有している。

スピーカ２１は、容器部２０ａの底面に設置されており、燃焼器１の火炎によって発生する発熱量の時間的変動を模擬するための装置である。このようなスピーカ２１によって発生する定在音響波は、容器部２０ａ内に定在波Ｂを形成する。音波管２２は、容器部２０ａの軸芯Ｌ２に沿う方向において、定在音響波によって形成される定在波Ｂの腹が位置する箇所で容器部２０ａに両端が接続されている。この音波管２２は、管長がＬである。

容器内振動検出器２３は、容器部２０ａの上面に設置されており、定在波による容器部２０ａの振動を計測している。音波管内振動検出器２４は、音波管２２の外周面に設置されており、音波管２２内の振動を計測している。なお、容器内振動検出器２３及び音波管内振動検出器２４から得られた信号は、不図示のフィルターを介してノイズが除去され、不図示のディレイ装置とアンプを介してスピーカ２１に遅れ時間τとフィードバックゲインＧでフィードバックされる。ここでの遅れ時間τは、上記式（１）の遅れ時間τに相当し、フィードバックゲインＧは上記（１）における発熱量の偏導関数ｆ（ｘ）の大きさに相当する。このような実験装置２により、燃焼器１における燃焼の不安定性が模擬される。

このような実験装置２は、容器内振動検出器２３及び音波管内振動検出器２４で計測される振動が遅れ時間τとフィードバックゲインＧでスピーカ２１にフィードバックされることによって自励振動を発生させ、燃焼器１における燃焼の不安定性を模擬する。本実験では、音波管２２の管長Ｌ及び本数を変更しながら、容器部２０ａ及び音波管２２の振動を計測し、その特性を検証した。

まず、音波管２２の管長Ｌを変化させたときの、容器部２０ａ及び音波管２２の振動状態を計測した。図４は、（ａ）が音波管２２の管長Ｌを変更したときの容器部２０ａの振動周波数ｆを示すグラフであり、（ｂ）が音波管２２の管長Ｌを変更したときの容器部２０ａのＱ値の逆数を示すグラフである。（ａ）のグラフは、横軸がＬ／λをとり、縦軸が容器部２０ａの振動周波数ｆをとっている。図４（ａ）に示すように、音波管２２の管長Ｌを増加させていくと、Ｌ／λが０．５及び１．５近傍の値を取るとき、大きく容器部２０ａの振動周波数ｆが変化することがわかる。また、容器部２０ａの振動周波数ｆは、管長Ｌがλ変化するごとに、周期的に変化すると考えられる。

（ｂ）のグラフは、横軸にＬ／λをとり、縦軸に１／Ｑをとっている。Ｑ値は、振動エネルギの状態を表す無次元数であり、１／Ｑが大きいほど、振動の減衰が早く、安定した状態を示している。このグラフに示すように、音波管２２の管長Ｌを増加させていくと、Ｌ／λが０．５及び１．５近傍の値を取るときに１／Ｑが極大となることがわかる。すなわち、Ｌ／λが０．５及び１．５近傍の値を取るとき、容器部２０ａの振動が小さくなっている。（ａ）のグラフ及び（ｂ）のグラフより、音波管２２の管長Ｌがλ／２の奇数倍の値をとるとき、効果的に容器部２０ａの振動が抑制されると考えられる。なお、図４（ｂ）に示すように、Ｌ／λが０．５及び１．５でなくとも、Ｑ値の逆数はゼロにはならず、振動の抑制効果は期待できる。

次に、管長λ／２の音波管２２を複数接続したときの容器部２０ａのＱ値の逆数を求めた。図５は、接続する音波管２２の本数を変化させたときの、容器部２０ａのＱ値の逆数を示すグラフである。図５のグラフは、横軸にスピーカ２１から出力するフィードバックゲインＧ（ｄＢ）をとり、縦軸に１／Ｑをとっている。この図５においては、１／Ｑが０付近で振動が自励的になった。

図５のグラフに示すように、音波管２２が接続されていない場合の容器部２０ａと、音波管２２が１本接続されている場合の容器部２０ａとを比較すると、音波管２２が１本接続されている容器部２０ａは、より大きなフィードバックゲインが入力されても安定度を保持していることがわかる。さらに、音波管２２が１本接続されている場合の容器部２０ａと、音波管２２が２本接続されている場合の容器部２０ａとを比較すると、音波管２２が２本接続されている場合の容器部２０ａは、さらに大きな振動においても安定度を保持していることがわかる。したがって、容器部２０ａに接続される音波管２２の本数が多いほど、容器部２０ａの大きな振動を抑制させることができると考えられる。

再び本実施形態の燃焼器１の説明に戻る。本実施形態の燃焼器１では、燃焼容器１０に接続された音波管１２によって振動が抑制されている。したがって、単純な機構で燃焼器１の振動の抑制を図ることができる。

音波管１２は、定在音響波の波長λに対して、λ／２の管長をもつ。上記実験例より音波管１２の管長が定在音響波の波長λの１／２の奇数倍である場合には、振動抑制効果が高い。したがって、本実施形態の燃焼器１によれば、より確実に振動を抑制することが可能である。

また、音波管１２は、両端が燃焼容器１０に接続されている。これにより、音波管１２の両端から定在音響波が入り込むため、より効率的に音波管１２に定在音響波を取り込むことができる。したがって、これによっても、燃焼器１の振動を効率的に抑制することが可能である。

上記実験例より、以下のような作用原理が考えられる。
燃焼容器１０の内部の定在音響波は、長さがλ／２の奇数倍の管に入り込みやすい特性があると考えられる。音波管１２に入り込んだ定在音響波は、音波管１２内部のλ／２の奇数倍の距離を通過し、燃焼容器１０内に戻される。このとき、音波管１２に入り込んだ定在音響波は、燃焼容器１０内の定在音響波と位相がずれた状態で燃焼容器１０へと戻されることとなる。これにより、音波管１２に入り込んだ定在音響波は、燃焼容器１０内の定在波を弱め、燃焼容器１０内の定在音響波を相殺し、振動を小さくすると考えられる。

あるいは、定在音響波は、音波管１２に入り込み、例えば、音波管１２を振動させ、熱エネルギに代わるなどして、エネルギが散逸される。したがって、音波管１２内部に入り込む定在音響波は減衰し、これに伴い、燃焼容器１０内の定在音響波の振動エネルギは減少する。これによっても、燃焼容器１０の振動は小さくなると考えられる。

この音波管１２は、定在音響波によって形成される定在波の音圧が高い位置、つまり定在波の腹の位置に取り付けることで、効果的に定在音響波を取り込むことができる。ここで、上述のように、発熱の変動が圧力の変動を発生させている。したがって、例えば、式（１）に基づいて火炎形成領域Ａの重心を求め、抑制対象となる振動の伝播する方向（すなわち本実施形態では軸芯Ｌ１に沿う方向）における重心の位置に音波管１２を接続することで、定在波の腹または腹近傍に音波管１２を接続できる。または、図２に示す発熱量ｑの分布から、抑制対象となる振動の伝播する方向において発熱量の最も大きい位置において、音波管１２を燃焼容器１０に接続することでも、定在波の腹または腹近傍に音波管１２を接続できる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、音波管１２の管長は、λ／２としたが、本発明はこれに限定されない。音波管の管長は、λ／２の奇数倍であれば、管長λ／２のときと同程度の振動抑制効果を得ることが可能である。

また、上記実施形態においては、音波管１２は、両端を燃焼容器１０に接続されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。図６は、一端を閉塞した音波管２２を容器部２０ａに２本接続したときの、Ｑ値の逆数のグラフである。なお、このときの定在音響波の波長λは１００ｃｍである。このグラフに示すように、音波管２２の管長Ｌが２０ｃｍ及び８０ｃｍ近傍において、Ｑ値の逆数は極大値をとる。このことから、一端が閉塞した音波管１２を容器部２０ａに接続する場合、管長をλ／４の奇数倍とすると、振動を抑制可能であると考えられる。したがって、管長をλ／４とし、一端を閉塞した音波管１２を燃焼容器１０に接続する場合においても、燃焼器１の振動の抑制が可能である。

さらに、上記実施形態においては、燃焼容器１０には、音波管１２が１本接続されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。上記実験により、図５に示すように、音波管１２を複数本取り付けると、より大きな振動エネルギに対して、振動抑制効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、音波管１２は、燃焼容器１０内部に定在音響波によって形成される定在波の同一の腹のうち異なる位置同士を接続するものとしたが、本発明はこれに限定されない。音波管１２は、定在音響波によって形成される定在波の異なる腹同士を接続するものとしてもよい。

また、上記実施形態においては、定在音響波は、燃料噴射方向（軸芯Ｌ１方向）に沿って発生するものとしたが、本実施形態はこれに限定されない。定在音響波は、燃焼容器１０の周方向に沿って発生し、周方向に伝播する定在波を形成する場合もある。燃焼容器１０の周方向に形成される定在波について、当該定在波の同一の腹のうち異なる位置同士、または、当該定在波の異なる腹同士を接続する音波管１２を設置することで、燃焼容器１０の周方向に発生する振動を抑制することも可能である。

１ 燃焼器
１０ 燃焼容器
１０ａ バーナ開口
１０ｂ 音波管接続開口
１１ バーナ
１２ 音波管
２ 実験装置
２０ 実験容器
２０ａ 容器部
２０ｂ 支持部
２０ｃ 音波管接続開口
２１ スピーカ
２２ 音波管
２３ 容器内振動検出器
２４ 音波管内振動検出器
Ａ 火炎形成領域
Ｂ 定在波
Ｌ１ 軸芯
Ｌ２ 軸芯

Claims (5)

1. 内部で燃料が燃焼される燃焼容器と、前記燃焼容器内に燃料を噴射し火炎を形成するバーナとを備える燃焼器であって、
   前記燃焼容器に対して外側から接続されると共に、前記燃焼容器内部に定在波を形成する音響波が入り込む音波管を備えることを特徴とする燃焼器。
2. 前記音波管は、前記音響波の半波長の奇数倍の長さであることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
3. 前記音波管は、抑制対象である振動の伝播方向にて、前記バーナの火炎の発熱量が最大となる位置で前記燃焼容器に接続されることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼器。
4. 前記音波管は、抑制対象である振動の伝播方向にて、火炎形成領域の重心位置で前記燃焼容器に接続されることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼器。
5. 前記音波管は、両端が前記燃焼容器に対して接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃焼器。

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