JP4256781B2 - 流線形体および流線形体を有する燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の序文に記載の流動力学に影響する流線形体と、このような流線形体を使用することに関するものである。本発明は更に、そのような流線形体を含む、燃料混合物を燃焼させる装置と、このような装置を使用することとに関する。

流れを偏向させる、すなわち流動力学に影響を与えるような各種の技術分野において流れ偏向体、すなわちそらせ部材が使用されている。例えば、燃焼技術においては、燃料混合物の流れ方向に偏向装置の面を位置させることによって反応室内で燃焼させるべき燃料混合物の分配を改良させることが知られている。この種の偏向装置の面は国際特許第９９／２４７５６号において、燃焼させるべき燃料混合物をその本来の流れ方向から偏向させ、反応室内で出来るだけ対称的に分配させることによって燃料混合物の個々の成分の混合を促進し、従ってそれの高速で、かつ全体的な燃焼を達成させるために使用されている。この特許明細書は流入してくる燃料混合物の方向に頂点が向いた円錐形あるいはピラミッド形の面を偏向装置面として提案している。

この種偏向装置面の一つの欠点は、偏向に関わって燃料混合物の成分が減速されることと、これらの成分が流入開口の方向に部分的に反動するために、反応室の出口開口への方向において加速する燃焼混合物に対して所望する均一な流れを達成することができないことである。

更に、ドイツ特許第２１ ５３ ８１７ ＯＳ号は、段階的に空気と共に供給された廃棄物が所謂高温球が位置している燃焼室へ入るような廃棄物燃料用のバーナを開示している。この高温球は円錐形であって、その先端が燃焼すべき流入燃料混合物の方向に向いており、かつ燃焼室の軸線と同軸線関係になるように配置されている。この高温球は１２００から１４００℃の温度であり、例えば燃焼が困難な固形粒体のような廃棄材料の未燃焼成分を燃焼させる。この高温球はまた、リングの形状であってもよい。

ドイツ特許第２１ ５３ ８１７ＯＳ号に記載されているこの種の高温球は上述した理由により燃焼室内での流動力学におけるマイナスの作用を有している。

これらの一連の問題から出発して、本発明は種々の用途に対して流動力学における全体的にプラスの作用を有し、特に均一な流れを可能とし、流速を制御できるようにする流線形体を提供する。この流線形体は特に燃料混合物の燃焼に使用することを意図とするものである。

この目的は、本発明により特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴によって達成される。本発明による燃焼装置は請求項１６に記載されている。本発明による上記流線形体と燃焼装置との使用については、それぞれ使用に関する請求項に記載されている。有利な実施例については従属項および以下の説明から明らかとなる。

本発明によれば、流線形体の外面は回転対称の航空機の翼型に少なくとも部分的に対応している。本発明の説明のために、翼型という用語は航空機の翼の断面の上面に概ね対応する輪郭を意味する。したがって回転対称の翼型は翼弦の周りで航空機の翼型の輪郭を回転させることによって作り出すことができる。その場合、本発明による流線形体は回転対称とされたこの種の翼型に全体的に、あるいは少なくとも部分的に対応しうる。この流線形体はその幾何学的形状を可変とすることが有利である。この目的に対して、流線形体は、変化する状況に対して直径あるいは長さのような幾何学的形状上のパラメータを適合させるために交換可能である数個の部分から構成することができる。また、その幾何学的形状が動的に変動しうる流れ偏向体を構成することも考えられる。

本発明による全体的に回転対称形の流線形体においては、該流線形体の面に沿った流れ時間は均等である。翼型においては、流れの澱み点が二つあり、前方の澱み点は翼の輪郭の鈍い側の端にあり、後部の澱み点は尖った後端にある。後部の澱み点が下流側の位置に来るような要領で流線形体を流れにおいて配置させることが有利である。

この種の配置においては、流線形体がない場合の流速と比較して、前方の澱み点から後方の澱み点まで流れる間流速が増大する。航空機の翼型に関して知られているように、配置が対称的であるとそのお陰で、発生するいずれの揚力も相互に打ち消し合う。

更に、本発明による前述した回転対称形の流線形体は層流を発生させるために使用しうる。回転対称形であるために、前方の澱み点から進行している流体状である粒体は同時に外形の尖った後縁部における後部澱み点に到達し、そのために層流が形成される。同時に、翼型の上面（吸引側）の圧力が減少するので、流速は流線形体がない場合に得られる流速以上に増大する。

本発明による流線形体を導入することによって達成される流速の増加は流体および（または）流体によって運ばれる粒体を流れ方向において加速させたり、および（または）（吸引によって）流体および（または）粒体を流れの中へ捕捉するために吸引作用を発生させるように使用することができる。例えば、前述した吸引作用によって流れの中へ自動的に吸引される固形の粒体のための送入開口を上流側に設ければよい。

本発明による回転対称形の流線形体の別の使用例は、特に流れている流体が運んでいる固形および（または）液状の粒体において衝撃面として使用することである。

流体という用語は気体状あるいは液体状の媒体あるいは気体状および液体状の媒体の混合物を意味する。この種の流体は固形あるいは液状の塊の状態で粒体を運ぶことができる。例えば、燃料混合物は、燃焼が困難な高度に粘性の（液体）あるいは固形の成分を含有する燃焼性流体から構成されることが多い。噴霧化された液体および（または）固形の流体を運ぶ燃焼性ガスも燃料混合物として使用される。

固形および（または）液状の粒体を運んでいる流体が本発明による回転対称形の流線形体と出会うと、粒体は流速と衝撃とに応じて偏向させられる。これが流体において運ばれている液体あるいは高度に粘性の流体を噴霧化し、かつ破断させるか、あるいは固形の粒体を破断するために使用することができる。しかしながら、この作用を分離のために使用することも可能である。例えば、放射状の方向に偏向された粒体は壁（あるいはその類似物）に粘着し、従って残りの流体の流れから分離することができる。

本発明による流線形体はまた、熱交換器としても使用しうる。もしも流れの中に温度勾配があるとすれば、流線形体に、（あるいはその表面に）熱伝導する材料から構成された、本発明による流線形体を導入することによって上記流線形体の熱い部分から冷たい部分まで流れる熱の流れを開始させる。

もしも、例えば燃焼プロセスにおいて、本発明による流線形体の後部澱み点の背後の部分において炎が生成されたとすれば、燃焼プロセスの間流線形体は後部澱み点から前部澱み点まで熱くなる。その結果、前部澱み点と衝突する燃料混合物が予熱される。以下説明するように、燃焼プロセスにおいて本発明による流線形体を使用することによって別の利点が得られる。

前述した流線形体の別の可能な使用例は流量調整器としてである。流量調整器は流体の流れ面積を抑制することによって流体の流量および流速を調整するものである。従来の弁においては、このことは流れ領域に組み込んだ弁体によって実行されている。しかしながら、上記抑制は結果的に弁体において渦流を発生させ、流量あるいは流速を正確に測定および制御することを困難にすることが多い。更に、多数の用途においては、弁の後では層流が望ましい。

本発明による回転対称形の流線形体は、その回転軸線を流れの方向に対して平行にし、かつ鋭い後縁部を断面が小さくされた弁の出力配管の前方で下流側に配置させることによって流量調整器における弁体のようにして使用することができる。流線形体の直径は配管の直径に適合するように選択される。本発明による流線形体を流れ方向に動かすことによって弁の出力配管の断面を可変的に覆うことが可能であり。それによって出力配管へ流入している流体の流量と流速とを制御することができる。上記配管を閉鎖するためには、流線形体はそれが弁の出力配管と接触するようになるまで押される。本発明による流線形体を通過する流れは層流であり、流量を満足に測定し、かつ流速の最適調整を可能とする。

本発明による上記流線形体の性質が完全に使用できる一使用例は、混合および反応室を貫流している燃料混合物が燃焼される燃焼プロセスにおいて使用することであり、その場合本発明による流線形体はその主要な軸線を上記室の内部で流れ方向において配置される。

最適に機能するために、輪郭の鈍い部分は流線形体の前部の澱み点として使用され、輪郭の鋭い縁部は流線形体の後部の澱み点として使用される。一方では、回転軸線が混合室および反応室の主要な軸線に対して平行に延びるか、あるいはその上に位置するような回転対称形の流れ偏向体を使用することが可能である。しかしながら、（分離面を備えているか、あるいは縁部が概ね回転軸線に沿って延びている）流線形体の２個以上の半体あるいは片を使用し、流線形体の半体を上記室の壁上に、周囲に配分して取り付けることも可能である。

流線形体がこのように使用される場合、以下の好ましい効果が達成される。

１） 液体、気体成分および固形成分を含有しうる燃料混合物が上記流線形体と衝突するにつれて偏向され、燃焼すべき個々の成分の混合を促進させる。液状成分は衝突すると霧状とされ、一方固形成分は破断される。このことによって、先ず流線形体の前部分において乱流を発生させる。全体的に、このことによって燃料成分の滞留時間を増し、室におけるそれらの混合を促進させる。

２） 同時に、下流において流れが流線形体に沿って均一にされる。燃料混合物は流線形体の領域において加速され、流線形体の近傍における速度ベクトルはそれに対して平行して延び、それらの大きさは、外部境界（例えば、室の壁）に向かって再び減少するために先ず放射線状の空間が増すにつれて増大する。全体的に、流線形体の周りを流れた後、層流が形成される。混合および反応室の出口開口において、燃料混合物が点火され、炎が出口開口の近くに現れる。特に、炎が吹き戻されるのを阻止するために出口開口の方向とは逆方向に燃料混合物あるいは燃焼生成物の逆流を発生させないことが不可欠である。本発明による流線形体は、燃焼生成物が高速（音速に近いか、あるいはそれ以上）で出口開口を通して室から出て、その結果燃料混合物の諸成分が室中へ送入しやすくする吸引作用が発生するように出口開口に向う燃料混合物の流れを加速させる。

３） 最後に、このように使用される場合、本発明による流線形体は、燃焼炎に最も近い後部澱み点から始まって前部澱み点に向かって該流線形体が熱くなるため熱交換器として作用する。その結果、流線形体は永久的な作動において、燃料混合物の送入されてくる成分を予熱する熱交換器として使用することができる。このことが液状成分の噴霧化、および固形成分の破断および昇華、そして全体として燃料混合物の予熱を促進し、燃焼が困難である高度に粘性の成分の粘度を特に減少させるのを助勢する。この効果の結果として、燃焼速度が増し、混合物においては容易に燃焼しないような成分でさえも完全に燃焼できるように助勢する。このことが顕著にバーナの性能（熱出力）を増大させ、そのため同じ時間においてより多くの燃料を燃焼させることができる。

理想的には、回転対称形の流線形体はその回転軸線を反応室の軸線に沿って位置させ、後部の澱み点（輪郭の鋭い後縁部）が室の出口開口に向かって向けられるようにして配置される。後部澱み点を出口開口の近傍で配置させることが有利であって、一方出口開口領域において行われた抑制は流線形体が更に流量調整器として作用するように該流線形体の位置を変えることによって調整させることができる。

流線形体は例えば薄い保持帯片によって室の（円筒形の）壁に保持させることができる。また、流線形体の個々の構成要素が燃焼プロセスを最適化するために交換可能であるようにしうるような断面構成も有利である。例えば、流線形体は前部、中間部および後部部分に細分してよく、一方これらの部分を交換することによって幾何学的形状パラメータを変えることができる。燃焼プロセスのパラメータおよび流線形体自体の特性とを測定するために、センサや測定ラインを前述した保持帯片によって外側から上記流線形体上に、あるいはその中へ導入することができる。このことによって、混合および反応室の内部へのアクセスを容易にする。

前述した利点は混合および反応室からなる燃料混合物を燃焼させる本発明による装置および上記室内で流れ方向に主要軸線を配置させている流線形体によって達成することができる。基本的には、混合および反応室の形状は自由に選択可能であり、例えばそれは簡単な円筒形としてもよい。

前述した燃焼装置が下流方向にテーパがつけられ、首部分が断面が最小である点を構成するようにし、その後断面が再度広がっている混合および反応室を含むことが有利である。流線形体はこの種の幾何学的形状においては流れ方向で首部分の前方に配置されるのが都合がよい。特に、混合および反応室の下部分が円筒形である幾何学的形状であって、それに隣接して円錐状にテーパの付いた部分があり、一方このように形成された首部に、それ自体出口開口で終わる断面が広くされている双曲線形状の頭部が接合されているような幾何学的形状を有することが特に有利であることが判明した。混合あるいは反応室に配置された流線形体と共に、この種の装置は特に、多様な成分の燃料、特に高度に粘性の成分を含有した燃料を燃焼させるために必要に応じて燃焼パラメータの全ての最適な調整を達成するために使用することができる。

前述した装置はバーナとしての使用、特に下流側の容積部分を加熱するバーナとして、あるいはスラストを発生させるための推進装置としての使用に対して適当である。

本発明を図面に示す実施例を参照して以下詳細に説明する。

図１は二つの澱み点２および３を備えた、本発明による流線形体１を三次元で示す。流線形体１は回転対称形であり、この例においては、回転対称形の航空機の翼型と概ね対応する。液体工学の観点から見れば、好ましい配置は澱み点２が前部停滞点として使用され、澱み点３が後部澱み点として使用される、すなわち流れが前部澱み点２から後部澱み点３まで流れるようなものである。

図２は上面側１１、下側１２、前部澱み点２および後部澱み点３、並びに翼弦１３および中心線１４を備えた航空機の翼型１５の一例を示す。この種の航空機の翼型１５が翼弦１３の回りで回転させられると、例えば図１に示すような流線形体１の面が形成される。図２から判るように、航空機の翼型が回転させられる場合、幾何学形状的には上面１１のみが重要であり、そのため航空機の翼型の上面側１１（あるいは航空機の翼の断面）を翼弦１３の回りで回転させることによって、回転対称形の流線形体も形成することができる。

図３は前述したような流線形体１を備えた、燃料を燃焼させるための本発明による装置の有利な実施例を示す。この図は下側部分５が円筒形であり、上側部分６において上方へ円錐形にテーパがつけられている混合および反応室４を示す。上記室の断面は首部９において最小であり、この点から先は頭部７において再び寸法が増大している。上記室の頭部７は双曲線状の形状である。上記室の出口開口は８で指示されている。上記室４の基部には、例えば気体状および（または）液状および（または）固形の燃料、空気および（または）添加物、あるいは種々の酸化物および可能性として水またはその他の添加物のような、燃焼すべき混合物の成分のための供給配管５が設けられている。

ここに示す燃焼装置の実施例は諸々の産業上の用途（加熱炉、金属あるいはガラスのような材料の溶解、水あるいはその他の液体の蒸発）に対するバーナとして特に使用される。本発明による装置の別の可能性のある用途はスラストを発生させるための推進装置としてである。これに対して、本装置の内部を流れが貫流しうるように上記室４の基部を全体的あるいは部分的に取り外す必要がある以外は図３に示すものと類似の実施例を使用しうる。ここでの一つの可能性はそれを例えば空気あるいは特に水のような流体の推進装置として使用することである。

燃料混合物の成分は先ず加圧されて室４の内部へ運び込まれ、上記室４の内部で点火される。燃焼プロセスの詳細については、本発明と同じ出願人による国際特許第９９／２４７５６号を明確に参照する。

混合および反応室４における流れ状態のために、実際の燃焼の焔は出口開口８の近傍で形成される。上記室内での流れ状態は、一方では焔が分断されたり、他方では該室の内部へ吹き戻されないようにするように構成する必要がある。上記室４内での流れ状態を調整し、制御するための理想的な器具は本発明による流線形体１である。それは上記室４内で保持および（または）案内帯片によって固定してしまったり、あるいは運動可能に固定することが可能であるが、一方首部９の方向に上記室の主軸線に沿って運動可能にすることが特に有利である。

図４は混合および反応室４が作動している間に形成される粒体の流れを示す。流れの軌跡１０は、上記室４の下側の円筒形の部分５において乱流が発生しており、個々の軌跡は上記室４の底部に向かう戻り軌道を描いていることを明瞭に示している。この乱流は、より集中的な混合と上記室４における燃料混合物の成分のより長い滞留時間をもたらすことによって完全燃焼を促進するため燃焼プロセスに対して有利である。

更に、上記室のテーパについた部分６に向かって、図４は本発明による流線形体１に沿って層流となる更に整然とした流れを明瞭に示しており、一方本発明による流線形体１の輪郭は流れの方向にいわば連続している。

図４に示す実施例において室４の首部９において事実上配置されている流線形体１の後部停滞点３においては、出口開口８を通して上記室の頭部７を介して上記室を出てゆく全体的に均一な流れがある。焔（図示せず）はこの点において着実に燃焼する。

図４は流体および（または）流体によって運ばれる粒体の流れパターンを例示したモデル粒体の軌跡によって示していることを指摘すべきである。

異なる三次元の図が使用されている、図４のものと類似の図が図５に提供されている。前述した図４に関連して行った注記はここでも適用される。類似の部分には同じ参照番号を付した。

図６は、室４の首部９における速度分布の状態を示している、図４および図５に示すような混合および反応室４の上側部分を示す。燃焼プロセスの間の上記室４の首部９および頭部７におけるマッハ数の分布が示されている。この例における温度は約１３００℃である。マッハ数、すなわち音速の倍数が灰色の種々の陰影で示されている。灰色の陰影は元の色情報が喪失されており、言語での表現によって置き換える必要があることを意味する。図は室４の首部９の周りでより黒くされたスリーブを明瞭に示しているが、これは流出している混合物が音速を上回った領域を指示している。図の左側のバーは音速の１．０から１．５倍である発生値を指示している。音速以下の値は図６において均一な灰色によって示されている。首部９の近接して位置された流線形体１がはっきりと示されている。マッハ数の分布は以下の通りである。スリーブの底の黒い縁部におけるマッハ１から始まって、マッハ数は１．５まで連続的に上昇し、灰色部分は図の左側の縁部に示されたバーに正確に対応する。１．５の値が再び黒い部分によって指示されている。次いで、マッハ数は再び１．０まで減少するが、この減少はスリーブのより短い部分内で発生し、そのためここでも図の左側の縁部に示すバーにおいて反転された分布を有している。

本発明による流線形体１と室４の幾何学的形状との相互作用によって図示のように超音速に達する。上記室の頭部７と首部９とは双曲線状であり、テーパのついた部分６と接合し、このような幾何学的形状自体が出口開口８に向かって流れを鋭く加速させる。この加速は、その面において流速を増すようにさせる圧力低下がある本発明による流線形体１によって更に増大する。

最後に、図７と図８とは燃焼プロセスの間の混合および反応室の上側部分における、および流線形体１の上の速度ベクトルの分布を示し、図８は増尺して詳細を示し、そこでは流線形体は完全な回転対称形では示されず、１２０度の角度で切除されている。

流線形体１の輪郭が流線形体１と室４の壁との間で首部９に向かって完全に均一に進行する流れに連続している態様が明らかである。

本発明による流線形体１の適当な材質は、例えば（ＯＤＳ）Ｎｉ合金あるいはセラミック合金または燃焼プロセスにおいて特に使用するセラミックコーティングでよい。

回転対称形の本発明による流線形体を示す。 本発明による流線形体の幾何学的形状の基準である航空機の翼型を示す。 混合および反応室における燃焼プロセス中の本発明による流線形体可能使用例を示す。 燃焼プロセス中の図３に示す混合および燃焼室における流体の流れの軌跡を示す。 図４に類似の図面を示す。 図４および図５に示す混合および反応室の首部におけるマッハ数を示す。 図４および図５に示すような混合および反応室の上側部分における速度ベクトルを示す。 図７に示す図を更に高い精度で示す。

符号の説明

１ 流線形体
２、３ 澱み点
４ 混合および反応室
５ 室の下側部分
６ 室の上側部分
７ 頭部
８ 出口開口
９ 首部
１０ 粒体の軌跡
１１ 翼型の上面側
１２ 翼型の下側部分
１３ 翼弦
１４ 翼の中心線
１５ 翼型

Claims (15)

1. 流体および／または流体によって搬送される粒子の流れの流体力学性に影響を与える流線形体であって、前記流線形体の外面が、航空機の翼のそれ自身の長手方向軸線に対して直角方向の断面における流体中で圧力減少を生じる前方の澱み点から後方の澱み点間の吸引側である上面輪郭を、前記輪郭の翼弦の周りで回転させることによって形成され、前記前方の澱み点を含む前記外面の前方側が流体および／または流体によって搬送される粒子の流入のための衝撃表面として使用される流線形体。
2. 層流を発生させるための請求項１に記載された流線形体。
3. 前記流線形体が、流れ方向において吸引作用を発生させるために、流体および／または粒子の流れの自由断面において前記流線形体の主要軸線を流れ方向にして位置されるようにした請求項１または請求項２に記載された流線形体。
4. 温度勾配のある流れに熱伝導性の流線形体を位置させることによる熱交換器として使用するための請求項１から３までのいずれか１項に記載された流線形体。
5. 混合および反応室内を流れる燃料混合物が点火される燃焼過程において使用するための流線形体であって、前記流線形体が前記室の内側に流れ方向の主要軸線を具備して配置されている請求項１から４までのいずれか１項に記載された流線形体。
6. 前記流線形体の後部澱み点が下流側に配置されている請求項５に記載された流線形体。
7. 流入している燃料混合物のための衝撃面として使用するための請求項５または６に記載された流線形体。
8. 燃料混合物を偏向し、燃料混合物に存在している液状および（または）固形の成分の分配、燃料混合物に存在している液状の成分の噴霧、および（または）燃料混合物に存在している固形の成分の破砕のための請求項６に記載された流線形体。
9. 燃料混合物の成分を遅速させること、これらの成分の混合および反応室内の滞留時間を増すこと、およびこれらの成分を更に完全に混合することのための請求項７または８に記載された流線形体。
10. 混合および反応室の出口開口に向かう前記室における燃料混合物および燃焼生成物の流れを加速させるための請求項６から９までのいずれか１項に記載された流線形体。
11. 燃料混合物を予熱させるための請求項４または５に記載された流線形体。
12. 前記混合および反応室における流れ調速器として使用するための請求項６から１１までのいずれか１項に記載された流線形体。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項に記載された混合および反応室と、流線形体を使用して、燃料混合物を燃焼する装置であって、流れ方向において前記室の内側に主要軸線をおいて配置される、燃料混合物を燃焼させる装置。
14. 前記混合および反応室が円筒形の下側部分を有し、該下側部分に円錐形にテーパがつけられた部分が接合されており、前記テーパ部分に隣接して出口開口で終り、断面が広くされた双曲線状の形状の頭部があることを特徴とする請求項１３に記載された装置。
15. 前記流線形体がその主要軸線を前記混合および反応室の主要軸線上に位置されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載された装置。

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