JPH04507132A - Method and apparatus for controlling fluid dynamic mixing in a pulse combustor - Google Patents
Method and apparatus for controlling fluid dynamic mixing in a pulse combustorInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 パルス燃焼器における流体動的混合を制御する方法および装置 発明の背景 本発明は一般的にパルス燃焼器(Pu1se cosbustors)の制御に 関する。本発明はとくにパルス燃焼器における燃焼反応物質(combusti on reaetants)と燃焼生成物(coIIbustion prod ucts)の流体動的混合(Nuid dynamicmixing)を制御す る方法および装置に関する。政府はユナイテッド・スティン・デパートメントφ オブ・エナジーおよびエイ・ティー・アンド・ティー・テクノロジー・インコー ホレイテッド(AT&T Technologies、 Inc、)によって授 与された契約節DE−ACO4−713DPO0789号に基づき、本発明にお ける権利を有する。[Detailed description of the invention] Method and apparatus for controlling fluid dynamic mixing in a pulse combustor Background of the invention The present invention is generally applicable to the control of pulse combustors (Pulse cosbustors). related. The present invention particularly relates to combustion reactants in pulse combustors. on reaetants) and combustion products (coIIbustion prod ucts) to control the fluid dynamic mixing of The present invention relates to a method and apparatus. The government is United Stin Departmentφ of Energy and A.T. Technology Inc. Presented by Horated (AT&T Technologies, Inc.) Pursuant to contract clause DE-ACO4-713DPO0789, the present invention is have the right to
パルス燃焼器は一般的に、燃焼室(CO■bust tonchamber)と 、その燃焼室内に燃焼反応物質(典型的には燃料と空気)を入れるための入口と 、燃焼室から燃焼生成物を排出するための出口とを有する。パルス燃焼器は、燃 焼反応物質の装填(charge)が燃焼室に入れられ、着火し、燃焼生成物を 形成するというサイクルで作動し、最初の着火は好ましくはスパークプラグによ って補助される。燃焼生成物は出口を通って拡がり、それにより燃焼室内に部分 的な真空をもたらし、その真空はつぎのサイクルのために新しい燃焼反応物質の 装填を燃焼室に引き込むのに役立つ。新しい装填はその前のサイクルからの燃焼 生成物と混合されることにより点火される。したがって作動は最初の点火の後は 自給的である。A pulse combustor generally has a combustion chamber (CO bust tonchamber) and , an inlet for admitting combustion reactants (typically fuel and air) into the combustion chamber; , and an outlet for discharging combustion products from the combustion chamber. Pulse combustor A charge of sintered reactants is placed in the combustion chamber, ignites, and releases combustion products. The first ignition is preferably by a spark plug. It will be assisted. The products of combustion spread out through the outlet, thereby causing a portion inside the combustion chamber. creates a vacuum of new combustion reactants for the next cycle. Helps draw the charge into the combustion chamber. The new charge is burned from the previous cycle It is ignited by mixing with the product. Therefore, after the first ignition, the operation is Self-sufficient.
従来の燃焼システムと比較すると、パルス燃焼器はつぎのような魅力のある特質 を有する。すなわち2〜3倍の高熱伝達性、1ランク上の等級(an orde r magnitudehtgher)の燃焼の激しさ、3分の1のチッ素酸化 物の排出、40パーセント(40%)高い熱効率、および自己吸引が可能である ことである。これらの属性の結合により、多くの適用分野において従来の燃焼器 に対してすばらしいコストパフォーマンス(economic tradeor f’)をもたらす。さらにパルス燃焼器内の振動する流れ場(osclllat ing flow field)と関連した高められた熱および質量の伝達は、 工業的および化学的なプロセスに対し、重要な向上をもたらしうる。しかしなが らパルス燃焼器の潜在的な欠点は、広い範囲のエネルギ解放率(単位時間あたり のエネルギ解放、以下同じ) (energy releaserates)で 運転ができない点(すなわちそれらのターンダン比(turndown rat ios)は限定されている)と、地域的および時期的に大きく変動することがあ る燃焼の性質に対して敏感である点である。Compared to conventional combustion systems, pulse combustors offer attractive attributes such as: has. In other words, it has 2 to 3 times higher heat transfer, one rank higher grade (an order r magnitudehtgher) combustion intensity, one-third nitrogen oxidation Capable of material evacuation, forty percent (40%) higher thermal efficiency, and self-suction That's true. The combination of these attributes makes traditional combustor Excellent cost performance (economic trader) f'). Furthermore, the oscillating flow field in the pulse combustor (osclllat The enhanced heat and mass transfer associated with It can provide important improvements to industrial and chemical processes. But long A potential disadvantage of pulse combustors is that they have a wide range of energy release rates (per unit time). (hereinafter the same) (energy releases) Points where operation is not possible (i.e. their turndown ratio) ios) is limited) and can vary widely regionally and temporally. The point is that it is sensitive to the nature of combustion.
パルス燃焼器には種々の異なるタイプがあるが(すなわち4分の1波またはシュ ミット・チューブ(Schmldttube)、リジエ”チューブ(Rijke tube)、ヘルムホルツ共鳴箱およびリーンスト・パルス・ポット(Rey nstpulse pot)) 、それらの運転を制御する基礎原理は同じであ り、周期的な圧力振動と同位相(in phase)でエネルギを周期的に追加 する必要があることである(レーレ−の条件(Rayleigh’s crit erion)) 、かかる明白な単純さにもかかわらず、パルス燃焼器中に起こ るプロセスはきわめて複雑である。そのプロセスは高度に乱れている3次元の非 定常流れの場(transient rlov rield)を含み、かつ変動 する物理的性質を有する。それらはさらに共鳴圧力基(resonant pr essure field)と大きい非定常エネルギ解放(energy re lease)とを含んでおり、その固有時間(characterisHc U ses)は化学反応および流体動的混合のための固a時間と同しオーダーの大き さく5allIeorder of magnNude)となりうる。さらに燃 焼システムのすべての態様は高度に結びついている。There are various different types of pulse combustors (i.e. quarter wave or pulse combustor). Schmldttube, Rijke” tube tube), Helmholtz resonance box and lean pulse pot (Rey nstpulse pot)), the basic principles that control their operation are the same. Add energy periodically in the same phase as the periodic pressure vibration. (Rayleigh's criteria) erion)) Despite such apparent simplicity, the problems that occur during a pulse combustor The process involved is extremely complex. The process involves highly disordered three-dimensional non- Contains a steady flow field (transient rlov rield) and fluctuates It has the physical properties of They are furthermore resonant pressure groups (resonant pr essure field) and large unsteady energy release (energy re lease), and its characteristic time (characterisHc U ses) is on the same order of magnitude as the solidification time for chemical reactions and fluid dynamic mixing. 5allIeorder of magnNude). Even more burning All aspects of the baking system are highly interconnected.
種々の固有時間上の衝撃(iIIpact)を通じて、パルス燃焼器の運転状況 に影響することがある多くのファクタか存在する。たとえば、燃焼特性、ターン ダン比、熱伝達(heat transrer)および平衡比(equival ence ratios)は、いずれもパルス燃焼器のふるまいに重要な影響を 与える。Pulse combustor operating conditions through various specific time impulses (iIIpact) There are many factors that can influence. For example, combustion characteristics, turn Dunn ratio, heat transrer and equilibrium ratio ence ratios) have an important influence on the behavior of the pulse combustor. give.
しかしながらパルス燃焼器のふるまいに対しては、流体動的混合の時間スケール (scale、比率)がもつとも強い影響を示すことがわかる。種々の関連する 時間のスケールはすべて比較することができるため、かつ流体動的混合時間のス ケールは制御可能であるため、流体動的混合は所望の運転条件を達成するだけで なく、他の時間スケールにおける変動を補償するために用いることができる。However, for pulsed combustor behavior, the time scale of fluid dynamic mixing It can be seen that (scale, ratio) has a very strong influence. various related Since all time scales can be compared, and the fluid dynamic mixing time scale Since kale is controllable, fluid dynamic mixing is only necessary to achieve the desired operating conditions. rather, it can be used to compensate for variations on other time scales.
発明の概要 本発明の目的の1つは、燃焼反応物質の燃焼室内への注入を制御して、パルス燃 焼器の燃焼特性を制御する方法および装置を提供することにより、前記従来のパ ルス燃焼器における潜在的な欠点を解消することである。Summary of the invention One of the objects of the present invention is to control the injection of combustion reactants into the combustion chamber so that the pulsed combustion By providing a method and apparatus for controlling the combustion characteristics of a burner, The aim is to eliminate potential drawbacks in the Luss combustor.
本発明の他の目的は、新しい反応物質と前のサイクルの高温の燃焼生成物との流 体動的混合特性を制御することにより、燃焼プロセスを制御する方法および装置 を提供することである。かかる制御は適切なフィードバック機構を用いることに よる動的なものとしてもよく、また静的なものとしてもよい。Another object of the invention is to displace the flow of new reactants with the hot combustion products of the previous cycle. Method and apparatus for controlling combustion processes by controlling body dynamic mixing characteristics The goal is to provide the following. Such control should be done using appropriate feedback mechanisms. It may be dynamic or static.
それらのおよび他の目的を達成するため、本発明は、燃焼生成物がその中にある 燃焼室と、該燃焼室から燃焼生成物を排出するための出口機構と、燃焼室内の燃 焼生成物と混合させるために燃焼反応物質を所定の速度および質量流量(mas s 「low rate)で燃焼室内に導入するための入口幾何形状(inle t geolletry)を有する人口機構を備えたパルス燃焼器における燃焼 特性を制御する方法および装置に関する。本発明の方法および装置は、燃焼反応 物質と燃焼生成物との混合特性を人口機構の人口幾何形状の関数(runcti on)として制御する。ここで用いられている「関数として(as a run ction of)Jの用語は、選ばれた人口幾何形状と、その結果生ずる燃焼 反応物質と燃焼生成物との混合特性に対する影響の関係ないし関連を意味する。To achieve those and other objects, the present invention provides that the combustion products are a combustion chamber, an outlet mechanism for discharging combustion products from the combustion chamber, and a combustion chamber within the combustion chamber; Combustion reactants are controlled at a predetermined velocity and mass flow rate (mas s "low rate" inlet geometry (inle Combustion in a pulse combustor with population mechanism with t geolletry METHODS AND APPARATUS FOR CONTROLLING CHARACTERISTICS. The method and apparatus of the present invention utilize combustion reaction The mixing properties of matter and combustion products can be expressed as a function of population geometry (runcti). on). The term used here is “as a function (as a run ction of) J terms are defined as the chosen population geometry and the resulting combustion Refers to the relationship or association of influences on the mixing characteristics of reactants and combustion products.
本発明の他の実施態様は、パルス燃焼器における以下の改良点に関する。すなわ ち、(1)パルス燃焼器のターンダン比を拡張(extending)させる方 法および装置、(2)所望のパルス燃焼器の作用をうるための、エネルギ解放率 の一時的な位置(tcvporal 1ocation)を適合させる方法およ び装置、(3)燃料組成による影響を補償する方法および装置である。それぞれ の実施態様は、所望の流体動的混合をうるべく特別の入口幾何形状を採用してい る。入口幾何形状は固定であっても可変であってもよ本発明は反応物質の注入の 幾何形状を、流体動的混合時間のスケールをもたらすように加減する(modi fy)ことにより、流体動的混合の特性の変化(change)をもたらすもの である。好ましい実施例においては、本発明は静的または動的のいずれのばあい においても利用することができる。本発明の静的な適用は、パルス燃焼器の製造 またはフィールドメンテナンスのときに、所望の運転条件が達成されるように、 注入の幾何形状を加減して流体動的混合特性を変化させることによりえられる。Other embodiments of the invention relate to the following improvements in pulse combustors. Sunawa (1) Extending the turn-down ratio of the pulse combustor method and apparatus; (2) energy release rate to obtain desired pulse combustor operation; How to adapt the temporary position (tcvporal 1 location) and and (3) a method and apparatus for compensating for the effects of fuel composition. Each Embodiments of the invention employ special inlet geometries to achieve the desired fluid dynamic mixing. Ru. The inlet geometry may be fixed or variable. Modify the geometry to yield fluid dynamic mixing time scales (modi fy) that brings about a change in the characteristics of fluid dynamic mixing. It is. In a preferred embodiment, the invention provides a static or dynamic It can also be used in Static applications of the invention include the manufacture of pulse combustors. or during field maintenance, so that the desired operating conditions are achieved. This is achieved by modifying the injection geometry to change the fluid dynamic mixing properties.
本発明の動的な適用は、適切なシステムパラメータ(たとえば燃焼室の圧力、運 転周期または化学ルミネッセンス)をモニターしながら、所望の運転条件が達成 されるように、適切なフィードバックループを通じて注入の幾何形状を制御して 流体動的混合特性を変化させることによりえられる。The dynamic application of the invention is based on appropriate system parameters (e.g. combustion chamber pressure, desired operating conditions are achieved while monitoring control the geometry of the injection through appropriate feedback loops so that This is achieved by changing the fluid dynamic mixing characteristics.
以下、所望のパルス燃焼作用を達成するように流体動的混合特性に影響を与える ことができるいくつかの幾何形状について説明する。それらの幾何形状は網羅的 ではなく、むしろどのようにして流体動的混合特性を変えるかについての実施例 に過ぎないものである。Below, influence the fluid dynamic mixing characteristics to achieve the desired pulsed combustion behavior. Describe some of the geometries that can be used. Their geometry is exhaustive but rather an example of how to change fluid dynamic mixing properties. It is nothing more than
図面の簡単な説明 つぎに添付の図面を参照して本発明を説明する。Brief description of the drawing The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
図1はパルス燃焼の構成の理論上の説明図である。FIG. 1 is a theoretical explanatory diagram of a pulse combustion configuration.
図2はパルス燃焼器における混合時間に対する質量流量の効果を示す理論上の予 想グラフである。Figure 2 shows a theoretical prediction of the effect of mass flow rate on mixing time in a pulse combustor. It is a thought graph.
図3はパルス燃焼器におけるエネルギ解放に対する質量流量の効果を示す実験結 果のグラフである。Figure 3 shows experimental results showing the effect of mass flow rate on energy release in a pulse combustor. This is a graph of the results.
図4は本発明の特徴を組み込んだ(incorporating)パルス燃焼器 の概略説明図である。FIG. 4 shows a pulse combustor incorporating features of the present invention. FIG.
図5は本発明の一実施例にかかわる複数噴口(jet)注5 人の幾何形状の概 略説明図である。Figure 5 shows an outline of the geometric shape of a multiple jet (Note 5) person according to an embodiment of the present invention. FIG.
図6は本発明の第2の実施例にかかわる異なる半径の注入噴口を有する複数噴口 注入の幾何形状の概略説明図である。FIG. 6 shows a plurality of nozzles having injection nozzles of different radii according to a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic illustration of the injection geometry.
図7は図6に示す異なる半径の複数の噴口を備えたパルス燃焼器における混合比 (mtxing rate)を示す概略説明図である。Figure 7 shows the mixture ratio in a pulse combustor with multiple nozzles of different radii shown in Figure 6. It is a schematic explanatory diagram showing (mtxing rate).
図8は本発明の第3の実施例にかかわる注入システムの概略説明図である。FIG. 8 is a schematic explanatory diagram of an injection system according to a third embodiment of the present invention.
図9aおよび9bは可変人口幾何形状を利用して流体動的混合を制御する本発明 の2つの実施例を図示している。Figures 9a and 9b illustrate the present invention that utilizes variable artificial geometry to control fluid dynamic mixing. Two embodiments of the invention are illustrated.
好ましい実施例の詳細な説明 はとんどのパルス燃焼器に固有の特性は、前のサイクルの燃焼生成物に対する新 しい反応物質の流体動的混合である。主として異なる混合特性を有する種々の形 状配列(con「iguratton)のテスト結果により、流体動的混合がパ ルス燃焼器の作動に重要であることが知られている。DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS An inherent characteristic of most pulse combustors is that the new combustion products of the previous cycle This is the fluid dynamic mixing of new reactants. Various forms with mainly different mixing properties The test results of the con ``iguratton'' show that fluid dynamic mixing is It is known to be important for the operation of russ combustors.
しかしながら最近まで混合の正確な役割は経験的にも理論的にも定量化されてい なかった。パルス燃焼器の流体動的混合の特性を定量的に理解するため、図1に 示すような、重要なシステムの運転と流体動的混合時間を定める幾何学的特性と を同一視する理論的モデルが開発されている。However, until recently, the precise role of mixing has not been quantified either empirically or theoretically. There wasn't. In order to quantitatively understand the characteristics of fluid dynamic mixing in a pulse combustor, Fig. Geometric characteristics that define critical system operation and fluid dynamic mixing times, such as A theoretical model has been developed that equates the
図1を参照して、燃焼室10は入口12と出口14とを有する。温度T の燃料 および空気などの燃焼反応物質R1「 の装填は、温度T の前の燃焼サイクルの燃焼生成物Pを収容している燃焼室1 0内に入口12から注入される。入口12は円形(circular)であって も非円形(noncircular)であってもよいが、半径「 を有する円形 のオリフィスないし噴口が好ましく、(燃焼反応物質の質量流量向および連続の 式から定められる)燃焼反応物質の注入速度はU である。混合比は、燃焼反応 物質R1が温度Tpの燃焼生成物Pと混合されて着火温度T、 に達するよ国L X うな比率(rate)である。メタンに対しては、T、 は約+11! 1.500にであり、約1ms後(すなわち1.msの化学的着火遅れ時間)に 着火が生じ、またそれゆえエネルギ解放が生ずる温度である。それゆえ混合比は エネルギ解放率の尺度(measure)となる。他の燃焼に対しては、異なる 丁、 の値および化学的着火遅れが要求される。化学的謹1x 着火遅れは反応物質が温度”IIXに達した時点から迅速な反応が始まる時点ま での遅れである。混合時間は反応物質の1つの要素の燃焼室への導入の時点から 反応物質が温度T、 に達する時点までの時間である。Referring to FIG. 1, combustion chamber 10 has an inlet 12 and an outlet 14. Fuel at temperature T and combustion reactants such as air R1' The loading of the combustion chamber 1 containing the combustion products P of the previous combustion cycle at a temperature T 0 from the inlet 12. The entrance 12 is circular. may also be noncircular, but a circular shape with a radius of An orifice or jet hole is preferred, with a direction of mass flow rate of the combustion reactants and a continuous The injection rate of the combustion reactant (determined from the equation) is U. The mixture ratio is determined by the combustion reaction. The substance R1 is mixed with the combustion product P at the temperature Tp and reaches the ignition temperature T. X This is a high rate. For methane, T is about +11! 1.500 and after about 1 ms (i.e. 1. ms chemical ignition delay time) It is the temperature at which ignition occurs and therefore energy release occurs. Therefore, the mixing ratio is It is a measure of the energy release rate. For other combustions, different The value of D, and the chemical ignition delay are required. Chemical Compassion 1x Ignition delay is the time from when the reactants reach temperature ``IIX'' to when a rapid reaction begins. This is due to the delay. The mixing time is from the point of introduction of one element of the reactants into the combustion chamber. It is the time until the reactants reach the temperature T.
IIX 図2にいくつかの典型的な理論の結果か示されている。IIX Figure 2 shows some typical theoretical results.
図示されるように、反応物質の質量流量向は反応物質の混合特性に劇的な効果を 有する。質量流量単独は燃焼作用の範囲を制限し、はとんどのパルス燃焼器の広 い範囲のエネルギ解放率における作用を、したがって望ましいターンダン比をう ろことが不可能であることが解明されている。理論はまた、混合比の初期のスロ ープとピークの混合比の両方か、質量流量の減少と共に減少することを予想して いる。これらの効果は、図3に示す結果が論証するように実験によって証明され ている。図2に示す理論上の結果が単一の入口に対するものであり、図3に示す 実験結果が互いに影響しあう複数の入口に対するものであることに注意すべきで ある。しかしながら図3に示す結果は図2に示す理論上の予想を支持している。As shown, the mass flow direction of the reactants has a dramatic effect on the mixing characteristics of the reactants. have Mass flow alone limits the range of combustion action and is function over a wide range of energy release rates, and thus achieve the desired turn dunnage ratio. It has been found that this is impossible. Theory also suggests that the initial slot of the mixing ratio Both the loop and peak mixing ratios are expected to decrease with decreasing mass flow rate. There is. These effects have been experimentally proven as demonstrated by the results shown in Figure 3. ing. The theoretical results shown in Figure 2 are for a single inlet and are shown in Figure 3. It should be noted that the experimental results are for multiple inlets that influence each other. be. However, the results shown in FIG. 3 support the theoretical predictions shown in FIG.
燃焼反応物質と燃焼生成物の混合特性を人口の幾何形状の関数として制御する本 発明の方法および装置は、図4のパルス燃焼器中に概略的に図解されている。燃 焼室20は入口22、出口24および最初の反応物質R1の装填を着火するため のスパークプラグ26を備えている。反応物質は、好ましくは入口22の上流の ブロア28からの空気と、燃料供給口30からの燃料とからなる。空気はエア入 口バルブ32を通り、燃料は燃料入口バルブ34を通じて分散され、空気と燃料 は混合室36内で混合される。しかしながら本発明は予混合の反応物質または未 混合の反応物質を採用するシステムのいずれにも適用しうる。A book on controlling the mixing properties of combustion reactants and combustion products as a function of population geometry. The method and apparatus of the invention is schematically illustrated in the pulse combustor of FIG. Burning The firing chamber 20 has an inlet 22, an outlet 24 and an initial charge of reactant R1 for igniting. A spark plug 26 is provided. The reactants are preferably placed upstream of the inlet 22. It consists of air from the blower 28 and fuel from the fuel supply port 30. Air is in air After passing through the inlet valve 32, the fuel is dispersed through the fuel inlet valve 34, and the air and fuel are separated. are mixed in the mixing chamber 36. However, the present invention does not require premixed reactants or unmixed reactants. It is applicable to any system employing a mixture of reactants.
反応物質R1は、固定式または調節式の入口幾何形状を備えた人口22を通って 燃焼室20内に入る。図4の入口22は可変人口幾何形状を有し、可動の中心体 38が入口22の入口幾何形状を変えることができ、それにより燃焼室20内の 燃焼反応物質R1と生成物Pの流体動的混合特性を加減する。可動の中心体38 はリンク40を介して、好ましくはエア人口バルブ32の上流側に位置するアク チュエータ42によって動かされる。Reactant R1 passes through a port 22 with a fixed or adjustable inlet geometry. It enters the combustion chamber 20. The inlet 22 of FIG. 4 has a variable population geometry and a movable central body. 38 can change the inlet geometry of the inlet 22, thereby increasing the inlet geometry within the combustion chamber 20. The fluid dynamic mixing characteristics of combustion reactant R1 and product P are adjusted. Movable central body 38 via a link 40, preferably located upstream of the air population valve 32. It is moved by a tuator 42.
動的ないしフィードバック制御が適用されるばあいは、アクチュエータ42は燃 焼室20内のセンサ46からの信号を受けとるマイクロプロセッサ44によって 制御される。センサは圧ノj、周期および(または)化学的ルミネッセンスなど の実際の燃焼特性をモニターし、それらの信号を所望の燃焼特性と比較するため にフィードバックループ48を通じてマイクロプロセッサ44に戻す。所望の燃 焼特性と実際の燃焼特性の間の偏差はアクチュエータ42の選択的な作動をもた らす信号を介して、(入口22に対する中心体38の動きによって)入口22の 入口幾何形状を変更し、それにより燃焼反応物質R1と生成物Pの混合特性を変 化させ、結果的に燃焼特性を変更する。When dynamic or feedback control is applied, the actuator 42 by a microprocessor 44 that receives signals from a sensor 46 within the baking chamber 20; controlled. Sensors include pressure, periodic and/or chemiluminescence. to monitor the actual combustion characteristics of and compare those signals with the desired combustion characteristics. is returned to the microprocessor 44 through a feedback loop 48. desired flame Deviations between the combustion characteristics and the actual combustion characteristics result in selective actuation of actuator 42. of the inlet 22 (by movement of the central body 38 relative to the inlet 22) changing the inlet geometry and thereby changing the mixing characteristics of combustion reactant R1 and product P; , resulting in changes in combustion characteristics.
叙上の本発明の好ましい一実施例において、本発明の概念はパルス燃焼器のター ンダン比を調節するための制御機構に採用されている。図2および3において、 混合時間は注入速度に対する入口オリフィス半径の比、すなわち r /u に よって測定ないし換算しており(scaleswlth ratio r /u ) 、その換算は図2および3の最初の上昇曲線によって図示されているよう に、はぼ直線状である。そのため、 r /u が一定に維持されると共に O 反応物質の質量流量向を変化させつる注入システムは、広いターンダン比の範囲 にわたって一定(constant)の混合特性をもたらす。かかる質量流量の 変化を達成する1つの方法および装置では、図5に示す固定した注入幾何形状を 用いている。図5においては、6個の独立した注人人ロオリフィスないし噴口( jet)が示されているが、それより多いものも少ないものも採用しうる。閉し た噴口50は黒くした円によって示しており、開放した噴口52は開いた円によ って示している。それぞれの噴口は固定した半径r を、したかって固定した幾 何形状を有する。In a preferred embodiment of the invention described above, the inventive concept is applied to a pulse combustor turbine. It is used in the control mechanism to adjust the damping ratio. In Figures 2 and 3, The mixing time is determined by the ratio of the inlet orifice radius to the injection rate, i.e. r/u. Therefore, it is measured or converted (scaleswlth ratio r / u ), the conversion is as illustrated by the first upward curve in Figures 2 and 3. , it is almost straight. Therefore, r/u is maintained constant and O Vine injection systems that vary the mass flow direction of reactants have a wide range of turn-on ratios resulting in a constant mixing characteristic over time. of such mass flow rate One method and apparatus for achieving the change is to change the fixed injection geometry shown in FIG. I am using it. In Figure 5, six independent pour orifices or spouts ( jet) is shown, but more or less than that may be used. Close The open nozzle 50 is indicated by a black circle, and the open nozzle 52 is indicated by an open circle. It shows. Each nozzle has a fixed radius r, and therefore a fixed radius What shape does it have?
質量流量の減少にしたがって個々の噴口を順次閉1.ることにより、注入速度( u )の値を一定に保つことができる。同じように質量流量が増加するのにした がって、個々の噴口が開かれる。噴口の半径(r )が固定されているので、比 r /u は一定であり、混合特性か不変てあ O ることが確実とされる。図4に関して上述したように、燃焼室内の圧ノjの測定 を決定するため、および決定された圧力に応じていくつかの噴口を開けたり閉じ たり制御する機構を設けるため、個々の噴口と協働する適切なフィードバックシ ステムが用いられる。他の適用可能な制御手段は、燃焼サイクルの周期を決定す るなどの燃焼プロセス信号の特性をモニターする方法や、エネルギ解放が生じた 時を厳密に定める化学的ルミネッセンス測定システムと組み合わせたフィードバ ックシステムを含むものである。Closing individual orifices sequentially as the mass flow rate decreases1. The injection rate ( u) can be kept constant. In the same way, the mass flow rate increases. Thus, individual spouts are opened. Since the radius of the nozzle (r) is fixed, the ratio r/u is constant, and whether it is a mixed property or unchanging O It is certain that As mentioned above with respect to FIG. 4, the measurement of the pressure no. and open or close several spouts depending on the determined pressure. A suitable feedback system working with each individual orifice to provide a mechanism to control A stem is used. Other applicable control measures determine the period of the combustion cycle. How to monitor the characteristics of combustion process signals such as Feedback in combination with a chemiluminescence measurement system that precisely determines the time This includes the lock system.
本発明の他の実施例はパルス燃焼器における一時的エネルギ解放率(tempo ral energy release rates)の最適化に関するもので ある。パルス燃焼器のもっとも強く、もっとも安定した運転は、そのエネルギ解 放率が共鳴音響圧力場(resonant acoustic pressur e rteld)と同じ位相(in phase)で、かつそのピークのときに 生じる。エネルギ解放率は混合特性の関数であるので、エネルギ解放率を、種々 の注入噴口の幾何形状を選択することによって調整することができる。この理論 は、混合時間が比r /u の関数であることの発見に基づくものである。Other embodiments of the invention provide a temporary energy release rate (tempo) in a pulse combustor. ral energy release rates) be. The strongest and most stable operation of a pulse combustor is due to its energy resolution. The emissivity is a resonant acoustic pressure field. in the same phase as e eld) and at its peak. arise. Since the energy release rate is a function of the mixing characteristics, the energy release rate can be varied can be adjusted by selecting the geometry of the injection orifice. this theory is based on the discovery that the mixing time is a function of the ratio r/u.
エネルギ開放率を調整するために採用しうる幾何学的な形状の概略が図6に示さ れている。すべての噴口A1B、C,Dを通る流れは同時に開始する。それぞれ の噴口(A、B、C,D)は異なる半径(それぞれ’Of、r 、r 、r ) を有している。それぞの噴口の注入速度が同じである一方でr /u か変化す るため、それぞれの噴口のa=待時間変えることかできる。それは混合時間かr /u によって定まる(scales with r /u )からである。A schematic representation of the geometric shapes that can be adopted to adjust the energy release rate is shown in Figure 6. It is. Flow through all orifices A1B, C, D starts at the same time. Each The nozzles (A, B, C, D) have different radii ('Of, r , r , r , respectively) have. While the injection speed of each nozzle is the same, r/u changes. Therefore, it is possible to change a=waiting time of each nozzle. Is it the mixing time? This is because it is determined by /u (scales with r /u).
個々の噴口の半径を選択し、すべての噴口の混合比を加え合わすことにより、図 7に概略的に示すように、あらゆる所望の一時的混合の輪郭(temporal mlxingprorile)ないし特性かえられる。室内圧力、サイクル周期 または化学的ルミネッセンスの測定を用いることを通じて、図4を参照して論じ たようなフィードバックループを用いるほとんどすべてのパルス燃焼装置に対し ても、最適な混合の輪郭を仕立てることができる。By selecting the radius of each individual orifice and adding the mixing ratios of all the orifices, the figure Any desired temporal mixing contour (temporal mlxingprole) or characteristics can be changed. Room pressure, cycle period or through the use of chemiluminescence measurements, as discussed with reference to Figure 4. For almost all pulse combustion devices using feedback loops such as However, the optimal blend profile can be tailored.
本発明の他の実施例は、パルス燃焼器における燃料特性の変化と関連した改良の 説明(accounting f’orvartaNons)に関するものであ る。燃料の性質はパルス燃焼器のふるまいに影響を与える。たとえば予混合しな いモードで運転しているヘルムホルツ型のパルス燃焼器においては、20a+s のシステム音響的時間スケールとは別に(out or)、化学力学的時間スケ ールにおけるlisの変化は、(燃料の化学的性質を変えることにより達成され る)、システムのふるまいに劇的な効果を招来する。とくに理論モデルは、燃料 と空気の固定した質量流量(一定の燃焼率(「iring rate)における 運転)に対しては、混合時間が(「 )3に比例することを予測している。前述 のいずれの実施例も燃料の性質の変化を補償するために用いることかできる。「 における小さい変化も、これらの変化を補償するために用いることができる。Other embodiments of the invention provide improvements associated with changes in fuel properties in a pulse combustor. It is about accounting (accounting f’orvartaNons). Ru. The properties of the fuel affect the behavior of the pulse combustor. For example, do not premix In a Helmholtz-type pulse combustor operating in low mode, 20a+s Apart from the system acoustic time scale, the chemical mechanical time scale The change in lis in the fuel (achieved by changing the chemistry of the fuel) ), leading to dramatic effects on system behavior. In particular, the theoretical model and a fixed mass flow rate of air (at a constant "iring rate") For operation), we predict that the mixing time is proportional to (3). Either embodiment can be used to compensate for changes in fuel properties. " Small changes in can also be used to compensate for these changes.
そのような化学組成効果の補償を達成するための1つの可能な物理的な形状が図 8に示されている。図8はその注入オリフィス60が、調節可能な絞り(fri s) Iを用いることによってえられる可変半径r を備えた可変幾何形状va 「 を有する注入システムを示している。注入オリフィス60の可変半径r は、燃 t4の性質の変化を補償することar がてきる。そのためU のいくらかの変化は、r を変o O えてr /u を一定にすることにより補償しうる。フィ O −ドパツク制御手段は、エネルギ解放時間を示す室内圧力、サイクル周期または 反応の化学的ルミネッセンスの決定に応じてr を調節するために設けることが できる。One possible physical configuration for achieving compensation for such chemical composition effects is shown in Fig. 8. FIG. 8 shows that the injection orifice 60 has an adjustable aperture (fri). s) variable geometry va with variable radius r obtained by using I " shows an injection system having a The variable radius r of the injection orifice 60 is Compensating for changes in the properties of t4 It's coming. Therefore, some change in U will change r o O This can be compensated for by keeping r/u constant. Fi O - the release control means may include room pressure, cycle period or may be provided to adjust r depending on the chemiluminescence determination of the reaction. can.
本発明の他の2つの実施例(図9aおよび9b)においては、注入噴口が注入オ リフィスと、燃焼器の流体動的混合特性を変えることができる可変のバルブシス テムとによって構成されている。図9aに示すものでは、燃焼特性をモニターす るフィードバックループ1.20に応答して、よどみ板バルブ(stagnat ion plate valve)110を機械的に調節するため、モータ駆動 のアクチュエータ100か用いられている。よどみ板バルブ140は燃料/空気 入口125の入口幾何形状を変え、それにより予混合した燃料/空気反応物質の 燃焼室105内の燃焼生成物との混合特性を加減する。好ましくは、フィードバ ック信号をモニターし、アクチュエータ100を作動させるためのマイクロプロ セッサ−30が採用される。したがって燃焼器中の所望の圧力振動が維持されう る。流体動的混合を制御するためにモニターされ、用いられる他のシステム特性 は、燃焼周期と化学的ルミネッセンスである。In two other embodiments of the invention (FIGS. 9a and 9b), the injection orifice is Refice and variable valve system that can change the fluid dynamic mixing characteristics of the combustor It is composed of In the one shown in Figure 9a, the combustion characteristics are monitored. In response to feedback loop 1.20, the stagnation plate valve ion plate valve) 110, a motor-driven Actuator 100 is used. The stagnation plate valve 140 is a fuel/air The inlet geometry of inlet 125 is varied to thereby increase the flow of premixed fuel/air reactants. The mixing characteristics with the combustion products in the combustion chamber 105 are adjusted. Preferably, the feedback A microprocessor for monitoring the drive signal and operating the actuator 100. A processor 30 is adopted. The desired pressure oscillation in the combustor is thus maintained. Ru. Other system characteristics monitored and used to control fluid dynamic mixing are the combustion period and chemiluminescence.
燃焼器の流体動的混合特性を変化させうるあらゆる可変バルブ幾何形状が採用さ れうる。図9bは、図8aに示される可変よどみ板と同し作用をする円錐状のよ どみ板140を用いる以外は図9aに示すものと同じ実施例を図示している。個 々のパルス燃焼器に対応して、多様なよどみ形状を、入口幾何形状を変更して所 望の混合特性をうるために用いることがてきる。Any variable valve geometry that can change the fluid dynamic mixing characteristics of the combustor may be employed. It can be done. Figure 9b shows a conical shaped plate that acts the same as the variable stagnation plate shown in Figure 8a. The same embodiment as shown in FIG. 9a is illustrated, except that a filler plate 140 is used. Individual Various stagnation shapes can be created by changing the inlet geometry to accommodate different pulse combustors. It can be used to obtain desired mixing characteristics.
いくつかの実施例と共に本発明の詳細な説明した。しかしそれらの開示に基づい て当業者は本発明を改変し、改良することができ、それらはつぎの請求の範囲で 規定する本発明の範囲および精神になお含まれる。A detailed description of the invention has been provided along with several examples. But based on those disclosures Those skilled in the art will be able to make modifications and improvements to the present invention, which are disclosed in the following claims. still within the scope and spirit of the invention as defined.
時 間(秒) FIG、 2 正規化時間(1/1サイクル) FIG、 3 無次元化時間(↑/↑サイクル) FIG、7Time (seconds) FIG. 2 Normalization time (1/1 cycle) FIG.3 Dimensionless time (↑/↑cycle) FIG.7
Claims (40)
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