JPH0799251B2 - 連結式パルス燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、偶数のパルスバーナを並列的に連結させた
連結式パルス燃焼装置に関する。

（従来の技術） 従来、第６図に示すように、同一構成のパルスバーナ1
a,1bの給気側および排気側をそれぞれ連結させた連結式
パルス燃焼装置が知られている。このような連結式パル
ス燃焼装置は、例えば1979年11月に行われたパルスバー
ナに関するシンポジウムの予稿集 Proceedings of the
Symposium on Pulse Combustion Technology for Heati
ng Applicationsの文献Measurement and Interpretatio
n of Pressure and Sound Spectra of a Pulse Combust
ion Water Heaterの中に示されている。なお、第６図中
2a,2bはパルスバーナ1a,1bの燃焼室を示している。パル
スバーナ1aの燃焼室2aには空気供給管3aおよび燃料供給
管4aがそれぞれ接続されている。同様に、パルスバーナ
1bの燃焼室2bにも空気供給管3bおよび燃料供給管4bがそ
れぞれ接続されている。空気供給管3a,3bの途中位置に
は空気フラッパバルブ5a,5bがそれぞれ挿設されてお
り、燃料供給管4a,4bの途中位置にも燃料フラッパバル
ブ6a,6bがそれぞれ挿設されている。空気供給管3a,3bの
空気フラッパバルブ5a,5bが設けられている位置より上
流側は給気デカップラ７に共通に接続されている。燃焼
室2a,2bの下流側には尾管8a,8bの一端側がそれぞれ接続
されており、これら尾管8a,8bの他端側は排気デカップ
ラ９に共通に接続されている。そして、パルス燃焼運転
中は、各パルスバーナ1a,1bの発振周期を180度ずらした
状態で交互に燃焼室2a,2b内で爆発燃焼させ、これによ
って各パルスバーナ1a,1bの圧力変化の位相を180度ずら
すことにより、騒音レベルの低減化を図るようにしてい
る。

しかしながら、上記のように構成されたものにあって
は、空気供給管3a,3bに空気フラッパバルブ5a,5bをそれ
ぞれ挿設しているので、パルス燃焼運転中、例えば一方
のパルスバーナ1a側で爆発燃焼が生じている状態では、
燃焼室2a内の圧力によって空気フラッパバルブ5aが空気
供給管3aの空気流通口全体を閉塞した状態となる。この
状態では空気供給管3aを介しての空気の流通が完全に遮
断される。このため、爆発燃焼直後のように燃焼室2a内
の圧力が高いときには、燃焼室2aの圧力を給気デカップ
ラ７を介して低圧状態の燃焼室2b内に伝播させることは
できない。このように、上記構成の連結式パルス燃焼装
置では、高圧状態の燃焼室2aの圧力と低圧状態の燃焼室
2b内の圧力とを強く干渉させることができない。このた
め、各パルスバーナ1a,1bの発振周波数に僅かな差異が
生じ易く、これが原因してうなりが発生する虞れがある
とともに、燃焼状態が不安定となり、極端な場合には燃
焼が停止する虞れがあった。また、パルス燃焼装置全体
の燃焼量の可変範囲を拡大しようとすると、CO-CO₂特性
が悪化し、燃焼量の可変範囲は最大でもターンダウン比
（定格燃焼量と最低燃焼量との比）で2:1から3:1程度に
しか設定できず、燃焼量の可変範囲が狭いと言う問題も
あった。さらに、空気フラッパバルブ5a,5bは各パルス
バーナ1a,1bの発振周期に合せて高速度で（１秒間に数
十回程度）往復運動するので、耐久性の面でも問題があ
った。

一方、その後開催されたシンポジウム“Symposium on P
ulse Combustion Applications,Atlanta,Georgia,March
2−3,1982"の文献には、カナダのカルガリー大学やバッ
テル・コロンバス研究所から空気フラッパバルブ5a,5b
の代わりにパイプ状の空力弁を使用した連結式パルス燃
焼装置が発表されている。第７図および第８図はそのよ
うな空力弁式の連結式パルス燃焼装置を示している。な
お、第７図中10が空力弁、第８図中11が空力弁を示して
いる。第７図および第８図に示すパルス燃焼装置は、空
力弁10,11を形成するパイプ内の流通抵抗によって、燃
焼室2a,2b側から空気供給路側に逆流する燃焼ガス流の
流れを抑制すると同時に空気供給路側に逆流する燃焼ガ
ス流の流体圧力によって空気供給路側の空気圧を高め、
また爆発燃焼後に燃焼ガスの燃焼室2a,2bから尾管8a,8b
側への高速度流出によって燃焼室2a,2b内が負圧状態に
なった時点で空気供給路側から燃焼室2a,2b内に燃焼用
空気を流入させる構成となっている。

しかし、上記構成のものも尾管8a,8bの長さに見合った
長さおよび形状に空力弁10,11を形成しなければパルス
発振が不能になる。このため、空力弁10,11を精度よく
製作する必要があった。また、空力弁10,11の長さおよ
び形状は、尾管8a,8bの長さに応じて決定されるので、
空力弁10,11を小形化することが困難であり、この結
果、装置全体が大形になる問題もあった。

（発明が解決しようとする問題点） 各空気供給管に空気フラッパバルブを挿設したもので
は、一方の燃焼室で生じた爆発燃焼時の高圧力を給気デ
カップラを介して他方の低圧状態にある燃焼室内に円滑
に伝播させることができない。このため、高圧状態にあ
る燃焼室の圧力と低圧状態にある燃焼室内の圧力とを強
く干渉させることができず、これが原因して各パルスバ
ーナの発振周波数に僅かな差異が生じてうなりが発生す
るばかりか、燃焼状態が不安定となって燃焼が停止する
虞れがあった。また、装置全体の燃焼量の可変範囲が狭
い問題もあった。しかも空気フラッパバルブを高速度で
（１秒間に数十回程度）往復運動させる必要があるの
で、、耐久性の面でも問題があった。さらに、空気フラ
ッパバルブの代りに空力弁を使用したものにあっては、
スタート時に、両燃焼器を干渉させることが難しく、着
火させることが困難であった。また、一旦着火しても内
部の混合状態を良好にコントロールできないため、排気
ガス中に有害成分であるCOやハイドロカーボンなどが生
じ易いと言う問題があった。さらに、空力弁を精度よく
製作する必要があるため、空力弁の製作が困難であると
ともに、装置全体が大形になる問題もあった。

そこで、この発明は、騒音の低減化、燃焼の安定化、燃
焼量の可変範囲の拡大化、耐久性の向上化、着火の容易
化、燃焼ガスのクリーン化を図れ、しかも製作の容易化
および装置全体の小形化を図れる連結式パルス燃焼装置
を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） この発明では、同一構成の偶数のパルスバーナを設け、
これらパルスバーナの空気供給路に順方向の流量係数が
逆方向の流量係数よりも大きい流量制御弁、すなわち本
発明装置では燃焼室側に向かうにしたがって開口面積が
徐々に縮小するノズル状に形成された流量制御弁をそれ
ぞれ挿設している。そして、各空気供給管の前記流量制
御弁と燃焼室との間に位置する部分に燃料供給路を接続
している。また各パルスバーナの空気供給路における前
記流量制御弁より上流側を給気デカップラに共通に接続
するとともに、各パルスバーナの尾管の下流側を排気デ
カップラに共通に接続している。

（作用） ノズル状に形成された流量制御弁は、爆発燃焼による燃
焼室内の圧力上昇時に空気供給路側に逆流する燃焼ガス
の流れを制御するとともに、その開口部を介して爆発燃
焼直後の高圧状態の燃焼室の圧力を給気デカップラを介
して低圧状態の燃焼室内に円滑に伝播させる。このた
め、高圧状態にある燃焼室の圧力と低圧状態にある燃焼
室内の圧力とを強く干渉させることができ、各パルスバ
ーナの発振周期を完全に180度ずらすことができる。し
たがって、うなりの発生の防止、燃焼状態の不安定性解
消および燃焼量の可変範囲の拡大化が可能となる。また
空気供給路内の前記流量制御弁と燃焼室との間に燃料供
給路を接続しているので、燃料と空気との良好な混合を
得ることができ、着火の容易化、排ガスのクリーン化を
可能化する。また，上記構成の流量制御弁には可動部分
が存在していない。したがって、耐久性の向上が可能と
なる。また、上記構成の流量制御弁の形状や大きさは、
尾管の長さ等には左右されない。したがって、装置全体
の小形化が可能となる。

（実施例） 第１図には、この発明の一実施例に係る２連構成の連結
式パルス燃焼装置が示されている。図中21a,21bは同一
構成、同一寸法に形成されたパルスバーナを示し、22
a、22bはパルスバーナ21a,21bの燃焼室を示している。
パルスバーナ21aの燃焼室22aの上流部周壁には、燃焼室
22a内に通じる関係に空気供給管（空気供給路）23aの一
端が接続されている。同様に、パルスバーナ21bの燃焼
室22bの上流部周壁にも燃焼室22b内に通じる関係に別の
空気供給管（空気供給路）23bの一端が接続されてい
る。これら空気供給管23a,23bは、その軸心線が燃焼室2
2a,22bの軸心線に対して段違い状態で直交するように接
続されている。各空気供給管23a,23b内の途中位置に
は、順方向の流量係数が逆方向の流量係数よりも大きい
流量制御弁24a,24bがそれぞれ挿設されている。これら
の流量制御弁24a,24bは、第２図に示すように、空気供
給管23a,23b内を流れる燃焼用空気の流れに沿って上流
側から下流側（燃焼室22a,22b側）に向かうにしたがっ
て開口面積が徐々に縮小するノズル状に形成さており、
空気供給管23a,23b内を流れる燃焼用空気の流れが第２
図中に実線矢印で示すように上流側から下流側（燃焼質
22a,22b側）に向かう状態（順方向の流れ）では通気抵
抗が小さく、逆に第２図中点線矢印で示すように下流側
ら上流側に向かう状態（逆方向の流れ）では通気抵抗が
大きくなるように形成されている。したがって、この流
量制御弁24a,24bは、パルス燃焼運転中に燃焼室22a,22b
内での混合気の爆発燃焼で燃焼室22a,22b内の圧力が急
激に上昇して燃焼ガスの一部が燃焼室22a,22bから空気
供給管23a,23b内に逆流しようとしたとき、この逆流燃
焼ガスの流れを制御して空気供給管23a,23b内の空気圧
力を高めることを可能とし、また爆発燃焼の終了後、燃
焼室22a,22b内が負圧状態に変化した時点で空気供給管2
3a,23b内の空気を円滑に燃焼室22a,22b内に供給するこ
とを可能とする。

空気供給管23a,23bの流量制御弁24a,24bが設けられてい
る位置より上流側は単一の給気デカップラ25に共通に接
続されている。この給気デカップラ25は給気導入管26に
接続されている。空気供給管23a,23bの流量制御弁24a,2
4bが位置している部分と燃焼室22a,22bとの間に位置す
る部分には、燃料供給管（燃料供給路）27a,27bがそれ
ぞれ接続されている。この位置に燃料供給管27a,27bを
接続することによって、パルス燃焼運転中に、燃焼室22
a,22b内の圧力変化にともない燃焼ガスが燃焼室22a,22b
から空気供給管23a,23b内に逆流したとき、この逆流燃
焼ガスの圧力で燃料供給管27a,27bからの燃料ガスの供
給を停止させ、また燃焼室22a,22b内が負圧状態に変化
して空気供給管23a,23b内の空気が燃焼室22a,22b内に導
入されたとき、これに応動させて燃料供給管27a,27bか
ら燃料ガスを燃焼用空気とともに燃焼室22a、22b内に導
入させることができるようにしている。そして、各燃焼
室22a,22bの上流部周壁内面には始動着火用のイグナイ
タ31a,31bがそれぞれ装着されている。

一方、パルスバーナ21a,21bの燃焼室22a,22bの下流側に
は尾管28a,28bの一端側が接続されている。これら尾管2
8a,28bの他端側（下流側）は、単一の排気デカップラ29
に共通に接続されている。そして、排気デカップラ29は
排気管30に接続されている。

ここで，燃料供給管27a,27bの取付け位置に付いて説明
する。燃料供給管27a,27bの取付け位置は、着火性、燃
焼性、安全性さらには燃料供給管のメンテナンス性も考
慮して決定する必要がある。特にパルスバーナのように
高速度で燃焼が繰返されているような燃焼器の場合に
は、燃料と空気との混合スピードを如何に速くするかが
重要となる。この取付け位置は燃焼室内の可視化実験や
性能試験によって次のようにして決定したものである。
第２図には燃料供給管27a（27b）の取付け位置をA,B,C,
Dの４つのゾーンに別けて示している。下表１には各ゾ
ーンにおける着火性、燃焼性、安全性、メンテナンス性
の結果を示している。なお、表中○印は良、△印はやや
良、×印は否を表わしている。

燃焼サイクルにおける逆流時に流量制御弁24a（24b）の
上流側では、流量制御弁の圧力損失によって下流側ほど
圧力が高くならない。したがって、燃料供給管27a（27
b）を流量制御弁24a（24b）より上流側（Ａゾーン）に
接続した場合には、爆発燃焼時に燃料の噴出を止めるこ
とができない。このため、燃焼ガスの逆流とともに上流
側に燃料が運ばれ、給気デカプラ25内に空気と燃料との
混合ガスが溜り、下流側からの火炎伝播によって爆発を
引き起こすという危険がある。燃料供給管27a（27b）を
Ｂゾーンに接続した場合には、爆発燃焼時に空気供給管
23a（23b）内の圧力によって燃料の噴出を止めることが
できる。したがって、この場合には燃料の逆流が生じる
ことはなく爆発の危険はない。また流量制御弁から高速
で噴出される空気流に伴って燃料の噴出が行われるた
め、燃料と空気との混合が良好となり、着火性、燃焼性
とも良好な結果が得られる。燃料供給管のメンテナンス
性についても、燃焼室外に設置される空気供給管に接続
されているため良好である。Ｃゾーンは、高速で流れ込
んだ空気流が徐々に遅くなる領域である。したがって、
このゾーンに燃料供給管27a（27b）を接続しても、空気
と燃料との混合性が悪く、燃焼性はＢゾーンより劣るこ
とになる。また、イグナイタ31a（31b）を燃料供給管27
a（27b）よりも下流側に位置させなければならないた
め、着火性が悪く、しかもイグナイタ、燃料供給管双方
のメンテナンス性が悪くなる。Ｄゾーンでは空気流は周
囲のガスを巻き込んで相当低速となる。したがって、混
合スピードが遅く燃焼性は非常に悪い。また着火性も同
じ理由で悪い。以上から、本実施例では燃料供給管27a
（27b）を空気供給管23a（23b）内の流量制御弁24a（24
b）と燃焼室22a（22b）との間の最適な位置に接続して
いるのである。

次に、上記のように構成された連結式パルス燃焼装置の
作用について説明する。

第３図（ａ）〜（ｄ）は、この連結式パルス燃焼装置の
パルス燃焼中の状態変化を示している。また第４図は一
方のパルスバーナ21aの圧力変動を示している。なお、
第３図中、白抜き矢印は未燃混合気の流れを示し、黒塗
り矢印は燃焼ガスの流れを示している。

連結式パルス燃焼装置では、パルス燃焼運転中に各パル
スバーナ21a,21bにおいて交互に爆発燃焼が生じる。第
３図（ａ）に示すように、一方のパルスバーナ21aに混
合気が流入している過程では、他方のパルスバーナ21b
は燃焼ガスの排気過程の状態となる。この状態では、燃
焼室22a内の圧力が第４図中に矢印Ａで示すように負圧
になっており、燃焼室22a内に空気供給管23a側から未燃
混合気が導入されるとともに、排気デカップラ29から燃
焼ガスの一部か導入される。

そして、第３図（ｂ）に示すように、燃焼室22a内に未
燃混合気および燃焼ガスが導入されると、燃焼室22a内
で未燃混合気が燃焼を開始する（燃焼室22a内の圧力は
第４図中に矢印Ｂで示す）。続いて、第３図（ｃ）に示
すように、燃焼室22a内で燃焼中に（燃焼室22a内の圧力
は第４図中に矢印Ｃで示す）、他方のパルスバーナ21b
の燃焼室22b内が負圧状態に変化し、この燃焼室22b内へ
の未燃混合気の導入が開始される。

また、第３図（ｄ）に示すように燃焼室22a内での燃焼
後、燃焼室22a内の燃焼ガスの排気が開始される（燃焼
室22a内の圧力は第４図中に矢印Ｄで示す）と、他方の
燃焼室22b内への未燃混合気の導入量が増大し、続いて
パルスバーナ21b側が第３図（ａ）〜（ｄ）でパルスバ
ーナ21aが行なったのと略同じ動作を行ない、以後、同
様に各パルスバーナ21a,21bで交互に爆発燃焼が繰返さ
れる。このため、パルス燃焼運転中は、各パルスバーナ
21a,21bの発振周期を180度ずらした状態で交互に爆発燃
焼させることができ、パルス燃焼運転中の各パルスバー
ナ21a,21bの圧力変化の位相を第５図に示すように180度
ずらすことができる。

このように、空気供給管23a,23bの途中に、この空気供
給管23a,23b内を流れる燃焼用空気の流れに沿って上流
側から下流側に向かうにしたがって開口面積が徐々に縮
小するノズル状の流量制御弁24a,24bをそれぞれ設けて
いる。したがって、これら流量制御弁24a,24bによって
燃焼室22a,22b内への未燃混合気の間欠導入を制御する
ことができるばかりか、パルス燃焼運転中、例えば一方
のパルスバーナ21a側が爆発燃焼している状態であって
も空気供給管23aの空気流通口全体を閉塞させることは
ない。このため、爆発燃焼直後の高圧状態の燃焼室22a
の圧力を給気デカップラ25を介して低圧状態の燃焼室22
b内に円滑に伝播させることができる。つまり、給気デ
カップラ25および排気デカップラ29を介して高圧状態の
燃焼室22a側の圧力と低圧状態の燃焼室22b側の圧力とを
強く干渉させて圧力変動を制御することができるので、
パルス燃焼中の各パルスバーナ21a,21bの圧力変化の位
相を確実に180度ずらすことができる。したがって、う
なりの発生を防止して騒音の低減化を図ることができ、
しかも燃焼状態の安定化も図ることができる。また、各
パルスバーナ21a、21bは互いに逆位相状態で動作するの
で、互いの給気動作および排気動作をそれぞれ補完させ
ることができる。このため、連結式パルス燃焼装置全体
の燃焼量の可変範囲を拡大することができ、例えばター
ンダウン比（定格燃焼量と最低燃焼量との比）を10:1以
上程度に拡大して連続燃焼並みに安定燃焼範囲を広げる
ことができる。さらに、流量制御弁24a,24bは空気フラ
ッパバルブのように可動部分がないので、耐久性の向上
を図ることもできる。また、空気供給管23a,23b内にノ
ズル状の流量制御弁24a,24bをそれぞれ挿設しているの
で、第７図や第８図に示す空力弁10,11を使用したもの
とは違って、空気供給管23a,23bの長さおよび形状が尾
管8a,8bの長さに応じて決定されることがない。このた
め、空気供給管23a,23bの長さを尾管28a,28bの長さに関
係なく任意に設定することができるので、製作の容易化
を図ることができるとともに空気供給管23a,23bの長さ
を比較的短くすることができ、装置全体の小形化を図る
こともできる。

さらに、燃料供給管27a,27bを、空気供給管23a,23bにお
ける燃焼室22a,22bと流量制御弁24a,24bとの間に位置す
る部分に接続しているので、空気と燃料との混合性をよ
くでき、この結果、着火の容易化を図れるばかりか、燃
焼性を向上させることができるので排ガスのクリーン化
も図ることができる。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではな
い。例えば、流量制御弁24a,24bおよび給気デカップラ2
5を燃料供給路側にも設ける構成にしてもよい。この場
合には燃料供給路側の圧力変動も制御することができ、
パルス燃焼装置の騒音を一層効果的に低減できる。ま
た、パルスバーナの数は４以上の偶数であってもよい。
さらに、その他この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変形実施できることは勿論である。

［発明の効果］ この発明によれば、同一構成の偶数のパルスバーナを設
け、これらパルスバーナの空気供給管に順方向の流量係
数が逆方向の流量係数よりも大きくなるようにノズル状
に形成された流量制御弁をそれぞれ挿設し、各パルスバ
ーナの空気供給路における前記流量制御弁より上流側を
給気デカップラにに共通に接続し、また各パルスバーナ
の尾管の下流側を排気デカップラに共通に接続し、さら
に空気供給管の燃焼室と流量制御弁との間に位置する部
分に燃料供給管を接続しているので、爆発燃焼直後の高
圧状態の燃焼室の圧力を給気デカップラを介して低圧状
態の燃焼室内に円滑に伝播させることができ、高圧状態
の燃焼室の圧力と低圧状態の燃焼室内の圧力とを強く干
渉させることができるので、騒音の低減効果の向上，燃
焼状態の安定化，燃焼量の可変範囲の拡大、着火の容易
化、排ガスのクリーン化および耐久性の向上を図ること
ができるとともに、製作の容易化および装置全体の小形
化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すもので、第１図
（ａ）は連結式パルス燃焼装置の要部構成を一部切断に
して示す正面図、同図（ｂ）は同側面図、第２図は空気
ならびに燃料の供給部および流量制御弁を示す縦断面
図、第３図（ａ）〜（ｄ）はパルス燃焼中の状態変化を
説明するための図、第４図はパルス燃焼中の一方のパル
スバーナの圧力変動状態を示す特性図、第５図はパルス
燃焼中の２組のパルスバーナの圧力変動状態を示す特性
図、第６図乃至第８図はそれぞれ従来の連結式パルス燃
焼装置の概略構成図である。 21a,21b……パルスバーナ、22a,22b……燃焼室、23a,23
b……空気供給管、24a,24b……流量制御弁、25……給気
デカップラ、27a,27b……燃料供給管、28a,28b……尾
管、29……排気デカップラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれが燃焼室および尾管を備えるとと
   もに同一構成に形成された偶数のパルスバーナと、 空気の供給方向に対して開口面積が徐々に縮小するノズ
   ル状に形成されて前記各パルスバーナの空気供給路にそ
   れぞれ設けられた流量制御弁と、 前記各空気供給路の前記流量制御弁より上流側に共通に
   接続された給気デカップラと、 前記各パルスバーナにおける各尾管の下流側に共通に接
   続された排気デカップラと、 前記各空気供給路の前記燃焼室への接続部と前記流量制
   御弁との間に位置する部分に接続された燃料供給路とを
   具備し、 前記偶数のパルスバーナを交互に燃焼させることを特徴
   とする連結式パルス燃焼装置。