(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料とを予め混合して得た予混合気を燃焼する予混合燃焼装置であって、
共鳴管により囲まれた上記予混合気の燃焼空間に火炎を挟んで対称の定在音場を形成する定在音場形成手段を備え、
上記燃焼空間において火炎に対して上記定在音場を印加することにより、上記定在音場の速度振動の腹において発生する圧力波の進行方向に対して垂直方向への二次流れと、火炎に形成される皺を用いて、火炎の保炎を行うことを特徴とする予混合燃焼装置。
【請求項２】
上記定在音場形成手段は、正対する二台のスピーカから互いに逆位相の正弦波を発生し、
上記正弦波の１／２波長で共鳴させることにより、上記共鳴管により囲まれた上記予混合気の燃焼空間に定在音場を形成することを特徴とする請求項１記載の予混合燃焼装置。
【請求項３】
プロパンガスの希薄予混合気を上記共鳴管により囲まれた燃焼空間において燃焼し、１５５ｄＢ以上の定在音場により保炎を行うことを特徴とする請求項１記載の予混合燃焼装置。
【請求項４】
空気と燃料とを予め混合して得た予混合気を燃焼する予混合燃焼装置における火炎制御方法であって、
共鳴管により囲まれた上記予混合気の燃焼空間に火炎を挟んで対称の定在音場を形成し、上記燃焼空間において火炎に対して上記定在音場を印加することにより、上記定在音場の速度振動の腹において発生する圧力波の進行方向に対して垂直方向への二次流れと、火炎に形成される皺を用いて、火炎の保炎を行うことを特徴とする火炎制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロケットエンジンやガスタービンエンジンなどの連続燃焼を行う予混合燃焼装置及び、その火炎制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロケットエンジンやガスタービンエンジンなどでは、排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）が酸性雨や光化学スモッグ等の原因となるので、ＮＯｘを低減するために、予混合燃焼方式が採用されている。
【０００３】
予混合燃焼方式は、火炎温度を抑えながら燃焼が可能なためＮＯｘを低減できるのであるが、燃焼の安定範囲の幅が狭く、失火や逆火など不安定な燃焼が問題となる。
【０００４】
火炎の吹き飛びは、予混合気の流速が燃焼速度を上回り、火炎が伝播できないために発生する現象である。したがって、吹き飛びを抑制するためには、予混合気に対し、低速の領域を形成させることが必要不可欠である。
【０００５】
そこで、従来の燃焼器では、例えば、燃料と酸化剤の予混合気にスワーラで強旋回を加えることで生じる逆流領域で保炎している（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、アフターバーナ等では保炎器を用いて、保炎器の下流側で生じる再循環領域内で保炎をしている。
【０００７】
また、火炎上流の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うことが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−２１３４４５号公報
【特許文献２】特開２００８−２８１３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、特許文献１の開示技術のように、燃料と酸化剤の予混合気にスワーラで強旋回を加えることで生じる逆流領域で保炎するのでは、燃焼安定性が向上する一方で、未燃ガスがスワーラを通過するために、圧力損失が生じるという問題がある。圧力損失は、ガスタービン機関にとって、効率に大きく影響するため、できる限り小さい方が望ましい。
【００１０】
また、保炎器を用いる場合、保炎器が火炎にさらされるため、熱による強度の低下などの熱疲労が問題となる。
【００１１】
また、特許文献２の開示技術では、逆流領域を作らず、また火炎制御を目的としており、流速が速いと保炎できない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、圧力損失を低減するとともに安定した燃焼を行うことができる予混合燃焼装置及び、その火炎制御方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、火炎に直接定在音場を作用させることによって、火炎に対し乱れを与えることによって吹き飛びを抑制することで、圧力損失を抑えた燃焼を行う。
【００１５】
すなわち、本発明は、空気と燃料とを予め混合して得た予混合気を燃焼する予混合燃焼装置であって、共鳴管により囲まれた上記予混合気の燃焼空間に火炎を挟んで対称の定在音場を形成する定在音場形成手段を備え、上記燃焼空間において火炎に対して上記定在音場を印加することにより、上記定在音場の速度振動の腹において発生する圧力波の進行方向に対して垂直方向への二次流れと、火炎に形成される皺を用いて、火炎の保炎を行うことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る予混合燃焼装置において、上記定在音場形成手段は、例えば、正対する二台のスピーカから互いに逆位相の正弦波を発生し、上記正弦波の１／２波長で共鳴させることにより、上記共鳴管により囲まれた上記予混合気の燃焼空間に定在音場を形成する。
【００１８】
さらに、本発明に係る予混合燃焼装置では、例えば、プロパンガスの希薄予混合気を上記共鳴管により囲まれた燃焼空間において燃焼し、１５５ｄＢ以上の定在音場により保炎を行う。
【００１９】
本発明は、空気と燃料とを予め混合して得た予混合気を燃焼する予混合燃焼装置における火炎制御方法であって、共鳴管により囲まれた上記予混合気の燃焼空間に火炎を挟んで対称の定在音場を形成し、上記燃焼空間において火炎に対して上記定在音場を印加することにより、上記定在音場の速度振動の腹において発生する圧力波の進行方向に対して垂直方向への二次流れと、火炎に形成される皺を用いて、火炎の保炎を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、空気と燃料とを予め混合して得た予混合気を燃焼する予混合燃焼装置において、共鳴管により囲まれた上記予混合気の燃焼空間に火炎を挟んで対称の定在音場を形成し、火炎に直接定在音場を作用させて火炎に対し乱れを与えることによって吹き飛びを抑制することで、圧力損失を低減するとともに安定した燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を適用した予混合燃焼装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】定在音場の速度振動の腹に密度変化を与えることにより、圧力波の進行方向に対して垂直方向に発生する二次流れを模式的に示す図である。
【図３】上記予混合燃焼装置における火炎の浮き上がり高さ、火炎形状の変化を観測した結果を示す図である。
【図４】上記予混合燃焼装置における各周波数及び音圧での、バーナーノズル出口流速と吹き飛び時の当量比の関係を示す図である。
【図５】上記予混合燃焼装置において音圧を変えたときに保炎できる最大のバーナーノズル出口流速の観測結果を図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
本発明は、例えば図１に示すような構成の燃焼装置１００に適用される。
【００２４】
この燃焼装置１００は、図１の（Ａ）に示すように、空気と燃料とを予め混合して得た予混合気を燃焼する予混合燃焼装置であり、燃焼用空気と燃料を混合する予混合室１０と、この予混合室１０において燃焼用空気と燃料とを混合した予混合気を噴射するバーナーノズル２０と、上記バーナーノズル２０から噴射された予混合気を燃焼させる円筒状の燃焼室３０を備える。
【００２５】
上記予混合室１０に供給される燃焼用空気と燃料の各供給路には、上記燃焼用空気と燃料の各流量を計測する流量計１１，１２が設けられている。
【００２６】
なお、燃料用空気は、サージタンク１３を介して上記予混合室１０に供給されるようになっている。
【００２７】
上記燃焼室３０には、上記バーナーノズル２０から噴射された予混合気を室内に入射させるための開口３２が、その周壁３１の中央底部に設けられているとともに、燃焼ガスを外部に排出させるための排気口３３が、上記周壁３１の中央天部に設けられている。
【００２８】
ここで、図１の（Ａ）には、上記燃焼室３０の一部を長手方向に縦断して示し、また、図１の（Ａ）における上記燃焼室３０のＡ−Ａ線断面図を図１の（Ｂ）に示してある。
【００２９】
さらに、この予混合燃焼装置１００には、上記円筒状の燃焼室３０の両端に二台のスピーカ４１，４２が正対するように設けられている。
【００３０】
上記正対する二台のスピーカ４１，４２は、正弦波信号発生器４３から出力される正弦波信号を増幅する増幅器４４を介して供給される互いに逆位相の正弦波信号によって駆動され、互いに逆位相の正弦波音響出力を発生し、上記正弦波の１／２波長で共鳴させることにより、上記円筒状の燃焼室３０内に定在音場を形成する定在音場形成手段として機能する。
【００３１】
すなわち、この予混合燃焼装置１００において、上記定在音場形成手段は、正対する二台のスピーカ４１，４２から互いに逆位相の正弦波を発生し、上記正弦波の１／２波長で共鳴させることにより、上記共鳴管により囲まれた上記予混合気の燃焼空間に定在音場を形成している。また、上記円筒状の燃焼室３０は、上記燃焼用空気と燃料とを混合した予混合気の燃焼空間を囲む共鳴管として機能している。
【００３２】
定在音場の速度振動の腹に密度変化を与えると、図２に示すように、圧力波の進行方向に対して垂直方向に二次流れが発生する。また、強い音圧の下では音響振動により火炎に皺が形成される。
【００３３】
この予混合燃焼装置１００では、上記バーナーノズル２０から噴射された予混合気を燃焼させる上記円筒状の燃焼室３０内で火炎に対して上記定在音場を印加することにより、上記定在音場の速度振動の腹において発生する圧力波の進行方向に対して垂直方向への二次流れと、火炎に形成される皺を用いて、火炎の保炎を行うことにより、予混合火炎の吹き飛び等の不安定な燃焼を解消し、安定燃焼を実現する。
【００３４】
すなわち、この予混合燃焼装置１００では、二つの正対させたスピーカ４１，４２より正弦波を生じさせ、共鳴させることで上記燃焼室３０内に定在波を生成し、この定在波を火炎に対して直接印加することで生じる二次流れによる逆流領域、及び、それに伴うしわによって火炎の吹き飛びを抑制する。
【００３５】
ここで、上記予混合燃焼装置１００において、燃焼用空気とプロパンガスの流量を流量計１１，１２で測定し、予混合室１０において所定の比率で燃焼用空気と燃料とを混合した予混合気を得て、上記バーナーノズル２０から噴射された予混合気を上記円筒状の燃焼室３０内で燃焼させ、火炎に対して上記定在音場を印加する実験を行ったところ、次のような結果が得られた。
【００３６】
実験では、上記バーナーノズル２０として、内径１０ｍｍ、リム厚１ｍｍのステンレス製円管バーナを用い、常温、大気圧の下で火炎を形成させ、上記円筒状の燃焼室３０として、直径２６７ｍｍのステンレス製で長さ３００ｍｍと４００ｍｍの円管を用いた。二つの正対させたスピーカ４１，４２から、互いに逆位相となる正弦波を生じさせ、円管内で共鳴させることで定在音場を形成した。周波数は、１／２波長で共鳴するように長さ３００ｍｍの円管では約６２０Ｈｚ、長さ４００ｍｍの円管では約４８０Ｈｚとした。燃焼中は、円管内温度が変化し音速の変化による共鳴周波数の変化が生じるので、その都度周波数を微調整した。
【００３７】
そして、火炎の形成に際して、バーナリムでの保炎をさけるためにバーナーノズル出口流速を高くした。この状態では火炎が吹き飛ぶため、図１に破線で示すように直径１２ｍｍの保炎器５０を用いて火炎を保炎し、次に、火炎位置と速度振動の腹が一致するように定在音場を形成し、その状態で保炎器５０を外し、音場のみで保炎する状態をつくり、音圧一定の下でプロパンガスの流量を減少させ、吹き飛びが生じた時点での流量から、保炎限界の当量比を算出した。
【００３８】
また、音圧はピエゾ抵抗型差圧センサ（ＫＥＬＬＥＲ  社製ＰＲ−１０）６０によって圧力振動の腹の位置で測定結果をオシロスコープ７０で観測し、火炎が音場で保炎されている状態から、当量比一定の下音圧を下げていき、吹き飛びが生じた時点での音圧をオシロスコープ７０を用いて読み取った。また、火炎は、図示しない高速度ビデオカメラ（株式会社ナックイメージテクノロジー社製ＭＥＭＲＥＣＡＭ  ＧＸ−８）およびスチルカメラにより撮影した。
【００３９】
当量比φ＝０．７、バーナーノズル出口流速Ｕｕ＝３６ｍ／ｓ、および周波数ｆ＝６４０Ｈｚが一定の条件下での音圧Ｐｓの違いによる火炎の浮き上がり高さ、火炎形状の変化を観測した結果を図３に示す。図中の白線はバーナーノズル出口、白点線は共鳴管入り口、ハッチング部分は保炎器５０を示している。
【００４０】
音無しでは図３の（Ａ）に示すように保炎器５０がないと火炎は吹き飛ぶが、保炎器５０なしで、Ｐｓ＝０．８ｋＰａの火炎では図３の（Ｂ）に示すように音圧レベルＳＰＬ＝１５３ｄＢの音で保炎でき、Ｐｓ＝１．１ｋＰａの火炎では図３の（Ｃ）に示すように、音圧レベルＳＰＬ＝１５５ｄＢの音とすることにより保炎位置はよりバーナリムへ近づき、さらに、Ｐｓ＝２．０ｋＰａの火炎は図３の（Ｄ）に示すように、音圧レベルＳＰＬ＝１６０ｄＢの音でバーナリムに付着した。
【００４１】
したがって、音圧が高いほど、火炎基部はより上流へと移動し、より高いバーナーノズル出口流速に対しても保炎可能である。
【００４２】
また、火炎形状に着目すると、Ｐｓ＝０．８ｋＰａからＰｓ＝１．１ｋＰａまでは顕著な変化は確認できなかったが、Ｐｓ＝２．０ｋＰａの火炎は、Ｐｓ＝０．８からＰｓ＝１．１ｋＰａの火炎で確認できた下流側の輝度の低い火炎が確認できなかった。また、全ての火炎において皺が確認された。
【００４３】
次に、各周波数及び音圧での、バーナーノズル出口流速と吹き飛び時の当量比の関係を図４に示す。
【００４４】
流速がおよそ３５ｍ／ｓ以下の低流量域では、高い音圧時には火炎基部がバーナノズルリムに付着した。この場合、音だけでなくリムの保炎機構が無視できなくなる可能性があるため測定対象にしていない。音圧０．８ｋＰａに比べて１．８ｋＰａの方が高い流速に対しても希薄燃焼が可能となった。また、ｆ＝４８０Ｈｚ、ＰＳ＝１．８ｋＰａにおいては、直径１２ｍｍの保炎器５０と同等の吹き飛び限界が確認された。
【００４５】
定在音場中の予混合火炎に皺を形成する原因はバロクリニックトルクと考えられ、次の（１）式の渦度方程式の右辺に現れる項である。
【００４６】
【数１】
0005812388.tif 000002
【００４７】
ここで、ωは渦度ベクトル、ρは密度、ｐは圧力である。密度勾配∇ρは、周波数によらず一定と仮定し、圧力勾配∇ｐは以下で述べる音による圧力勾配とする。定在音場内での圧力振動は次の（２）式で表わされる。
【００４８】
【数２】
0005812388.tif 000003
【００４９】
ここで，Ｐ０は圧力振幅、ｆは周波数、ｃは音速、ｔは時間であり、ｘ軸はスピーカの振動面をＯとして圧力波の伝播方向にとった。したがって、速度振動の腹での圧力勾配は、（２）式のＰの空間勾配を取り、次の（３）式で表わされる。
【００５０】
【数３】
0005812388.tif 000004
【００５１】
したがって、（１）式及び（３）式より、音圧と周波数にバロクリニックトルクは正比例する。しかし、バロクリニックトルクが火炎面に作用する時間は、周波数に反比例することより、火炎面の変形に要する時間は短くなる。そのため火炎面の変形の度合いは周波数の影響を受けないと考えられるので、吹き飛び限界は音圧Ｐ０またはその実効値ＰＳをパラメータとすることで整理することが妥当である。
【００５２】
音圧を変えたときに保炎できる最大のバーナーノズル出口流速の観測結果を図５に示す。図５に示すように、吹き飛び限界でのバーナーノズル出口流速の向上を達成するためには、より高い音圧でなければならず、その関係はほぼ比例であった。これは、図３で示した火炎の浮き上がり高さや前分析からの推定と一致する。また、周波数の違いによる吹き飛び限界時の音圧に若干の差異が確認され、６２０Ｈｚに比べ４８０Ｈｚの方が全体的に高い音圧でないと保炎できなかった。
【００５３】
以上の実験結果からも明らかなように、この予混合燃焼装置１００では、上記バーナーノズル２０から噴射された予混合気を燃焼させる上記円筒状の燃焼室３０内で火炎に対して上記定在音場を印加することにより、上記定在音場の速度振動の腹において発生する圧力波の進行方向に対して垂直方向への二次流れと、音による圧力勾配と燃焼による密度勾配によって生じるバロクリニックトルクに起因して火炎に形成される皺を用いて、火炎の保炎を行い、予混合火炎の吹き飛び等の不安定な燃焼を解消し、安定燃焼を実現することができる。
【００５４】
すなわち、上記予混合燃焼装置１００では、プロパンガスの予混合気を燃焼し、１５５ｄＢ以上の定在音場により保炎を行うことにより、吹き飛び限界が改善できる。具体的には、上記予混合燃焼装置１００では、周波数４８０Ｈｚ、実効音圧１．８Ｋｐａ（ＳＰＬ＝１５９ｄＢ)の条件の下で、予混合気流速が５０ｍ／ｓ程度の流速まで、プロパンの可燃限界付近（当量比０．５付近）まで、保炎器５０なしで火炎の吹き飛びを生じさせずに保炎することができた。
【００５５】
したがって、上記予混合燃焼装置１００では、プロパンガスの希薄予混合気を共鳴管により囲まれた燃焼空間において燃焼し、１５５ｄＢ以上の定在音場により保炎を行うことにより、「低ＮＯｘ化」と「安定燃焼」の両特性を確保できる。
【００５６】
このように、本発明では、空気と燃料とを予め混合して得た予混合気を燃焼する予混合燃焼装置１００において、共鳴管により囲まれた予混合気の燃焼空間に定在音場形成手段により定在音場を形成し、上記燃焼空間において火炎に対して上記定在音場を印加することにより、上記定在音場の速度振動の腹において発生する圧力波の進行方向に対して垂直方向への二次流れと、火炎に形成される皺を用いて、火炎の保炎を行い、圧力損失を低減するとともに安定した燃焼を行うことができる。
【００５７】
なお、上記予混合燃焼装置１００では、１／２波長で共鳴する共鳴管として機能する円筒状の燃焼室３０内に定在音場形成手段により定在音場を形成しているが、上記燃焼室３０は、円筒状である必要はなく、また、１波長や２波長で共鳴する共鳴管として機能するものであってもよい。また、上記予混合燃焼装置１００では、二台のスピーカ４１，４２によって燃焼室３０内に定在音場を生成しているが、燃焼器自身の自励振動などによって燃焼室３０内に定在音場を生成する構造とすることもできる。また、音源を２つでなく多数組み合わせ、それらの配置を最適化することにより、予混合気の流速をより高速しても吹き飛び抑えることができる。また、本発明は、ガスタービンエンジン、ラムジェットエンジン、スクラムジェットエンシン等の定在火炎を用いるエンジンの燃焼器内における火炎の吹き飛びの抑制、ジェットエンジンのアフターバーナの保炎、ボイラー類、ガスコンロ等定在火炎を用いる燃焼装置全般に適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０  予混合室、１１，１２  流量計、１３  サージタンク、２０  バーナーノズル、３０  燃焼室、３１  周壁、３２  開口、３３  排気口、４１，４２  スピーカ、４３  正弦波信号発生器、４４  増幅器、５０  保炎器、６０  ピエゾ抵抗型差圧センサ、７０  オシロスコープ、１００  予混合燃焼装置
【図１】
0005812388.tif 000005
【図２】
0005812388.tif 000006
【図３】
0005812388.tif 000007
【図４】
0005812388.tif 000008
【図５】
0005812388.tif 000009