JP3607763B2 - 振動燃焼解析装置、及び燃焼器の製造方法 - Google Patents
振動燃焼解析装置、及び燃焼器の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3607763B2 JP3607763B2 JP27799595A JP27799595A JP3607763B2 JP 3607763 B2 JP3607763 B2 JP 3607763B2 JP 27799595 A JP27799595 A JP 27799595A JP 27799595 A JP27799595 A JP 27799595A JP 3607763 B2 JP3607763 B2 JP 3607763B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- combustor
- flame
- vibration
- distribution
- vibration combustion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Regulation And Control Of Combustion (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、産業用、民生用の燃焼器についての振動燃焼を解析出来る振動燃焼解析装置、及び燃焼器の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、産業用あるいは民生用の燃焼器の設計段階で振動燃焼がしばしば発生していた。
【０００３】
このような振動燃焼は、大きな騒音を伴うことと、燃焼が不安定になり安全面で問題があった。そのため、振動燃焼は防止しなければならず、送風機、バーナ、燃焼室を大きくすることにより振動燃焼の抑制がおこなわれてきた。
【０００４】
一方、最近の産業用、民生用の燃焼器では、その大きさをより小型にすること、燃焼ガスをよりクリーンにするためＮＯＸやＨＣの排出を減少すること、又ターンダーンレシオ（燃料供給量の可変幅）をより拡大すること（以下これを、高ターンダーンレシオと呼ぶ）、低騒音燃焼を行なうこと等が要求されてきている。そしてこれらの要求を満足するため、高負荷燃焼や可燃限界近傍で燃焼させる技術が要求されている。
【０００５】
このような要求に伴い、振動燃焼の抑制がますます重要度を増してきた。
【０００６】
しかし、上述のような振動燃焼の抑制方法では、高負荷燃焼、高ターンダウンレシオ、低騒音、低ＮＯＸなどの高性能な特性を確保できない。
【０００７】
そこで所定の特性を確保するように、とりあえず燃焼器を試作し、そして、振動燃焼が発生した場合、再びその燃焼器を試行錯誤で改造するといった作業を繰り返して行ない、振動しない条件を探し出すことにより、振動燃焼を抑制していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の振動燃焼の抑制方法では、上述のように試行錯誤で改造するといった作業を繰り返して行なうため、燃焼器の設計段階における開発工数が多くなるといった欠点があった。
【０００９】
又、振動燃焼を回避する条件を探す作業が試行錯誤ゆえに、振動燃焼の抑制を優先すれば、上述した低ＮＯＸ、低騒音、高負荷、高ＴＤＲなどの高性能を確保が犠牲になるという欠点があった。
【００１０】
又、振動燃焼の発生は予想が困難であり、振動燃焼が発生すると、上述した目標の高性能を確保することが困難になるといった課題があった。
【００１１】
本発明は、従来の振動燃焼の抑制方法のこのような課題を考慮し、燃焼器の設計段階で、振動燃焼が発生するか否かの条件を事前に予測することが出来、しかも、振動燃焼を抑制しつつ、低ＮＯＸ、低騒音、高負荷、高ＴＤＲなどの特性を従来に比べてより一層高性能に確保出来る振動燃焼解析装置を提供することを目的とする。
【００１２】
又、本発明の他の目的は、燃焼器の設計段階で、振動燃焼が発生するか否かの条件を事前に予測判定し、その判定結果を利用することにより、従来に比べてより一層効率よく燃焼器を製造出来る燃焼器の製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求める演算手段と、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。
【００１４】
この本発明によれば、振動燃焼が発生するか否かの条件を事前に予測することが出来る。
【００１５】
又、他の本発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制する様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設ける燃焼器の製造方法である。
【００１６】
この本発明によれば、従来に比べてより一層効率よく燃焼器を製造することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求める演算手段と、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。この発明では、入力手段が、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、演算手段が、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、解析手段が、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求める固有振動数演算手段と、前記固有振動数の演算結果を格納するための固有振動数メモリ部と、前記固有振動数メモリ部から呼び出した各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求める圧力／速度演算手段と、前記圧力分布及び／又は速度分布の演算結果を格納するための圧力／速度メモリ部と、前記燃焼器内の火炎の位置を計算する火炎位置演算手段と、前記火炎の位置の演算結果を格納するための火炎位置メモリ部と、火炎位置メモリ部から呼び出した前記燃焼器内の火炎の位置と、前記圧力／速度メモリ部から呼び出した圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。この発明では、入力手段が、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、固有振動数演算手段が、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、固有振動数メモリ部が、前記固有振動数の演算結果を格納し、圧力／速度演算手段が、前記固有振動数メモリ部から呼び出した各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、圧力／速度メモリ部が、前記圧力分布及び／又は速度分布の演算結果を格納し、火炎位置演算手段が、前記燃焼器内の火炎の位置を計算し、火炎位置メモリ部が、前記火炎の位置の演算結果を格納し、解析手段が、火炎位置メモリ部から呼び出した前記燃焼器内の火炎の位置と、前記圧力／速度メモリ部から呼び出した圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する局所インピーダンス分布を求める局所インピーダンス演算手段と、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記局所インピーダンス演算手段により求められた局所インピーダンス分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。この発明では、入力手段が、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、局所インピーダンス演算手段が、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する局所インピーダンス分布を求め、解析手段が、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記局所インピーダンス演算手段により求められた局所インピーダンス分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する速度と圧力の位相の分布を求める位相演算手段と、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた速度と圧力の位相とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。この発明では、入力手段が、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、位相演算手段が、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する速度と圧力の位相の分布を求め、解析手段が、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた速度と圧力の位相とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、前記所定の判定基準とは、前記演算手段により圧力分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である請求項１又は２記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、前記演算手段により圧力分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定する。
【００２２】
請求項６記載の発明は、前記所定の判定基準とは、前記演算手段により速度分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である請求項１又は２記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、前記演算手段により速度分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定する。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、前記局所インピーダンス演算手段により求められた前記局所インピーダンスの分布は、前記局所インピーダンスの絶対値の分布であり、前記所定の判定基準とは、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、その基準方向に進む程、前記局所インピーダンスの絶対値がより増加する範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記範囲内に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である請求項３記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、その基準方向に進む程、前記局所インピーダンスの絶対値がより増加する範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記範囲内に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定する。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、所定の判定基準とは、前記求められた位相が−９０度（−π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記求められた位相が＋９０度（π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である請求項４記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、前記求められた位相が−９０度（−π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記求められた位相が＋９０度（π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定する。
【００２５】
請求項９に記載の発明は、前記解析手段により得られたデータを格納する振動メモリ部と、その振動メモリ部に格納されたデータ及び前記演算手段による演算結果を利用して、前記分布を表示するための表示手段とを有する請求項１〜４の何れか一つに記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、振動メモリ部が、前記解析手段により得られたデータを格納し、表示手段が、その振動メモリ部に格納されたデータ、及び前記演算手段による演算結果を利用して、前記分布を表示する。
【００２６】
請求項１０に記載の発明は、前記火炎の位置は、前記燃焼器の入口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ１と、前記燃焼器の出口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ２とにより表現され、その距離Ｌ１及びＬ２に対応して前記解析手段から出力される前記解析結果を得て、その解析結果の内容を前記距離Ｌ１及びＬ２を変数とする座標系に対して与え、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域を作成する振動エリアマップ作成手段を備えた請求項１〜９の何れか一つに記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、振動エリアマップ作成手段が、前記燃焼器の入口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ１と、前記燃焼器の出口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ２とにより表現された前記火炎の位置において、その距離Ｌ１及びＬ２に対応して前記解析手段から出力される前記解析結果を得て、その解析結果の内容を前記距離Ｌ１及びＬ２を変数とする座標系に対して与え、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域を作成する。
【００２７】
請求項１１に記載の発明は、前記振動エリアマップ作成手段が、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域のデータを格納するパラメータ振動メモリ部を有する請求項１０記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、パラメータ振動メモリ部が、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域のデータを格納する。
【００２８】
請求項１２に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力及び／又は速度と、前記燃焼器内の火炎の位置とを利用して、所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制又は生じない様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設け、又は、火炎の位置を調整する燃焼器の製造方法である。
【００２９】
請求項１３に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制する様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設ける燃焼器の製造方法である。
【００３０】
請求項１４に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更する燃焼器の製造方法である。
【００３１】
請求項１５に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた速度分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更する燃焼器の製造方法である。
【００３２】
請求項１６に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記火炎と前記燃焼器の上流側入口部との間の実質的な距離、及び／又はその火炎と前記燃焼器の下流側出口部との間の実質的な距離を調整する燃焼器の製造方法である。
【００３３】
以下、本発明にかかる実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図１は、本発明の一実施の形態の振動燃焼解析装置の構成図である。
【００３５】
同図において、入力手段１は、設計対象としての燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度等とを入力データとして入力するためのものである。ここでの入力データとしては、具体的には、熱交換器、送風機、給気路、排気路等の燃焼器を構成する各要素の形状、寸法、温度条件、及び燃焼器内の火炎の位置等が挙げられる。演算手段２は、入力手段１からの入力データ（但し、火炎の位置についてのデータを除く）に基づいて、波動方程式を燃焼器全体にわたって解き、燃焼器のｎ次の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する燃焼器内の圧力分布を求めるための手段である。解析手段３は、入力手段１から入力される火炎の位置と、演算手段２により求められた圧力分布とから所定の判定基準に基づいて、上記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析するためのものである。尚、本明細書で、圧力分布とは、圧力変動の振幅の分布を表すものである。又、速度分布とは、速度変動の振幅の分布を表すものである。
【００３６】
ここで、所定の判定基準は、燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、演算手段２により求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に、上記火炎が存在する場合には、振動燃焼が発生すると判定し、又、存在しない場合には、振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である。圧力分布以外に、速度分布、局所インピーダンスの分布、速度変動／圧力変動の位相の分布も所定の判定基準とすることができる。
【００３７】
速度分布の場合、燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、演算手段２により求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に、上記火炎が存在する場合には、振動燃焼が発生すると判定し、又、存在しない場合には、振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である。
【００３８】
局所インピーダンスの分布の場合、燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、演算手段２により求められた局所インピーダンスが増加する位置に上記火炎が存在する場合には、振動燃焼が発生すると判定し、又、存在しない場合には、振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である。
【００３９】
速度変動／圧力変動の位相の場合、−π／２の位置に上記火炎が存在する場合には、振動燃焼が発生すると判定し、又、存在しない場合には、振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である。
【００４０】
又、燃焼器内の火炎の位置は、上記入口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ１と、上記出口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ２とにより表現される。以下、距離Ｌ１を火炎上流長さと呼び、距離Ｌ２を火炎下流長さと呼ぶこともある。
【００４１】
振動エリアマップ作成手段４は、距離Ｌ１及びＬ２に対応して解析手段３から出力される解析結果を得て、その解析結果の内容を距離Ｌ１及びＬ２を変数とする直交座標系に対して与え、振動燃焼が発生する領域や振動燃焼が発生しない領域を作成するための手段である。ここでは、直交座標系の横軸に変数Ｌ１を、縦軸に変数Ｌ２を各々対応させている。
【００４２】
ここで、本実施の形態の動作説明に先立ち、本装置の提供が可能となった技術的背景につてい若干述べる。
【００４３】
後述するレーリーの振動条件から火炎を通過する音波は、火炎の前後において体積速度が増加し、時間的遅れ即ち位相差を生じ、この時間的遅れが振動燃焼の発生条件に影響を与えることが、最近知られてきた。しかしながら、この時間的遅れは、従来理論的計算あるいは測定により調べられたが、未だ、解明されるに至らなっかった。そのため、振動燃焼の発生を予測することが出来ず、振動燃焼の解析装置を開発することが出来なかった。
【００４４】
本実施の形態では、後述するように、家庭用バーナでこの時間的遅れを調べた結果、半波長以内であることが実験により見いだすことが出来たことにより、本実施の形態において一例として示す振動燃焼解析装置を提供することが出来ることとなったのである。
【００４５】
以上のように構成された本実施の形態の振動燃焼解析装置において、図１、図２を用いて動作を説明する。図２は本実施の形態のフローチャートである。
【００４６】
ステップ１；入力手段１（図１参照）により、燃焼機器の各要素部品の形状としての寸法と、各要素の温度分布と、そして燃料と空気の混合気密度ρとを演算手段２へ入力する。ここでの寸法としては、具体的には各要素部品の断面積ｓや長さｌ（ｌはアルファベットのＬを小文字で表したものである）である。温度分布と混合気密度ρを入力するのは、後述する演算手段による演算過程で必要となる音速ｃを導き出すためである。
【００４７】
ここで、各要素部品に分解するのは、次の理由による。すなわち、振動燃焼は燃焼機器の空間で発生する定在波である。振動燃焼発生状況を知るには後述のように波動方程式を解くことになる。そこで、燃焼機器は３次元の形状であるため、燃焼機器を音響要素の組み合わせとして分解する。
【００４８】
ステップ２；入力手段１からの入力データを基に、周波数を与え、波動方程式（図３（ａ）〜（ｄ）参照）を各音響要素ごとに解き、全要素を結合して解く。
【００４９】
図３（ａ）は本実施の形態の一次元（音響）波動方程式を、図３（ｂ）は（音響）要素の式を表している。
又、図３（ｃ）は（音響）要素の模式図であり、図中の左側端部が入口、右側端部が出口（ｏｕｔ）である。Ａ〜Ｄは要素の四端子定数である。図３（ｄ）は全要素の式すなわちｎ個の要素の合成四端子行列を表している。図中において、入口に対応するものをｉｎと表示し、出口に対応するものをｏｕｔと表示した。又、ｐの文字の上部に・が付されたものは圧力変動を、ｕの文字の上部に・が付されたものは流速変動を、ｃは音速を、ｓは音響要素の断面積を表す。
【００５０】
ステップ３；各要素をマトリクスで結び、全要素で決まる固有振動数を求める。
【００５１】
尚、もしも、燃焼器が振動燃焼する場合には、これらの固有振動数の内の何れかの振動数で振動することになる。
【００５２】
その結果、発振した周波数に対して、燃焼機器内の音圧分布（図４（ｂ）、図５（ｂ）参照）を求める。求められた固有振動数は固有振動数メモリ部に格納されこの結果を利用して音圧分布を求めるとよい。
この時、｜圧力変動／流速変動｜により求められる音響インピーダンス（局所インピーダンスとも呼ぶ）として表す（図４（ｄ）、図５（ｄ）参照）と、圧力のピークがわかりやすくなる。また、圧力変動／速度変動の位相としても表す。これらの音圧／速度、音響インピーダンス、圧力変動／速度変動の位相はそれぞれ音圧／速度メモリ部、音響インピーダンスメモリ部、位相メモリ部にメモリされる。
【００５３】
図４（ａ）〜（ｅ）は、全要素すなわち燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合について、図５（ａ）〜（ｅ）は、燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合について示したものである。
【００５４】
具体的には、図４（ａ）は音響的開端燃焼器の模式図であり、同図（ｂ）は一次モードの圧力分布図を、同図（ｃ）は流速分布（速度分布）図を、同図（ｄ）は音響インピーダンスを、同図（ｅ）は音響インピーダンスの位相の変化を、各々表している。
【００５５】
図５（ａ）は音響的閉端燃焼器の模式図であり、図５（ｂ）〜（ｅ）は音響的閉端燃焼器についてのものであること以外は図４（ｂ）〜（ｅ）と同じである。
【００５６】
開端の一次モードでは、図４（ｂ）に示すよう、入口から出口に向かう方向を基準として、圧力分布の節、腹（圧力のピーク値を示す部分）、節が現れてる。又、閉端の一次モードでは、図５（ｂ）に示すように、上記方向を基準として、圧力分布の腹、節、腹が現れる。
【００５７】
このようにして、音響要素に分けられた燃焼機器について、図３に示す一次元の波動方程式により、燃焼器での発振周波数（固有振動数）を求めるわけである。発振周波数は基本周波数（一次モード）からｎ次周波数（ｎ次モード）まで求めることができる。この周波数は一般に固有振動と言われるものである。
【００５８】
尚、家庭用バーナを実験して調べた結果、３次モードまでの振動が確認された。そのため、計算は３次モードまででよい（図６（ａ）〜（ｃ）参照）。又、燃焼室及び炎孔の負荷が大きいほど、又、火炎が不安定なほど、高次の振動が確認されることもわかった。図６（ａ）〜（ｃ）は図４で説明した燃焼器のモデルについて３次モードまで計算した場合の、各モードにおける位相の変化と局所インピーダンスを表したものである。図４（ａ）〜（ｅ）、図５（ａ）〜（ｅ）は固有振動数、圧力／速度メモリ部、局所インピーダンスメモリ部、位相メモリ部火炎位置メモリ部のデータを呼び込みグラフィック装置により表示したものである。ず６は局所インピーダンスメモリ部と位相メモリ部を利用して表示している。
【００５９】
ステップ４；入力手段１により、演算手段２（図１参照）に燃焼器内の火炎の位置のデータとして、上述の距離Ｌ１及びＬ２を与える（図７，図８参照）。火炎の位置はバーナの構造、燃料の燃焼特性から予測可能であり、火炎位置演算手段を利用してもよい。演算結果は火炎位置メモリ部に格納され、計算された火炎位置のデータとして、上述の距離Ｌ１及びＬ２を与えてもよい。 図７は燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合についての、図８は燃焼器の入口・出口が音響的閉端の場合についての燃焼器の模式図である。
すなわち、図８の場合、図７とは異なり、Ｌ１は給気管の入口８２と火炎８１との間の距離を示し、Ｌ２は排気管の出口８３と火炎８１との間の距離を示す。尚、図８で点線で表されたものは、給気管８４，排気管８５の長さが長くなって、給気管の入口８２の位置及び排気管の出口８３の位置が変化した場合を示している。
【００６０】
ステップ５；入力された火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、ステップ３で求められた、例えば１次モードの固有振動数が発振するか否か、即ち振動燃焼が発生するか否かを調べる。ここで、（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）は、横軸に変数Ｌ１を、縦軸に変数Ｌ２を対応させたＬ１・Ｌ２の直交座標系における座標位置を表すものである。
【００６１】
ここで、振動燃焼の発生条件について説明する。
【００６２】
振動燃焼は、振動条件を満足するところの発振周波数で振動する。燃焼における振動条件としてレーリー振動条件が知られている。このレーリー振動条件を満足する場合に発振することになる。そこで、各発振周波数がレーリーの振動条件を満足するか否かを調べると発振するかしないかが判断できる。この判断した結果は、振動メモリ部に格納され、この結果は振動メモリ部に格納される。
【００６３】
レーリーの発振条件は、火炎が音場の１／４波長の位置にあると発振するというものである。最近、この考え方が拡張され、発熱変動（図１４において、ｈの文字の上部に・が付されたものとして表示）が火炎前後で増幅作用があるが、時間遅れが生じる。この時間遅れは周波数が増加すると大きく、発振条件に影響すると言われるものである。
【００６４】
これに対して、今回、実験によりこの遅れは半波長以内であることを初めて見出した。レーリーの発振条件から、圧力のピークの上流側では発振する条件が導きだされる。
【００６５】
この条件を使って、本実施の形態でしめすように、振動が発生しない燃焼機器の設計ができる。
【００６６】
次に、上述の今回の実験により見いだした事実を理論的に説明する。
【００６７】
すなわち、燃焼機器での振動燃焼が発生する場合にはレーリーの発振条件を満足することが知られている。
【００６８】
これは、ＰＵＴＮＵＭにより（数１）としてあらわされている。
【００６９】
【数１】
【００７０】
これを解くと、
ｃｏｓθ＞０となる。
【００７１】
ここで、上述したとうり、ｕの文字の上部に・が付されたものは流速変動を表しているものとする。
【００７２】
そこで、図１４に示すように、流速変動と圧力変動との位相差をωτ１、流速変動と発熱変動との位相差をωτ２とすると、θは次式となる。
【００７３】
θ＝ωτ１−ωτ２
定在波では、ωτ１は−π／２かπ／２となる。
【００７４】
今回初めて、実験により、家庭用燃焼機器において、ωτ２は
−π＜ωτ２＜０
であることを確かめたものである。
【００７５】
ステップ６；与えられた火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、ステップ５での解析の結果が、振動燃焼が発生する旨を示す場合であれば、ステップ７へ進み、又、振動燃焼が発生しない旨を示す場合であれば、ステップ８へ進むべき旨が判定される。
【００７６】
ステップ７；ここでは、後述する振動エリアマップを作成するための情報として、火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、振動燃焼が発生する旨を示す情報（図９では、○印で表した）が付される。この時、Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍをパラメータとして計算された結果をパラメータ振動メモリ部に格納すると表示が便利である。
そして、ステップ９へ進む。
【００７７】
ステップ８；ここでは、火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、振動燃焼が発生しない旨を示す情報（図９では、×印で表した）が付される。そして、ステップ９へ進む。
【００７８】
ステップ９；振動エリアマップ作成手段４が、火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、振動燃焼の有無を示す○印または、×印情報が付されたデータを用いて、Ｌ１・Ｌ２の直交座標系にその○印または、×印をプロットする。一次モードにおいて、火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）を変化させ、各々の位置について上記プロットを繰り返す。その結果は次々とエリアマップに記録される。
【００７９】
このようにして、図９（ａ）に示すような、火炎の上流側の長さと下流側の長さから振動エリアマップを作成する。圧力ピークの最大値の上流側では発振し、下流側では発振しないことになる。
【００８０】
このようにして基本周波数からｎ次周波数までの振動エリアマップを作成する（図９（ｂ）、（ｃ）参照）。この時、基本周波数からｎ次周波数までの振動発生の有無をメモリしたパラメータ振動メモリ部から呼び出されたデータを基に振動エリアマップ作成手段４によりエリアマップを作成すると便利である。
【００８１】
図９（ａ）は、一次モードでの振動エリアマップを表しており、図中の左側から順に振動領域９１と非振動領域９２に分割されている。又、図９（ｂ）は、二次モードでの振動エリアマップを表しており、振動領域９３と非振動領域９４と振動領域９５とに分割されている。更に、図９（ｃ）は、三次モードでの振動エリアマップを表しており、非振動領域９６と振動領域９７と非振動領域９８と振動領域９９とに分割されている。
【００８２】
このように、振動エリアマップでは振動する領域としない領域が示され、後述するように、振動燃焼しない領域を探すのに利用出来る。
【００８３】
ステップ１０；要素の寸法をパーラメータとして上述した計算等を繰り返し行なうことにより、振動燃焼しない燃焼機器を実現するための設計書が作成される。
【００８４】
次に、図１５は本発明の別の実施の形態についての振動燃焼解析装置の構成図である。
【００８５】
図２において、火炎の位置はデータとして与えていたが、図１５ではバーナの構造、燃焼条件から火炎の位置を計算する火炎位置演算手段１４１を装備している。また、図１の演算手段２に対して、固有振動数演算手段１３３と圧力／速度演算手段１３５と火炎位置演算手段１４１に分割されている。局所インピーダンス分布と位相分布はほぼ圧力／速度分布の演算手段と同等の演算手段で得られるため、局所インピーダンス演算手段１３６と位相演算手段１３７を圧力／速度演算手段１３５とひとまとめに示している。それぞれの演算手段に対して、メモリ部（固有振動数メモリ部１３４、圧力／速度メモリ部１３８、局所インピーダンスメモリ部１３９、位相メモリ部１４０）を連結している。
圧力／速度演算手段１３５と局所インピーダンス演算手段１３６と位相演算手段１３７には固有振動数メモリ部１３８から、火炎位置演算手段１４１には圧力／速度メモリ部１３８から、振動発生解析手段１４３には火炎位置メモリ部１４２からそれぞれデータを取り込む。さらに、圧力／速度分布、局所インピーダンス分布、位相分布は各メモリ（１３４，１３８，１３９，１４０，１４２，１４６）からのデータにより、グラフィク装置で表示される。
【００８６】
さらに、図１５では、振動発生解析手段１４３により、火炎の位置をパラメータとして振動発生の有無を計算し、その結果をパラメータ振動メモリ部１４４に格納し、エリアマップ作成装置１４５からデータを取り込み、エリアマップを作成し、燃焼器の設計資料とする。
【００８７】
以上が本実施の形態の振動燃焼解析装置についての説明である。
次に、この様な振動燃焼解析装置を用いた、燃焼器の設計例について述べながら、本発明の燃焼器の製造方法の一実施の形態を説明する。本発明の製造方法という言葉は、設計方法を含む広い概念として用いている。
【００８８】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、燃焼器の設計段階で、火炎１０１を同図（ａ）に示す位置に設定した場合の各モードでの圧力分布図及び振動燃焼の有無を示す図である。振動エリアマップ上の黒丸は火炎の位置１０２を示しており、二次モード（同図（ｃ）参照）では、非振動領域にあるが、その他のモードでは、全て振動領域にあることがわかる。従って、全てのモードで、振動しない領域を確保するためには火炎の位置を変更を変更する必要があることがわかる。
【００８９】
しかし、３次まで振動する場合には、振動しない領域を確保することが非常に難しくなる。
【００９０】
このような場合には、本実施の形態の解析装置を用いて、所定の周波数で振動する燃焼器を設計する。
【００９１】
すなわち、図１１に示すように、燃焼器１１１の入口１１２と出口１１３を音響閉端にする。そうすると、振動エリアマップの全域が振動領域となり、一定の周波数で振動することになる。燃焼器の入口側に吸音材１１４を設置して、一定の周波数を吸音し、騒音発生の抑制とともに振動燃焼を抑制することができる。
【００９２】
燃焼器によっては、振動のある方が、良い場合もあり、この場合には、騒音防止のために、音のみを積極的に抑圧すればよい。
【００９３】
図１１は、音響的閉端燃焼器についての、燃焼器の模式図、圧力分布図、振動エリアマップを表している。同図からもわかるように、この場合、三次モードで全領域が振動領域となる。そこで、発振周波数である８００Ｈｚ付近での吸音特性の優れた吸音材（図１２参照）を上述のように配設することにより、図１３に示すように、吸音材挿入前に８００Ｈｚ近傍でピーク値１３１を持つ圧力変動が、吸音材挿入後には解消されていることがわかる。図１２は吸音材（ＥＰＤＭ）の垂直入射吸音率を管内法（ＪＩＳ Ａ １４０５）で測定したものを示している。又、図１３は、振動燃焼をＦＦＴ分析した結果を示している。
【００９４】
これにより、振動燃焼を抑制しつつ、低ＮＯＸ、低騒音、高負荷、高ＴＤＲなどの性能を満たす燃焼器が本装置を用いたシミュレーションにより設計できる。
【００９５】
又、火炎の位置より上流側の長さと下流側長さを座標とする上記振動エリアマップから、振動する領域としない領域が求められることは上述の通りである。
【００９６】
給気管・排気管の長さを調整する場合等、この振動エリアマップを使い、燃焼機の最適な使用条件を求めることも出来る。すなわち、燃焼機の高性能を確保した上で振動燃焼の防止を可能に出来る。
【００９７】
このように、本実施の形態の燃焼器の製造方法によれば、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制する様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設けるものである。
【００９８】
又、他の実施の形態の燃焼器の製造方法として、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更するものでもよい。
【００９９】
また、他の製造方法として、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた速度分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更するものもよい。 さらに、他の製造方法として、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記火炎と前記燃焼器の上流側入口部との間の実質的な距離、及び／又はその火炎と前記燃焼器の下流側出口部との間の実質的な距離を調整するものでもよい。
【０１００】
上記実施の形態によれば、入力データとして燃焼器の形状、寸法、温度、火炎の位置（あるいはバーナの位置から火炎の位置を計算する。）を選択し、固有振動数を計算し、固有振動数に近い周波数で（１／１００Ｈｚ異なる周波数）定在波の圧力、速度、音響インピーダンスを計算し、レーリーの振動条件から振動するかしないかを判断した。そして、振動エリアマップを作成し、振動しない領域で、燃焼器を作動させることが出来る。
【０１０１】
このように、上記実施の形態によれば、振動燃焼の予測が可能となるため、設計段階で試行錯誤がなくなり、設計工数が削減される。さらに、高性能化を確保しながら、振動燃焼を防止することが可能となるので、燃焼器の高性能化を確保することができる。
【０１０２】
又、本実施の形態では、レーリーの振動条件を計算できるように、発熱反応の位相遅れを導入し、この位相遅れは実験で半波長以内であることを見いだし、波動方程式を解いた。このとき、１次元の方程式と音響要素を利用し、パソコンレベルで計算できるようにすることが望ましい。
【０１０３】
又、本実施の形態では、（１）火炎の上流側で発振すること。（２）圧力分布、速度分布、音響インピーダンスを発振周波数の近傍で求めること。（３）振動エリアマップを求め燃焼器の設計段階及び、用段階で活用できること。（４）音響インピーダンスの立ち上がりでは、振動しない領域となること。（５）四次以上は発振しないこと等を示した。
【０１０４】
尚、上記実施の形態では、演算手段で圧力分布を求め、それに基づいて燃焼振動の発生の有無を解析する場合を中心として説明したが、これに限らず、例えば、演算手段で、速度分布を求め、それに基づいて燃焼振動の発生の有無を解析する構成としてもよく（この場合は、腹と節の判定基準における関係が、圧力分布に基づく場合と逆になる）、あるいは、圧力分布及び速度分布の両方を求め、更に音響インピーダンスを求め、それに基づいて燃焼振動の発生の有無を解析する構成としてもよく、あるいは、音響インピーダンスの位相の変化に基づいて燃焼振動の発生の有無を解析する構成とする等、圧力分布や速度分布等と等価なものに基づいて解析する構成としてももちろんよい。このような構成とした場合でも、上記と同様の効果を発揮する。
【０１０５】
又、上記実施の形態では、燃焼器として、家庭用燃焼器を用いた場合について説明したが、これに限らず、例えば、調理給湯暖房をはじめ産業用ガスタービンまで広く適用が可能であり、高効率熱交換器等へ利用することも出来る。
【０１０６】
又、上記実施の形態では、振動エリアマップとして、燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、圧力分布の節の位置から腹の位置に向かう間に火炎が存在する場合には、その領域を振動燃焼が発生するとして説明したが、これに限らず、例えば、腹の位置までの間ではなく、節から腹に至る距離の１割程度、腹から上流側へ遡った位置までの間に火炎が存在する場合に、その領域を振動燃焼が発生する領域をして扱う方がより現実に近い場合もある。これは、燃焼器自体による、吸音作用あるいは吸振作用が働くためである。従って、振動エリアマップにおける振動領域が、上記実施例より狭くなるものである。又、振動の強いものほど、振動エリアマップにおける振動領域が、上記実施の形態より狭くなる。
【０１０７】
又、本発明の燃焼器の製造方法についての上記実施の形態では、圧力分布や速度分布を求める場合について説明したが、これに限らず例えば、局所インピーダンス（｜圧力変動／速度変動｜により求められる）、あるいは、圧力変動／速度変動の位相等を求め、これを利用する構成であってももちろんよい。
【０１０８】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、振動燃焼が発生するか否かの条件を事前に予測することが出来るという長所を有する。
【０１０９】
又、本発明は、振動燃焼を抑制しつつ、低ＮＯＸ、低騒音、高負荷、高ＴＤＲなどの特性を従来に比べてより一層高性能に確保出来るという長所を有する。
【０１１０】
又、本発明は、従来に比べてより一層効率よく燃焼器を製造出来るという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の振動燃焼解析装置の構成図
【図２】本実施の形態のフローチャート
【図３】図３（ａ）；本実施の形態で用いる波動方程式を示す図
図３（ｂ）；本実施の形態の音響要素の式を示す図
図３（ｃ）；本実施の形態の音響要素の模式図
図３（ｄ）；本実施の形態の全要素の式を示す図
【図４】図４（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態の全要素すなわち燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合についての、音響的開端燃焼器の模式図、一次モードの圧力分布図、速度分布図、音響インピーダンス、音響インピーダンスの位相の変化図
【図５】図５（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態の全要素すなわち燃焼器の入口・出口が音響的閉端の場合について、音響的閉端燃焼器の模式図、一次モードの圧力分布図、速度分布図、音響インピーダンス、音響インピーダンスの位相の変化を、各々表した図
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は図４で説明した燃焼器のモデルについて３次モードまで計算した場合の、各モードにおける位相の変化と局所インピーダンスの図
【図７】本実施の形態の燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合についての燃焼器の模式図
【図８】本実施の形態の燃焼器の入口・出口が音響的閉端の場合についての燃焼器の模式図
【図９】本実施の形態の、一次モード、二次モード、三次モードの各振動エリアマップの図
【図１０】図１０（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態での燃焼器の設計段階で、火炎１０１を同図（ａ）に示す位置に設定した場合における、一次モード〜三次モードの各モードでの圧力分布図及び振動エリアマップの図
【図１１】本実施の形態の音響的閉端燃焼器についての、燃焼器の模式図、圧力分布図、振動エリアマップの図
【図１２】本実施の形態で用いる吸音材の吸音特性を示すグラフ
【図１３】本実施の形態での振動燃焼をＦＦＴ分析した結果のグラフ
【図１４】本実施の形態の流速変動と圧力変動との位相差、流速変動と発熱変動との位相差及びθを示すグラフ
【図１５】本発明の別の実施の形態の装置図
【符号の説明】
１ 入力手段
２ 演算手段
３ 解析手段
４ 振動エリアマップ作成手段
８１ 火炎
８２ 給気管の入口
８３ 排気管の出口
８４ 給気管
８５ 排気管
１１４ 吸音材
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、産業用、民生用の燃焼器についての振動燃焼を解析出来る振動燃焼解析装置、及び燃焼器の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、産業用あるいは民生用の燃焼器の設計段階で振動燃焼がしばしば発生していた。
【０００３】
このような振動燃焼は、大きな騒音を伴うことと、燃焼が不安定になり安全面で問題があった。そのため、振動燃焼は防止しなければならず、送風機、バーナ、燃焼室を大きくすることにより振動燃焼の抑制がおこなわれてきた。
【０００４】
一方、最近の産業用、民生用の燃焼器では、その大きさをより小型にすること、燃焼ガスをよりクリーンにするためＮＯＸやＨＣの排出を減少すること、又ターンダーンレシオ（燃料供給量の可変幅）をより拡大すること（以下これを、高ターンダーンレシオと呼ぶ）、低騒音燃焼を行なうこと等が要求されてきている。そしてこれらの要求を満足するため、高負荷燃焼や可燃限界近傍で燃焼させる技術が要求されている。
【０００５】
このような要求に伴い、振動燃焼の抑制がますます重要度を増してきた。
【０００６】
しかし、上述のような振動燃焼の抑制方法では、高負荷燃焼、高ターンダウンレシオ、低騒音、低ＮＯＸなどの高性能な特性を確保できない。
【０００７】
そこで所定の特性を確保するように、とりあえず燃焼器を試作し、そして、振動燃焼が発生した場合、再びその燃焼器を試行錯誤で改造するといった作業を繰り返して行ない、振動しない条件を探し出すことにより、振動燃焼を抑制していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の振動燃焼の抑制方法では、上述のように試行錯誤で改造するといった作業を繰り返して行なうため、燃焼器の設計段階における開発工数が多くなるといった欠点があった。
【０００９】
又、振動燃焼を回避する条件を探す作業が試行錯誤ゆえに、振動燃焼の抑制を優先すれば、上述した低ＮＯＸ、低騒音、高負荷、高ＴＤＲなどの高性能を確保が犠牲になるという欠点があった。
【００１０】
又、振動燃焼の発生は予想が困難であり、振動燃焼が発生すると、上述した目標の高性能を確保することが困難になるといった課題があった。
【００１１】
本発明は、従来の振動燃焼の抑制方法のこのような課題を考慮し、燃焼器の設計段階で、振動燃焼が発生するか否かの条件を事前に予測することが出来、しかも、振動燃焼を抑制しつつ、低ＮＯＸ、低騒音、高負荷、高ＴＤＲなどの特性を従来に比べてより一層高性能に確保出来る振動燃焼解析装置を提供することを目的とする。
【００１２】
又、本発明の他の目的は、燃焼器の設計段階で、振動燃焼が発生するか否かの条件を事前に予測判定し、その判定結果を利用することにより、従来に比べてより一層効率よく燃焼器を製造出来る燃焼器の製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求める演算手段と、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。
【００１４】
この本発明によれば、振動燃焼が発生するか否かの条件を事前に予測することが出来る。
【００１５】
又、他の本発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制する様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設ける燃焼器の製造方法である。
【００１６】
この本発明によれば、従来に比べてより一層効率よく燃焼器を製造することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求める演算手段と、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。この発明では、入力手段が、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、演算手段が、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、解析手段が、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求める固有振動数演算手段と、前記固有振動数の演算結果を格納するための固有振動数メモリ部と、前記固有振動数メモリ部から呼び出した各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求める圧力／速度演算手段と、前記圧力分布及び／又は速度分布の演算結果を格納するための圧力／速度メモリ部と、前記燃焼器内の火炎の位置を計算する火炎位置演算手段と、前記火炎の位置の演算結果を格納するための火炎位置メモリ部と、火炎位置メモリ部から呼び出した前記燃焼器内の火炎の位置と、前記圧力／速度メモリ部から呼び出した圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。この発明では、入力手段が、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、固有振動数演算手段が、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、固有振動数メモリ部が、前記固有振動数の演算結果を格納し、圧力／速度演算手段が、前記固有振動数メモリ部から呼び出した各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、圧力／速度メモリ部が、前記圧力分布及び／又は速度分布の演算結果を格納し、火炎位置演算手段が、前記燃焼器内の火炎の位置を計算し、火炎位置メモリ部が、前記火炎の位置の演算結果を格納し、解析手段が、火炎位置メモリ部から呼び出した前記燃焼器内の火炎の位置と、前記圧力／速度メモリ部から呼び出した圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する局所インピーダンス分布を求める局所インピーダンス演算手段と、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記局所インピーダンス演算手段により求められた局所インピーダンス分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。この発明では、入力手段が、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、局所インピーダンス演算手段が、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する局所インピーダンス分布を求め、解析手段が、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記局所インピーダンス演算手段により求められた局所インピーダンス分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する速度と圧力の位相の分布を求める位相演算手段と、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた速度と圧力の位相とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段とを備えている振動燃焼解析装置である。この発明では、入力手段が、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、位相演算手段が、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する速度と圧力の位相の分布を求め、解析手段が、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた速度と圧力の位相とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、前記所定の判定基準とは、前記演算手段により圧力分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である請求項１又は２記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、前記演算手段により圧力分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定する。
【００２２】
請求項６記載の発明は、前記所定の判定基準とは、前記演算手段により速度分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である請求項１又は２記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、前記演算手段により速度分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定する。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、前記局所インピーダンス演算手段により求められた前記局所インピーダンスの分布は、前記局所インピーダンスの絶対値の分布であり、前記所定の判定基準とは、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、その基準方向に進む程、前記局所インピーダンスの絶対値がより増加する範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記範囲内に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である請求項３記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、その基準方向に進む程、前記局所インピーダンスの絶対値がより増加する範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記範囲内に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定する。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、所定の判定基準とは、前記求められた位相が−９０度（−π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記求められた位相が＋９０度（π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である請求項４記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、前記求められた位相が−９０度（−π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記求められた位相が＋９０度（π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定する。
【００２５】
請求項９に記載の発明は、前記解析手段により得られたデータを格納する振動メモリ部と、その振動メモリ部に格納されたデータ及び前記演算手段による演算結果を利用して、前記分布を表示するための表示手段とを有する請求項１〜４の何れか一つに記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、振動メモリ部が、前記解析手段により得られたデータを格納し、表示手段が、その振動メモリ部に格納されたデータ、及び前記演算手段による演算結果を利用して、前記分布を表示する。
【００２６】
請求項１０に記載の発明は、前記火炎の位置は、前記燃焼器の入口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ１と、前記燃焼器の出口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ２とにより表現され、その距離Ｌ１及びＬ２に対応して前記解析手段から出力される前記解析結果を得て、その解析結果の内容を前記距離Ｌ１及びＬ２を変数とする座標系に対して与え、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域を作成する振動エリアマップ作成手段を備えた請求項１〜９の何れか一つに記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、振動エリアマップ作成手段が、前記燃焼器の入口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ１と、前記燃焼器の出口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ２とにより表現された前記火炎の位置において、その距離Ｌ１及びＬ２に対応して前記解析手段から出力される前記解析結果を得て、その解析結果の内容を前記距離Ｌ１及びＬ２を変数とする座標系に対して与え、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域を作成する。
【００２７】
請求項１１に記載の発明は、前記振動エリアマップ作成手段が、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域のデータを格納するパラメータ振動メモリ部を有する請求項１０記載の振動燃焼解析装置である。この発明では、パラメータ振動メモリ部が、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域のデータを格納する。
【００２８】
請求項１２に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力及び／又は速度と、前記燃焼器内の火炎の位置とを利用して、所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制又は生じない様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設け、又は、火炎の位置を調整する燃焼器の製造方法である。
【００２９】
請求項１３に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制する様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設ける燃焼器の製造方法である。
【００３０】
請求項１４に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更する燃焼器の製造方法である。
【００３１】
請求項１５に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた速度分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更する燃焼器の製造方法である。
【００３２】
請求項１６に記載の発明は、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記火炎と前記燃焼器の上流側入口部との間の実質的な距離、及び／又はその火炎と前記燃焼器の下流側出口部との間の実質的な距離を調整する燃焼器の製造方法である。
【００３３】
以下、本発明にかかる実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図１は、本発明の一実施の形態の振動燃焼解析装置の構成図である。
【００３５】
同図において、入力手段１は、設計対象としての燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度等とを入力データとして入力するためのものである。ここでの入力データとしては、具体的には、熱交換器、送風機、給気路、排気路等の燃焼器を構成する各要素の形状、寸法、温度条件、及び燃焼器内の火炎の位置等が挙げられる。演算手段２は、入力手段１からの入力データ（但し、火炎の位置についてのデータを除く）に基づいて、波動方程式を燃焼器全体にわたって解き、燃焼器のｎ次の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する燃焼器内の圧力分布を求めるための手段である。解析手段３は、入力手段１から入力される火炎の位置と、演算手段２により求められた圧力分布とから所定の判定基準に基づいて、上記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析するためのものである。尚、本明細書で、圧力分布とは、圧力変動の振幅の分布を表すものである。又、速度分布とは、速度変動の振幅の分布を表すものである。
【００３６】
ここで、所定の判定基準は、燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、演算手段２により求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に、上記火炎が存在する場合には、振動燃焼が発生すると判定し、又、存在しない場合には、振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である。圧力分布以外に、速度分布、局所インピーダンスの分布、速度変動／圧力変動の位相の分布も所定の判定基準とすることができる。
【００３７】
速度分布の場合、燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、演算手段２により求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に、上記火炎が存在する場合には、振動燃焼が発生すると判定し、又、存在しない場合には、振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である。
【００３８】
局所インピーダンスの分布の場合、燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、演算手段２により求められた局所インピーダンスが増加する位置に上記火炎が存在する場合には、振動燃焼が発生すると判定し、又、存在しない場合には、振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である。
【００３９】
速度変動／圧力変動の位相の場合、−π／２の位置に上記火炎が存在する場合には、振動燃焼が発生すると判定し、又、存在しない場合には、振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準である。
【００４０】
又、燃焼器内の火炎の位置は、上記入口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ１と、上記出口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ２とにより表現される。以下、距離Ｌ１を火炎上流長さと呼び、距離Ｌ２を火炎下流長さと呼ぶこともある。
【００４１】
振動エリアマップ作成手段４は、距離Ｌ１及びＬ２に対応して解析手段３から出力される解析結果を得て、その解析結果の内容を距離Ｌ１及びＬ２を変数とする直交座標系に対して与え、振動燃焼が発生する領域や振動燃焼が発生しない領域を作成するための手段である。ここでは、直交座標系の横軸に変数Ｌ１を、縦軸に変数Ｌ２を各々対応させている。
【００４２】
ここで、本実施の形態の動作説明に先立ち、本装置の提供が可能となった技術的背景につてい若干述べる。
【００４３】
後述するレーリーの振動条件から火炎を通過する音波は、火炎の前後において体積速度が増加し、時間的遅れ即ち位相差を生じ、この時間的遅れが振動燃焼の発生条件に影響を与えることが、最近知られてきた。しかしながら、この時間的遅れは、従来理論的計算あるいは測定により調べられたが、未だ、解明されるに至らなっかった。そのため、振動燃焼の発生を予測することが出来ず、振動燃焼の解析装置を開発することが出来なかった。
【００４４】
本実施の形態では、後述するように、家庭用バーナでこの時間的遅れを調べた結果、半波長以内であることが実験により見いだすことが出来たことにより、本実施の形態において一例として示す振動燃焼解析装置を提供することが出来ることとなったのである。
【００４５】
以上のように構成された本実施の形態の振動燃焼解析装置において、図１、図２を用いて動作を説明する。図２は本実施の形態のフローチャートである。
【００４６】
ステップ１；入力手段１（図１参照）により、燃焼機器の各要素部品の形状としての寸法と、各要素の温度分布と、そして燃料と空気の混合気密度ρとを演算手段２へ入力する。ここでの寸法としては、具体的には各要素部品の断面積ｓや長さｌ（ｌはアルファベットのＬを小文字で表したものである）である。温度分布と混合気密度ρを入力するのは、後述する演算手段による演算過程で必要となる音速ｃを導き出すためである。
【００４７】
ここで、各要素部品に分解するのは、次の理由による。すなわち、振動燃焼は燃焼機器の空間で発生する定在波である。振動燃焼発生状況を知るには後述のように波動方程式を解くことになる。そこで、燃焼機器は３次元の形状であるため、燃焼機器を音響要素の組み合わせとして分解する。
【００４８】
ステップ２；入力手段１からの入力データを基に、周波数を与え、波動方程式（図３（ａ）〜（ｄ）参照）を各音響要素ごとに解き、全要素を結合して解く。
【００４９】
図３（ａ）は本実施の形態の一次元（音響）波動方程式を、図３（ｂ）は（音響）要素の式を表している。
又、図３（ｃ）は（音響）要素の模式図であり、図中の左側端部が入口、右側端部が出口（ｏｕｔ）である。Ａ〜Ｄは要素の四端子定数である。図３（ｄ）は全要素の式すなわちｎ個の要素の合成四端子行列を表している。図中において、入口に対応するものをｉｎと表示し、出口に対応するものをｏｕｔと表示した。又、ｐの文字の上部に・が付されたものは圧力変動を、ｕの文字の上部に・が付されたものは流速変動を、ｃは音速を、ｓは音響要素の断面積を表す。
【００５０】
ステップ３；各要素をマトリクスで結び、全要素で決まる固有振動数を求める。
【００５１】
尚、もしも、燃焼器が振動燃焼する場合には、これらの固有振動数の内の何れかの振動数で振動することになる。
【００５２】
その結果、発振した周波数に対して、燃焼機器内の音圧分布（図４（ｂ）、図５（ｂ）参照）を求める。求められた固有振動数は固有振動数メモリ部に格納されこの結果を利用して音圧分布を求めるとよい。
この時、｜圧力変動／流速変動｜により求められる音響インピーダンス（局所インピーダンスとも呼ぶ）として表す（図４（ｄ）、図５（ｄ）参照）と、圧力のピークがわかりやすくなる。また、圧力変動／速度変動の位相としても表す。これらの音圧／速度、音響インピーダンス、圧力変動／速度変動の位相はそれぞれ音圧／速度メモリ部、音響インピーダンスメモリ部、位相メモリ部にメモリされる。
【００５３】
図４（ａ）〜（ｅ）は、全要素すなわち燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合について、図５（ａ）〜（ｅ）は、燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合について示したものである。
【００５４】
具体的には、図４（ａ）は音響的開端燃焼器の模式図であり、同図（ｂ）は一次モードの圧力分布図を、同図（ｃ）は流速分布（速度分布）図を、同図（ｄ）は音響インピーダンスを、同図（ｅ）は音響インピーダンスの位相の変化を、各々表している。
【００５５】
図５（ａ）は音響的閉端燃焼器の模式図であり、図５（ｂ）〜（ｅ）は音響的閉端燃焼器についてのものであること以外は図４（ｂ）〜（ｅ）と同じである。
【００５６】
開端の一次モードでは、図４（ｂ）に示すよう、入口から出口に向かう方向を基準として、圧力分布の節、腹（圧力のピーク値を示す部分）、節が現れてる。又、閉端の一次モードでは、図５（ｂ）に示すように、上記方向を基準として、圧力分布の腹、節、腹が現れる。
【００５７】
このようにして、音響要素に分けられた燃焼機器について、図３に示す一次元の波動方程式により、燃焼器での発振周波数（固有振動数）を求めるわけである。発振周波数は基本周波数（一次モード）からｎ次周波数（ｎ次モード）まで求めることができる。この周波数は一般に固有振動と言われるものである。
【００５８】
尚、家庭用バーナを実験して調べた結果、３次モードまでの振動が確認された。そのため、計算は３次モードまででよい（図６（ａ）〜（ｃ）参照）。又、燃焼室及び炎孔の負荷が大きいほど、又、火炎が不安定なほど、高次の振動が確認されることもわかった。図６（ａ）〜（ｃ）は図４で説明した燃焼器のモデルについて３次モードまで計算した場合の、各モードにおける位相の変化と局所インピーダンスを表したものである。図４（ａ）〜（ｅ）、図５（ａ）〜（ｅ）は固有振動数、圧力／速度メモリ部、局所インピーダンスメモリ部、位相メモリ部火炎位置メモリ部のデータを呼び込みグラフィック装置により表示したものである。ず６は局所インピーダンスメモリ部と位相メモリ部を利用して表示している。
【００５９】
ステップ４；入力手段１により、演算手段２（図１参照）に燃焼器内の火炎の位置のデータとして、上述の距離Ｌ１及びＬ２を与える（図７，図８参照）。火炎の位置はバーナの構造、燃料の燃焼特性から予測可能であり、火炎位置演算手段を利用してもよい。演算結果は火炎位置メモリ部に格納され、計算された火炎位置のデータとして、上述の距離Ｌ１及びＬ２を与えてもよい。 図７は燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合についての、図８は燃焼器の入口・出口が音響的閉端の場合についての燃焼器の模式図である。
すなわち、図８の場合、図７とは異なり、Ｌ１は給気管の入口８２と火炎８１との間の距離を示し、Ｌ２は排気管の出口８３と火炎８１との間の距離を示す。尚、図８で点線で表されたものは、給気管８４，排気管８５の長さが長くなって、給気管の入口８２の位置及び排気管の出口８３の位置が変化した場合を示している。
【００６０】
ステップ５；入力された火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、ステップ３で求められた、例えば１次モードの固有振動数が発振するか否か、即ち振動燃焼が発生するか否かを調べる。ここで、（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）は、横軸に変数Ｌ１を、縦軸に変数Ｌ２を対応させたＬ１・Ｌ２の直交座標系における座標位置を表すものである。
【００６１】
ここで、振動燃焼の発生条件について説明する。
【００６２】
振動燃焼は、振動条件を満足するところの発振周波数で振動する。燃焼における振動条件としてレーリー振動条件が知られている。このレーリー振動条件を満足する場合に発振することになる。そこで、各発振周波数がレーリーの振動条件を満足するか否かを調べると発振するかしないかが判断できる。この判断した結果は、振動メモリ部に格納され、この結果は振動メモリ部に格納される。
【００６３】
レーリーの発振条件は、火炎が音場の１／４波長の位置にあると発振するというものである。最近、この考え方が拡張され、発熱変動（図１４において、ｈの文字の上部に・が付されたものとして表示）が火炎前後で増幅作用があるが、時間遅れが生じる。この時間遅れは周波数が増加すると大きく、発振条件に影響すると言われるものである。
【００６４】
これに対して、今回、実験によりこの遅れは半波長以内であることを初めて見出した。レーリーの発振条件から、圧力のピークの上流側では発振する条件が導きだされる。
【００６５】
この条件を使って、本実施の形態でしめすように、振動が発生しない燃焼機器の設計ができる。
【００６６】
次に、上述の今回の実験により見いだした事実を理論的に説明する。
【００６７】
すなわち、燃焼機器での振動燃焼が発生する場合にはレーリーの発振条件を満足することが知られている。
【００６８】
これは、ＰＵＴＮＵＭにより（数１）としてあらわされている。
【００６９】
【数１】
これを解くと、
ｃｏｓθ＞０となる。
【００７１】
ここで、上述したとうり、ｕの文字の上部に・が付されたものは流速変動を表しているものとする。
【００７２】
そこで、図１４に示すように、流速変動と圧力変動との位相差をωτ１、流速変動と発熱変動との位相差をωτ２とすると、θは次式となる。
【００７３】
θ＝ωτ１−ωτ２
定在波では、ωτ１は−π／２かπ／２となる。
【００７４】
今回初めて、実験により、家庭用燃焼機器において、ωτ２は
−π＜ωτ２＜０
であることを確かめたものである。
【００７５】
ステップ６；与えられた火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、ステップ５での解析の結果が、振動燃焼が発生する旨を示す場合であれば、ステップ７へ進み、又、振動燃焼が発生しない旨を示す場合であれば、ステップ８へ進むべき旨が判定される。
【００７６】
ステップ７；ここでは、後述する振動エリアマップを作成するための情報として、火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、振動燃焼が発生する旨を示す情報（図９では、○印で表した）が付される。この時、Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍをパラメータとして計算された結果をパラメータ振動メモリ部に格納すると表示が便利である。
そして、ステップ９へ進む。
【００７７】
ステップ８；ここでは、火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、振動燃焼が発生しない旨を示す情報（図９では、×印で表した）が付される。そして、ステップ９へ進む。
【００７８】
ステップ９；振動エリアマップ作成手段４が、火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）に対して、振動燃焼の有無を示す○印または、×印情報が付されたデータを用いて、Ｌ１・Ｌ２の直交座標系にその○印または、×印をプロットする。一次モードにおいて、火炎の位置（Ｌ１，ｍ，Ｌ２，ｍ）を変化させ、各々の位置について上記プロットを繰り返す。その結果は次々とエリアマップに記録される。
【００７９】
このようにして、図９（ａ）に示すような、火炎の上流側の長さと下流側の長さから振動エリアマップを作成する。圧力ピークの最大値の上流側では発振し、下流側では発振しないことになる。
【００８０】
このようにして基本周波数からｎ次周波数までの振動エリアマップを作成する（図９（ｂ）、（ｃ）参照）。この時、基本周波数からｎ次周波数までの振動発生の有無をメモリしたパラメータ振動メモリ部から呼び出されたデータを基に振動エリアマップ作成手段４によりエリアマップを作成すると便利である。
【００８１】
図９（ａ）は、一次モードでの振動エリアマップを表しており、図中の左側から順に振動領域９１と非振動領域９２に分割されている。又、図９（ｂ）は、二次モードでの振動エリアマップを表しており、振動領域９３と非振動領域９４と振動領域９５とに分割されている。更に、図９（ｃ）は、三次モードでの振動エリアマップを表しており、非振動領域９６と振動領域９７と非振動領域９８と振動領域９９とに分割されている。
【００８２】
このように、振動エリアマップでは振動する領域としない領域が示され、後述するように、振動燃焼しない領域を探すのに利用出来る。
【００８３】
ステップ１０；要素の寸法をパーラメータとして上述した計算等を繰り返し行なうことにより、振動燃焼しない燃焼機器を実現するための設計書が作成される。
【００８４】
次に、図１５は本発明の別の実施の形態についての振動燃焼解析装置の構成図である。
【００８５】
図２において、火炎の位置はデータとして与えていたが、図１５ではバーナの構造、燃焼条件から火炎の位置を計算する火炎位置演算手段１４１を装備している。また、図１の演算手段２に対して、固有振動数演算手段１３３と圧力／速度演算手段１３５と火炎位置演算手段１４１に分割されている。局所インピーダンス分布と位相分布はほぼ圧力／速度分布の演算手段と同等の演算手段で得られるため、局所インピーダンス演算手段１３６と位相演算手段１３７を圧力／速度演算手段１３５とひとまとめに示している。それぞれの演算手段に対して、メモリ部（固有振動数メモリ部１３４、圧力／速度メモリ部１３８、局所インピーダンスメモリ部１３９、位相メモリ部１４０）を連結している。
圧力／速度演算手段１３５と局所インピーダンス演算手段１３６と位相演算手段１３７には固有振動数メモリ部１３８から、火炎位置演算手段１４１には圧力／速度メモリ部１３８から、振動発生解析手段１４３には火炎位置メモリ部１４２からそれぞれデータを取り込む。さらに、圧力／速度分布、局所インピーダンス分布、位相分布は各メモリ（１３４，１３８，１３９，１４０，１４２，１４６）からのデータにより、グラフィク装置で表示される。
【００８６】
さらに、図１５では、振動発生解析手段１４３により、火炎の位置をパラメータとして振動発生の有無を計算し、その結果をパラメータ振動メモリ部１４４に格納し、エリアマップ作成装置１４５からデータを取り込み、エリアマップを作成し、燃焼器の設計資料とする。
【００８７】
以上が本実施の形態の振動燃焼解析装置についての説明である。
次に、この様な振動燃焼解析装置を用いた、燃焼器の設計例について述べながら、本発明の燃焼器の製造方法の一実施の形態を説明する。本発明の製造方法という言葉は、設計方法を含む広い概念として用いている。
【００８８】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、燃焼器の設計段階で、火炎１０１を同図（ａ）に示す位置に設定した場合の各モードでの圧力分布図及び振動燃焼の有無を示す図である。振動エリアマップ上の黒丸は火炎の位置１０２を示しており、二次モード（同図（ｃ）参照）では、非振動領域にあるが、その他のモードでは、全て振動領域にあることがわかる。従って、全てのモードで、振動しない領域を確保するためには火炎の位置を変更を変更する必要があることがわかる。
【００８９】
しかし、３次まで振動する場合には、振動しない領域を確保することが非常に難しくなる。
【００９０】
このような場合には、本実施の形態の解析装置を用いて、所定の周波数で振動する燃焼器を設計する。
【００９１】
すなわち、図１１に示すように、燃焼器１１１の入口１１２と出口１１３を音響閉端にする。そうすると、振動エリアマップの全域が振動領域となり、一定の周波数で振動することになる。燃焼器の入口側に吸音材１１４を設置して、一定の周波数を吸音し、騒音発生の抑制とともに振動燃焼を抑制することができる。
【００９２】
燃焼器によっては、振動のある方が、良い場合もあり、この場合には、騒音防止のために、音のみを積極的に抑圧すればよい。
【００９３】
図１１は、音響的閉端燃焼器についての、燃焼器の模式図、圧力分布図、振動エリアマップを表している。同図からもわかるように、この場合、三次モードで全領域が振動領域となる。そこで、発振周波数である８００Ｈｚ付近での吸音特性の優れた吸音材（図１２参照）を上述のように配設することにより、図１３に示すように、吸音材挿入前に８００Ｈｚ近傍でピーク値１３１を持つ圧力変動が、吸音材挿入後には解消されていることがわかる。図１２は吸音材（ＥＰＤＭ）の垂直入射吸音率を管内法（ＪＩＳ Ａ １４０５）で測定したものを示している。又、図１３は、振動燃焼をＦＦＴ分析した結果を示している。
【００９４】
これにより、振動燃焼を抑制しつつ、低ＮＯＸ、低騒音、高負荷、高ＴＤＲなどの性能を満たす燃焼器が本装置を用いたシミュレーションにより設計できる。
【００９５】
又、火炎の位置より上流側の長さと下流側長さを座標とする上記振動エリアマップから、振動する領域としない領域が求められることは上述の通りである。
【００９６】
給気管・排気管の長さを調整する場合等、この振動エリアマップを使い、燃焼機の最適な使用条件を求めることも出来る。すなわち、燃焼機の高性能を確保した上で振動燃焼の防止を可能に出来る。
【００９７】
このように、本実施の形態の燃焼器の製造方法によれば、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制する様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設けるものである。
【００９８】
又、他の実施の形態の燃焼器の製造方法として、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更するものでもよい。
【００９９】
また、他の製造方法として、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた速度分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更するものもよい。 さらに、他の製造方法として、少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記火炎と前記燃焼器の上流側入口部との間の実質的な距離、及び／又はその火炎と前記燃焼器の下流側出口部との間の実質的な距離を調整するものでもよい。
【０１００】
上記実施の形態によれば、入力データとして燃焼器の形状、寸法、温度、火炎の位置（あるいはバーナの位置から火炎の位置を計算する。）を選択し、固有振動数を計算し、固有振動数に近い周波数で（１／１００Ｈｚ異なる周波数）定在波の圧力、速度、音響インピーダンスを計算し、レーリーの振動条件から振動するかしないかを判断した。そして、振動エリアマップを作成し、振動しない領域で、燃焼器を作動させることが出来る。
【０１０１】
このように、上記実施の形態によれば、振動燃焼の予測が可能となるため、設計段階で試行錯誤がなくなり、設計工数が削減される。さらに、高性能化を確保しながら、振動燃焼を防止することが可能となるので、燃焼器の高性能化を確保することができる。
【０１０２】
又、本実施の形態では、レーリーの振動条件を計算できるように、発熱反応の位相遅れを導入し、この位相遅れは実験で半波長以内であることを見いだし、波動方程式を解いた。このとき、１次元の方程式と音響要素を利用し、パソコンレベルで計算できるようにすることが望ましい。
【０１０３】
又、本実施の形態では、（１）火炎の上流側で発振すること。（２）圧力分布、速度分布、音響インピーダンスを発振周波数の近傍で求めること。（３）振動エリアマップを求め燃焼器の設計段階及び、用段階で活用できること。（４）音響インピーダンスの立ち上がりでは、振動しない領域となること。（５）四次以上は発振しないこと等を示した。
【０１０４】
尚、上記実施の形態では、演算手段で圧力分布を求め、それに基づいて燃焼振動の発生の有無を解析する場合を中心として説明したが、これに限らず、例えば、演算手段で、速度分布を求め、それに基づいて燃焼振動の発生の有無を解析する構成としてもよく（この場合は、腹と節の判定基準における関係が、圧力分布に基づく場合と逆になる）、あるいは、圧力分布及び速度分布の両方を求め、更に音響インピーダンスを求め、それに基づいて燃焼振動の発生の有無を解析する構成としてもよく、あるいは、音響インピーダンスの位相の変化に基づいて燃焼振動の発生の有無を解析する構成とする等、圧力分布や速度分布等と等価なものに基づいて解析する構成としてももちろんよい。このような構成とした場合でも、上記と同様の効果を発揮する。
【０１０５】
又、上記実施の形態では、燃焼器として、家庭用燃焼器を用いた場合について説明したが、これに限らず、例えば、調理給湯暖房をはじめ産業用ガスタービンまで広く適用が可能であり、高効率熱交換器等へ利用することも出来る。
【０１０６】
又、上記実施の形態では、振動エリアマップとして、燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、圧力分布の節の位置から腹の位置に向かう間に火炎が存在する場合には、その領域を振動燃焼が発生するとして説明したが、これに限らず、例えば、腹の位置までの間ではなく、節から腹に至る距離の１割程度、腹から上流側へ遡った位置までの間に火炎が存在する場合に、その領域を振動燃焼が発生する領域をして扱う方がより現実に近い場合もある。これは、燃焼器自体による、吸音作用あるいは吸振作用が働くためである。従って、振動エリアマップにおける振動領域が、上記実施例より狭くなるものである。又、振動の強いものほど、振動エリアマップにおける振動領域が、上記実施の形態より狭くなる。
【０１０７】
又、本発明の燃焼器の製造方法についての上記実施の形態では、圧力分布や速度分布を求める場合について説明したが、これに限らず例えば、局所インピーダンス（｜圧力変動／速度変動｜により求められる）、あるいは、圧力変動／速度変動の位相等を求め、これを利用する構成であってももちろんよい。
【０１０８】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、振動燃焼が発生するか否かの条件を事前に予測することが出来るという長所を有する。
【０１０９】
又、本発明は、振動燃焼を抑制しつつ、低ＮＯＸ、低騒音、高負荷、高ＴＤＲなどの特性を従来に比べてより一層高性能に確保出来るという長所を有する。
【０１１０】
又、本発明は、従来に比べてより一層効率よく燃焼器を製造出来るという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の振動燃焼解析装置の構成図
【図２】本実施の形態のフローチャート
【図３】図３（ａ）；本実施の形態で用いる波動方程式を示す図
図３（ｂ）；本実施の形態の音響要素の式を示す図
図３（ｃ）；本実施の形態の音響要素の模式図
図３（ｄ）；本実施の形態の全要素の式を示す図
【図４】図４（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態の全要素すなわち燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合についての、音響的開端燃焼器の模式図、一次モードの圧力分布図、速度分布図、音響インピーダンス、音響インピーダンスの位相の変化図
【図５】図５（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態の全要素すなわち燃焼器の入口・出口が音響的閉端の場合について、音響的閉端燃焼器の模式図、一次モードの圧力分布図、速度分布図、音響インピーダンス、音響インピーダンスの位相の変化を、各々表した図
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は図４で説明した燃焼器のモデルについて３次モードまで計算した場合の、各モードにおける位相の変化と局所インピーダンスの図
【図７】本実施の形態の燃焼器の入口・出口が音響的開端の場合についての燃焼器の模式図
【図８】本実施の形態の燃焼器の入口・出口が音響的閉端の場合についての燃焼器の模式図
【図９】本実施の形態の、一次モード、二次モード、三次モードの各振動エリアマップの図
【図１０】図１０（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態での燃焼器の設計段階で、火炎１０１を同図（ａ）に示す位置に設定した場合における、一次モード〜三次モードの各モードでの圧力分布図及び振動エリアマップの図
【図１１】本実施の形態の音響的閉端燃焼器についての、燃焼器の模式図、圧力分布図、振動エリアマップの図
【図１２】本実施の形態で用いる吸音材の吸音特性を示すグラフ
【図１３】本実施の形態での振動燃焼をＦＦＴ分析した結果のグラフ
【図１４】本実施の形態の流速変動と圧力変動との位相差、流速変動と発熱変動との位相差及びθを示すグラフ
【図１５】本発明の別の実施の形態の装置図
【符号の説明】
１ 入力手段
２ 演算手段
３ 解析手段
４ 振動エリアマップ作成手段
８１ 火炎
８２ 給気管の入口
８３ 排気管の出口
８４ 給気管
８５ 排気管
１１４ 吸音材
Claims (16)
- 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、
前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求める演算手段と、
得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段と、
を備えていることを特徴とする振動燃焼解析装置。 - 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、
前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求める固有振動数演算手段と、
前記固有振動数の演算結果を格納するための固有振動数メモリ部と、
前記固有振動数メモリ部から呼び出した各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求める圧力／速度演算手段と、
前記圧力分布及び／又は速度分布の演算結果を格納するための圧力／速度メモリ部と、
前記燃焼器内の火炎の位置を計算する火炎位置演算手段と、
前記火炎の位置の演算結果を格納するための火炎位置メモリ部と、
火炎位置メモリ部から呼び出した前記燃焼器内の火炎の位置と、前記圧力／速度メモリ部から呼び出した圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段と、
を備えていることを特徴とする振動燃焼解析装置。 - 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、
前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する局所インピーダンス分布を求める局所インピーダンス演算手段と、
得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記局所インピーダンス演算手段により求められた局所インピーダンス分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段と、
を備えていることを特徴とする振動燃焼解析装置。 - 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力する入力手段と、
前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する速度と圧力の位相の分布を求める位相演算手段と、
得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記演算手段により求められた速度と圧力の位相とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析する解析手段と、
を備えていることを特徴とする振動燃焼解析装置。 - 前記所定の判定基準とは、前記演算手段により圧力分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準であることを特徴とする請求項１又は２記載の振動燃焼解析装置。
- 前記所定の判定基準とは、前記演算手段により速度分布が求められた場合、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準であることを特徴とする請求項１又は２記載の振動燃焼解析装置。
- 前記局所インピーダンス演算手段により求められた前記局所インピーダンスの分布は、前記局所インピーダンスの絶対値の分布であり、
前記所定の判定基準とは、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、その基準方向に進む程、前記局所インピーダンスの絶対値がより増加する範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記範囲内に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準であることを特徴とする請求項３記載の振動燃焼解析装置。 - 所定の判定基準とは、前記求められた位相が−９０度（−π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記求められた位相が＋９０度（π／２）となる範囲内に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定するための判定基準であることを特徴とする請求項４記載の振動燃焼解析装置。
- 前記解析手段により得られたデータを格納する振動メモリ部と、その振動メモリ部に格納されたデータ及び前記演算手段による演算結果を利用して、前記分布を表示するための表示手段と、
を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の振動燃焼解析装置。 - 前記火炎の位置は、前記燃焼器の入口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ１と、前記燃焼器の出口部とその火炎との間の実質的な距離Ｌ２とにより表現され、
その距離Ｌ１及びＬ２に対応して前記解析手段から出力される前記解析結果を得て、その解析結果の内容を前記距離Ｌ１及びＬ２を変数とする座標系に対して与え、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域を作成する振動エリアマップ作成手段を備えたことを特徴とする請求項１〜９の何れか一つに記載の振動燃焼解析装置。 - 前記振動エリアマップ作成手段は、前記振動燃焼が発生する領域及び／又は前記振動燃焼が発生しない領域のデータを格納するパラメータ振動メモリ部を有することを特徴とする請求項１０記載の振動燃焼解析装置。
- 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、
前記入力データに基づいて前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力及び／又は速度と、前記燃焼器内の火炎の位置とを利用して、所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、
その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制又は生じない様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設け、又は、火炎の位置を調整することを特徴とする燃焼器の製造方法。 - 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、
前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、
得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、
その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記振動燃焼により発生する振動音を抑制する様に、前記燃焼器の所定部位に吸音部を設けることを特徴とする燃焼器の製造方法。 - 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、
前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布を求め、
得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、
その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、圧力分布の節の位置から腹近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更することを特徴とする燃焼器の製造方法。 - 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、
前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の速度分布を求め、
得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた速度分布とに基づいて、前記燃焼器の入口部から出口部に向かう方向を基準として、前記求められた速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に前記火炎が存在する場合には、前記振動燃焼が発生すると判定し、又、前記間に前記火炎が存在しない場合には、前記振動燃焼が発生しないと判定し、
その判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、速度分布の腹の位置から節近傍の位置に向かう間に、前記火炎が存在しない様に、その火炎の位置を変更することを特徴とする燃焼器の製造方法。 - 少なくとも燃焼器の形状とその燃焼器内の音速度と混合気密度とを入力データとして入力し、
前記入力データに基づいて、前記燃焼器の固有振動数を求め、その求められた各固有振動数に対する前記燃焼器内の圧力分布及び／又は速度分布を求め、
得られた、前記燃焼器内の火炎の位置と、前記求められた圧力分布及び／又は速度分布とから所定の判定基準に基づいて、前記燃焼器について振動燃焼が発生するか否かを解析・判定し、
その解析・判定の結果、前記振動燃焼が発生すると判定された場合、前記火炎と前記燃焼器の上流側入口部との間の実質的な距離、及び／又はその火炎と前記燃焼器の下流側出口部との間の実質的な距離を調整することを特徴とする燃焼器の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27799595A JP3607763B2 (ja) | 1994-11-17 | 1995-10-25 | 振動燃焼解析装置、及び燃焼器の製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-283875 | 1994-11-17 | ||
| JP28387594 | 1994-11-17 | ||
| JP27799595A JP3607763B2 (ja) | 1994-11-17 | 1995-10-25 | 振動燃焼解析装置、及び燃焼器の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08210635A JPH08210635A (ja) | 1996-08-20 |
| JP3607763B2 true JP3607763B2 (ja) | 2005-01-05 |
Family
ID=26552668
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27799595A Expired - Fee Related JP3607763B2 (ja) | 1994-11-17 | 1995-10-25 | 振動燃焼解析装置、及び燃焼器の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3607763B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101503321B1 (ko) * | 2013-09-17 | 2015-03-17 | 두산중공업 주식회사 | 연소기의 연소진동 예측 장치 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6922612B2 (en) | 2001-01-30 | 2005-07-26 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Combustion vibration estimating apparatus, plant and gas turbine plant |
| US9267443B2 (en) | 2009-05-08 | 2016-02-23 | Gas Turbine Efficiency Sweden Ab | Automated tuning of gas turbine combustion systems |
| US9354618B2 (en) | 2009-05-08 | 2016-05-31 | Gas Turbine Efficiency Sweden Ab | Automated tuning of multiple fuel gas turbine combustion systems |
| US9671797B2 (en) | 2009-05-08 | 2017-06-06 | Gas Turbine Efficiency Sweden Ab | Optimization of gas turbine combustion systems low load performance on simple cycle and heat recovery steam generator applications |
| CN105673253B (zh) * | 2016-01-14 | 2017-06-20 | 北京理工大学 | 一种用于研究金属颗粒振荡燃烧特性的燃烧器 |
| JP7210393B2 (ja) * | 2019-07-01 | 2023-01-23 | 株式会社奥村組 | 防音建屋の設計支援方法及び設計支援装置 |
-
1995
- 1995-10-25 JP JP27799595A patent/JP3607763B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101503321B1 (ko) * | 2013-09-17 | 2015-03-17 | 두산중공업 주식회사 | 연소기의 연소진동 예측 장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08210635A (ja) | 1996-08-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Evesque et al. | Low-order acoustic modelling for annular combustors: validation and inclusion of modal coupling | |
| Li et al. | Prediction of stability behaviors of longitudinal and circumferential eigenmodes in a choked thermoacoustic combustor | |
| Bellucci et al. | Thermoacoustic modeling of a gas turbine combustor equipped with acoustic dampers | |
| Stow et al. | Low-order modelling of thermoacoustic limit cycles | |
| Martin et al. | Large-eddy simulation and acoustic analysis of a swirled staged turbulent combustor | |
| Stow et al. | Modelling of circumferential modal coupling due to Helmholtz resonators | |
| Kru¨ ger et al. | Prediction and measurement of thermoacoustic improvements in gas turbines with annular combustion systems | |
| Zhao et al. | Tuned passive control of acoustic damping of perforated liners | |
| Lepers et al. | Investigation of thermoacoustic stability limits of an annular gas turbine combustor test-rig with and without Helmholtz-resonators | |
| Lee et al. | Premixed flame kinematics in a longitudinal acoustic field | |
| JP3607763B2 (ja) | 振動燃焼解析装置、及び燃焼器の製造方法 | |
| Nakiboğlu et al. | Aeroacoustic power generated by multiple compact axisymmetric cavities: Effect of hydrodynamic interference on the sound production | |
| CN114036449B (zh) | 热声稳定性预测方法和装置 | |
| Huber et al. | Impact of fuel supply impedance on combustion stability of gas turbines | |
| Silva et al. | Boundary conditions for the computation of thermoacoustic modes in combustion chambers | |
| Bellucci et al. | Thermoacoustic modeling of a gas turbine combustor equipped with acoustic dampers | |
| Olgac et al. | Parametric investigation of thermoacoustic instability (TAI) in a rijke tube: a time-delay perspective | |
| Camporeale et al. | Numerical simulation of the acoustic pressure field in an annular combustion chamber with helmholtz resonators | |
| Campa et al. | Influence of nonlinear effects on the limit cycle in a combustion chamber equipped with Helmholtz resonator | |
| Yang et al. | An analysis and optimum design of the weak coupling between cavities for broadband sound absorption of parallel Helmholtz resonators | |
| Hathout | Thermoacoustic instability | |
| JP2004092402A (ja) | 燃焼振動解析方法及び装置並びにその解析プログラム | |
| Kim et al. | Acoustic damping characterization of a double-perforated liner in an aero-engine combustor | |
| Bethke et al. | Stability analysis of gas-turbine combustion chamber | |
| JP2005048638A (ja) | 燃焼振動解析方法、燃焼振動解析装置およびこれら解析手法を用いた解析プログラム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040309 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041005 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20041008 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071015 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081015 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091015 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091015 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101015 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |