专利名称：振动燃烧解析装置及燃烧器的制造方法
技术领域：
本发明涉及对如工业用、民用燃烧器的振动燃烧进行解析的一种振动燃烧解析装置及燃烧器的制造方法。
已往，在工业用及民用燃烧器的设计阶段，每每发生振动燃烧。
这种振动燃烧因伴随大的噪声而形成不稳定燃烧，存在安全性方面的问题。为此，必须要防止振动燃烧。以往人们是通过加大鼓风机、燃烧器、燃烧室的方法来抑制这种振动燃烧的。
但另一方面，对于工业用、民用燃烧器目前人们越来越要求其尺寸更小些，为使燃烧气体更干净而减少NOX和HC的排放，更大的调节比(燃料供给量的可变范围)(下面将这称为高调节比)，和低噪音燃烧。然而为满足上述要求，就要求使用高负荷燃烧和接近可燃极限的燃烧技术。
随之上述这些要求，抑制振动燃烧的重要性与日俱增。
可是，上述振动燃烧抑制方法，对于高负荷燃烧、高调节比、低噪音、低NOX等不能确保具有高性能。
因此，首先试制燃烧器以确保预定的特性，然后在振动燃烧发生情况下，通过探出不能重复因试行错误再次改造该燃烧器作业的条件和不振动条件来抑制振动燃烧。
但是，在如上已有技术的振动燃烧抑制方法中，由于要进行如上所述的因试行错误需再改造的作业，所以存在燃烧器设计阶段中开发工序量大的问题。
再有，由于探测避免振动燃烧条件作业中的试行错误，所以若优先抑制振动燃烧，则会存在牺牲上述低NOX、低噪音、高负荷、高TDR等高性能的问题。
另外，要预测振动燃烧发生是困难的，所以一旦发生振动燃烧，则存在难以确保上述目标的高性能的问题。
本发明考虑到已有技术的振动燃烧抑制方法中的如上问题，其目的在于提供一种振动燃烧解析装置，它能在燃烧器设计阶段中事先预测出是否发生振动燃烧的条件，并抑制振动燃烧，同时对于低NOX、低噪音、高负荷、高TDR等的特性，比已有技术有更高的性能。
本发明的再一目的是提供一种制造燃烧器的燃烧器制造方法，该方法在燃烧器设计阶段，能事先预测判定是不是发生振动燃烧的条件，利用该判定结果比已有技术具有更高的制造效率。
权利要求1所记载的本发明是一种振动燃烧解析装置，它备有至少取燃烧器形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据进行输入的输入手段；根据上述输入数据、求得上述燃烧器固有振动频率并求出对应于这些所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内压力分布及/或速度分布的运算手段；根据已获得的上述燃烧器内的火焰位置和上述运算手段求得的压力分布及/或速度分布，并按照预定判定基准、来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧的解析手段。
本发明，其输入手段至少将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据；运算手段根据上述输入数据、求得上述燃烧器的固有振动频率，并求出对应于上述已求得的各个固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布及/或速度分布；解析手段根据已获得的上述燃烧器内火焰位置和由上述运算手段已求得的压力分布及/或速度分布并按照预定判定基准，来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧。由此，可事先预测是否发生振动燃烧的条件。
权利要求2所记载的本发明，是一种振动燃烧解析装置，它备有至少取燃烧器形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据进行输入的输入手段；根据上述输入数据求得上述燃烧器的固有振动频率的固有振动频率运算手段；用来存储上述固有振动频率运算结果的固有振动频率存储部；求取对应于来自上述固有振动频率存储部各固有振动频率的上述燃烧器内压力分布及/或速度分布的压力/速度运算手段；用于存储上述压力布及/或速度分布运算结果的压力/速度存储部；计算上述燃烧器内火焰位置的火焰位置运算手段；用于存储上述火焰位置运算结果的火焰位置存储部；从火焰位置存储部调出的上述燃烧器内的火焰位置和从上述压力/速度存储部调出的压力分布及/或速度分布，按照预定判定基准来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧的解析手段。
在该发明中，输入手段至少将燃烧器形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据，固有振动频率运算手段根据上述输入数据求取上述燃烧器的固有振动频率，固有振动频率存储部存储上述固有振动频率的运算结果，压力/速度运算手段求取对应于来自上述固有振动频率存储部的各固有振动频率的上述燃烧器内压力分布及/或速度分布，压力/速度存储部存贮上述压力分布及/或速度分布的运算结果，火焰位置运算手段计算上述燃烧器内的火焰位置，火焰位置存储部存储上述火焰位置的运算结果，解析手段从火焰位置存储部调出的上述燃烧器内的火焰位置和从上述压力/速度存储部调出的压力分布及/或速度分布，并按照预定的判定基准，来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧。
权利要求3所记载的本发明是一种振动燃烧解析装置，它备有至少取燃烧器形状、该燃烧器内的音速及混合气密度作为输入数据进行输入的输入手段；根据上述输入数据、求取上述燃烧器的固有振动频率，并求取对应于这些所求得的各固有振动频率的局部阻抗分布的局部阻抗运算手段；从所获得的上述燃烧器内的火焰位置和由上述局部阻抗运算手段求得的局部阻抗分布，按照预定的判定基准来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧的解析手段。
在该发明中，输入手段至少将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，局部阻抗运算手段根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，并求出对应于这种已求出的各个固有振动频率的局部阻抗分布，解析手段根据所求得的上述燃烧器内的火焰位置和由上述局部阻抗运算手段已求得的局部阻抗分布，按照预定判定基准来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧。
权利要求4所记载的本发明，是一种振动燃烧解析装置，它备有至少将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据进行输入的手段；根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，并求出对应于该已求得的各固有振动频率的速度与压力相位分布的相位运算手段；从已求得的上述燃烧器内的火焰位置和由上述运算手段求得的速度和压力相位，按照预定的判定基准，来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧的解析手段。
在该发明中，输入手段至少将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据进行输入，相位运算手段根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，并求出对应于其所求得的各固有振动频率的速度和压力相位分布，解析手段根据所求得的上述燃烧器内的火焰位置和上述运算手段求得的速度和压力的相位，并按照预定的判定基准，分析上述燃烧器是否发生振动燃烧。
权利要求5所记载的本发明是一种如权利要求1或2所述的振动燃烧解析装置，其中所述预定判定基准是这样一种判定基准，即在通过上述运算手段求得压力分布情况下，以上述燃烧器的入口部向出口部的方向为基准，从上述求得的压力分布的波节位置朝波腹位置附近方向，若其间存在上述火焰时，则就判定为发生上述振动燃烧，若在上述之间不存在火焰时，则判定为没有发生上述振动燃烧。
在该发明中，在上述运算手段求得压力分布情况下，取上述燃烧器的入口部朝向出口部的方向作为基准，从上述求得的压力分布的波节朝波腹位置附近之间，若存在上述火焰则判定为发生上述振动燃烧，若在上述位置之间不存在上述火焰，则判定为没有发生上述振动燃烧。
权利要求6所记载的本发明是一种如权利要求1或2所述的振动燃烧解析装置，其中所述预定判定基准就是在上述运算手段求出速度分布的情况下，以上述燃烧器的入口部朝出口部的方向为基准，从上述求得的速度分布的波腹位置朝向波节位置附近，若其间存在上述火焰，判定为发生上述振动燃烧，若在上述之间不存在上述火焰则判定为未发生上述振动燃烧。
本发明，在由上述运算手段求得速度分布的情况下，以上述燃烧器入口部朝向出口部的方向为基准，在从上述求得的速度分布的波腹位置朝向波节位置附近之间，若存在上述火焰则判定为发生上述振动燃烧，若在上述之间不存在上述火焰，则判定为未发生上述振动燃烧。
权利要求7所记载的本发明，是一种如权利要求3所述的振动燃烧解析装置，其中，由上述局部阻抗运算手段求得的上述局部阻抗分布是上述局部阻抗的绝对值的分布，上述预定判定基准是以上述燃烧器的入口部朝出口部的方向为基准，在向该基准方向前进过程中，若在上述局部阻抗绝对值进一步增大的范围内存在上述火焰时则判定为发生所述振动燃烧，若在上述范围内没有上述火焰，则判定为未发生振动燃烧。
该发明，以上述燃烧器的入口部朝出口部的方向为基准，在向该基准方向前进过程中，若在上述局部阻抗的绝对值进一步增大的范围内存在上述火焰，则判定为发生上述振动燃烧，若在上述范围内不存在上述火焰，则判定为未发生上述振动燃烧。
权利要求8所记载的本发明是一种如权利要求4所述的振动燃烧解析装置，所述预定判定基准是这样一种判定基准，即若在上述所求得的相位等于-90度(-π/2)范围内存在上述火焰时，则判定为发生振动燃烧，若在上述所求得的相位等于+90度(π/2)范围内存在上述火焰时，则判定为未发生上述振动燃烧。
该发明，若在上述所求得的相位等于-90度(-π/2)范围内存在上述火焰时，则判定为发生上述振动燃烧，若在上述所求得的相位等于+90度(π/2)范围内存在上述火焰时，则判定为未发生上述振动燃烧。
权利要求9所记载的本发明是一种如权利要求1至4任一权利要求所述的振动燃烧解析装置，它可进一步备有存储由上述解析手段获得的数据的振动存储部；利用存储于该振动存储部中的数据及上述运算手段运算的结果显示上述分布的显示手段。
在该发明中，振动存储部存储上述解析手段获得的数据，显示手段利用存储于该振动存储部中的数据，和上述运算手段运算的结果，显示上述分布。
权利要求10所记载的本发明是一种如权利要求1-9任一权利要求所述的振动燃烧解析装置，它可进一步备有振动区域图作成手段，该作成手段是上述火焰的位置可通过上述燃烧器入口部与其火焰之间的实际距离L1和上述燃烧器出口部与其火焰之间的实际距离L2来表示，与该距离L1和L2相对应可获得由上述解析手段输出的上述解析结果，给出相对于以上述距离L1和L2为变量座标系的该解析结果的内容，从而作成发生所述振动燃烧的区域和/或不发生所述振动燃烧的区域的振动区域图。
在该发明中，振动区域图作成手段，在用所述燃烧器入口部与所述火焰间的实际距离L1和所述燃烧器出口部与所述火焰间的实际距离L2表示的该火焰位置上，获得对应于该距离L1和L2的由所述解析手段输出的所述解析结果，给出对应于所述距离L1和L2为变量的座标的所述解析结果的内容，从而作成发生所述振动燃烧区域和/或不发生所述振动燃烧区域图。
权利要求11所记载的本发明是一种如权利要求10所述的振动燃烧解析装置，上述振动区域图作成手段可进一步备有存储发生上述振动燃烧区域和/或不发生上述振动燃烧区域的数据的参数振动存储部。
在该发明中，参数振动存储部存储发生上述振动燃烧区和/或不发生上述振动燃烧区的数据。
权利要求12所记载的本发明是一种燃烧器的制造方法，该方法至少以燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度为输入数据输入，根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，利用对所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力和/或速度及上述燃烧器内的火焰位置，并按照预定的判定基准，分析、判定上述燃烧器是否发生振动燃烧，该分析、判定结果判定为上述燃烧器发生振动燃烧的情况下，在上述燃烧器的预定部位上设置吸音部或调整火焰位置，以便抑制或不产生由上述振动燃烧产生的振动声。
按照该发明，能制造出比已有技术具有更高效率的燃烧器。
权利要求13所记载的本发明是一种燃烧器的制造方法，该方法至少以燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度为输入数据输入，根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，并求得对应于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布及/或速度分布，根据所获得的上述燃烧器内的火焰位置和所求得的压力分布和/或速度分布，并按照预定判定基准，来分析、判定所述燃烧器是否发生振动燃烧，该分析、判定结果判定为发生所述振动燃烧情况下，在所述燃烧器的预定部位上设置吸音部，以便抑制由上述振动燃烧产生的振动声。
按照该发明，能制造出比已有技术效率更高的燃烧器。
权利要求14所记载的本发明是一种燃烧器的制造方法，该方法至少以燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，并求出对于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布，根据所得的上述燃烧器内的火焰位置和上述求得的压力分布，以上述燃烧器的入口部朝出口部的方向为基准，在从所述求得的压力分布的波节位置朝波腹附近位置之间，若存在上述火焰时则判定为发生所述振动燃烧，若在上述之间不存在火焰时则判定为未发生上述振动燃烧，在该判定结果判定为发生上述振动燃烧情况下，则可从压力分布的波节位置向着波腹附近位置之间改变该火焰位置使上述火焰不存在。
按照该发明，能制造出比已有技术更高效率的燃烧器。
权利要求15所记载的本发明是一种燃烧器的制造方法，该方法至少以燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度为输入数据输入，根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，并求出对于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的速度分布，根据求得的上述燃烧器内的火焰位置和上述求得的速度分布，以上述燃烧器的入口部向出口部的方向为基准，在从所求得的速度分布的波腹位置朝波节附近位置之间，若存在上述火焰时则判定为发生上述振动燃烧，若在上述之间不存在上述火焰时则判定为不发生上述振动燃烧，在该判定结果判定为发生上述振动燃烧的情况下，则在从速度分布的波腹位置朝波节附近位置之间改变该火焰位置使上述火焰不存在。
按照该发明，能制造出比已有技术效率更高的燃烧器。
权利要求16所记载的本发明，是一种燃烧器的制造方法，该方法至少以燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度为输入数据输入，根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，并求出对于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布和/或速度分布，由所得的上述燃烧器内的火焰位置和上述求得的压力分布和/或速度分布，并按照预定判定基准，来分析、判定上述燃烧器是否发生振动燃烧，在该分析、判定结果判定为发生上述振动燃烧的情况下，调整上述火焰与上述燃烧器上流侧入口部间的实际距离和/或该火焰与上述燃烧器下流侧出口部间的实际距离。
按照该发明，能制造出比已有技术更高效率的燃烧器。
下面，参照附图详细说明本发明有关实施例。
图1为本发明一实施例形态的振动燃烧解析装置的结构图；图2为图1实施例形态的流程图；图3(a)表示上述实施例形态中使用的波动方程式；图3(b)表示上述实施例形态中的音响要素的式子；图3(c)为上述实施例形态音响要素的模式图；，图3(d)表示上述实施例形态全部要素的式子；图4(a)-(e)为上述实施例形态全部要素即燃烧器的入口、出口为音响开端时的音响开端燃烧器的模式图、一次模(mode)压力分布图、速度分布图、声阻抗、声阻抗相位的变化图；图5(a)-(e)为上述实施例形态的全部要素即燃烧器的入口、出口为音响闭端时的音响闭端燃烧器的模式图、一次模压力分布图、速度分布图、声阻抗、声阻抗相位的变化图；图6(a)-(c)是图4中所说明的燃烧器型式计算到三次模情况下的各次模中相位变化和局部阻抗图；图7为上述实施例形态的燃烧器入口、出口为音响开端状态时的燃烧器的模式图；图8为上述实施例形态的燃烧器入口、出口为音响闭端状态时的燃烧器的模式图9为上述实施例形态的一次模、二次模、三次模的各个振动区域图；图10(a)-(d)为在上述实施例形态的燃烧器设计阶段中，将火焰101设定于图10(a)所示位置时的一次-三次模的各模压力分布图和振动区域图；图11为上述实施例形态音响闭端燃烧器的燃烧器模式图、压力分布图，和振动区域图；图12为上述实施例形态中所用吸音材料的吸音特性曲线图；图13为上述实施例形态中对振动燃烧进行快速傅里叶变换(FFT)分析的结果曲线图；图14表示上述实施例形态的流速变动与压力变动的相位差、流速变动与发热变动的相位差和θ的关系图；图15为本发明另一实施例形态的装置图；图1为本发明一实施例形态的振动燃烧解析装置的结构图。
该图中，输入手段1将作为设计对象的燃烧器形状、该燃烧器内的音速和混合气密度等作为输入数据输入。这里的输入数据，具体来说可以是如热交换器、送风机、给气路、排气路等的构成燃烧器各要素的形状、尺寸、温度条件及燃烧器内的火焰位置等。运算手段2根据输入手段1的输入数据(但火焰位置的数据除外)，对燃烧器整体解波动方程式，求出燃烧器的n次固有振动频率，并求出对于所求得的各固有振动频率的燃烧器内的压力分布。解析手段3由输入手段1输入的火焰位置和通过运算手段2求得的压力分布，并按照预定的判定基准，来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧。在本说明书中，压力分布是指压力变动的振幅分布，而速度分布是指速度变动的振幅分布。
这里，预定的判定基准，取燃烧器入口部向出口部的方向作为基准，它是一种用于在从运算手段2求得的压力分布的波节位置朝波腹附近位置之间、当存在上述火焰时判定为发生振动燃烧、当不存在时判定为不发生振动燃烧的判定基准。除压力分布外，速度分布、局部阻抗分布、速度变动/压力变动的相位分布等都可作为预定判定基准。
速度分布情况下，取燃烧器入口部朝出口部的方向作为基准，它是一种用于在从运算手段2求得的速度分布的波腹位置朝波节附近位置之间、当存在上述火焰时判定为发生振动燃烧、当不存在时判定为不发生振动燃烧的判定基准。
在局部阻抗分布情况下，取燃烧器入口部朝出口部的方向作为基准，它是一种用于在从运算手段2求得的局部阻抗增加的位置上、当存在上述火焰时判定为发生振动燃烧、当不存在时判定为不发生振动燃烧的判定基准。
在速度变动/压力变动的相位情况下，它是一种用于在-π/2位置上存在上述火焰时判定为发生振动燃烧、不存在时判定为不发生振动燃烧的判定基准。
燃烧器内的火焰位置，用上述入口部与该火焰间的实际距离L1和上述出口部与该火焰间的实际距离L2表示。下面，也有将距离L1称为火焰上流长度，距离L2称为火焰下流长度。
振动区域图作成手段4，获得从解析手段3输出的对应于距离L1和L2的解析结果，并将该解析结果的内容加到以距离L1和L2为变量的直角座标系中，从而作成发生振动燃烧的区域和不发生振动燃烧的区域。这里，使变量L1、L2分别对应于直角座标系的横轴、纵轴。
在说明本实施例形态的动作之前，先对可提供本装置的技术背景稍加叙述。
根据下述的瑞利振动条件通过火焰的声波，在火焰的前后体积速度增大、产生时间延迟即相位差，新近知道这种时间延迟会对振动燃烧发生的条件产生影响。该时间延迟虽能通过已有理论计算或测定来探讨，但是目前尚未解释明白。因此，不能预测振动燃烧的发生，从而不能开发出振动燃烧的解析装置。
在本实施例的形态中，如下面所述，以家用燃烧器中对该时间延迟调查的结果，由于通过实验能看到半波长以内的情况，所以能提供本实施例形态中作为一例所示的振动燃烧解析装置。
用图1、图2说明如上构成的本实施例形态的振动燃烧解析装置的动作。图2为本实施例形态的流程图。
步骤1通过输入手段1(参照图1)，将作为燃烧器设备各要素部件形状的尺寸、各要素的温度分布和燃料与空气的混合气密度ρ输入运算手段2。这里的尺寸具体来说是各要素部件的截面积S和长度1(1为字母L的小写)等。输入温度分布和混合气密度ρ是为了导出通过下述的运算手段在运算过程中所必需的音速c。
这里，分解成各要素部件的理由如下。即，振动燃烧是燃烧设备在空间发生的驻波。为了了解振动燃烧发生状况，则要解如下面所述的波动方程。由于燃烧设备为三维形状，所以要将燃烧设备作为音响要素的组合来分解。
步骤2以来自输入手段1的输入数据为基础，赋以频率，对各音响要素解波动方程，(参照图3(a)-(d))，再结合全部要素解波动方程。
图3(a)表示本实施形态的一维(音响)波动方程，图3(b)表示(音响)要素的式子。图3(c)为(音响)要素的模式图，图中，左侧端部为入口(in)，右侧端部为出口(out)。A-D为要素的四端子常数。图3(d)表示全部要素的式子，即n个要素的合成四端子行列式。图中in表示相应的入口情况，out表示相应的出口情况。p、u上面的一点“·”分别表示压力变动、流速变动，C表示音速，S表示音响要素的截面积。
步骤3用矩阵连接各要素，求出由全部要素决定的固有振动频率。
若燃烧器处于振动燃烧时以这些固有振动频率中的任一振动频率振动。
其结果，对于已振荡的频率，求得燃烧器内的声压分布(参照图4(b)、图5(b))。也可将求得的固有振动频率存储在固有振动频率存储部中，并利用该结果求得声压分布。此时，若以由|压力变动/流速变动|求得的声阻抗(也称为局部阻抗)来表示的话，则压力的峰值就容易理解了。另外，也可表示为压力变动/速度变动的相位，这些声压/速度、声阻抗、压力变动/速度变动的相位，分别存储在声压/速度存储部、声阻抗存储部、相位存储部中。
图4(a)-(e)是表示全部要素，即燃烧器的入口、出口在音响开端时的情况，图5(a)-(e)是表示燃烧器入口、出口在音响闭端时的情况。
具体说，图4(a)为音响的开端燃烧器的模式图，图4(b)为一次模的压力分布图，图4(c)表示流速分布(速度分布)图，图4(d)表示声阻抗，图4(e)表示声阻抗相位变化。
图5(a)为音响的闭端燃烧器的模式图。除了是音响的闭端燃烧器情况外，图5(b)-(e)同图4(b)-(e)。
在开端一次模中，如图4(b)所示，以入口朝出口的方向作为基准，则压力分布表现为波节、波腹(表示压力峰值的部分)、波节。在闭端一次模中，图5(b)所示，以上述方向作为基准，压力分布表现为波腹、波节、波腹。
这样，对于分成音响要素的燃烧器来说，通过图3所示一维波动方程，当然就可求得燃烧器中的振荡频率(固有振动频率)。振荡频率，能求得从基频(一次模)至n次频率(n次模)。这种频率通常称之为固有振动频率。
且，对家庭用燃烧器进行实验调查结果，已确认至3次模的振动。因此，可以计算到3次模(参照图6(a)-(c))。另外，也明白了燃烧室及火焰孔的负载越大，火焰越不稳定，则越能确认为高次振动。图6(a)-(c)是表示用图4说明的燃烧器型式中计算到3次模时的在各次模中的相位变化和局部阻抗的情况。图4(a)-(e)，图5(a)-(e)为调入固有振动频率存储部、压力/速度存储部、局部阻抗存储部、相位存储部、火焰位置存储部的数据，用图形装置显示的情况。图6利用局部阻抗存储部和相位存储部来显示。
步骤4通过输入手段1，将上述的距离L1和L2(参见图7，8)提供给运算手段2(参见图1)。作为燃烧器内火焰位置的数据。火焰位置是可根据燃烧器的结构、燃料的燃烧特性进行预测，也可利用火焰位置运算手段计算。运算结果存储在火焰位置存储部中，也可给出上述距离L1和L2作为计算的火焰位置的数据。图7为燃烧器的入口、出口为音响开端时的燃烧器的模式图，图8为燃烧器的入口、出口在音响闭端时的燃烧器的模式图。
即，在图8中的情况与图7的不同，L1表示供气管入口82与火焰81之间的距离，L2表示排气管出口83与火焰81之间的距离。图8中虚线表示的是供气管84、排气管85的长度变长、供气管入口82的位置和排气管出口83的位置已变化的情况。
步骤5对于输入的火焰位置(L1，m；L2，m)，探讨步骤3中求得的如一次模的固有振动频率是否振荡即是否发生振动燃烧。此处，(L1，m；L2，m)表示对应于横轴变量L1、纵轴变量L2的L1、L2直角座标系中的坐标位置。
下面说明振动燃烧发生的条件。
振动燃烧，是以满足振动条件时的振荡频率进行振动。燃烧中的振动条件是我们熟悉的瑞利(Rayleigh)振动条件。满足该瑞利振动条件时就会振荡。所以通过探讨各振荡频率是否满足瑞利振动条件就能判断是否振荡。该判断结果存储在振动存储部。
所谓瑞利振荡条件，就是说当火焰位于声场的1/4波长位置处就振荡。最近，这种认识有了发展，发热变动(在图14中，用h上的一点“·”表示)在火焰前后具有放大作用，并产生时间延迟。这种时间延迟随频率增加而增大，并影响到振荡条件。
对此，通过实验初步看到该延迟在半波长以内。从瑞利振荡条件导出了压力峰值上流侧中的振荡条件。
如本实施形态中所示，使用该条件能设计出不发生振动的燃烧设备。
下面从理论上说明上述实验见到的事实。
即，我们知道在燃烧器中发生振动燃烧时满足瑞利振荡条件。
这可用PUTNUM表示为(数学式1)。 若解它，则变成cosθ＞0这里，如上所述，u上加一点“·”表示流速变动。
所以，如图14所示，若取流速变动与压力变动的相位差为ωτ1、取流速变动与发热变动的相位差为ωτ2时，则θ变为下式θ＝ωτ1－ωτ2驻波中，ωτ1为-π/2或π/2。
这次最初本发明通过实验，在家用燃烧器中，确认ωτ2为-π＜ωτ2＜0步骤6在步骤5中对所给火焰位置(L1，m；L2，m)分析的结果进行判定，若表示发生振动燃烧则进入步骤7，若表示不发生振动燃烧则进入步骤8。
步骤7这里对火焰位置(L1，m；L2，m)附有表示发生振动燃烧的信息(图9中用标记“0”表示)，作为用于下面要述的作成振动区域图的信息。此时，若将L1，m、L2，m作为参数计算的结果存入参数振动存储部中，可便于显示。然后进入步骤9。
步骤8这里，附有对火焰位置(L1，m；L2，m)不发生振动燃烧的信息(图9中用标记“X”表示)，然后进入步骤9。
步骤9振动区域图作成手段4，附有对火焰位置(L1，m；L2，m)表示有、无振动燃烧的标记“0”或“X”的数据，在L1、L2的直角座标系中绘出这些标记“0”或“X”。在一次模中使火焰位置(L1，m；L2，m)变化并在各个位置，重复上述的作图。其结果相继记录成区域图。
这样，根据火焰上流侧长度和下流侧长度作成如图9(a)所示的振动区域图。在压力尖峰最大值的上流侧中产生振荡，下流侧中不振荡。
如此，作成从基频至n次频率的振动区域图(参见图((b)、(c))。此时，若通过振动区域图作成手段4从参数振动存储部调出的存储着从基频至n次频率的有无发生振动的数据作成区域图的话，则就更为方便。
图9(a)表示一次模中的振动区域图，从图中左侧依次分割成振动区域91和非振动区域92。图9(b)表示二次模中的振动区域图，它分割成振动区域93、非振动区域94和振动区域95。图9(c)表示三次模中的振动区域图，它分割成非振动区域96、振动区域97、非振动区域98和振动区域99。
由此，在振动区域图中显示不振动区域的区域，如下面所述，可找出不振动燃烧区域加以利用。
步骤10通过反复以要素尺寸为参数进行上述计算等，就可作成用于实现不振动燃烧的燃烧器的设计书。
下面，图15为本发明另一实施例形态的振动燃烧解析装置的构成图。
图2中火焰位置作为数据给出，而图15中设有用结构、燃烧条件计算火焰位置的火焰位置运算手段141。对于图1运算手段2，可分成固有振动频率运算手段133、压力/速度运算手段135和火焰位置运算手段141。由于用与压力/速度分布的运算手段大体等同的运算手段能获得局部阻抗分布和相位分布，所以可将局部阻抗运算手段136和相位运算手段137概括表示为压力/速度运算手段135。对各个运算手段连接有存储部(固有振动频率存储部134、压力/速度存储部138、局部阻抗存储部139和相位存储部140)。
在压力/速度运算手段135、局部阻抗运算手段136和相位运算手段137中，从固有振动频率存储部134取数据；在火焰位置运算手段141中从压力/速度存储部138取数据；在振动发生解析手段143中从火焰位置存储部142取入数据。用来自各存储部(134、138、139、140、142、146)的数据在图形装置中表示压力/速度分布、局部阻抗分布、相位分布。
在图15中，取火焰位置为参数通过振动发生解析手段143计算有无振动发生，并将该结果存入参数振动存储部144中，再由区域图作成装置145取入数据作成区域图，作为燃烧器的设计资料。
上面，说明了本实施例形态的振动燃烧解析装置。
下面，一边阐述用这种振动燃烧解析装置设计燃烧器的例子，一边说明本发明燃烧器制造方法的一实施例形态。所谓本发明的制造方法，是一种包含设计方法的广义概念。
在燃烧器的设计阶段图10(a)-(d)是表示将火焰101设定在图10(a)所示位置上时的各模中压力分布图和有无振动燃烧的图。振动区域图上的黑圆点表示火焰位置102，在二次模中(参见图10(c))它处于非振动区域，而在其它模中，可知全处于振动区域。因此，很显然要在所有模中确保其不振动区域，就必须变更火焰的位置。
然而，至3次模振动情况下，要想确保不振动区域是非常困难的。
在这种情况下，用本实施例形态的解析装置以预定频率设计振动的燃烧器。
即，如图11所示，使燃烧器111的入口112和出口113成为音响闭端。一旦这样，则振动区域图的全部区域就成为振动区域，并以一定的频率振动。在燃烧器的入口侧设置吸音材料114，就能吸收一定频率的声音，抑制产生的噪音，同时也能抑制振动燃烧。
由于燃烧器有振动时也可有良好情况，所以此时，为防止噪声，只要积极地抑制声音就可以了。
图11表示有关音响闭端燃烧器的燃烧器模式图、压力分布图、和振动区域图。如从该图也可知，此时，在三次模下全部区域为振动区域。所以，如上所述，通过设置在振荡频率800HZ附近具有吸音特性优良的吸音材料(参照图12)，如图13所示，吸音材料插入前在800HZ附近具有峰值131的压力变动，在插入吸音材料后，可见能将其消除。图12表示用管内法(JIS A 1405)测定吸音材料(EPDM)的垂直入射吸音率的情况。图13表示对振动燃烧FFT分析的结果。
这样，用本装置仿真就能设计出既抑制振动燃烧，又满足低NOX、低噪音、高负荷、高TDR等性能的燃烧器。
如上所述，从取火焰位置的上流侧长度和下流侧长度为座标的上述振动区域图，可求得不振动的区域。
在调整供气管、排气管长度时，使用该振动区域图，也能求出燃烧机的最佳使用条件，即能在确保燃烧机高性能前提下防止振动燃烧。
因此，按照本实施例形态的燃烧器的制造方法，至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，并根据该输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，求出对应于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布和/或速度分布，再从获得的上述燃烧器内的火焰位置和上述求得的压力分布和/或速度分布，并按照预定判定基准，分析、判定上述燃烧器是否发生振动燃烧，该分析、判定结果判定为发生上述振动燃烧时，则就在上述燃烧器预定部位上设置吸音部，以便抑制上述振动燃烧产生的振动声。
作为又一实施例形态的燃烧器制造方法，至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，并根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率，求出对应于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布，根据获得的上述燃烧器内的火焰位置和上述所求得的压力分布，以上述燃烧器的入口部朝出口部的方向作为基准，在从上述求得的压力分布的波节位置向波腹附近位置之间若存在火焰则判定为发生上述振动燃烧，若在上述之间不存在火焰则判定为不发生上述振动燃烧，该判定结果判定为发生上述振动燃烧情况下，也可以改变该火焰位置，使得在从压力分布的波节位置向波腹附近位置之间不存在上述火焰。
再一制造方法，至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，并根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率；求出对应于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布，根据获得的上述燃烧器内的火焰位置和上述求得的速度分布，将从上述燃烧器的入口部向出口部的方向作为基准，在从上述求得的速度分布的波腹位置向波节附近位置之间，若存在上述火焰时则判定为发生上述振动燃烧，若在上述之间不存在火焰时，则判定为不发生上述振动燃烧，该判定结果在判定为发生上述振动燃烧的情况下，也可改变该火焰位置使得在从速度分布的波腹位置向波节附近位置之间不存在上述火焰。
本发明的再一其它制造方法，至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，并根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率；求出对应于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布和/或速度分布，再从获得的上述燃烧器内的火焰位置和上述所求得的压力分布和/或速度分布，按照预定判定基准，分析、判定上述燃烧器是否发生振动燃烧，该分析、判定结果判定为发生上述振动燃烧的情况下，也可以调整上述火焰与上述燃烧器上流侧入口部之间的实际距离、和/或该火焰与上述燃烧器下流侧出口部之间的实际距离。
按照上述实施例形态，选择作为输入数据的燃烧器形状、尺寸、温度、火焰位置(或从燃烧器位置计算火焰位置)，计算固有振动频率，计算在固有振动频率附近频率(与1/100HZ不同的频率)的驻波压力、速度、声阻抗，由瑞利振动条件判断是否振动。然后，作成振动区域图，能够使燃烧器工作在不振动区域中。
因此，按照上述实施例的形态，由于能预测振动燃烧，所以在设计阶段就免除试行错误并减少设计工时。再有，因能确保高性能同时又能防止振动燃烧，所以能确保燃烧器具有高性能。
在本实施例形态中，像能计算瑞利振动条件那样，引入发热反应的相位延迟，在实验中找到该相位延迟在半波长以内，解出波动方程。此时，可望利用一维方程和音响要素并能用个人计算机进行计算。
本实施例形态表示了以下的情况等(1)在火焰上流侧振荡的情况；(2)在振荡频率附近求出压力分布、速度分布、声阻抗的情况；(3)求出振动区域图并能在燃烧器设计阶段和使用阶段能灵活运用的情况；(4)在声阻抗上升时构成不振动区域的情况；(5)四次模以上不振荡的情况。
在上述实施例形态中，虽然围绕着以运算手段求出压力分布并根据该分布分析有无发生振动燃烧的情况进行了说明，但并不局限于此，例如也可作成这样的结构，即用运算手段求出速度分布并根据该分布分析有无发生振动燃烧(这时，波腹和波节的判定基准关系与压力分布时的相反)，或也可在结构上作成求出压力分布和速度分布两种，再求出声阻抗，并根据这些分析有无发生振动燃烧，或取根据声阻抗的相位变化分析有无发生振动燃烧的结构等，当然也可作成根据与压力分布或速度分布等等价的情况进行分析的结构。在上述这些结构中，也能发挥与上述相同的效果。
在上述实施例中，虽以家用燃烧器作为燃烧器进行了说明，但并不限于此，例如从烹调、热水、暖房直至工业用燃气炉等均能广泛适用，甚至也能用于高效率热交换器等中。
在上述实施例形态中，虽然可以进行以下的说明振动区域图，以从燃烧器入口部向出口部的方向为基准并在压力分布的波节位置向波腹附近位置间存在火焰情况下该区域发生振动燃烧。但并不限于此，例如，不是至波腹位置之间，而是从波节至波腹距离10％从波腹至逆向上流侧位置之间存在火焰情况下将该区域作为产生振动燃烧区域的处理方法更接近实际情况。这时因为燃烧器自身起吸音作用或吸振作用。因此，振动区域图中的振动区域比上述实施例的窄。而且，振动越强，则振动区域图中的振动区域要比上述实施例形态的更窄。
在本发明燃烧器制造方法的上述实施例中，虽然说明了求压力分布或速度分布情况，但并不限于此，例如对于求出局部阻抗(由|压力变动/速度变动|求出)、或求出压力变动/速度变动的相位的结构，毫无疑问也是可以的。
从上所述，清楚可见，本发明具有能事先预测是否发生振动燃烧条件的优点。
本发明具有抑制振动燃烧且对于低NOX、低噪音、高负荷、高TDR等特性比已有技术具有更高性能的优点。
本发明还具有与已有技术相比能制造出更高效率优良燃烧器的优点。
权利要求
1.一种振动燃烧解析装置，其特征在于，它备有至少要取燃烧器形状、该燃烧器内音速和混合气密度作为输入数据输入的输入手段；根据上述输入数据，求出上述燃烧器固有振动频率和求出对应于这些所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内压力分布及/或速度分布的运算手段；根据已获得的上述燃烧器内的火焰位置和上述运算手段求得的压力分布及/或速度分布，并按照预定判定基准、来分析上述燃烧器是否发生振动燃烧的解析手段。
2.一种振动燃烧解析装置，其特征在于，它备有至少要取燃烧器形状、该燃烧器内的音速及混合气密度作为输入数据输入的输入手段；根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率的固有振动频率运算手段；用于存储上述固有振动频率运算结果的固有振动频率存储部；求出对应于来自上述固有振动频率存储部各固有振动频率的上述燃烧器内压力分布及/或速度分布的压力/速度运算手段；用于存储上述压力分布及/或速度分布运算结果的压力/速度存储部；计算上述燃烧器内火焰位置的火焰位置运算手段；用于存储上述火焰位置运算结果的火焰位置存储部；根据从火焰位置存储部调出的上述燃烧器内的火焰位置和从上述压力/速度存储部调出的压力分布及/或速度分布、并按照预定判定基准、分析上述燃烧器是否发生振动燃烧的解析手段。
3.一种振动燃烧解析装置，其特征在于，它备有至少要取燃烧器形状、该燃烧器内的音速及混合气密度作为输入数据输入的输入手段；根据上述输入数据、求取上述燃烧器固有振动频率、和求取对应于这些所求得的各固有振动频率的局部阻抗分布的局部阻抗运算手段；根据所获得的上述燃烧器内的火焰位置和由上述局部阻抗运算手段求得的局部阻抗分布，并按照预定的判定基准、分析上述燃烧器是否发生振动燃烧的解析手段。
4.一种振动燃烧解析装置，其特征在于，它备有至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入的输入手段；根据上述输入数据求出上述燃烧器的固有振动频率、并求得对应于该已求得的各固有振动频率的速度与压力相位分布的相位运算手段；根据已获得的上述燃烧器内的火焰位置和上述运算手段求得的速度和压力相位，并按照预定的判定基准，分析上述燃烧器是否发生振动燃烧的解析手段。
5.如权利要求1或2所述的振动燃烧解析装置，其特征在于，其中所述预定判定基准是这样一种判定基准，即在上述运算手段求得压力分布情况下，将从上述燃烧器的入口部向出口部的方向作为基准，在从上述求得的压力分布的波节位置至波腹位置附近之间若存在上述火焰时，判定为发生上述振动燃烧，若在上述之间不存在火焰，则判定为没有发生上述振动燃烧。
6.如权利要求1或2所述的振动燃烧解析装置，其特征在于，其中所述预定判定基准在上述运算手段求出速度分布的情况下，将上述燃烧器的入口部向出口部的方向作为基准，在从上述求得的速度分布的波腹位置向波节位置附近之间，若存在上述火焰，则判定为发生上述振动燃烧，若在上述之间不存在上述火焰则判定为未发生上述振动燃烧。
7.如权利要求3所述的振动燃烧解析装置，其特征在于，其中，由所述局部阻抗运算手段求得的所述局部阻抗分布是上述局部阻抗的绝对值的分布，上述预定判定基准取上述燃烧器的入口部向出口部的方向作为基准，在向该基准方向运行中，若在上述局部阻抗绝对值增大的范围内存在上述火焰时则判定为发生所述振动燃烧，若在上述范围内没有所述火焰，则判定为未发生振动燃烧。
8.如权利要求4中所述的振动燃烧解析装置，其特征在于，所述预定判定基准是这样一种判定基准，即若在上述所求得的相位在-90度(-π/2)范围内存在上述火焰时，则判定为发生振动燃烧，若在上述所求得的相位在+90度(π/2)范围内存在上述火焰时，则判定为未发生所述振动燃烧。
9.如权利要求1至4任一权利要求所述的振动燃烧解析装置，其特征在于，它可进一步备有存储由所述解析手段获得的数据的振动存储部；和利用存储于该振动存储部中的数据及所述运算手段运算的结果显示所述分布的显示手段。
10.如权利要求1-9任一权利要求所述的振动燃烧解析装置，其特征在于，所述火焰位置，用所述燃烧器入口部与该火焰间的实际距离L1和该燃烧器出口部与该火焰间的实际距离L2表示，该振动燃烧解析装置可进一步备有振动区域图作成手段，该作成手段获得对应于该距离L1和L2的由所述解析手段输出的所述解析结果，给出相对于以所述距离L1和L2为变量座标的所述解析结果，从而作成发生所述振动燃烧的区域和/或不发生所述振动燃烧的区域。
11.如权利要求10所述的振动燃烧解析装置，其特征在于，所述振动区域图作成手段可进一步备有存储发生所述振动燃烧区和/或不发生所述振动燃烧区数据的参数振动存储部。
12.一种燃烧器的制造方法，其特征在于，该方法至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，根据上述输入数据求出所述燃烧器的固有振动频率，利用对应于所求得的各固有振动频率的所述燃烧器内的压力和/或速度及所述燃烧器内的火焰位置，并按照预定的判定基准，分析、判定所述燃烧器是否发生振动燃烧，该分析、判定结果判定为发生所述振动燃烧的情况下，在所述燃烧器的预定部位上设置吸音部或调整火焰位置，以便抑制或不产生由所述振动燃烧产生的振动声。
13.一种燃烧器的制造方法，其特征在于，该方法至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，根据所述输入数据求出所述燃烧器的固有振动频率，并求出对应于所求得的各固有振动频率的上述燃烧器内的压力分布和/或速度分布，根据所获得的所述燃烧器内的火焰位置和所求得的压力分布和/或速度分布，并按照预定判定基准，来分析、判定所述燃烧器是否发生振动燃烧，该分析、判定结果判定为发生所述振动燃烧情况下，在所述燃烧器的预定部位上设置吸音部，以便抑制由所述振动燃烧产生的振动声。
14.一种燃烧器的制造方法，其特征在于，该方法至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，根据所述输入数据求出所述燃烧器的固有振动频率，并求出对应于所求得的各固有振动频率的所述燃烧器内的压力分布，根据所得的所述燃烧器内的火焰位置和所述求得的压力分布，将所述燃烧器的入口部向出口部的方向作为基准，在从所述求得的压力分布的波节位置向波腹附近位置之间，若存在所述火焰时则判定为发生所述振动燃烧，若在所述之间不存在火焰时则判定为未发生上述振动燃烧，在该判定结果判定为发生所述振动燃烧情况下，则改变该火焰位置使得在从压力分布的波节位置向着波腹附近位置之间所述火焰不存在。
15.一种燃烧器的制造方法，其特征在于，该方法至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，根据所述输入数据求出所述燃烧器的固有振动频率，并求出对应于所求得的各固有振动频率的速度分布，根据所得的所述燃烧器内的火焰位置和所述求得的速度分布，将所述燃烧器的入口部指向出口部的方向作为基准，在从所求得的速度分布的波腹位置向波节附近位置之间，若存在所述火焰则判定为发生所述振动燃烧，若在上述之间不存在所述火焰则判定为不发生所述振动燃烧，在该判定结果判定为发生所述振动燃烧的情况下，则改变该火焰位置使得在从速度分布的波腹位置向波节附近位置之间所述火焰不存在。
16.一种燃烧器的制造方法，其特征在于，该方法至少要将燃烧器的形状、该燃烧器内的音速和混合气密度作为输入数据输入，根据所述输入数据求出所述燃烧器的固有振动频率，并求出对应于所求得的各固有振动频率的所述燃烧器内的压力分布和/或速度分布，根据所得的所述燃烧器内的火焰位置和所述求得的压力分布和/或速度分布，并按照预定判定基准，来分析、判定所述燃烧器是否发生振动燃烧，在该分析、判定结果判定为发生所述振动燃烧的情况下，调整所述火焰与所述燃烧器上流侧入口部间的实际距离和/或该火焰与所述燃烧器下流侧出口部间的实际距离。
全文摘要
一种燃烧器解析装置备有将燃烧器形状其内的音速和混合气密度作为输入数据的输入手段，根据输入数据求出燃烧器固有振动频率和对应于所求得的各固有振动频率的燃烧器内压力和/或速度分布的运算手段，根据获得的火焰位置和压力和/或速度分布并按预定判定基准分析是否发生振动燃烧的解析手段，作成发生和/或不发生振动燃烧区域的振动区域作成手段，根据该解析装置制造出的燃烧器具有消除试行错误、抑制振动燃烧、低NOX、低噪音等优点。
文档编号F23N5/00GK1148152SQ9511934
公开日1997年4月23日 申请日期1995年11月17日 优先权日1994年11月17日
发明者中本充庆, 加藤博久 申请人:松下电器产业株式会社