JP2006266674A - パルス燃焼装置およびその作動方法 - Google Patents

パルス燃焼装置およびその作動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃焼生成物の流れを導く手段を備えた部材を導管出口に備えるパルス燃焼装置を提供する。
【解決手段】円形状の列をなす導管３０Ａ〜Ｒの各々は、上流側入口３６から下流側出口３８に延びる。装置は、出口および入口端部部材６０，８２を備える。手段は、部材６０を貫通するとともに、入口および出口ポート６８，６４を有する通路６６を備える。部材６０は、出口ポート６４と入口ポート６８との間に遮断壁部７４を備え、この壁部７４より、導管がポート６４とポート６８との間を通過する際に、ポート６４から燃焼ガスが漏出しない。導管からの燃焼生成物７１の流れ７０は、ポート６８から通路６６を通りポート６４から流出する。その際、高温の燃焼生成物は充填物５４の圧縮部分６３と接触して圧縮充填物６３が燃焼し、デトネーションが生じるとともに、デトネーション波７２が上流側に送られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、パルス燃焼装置に関し、特に、パルス燃焼エンジンに関する。
さまざまなパルス燃焼技術が存在する。パルスデトネーションエンジン（Ｐｕｌｓｅ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ：ＰＤＥ）は、特定の開発分野を代表する。一般的なＰＤＥにおいては、燃料および酸化剤（例えば、空気などの酸素含有ガス）は、上流側の入口端部において細長い燃焼室に流入することが許容される。空気は、上流の入口バルブを通って導かれ、混合気を生成するように燃料がその下流側に注入される。別法として、バルブを通して燃料／空気混合気を導いてもよい。この充填物が導入されると、バルブが閉じられ、点火装置により充填物が爆発する（直接、または爆燃（デフラグレーション）からデトネーション（爆ごう）への移行プロセスを介して）。デトネーション（爆ごう）波が超音速で出口に向かって伝播して、燃料／空気混合物が実質的に出口から排出される前に、燃料／空気混合気が実質的に燃焼する。燃焼の結果、ガスの大部分が慣性によって排出される前に、燃焼室内に急速な圧力上昇が生じる。このような慣性的な閉じこめ作用により、例えば定圧燃焼とは区別されるような定容積燃焼に近似した燃焼が起こりえる。例示的なパルス燃焼エンジンは、特許文献１〜４に記載されている。
さらに、ハイブリッドタービンエンジンにおいてパルス燃焼装置を燃焼器として用いることが提案されている。例えば、この装置が、従来のタービンエンジンの燃焼器に取って変わる可能性もある。そのような提案されたハイブリッドタービンエンジンは、特許文献５および６に記載されている。
米国特許第５，３５３，５８８号明細書 米国特許第５，８７３，２４０号明細書 米国特許第５，９０１，５５０号明細書 米国特許第６，００３，３０１号明細書 米国特許第３，４１７，５６４号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１２３５８３Ａ１号明細書
本発明の一つの態様は、燃焼用導管の円形状の列を有するパルス燃焼装置に関する。各導管は、上流側入口から下流側出口へと延びる壁部表面を備える。少なくとも１つのバルブは、推進剤の少なくとも第１のガス成分を燃焼用導管入口に導入するように配置されている。装置は、出口端部部材を備える。列および出口端部部材は、互いに対して少なくとも第１の方向に相対回転可能である。出口端部部材に対して列が回転する際に、第２の導管において推進剤の燃焼が始まるように、少なくとも第１の導管から少なくとも第２の導管に燃焼生成物を方向付ける手段が、少なくとも部分的に出口端部部材に設けられる。
１つまたは複数の実施態様においては、出口端部部材は実質的に固定されて、列が回転してもよい。別の実施例においては、列が実質的に固定され、出口端部部材が回転してもよい。手段は、出口端部部材を貫通する通路を備えていてもよい。出口端部部材は、イグナイタをさらに備えていてもよい。出口端部部材は、起動用推進剤および補足的な推進剤の少なくとも一方を導入する手段をさらに備えてもよい。装置は、ガスタービンエンジンの燃焼器として用いられる。入口バルブは、出口端部部材に対して回転しない入口端部部材から構成されていてもよい。
図１では、長手方向の中心軸５００を有するガスタービンエンジン２０が図示されている。例示的なエンジン２０は、上流側から下流側に向かって、ファン部２２、少なくとも１つの圧縮機部分２４、パルス燃焼の燃焼器部分２６およびタービン部２８を備える。例示的な燃焼器２６は、軸５００中心に回転するようにエンジンケース３２内に取り付けられた長手方向に延びる導管３０の円周方向の列（図２参照）を備える（例えば、圧縮機／タービン用スプールまたは独立したフリースプールの一つに取り付けられた回転式構造３４上に支持される）。
図３では、定常運転時の例示的な燃焼器２６の細部がさらに図示されている。例示的な燃焼器の列は、１８個の燃焼器用導管３０を備える（長手方向に方向づけられた円形断面を有するまっすぐな管として図示されている）。円環を区画したような断面を含む他の断面が可能であり、長手方向でない方向およびまっすぐでない形態であってもよい。回転方向は、符号５０６で示されている。サイクルにおける例示的な地点での導管の位置は、それぞれ３０Ａ〜３０Ｒで示されている。例示的な導管３０の各々は、上流側入口３６および下流側出口３８を備える。参照を簡略化するため、導管は、図示された位置に対応する参照数字により表すものとする。図示された時間的な例においては、燃焼生成物のパージ流５０の最後の一部分が、導管３０Ａの出口３８から流出している。バッファガス５２のスラグは、パージ流５０の直後を流れ、導管３０Ａの下流側端部に位置している。推進充填物５４は、入口３６を通る推進充填流５６により運ばれ、バッファスラグ５２の後を流れる。例示的な推進流は、気体状の酸化剤（例えば、空気）および燃料（例えば、気体また液体の炭化水素）を含む。例示的なガスタービンエンジンの実施例においては、空気は圧縮機２４から供給され、燃料は燃料噴射器（図示せず）により供給されてもよい。
図示された時間的な時点においては、隣接する導管３０Ｂは、相対的に回転しない燃焼器の下流側部材６０の上流側の面５８の前を通過してちょうど出口が閉鎖されたところである。閉鎖／閉塞した時点では、一部または全てのバッファスラグ５２は、導管の出口から既に流出している。バッファスラグ５２は、充填物５４が燃焼ガスに接触することで早期点火しないように防いでいる。出口ポートが閉鎖することにより、充填物の圧縮された部分６３を残して圧縮波６２が充填物５４を通って前方／上流側方向５１０に送られる。
この圧縮プロセスは、導管３０Ｃで概略的に示された位置まで続く。その後のある位置（例えば、導管３０Ｄで示した位置）においては、導管出口は、部材６０におけるポート６４にさらされる。ポート６４は、通路６６の出口ポートである。通路６６は、入口ポート６８を有する。入口ポート６８は、その後に位置する１つまたは複数の導管の出口に対して開いている（さらされる）ように配置されている（例えば、導管３０Ｇで概略的に示した位置）。さらに以下で詳細に説明するように、前述した後の位置に導管が到達するまでには、燃焼は既に始まっている。したがって、そのような導管からの燃焼生成物７１の流れ７０は、入口ポート６８から通路６６を通る。この高温の燃焼生成物が出口ポート６４から流出する際、燃焼生成物は圧縮波６２後方の充填物５４の圧縮部分６３と接触する。高温の燃焼生成物により、圧縮された充填物６３の燃焼が生じ、デトネーション（爆ごう）が生じるとともに、デトネーション（爆ごう）波７２が圧縮波６２の後を前方／上流側に送られる（例えば、導管３０Ｅ，３０Ｆおよび３０Ｇに示したように）。デトネーション波７２の後には、新たに生じた燃焼生成物７１が残る。
例示的なエンジンにおいては、部材６０は、通路入口６８と通路出口６４との間に遮断壁部７４を備える。これにより、導管が通路出口６４と通路入口６８との間を通過する際に、導管出口から燃焼ガスが漏出しないようになっている。また、この遮断壁部により、デトネーション波７２が方向付けられる。
相対的に回転しない燃焼器の上流側部材８２の主要部の表面８０は、圧縮プロセスの大部分の間、導管入口３６を塞ぐように配置されている。例示的な実施態様においては、表面８０（下流側面）は、圧縮波６２が近づいたときに、充填物５４が上流側で爆発しないように入口３６を塞ぐように配置されている。また、表面８０は、その後の高圧力の区間の間に、燃焼生成物が上流側から流出しないように配置されている。表面８０の例示的な円周方向の範囲は、４０°〜１６０°（より詳細には９０°〜１２０°）である。
例示的な燃焼器においては、導管出口が通路入口６８にさらされた後、導管の入口および出口の両方が塞がれる短い区間が導管３０Ｈで示されている。別の実施例の形態では、この区間がなくてもよい。その直後（例えば、導管３０Ｉで示したように）、導管出口は面５８を通過して出口が開放される。次いで、高圧力の燃焼ガスのブローダウンフロー８４が、導管出口から流出する。このブローダウンの区間は、（例えば、導管３０Ｊ，３０Ｋおよび３０Ｌに亘って）続く。
ブローダウン区間の後、入口バッファフロー９０により燃焼ガス７１の上流側にバッファスラグ５２が生じるバッファ充填区間が続く。例示的なバッファフロー９０は、燃料が混合されていない空気であってもよい。例示的な燃焼器においては、このバッファフロー９０は、上流側部材８２の細いセグメント９２により流れ５６から隔てられている（これにより、バッファフロー９０が通過するポートが画定される）。別の実施例の形態は、そのようなセグメント９２を備えず、バッファフロー９０を比較的燃料が混合されていない状態に保つように配置された噴射器に依存してもよい。その後、いくつかのさらなる段階を経て（例えば、導管３０Ｍ，３０Ｎ，３０Ｏ，３０Ｐ，３０Ｑ，３０Ｒと続き、最終的に３０Ａへと戻る）、導管は推進剤で再装填される。
起動時においては、エンジンスプールの回転は、従来の空圧駆動または電気駆動により開始されてもよい。起動条件では、流れ７０を欠く場合がある。したがって、付加的な起動手段を備えてもよい。一実施例として、図３において、バルブ１０４，１０６によりそれぞれ制御されるとともに、通路６６まで延びる燃料ライン１００および酸化剤ライン１０２が図示されている。これらのライン１００，１０２によって、起動時における量の燃料および酸化剤が通路６６に導かれ、その後、燃料および酸化剤は起動時の燃焼生成物流を生じさせるようにイグナイタ１０８（例えば、スパークイグナイタ）により点火される。
燃料ライン１００および酸化剤ライン１０２（または他の独立したライン）は、定常作動時ないし過渡条件時の間に、補足的な量の燃料ないし酸化剤を導くように用いられてもよい。状況に応じて、そのような補足的な量の燃料ないし酸化剤は、希薄、濃厚または理論量のいずれであってもよい。
例示的な燃焼器の作動は、セルフタイミング（自動時間調節）型の傾向にある。しかし、付加的なタイミング制御を設けてもよい。例えば、上流側部材８２および下流側部材６０の相対的な位相を変えるような手段を設けても良い（例えば、軸５００を中心に前記部材の方向的な位相を移動させることにより）。別の実施例においては、これらの部材の特性を個々に変える手段を設けてもよい。例えば、下流側部材６０に複数の通路を備えていてもよく、単一の通路が、個々にまたは一緒に選択的に開閉する複数の出口や入口を備えていてもよい。同様に、燃料を含有するフロー５６および燃料を含有しないフロー９０の円周方向の範囲ならびに位置のように、上流側部材８２により設けられた遮断部分の円周方向の範囲を調節可能にしてもよい。
別の実施例においては、導管の列を固定し、少なくとも下流側部材６０を回転させてもよい。下流側部材６０と同時に回転する上流側部材８２は、図３で前述したものと同様に作動する。しかし、上流側部材と導管との間のバルブ作用を、各導管の入口端部における別個のバルブで容易に置き換えることができる。そのような別個のバルブは、燃焼プロセスのタイミング制御においてより優れた柔軟性をもたらす。
本発明の１つまたは複数の実施例の説明がなされた。しかし、本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の変更がなされることを理解されたい。例えば、図示された基本的な構造であっても、性能に影響するように多くのパラメータを用いてもよい。したがって、他の実施例は添付の特許請求の範囲の範囲内にある。
ガスタービンエンジンの概略側面図。 線２−２で切断した図１のエンジンの燃焼器の断面図。 ケースを外した状態で図１のエンジンの燃焼器を部分的に概略的に示した長手方向の周縁断面図。
符号の説明
２０…ガスタービンエンジン
２２…ファン
２４…圧縮機
２６…パルス燃焼用燃焼器
２８…タービン
３０…導管
３２…エンジンケース
３４…回転式構造
３６…上流側入口
３８…下流側出口
５０…パージ流
５２…バッファガス
５４…推進充填物
５６…推進充填流
５８…上流側面
６０…下流側部材
６２…圧縮波
６３…充填物の圧縮部分
６４…出口ポート
６６…通路
６８…入口ポート
７０…燃焼生成物の流れ
７１…燃焼生成物
７２…デトネーション波
８０…表面
８２…上流側部材
８４…ブローダウンフロー
９０…入口バッファフロー
９２…セグメント
１００…燃料ライン
１０２…酸化剤ライン
１０４，１０６…バルブ
１０８…イグナイタ
５００…中心軸
５０６…回転方向
５１０…前方／上流側方向

Claims (18)

  1. 上流側入口から下流側出口へと延びている壁部表面をそれぞれ備える燃焼用導管の円形状の列と、
    前記燃焼用導管の入口に少なくとも第１の気体を導入するように配置された少なくとも１つの入口バルブと、
    出口端部部材と、
    を備え、
    前記列および前記出口端部部材が、互いに対して少なくとも第１の方向に相対回転可能であり、
    前記出口端部部材が、第１の範囲の位置における１つまたは複数の前記導管から、第２の範囲の位置における１つまたは複数の前記導管へと燃焼ガスを方向付けるように配置された通路を備えることを特徴とするパルス燃焼装置。
  2. 前記出口端部部材が、実質的に固定され、前記列が、単一の長手方向の中心軸を中心に回転することを特徴とする請求項１に記載のパルス燃焼装置。
  3. 前記入口バルブが、回転の一部分の間に、前記導管の入口ポートを遮断するように配置されたセグメント状の環状壁部表面を備え、前記一部分が、４０°〜１６０°であることを特徴とする請求項２に記載のパルス燃焼装置。
  4. 前記出口端部部材が、前記通路において作用端部を有するイグナイタをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス燃焼装置。
  5. 前記出口端部部材が、起動用推進剤および補足的推進剤の少なくとも一方を導く少なくとも１つのポートをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のパルス燃焼装置。
  6. 燃焼用導管の前記円形状の列が、１０〜５０個の導管からなることを特徴とする請求項１に記載のパルス燃焼装置。
  7. 燃焼用導管の前記円形状の列が、１２〜２５個の導管からなることを特徴とする請求項１に記載のパルス燃焼装置。
  8. 上流側入口から下流側出口へと延びている壁部表面をそれぞれ備える燃焼用導管の円形状の列と、
    前記燃焼用導管入口に推進剤の少なくとも第１の気体成分を導入するように配置された少なくとも１つの入口バルブと、
    出口端部部材と、
    前記列が前記出口端部部材に対して回転する際に、第２の導管において前記推進剤の燃焼を開始するように、少なくとも第１の前記導管から少なくとも前記第２の前記導管へと燃焼生成物を方向付けるとともに、少なくとも部分的に前記出口端部部材に位置する手段と、を備え、
    前記列および前記出口端部部材が、互いに対して少なくとも第１の方向に相対回転可能であることを特徴とするパルス燃焼装置。
  9. 前記出口端部部材が実質的に固定され、前記列が回転することを特徴とする請求項８に記載のパルス燃焼装置。
  10. 前記列が実質的に固定され、前記出口端部部材が回転することを特徴とする請求項８に記載のパルス燃焼装置。
  11. 前記手段が、前記出口端部部材内に通路を備えることを特徴とする請求項８に記載のパルス燃焼装置。
  12. 前記出口端部部材が、イグナイタをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のパルス燃焼装置。
  13. 前記出口端部部材が、起動用推進剤および補足的な推進剤の少なくとも一方を導く手段をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のパルス燃焼装置。
  14. タービンエンジンの燃焼器として用いられることを特徴とする請求項８に記載のパルス燃焼装置。
  15. 壁部表面と、上流側入口と、下流側出口と、をそれぞれ備えた複数の燃焼器導管を有するパルス燃焼装置を作動させる方法であって、
    前記方法が、各導管に対して連続的かつ周期的に、
    前記導管に推進剤を導くステップと、
    前記導管において前記推進剤の燃焼が始まるように、前記複数の導管の他の導管から前記導管に燃焼ガスを排出するステップと、
    を含むパルス燃焼装置作動方法。
  16. 前記燃焼ガスを排出するステップが、前記他の導管の出口から前記導管の出口を通して前記導管に前記燃焼ガスを方向付けることを含み、
    前記推進剤を導くステップが、前記導管の入口を通すことを特徴とする請求項１５に記載のパルス燃焼装置作動方法。
  17. 前記燃焼ガスを方向付けることが、前記他の導管の入口を塞ぐことを含むことを特徴とする請求項１６に記載のパルス燃焼装置作動方法。
  18. 前記燃焼ガスを方向付けることが、前記導管の出口を開放することを含むことを特徴とする請求項１６に記載のパルス燃焼装置作動方法。
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