JP2007016608A

JP2007016608A - パルスデトネーション回転駆動装置

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Publication number: JP2007016608A
Application number: JP2005195843A
Authority: JP
Inventors: Motohide Murayama; 元英村山; Hidekazu Kodama; 秀和児玉
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2007-01-25

Abstract

【課題】例えば１０〜１００ｍｓのインターバルで非常に短時間（例えば２〜３ｍｓ）発生する圧力パルス波（パルスデトネーション推力）から高い熱効率で回転駆動力を取り出すことができるパルスデトネーション回転駆動装置を提供する。
【解決手段】パルス排気５を周期的に噴射するパルスデトネーションエンジン１２と、パルス排気によるパルス流７から回転駆動力を取り出すパルス推力変換装置１６とを備える。パルス推力変換装置１６は、回転軸を中心に回転する円板状ロータ１７と、ロータの外周部に設けられた複数の衝動型動翼１８と、ロータ及び動翼をわずかな隙間を隔てて囲むケーシング１９とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルスデトネーションによるパルスデトネーション推力から回転駆動力を取り出すパルスデトネーション回転駆動装置に関する。

デトネーションとは、通常の燃焼であるデフラグレーションに対する語であり、通常の燃焼の数十倍から数千倍の速度で爆発的に燃焼し、燃焼時に生じる衝撃波と燃焼波が合体して超音速で伝播する燃焼波を意味する。以下、この超音速燃焼波を「デトネーション波」と呼ぶ。
また、パルスデトネーションエンジン（ＰｕｌｓｅＤｅｔｏｎａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅ：以下、「ＰＤＥ」という）は、燃焼器内でデトネーションをパルス状に間欠的に発生させ、燃焼ガスが発生する熱と運動エネルギーの両方を高い熱効率で利用するエンジンである。

パルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）は、構造が簡単で効率が高いことから、１９４０年代から継続して研究が行われており、特に近年、実用化に向けて多くの研究結果が報告されている（例えば非特許文献１〜３）。

また、パルスデトネーションを利用したジェットエンジンも既に提案されている（例えば特許文献１、２）。

非特許文献１は、パルスデトネーションエンジンの始動と基本性能に関する研究報告であり、デトネーション管の充填率と推力及び比推力との関係が開示されている。
この研究により、充填率を１００％以上にしても推力は増大しないが、逆に充填率を下げると比推力が増大することが報告されている。

非特許文献２は、パルスデトネーションエンジンとタービンの組み合せに関する研究報告であり、自動車用のターボチャージャーをデトネーション管に取り付け、ターボチャージャーのコンプレッサとタービンをパルスデトネーションエンジンのパルス流の高効率化に利用したものである。
この研究により、最大６．８％の熱効率が達成されている。

非特許文献３は、パルスデトネーションエンジンとエジェクターの組み合せに関する研究報告であり、エジェクターを用いることにより推力を大幅に増大できることが報告されている。

特許文献１の装置は、図５に示すように、ターボファンエンジン５１が、エンジンの内部に温度上昇及び圧力上昇を生じさせエンジンからの推力を発生させるパルスデトネーション装置５２を含むものである。

特許文献２の装置は、図６に示すように、パルスデトネーションシステム６１がコアエンジン６２の下流に位置し、ガスタービンエンジン内の温度及び圧力を上昇させてエンジン推力を増加させるように構成されたものである。

ＦｒｅｄＳｃｈａｕｅｒ，ｅｔａｌ，"ＤｅｔｏｎａｔｉｏｎＩｎｉｔｉａｔｉｏｎＳｔｕｄｉｅｓａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＲｅｓｕｌｔｓｆｏｒＰｕｌｓｅｄＤｅｔｏｎａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＡＩＡＡ２００１−１１２９，３９ｓｔＡＩＡＡＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅｓＭｅｅｔｉｎｇ＆Ｅｘｈｉｂｉｔ，８−１１Ｊａｎｕａｒｙ２００１ＦｒｅｄＳｃｈａｕｅｒ，ｅｔａｌ，"ＩＮＴＥＲＡＣＴＩＯＮＯＦＡＰＵＬＳＥＤＤＥＴＯＮＡＴＩＯＮＥＮＧＩＮＥＷＩＴＨＡＴＵＲＢＩＮＥ"，ＡＩＡＡ２００３−０８９１，４１ｓｔＡＩＡＡＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅｓＭｅｅｔｉｎｇ＆Ｅｘｈｉｂｉｔ，６−９Ｊａｎｕａｒｙ２００３Ａ．Ｒａｓｈｅｅｄ，ｅｔａｌ，"ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＡＮＤＮＵＭＥＲＩＣＡＬＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮＳＯＦＥＪＥＣＴＯＲＳＦＯＲＰＤＥＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ"，ＡＩＡＡ２００３−４９７１，３９ｓｔＡＩＡＡ／ＡＳＭＥ／ＳＡＥ／ＡＳＥＥＪｏｉｎｔＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄＥｘｈｉｂｉｔ，２１−２３Ｊｕｌｙ２００３

特開２００１−３５５５１５号公報、「複合サイクル・パルスデトネーション・タービンエンジン」特開２００４−２０４８４６号公報、「ガスタービンエンジン推力を発生するための方法及び装置」

上述したように、パルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）は、高い熱効率が期待されるエンジンサイクルであるが、その間欠的な作動から出力を得る適当な手段がなかった。
すなわちパルスデトネーションエンジンが例えば１０〜１００Ｈｚで作動すると、その排気ガスによるパルスデトネーション推力も１０〜１００ｍｓのインターバルで非常に短時間（例えば２〜３ｍｓ）の圧力パルス波を発生する。しかし既存のタービンではこのパルス作動に対応できず、そのためタービン効率が低くなり十分な出力をとれない問題点があった。
例えば、上述した非特許文献２のターボチャージャーを用いた試験では、最大６．８％の熱効率しか得られていない。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、例えば１０〜１００ｍｓのインターバルで非常に短時間（例えば２〜３ｍｓ）発生する圧力パルス波（パルスデトネーション推力）から高い熱効率で回転駆動力を取り出すことができるパルスデトネーション回転駆動装置を提供することにある。

本発明によれば、内部でデトネーションを周期的に繰り返しパルス排気を下流に周期的に噴射するパルスデトネーションエンジンと、
該パルスデトネーションエンジンの下流側に設けられ前記パルス排気によるパルス流から回転駆動力を取り出すパルス推力変換装置とを備え、
該パルス推力変換装置は、回転軸を中心に回転する円板状ロータと、該ロータの外周部に周方向に間隔を隔てて設けられた複数の衝動型動翼と、ロータ及び動翼をわずかな隙間を隔てて囲むケーシングとを有し、
該ケーシングは、前記パルス流を衝動型動翼に向けて案内するノズルと、パルス流を外部に排気する排気ダクトとを有する、ことを特徴とするパルスデトネーション回転駆動装置が提供される。

前記衝動型動翼は、ペルトン水車型の動翼である、ことが好ましい。
また、前記パルスデトネーションエンジンの下流側に設けられ前記パルス排気により外気を導入して外気とパルス排気が混合したパルス流を形成するエジェクター装置を備える、ことが好ましい。

また本発明によれば、回転軸を中心に回転し空気を加圧して半径方向外方に吐出する羽根車と、
該羽根車を囲み羽根車と一体的に回転し、外部から前記空気を導入する空気導入口と加圧された加圧空気を吐出する加圧空気吐出口とを有するケーシングと、
該ケーシングの外周部に取り付けられ、内部でデトネーションを周期的に繰り返しパルス排気流を下流に周期的に噴射する複数のパルスデトネーションエンジンと、を備え、
前記各パルスデトネーションエンジンは、前記ケーシングの外周部に取り付けられた円弧状のデトネーション管を有し、
該デトネーション管の上流側は前記加圧空気吐出口と連通し、下流端は前記パルス排気流の反力によりケーシングを回転させる方向に向けられている、ことを特徴とするパルスデトネーション回転駆動装置が提供される。

上記第１の発明によれば、パルス推力変換装置が、複数の衝動型動翼（例えばペルトン水車型の動翼）を有し、ケーシングのノズルでパルス流を衝動型動翼に向けて案内するので、パルスデトネーションエンジンによるパルス流の推力を円板状ロータの回転運動に変換しパルス流から回転駆動力を取り出すことができる。
また、パルスデトネーションエンジンのパルス排気流で作動するエジェクター装置により、外気を導入して外気とパルス排気が混合したパルス流を形成するので、パルス流の総流量を増大させ、その推力を増加させることができる。
さらに、この装置の熱効率は、少なくとも２０％以上に達することが試算により確認された。

また、第２の発明によれば、羽根車とケーシングの回転により空気導入口を介して外部から空気を導入し、加圧された加圧空気を加圧空気吐出口から吐出し、これをデトネーション管の上流側に供給するので、空気流路の圧縮効果が利用でき、これにより比推力をさらに高め、高い熱効率が達成可能となる。
またデトネーション管の下流端がパルス排気流の反力によりケーシングを回転させる方向に向けられているので、パルス排気流の推力を羽根車とケーシングの回転運動に変換しパルス流から回転駆動力を取り出すことができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、パルスデトネーションエンジンの作動説明図であり、（１）〜（８）は、パルスデトネーションの１サイクルを順に示している。この図において、１は、一端が閉じた中空円筒形のデトネーション管であり、内部でデトネーションが発生し、開口端から高速のパルス排気流を噴出するようになっている。

図１の（１）において、一定の圧力Ｐ１（例えば常圧）で充填された燃料・酸化剤混合ガス２に点火すると、内部で高圧Ｐ３と共にデトネーション波３が発生し（２）、デトネーション波は、希薄波４と共に開口端に向けて高速伝播し、高速のパルス排気流５を噴出する。
次いで、希薄波後面が開口端まで伝播し（３）、希薄波後面が上流側に伝播し（４）、内部が希薄波となり（５）、内部ガスが排気され（６）、Ｐ１より低い低圧となる（７）。
次いで、燃料・酸化剤混合ガスが一定の圧力Ｐ１（例えば常圧）で再充填され（８）、（１）に戻る。

上述したデトネーション管１は、例えば直径３０〜１００ｍｍ、長さ１ｍ前後であり、１０〜１００Ｈｚで作動し、約９００ｍ／ｓのパルス排気流５を噴出することが実験的に確認されている。なお、必要に応じてデトネーション管１に空気及び燃料を供給する配管やバルブ等を備える。

図２は、本発明のパルスデトネーション回転駆動装置の第１実施形態図である。この図において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図であり、いずれも内部構造を模式的に示している。

この図において、本発明のパルスデトネーション回転駆動装置１０は、パルスデトネーションエンジン１２、エジェクター装置１４、及びパルス推力変換装置１６を備える。

パルスデトネーションエンジン１２は、内部でデトネーションを周期的に繰り返し、パルス排気流５を下流に周期的に噴射する。このパルスデトネーションエンジン１２は、デトネーション管１２aを有し、かつデトネーション管１２aに空気及び燃料を供給する配管やバルブ等（図示せず）を備える。

エジェクター装置１４は、パルスデトネーションエンジン１２の下流側（図で左側）に設けられた中空円筒形状部材である。中空円筒形状部材の上流側（図で右側）は、パルスデトネーションエンジン１２の外表面から隙間を隔てており、パルス排気流５により内部圧力を下げて、この隙間から外気６（空気）を導入し、外気６とパルス排気流５が混合したパルス流７を形成するようになっている。
エジェクター装置１４の寸法、すなわち長さＬと直径Ｄの比率Ｌ／Ｄは、パルス流７の流量と速度を最適化するように設定するのがよい。例えば、非特許文献３は、比率Ｌ／Ｄが１〜８の範囲において、推力が約２０％まで増大できることを報告している。

パルス推力変換装置１６は、エジェクター装置１４の下流側（図で左側）に設けられ、パルス流７から回転駆動力を取り出す機能を有する。
この例において、パルス推力変換装置１６は、ロータ１７、衝動型動翼１８およびケーシング１９を有する。
ロータ１７は、円板状部材であり、軸受で軸心を中心に回転可能に支持された回転軸１７ａに一体的に連結され、回転軸１７ａの軸心を中心に回転する。この回転軸１７ａは発電機１１に直結又は減速機を介して連結され、発電機１１を回転駆動して発電するようになっている。
なお、発電機１１の代わりにその他の回転装置、例えば、ポンプ、圧縮機等を駆動してもよい。
衝動型動翼１８は、この例ではペルトン水車型の動翼であり、ロータ１７の外周部に周方向に間隔を隔てて複数設けられている。衝動型動翼１８の反動度は、０〜０．５の範囲で、高い効率が得られるように設定するのがよい。

ケーシング１９は、ロータ１７及び動翼１８を、わずかな隙間を隔てて囲む。またこのケーシング１９は、パルス流７を衝動型動翼１８に向けて案内するノズル１９ａと、パルス流７を外部に排気する排気ダクト１９ｂとを有する。
ノズル１９ａは、この例では断面変化のない中空円筒形であるが、パルス流７の速度及び圧力を最適化するように、任意の形状（先細、先拡がり、又は中間にスロートを有するノズル）とすることができる。
また、排気ダクト１９ｂは、図示しない排気用の煙突（スタック）に連通し、煙突の通風力により効果的に排気するようになっている。

上述した本発明の構成によれば、パルスデトネーションエンジン１２のパルス排気流５で作動するエジェクター装置１４により、外気６を導入して外気６とパルス排気５が混合したパルス流７を形成するので、パルス流７の総流量を増大させ、その推力を増加させることができる。
また、パルス推力変換装置１６が、複数の衝動型動翼１８（例えばペルトン水車型の動翼）を有し、ケーシングのノズル１９ａでパルス流７を衝動型動翼１８に向けて案内するので、パルス流７の推力を円板状ロータ１７の回転運動に変換しパルス流から回転駆動力を取り出すことができる。

図３は、本発明のデトネーション管内の圧力特性例である。この例は、内径５ｃｍ（断面積１９．６ｃｍ^２）、長さ１００ｃｍのデトネーション管で１０Ｈｚのデトネーションを周期的に繰り返した場合の、デトネーション管上流端の内部圧である。
この図において、１０Ｈｚ（周期１００ｍｓ）のパルス圧は、有効圧力６．７ａｔａ（約６７Ｎ／ｃｍ^２）、持続時間２．８ｍｓであり、デトネーション管が受ける平均推力Ｆは、Ｆ＝１９．６ｃｍ^２×６７Ｎ／ｃｍ^２×２．８ｍｓ／１００ｍｓ＝３６．８Ｎとなる。
この例で、燃料発熱量８５．３ｋＷであり、パルス推力変換装置１６の周速を５００ｍ／ｓとすると、約１８．４ｋＷの出力が得られ熱効率は約２２％と試算される。

また、非特許文献１の報告から、充填率を５０％にした場合の比推力は約８割増大するので、この効果とエジェクターで推力が増加することも加味すると、試算により熱効率を４０％以上に高めることができる。
従って、本発明の構成により、例えば１０〜１００ｍｓのインターバルで非常に短時間（例えば２〜３ｍｓ）発生する圧力パルス波（パルスデトネーション推力）から高い熱効率で回転駆動力を取り出すことができる。

図４は、本発明のパルスデトネーション回転駆動装置の第２実施形態図である。この図において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図であり、いずれも内部構造を模式的に示している。

この図において、本発明のパルスデトネーション回転駆動装置２０は、パルスデトネーションエンジン２２、羽根車２４、およびケーシング２６を備える。

パルスデトネーションエンジン２２は、内部でデトネーションを周期的に繰り返し、パルス排気５を下流に周期的に噴射する。このパルスデトネーションエンジン２２は、複数（この例で２本）の円弧状のデトネーション管２２ａを有する。

羽根車２４は、回転軸２４ａを中心に回転し、空気を加圧して半径方向外方に吐出する。

ケーシング２６は、羽根車２４を囲みこの羽根車と一体的に回転する。羽根車２４とケーシング２６は、回転軸２５を介して発電機１１に直結し、或いはさらに減速機を介して発電機１１に連結され、発電機１１を回転駆動して発電するようになっている。
なお、発電機１１の代わりにその他の回転装置、例えば、ポンプ、圧縮機等を駆動してもよい。

また、ケーシング２６は、外部から空気を導入する空気導入口２６ａと加圧された加圧空気を吐出する加圧空気吐出口２６ｂとを有する。
円弧状のデトネーション管２２ａは、ケーシング２６の外周部に取り付けられている。また、デトネーション管２２ａの上流側は加圧空気吐出口２６ｂと連通し、下流端はパルス排気流５の反力によりケーシング２６を回転させる方向に向けられている。

さらに空気６及び燃料８を供給する配管やバルブ等（図示せず）は、この例では、空気導入口２６ａの上流側に設けられている。
また、デトネーション管２２ａの上流側には、点火栓２３が設けられている。

上述した、本発明の構成によれば、羽根車２４とケーシング２６の回転により空気導入口２６ａを介して外部から空気６を導入し、加圧された加圧空気を加圧空気吐出口から吐出し、これをデトネーション管２２ａの上流側に供給するので、空気流路の圧縮効果が利用でき、さらに比推力を高め、高い熱効率が可能となる。
またデトネーション管２２ａの下流端がパルス排気流５の反力によりケーシングを回転させる方向（図４Ａで左回転）に向けられているので、パルス排気流５の推力を羽根車とケーシングの回転運動に変換しパルス排気流５から回転駆動力を取り出すことができる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

パルスデトネーションエンジンの作動説明図である。本発明のパルスデトネーション回転駆動装置の第１実施形態図である。本発明のデトネーション管内の圧力特性例である。本発明のパルスデトネーション回転駆動装置の第２実施形態図である。特許文献１の「複合サイクル・パルスデトネーション・タービンエンジン」の構成図である。特許文献２の「パルスデトネーション・タービンエンジン」の構成図である。

符号の説明

１デトネーション管、２燃料・酸化剤混合ガス、
３デトネーション波、４希薄波、５パルス排気流、
６外気（空気）、７パルス流、８燃料、
１０パルスデトネーション回転駆動装置、
１１発電機、１２パルスデトネーションエンジン、１２ａデトネーション管、
１４エジェクター装置、１６パルス推力変換装置、
１７ロータ、１７ａ回転軸、
１８衝動型動翼（ペルトン水車型の動翼）、
１９ケーシング、１９ａノズル、１９ｂ排気ダクト、
２０パルスデトネーション回転駆動装置、
２２パルスデトネーションエンジン、２２ａデトネーション管、
２３点火栓、２４羽根車、２４ａ回転軸、
２６ケーシング、２６ａ空気導入口、２６ｂ加圧空気吐出口

Claims

内部でデトネーションを周期的に繰り返しパルス排気を下流に周期的に噴射するパルスデトネーションエンジンと、
該パルスデトネーションエンジンの下流側に設けられ前記パルス排気によるパルス流から回転駆動力を取り出すパルス推力変換装置とを備え、
該パルス推力変換装置は、回転軸を中心に回転する円板状ロータと、該ロータの外周部に周方向に間隔を隔てて設けられた複数の衝動型動翼と、ロータ及び動翼をわずかな隙間を隔てて囲むケーシングとを有し、
該ケーシングは、前記パルス流を衝動型動翼に向けて案内するノズルと、パルス流を外部に排気する排気ダクトとを有する、ことを特徴とするパルスデトネーション回転駆動装置。
前記衝動型動翼は、ペルトン水車型の動翼である、ことを特徴とする請求項１に記載のパルスデトネーション回転駆動装置。
前記パルスデトネーションエンジンの下流側に設けられ前記パルス排気により外気を導入して外気とパルス排気が混合したパルス流を形成するエジェクター装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のパルスデトネーション回転駆動装置。
回転軸を中心に回転し空気を加圧して半径方向外方に吐出する羽根車と、
該羽根車を囲み羽根車と一体的に回転し、外部から前記空気を導入する空気導入口と加圧された加圧空気を吐出する加圧空気吐出口とを有するケーシングと、
該ケーシングの外周部に取り付けられ、内部でデトネーションを周期的に繰り返しパルス排気流を下流に周期的に噴射する複数のパルスデトネーションエンジンと、を備え、
前記各パルスデトネーションエンジンは、前記ケーシングの外周部に取り付けられた円弧状のデトネーション管を有し、
該デトネーション管の上流側は前記加圧空気吐出口と連通し、下流端は前記パルス排気流の反力によりケーシングを回転させる方向に向けられている、ことを特徴とするパルスデトネーション回転駆動装置。