JP2010223221A - 共鳴離調させるようになった回転空気弁発火パターン - Google Patents

共鳴離調させるようになった回転空気弁発火パターン Download PDF

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Abstract

【課題】エンジンを提供する。
【解決手段】本エンジン(100)は、圧縮機段(101)と、複数のパルスデトネーション燃焼器(103)と、該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する複数の吸気ポート(104)を有する回転吸気弁構造体(105)とを含む。パルスデトネーション燃焼器の下流には、タービン段(111)が配置される。さらに、吸気ポートに対するパルスデトネーション燃焼器の比率が非整数である。
【選択図】 図1

Description

本発明は、パルスデトネーションシステムに関し、より具体的には、共鳴離調させるようになった回転空気弁発火パターンに関する。
パルスデトネーション燃焼器(PDC)及びパルスデトネーションエンジン(PDE)の最近の発達に伴って、航空機エンジンにおけるような及び/又は付加的な推力/推進力を発生するための手段のような実用的用途においてPDC/PDEを使用するための様々な努力が為されてきている。以下の説明は、「パルスデトネーション燃焼器」(つまり、PDC)を対象とするものであることに留意されたい。しかしながら、その用語の使用は、パルスデトネーションエンジン及びそれに類したものも含むことを意図している。
PDCの最近の発達によりまたこれらの装置の実用的応用及び用途を見出そうとする関心の高まりにより、商業的にかつ運転的に実現可能なプラットフォーム内にPDCを実装することへの関心が増大してきている。さらに、単一のエンジン又はプラットフォーム内において複数PDCを使用して運転性能全体を高めるようにすることへの関心が増大している。しかしならが、それらの作動の特性の故に、複数PDCの実用的使用は、それらが特に下流構成要素に対して与える作動上の問題の幾つかによって制限されることが多い。つまり、複数PDCを使用する現在の実施では、PDCを順次の(連続的)発火パターンで発火させ(又は、デトネーションを発生させ)ている。
例えば、複数のPDCを円形パターンで配置している場合には、これらPDCは、時計回りの方向に連続的に発火される。しかしながら、PDCの連続的発火は、幾つかの理由で不利なものとなるおそれがある。
具体的には、複数PDCの連続的発火は、エンジンの下流構成要素内において共鳴(共振)を発生させることになる可能性がある。この共鳴の発生は、下流構成要素に高サイクル疲労破壊を生じさせるおそれがある。さらに、1つの軸外PDCチューブが同時に発火した場合に、そのことにより、大きな流れ非対称が発生し、この非対称流れが、ノズルなどを通って流れる時に下流で損失を引き起こすおそれがある。加えて、下流構成要素にかかる荷重が、非対称になり、従ってそのような荷重を相殺する付加的な構造及び重量が必要となるおそれがある。
米国特許第6,637,187号公報
従って、あらゆる共鳴(共振)周波数を離調させるようにPDCを発火させる方法の改善に対する必要性が存在する。
本発明の実施形態では、エンジンは、複数のパルスデトネーション燃焼器と、該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する複数の吸気ポートを有する回転吸気弁構造体とを含む。吸気ポートに対するパルスデトネーション燃焼器の比率は、非整数である。
本明細書で使用する場合に、「パルスデトネーション燃焼器(PDC)」(PDEも含む)というのは、装置内における一連の反復デトネーション又は擬似デトネーションによる圧力上昇及び速度増大の両方を発生させるあらゆる装置又はシステムを意味すると理解されたい。「擬似デトネーション」は、デフラグレーション波によって発生する圧力上昇及び速度増大よりも高い圧力上昇及び速度増大を発生させる超音速乱流燃焼プロセスである。PDC(及びPDE)の実施形態は、例えば燃料/空気混合気のような燃料/酸化剤混合物に点火する手段と、その中で点火プロセスによって開始した圧力波面が合体してデトネーション波を形成するデトネーション室とを含む。各デトネーション又は擬似デトネーションは、火花放電又はレーザパルスのような外部点火によって、或いは衝撃集束、自動点火のようなガスダイナミックプロセスによって、或いは別のデトネーション(つまり、クロスファイヤ)によってかのいずれかによって開始される。
本明細書で使用する場合に、「エンジン」というのは、推力及び/又は動力を発生させるために使用するあらゆる装置を意味する。
本発明の利点、性質及び様々な付加的特徴は、幾つかの図において概略的に示す本発明の例示的な実施形態を考察することにより一層完全に明らかになるであろう。
本発明の例示的な実施形態によるエンジンの概略図。 5つのPDCを備えた本発明の例示的な実施形態の概略図。 4つのPDCを備えた本発明の例示的な実施形態の概略図。 5つのPDCを備えた本発明の別の例示的な実施形態の概略図。 8つのPDCを備えた本発明の例示的な実施形態の概略図。 10個のPDCを備えた本発明の例示的な実施形態の概略図。 10個のPDCを備えた本発明のさらに別の例示的な実施形態の概略図。
本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態によるエンジン100を示している。図示するように、エンジン100は、圧縮機段101、複数のPDC103及びタービン段111を含む。圧縮機段101、PDC103及びタービン段111の各々は、従来型のかつ公知の構造及び構成を有することができる。本発明の様々な実施形態は、この点で限定されるものではない。PDCに対して結合されているのは、ノズル109であり、ノズル109は、PDC103からの流れをタービン段111内に導く。図1に示すように、ノズル109は、発散形である。しかしながら、ノズル109は、収束形又は収束−発散形のものとすることができる。さらに、この図示した実施形態では、各PDC103は、それ自体のノズル109に結合される。しかしながら、本発明は、単一のノズル、プレナム及び/又はマニホルド構造体を使用して複数のPDCからの流れをタービン111に導くことができることを意図しているので、この特定の実施形態に限定されるものではない。
PDC103と圧縮機段101との間に位置するのは、吸気弁構造体105を含む吸気システム107である。以下に説明する実施形態に示すように、吸気弁構造体105は、圧縮機段101からの流れがPDC作動のためにPDC103に流入するのを可能にする複数の吸気ポート104を有する回転弁構造体である。吸気システム107は、圧縮機段101からPDC103への流れを可能にしかつ吸気弁構造体105を駆動するプレナム構造体及び/又は駆動機構を含むことができる。本発明は、以下でより詳細に説明する本発明の様々な実施形態を実施するために従来型の公知のかつ使用中のシステムを採用することができるので、吸気システム107の特定の構成及び/又は実施形態に限定されるものではない。
次に図2〜図5に移ると、本発明の様々な実施形態を示している。これらの図示した及び図示していない本発明の様々な実施形態では、タービン段111のような下流の構成要素の共鳴(共振)モードからPDCシステムの固有モードを分離するために、不連続的PDC発火パターンを使用する。それを達成するために、本発明の実施形態は、回転構成と複数の吸気ポート104とを有する吸気弁構造体105を使用して、PDC作動のためにPDC103内への空気及び/又は燃料の流れを可能にする。本発明の例示的な実施形態では、吸気ポート104に対するPDC103の比率(個数の比)は、非整数である。この非整数比率構成を使用することによって、PDCの発火順序は、逆連続的発火パターン(つまり、弁回転の反対方向に順次の(連続的な))か、又は隣接するPDC103が発火順序の間に飛び越されるスキップ発火パターンかのいずれかとなる。スキップパターンでは、発火パターンは、弁回転と同方向となる。これらタイプの発火パターンのいずれも、共鳴離調を生じさせ、従って従来技術によって生じる可能性があった問題が回避される。つまり、下流構成要素(タービン111のような)の共鳴(共振)分離が達成される。
本発明の様々な実施形態の詳細をさらに説明する前に、弁構造体105は、ディスク様吸気弁として図示しているが、本発明は、それを使用することができるが、その特定の実施形態に限定されるものではないことに留意されたい。本発明の様々な実施形態は、吸気弁構造体の1つ又はそれ以上のポート又は入口が、環帯タイプ構成のPDCチューブ配置と連通するか又は別の方法で結合されるその他のタイプの回転弁ジオメトリ及び構成を使用することができる。従って、弁構造体105として平坦なディスクを示しているが、本発明の様々な実施形態は、この構成に限定されるものではない。
この図示した実施形態の作動時に、弁構造体105は、環帯タイプパターンで配置された一群のPDC103の中心軸線に一致する中心軸線の周りで回転する。図示するように、弁構造体105は、複数の吸気ポート104を含む。このことは、図2〜図5の各々で見ることができる。弁構造体105が回転すると、吸気ポート104は、PDC103と「連通(engage)」して、空気/燃料が弁構造体105の上流から(圧縮機段101からなど)ポート104を通ってPDC103内に流入する(PDC103を充填する)ことが可能になる。構造体105が回転すると、ポート104の各々は、回転の間にPDC103と連通した状態になる。
本発明の様々な実施形態と同様に、図2に示す実施形態は、非整数チューブ/ポート比率を有する。つまり、この図示した実施形態は、2つの吸気ポートに対して5つのPDCを有する5/2構成である。従って、比率は、2.5である。この実施形態の作動を次に説明する。
図示するように、PDC103の各々は、番号(#)(1、2、3、4及び5)で特定しており、構造体105は、反時計回り方向に回転している。図2の第1の(左側の)図において、最上部ポート104は、#1PDC103と連通しており、従ってPDC作動のための必要に応じて#1PDCを充填することが可能になる。次に、構造体105が回転し続けると、底部ポート104が#4PDC103と連通して、このPDCを充填することが可能になる。#4PDC103の充填の間に、#1PDCは発火され(つまり、デトネーションを発生し)、また#4PDC103が充填されかつポート104が先に進むと、#4PDC103がデトネーションを発生する。作動時に、構造体105が回転すると、この連鎖が反復され、従って隣接しないPDCが発火されて、共鳴離調を生じることになる。
従って、図2において、PDC103の充填パターンは、#1、4、2、5、3、1…であり、一方、デトネーションパターン又は順序は、#3、1、4、2、5、3…となる。この得られた発火パターンは、隣接しないPDC103が順次に(連続的に)発火されることを保証にする。
図2に示す実施形態は、5つのPDC103を使用しているのを示しているが、この数は、3つに減少させるか、又は比率が非整数のままである限り増加させる(例えば7、9など)ことができる。
ポート104は、円形開口部を有するものとして示しているが、開口部の形状は、PDC103内への流れを最適化するように変更することができることを意図していることに留意されたい。さらに、構造体105上でのポート104の設置及び位置決めは、所望の性能を満たすように図示のもの(互いに180度)から最適化することができる。加えて、構造体105の回転は、反時計回りとして示しているが、回転は、逆にすることができる。
次に図3に移ると、付加的な実施形態300を示している。この実施形態では、4つのPDC103と3つのポート104とが設けられている。従って、チューブ対ポート比率は、1.33である。この実施形態では、PDC103の充填順序は、#1、4、3、2、1、4…であり、また発火順序は、2、1、4、3、2、1…である。従って、この実施形態は、逆順序発火パターンを構成している。つまり、PDC103の発火パターン又は順序は、構造体105の回転と反対の方向に回転する。
図4の実施形態400は、5つのPDC103と3つのポート104とが設けられているので、チューブ対ポート比率が1.67であることを除いて、図2に示す実施形態と同様である。この実施形態では、PDC103の充填順序は、#1、3、5、2、4、1…であり、また発火順序は、4、1、3、5、2、4…である。従って、この実施形態は、星型発火パターンを構成する。つまり、PDC103の発火パターン又は順序は、星型パターンを形成し、また隣接するPDC103は、連続的にはデトネーションを発生しない。
図5の実施形態500は、2.67の比率を有する実施形態を示している。8つのPDC103と3つのポート104とが設けられている。この実施形態では、PDC103の充填順序は、#1、4、7、2、5、8、3、6、1…であり、また発火順序は、6、1、4、7、2、5、8、3、6…である。従って、この実施形態は、共回転星型発火パターンを構成する。つまり、PDC103の発火パターン又は順序は、星型パターンを形成し(隣接するPDC103は連続的にはデトネーションを発生しない)、また発火順序は、構造体105と同じ方向に回転する。
この図示した実施形態に加えて、本発明は、ポート104に対するPDC103の比率が非整数である多くのその他の実施形態を意図している。以下の表は、本発明の意図した付加的な実施形態を示している。
当然のことながら、本発明は、本発明の上記の更なる例示的な実施形態に限定されるものではなく、それら実施形態は、追加の例示的な実施形態を明示することを意図している。理解されるように、本発明は、比率が非整数である場合での1〜4のPDC対ポート比率を意図している。
さらに、本発明は、一度に単一のPDC103のみが発火される/デトネーションを発生する実施形態に限定されるものではない。実際に、本発明の様々な実施形態は、同時に発火される/デトネーションを発生する2つ又はそれ以上のPDC103を有する。そのような実施形態を、図6に示している。
図6の実施形態600では、10個のPDC103(#1〜10)と6つのポート104とが設けられている。図2〜図5に示す実施形態とは異なり、構造体105が回転すると、2つのPDC103が同時に充填され、また2つのPDC103が同時にデトネーションを発生する。これは、2つのポート104が同時にPDC103と連通することによるためである。そのことは、図6の図に見ることができる。従って、この実施形態は、実施形態600の中心線に対して対称な充填を行なう。この図示した実施形態では、充填順序は、1−6、4−9、2−8、5−10、3−7、1−6…であり、またPDC103の発火順序は、3−7、1−6、4−9、2−8、5−10、3−7…である。例えば「1−6」と示す各PDC対の場合では、PDC#1及び#6が同時に充填されるか又は発火されることを意味することに留意されたい。この実施形態は、1つおきのPDC103が充填/発火される反回転発火順序を構成する。
他の構成によっても、図6に示すようなPDC103の同時発火が可能になることに留意されたい。例えば、8つのPDC103及び6つのポート104を有する実施形態では、一度に2つのPDC103の同時充填/発火が可能になることになる。
簡潔に前述したように、PDC103及びポート104の対称分散配置(図2〜図6に示すような)に加えて、ポート104及び/又はPDC103のいずれかを非対称に分散配置して所望の性能又は共鳴離調を達成することができると考えられる。具体的には、図2〜図6の各々に示すように、PDC103及びポート104は、あらゆる2つの隣接するポート104間の又はPDC103間の角度が同じであるように、環帯方式で分散配置される。しかしながら、非対称分散配置では、あらゆる2つの隣接するポート104間及び/又はPDC103間の角度は、あらゆる2つの他の隣接するポート104間及び/又はPDC103間の別の角度とは異なると考えられる。その実施形態は、図7に簡略化して示しており、図7において、吸気弁構造体105は、非対称に分散配置されたポート104を備えた状態で示しており、またPDC103は対称に分散配置されている。明瞭にするために、構造体105は、PDC103の群とは別個に示していることに留意されたい。
当然のことながら、それに代えて、PDC103を非対称に分散配置する一方、ポート104を対称に分散配置することができ、或いはポート104及びPDC103の両方を非対称に分散配置することができる。そのような実施形態では、図2〜図6に関して上述した実施形態とは対照的に、運転時に異なる数のPDC103が異なる時点でデトネーションを発生することになる。つまり、図7に示す実施形態では、PDC103の発火順序が、(4−5−9−10)、(1−6)、(3−4−8−9)、(5−10)、(2−3−7−8)…となることを意図している。従って、PDC103の発火は、4つのPDC103と2つのPDC103との間で交互に起こることになる。従って、そのような性能が望ましい場合には、図7に示すものと同様な実施形態により達成することができる。
以上、航空機及び発電用途に関して本発明を具体的に説明してきたが、本発明は、それらに限定されるものではなくまた本発明の利点が望ましいものであるあらゆる同様なデトネーション/デフラグレーション装置におけるものとすることができることに留意されたい。
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の修正で実施することができることは、当業者には分かるであろう。
100 エンジン
101 圧縮機段
103 パルスデトネーション燃焼器
104 吸気ポート
105 回転吸気弁構造体
107 吸気システム
109 ノズル
111 タービン段
200 非整数のチューブ/ポート比率を有する本発明の実施形態
300 1.33のチューブ対ポート比率を有する本発明の実施形態
400 1.67のチューブ対ポート比率を有する本発明の実施形態
500 2.67のチューブ対ポート比率を有する本発明の実施形態
600 中心線に対して対称な充填を行なう本発明の実施形態
700 PDCの発火が4つのPDCと2つのPDCとの間で交互に起こる本発明の実施形態

Claims (18)

  1. エンジンであって、
    複数のパルスデトネーション燃焼器と、
    該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて前記複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する複数の吸気ポートを有する回転吸気弁構造体と、を含み、
    前記吸気ポートに対する前記パルスデトネーション燃焼器の比率が非整数である、
    エンジン。
  2. 前記非整数が、1〜4である、請求項1記載のエンジン。
  3. 前記回転吸気弁構造体が、その上に前記吸気ポートが設置されたディスク様構造体である、請求項1又は2記載のエンジン。
  4. 前記パルスデトネーション燃焼器が、中心軸線を有する環帯パターンで分散配置され、また
    前記回転吸気弁構造体が、前記中心軸線の周りで回転する、
    請求項1乃至3のいずれか1項記載のエンジン。
  5. 前記吸気ポートが、円形形状を有する、請求項1乃至4のいずれか1項記載のエンジン。
  6. 前記吸気ポートが、前記回転吸気弁部分上に対称に分散配置される、請求項1乃至5のいずれか1項記載のエンジン。
  7. 前記吸気ポートが、該エンジンの運転時に直接隣接するパルスデトネーション燃焼器が連続的にデトネーションを発生しないように前記回転吸気弁部分上に分散配置される、請求項1乃至5のいずれか1項記載のエンジン。
  8. 前記吸気ポートが、該エンジンの運転時に少なくとも2つのパルスデトネーション燃焼器が同時にデトネーションを発生するように前記回転吸気弁部分上に分散配置される、請求項1乃至5のいずれか1項記載のエンジン。
  9. 前記パルスデトネーション燃焼器及び吸気ポートの少なくとも1つが、中心軸線に対して非対称に分散配置される、請求項1記載のエンジン。
  10. エンジンであって、
    圧縮機段と、
    前記圧縮機段の下流に配置された複数のパルスデトネーション燃焼器と、
    該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて前記複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する複数の吸気ポートを有する回転吸気弁構造体と、
    前記複数のパルスデトネーション燃焼器の下流に配置されて、該パルスデトネーション燃焼器の排気を受けるようになったタービン段と、を含み、
    前記吸気ポートに対する前記パルスデトネーション燃焼器の比率が非整数であり、
    前記非整数が、1〜4である、
    エンジン。
  11. 前記回転吸気弁構造体が、その上に前記吸気ポートが設置されたディスク様構造体である、請求項10記載のエンジン。
  12. 前記パルスデトネーション燃焼器が、中心軸線を有する環帯パターンで分散配置され、また
    前記回転吸気弁構造体が、前記中心軸線の周りで回転する、
    請求項10又は11記載のエンジン。
  13. 前記吸気ポートが、円形形状を有する、請求項10乃至12のいずれか1項記載のエンジン。
  14. 前記吸気ポートが、前記回転吸気弁部分上に対称に分散配置される、請求項10乃至13のいずれか1項記載のエンジン。
  15. 前記吸気ポートが、該エンジンの運転時に直接隣接するパルスデトネーション燃焼器が連続的にデトネーションを発生しないように前記回転吸気弁部分上に分散配置される、請求項10乃至13のいずれか1項記載のエンジン。
  16. 前記吸気ポートが、該エンジンの運転時に少なくとも2つのパルスデトネーション燃焼器が同時にデトネーションを発生するように前記回転吸気弁部分上に分散配置される、請求項10乃至13のいずれか1項記載のエンジン。
  17. 前記パルスデトネーション燃焼器及び吸気ポートの少なくとも1つが、中心軸線に対して非対称に分散配置される、請求項10記載のエンジン。
  18. エンジンであって、
    圧縮機段と、
    前記圧縮機段の下流に配置された複数のパルスデトネーション燃焼器と、
    ディスク様形状を有し、かつ該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて前記複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する円形形状をした複数の吸気ポートを有する回転吸気弁構造体と、
    前記複数のパルスデトネーション燃焼器の下流に配置されて、該パルスデトネーション燃焼器の排気を受けるようになったタービン段と、を含み、
    前記吸気ポートに対する前記パルスデトネーション燃焼器の比率が非整数であり、
    前記パルスデトネーション燃焼器が、中心軸線を有する環帯パターンで分散配置され、また前記回転吸気弁構造体が、前記中心軸線の周りで回転し、
    前記非整数が、1〜4である、
    エンジン。
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