JP2011047638A - デフラグレーションからデトネーションへの遷移を向上させるためのパルスデトネーション燃焼器構成 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスデトネーション燃焼器では、燃料と空気などの酸化剤との混合気が点火されて、デフラグレーションからデトネーションに遷移し、デトネーション波が発生し、そのデトネーション波を使用して推力をもたらす。既存の平滑な壁面をもつ管構造に伴う問題は、燃料−空気混合気のデトネーションを達成するのに必要なランナップ長が比較的長いことである。ランナップ長を低減し、スパークまたは点火源の周りでの火炎核の成長を加速する必要がある。
【解決手段】点火チャンバ１０およびデトネーションチャンバ１２を有するパルスデトネーション燃焼器チャンバ１００において、点火チャンバ１０の第１の断面積は、デトネーションチャンバ１２の第２の断面積よりも大きい。引火性混合気に点火するとすぐに、点火チャンバ１０内で火炎が発生する。火炎は、デトネーションチャンバ１２に流れ込み、デトネーションチャンバ１２内でデトネーションする。
【選択図】図１

Description

本発明は、点火チャンバおよびデトネーションチャンバを有するパルスデトネーション燃焼器チャンバに関する。

パルスデトネーション燃焼器では、燃料と空気などの酸化剤との混合気が点火されて、デフラグレーションからデトネーションに遷移し、それによってデトネーション波が発生し、そのデトネーション波を使用して、さまざまな作用の中でもとりわけ推力をもたらすことができる。このデフラグレーションからデトネーションへの遷移（ＤＤＴ）は一般に、開端を有し、排気がその開端を通って出る管構造またはパイプ構造内で生じる。

デフラグレーションからデトネーションへの過程は、管内の燃料−酸化剤混合気がスパークまたは他の点火源によって点火されたときに開始する。スパークから発生した亜音速火炎は、管の長さに沿って移動するときに、さまざまな流動力学のため加速する。火炎が音速に達すると衝撃が形成され、それが反射および集束して「ホットスポット」および局所的な爆発を生み出し、最終的には火炎を超音速デトネーション波に遷移させる。

先に示したように、上述の過程は管の長さに沿って生じ、しばしば、デトネーションまでのランナップ、すなわちスパークからデトネーションまでの距離／時間と呼ばれる。

しかし、既存の平滑な壁面をもつ管構造に伴う問題は、燃料−空気混合気のデトネーションを達成するのに必要なランナップ長が比較的長いことである。実際、多くの用途では、デトネーションまでのランナップ長は、比Ｌ／Ｄ（すなわち管の長さを管の直径で割った商）が１００を上回るようなものとなり得る。スペースと重量が重要な要素である、航空機エンジンなどの用途にパルスデトネーション燃焼器を組み込もうとする場合に、このランナップ長が問題となる。燃料−酸化剤混合気の混合を向上させるべく流れの中で障害物を用いることにより、デトネーションまでのランナップ長を低減する取組みが行われてきており、障害物がある場合の典型的なランナップ長は、約Ｌ／Ｄ３０である。しかし、ランナップ長を低減し、スパークまたは点火源の周りでの火炎核の成長を加速する必要が依然としてある。

米国特許第６３４７５０９号公報

上記その他の理由から、本発明が必要とされている。

本発明の一態様によれば、点火チャンバおよびデトネーションチャンバを有するパルスデトネーション燃焼器チャンバが提供される。点火チャンバの断面積は、デトネーションチャンバの断面積よりも大きい。引火性混合気に点火するとすぐに、点火チャンバ内で火炎が発生する。火炎は、デトネーションチャンバ内に伝播し、デトネーションチャンバ内でデトネーションする。

本発明の性質およびさまざまな更なる特徴が、図中に概略的に示す本発明の例示的実施形態を検討すれば、より十分に明らかとなるであろう。同じ参照番号は、対応する部分を表す。

本発明の一例示的実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の断面図である。 本発明の別の例示的実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の断面図である。 本発明の別の例示的実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の断面図である。 本発明の別の例示的実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の断面図である。 本発明の一例示的代替実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の図である。 本発明の別の例示的実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の図である。 本発明の別の例示的代替実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の図である。

本明細書では、「パルスデトネーション燃焼器」ＰＤＣとは、デバイス内での一連の繰り返されるデトネーションまたは擬似デトネーション（ｑｕａｓｉ−ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ）から圧力上昇と速度増加をどちらも生じさせる、任意のデバイスまたはシステムを意味するものと理解される。「擬似デトネーション」とは、デフラグレーション波によって生じる圧力上昇および速度増加よりも大きな圧力上昇および速度増加を生じさせる超音速乱流燃焼過程である。ＰＤＣの諸実施形態は、燃料／酸化剤混合気、例えば燃料／空気混合気に点火する手段と、点火プロセスによって開始した圧力波面同士が中で合体してデトネーションおよび擬似デトネーションを生じさせるデトネーションチャンバとを含む。デトネーションまたは擬似デトネーションはそれぞれ、スパーク放電もしくはレーザパルスなどの外的点火によって、または衝撃集束（ｓｈｏｃｋ ｆｏｃｕｓｉｎｇ）、自己点火などの気体力学過程によって、または別のデトネーション（すなわちクロスファイア）によって開始する。パルスデトネーションは、例えばデトネーション管、衝撃波管、共振性デトネーション空洞（ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｃａｖｉｔｙ）を含む、いくつかのタイプのデトネーションチャンバ内で達成することができる。さらに、ＰＤＣは、１つまたは複数のデトネーションチャンバを含むことができる。

パルスデトネーション燃焼器は、例えば航空機エンジン、ミサイル、およびロケットで使用される。本明細書では、「エンジン」とは、推力および／または動力を発生させるために使用する任意のデバイスを意味する。本明細書では、「デトネーション」は、デトネーションと擬似デトネーションのどちらも含む。

本発明の諸実施形態を、本発明の範囲をいかなる形であれ限定しない添付の図面を参照することにより、さらに詳細に説明する。

図１〜７は、本発明のさまざまな例示的実施形態によるパルスデトネーション燃焼器用のパルスデトネーション燃焼器チャンバの断側面図を示す。パルスデトネーション燃焼器チャンバ１００が、点火チャンバ１０およびデトネーションチャンバ１２を含む。点火チャンバ１０およびデトネーションチャンバ１２は、別々のチャンバとすることができ、または連続したチャンバとして形成することができる。図１〜３では、酸化剤、例えば空気が、入口１４を通じて点火チャンバ１０に供給され、図４〜７では、酸化剤は、入口通路２４を通じて供給される。燃料を点火チャンバ１０内に供給するために、燃料噴射器１６が設けられる。燃料噴射器は、流れに対して同軸の位置、流れに対して垂直の位置、（スワールを誘発するために）流れに対してある接線方向の角度の位置、または混合の促進を助けるために適切に形状設定した壁面に関連してある角度の位置など、点火チャンバのさまざまな位置に配置することができる。空気ブラスト噴霧、圧力噴霧など、燃料噴射のどんな既知の機構も使用することができる。点火チャンバ１０内の燃料と酸化剤の混合気は、例えばスパークプラグなどの点火源１８によって点火される。任意の適切な点火源を使用することができる。点火源１８の位置は、燃料−酸化剤混合にとって最適な点火位置に基づいて定めることができる。この例示的実施形態では、点火源１８が燃料噴射の下流に配置されている。この構成は、燃料が酸化剤と混合してわずかに蒸発する時間を見込んだものである。全般的に、点火源１８は、燃料噴射地点と、デトネーションチャンバ内に設けられることがある任意の障害物の始まりとの間に配置することができる。これらの例示的実施形態には、単一の点火源１８が示してあるが、複数の点火源を使用することもできる。

図示の実施形態では、デトネーションチャンバ１２は、デトネーションチャンバ１２内で乱流を促進するために障害フィールドまたはセンターボディ２０を含む。センターボディ２０はしばしば、デフラグレーションからデトネーションへの遷移（ＤＤＴ）用幾何形状と呼ばれる。ＤＤＴ用幾何形状は、デトネーションチャンバ１２内で乱流を増加させることによって、デフラグレーションからデトネーションへの遷移過程を向上させる。さまざまなＤＤＴ用幾何形状がある。センターボディ２０の全体的な長さおよび直径は、動作上のパラメータおよび特性に基づいて、性能を最適化するように決定される。本発明は、センターボディ２０またはＤＤＴ用幾何形状の使用に限定されないことに留意されたい。

図１〜７に示す各例示的実施形態では、点火チャンバ１０がデトネーションチャンバ１２よりも大きい。より具体的には、点火チャンバ１０の断面積が、デトネーションチャンバ１２の断面積よりも大きい。例えば、デトネーションチャンバ１２の容積は、点火チャンバ１０の容積の２倍とすることができる。この比は、用途に基づいて性能を最適化するように設定することができる。デトネーションチャンバ１２の断面積に対する点火チャンバ１０の断面積は、点火チャンバ１０から出る流動抵抗および／または温度／圧力プロファイルを制御するように選択することができる。

拡大型点火チャンバ１０は、酸化剤の流れを遅くして、燃料−酸化剤混合、火炎核成長を促進し、また、液体燃料が点火チャンバ１０の壁面を湿らすのを防止する働きをする。より具体的には、燃料および酸化剤を拡大型点火チャンバ１０内に噴射することにより、点火時点で混合気速度が遅くなる。このことが火炎核に、比較的高いバルク速度においてさえ、成長するのに十分な時間を与える。次いで、混合気がより狭いデトネーションチャンバ１２に移動すると、混合気速度が増加する。この移動により、乱流の混合が増加し、ＤＤＴが促進する。点火チャンバ１０とデトネーションチャンバ１２の断面積の相違が、バルク流速の制御を可能にしている。これにより、液体燃料噴射、燃料−空気混合、初期火炎核成長、ＤＤＴ乱流が向上し、組立体内の上流の構成要素にかかる負荷が最小限に抑えられる。

拡大型点火チャンバ１０は、チャンバの壁面を濡らさずにより大きく燃料を噴霧することができるようにする。さらに、拡大型点火チャンバ１０は、燃料−空気混合気が点火チャンバ１０内に滞留する時間を増加させ、その結果、燃料がより多く蒸発し、安定した火炎核成長が可能になる。拡大型点火チャンバ１０はまた、圧力降下および空気力学的流動損失を低減させる。

広い点火チャンバ１０からより狭いデトネーションチャンバ１２に移動することによって、ランナップの距離および時間が低減し、全体的なパルスデトネーション燃焼器チャンバ長が低減する。これにより、ハイブリッドタービンエンジンでの使用など、パルスデトネーション燃焼器のより多くの実際的用途の実現性が可能になる。他の構成では、デトネーションに遷移するために最大３０もの燃焼器の長さと直径の比（Ｌ／Ｄ）が必要になるが、本明細書に開示した実施形態では、例えば２０以下のＬ／Ｄ比が必要である。

ランナップ長の低減により、ランナップ時間が低減する。ランナップ時間の低減により、燃焼器がより高い周波数で動作することが可能になる。より高い周波数により、より高い圧力上昇が生じ、ＰＤＥデバイスの有用な出力が増加する。

ここで図１に移ると、本発明の一例示的実施形態が示されている。この実施形態では、点火チャンバ１０は、より狭いデトネーションチャンバ１２に減じる。燃料が燃料噴射器１６から同軸に噴射される。燃料の同軸噴射により、壁面の濡れが低減し、燃料のより広い噴霧角度が可能になる。酸化剤が、燃料噴射の下流の点火チャンバ１０に、対向する入口１４を通じて供給される。デトネーションチャンバ１２は、例えばシェルキンスパイラル幾何形状などのＤＤＴ用幾何形状を含む。乱流を増加させるために、任意の適切なＤＤＴ用幾何形状を使用することができる。あるいは、デトネーションチャンバ１２は、ＤＤＴ用幾何形状なしで構成することもできる。さらに、ＤＤＴ過程を向上させるために、点火チャンバ１０内にわずかに燃料に富む混合気があるように燃料−酸化剤比を供給することができる。これは、点火チャンバ１０に入る燃料と酸化剤の流れを制御することによって達成することができる。

この実施形態における点火源１８は、燃料入口および酸化剤入口の下流に配置される。先に論じたように、単一の点火源が示してあるが、燃焼器は、デトネーションチャンバ１２内の点火源を含めて、複数の点火源を含むことができる。図２を参照すると、パルスデトネーション燃焼器チャンバ１００が、図１に示す要素を含み、さらに流れ混合要素２２も含む。流れ混合要素２２は、点火チャンバ１０に入る均一に混合された酸化剤と燃料の流れを形成するように、空気入口１４の付近に配置される。流れ混合要素２２は、多孔板としても、例えばスワールまたは他の乱流を誘発する幾何形状としてもよい。点火チャンバ１０に入る均一な空気の流れを促進するために、任意の適切な流れ混合要素を使用することができる。

図３は、パルスデトネーション燃焼器チャンバ１００の別の例示的実施形態を示す。この実施形態では、拡大型点火チャンバ１０が、より狭いデトネーションチャンバ１２に収斂するようにテーパ状になっていることを除き、燃焼器チャンバは図１に示す全ての要素を含む。このテーパにより、大きな直径から小さな直径への移行による圧力降下がより小さくなる。さらに、このテーパは、より滑らかな混合流をもたらすことができる。

図４を参照すると、本発明の別の例示的実施形態が示されている。この実施形態では、パルスデトネーション燃焼器チャンバ１００の入口１４が入口通路２４に置き換えられている。入口通路２４は、酸化剤源から弁２６を通じて酸化剤を受け取り、それを点火チャンバ１０に供給する。入口通路２４の断面積は、点火チャンバ１０の断面積よりも小さい。点火チャンバ１０に比べて入口通路２４の断面積の方が小さいと、弁の慣性負荷および圧力による力が最小限に抑えられる。しかし、本発明はこの構成に限定されず、入口通路の断面積は、用途に基づいて選択することができる。この実施形態では、燃料が燃料噴射器１６から供給され、燃料噴射器１６は、入口通路２４および点火チャンバ１０に対して垂直に配置される。燃料噴射器１６は、入口通路２４が点火チャンバ１０と出会う移行コーナ部内に配置することもできる。

図５は、点火チャンバ１０がデトネーションチャンバ１２に収斂するようにテーパ状になっている、パルスデトネーション燃焼器チャンバ１００の別の例示的実施形態を示す。このテーパが、圧力降下または空気力学的損失を低減させる。図６では、両方の移行コーナ部がテーパ状になっている。より具体的には、入口通路２４が、点火チャンバ１０に拡開するようにテーパ状になっており、点火チャンバが、デトネーションチャンバ１２に収斂するようにテーパ状になっている。点火源１８および燃料噴射器１６の構成は、図４〜５の点火源１８および燃料噴射器１６と同様である。図３〜６に示す各実施形態は、点火チャンバ１０に入る均一な流れを促進するために流れ混合要素を含むこともできる。

図７を参照すると、この例示的実施形態によるパルスデトネーション燃焼器チャンバが、デトネーションチャンバ１２内に配置された点火源を含めて、複数の点火源１８を含む。先に言及したように、最適な性能を達成するために、任意の数および位置の点火源を使用することができる。

本明細書に開示した例示的実施形態によるパルスデトネーション燃焼器チャンバは、ランナップ長、したがってランナップ時間を低減させるように構成される。これは、デトネーションチャンバに対して拡大型点火チャンバを含めることによって達成される。この構成により、パルスデトネーション燃焼器チャンバの長さの低減、したがってパルスデトネーション燃焼器の長さの低減が可能になる。より具体的には、拡大型点火チャンバが、点火時点での混合気速度を遅くし、そのことが安定した火炎核成長を促進する。次いで、混合気がより狭いデトネーションチャンバに移動すると、混合気速度が増加する。この移動により、乱流の混合が増加し、ＤＤＴが促進する。点火チャンバとデトネーションチャンバの断面積の相違が、バルク流速の制御を可能にしている。これにより、液体燃料噴射、燃料−空気混合、初期火炎核成長、ＤＤＴ乱流が向上し、その結果、ランナップ時間が低減する。

燃焼器チャンバの長さの低減により、例えばタービンエンジン内のそうした燃焼器チャンバを含めて、燃焼器のより多くの実際的用途が可能になる。さらに、ランナップ長の低減により、圧力上昇を増加させるためのより高周波数での動作が可能になり、その結果、デバイスへのより多くの出力がもたらされ、また、定圧燃焼器をＰＤＣに置き換えると、より大きな効率向上が得られる。

上記の実施形態は、単一のパルスデトネーション燃焼器チャンバに関して示してきたことに留意されたい。しかし、本発明の概念は、単一のパルスデトネーション燃焼器チャンバの実施形態に限定されない。

本発明の諸実施形態を、特に航空機および発電タービンエンジンの用途に関して上で論じてきたが、本発明はこれに限定されず、本発明の恩恵が望ましいどんな類似のデトネーション／デフラグレーションデバイスの形でもよいことに留意されたい。

以上、本発明をさまざまな特定の実施形態に関して説明してきたが、特許請求の範囲に記載の趣旨および範囲内の変更を行って本発明を実施できることを、当業者なら理解するであろう。

１００ パルスデトネーション燃焼器チャンバ
１０ 点火チャンバ
１２ デトネーションチャンバ
１４ 入口
１６ 燃料噴射器
１８ 点火源
２０ ＤＤＴ用幾何形状
２２ 流れ混合要素
２４ 入口通路
２６ 弁

Claims (10)

1. パルスデトネーション燃焼器用のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）であって、
   第１の断面積を有し、中に含まれた引火性混合気に点火するとすぐに火炎を発生させるように構成された点火チャンバ（１０）と、
   前記点火チャンバ（１０）に結合され、前記点火チャンバ（１０）の前記第１の断面積よりも小さな第２の断面積を有するデトネーションチャンバ（１２）であって、前記火炎がデトネーションチャンバ（１２）内に伝播し、デトネーションチャンバ（１２）内でデトネーションする、デトネーションチャンバ（１２）と
   を備える、パルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
2. 前記点火チャンバ（１０）と前記デトネーションチャンバ（１２）の間の移行部が、圧力降下を最小限に抑えるように空気力学的に形状設定される、請求項１記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
3. 前記点火チャンバ（１０）に結合され、前記点火チャンバ（１０）の前記第１の断面積よりも小さな第３の断面積を有する入口通路（２４）をさらに備え、前記入口通路（２４）が、酸化剤が前記点火チャンバ（１０）に流れ込むことができるように配置される、請求項１又は２記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
4. 前記点火チャンバ（１０）と前記入口通路（２４）の間の移行部が、圧力降下を低減させるように空気力学的に形状設定され、前記入口通路（２４）が、前記デトネーションチャンバ（１２）とは反対側に配置される、請求項３記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
5. 前記点火チャンバ（１０）と前記デトネーションチャンバ（１２）の間の移行部が、圧力降下を最小限に抑えるように空気力学的に形状設定される、請求項３記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
6. 前記デトネーションチャンバ（１２）が、デトネーションを促進するために障害物（２０）を備える、請求項１乃至５のいずれか１項記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
7. 前記引火性混合気が、酸化剤および燃料を含み、燃料−酸化剤比が、前記点火チャンバ（１０）内で燃料に富む、請求項１乃至６のいずれか１項記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
8. 前記点火チャンバ（１０）および前記デトネーションチャンバ（１２）がシリンダである、請求項１乃至７のいずれか１項記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
9. 前記デトネーションチャンバ（１２）が前記点火チャンバ（１０）と連続している、請求項１乃至８のいずれか１項記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。
10. 前記点火チャンバ（１０）の前記第１の断面積、および前記デトネーションチャンバ（１２）の前記第２の断面積が、所定の流動抵抗を達成するように構成される、請求項１乃至９のいずれか１項記載のパルスデトネーション燃焼器チャンバ（１００）。

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