JP2011518286A - パルスデトネーションエンジン - Google Patents

Abstract

本発明によると、エンジン（Ｉ）は、可動横断端壁（１８）を設けた少なくとも１つのフレームチューブ（２）を有し、上記フレームチューブ（２）の周りに外部膜（３）を備え、これは、周辺環状空間（４）を画定し、そこに、固定された流動ガイド（１１，１２，１３，１４）が位置決めされ、これらの流動ガイドは、空気用流動経路（１０）を形成し、少なくとも１つの可動プラグ（２５）は、上記可動端壁（１８）に接続し、上記流動経路（１０）の一つを開閉する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料−空気混合物を使用するパルスデトネーションエンジンに関する。

このようなタイプのエンジンは、専用ではないが、特に、航空機、ロケット、ミサイルなどの装備のための宇宙および軍事航空学分野において適用できる。

上記エンジンの作動サイクルは、以下の３つの工程に集約できる。
− デトネーション混合物を使用するエンジン供給段階に関する第１工程、
− 上記混合物によって発生する化学エネルギーの圧縮と解放を提供するデトネーション段階に関する第２工程、
− デトネーション生成物の膨張段階に関する第３工程。

上記エンジンの作動周期の様々な段階の一連の作動は、潜在的に臨界点であり、特に、供給およびデトネーション段階の制御は、上記エンジンの性能に非常に強い影響を与えることができる。

欧州特許第１,４８２,１６２号

欧州特許第１,４８２,１６２号から既に周知のように、パルスデトネーションエンジンは、その構造がフレームチューブによって画定され、上記フレームチューブは、可動横断底部（スラスト壁と称す）によって一端部で閉塞されており、上記可動横断底部は、デトネーション混合物のデトネーションによって生じた生成物が、推力を発生させるために当接する。上記エンジンは、その可動性によって、吸気口を開閉し、複合バルブ供給装置などを省くことができる上記エンジンの供給およびデトネーション段階の両方の作動を要する。

本発明の目的は、デトネーション段階中、吸気口からの空気の流れを遮断することを最小限にして、吸気口によって発生される空気抵抗を制限することで、上述のパルスデトネーションエンジンを改良することである。

この目的のため、本発明では、パルスデトネーションエンジンは、燃料−空気デトネーション混合物で作動し、上記エンジンは、
− 横断底部を設けた少なくとも１つのフレームチューブは、横断底部に対して可動であり、２つの限定位置を占めることができ、第１の位置は、上記燃焼室においてデトネーション混合物のデトネーション段階に相当し、第２の位置は、上記燃焼室の供給段階に相当するものと、
− デトネーション混合物を整える上記フレームチューブの側壁に設けられた少なくとも１つの吸気口とを
備えるパルスデトネーションエンジンであって、
− 上記エンジンは、上記フレームチューブの周りの外側シェルを有し、上記フレームチューブは、上記フレームチューブのその側壁に沿って周辺環状空間を画定し、空気が上記エンジンの吸気口から流動でき、
− 固定された流動ガイドは、上記空間において流動経路を画定するよう周辺環状空間に設けられ、
− 上記環状空間に設けられ、上記可動底部に接続された少なくとも１つの可動ブロックは、上記フレームチューブの側壁に沿って移動するよう設けられ、上記可動底部が第２の位置を占めるとき、上記可動ブロックは、上記流動経路のうち１つを遮断することができ、これにより、上記吸気口の方向に気流部分を向けて、上記底部が第１の位置にあるとき、上記流動経路を解放する
点に注目すべきである。

上述のように、本発明によると、デトネーション段階の間、吸気口から入る気流を遮断することは、最小限にされ、その理由は、気流が環状空間の流動経路において循環可能であり、１つまたは複数の吸気口が遮断されるとき、可動ブロックを迂回し、この結果、吸気口によって発生する空気抵抗が制限される。

さらに、エンジンは、可動ブロックの複合制御装置を不要にする。その理由は、横断底部は、可動ブロックが、その可動性のため、移動されることを必要とするためである。

また、上記エンジンの構造は、たとえば、排出タイプの筒状ノズルが、供給先の燃焼室と同心であり、これによって、ダブルフローエンジンの長所から利益を得る。

上記固定ガイドは、上記フレームチューブの側壁の周りに同心状に互いに平行に設けられることができることが利点である。これによって、環状空間の流動経路は、デトネーション段階で、フレームチューブの側壁に沿って互いに平行であり、空気を流れやすくする。

例えば、上記可動ブロックの位置変えは、上記フレームチューブの側壁に沿って左右方向に摺動可能である。

さらに、上記可動底部が第２の位置を占めるとき、上記可動ブロックが、２つの隣接した固定ガイドによって部分的に形成される流動経路を遮断するように、上記２つの隣接した固定ガイドに対向する端部の外面に結合することができる点が長所である。

これに加えて、上記可動底部は、上記第１および第２位置の間を摺動するもので、上記可動底部は、上記室に面する横断壁を設け、上記フレームチューブの壁と協働する側部スカートを設けたピストンの形状を有することができる点が長所であり、頂部は、少なくとも１つのデトネーション混合物供給開口部を有するもので、上記頂部は、上記ピストンの横断壁と一体であり、上記フレームチューブの側壁と協働し、上記可動底部の第２位置に上記吸気口を少なくとも部分的に遮断するためのものである。

好ましくは、固定部分のある流動孔を有する少なくとも１つの第１の吸気口は、上記可動底部の第１位置において遮断され、上記底部の第２の位置において解放され、可動突出部を受け入れ可能な少なくとも１つの第２吸気口は、可変的部分を有する流動孔を設け、上記孔は、上記可動底部の第１の位置において縮小された部分を有し、上記底部の第２の位置において拡大された部分を有する。

上記パルスデトネーションエンジンは、少なくとも１つのプレ・デトネーションチューブを備え、上記燃焼室に対して左右方向に、少なくとも上記燃焼室に大体沿って設けられ、これによって、プレ・デトネーションチューブの空気および燃料供給をより簡単にする点で有利である。

さらに、可動突出部は、第２開口部に係合され、上記可動底部が第１の位置を占めるとき、上記可動突出部は、上記固定ガイドのうちの一方の両端部の内面に結合し、上記プレ・デトネーションチューブと上記燃焼室とを流体連通する上記横断通路を形成し、特に、上記爆発波の伝播を可能にし、上記可動底部が第１の位置を占めるとき、上記横断通路の両端部のうち一方は、縮小された部分を有する上記第２吸気口の流動孔に相当し、他方の端部は、上記プレ・デトネーションチューブの吸気口に向けられた上流の孔に相当する。

本発明の有利な実施形態において、上記パルスデトネーションエンジンは、上記燃焼室に対して直径方向において反対側に、複数の、少なくとも２つのプレ・デトネーションチューブを有する。従って、上記エンジンは、単一のプレ・デトネーションチューブエンジンより、もっと堅牢であり、特に、燃焼室におけるデトネーションの伝播を実質的に向上させる。

本発明のさらに有利な特徴により、上記固定ガイドの少なくとも一方は、吸気口に向けられた歯を有するフォーク形状であることが可能であり、これにより、供給段階では、１つ以上の解放された吸気口の方に気流を向ける。

さらに、戻り弾性手段は、第１の位置から第２の位置へ上記可動底部を戻すために、上はフレームチューブに設けられる。上記戻り弾性手段は、例えば、上記底部の横断壁に作
動する少なくとも１つのスプリングを備える。

本発明のパルスデトネーションエンジンの実施形態をクローズアップした概略的縦断面図であり、第１の位置における可動底部を示す。 第２の位置における可動底部を示す、図１と同様のクローズアップした概略的縦断面図である。 それぞれ可動底部の第１位置におけるフレームチューブの外側面の詳細図を図式的に示している。 それぞれ可動底部の第２位置におけるフレームチューブの外側面の詳細図を図式的に示している。

添付図面の図により、本発明がどのように実施されるかが明確に理解される。これらの図中、同一符号は、同一要素を示す。
図１において、明瞭性の理由により、ピストン頂部の後に隠れる可動ブロック、可動突出部、ガイド開口および吸気口は、クローズアップした詳細図において破線で示される。固定ガイドおよびプレ・デトネーションチューブは、フレームチューブの側壁によって隠されるが、これらに関しては、一点鎖線で示される。

本発明の好適な実施形態によると、パルスデトネーションエンジンは、図１および図２に図式的及び部分的に示されており、これらは縦軸Ａを有する筒状フレームチューブ２と、上記フレームチューブ２を覆い、上記チューブ２の側壁５に沿って周辺環状空間４を画定する外側シェル３とを備える。

さらに、エンジンＩは、上記好適な実施形態において、２つのプレ・デトネーションチューブ６を有しているが、その数は異なっていてもよく、これらはフレームチューブ２の燃焼室７に対して左右方向に設けられており、フレームチューブ２に対して径方向に対向する。上記実施形態では、（図１および図２の左側の）プレ・デトネーションチューブ６の前端８が、吸気口に向けられ、これは、孔９を介して周辺環状空間４の中に通じるが、上記チューブ６の下流端（図示せず）は、外側へ通じる。各プレ・デトネーション６は、中央プライミング装置（図示せず）を備えることができ、この装置は、爆発後に、圧力がチューブ６の前端８のレベルで十分長期間維持されることを可能にする。

さらに、本発明によると、図３および図４に図示されているように、流動ガイド１１，１２，１３，１４は、好ましくは同心状に、環状空間４におけるフレームチューブ２の側壁５に締付固定され、上記空間において、フレームチューブ２に沿って平行な流動経路１０を形成する。各流動経路１０は、たとえば、２組のガイドによって境界を付けられ、一組のガイドは下流ガイド１３または１４（図３および４の右側）と、連携する上流ガイド１１または１２（同図の左側）とを有する。上記好適実施形態では、第１ガイドと呼ばれる下流ガイド１３は、第３ガイドと呼ばれる関連した上流ガイド１１に面する２つの歯１５を設けたフォーク１６の形状を有することができる。他方の下流ガイド１４は、第２ガイドと呼ばれ、プレ・デトネーションチューブ６の上流孔９の前に設けられることを特に目的とし、上記下流ガイド１４は、２つの平行した独立分岐部１７ を備えることができ、上記独立分岐部１７は、第４ガイドと呼ばれる連携ガイド１２の方に向けられる突出端部を有する。

また、エンジンＩは、フレームチューブ２の内側に嵌合収容される横断底部１８を有する。上記横断底部１８は、フレームチューブ２の側壁５と共に、燃焼室７と隣接し、図２の矢印１９によって示されるように、上記燃焼室７は、環状空間に存在するが図示されていない供給装置から出てきて、上記燃料−空気デトネーション混合物を供給する燃料負荷を筒状に受け取ることができる。上記横断底部１８は、デトネーション混合物のデトネーション生成物がスラストを発生するのに適用するスラスト壁を画定する。

好適な実施形態によれば、横断底部１８は、限定的ではないが、エンジンＩのフレームチューブ２に対して可動的に設けられ、２つの明確な境界位置、即ち、第１の位置（図１と図３参照）と第２の位置（図２と図４参照）の間を移動可能であり、上記第１の位置とは、周辺環状空間４から燃焼室７を隔離し、デトネーション混合物のデトネーション段階に相当するものであり、上記第２の位置とは、上記燃焼室７と上記周辺環状空間４とを流体連通し、デトネーション混合物を有する上記（燃焼）室の供給段階に相当するものである。

この目的のため、上記室７においてデトネーション混合物を取り入れるための第１吸気口２０Ａは、固定部分のある流動孔を有し、フレームチューブ２の側壁に設けられ、第１ガイド１３の歯１５の間に設けられれば都合がよい。上記第１吸気口２０Ａは、可動横断底部１８がその第１位置にあるとき、十分に遮断され、その第２位置を占めるとき、解放される。

第２吸気口２０Ｂは、第２ガイド１４の分岐部１７の間のフレームチューブ２の側壁５に設けられる。上記第２の吸気口２０Ｂは、可変部分のある流体流動孔３５を有する特徴を備え、上記流動孔３５は、可動底部１８の第１位置における縮小された部分を有し、上記孔は、爆発波をプレ・デトネーションチューブ６から燃焼室７へ横断通路（さらに詳しく後述する）を介して伝播することが可能であり、可動底部１８の第２位置における拡大部分は、上記燃焼室７およびプレ・デトネーションチューブ６のデトネーション混合物の供給を可能にする。

図１および図２に図示されたように、上記好適な実施形態において、可動底部１８をその２つの位置間で移動させることは、縦軸Ａに従った摺動タイプであるが、（例えば、螺旋状型）とは異なっている。

図示された実施例では、可動底部１８は、構造的にピストン２１の形状を有しており、上記ピストン２１は、フレームチューブ２の側壁５と嵌合協働する側部スカート２３を有する燃焼室７に面する横断壁２２を備える。さらに、可動底部１８は、ピストン２１の横断壁２２と一体である頂部２３Ａを備え、可動底部１８が第２位置を占めるとき、フレームチューブ２の側壁５と嵌合協働して、第１吸気口２０Ａを完全に遮断し、縮小された部分のある流動孔３５を有する第２吸気口２０Ｂを部分的に遮断する。

側部の供給開口部２４は、ピストン２１の頂部２３Ａの側壁に設けられる。上記可動底部１８が第２位置を占めるとき、供給段階時の環状空間４と燃焼室７とを流体連通するため、上記供給開口部２４は、第１および第２吸気口２０Ａ、２０Ｂと連通する。

さらに、本発明により、可動ブロック２５は、第１および第２ガイド１３、１４間の流動経路１０の内側に設けられ、ピストン２１の頂部２３Ａに好ましくは同心状に締付固定される。本発明により、上記可動ブロック２５は、フレームチューブ２の側壁５に設けられるガイド開口２６において左右方向に摺動するよう設けられるが、他のタイプのブロック２５の位置変えを考えることができる。これによって、図３に示されたように、可動底部１８が第１位置を占めるとき、各可動ブロック２５は、第１ガイド１３の歯１５の端部と第２ガイド１４の分岐部１７の端部に対して、図３の右側にオフセットされ、これにより、矢印２７によって示される吸気の流れは、可動ブロック２５を迂回して、フレームチューブ２の壁に沿って流動経路１０において自在に循環可能である。

図４に図示されたように、可動底部１８が第２位置を占めるとき、可動ブロック２５は、歯１５と分岐部１７に対向する端部の外面に嵌合結合し、これによって、流動経路１０を得て、図２および図４の矢印２８によって示された吸気の流れを上記解放された第１の吸気口２０Ａおよび上記第２の吸気口２０Ｂの拡大部分流動孔３５の方向に向ける。

さらに、可動突出部２９は、それらの下流側面３０に入り込み、ピストン２１の頂部２３Ａに締付固定され、プレ・デトネーションチューブ６に隣接する第２吸気口２０Ｂにおいて、可動ブロック２５に好ましくは平行に、摺動可能である。図３に示されたように、可動突出部２９は、可動底部１８の第１位置において、対向する分岐部１７の端部の内面に嵌合結合し、これによって、プレ・デトネーションチューブ６から燃焼室７への爆発波の伝播を可能にする横断通路を画定し、横断通路の端部のうちの一方は、縮小部分流動孔３５に相当し、他方の端部は、プレ・デトネーションチューブ６の上流孔９に相当する。

ハウジング３１は、第４のガイド１２の下流側面に設けられ、プレ・デトネーションチューブ６に対向して配置され、これは、上記可動底部１８が第２位置にあるとき、可動突出部２９を受け入れるためのものである。

さらに、戻り弾性手段は、可動横断底部１８とフレームチューブ２との間に設けられ、上記底部１８をその第２位置（図２）からその第１位置（図１）へ自発的に戻すためのものである。例えば、上記手段は、燃焼室７に対向するピストン２１の横断壁２２の上流面と、フレームチューブ２に設けられた横断接合部３３との間に設けられた圧縮スプリング３２によって単に画定される。通常、スプリング３２のガイド棒３４は、ピストン２１の横断壁２２の上流面に締付固定され、上記ガイド棒３４は、スプリング３２と連携可能である。

上述のパルスデトネーションエンジンＩの作動周期は、下記の通りである。

先ず第一に、エンジンＩは、図１および図３に示されたように、可動横断底部１８がその第１の位置にあって、
− 可動ブロック２５は、図３の右側にオフセットされ、これにより、気流がフレームチューブ２の側壁５に沿って循環することができ、
− 可動突出部２９は、第２ガイド１４に対向す分岐部１７の端部の内面に結合しており、プレ・デトネーションチューブ６と燃焼室７との間の流体連通を可能にする上記横断通路を形成する。プレ・デトネーションチューブ６は、これによって、投入されたデトネーション混合物から分離され、
− 第１の吸気口２０Ａは、頂部２３Ａの側壁によって十分に遮断され、燃焼室７は投入されたデトネーション混合物から隔離されている。

プレ・デトネーションチューブ６において発生される爆発波の衝撃および上記横断通路を介してその伝播の衝撃の基で、圧縮された反応性混合物のデトネーションが燃焼室７で生じる。燃焼室７において圧力が強く増すと、上記可動底部１８は、同時に（図１の左側に）後退するよう移動し始め、その結果、第１吸気口２０Ａが開口し、第２吸気口２０Ｂの孔３５の部分が拡大し、可動ブロック２５は、歯１５の端部および分岐部１７の端部へ摺動し、可動突出部２９は、第４ガイド１２のハウジング３１へ摺動するようになる。

燃焼室７における圧力は、デトネーション生成物の後方膨張の効果に基づき、一時的に低下されるが、その慣性および得られた速度の効果に基づき、可動底部１８がその第２位置に至るまで、ピストン２１は、スプリング３２に対して戻るように移動する。

可動底部１８が第２位置を占めるとき、解放された第１の吸気口２０Ａと、拡大部分のある孔３５を有する第２吸気口２０Ｂは、頂部２３Ａの供給開口２４と連通する。さらに、可動ブロック２５は、対向する歯１５と分岐部１７の端部の外面と繋がる流動経路（１０）を遮断し、可動突出部２９は、それぞれハウジング３１に当接する。

その後、デトネーション生成物の過剰膨張によって引き起こされる圧力低下に起因し自己吸引現象が生じ、燃焼室７とプレ・デトネーションチューブ６にデトネーション燃料−空気混合物を自主的に充填することを可能にする。

それから、圧縮スプリング３２の作動に基づき、可動底部１８は燃焼室７へ送り戻され、ピストン２１の頂部２３Ａは、第１吸気口２０Ａを十分に遮断し、また、第２吸気口２０Ｂを部分的に遮断し、その孔３５は縮小部分を有するのに対し、可動ブロック２５が案内開口２６と当接して、可動突出部２９は、対向する分岐部１７の端部の内面と繋がる。

その後、エンジンＩの新たな作動周期は開始可能となる。

Claims (12)

1. デトネーション燃料−空気混合物で作動し、
   − 横断底部（１８）を設けた少なくとも１つのフレームチューブ（２）で、（第１および第２の）２つの限定位置を占めることができるように横断底部に対して可動性があり、第１の位置は、上記フレームチューブ（２）の燃焼室（７）におけるデトネーション混合物のデトネーション段階に相当し、第２の位置は、上記室（７）の供給段階に相当するものと、
   − 上記フレームチューブ（２）の側壁（５）に設けられたデトネーション混合物の少なくとも１つの吸気口（２０Ａ、２０Ｂ）とを
   備えるパルスデトネーションエンジンであって、
   − 上記エンジン（Ｉ）は、上記フレームチューブ（２）の周りの外側シェル（３）を有し、上記フレームチューブは、その側壁（５）に沿って周辺環状空間（４）を画定し、空気フラックスが上記エンジンの吸気口から流動でき、
   − 固定された流動ガイド（１１，１２，１３，１４）は、上記空間において流動経路（１０）を画定するよう周辺環状空間（４）に設けられ、
   − 上記環状空間（４）に設けられ、上記可動底部（１８）に接続された少なくとも１つの可動ブロック（２５）は、上記フレームチューブ（２）の側壁（５）に沿って移動するよう設けられ、上記可動底部（１８）が第２の位置を占めるとき、上記可動ブロック（２５）は、上記流動経路（１０）のうち１つを遮断することができ、これにより、上記吸気口（２０Ａ）の方向に気流部分を向けて、上記底部（１８）が第１の位置にあるとき、上記流動経路（１０）を解放することを特徴とするパルスデトネーションエンジン。
2. 上記固定ガイド（１１，１２，１３，１４）が上記フレームチューブ（２）の側壁（５）の周りに同心状に互いに平行に設けられることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 上記可動ブロック（２５）の位置変え（シフト）は、上記フレームチューブ（２）の側壁（５）に沿って左右方向に摺動する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン。
4. 上記可動ブロック（２５）は、２つの隣接した固定ガイド（１３，１４）の反対側の端部の外面に結合し、上記可動底部（１８）が第２の位置を占めるとき、上記可動ブロック（２５）が、上記２つの固定ガイドによって部分的に形成される流動経路（１０）を遮断することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジン。
5. − 上記第１と第２位置の間を摺動する上記可動底部（１８）は、上記燃焼室（７）に面する横断壁（２２）と、上記フレームチューブ（２）の壁（５）と協働する側部スカート（２３）とを設けたピストン（２１）の形状を有し、
   − 頂部（２３Ａ）は、その側壁に設けられた少なくとも１つのデトネーション混合物供給開口部（２４）を有するもので、上記頂部は、上記ピストン（２１）の横断壁（２２）と一体であり、上記フレームチューブ（２）の側壁（５）と協働し、上記可動底部（１８）の第２位置に上記吸気口（２０Ａ、２０Ｂ）を少なくとも部分的に遮断する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジン。
6. − 固定部分のある流動孔を有する少なくとも一つの第１の吸気口（２０Ａ）は、上記可動底部（１８）の第１位置において遮断され、上記底部（１８）の第２の位置において解放され、
   − 可動突出部（２９）を受け入れることが可能な少なくとも１つの第２吸気口（２０Ｂ）は、可変的部分を有する流動孔（３５）を設け、上記孔（３５）は、上記可動底部（１８）の第１の位置において縮小された部分を有し、上記底部（１８）の第２の位置において拡大された部分を有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンジン。
7. − 上記エンジンは、少なくとも１つのプレ・デトネーションチューブ（６）を備え、上記燃焼室（７）に対して左右方向に、少なくとも上記燃焼室（７）に大体沿って設けられる
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のエンジン。
8. − 可動突出部（２９）は、第２吸気口（２０Ｂ）に係合され、
   − 上記可動底部（１８）が第１の位置を占めるとき、上記可動突出部（２９）は、上記固定ガイドのうちの一方の両端部の内面に結合し、上記プレ・デトネーションチューブ（６）と上記燃焼室（７）とを流体連通する上記横断通路を形成し、特に、上記爆発波の伝播を可能にし、
   − 上記可動底部（１８）が第１の位置を占めるとき、上記横断通路の両端部のうち一方は、縮小された部分を有する上記第２吸気口（２０Ｂ）の流動孔（３５）に相当し、他方の端部は、上記プレ・デトネーションチューブ（６）の吸気口に向けられた上流の孔（９）に相当する
   ことを特徴とする、請求項６に従属した場合の請求項７に記載のエンジン。
9. 上記エンジンは、上記燃焼室（７）に対して径方向において反対側の左右位置にある複数の、少なくとも２つのプレ・デトネーションチューブ（６）を有する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のエンジン。
10. 上記固定ガイド（１３）の少なくとも一方は、吸気口に向けられた歯（１５）を有するフォーク（１６）の形状である
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のエンジン。
11. 戻り弾性手段は、上記フレームチューブ（２）に設けられ、これは、第１の位置から第２の位置へ上記可動底部（１８）を戻すためのものである
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のエンジン。
12. 上記戻り弾性手段は、少なくとも１つのスプリング（３２）を備え、上記スプリングは、上記底部（１８）の横断壁（２２）に作動する
    ことを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。

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