JP2013040756A - プレナムを備えるパルス爆発燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス爆発エンジンに関し、圧力パルスのピークを低下させ、平坦部および排出の持続期間を延長させるシステムを提供する。
【解決手段】パルス爆発燃焼器１０は、長さ方向に沿って位置決めされた少なくとも１つのプレナム２４を含み、プレナム２４は、１）空気バルブ１２に近接して；２）燃料噴射ポート１８と点火源２０の間に；３）燃料噴射ポート１８と点火源２０の両方の下流に；および、４）パルス爆発燃焼器の出口ノズル１４に近接して、位置決めすることができる。さらに、パルス爆発燃焼器１０は、たとえば空気バルブ１２に近接した、および出口ノズル１４に近接した多重のプレナム２４を有することができる。プレナム２４の位置および寸法は、壁に対する機械的負荷、燃焼器内で流れる流体の速度、およびパルス爆発燃焼器１０によって生成される圧力を制御するために、選択的に調節することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス爆発システムに関し、より詳細には、圧力パルスのピークを低下させ、平坦部の持続期間および排出時間を延長させるために、少なくとも１つのプレナムを備えるパルス爆発燃焼器（ＰＤＣ: pulse detonation combustor）に関する。

パルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）およびパルス爆発エンジン（ＰＤＥ: pulse detonation engine）の最近の開発に伴い、航空機エンジンのための燃焼器など、実際の用途において、および／またはタービン後段で追加の駆動力／推進力を生成するための手段として、ＰＤＣ／Ｅを使用するための様々な努力が進行中である。さらに、動作効率を最大にする目的で、従来のガスタービンエンジン技術とＰＤＣ／Ｅ技術の両方の組み合わせを使用する「ハイブリッド」タイプのエンジン中にＰＤＣ／Ｅ装置を採用するための努力がなされている。

米国特許出願第２０１１／０１４６２８５号明細書

パルス爆発エンジン（ＰＤＥ）の主要な利点の１つは、擬似一定容積の熱力学サイクルを実現することによって、性能を高めることになる圧力上昇燃焼である。課題は、実際のＰＤＥ用途が、爆発の不安定な性質のために、パルス動作を必要とするということである。したがって、圧力上昇は、極めて短い期間だけの間に達成される。典型的な圧力のトレースによると、極めて高い圧力スパイク（約５マイクロ秒の間、持続する）の後、２〜３ミリ秒の間持続することができる平坦部が続き、その後、より低い大気圧（または充填圧力）にまでの排出が続く。平坦部および排出の持続期間は、大体は、チューブ容積と出口ノズルの面積比の関数である。圧力パルスの「ピーク」（それは、上流および下流の構成要素に害を及ぼす恐れがある）を低下させ、平坦部および排出の持続期間を延長させることが、望ましい。

発明者等は、ＰＤＣの長さ方向に沿って少なくとも１つのプレナムを設けることによって、ＰＤＣのために圧力パルスのピークを低下させ、平坦部の持続期間および排出時間を延長させるという問題を解決した。プレナムは、燃料噴射ポートおよび点火源の上流、または下流のいずれかに存在することができる。プレナムは、排出時間を延長させることにも役立つ下流の出口ノズルの代わりに、またはそれと併せて、使用することができる。

本発明の一態様では、パルス爆発燃焼器は、壁を有し、壁に対する機械的負荷、燃焼器内で流れる流体の速度、およびパルス爆発燃焼器によって生成される圧力の１つを制御するために、パルス爆発燃焼器の長さ方向に沿って少なくとも１つのプレナムを含む。

「パルス爆発燃焼器」ＰＤＣ（また、ＰＤＥを含む）は、ここで使用するとき、装置内での爆発または擬似爆発の一連の繰り返しから圧力上昇および速度増加の両方を発生する、いずれもの装置またはシステムを意味するものと理解される。「擬似爆発」は、爆燃波によって生成される圧力上昇および速度増加より高い圧力上昇および速度増加を発生する、超音速の乱流燃焼プロセスである。ＰＤＣ（およびＰＤＥ）の実施形態は、燃料／酸化剤の混合ガス、たとえば、燃料／空気の混合ガスを点火する手段と、爆発チャンバとを含み、点火プロセスによって創始される圧力波面が融合して、爆発波が生成される。それぞれの爆発または擬似爆発は、火花放電またはレーザパルスなど、外部からの点火によって、またはショック合焦、自動点火などの気体力学プロセスによって、または別の爆発（たとえば、十字火）によって、いずれかで開始される。

「爆発」は、ここで使用するとき、爆発または擬似爆発のいずれかを意味するものと理解される。

「エンジン」は、ここで使用するとき、推進力および／または動力を生成するために使用される、いずれもの装置を意味する。

「プレナム」は、ここで使用するとき、その横断面積が、パルス爆発燃焼器の残部より大きい、流体が集まることができる密閉式チャンバを意味する。

本発明の利点、性質および様々な追加の特徴は、図中で概略的に述べる、本発明の例示の実施形態を検討したとき、より完全に現れることになる。

本発明のプレナムが、空気バルブに近接して（すなわち、燃料噴射ポートと点火源の両方の上流に）位置決めされている、パルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）のダイヤグラム表示図である。 本発明のプレナムが、燃料噴射ポートと点火源の間に位置決めされている（すなわち、プレナムは、燃料噴射ポートの下流で点火源の上流に存在する）、パルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）のダイヤグラム表示図である。 本発明のプレナムが、燃料噴射ポートと点火源の両方の下流に位置決めされている、パルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）のダイヤグラム表示図である。 本発明のプレナムが、出口ノズルに近接して（すなわち、燃料噴射ポートと点火源の両方の下流に）位置決めされている、パルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）のダイヤグラム表示図である。 １つのプレナムが、空気バルブに近接して（すなわち、燃料噴射ポートと点火源の両方の上流に）位置決めされており、別のプレナムが、出口ノズルに近接して（すなわち、燃料噴射ポートと点火源の両方の下流に）位置決めされている、本発明の多重のプレナムを備えるパルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）のダイヤグラム表示図である。 本発明のプレナムを有さないパルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）の典型的な圧力トレースのグラフである。 本発明のプレナムを有するパルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）の典型的な圧力トレースのグラフである。

添付図面を参照して本発明をさらに詳細に述べるが、これは、決して本発明の範囲を限定しない。

図１に、本発明の実施形態による、一方端部で空気バルブ１２を、反対側端部で出口ノズル１４を有するパルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）１０を示す。例示する実施形態では、出口ノズル１４は、集中ノズルである。しかし、出口ノズル１４は、また、集中ノズルよりはむしろ、集中／発散ノズルとすることができるはずであることを理解されるはずである。空気バルブ１２は、ディスク、回転缶（rotating can）、ポペットバルブ、スリーブバルブなど、いずれものタイプのものとすることができる。いずれもの従来の一次空気流源（図示せず）から、たとえばエンジンのコンプレッサ段（図示せず）、またはそれに匹敵する源から、燃焼器１０のための空気流１６を供給することができる。従来の燃料噴射器ポート１８によって燃料を燃焼器１０に供給することができる。燃料噴射器ポート１８は、いずれもの知られた、または従来の手段によって制御することができる。本発明では、バルブ１８が、動作燃料からの放熱を調節する、または調整するように、制御されることが考えられる。すなわち、燃料および爆発であり、制御は、ある下流の装置によるエネルギー変換が効率的であるように、燃焼器１０による熱の発生を適切なレベルに設定することができるようなものである。

一般に、パルス爆発燃焼器１０の動作および機能は、いずれもの知られた、または従来の手段および方法に従う。本発明は、パルス爆発燃焼器の動作および機能に決して限定されない。爆発を持続可能にするのに適切な燃料／空気比の条件をもたらすように、一次空気の燃焼器１０中への流れをバルブ１２によって制御することができる。流れ制御は、いずれもの知られた、または従来の手段によって実現することができる。

あるいは、空気流１６の代わりに、前もって混合された空気／燃料混合ガスを燃焼器１０に供給することができ、燃料噴射器ポート１８は、必要でなく、取り除くことができる。点火プラグなどの点火源２０が、ＰＤＣ１０内で燃料／空気混合ガスに点火する。また、ＰＤＣ１０は、障害場２２を含むことができ、それは、ＰＤＣ１０内の燃料／空気混合ガスの混合を高めるために、乱流および／または渦を与え、それによって、ＰＤＣ１０内での爆発形成を促進する。その恩恵は、最適なエネルギー変換および下流装置のロバストな設計寿命を容易にする、ほぼ一様な温度プロフィールが実現されることである。障害場２２は、らせん形のもの、妨害プレート、斜面などの形態とすることができる。

本発明の一態様は、ＰＤＣ１０が、その横断面積がＰＤＣ１０の残部の横断面積より大きいプレナム２４を含むことである。たとえば、プレナム２４は、その横断面積が、ＰＤＣ１０の残部の横断面積より、約１．１〜約２．０倍大きいものとすることができる。１つの具体的な実施形態では、プレナム２４は、その横断面積が、ＰＤＣ１０の残部の横断面積より、約１．４倍大きい。

プレナム２４によってもたらされる追加の容積の１つの利点は、上流（および下流）の構成要素に有害である恐れがある圧力パルスのピークを低下させ、圧力パルスの平坦部および排出の持続期間を延長させることである。ここで図６を参照すると、プレナムを備えない従来の燃焼器の圧力トレースによって、初期値にまで迅速に低下する、平均圧力が比較的より低い、圧力スパイクが示されている。図７に示すように、プレナム２４を備えるＰＤＣ１０の圧力トレースによって、より長く維持され、初期値にまでゆっくりと減少して戻る、平均圧力がより高い、圧力が示されている。実際、プレナム２４は、平坦部および排出のプロセスを延長させ、それによって、ＰＤＣ１０が、より長い期間の間、加圧された状態に保たれる。

プレナム２４は、いくつかの目的を果たし、それは、ＰＤＣ１０に沿った異なる位置にプレナム２４を位置決めすることによって、選択的に調節することができる。これらの目的は、ただしこれらに限定されないが、
１）燃焼器の壁に対する機械的負荷を選択的に制御すること、
２）燃焼器中で流れる流体の速度を選択的に制御すること、および
３）燃焼器によって生成される圧力を選択的に制御することを含む。

これら目的のそれぞれは、以下に論議する。
機械的負荷の制御
より小さい直径からより大きい直径への変化による、横断面積の突然の変化は、爆発波または衝撃波を弱めることに役立ち、それによって、動的衝撃荷重が減少され、過渡的なピークストレスが極めて高くなることになり、また、より大きい容積部分中で「平均圧力」が低下する。しかし、このより大きい直径の横断面積によって、圧力が作用する表面積がより大きくなることになり、したがって、静的負荷をより高くすることができるはずである（したがって、動的負荷対静的負荷の間でトレードオフが存在する）。

一般に、機械的負荷に関するプレナム２４の最善位置は、空気バルブ１２に近接する。プレナム２４が、燃料噴射器ポート１８および点火源２０の上流に存在する場合、燃料は、プレナム２４中に入らない（すなわち、プレナムには燃料が供給されない）。この位置では、多くの利点がある。
１）爆発波が衝撃波に変形したので、ピーク圧力が低下される、
２）空気バルブの近くでは、燃焼が、ほんの少しである、または全くないので、温度が低下され、したがって材料には、より良好になる、および
３）突然の面積変化によって爆発／衝撃波が弱められるので、ピーク圧力が低下されるが、円周方向ストレスによって静的ストレスが潜在的により高くなることに関し、トレードオフが存在する。
流速の制御
流れプロセスの大部分、たとえば、燃料補充、爆発開始、排出などは、バルク流速によって影響される。高いレベルで、ＰＤＣ１０中のバルク流速は、主に、質量流量、密度（たとえば、ＰおよびＴ）、ＰＤＣ１０の直径、および出口ノズル１４ののど面積によって制御される。局所バルク流速は、ＰＤＣ１０の局所直径を選択的に調節することによって、ＰＤＣ１０の長さ方向に沿って調節することができる。これは、少なくとも２つの領域で役立つことができるはずである。
１）燃料漏出を最小にするために役立つための出口ノズル１４に近接する領域。たとえば、局所的に直径をより大きくすることは、バルク流量を遅くする。長さの１００％近くチューブを燃料で満たすように試みるとき、誤って過剰に満たすことがある（燃料の浪費になる）。端部の近くで直径を局所的により大きくすることによって、過剰に燃料を満たすことにならずに、流下を遅らせ、流速のわずかな変動をもたらす「バッファ領域」を生成する。
２）空気バルブ１２と出口ノズルの間で、ＰＤＣ１０の中間で、障害場２２の領域中における領域。局所的により小さな直径が、バルク速度を増加させ、そして乱流の量および混合を増加させて、ＤＤＴプロセスをより効果的なものにする。しかし、より小さい直径は、より高い速度を暗示し、それは、より効果的なＤＤＴをもたらす場合があるはずだが、しかし、圧力低下がより大きくなるので、トレードオフが存在する。
圧力の制御
一般に、チューブ容積が大きくなればなるほど、より高い平均圧力上昇が実現されることになる。局所的に直径をどこかでより大きくすることは、圧力上昇を増加させ、排出時間を延長させることに役立つことができる（トレードオフが、ノズルののど直径と動作周波数に関して存在する）。

ＰＤＣ１０に沿った５か所の異なる位置に、プレナム２４を位置決めすることができることが想像される。これらの位置は、ただしこれらに限定されないが、
１）燃料噴射器の上流で、空気バルブ１２に近接した位置、
２）燃料噴射器と点火源の間の位置、
３）点火源の下流で、ＰＤＣ１０の長さ方向に沿った中間の位置
４）出口ノズル１４に近接した位置、
５）１）と４）の両方、および
６）上記のいずれもの組み合わせを含む。

１）〜５）のそれぞれの位置は、ＰＤＣ１０の機械的負荷の制御、流速制御および圧力上昇制御に異なるように影響を与える。図１に示す例示する実施形態では、プレナム２４は、ＰＤＣ１０の一方端部で燃料噴射器ポート１８と点火源２０の両方の上流において空気バルブ１２に近接して位置決めされる。この位置において、プレナム２４は、上流に進む衝撃（爆発）波に対して、横断面積の突然の変化を示す。爆発波が空気バルブ１２に達したとき、プレナム２４は、燃料を供給されず、単に加圧される。プレナム２４によってもたらされる、より大きい容積のために、爆発波の平坦部および排出時間が延長される。さらに、爆発波は、わずかに弱まり、爆発波のピークが低下され、それによって、空気バルブ１２に機械的利点をもたらす。さらに、プレナム２４は、ＰＤＣ１０の音響モードをうまく利用し、かつ補充および排気のプロセスに役立つように、調整することができる。

ここで図２を参照すると、プレナム２４のための別の位置は、燃料噴射器ポート１８と点火源２０の間にある（すなわち、燃料噴射器ポート１８の下流で点火源２０の上流）。この位置において、プレナム２４は、燃料を供給される（燃料供給点は、空気バルブ１２の上流、または空気バルブ１２の下流のいずれか、あるいはその両方とすることができる）。燃料を供給された結果として、プレナム２４は、爆発波および熱い排出物からの加圧および爆燃燃焼を経験する。プレナム２４によってもたらされる、より大きい容積のために、爆発波の平坦部および排出時間が延長される。さらに、爆発波は、わずかに弱まり、ピークが低下され、それによって、空気バルブ２４に対して機械的な利点をもたらす。しかし、プレナム２４は、直径がより大きいために、潜在的により高いストレスが局所的に引き起こされる恐れがある（およびストレスは、直径に比例する）。

ここで図３を参照すると、プレナム２４のための別の位置は、燃料噴射器ポート１８と点火源２０の下流にある。この位置において、プレナム２４は、燃料を供給される（燃料供給点は、空気バルブ１２の上流、または空気バルブ１２の下流のいずれか、あるいはその両方とすることができる）。燃料を供給された結果として、プレナム２４は、爆発波および熱い排出物からの加圧および爆燃燃焼を経験する。プレナム２４によってもたらされる、より大きい容積のために、爆発波の平坦部および排出時間が延長される。さらに、プレナム２４は、ＰＤＣ１０の音響モードをうまく利用し、かつ補充および排気のプロセスに役立つように、調整することができる。

ここで図４を参照すると、プレナム２４のための別の位置は、出口ノズル１４に近接している。この位置において、プレナム２４は、ＰＤＣ１０の所望の燃料供給の割合に応じて、燃料を供給する、または供給しないことができる。プレナム２４によってもたらされる、より大きい容積は、燃料供給割合の制御を向上させるために使用することができる、というのは、ＰＤＣ１０は、その長さ方向に沿って燃料を対流によって伝導するために、バルク流速に依存するからである。プレナム２４によってもたらされる、局所的により大きい直径のために、バルク流速が低下され、それによって、燃料供給時間のいずれもの誤り／ジッタが減少されて、過剰な、または不足した燃料供給が防止される。また、プレナム２４によってもたらされる、より大きい容積のために、爆発波の平坦部および排出時間が延長される。さらに、プレナム２４は、ＰＤＣ１０の音響モードをうまく利用し、かつ補充および排気のプロセスに役立つように、調整することができる。増加された容積は、燃焼器中の燃焼済みガスの滞留時間を増加させることに役立つ。この滞留時間の増加は、化学反応が完了まで進むことを可能にする。また、容積の増加は、ＰＤＣの動作周波数を合わせるために使用される。また、後側端部で（すなわち、出口ノズル１４に近い）増加された面積は、燃焼器のより熱い部分中の流速を低下させ、それは、燃焼器壁の冷却を促進する。

本発明は、圧力、速度および／または機械的負荷を、必要に応じて、合わすために、ＰＤＣ１０の長さ方向に沿って多重のプレナム２４を有することができることを理解されるはずである。図５に、ＰＤＣ１０の長さ方向に沿って多重のプレナム２４を備える、本発明の例示の実施形態を例示する。例示する実施形態では、１つのプレナム２４が、空気バルブに近接し、別のプレナム２４が、出口ノズル１４に近接する。この構成が、前の図のすべて中で暗示されているが、しかし、ここでさらにいっそう明らかにされる別のタイプの速度制御を強調していることに留意されたい。図５では、障害場２２が、ＰＤＣ１０の直径が減少された部分中にあることが明らかである。この障害場２２の位置は、通常役立つ、というのは、そのために局所速度が増加されて、乱流が障害内で増加され、それによって爆発形成の有効性を向上させるからである。

例示する実施形態では、プレナム２４と燃焼器１０の残部の間の遷移は、約９０度の急峻な角度２６である（すなわち、ＰＤＣ１０の壁に対して垂直である）。しかし、本発明は、燃焼器１０の壁とプレナム２４の間の遷移角度２６によって限定されないこと、および本発明は、ゼロから９０度の間のいずれもの所望の角度を用いて実施することができることを理解されるはずである。たとえば、遷移角度２６は、図５ｂに示すように、９０度より小さくすることができる。

上記に述べたように、プレナム２４は、下流（および上流）の構成要素に害を及ぼす恐れがある圧力パルスの「ピーク」を低下させ、パルス爆発燃焼器１０中で平坦部および排出の持続期間を延長させる。

例示の実施形態を参照して本発明を述べてきたが、当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更を実施することができ、その要素の代わりに同等物を用いることができることを理解されるはずである。さらに、本発明の教示に対して具体的な状況または材料を適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、多くの修正を実施することができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した具体的な実施形態に、限定されず、けれども本発明は、添付の請求項の範囲に含まれる、すべての実施形態を含むことになると企図される。

１０ パルス爆発燃焼器（ＰＤＣ）
１２ 空気バルブ
１４ 出口ノズル
１６ 空気流
１８ 燃料噴射器
２０ 点火源
２２ 障害場
２４ プレナム
２６ 遷移角度

Claims (10)

1. パルス爆発燃焼器（１０）であって、
   前記パルス爆発燃焼器は、壁を有し、前記壁に対する機械的負荷、前記燃焼器内で流れる流体の速度、および前記パルス爆発燃焼器によって生成される圧力の１つを制御するために、前記パルス爆発燃焼器の長さ方向に沿って少なくとも１つのプレナム（２４）を含む、パルス爆発燃焼器（１０）。
2. 前記プレナム（２４）は、その横断面積が、前記パルス爆発燃焼器（１０）の残部より約１．１〜約２．０倍大きい、請求項１記載のパルス爆発燃焼器。
3. 前記プレナム（２４）は、その横断面積が、前記パルス爆発燃焼器（１０）の残部の横断面積より約１．４倍大きい、請求項１記載のパルス爆発燃焼器。
4. 前記プレナム（２４）は、前記パルス爆発燃焼器（１０）の空気バルブ（１２）に近接して位置決めされる、請求項１記載のパルス爆発燃焼器。
5. 前記プレナム（２４）は、前記パルス爆発燃焼器（１０）の燃料噴射ポート（１８）と点火源（２０）の間に位置決めされる、請求項１記載のパルス爆発燃焼器。
6. 前記プレナム（２４）は、前記パルス爆発燃焼器（１０）の燃料噴射ポート（１８）と点火源（２０）の両方の下流に位置決めされる、請求項１記載のパルス爆発燃焼器。
7. 前記プレナム（２４）は、前記パルス爆発燃焼器（１０）の出口ノズル（１４）に近接して位置決めされる、請求項１記載のパルス爆発燃焼器。
8. 前記パルス爆発燃焼器（１０）は、複数のプレナム（２４）を含む、請求項１記載のパルス爆発燃焼器。
9. 前記複数のプレナム（２４）の１つが、前記パルス爆発燃焼器（１０）の空気バルブ（１２）に近接し、
   前記複数のプレナム（２４）の別のプレナムが、前記パルス爆発燃焼器（１０）の出口ノズル（１４）に近接している、請求項８記載のパルス爆発燃焼器。
10. 前記プレナム（２４）と前記パルス爆発燃焼器（１０）の残部の間の遷移角度（２６）が、９０度より小さい、請求項１記載のパルス爆発燃焼器。