JP4256820B2 - デトネーションエンジンおよびこれを備えた飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼波の前面に垂直衝撃波を伴ったデトネーション（爆轟）現象を利用したデトネーションエンジンに関するものである。

デトネーション現象を利用したデトネーションエンジンとしては、燃焼管出口に出口弁を備えるパルスデトネーションエンジン（例えば、非特許文献１参照）や、複数の衝撃波管を備える複合サイクル・パルスデトネーション・タービンエンジン（例えば、特許文献１参照）等が知られている。
小島孝之、「ＰＤＥの極超音速推進機関への応用に向けた概念検討」、平成１５年度衝撃波シンポジウム講演論文集、ｐ．１１３−１１６ 特開２００１−３５５５１５号公報（図１、図２）

しかしながら、上記非特許文献１に開示されたパルスデトネーションエンジンでは、出口弁が閉じられているときに、その閉じられた弁が抵抗になってしまうとともに、このような出口弁を設けることによりエンジン全体の構造が複雑化し、かつ、燃料充填・燃焼・膨張波による排気が１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度のサイクルで繰り返し行われるようになっているため、連続的な出力を得ることができないといった問題点があった。
一方、上記特許文献１に開示された複合サイクル・パルスデトネーション・タービンエンジンでは、上記非特許文献１で問題となっていた弁が排除され、かつエンジン全体として連続的な出力を得ることができるような構成となっているが、複数本の衝撃波管を設けなければならず、エンジン全体の構成は依然として複雑化したままであるといった問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、エンジン全体の構成を簡略化することができるとともに、連続的な出力を得ることができるデトネーションエンジンを提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載のデトネーションエンジンは、デトネーション波を発生させることにより推力を生み出すデトネーションエンジンであって、大気と燃料との混合気または酸素と燃料との混合気に軸線回りの旋回流を生じさせる旋回流発生手段と、前記旋回流発生手段の下流側に配置され、半径方向に延びかつ周方向に連続するリング状に形成され、前記旋回流発生手段により旋回流を生じさせられた混合気を周方向に連続的に燃焼し、デトネーション波を発生させ、半径方向内側から吸気し、半径方向外側へ排気するとともに、出口部に屈曲した流路を有するデトネーションチャンバと、前記デトネーションチャンバに接続され、前記デトネーションチャンバから流出されるデトネーション波によって生じる高温高圧の燃焼ガスを膨張させながら後方へ噴出させて推力に変換するノズルとを具備し、前記高温高圧の燃焼ガスが、デトネーション波となって回転しながら伝播していくことを特徴とする。
このようなデトネーションエンジンによれば、大気と燃料との混合気または酸素と燃料との混合気が、旋回流発生手段により旋回流を生じさせられてデトネーションチャンバに流入させられる。デトネーションチャンバは、半径方向に延びかつ周方向に連続するリング状に形成されているので、デトネーションチャンバに流入した旋回流を伴う混合気が燃焼させられると、デトネーション波が半径方向内側から半径方向外側に向かって進行する。一方、混合気の燃焼は、旋回方向の前方に次々と延焼するようにして連続的に伝播する結果、周方向に連続的に行われる。燃焼を終えた混合気は、高温高圧の燃焼ガスとなってデトネーションチャンバから次々に流出していくとともに、ノズルを通過する際に推力に変換される。
また、燃焼が終了した周方向位置におけるデトネーションチャンバの半径方向内側には、半径方向内側から半径方向外側に向かう燃焼ガスの慣性力により、希薄化した波（粗密波；圧力の低い波）が作り出されているので、新しい混合気が吸引されて、デトネーションチャンバ内に混合気が続いて充填され、周回してきた炎によって再度燃焼されるようになる。これにより、周方向に沿う燃焼が連続的に行われ、デトネーション波の発生が連続的かつ継続的に行われることになる。

請求項２に記載のデトネーションエンジンは、前記旋回流発生手段、前記デトネーションチャンバ、および前記ノズルの半径方向外側に、これら旋回流発生手段、デトネーションチャンバ、およびノズルを取り囲むように、アウターケーシングが設けられているとともに、これら旋回流発生手段、デトネーションチャンバ、およびノズルと、アウターケーシングとの間に、バイパス流路が形成されていることを特徴とする。
このようなデトネーションエンジンによれば、エンジンの外周側すべてにわたってバイパス流路が形成されるようになっているとともに、このバイパス流路内を空気（大気）が流れるようになっているので、エンジン内部で発生する燃焼音や駆動部の駆動音、ノズルから排出される燃焼ガスの排気音等が空気の層で包み込まれ（覆われ）、エンジン騒音が低減されることとなる。

請求項３に記載の飛行体は、請求項１または請求項２に記載のデトネーションエンジンを備えていることを特徴とする。
このような飛行体によれば、常に連続的な出力が維持されることとなるので、常に安定した飛行状態が維持されることとなる。

本発明によるデトネーションエンジンによれば、エンジン全体の構成を簡略化することができるとともに、連続的な出力を得ることができる。
また、このようなデトネーションエンジンを備えた飛行体によれば、常に連続的な出力が維持されることとなるので、常に安定した飛行状態を維持することができる。

以下、本発明によるデトネーションエンジンの第１実施形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明がこれに限定解釈されるものでないことは勿論である。
なお、図１は、本実施形態のデトネーションエンジン１０を具備した飛行体（例えば、ミサイル、ロケット、航空機等）１を示す斜視断面図であり、図２は、図１に示すデトネーションエンジン１０の要部断面図、図３は図２のIII-III矢視断面図である。

図１および図２に示すように、本実施形態によるデトネーションエンジン１０は、インレット１１と、燃料噴射ノズル１２と、入口側ガイドベーン（旋回流発生手段）１３と、デトネーションチャンバ１４と、ノズル１５とを主たる要素として構成されたものである。
インレット１１は、燃焼用の空気（大気）をデトネーションエンジン１０内に取り入れるための空気取り入れ口であり、このインレット１１では、飛行状態により亜音速あるいは超音速となる。したがって、このインレット１１は、現存するターボジェットエンジンやラムジェットエンジン等に慣習的に適用されてきたデザイン（形状）を有している。
燃料噴射ノズル１２は、インレット１１から取り入れられた燃焼用空気に燃料を噴射して可燃性の混合気を作り出すものであり、デトネーションチャンバ１４のちょうど入口１４ａで最も良好な混合状態となる混合気を作り出すためのものである。
デトネーションチャンバ１４の入口１４ａにおいて最も良好な混合状態となる混合気を作り出すためには、噴射システムの初期テストにおいて、燃料噴射ノズル１２の設置場所、ノズル形状、噴射圧力、噴射方向等を注意深く評価しなければならない。

入口側ガイドベーン１３は、燃料噴射ノズル１２の下流側でかつデトネーションチャンバ１４の上流側に等間隔で環状に配置された複数枚の案内羽根からなるものであり、デトネーションチャンバ１４に流入する混合気に、図３に示すような半径方向内側から半径方向外側に向かうとともに一方向に回転する回転流（旋回流）を与えるものである。
デトネーションチャンバ１４は、正面視輪状でかつ所定の奥行きを有するドーナツ状のチャンバ（あるいはリング状のチャンバ）であり、このデトネーションチャンバ１４内では、前述した混合気がデトネーション現象を伴って燃焼させられて、高温高圧の燃焼ガスが発生させられるようになっている。
なお、この高温高圧の燃焼ガスも、慣性力によりデトネーションチャンバ１４に流入する混合気と同様、図３に示すような半径方向内側から半径方向外側に向かうとともに一方向に回転する回転流（旋回流）となっている。
また、デトネーションチャンバ１４の形状、すなわち、チャンバの内径および外径、チャンバの断面形状（デトネーション現象が起こる空間の形状）、入口の位置等は、良好なデトネーション現象を得るのに最も重要なパラメータとなる。したがって、デトネーションチャンバ１４の形状は、エンジンの型式毎に慎重に研究・調査されなければならない。

ノズル１５は、デトネーションチャンバ１４の出口から後方（下流側）にかけて漸次拡がる空間であり、この部分を通過する燃焼ガスの膨張によって推力が作り出されるようになっている。
ノズル１５の入口、すなわち、デトネーションチャンバ１４の出口は、周方向に連続して形成されたスロート（もしくはスリット）、あるいは周方向に並んで配置された複数の孔（もしくは個々独立した複数のノズル）とされている。

さてここで、本発明によるデトネーションエンジン１０の基本的な作動原理について説明する。
前述したように、デトネーションチャンバ１４内でデトネーション現象を伴って燃焼させられた高温高圧の燃焼ガスは、いわゆる、デトネーション波となってデトネーションチャンバ１４内を半径方向内側から半径方向外側に回転しながら伝播していく。
このとき、デトネーションチャンバ１４内を伝播する高温高圧の燃焼ガスにより非常に大きな遠心力が発生し、この高温高圧の燃焼ガスは、デトネーションチャンバ１４の外周側の壁面に押しつけられるとともに、半径方向内側から半径方向外側に向かう燃焼ガスの慣性力により、希薄化した波（粗密波；圧力の低い波）がデトネーションチャンバ１４の半径方向内側に作り出されることとなる。すなわち、燃焼ガスがデトネーションチャンバ１４内から排出（排気）されるとともに、新しい混合気がデトネーションチャンバ１４内に再び充填されるようになっている。
言い換えれば、著しい圧力勾配および密度勾配が、デトネーションチャンバ１４の半径方向内側から半径方向外側に向かって作り出されることとなる。
この著しい圧力勾配および密度勾配（デトネーションチャンバ１４の内周側に低圧・粗密度）が形成されることにより、デトネーションチャンバ１４の低圧側（すなわち、内周側）に、新しい混合気の流れを自然に得ることができる（自動的に維持すること（持続することができる）ようになっており、これにより、デトネーションチャンバ１４内で連続的に伝播するデトネーション波が、エンジン運転中のすべての時間にわたって作り出されるとともに維持され（持続され）、エンジンの連続的な運転が可能となっている。
一方、ノズル１５から排出される燃焼ガスの膨張により推力が生み出されるようになっている。
なお、次のデトネーションフロントが現れる前に、新しい新鮮な混合気は、先のデトネーションが既に通り過ぎた領域を充填するのに十分な時間を有していなければならない。
すなわち、デトネーションチャンバ１４の作動頻度（回数）は、デトネーションフロントの速度とデトネーションチャンバ１４の大きさにより決まる。
同時に、デトネーション現象により生じた燃焼ガスがデトネーションチャンバ１４から流れ出るのに十分な時間を有していなければならない。

このような構成を有するデトネーションエンジン１０によれば、エンジン全体の構成を簡略化することができるとともに、連続的な出力を得ることができる。
また、このようなデトネーションエンジン１０を備えた飛行体１によれば、常に連続的な出力が維持されることとなるので、常に安定した飛行状態を維持することができる。

本発明によるデトネーションエンジンの第２実施形態を、図４を用いて説明する。
図４は、図２と同様の図であり、本実施形態によるデトネーションエンジン２０の要部断面図である。
図４に示すように、本実施形態によるデトネーションエンジン２０は、インレット１１と、燃料噴射ノズル１２と、デトネーションチャンバ１４と、ノズル１５と、タービンノズル２１と、タービンロータ２２と、を主たる要素として構成されたものである。
なお、インレット１１、燃料噴射ノズル１２、デトネーションチャンバ１４、およびノズル１５については、第１実施形態のところで既に説明したので、ここではその説明を省略する。

タービンノズル２１は、断面翼型を有するノズルガイドベーンを複数枚環状に並べて構成されたもので、デトネーションチャンバ１４からの流出ガスを膨張・減圧させるとともに、自身からの流出ガスが、後述するタービンブレード２６に対して最適な角度で衝突するよう、流出ガスの流れ方向を変える働きをするものである。
タービンロータ２２は、シャフト２３と、インペラ（コンプレッサ：旋回流発生手段）２４と、ディスク２５と、タービンブレード２６とを備えてなり、インペラ２４およびディスク２５はシャフト２３に直接、タービンブレード２６はディスク２５を介してシャフト２４に取り付けられている。したがって、タービンノズル２１からの流出ガスがタービンブレード２６に衝突することにより、シャフト２３、インペラ２４、ディスク２５、およびタービンブレード２６が、一体に回転するようになっている。
インペラ２４は、ディスク２５よりも上流側（前方側；図において左側）に位置するシャフト２３に取り付けられているとともに、このインペラ２４の中心部近くから吸入された混合気が、インペラの高速回転による遠心力で外周方向（すなわち、デトネーションチャンバ１４の方向）へ放出加圧されるようにするものであり、これにより、加圧された混合気がデトネーションチャンバ１４内に供給されるようになっている。
また、このインペラ２４は、前述した入口側ガイドベーン１３と同様の役目を果たすものでもある。

このような構成を有するデトネーションエンジン２０によれば、シャフト２３を、既存のガスタービンエンジンに適用されている（電気式あるいは空気式の）スタータを用いて回転させることができるので、エンジンの始動をより容易なものとすることができ、かつエンジンの始動性を向上させることができる。
また、デトネーションチャンバ１４内に流入する混合気が、インペラ２４により予め加圧されることとなるので、デトネーション現象後の燃焼ガスの圧力を増加させることができて、エンジンの出力を増大させることができる。
その他の作用効果については、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるデトネーションエンジンの第３実施形態を、図５を用いて説明する。
図５は、図１と同様の図であり、本実施形態のデトネーションエンジン３０を具備した飛行体（例えば、ミサイル、ロケット、航空機等）２を示す斜視断面図である。
図５に示すように、本実施形態によるデトネーションエンジン３０は、インレット１１と、燃料噴射ノズル１２と、入口側ガイドベーン１３と、デトネーションチャンバ１４と、ノズル１５と、タービンロータ３１と、アウターケーシング３２と、を主たる要素として構成されたものである。
なお、インレット１１、燃料噴射ノズル１２、入口側ガイドベーン１３、デトネーションチャンバ１４、およびノズル１５については、第１実施形態のところで既に説明したので、ここではその説明を省略する。

タービンロータ３１は、ディスク３３と、タービンブレード３４と、ファン３５とを備えてなり、タービンブレード３４はディスク３３の半径方向外側に、ファン３５はタービンブレード３４の半径方向外側にそれぞれ設けられている。また、ディスク３３は、ベアリング３６を介してデトネーションエンジン３０の本体３０ａに取り付けられている。したがって、デトネーションチャンバ１４からの流出ガスがタービンブレード３４に衝突することにより、ディスク３３、タービンブレード３４、およびファン３５が、一体に回転するようになっている。
アウターケーシング３２は、ファン３５の先端（外周端）外側に配置された、中空円筒状のケーシング（カウリング）であり、ファン３５側（すなわち、デトネーションエンジン３０の半径方向外側）に、空気（大気；air）を流すためのバイパス流路Ｂを形成させるためのものである。

このような構成を有するデトネーションエンジン３０によれば、エンジンの外周側すべてにわたってバイパス流路Ｂが形成されるようになっているので、エンジン内部で発生する燃焼音や駆動部の駆動音、ノズル１５から排出される燃焼ガスの排気音等を空気の層で包み込む（覆う）ことができ、エンジン騒音を低減させることができる。
また、バイパス流路Ｂ内を通過する空気は、ファン３５により加圧された後、後方（進行方向と反対側）に噴出されることとなるので、バイパス流路Ｂから流出する空気が推力の一部となり、エンジンの推力が向上することとなる。
その他の作用効果については、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるデトネーションエンジンの第４実施形態を、図６を用いて説明する。
本実施形態におけるデトネーションエンジン４０は、前述した第１実施形態と同様の構成を有するものであるが、酸素が存在しない空間（例えば、大気圏外の宇宙空間）でも使用できるように、あるいは飛行体の中でも特に速い飛行速度が要求される飛行体に適用できるように、インレット１１を介して酸素が、燃料噴射ノズル１２を介して、例えば、水素等の燃料が供給されるようになっている点で前述した第１実施形態のものと異なる。

このような構成を有するデトネーションエンジン４０によれば、燃焼に空気（大気）を必要としないので、酸素が存在しない空間でも使用することができる。
その他の作用効果については、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明によるデトネーションエンジンの第５実施形態を、図７を用いて説明する。
本実施形態におけるデトネーションエンジン５０は、前述した第４実施形態と略同様の構成を有するものであるが、エンジンの外周側すべてにわたってバイパス流路Ｂが形成されるように、アウターケーシング５１が設けられているという点で前述した第４実施形態のものと異なる。
その他の構成要素については前述した第４実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

アウターケーシング５１は、第３実施形態のところで説明したアウターケーシング３２と同様の構成を有するもので、その内側には空気（大気）を流すためのバイパス流路Ｂが形成されている。

このような構成を有するデトネーションエンジン５０によれば、エンジンの外周側すべてにわたってバイパス流路Ｂが形成されるようになっているので、エンジン内部で発生する燃焼音や駆動部の駆動音、ノズル１５から排出される燃焼ガスの排気音等を空気の層で包み込む（覆う）ことができ、エンジン騒音を低減させることができる。
また、バイパス流路Ｂ内を通過する空気は、ノズル１５から噴出される燃焼ガスのエゼクタ（ejector）効果により下流側（後方側；図において下側）に吸い出され、バイパス流路Ｂ内を通過する空気量が増大することとなるので、エンジン騒音をさらに低減させることができる。

なお、以上説明したデトネーションエンジンにおいて、デトネーションにより非常に高温となるデトネーションチャンバ１４の壁面が、混合される前の空気（大気）や酸素、あるいは燃料等を使って冷却できるように構成されていればさらに好適である。
これにより、デトネーションチャンバ１４の壁面を燃焼ガスの熱から守ることができるとともに、空気（大気）や酸素、あるいは燃料等が混合される前に適度に加熱されることにより、デトネーションの開始を容易なものとすることができ、かつデトネーションをより適切に維持（継続）させることができる。

また、本発明によるデトネーションエンジンは、上述したような飛行体にのみ適用され得るものではなく、例えば、発電気用原動機や航空機等の補助動力ユニットとしても使用することができる。

さらに、上述した実施形態では、飛行体とデトネーションエンジンとがあたかも一体に構成されたかのように図示されているが、本発明はこのようなものに限定されるものではなく、デトネーションエンジンを飛行体とは別体に構成させ、別体に構成されたデトネーションエンジンを飛行体に取り付けるようにすることもできる。

本発明によるデトネーションエンジンの第１実施形態を示す図であって、このデトネーションエンジンを具備した飛行体を示す斜視断面図である。 図１に示すデトネーションエンジンの要部断面図である。 図２のIII-III矢視断面図である。 本発明によるデトネーションエンジンの第２実施形態を示す要部断面図である。 本発明によるデトネーションエンジンの第３実施形態を示す図であって、このデトネーションエンジンを具備した飛行体を示す斜視断面図である。 本発明によるデトネーションエンジンの第４実施形態を示す要部断面図である。 本発明によるデトネーションエンジンの第５実施形態を示す要部断面図である。

符号の説明

１ 飛行体
２ 飛行体
１０ デトネーションエンジン
１３ 入口側ガイドベーン（旋回流発生手段）
１４ デトネーションチャンバ
１５ ノズル
２０ デトネーションエンジン
３０ デトネーションエンジン
３２ アウターケーシング
４０ デトネーションエンジン
５０ デトネーションエンジン
５１ アウターケーシング
Ｂ バイパス流路

Claims (3)

1. デトネーション波を発生させることにより推力を生み出すデトネーションエンジンであって、
   大気と燃料との混合気または酸素と燃料との混合気に軸線回りの旋回流を生じさせる旋回流発生手段と、
   前記旋回流発生手段の下流側に配置され、半径方向に延びかつ周方向に連続するリング状に形成され、前記旋回流発生手段により旋回流を生じさせられた混合気を周方向に連続的に燃焼し、デトネーション波を発生させ、半径方向内側から吸気し、半径方向外側へ排気するとともに、出口部に屈曲した流路を有するデトネーションチャンバと、
   前記デトネーションチャンバに接続され、前記デトネーションチャンバから流出されるデトネーション波によって生じる高温高圧の燃焼ガスを膨張させながら後方へ噴出させて推力に変換するノズルとを具備し、
   前記高温高圧の燃焼ガスが、デトネーション波となって回転しながら伝播していくことを特徴とするデトネーションエンジン。
2. 前記旋回流発生手段、前記デトネーションチャンバ、および前記ノズルの半径方向外側に、これら旋回流発生手段、デトネーションチャンバ、およびノズルを取り囲むように、アウターケーシングが設けられているとともに、これら旋回流発生手段、デトネーションチャンバ、およびノズルと、アウターケーシングとの間に、バイパス流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のデトネーションエンジン。
3. 請求項１または請求項２に記載のデトネーションエンジンを備えていることを特徴とする飛行体。

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