JP4277020B2 - パルス燃焼エンジン - Google Patents

Description

本発明は、パルス燃焼エンジンに関し、より詳細には、ハイブリッド・パルス燃焼タービン・エンジンに関する。

従来のガスタービン・エンジンでは、連続的な、ほぼ定圧（ランキンサイクル）モードで燃焼が生じる。そのような従来のガスタービン・エンジン燃焼は評判が悪く、非効率的であり、効率を向上するための努力が多くなされている。

より燃焼効率の高い、ほぼ定容量燃焼型パルス・デトネーション・エンジン（ｐｕｌｓｅ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ（PDE））を、タービン・エンジンの燃焼器に適用することが提案されている。汎用的なPDEにおいて、燃料と酸化剤（例えば、空気などの酸素含有ガス）は、通常、（例えば、空気に混合された炭化水素燃料の小滴又は蒸気である）混合気として入口弁を通って、上流の入口端から細長い燃焼室に入る。この燃料混合気が導入されると弁は閉じ、燃料混合気を起爆させるために点火装置が利用される（直接、又は燃焼へ移行する爆燃のいずれか）。デトネーション（爆ごう）波（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｗａｖｅ）は、燃料／空気の混合気が出口から相当量排出される前に、混合気の十分な燃焼によって生じる超音速で出口に向かって伝播する。燃焼により、十分なガスが慣性的に出口を通って放出する前にチャンバ内の圧力は急速に上昇する。この慣性閉じ込めによる効果は、定容量に近い燃焼を生じさせるものである。ＰＤＥにおいて、本質的な爆燃による燃焼を使用することも又提案されている。米国特許出願公開第２００４／０１２３５８２号明細書、米国特許出願公開第２００４／０１２３５８３号明細書及び欧州特許出願公開第１４３５４４７号明細書並びに欧州特許出願公開第１４３５４４０号明細書は、パルス燃焼ガスタービン・エンジンの種々の形態を開示している。
米国特許出願公開第２００４／０，１２３，５８２号明細書、 米国特許出願公開第２００４／０，１２３，５８３号明細書 欧州特許出願公開第１，４３５，４４７号明細書 欧州特許出願公開第１，４３５，４４０号明細書

従って、本発明は効率が改善された、タービン・エンジンに適用可能なパルス燃焼装置を提供するものである。

本発明は、
外側壁と、複数のアパーチャを有する内側壁と、内側壁によって外側壁から分離される内部空間を有するコンジットと、
周期的に燃料混合気を内部空間に供給するように配置される導入システムと、
供給された燃料混合気を点火するよう配置される点火システムと、
複数のアパーチャを介して少なくとも周期的に冷却空気を方向付けるよう配置される、流れ方向付け面、
を含んでなることを特徴とする、パルス燃焼装置を提供する。ここで、前記内側壁はポケットの列を有し、かつ、複数のアパーチャは、各ポケットに関し、そのポケットの内側と、内側壁と外側壁の間の空間との間の第１のアパーチャと、ポケットの内側と内部空間の間の第２のアパーチャを有するものであってよい。また、複数のアパーチャを有する中間壁を、前記外側壁と内側壁の間に配置して、冷却空気を、内側壁に到達する前に、その中間壁によって方向付けすることもできる。さらに、内側壁はポケットの列を有し、かつ、内側壁の複数のアパーチャは、各ポケットに関し、そのポケットの内側と、内側壁と中間壁の間の空間との間の第１のアパーチャと、ポケットの内側と内部空間の間の第２のアパーチャを有する形態であってもよい。ここで、内側壁は、内側層と、内側層に固定され、かつ、ブリスター列を有することにより、内側層と協働してポケットを形成する、外側層を有することが好ましい。点火システムは、燃料混合気のデトネーションを誘発するのに効果的である。

本発明は又、
軸を有するケースと、
圧縮機と、
タービンと、
周方向における燃焼チャンバ・コンジットの列、
を含んでなり、
コンジットは、圧縮機の下流かつタービンの上流に位置し、その列は、各コンジットが、上流からの燃料混合気を収容する燃料混合気供給ゾーンから、燃料混合気の燃焼生成物を下流において排出するための排出ゾーンへと周期的に移動させるよう、軸を中心とする第１の方向においてケースに対して連続的に回転するよう支持され、
前記コンジットは、
外側壁と、
内側壁と、
内側壁によって外側壁から分離され、かつ、それぞれが少なくとも１つの外部ポートと少なくとも１つの内部ポートを有するポケット列を有する内部空間、
を含んでなることを特徴とする、タービン・エンジンを提供するものである。ここで、内側壁は、第１の層と、第１の層に固定され、かつ、第１の層と協働してポケットを形成する外向きのブリスターを有する第２の層と、第２の層の外側に位置し、かつ、オリフィス列を有する第３の層、を含んでなるものであってよい。また、このエンジンは、圧縮機とタービンを十分に通る第１の空気流を有し、第１の空気流の第１の部分は、燃料混合気供給ゾーンの燃焼チャンバ・コンジットを通り、かつ、第１の空気流の第２の部分は燃焼を迂回し、第２の部分に対する第１の部分の質量流量比は１：１から１：３であってよい。ここで、エンジンがターボファン・エンジンの場合、第１の空気流はコア空気流であり、さらに、迂回空気流は、圧縮機とタービンを迂回し、コア空気流に対する迂回空気流の質量流量比は３：１から９：１である。燃焼はデトネーションを含む。また、このエンジンにおいて、列はフリースプール上にあり、かつ回転は、燃焼生成物の部分的な接線方向で駆動され得る。さらに、エンジンのタービンと圧縮機のそれぞれは、高速スプールと低速スプールのそれぞれの上にある高段と低段を含んでなり、前記列はフリースプール上にあってよい。エンジンは、それぞれが、関連するコンジット内の燃料混合気の燃焼を開始させるよう、関連するコンジットの１つに対して配置される複数の点火器をさらに含むものであってよい。

本発明はさらに、
圧縮機と、
軸に沿った圧縮機と同軸のタービンと、
圧縮機からの空気を収容し、かつ、燃焼ガスをタービンに送出し、かつ、
第１と第２のチャンバを有し、複数の位置を介して軸を中心に回転するよう保持され、それら複数の位置が、
上流からの燃料混合気を収容するための少なくとも１つの燃料混合気収容位置と、
燃料混合気の燃焼を開始するための少なくとも１つの開始位置と、
燃料混合気の燃焼生成物を下流で排出するための少なくとも１つの排出位置と、
第１のチャンバと第２のチャンバを分離する壁の複数のアパーチャを介して、第２のチャンバから第１のチャンバへ冷却空気を方向付けることにより、第１のチャンバと第２のチャンバを分離するその壁を冷却する、少なくとも１つの冷却位置、
を包含する、複数の燃焼チャンバ・コンジットを有するパルス燃焼器、
を含んでなることを特徴とする、タービン・エンジンに関する。エンジンは、圧縮機からの空気中に燃料を噴射して燃料混合気を形成するための、少なくとも１つの燃料インジェクタをさらに含んでよい。上記少なくとも１つの冷却位置は、少なくとも１つの燃料混合気収容位置の大部分と共通してよい。また、コンジットのそれぞれは入口と出口を有し、かつ、少なくとも１つの排出位置が、その入口を遮断する第１の排出位置と、その入口が遮断されないパージ位置を含み、さらに、前記少なくとも１つの冷却位置が、前記少なくとも１つのパージ位置の大部分と共通するものであってよい。このエンジンは、整合された前記燃焼チャンバ・コンジットの一時的な第１の組に空気を運ぶ少なくとも第１のセクタと、整合された前記燃焼チャンバ・コンジットの一時的な第２の組の上流端を上流における連絡から遮断する少なくとも第２のセクタを有する、非回転マニフォールド部分をさらに含むものであってよい。エンジンは、少なくとも１０の燃焼チャンバ・コンジットを有することが可能である。

本発明は、さらに、
外側壁と、
内側壁と、
内側壁によって外側壁から分離される内部空間
を含んでなり、
前記内側壁は、それぞれが少なくとも１つの外側出口と少なくとも１つの内側出口を有するポケット列を有することを特徴とする、燃焼器を提供する。上記ポケットのそれぞれは、ライナーに固定される外側要素内の関連するブリスターによって形成され、関連するポケットの入口は外側要素内にあり、かつ、関連するポケットの出口はライナー内にある。燃焼器は、内側壁と外側壁の間にあり、かつ、アパーチャの列を有する中間壁をさらに含んでもよい。

本発明は又、
外側壁と、
内側壁と、
内側壁によって外側壁から分離される内部空間
を含んでなり、
前記内側壁は、それぞれが少なくとも１つの外側出口と少なくとも１つの内側出口を有するポケット列を有することを特徴とする、燃焼管に関する。

さらに、本発明は、
吸入空気を圧縮することと、
それぞれのコンジットに関し、圧縮された吸入空気と燃料の燃料混合気を、コンジットが回転の燃料混合気供給部分に沿って通る際にコンジットに周期的に供給することと、
燃料混合気の燃焼を開始することと、
コンジットからの燃焼生成物を周期的に排出することと、
コンジットの壁中の複数のアパーチャを介して圧縮空気の冷却部分を周期的に供給することが包含され、かつ、
排出された生成物からワークを抽出すること、
を含んでなることを特徴とする、軸を中心に無数に回転するよう保持される複数の燃焼チャンバ・コンジットを有するタービン・エンジンを操作する方法を提供する。この方法の一態様として、各コンジットの壁が内部壁であり、燃料混合気を供給することが、冷却部分の供給と少なくとも部分的に同時に行われ、冷却部分を供給することが、内側壁の外側層中の複数のアパーチャの第１の組に冷却部分を通過させることと、内部壁の内側層中の複数のアパーチャの第２の組に冷却部分を通過させることと、内部壁の内側層中の複数のアパーチャの第３の組に冷却部分を通過させることを含んでなり、内側層は複数のブリスターを有し、かつ、第２の組のそれぞれのアパーチャは関連するブリスターの１つの外側部分内にあり、さらに、第３の組のそれぞれのアパーチャは関連する１つのブリスターの内側部分にある。

本発明の第１の態様は、パルス燃焼装置に関連する。装置は、コンジットと内部壁を備える。内部壁は、複数のアパーチャを有する。内部空間は、内部壁によって外部壁から分離されている。導入システムは、内部空間内に燃料混合気を周期的に入れるよう配置される。点火システムは、燃料混合気を点火するために設けられる。アパーチャを介して冷却空気を少なくとも周期的に方向付けるために、流れ方向付け面が設けられる。

様々な実装において、内部壁は一連の容積（ポケット）を有してもよい。各ポケットに関し、アパーチャは、そのようなポケットと、内部壁と外部壁の間の内部空間の間における第１のアパーチャと、ポケットの内側と内部空間の間に第２のアパーチャを包含するものであってよい。外部壁と内部壁の間に中間壁を配置することができ、そのような中間壁は複数のアパーチャを有するものであってよい。冷却空気は、内部壁に到達する前に中間壁を通るよう方向付けてもよい。内部壁は、内側層とそこに固定される外側層を有することができる。外側層は、内部層と協働してポケットを形成する三次元の隆起部分（エクスカーション・フィーチャー（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅ））（例えば、ドーム状のブリスター）の列を有してもよい。点火装置は、燃料混合気のデトネーションを誘発するのに効果的である。

本発明の第２の態様は、軸を有するケース、圧縮機、タービン及び周方向において配列された燃焼器チャンバ・コンジットを備えるタービン・エンジンに関する。コンジットは圧縮機の下流、かつ、タービンの上流に位置する。コンジットの配列は、上流からの燃料混合気を収容するための燃料混合気供給ゾーンから、下流で燃料混合気の燃焼生成物を排出するための排出ゾーンへ、各コンジットを周期的に移動させる、軸を中心とする第１の方向におけるケースに対する連続回転のために支持される。コンジットのそれぞれは、外部壁と内部壁を備える。内部空間は、内部壁によって外部壁から分離され、一連のポケット列を有する。各ポケットは、少なくとも１つの外側ポートと少なくとも１つの内側ポートを有することができる。

様々な実装において、内部壁は第１の層と、第１の層の外側表面に固定される第２の層を備える。第２の層は、第１の層と協働してポケットを形成する、一連の外側に隆起したブリスター列を有することができる。第２の層の外側に、一連のオリフィス列を備える第３の層を設けてもよい。相当量の第１の空気流が圧縮機とタービンを通るが、第１の空気流の第１の部分は燃料の燃焼器チャンバ・コンジットを通過し、かつ、第１の空気流の第２の部分は燃焼を迂回する。第２の部分に対する第１の部分の質量流量比は、１：１から１：３であってよい。エンジンは、ターボファン・エンジンであってよい。第１の空気流はコア空気流であってよく、迂回空気流は圧縮機とタービンを迂回するものであってよい。コア空気流に対する迂回空気流の質量流量比は、３：１から９：１であってよい。列は、フリースプール（ｆｒｅｅ ｓｐｏｏｌ）上に配列されてよく、また、回転は、部分的に燃焼生成物の接線方向に生じるものであってよい。

本発明の第３の態様は、圧縮機、軸に沿った圧縮機と同軸のタービン、及び、圧縮機からの空気流を収容し、かつ、タービンに燃焼ガスを送出するパルス燃焼器を有するガスタービン・エンジンに関連する。燃焼器は、軸を中心とした回転のために複数の部分によって保持される第１及び第２の部分、即ちチャンバを有する、複数の燃焼器チャンバ・コンジットを有する。チャンバは、上流からの燃料混合気を受容する、少なくとも１つの燃料混合気受容位置と、燃料混合気の燃焼を始動する、少なくとも１つの始動位置と、燃料混合気の燃焼生成物を下流において排出する、少なくとも１つの排出位置と、壁部中の複数のアパーチャを介して、冷却空気を第２のチャンバから第１のチャンバへ送ることによって、第１と第２のチャンバを分離する壁部を冷却する、少なくとも１つの冷却位置を備える。

様々な実装において、燃料混合気を生成するために、圧縮機からの空気に燃料を噴射する、少なくとも１つの燃料インジェクタが設けられる。少なくとも１つの冷却位置は、少なくとも１つの燃料混合気受容位置の大部分と共通していてもよい。

本発明の１つ又はより多くの実施態様の詳細を、以下の関連する図面並びに詳細な説明において説明する。本発明のその他の特徴、目的及び利点については、その詳細な説明と図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなろう。

異なる図面における同様の符号並びに名称は、同様の構成要素を示す。

タービン・エンジンに、新規な燃焼管形態を適用することができる。代表的なタービン・エンジン並びに燃焼器は、米国特許出願公開第２００４／０１２３５８２号明細書、米国特許出願公開第２００４／０１２３５８３号明細書及び欧州特許出願公開第１４３５４４７号明細書並びに欧州特許出願公開第１４３５４４０号明細書に示されるものを変更したものであってよい（これらの開示はそのまま、ここに参照として組み入れられる）。

図１は、長手方向中心軸５００、ダクト２２及びコア２４を有するターボファン・エンジン２０を示している。ダクト２２は、コアのケース・アッセンブリ２５に対して、ベーン２６によって支持される。ダクトに吸入空気が入る時、ファン２８は、第１の流路５０２に沿った迂回分流を、ダクトとコアの間で径方向に運び、かつ、コア分流を、第２の流路５０４に沿ってコアを介して運ぶ。ファンの下流に位置するコアにおいて、交互に配置されたロータ・ブレードとステータ・ベーンの環を有する圧縮機セクション３０は、コア空気を圧縮し、さらに下流の燃焼器セクション３２に送り、そこでコア空気は燃料と混合されて燃焼される。燃焼器の下流に位置する混合ダクト３４は、燃料供給と燃焼を回避する空気分流と、燃料へ供給され、かつ燃焼される分流とを混合することが可能である。混合ダクトの下流では、タービンセクション３６が、混合ダクトの出力によって駆動され、それにより、圧縮機とファンが駆動される。オーグメンター（図示せず）を、タービンの下流に配置してもよい。

代表的な燃焼器は、パルス燃焼コンジットとして動作し得る、環状燃焼コンジット４０を備える。代表的なコンジットは、パルス・デトネーション装置として動作するが、同様の構造体も、パルス爆燃で使用可能であろう。コンジットは、エンジンの長手方向中心軸を中心として、ケース・アッセンブリに対して回転するための、回転（ｃａｒｏｕｓｅｌ）構造体４２内に実装される。図示する実施態様において、以下でより詳細に説明すると、回転体は、タービン／圧縮機の組み合わせの高低スプールに加えて、第３のフリースプールを形成する。その他の、スプールのより多い、あるいはより少ない、圧縮機、タービンセクション配置の実施態様も可能である。

各コンジットは、それぞれが第１の通路と第２の通路を形成する、第１の容積（チャンバ）４４と第２の容積（チャンバ）４６を備える（図３）。それぞれの第１の容積４４は、前方／上流の入口端４７と、後方／下流の出口端４８を有する（図３及び図４）。各第２の容積４６は、前方／上流の入口端４９と、後方／下流の出口端５０を有する（図２及び図４）。第１と第２の容積４４，４６の主要な（例えば、約５０から７０％、あるいはより多くの）長さ部分に沿って、第１の容積４４は、第２の容積４６により、概ね、同心円状に取り囲まれる。これら共通の長さに沿って、（例えば、環状で真っ直ぐなセクションである）管５２が、管入口端５３から管出口端５４まで、容積４４，４６を分離するよう、長手方向中心軸５０６に沿って延在する（図２及び図４）。以下でより詳細に説明するように、管出口端５４の下流における、容積４４，４６の断面形状を変位させて、周方向に交互にあるいは相互に挟むよう配置してもよい。

代表的な回転体は、周方向に延在する内側壁６２から離間して、周方向に延在する外側壁６０を含んでなる。周方向に配列された径方向／長手方向壁部６４は、個々の第２の容積４６を概ね取り囲むように、外側壁６０と内側壁６２の間の範囲内にわたって延在している。従って、代表的な径方向の壁は、それぞれが隣接する一対の容積４６によって共有され、２つの径方向の壁部と、内側及び外側の壁６０，６２である介在部分が、そのような容積４６の外側の「壁」を形成する。

回転体（ｃａｒｏｕｓｅｌ）の上流端において、第１の容積４４は、本質的に外側の環状セクタであり、かつ、関連する容積４６は、本質的にそのすぐ内側の環状セクタであり、ダクト部分６６によって、第１の容積４４から分離されている。そのセクタにおいて隣接する上流／入口端４７から、第１の容積４４の断面形状は、環状セクタ（形状）から、管５２の上流端／入口５３において、円形状などの別の形状へ移行してよい。

第１及び第２の容積の上流端４７，４９は、後方の、固定されたマニフォールド８０の下流部分に近接する（図４）。代表的な実施態様において、マニフォールドの燃料混合気供給セクタに沿って、マニフォールド８０は、コア流を２つの分流、即ち、内側通路８１に沿う内側分流と、外側通路８２に沿う外側分流とに分割する。通路８１，８２は、圧縮段の最後段のすぐ下流に位置する上流のリム８４と、下流のリム８６を有する周方向の壁８３によって分離されている。下流のリム８６は、回転体の外側壁６２と内側壁６４の、径方向における上流のリム９２と９４の間に配置されたダクト６６の上流のリム９０（図３）に近接してほぼ整合されている。この燃料混合気供給セクタに沿って、マニフォールドは、コアの壁１０２に取り付けられた、周方向における燃料インジェクタ１００の列を有する。インジェクタは、マニフォールドの外側通路８４に沿ったコア流の外側部分にのみ燃料を導入するよう、リム８４の十分下流に配置されたアウトレット１０４を有する。この、燃料・空気の混合流は、次いで、燃料コンジット４０の、第１の容積４４の内の一時的に整合された容積内を通る。シーリング機構（図示せず）を、マニフォールドと回転体の間に形成してもよい。コア空気の、燃料を供給されない部分は、壁８３の内側にあるマニフォールドの内側通路８１を通過して、コンジット４０の、一時的に位置あわせされた第２の容積４６内へ入る。

燃料混合気供給セクタの外側における、点火・排出セクタでは、マニフォールドは、一時的に整合された第１の容積４４の入口端４７を封止する遮断要素１２０（図５）を有する。しかしながら、代表的な実施態様においては、遮断要素１２０は、（燃料混合気供給セクタに燃料供給された）コア流路の外側分流だけを効果的に遮断し、内側分流はそのまま流させて、第２の容積４６内へ入らせる。コア流の外側分流は全体的に遮断されてもよいが、代表的な実施態様では、その分流は、単に燃焼器を迂回するよう方向転換するだけであり、局部的な径方向の隆起と、壁１０２の長手方向延長部１２６によって形成された通路１２４を通って燃焼器の外側を通過する。この迂回は、燃料を供給されない、比較的低温の空気を方向転換させて、排出セクタにおける燃焼生成物をさらに冷却又は急冷するようそれらに混合させる。混合ダクト３４は、そのため、タービン・セクションに入る流れを周方向において均質化するよう転位させる。

点火及び排出は、第１の容積４４のそれぞれが十分に封止されると行われる。エンジンは、燃焼器チャンバ内で燃料空気混合気の燃焼を開始させるための手段を備える。代表的な手段は、点火・排出セクタの始端において、第１の容積４４が遮断されるとすぐに燃料空気混合気の燃焼を開始する。図５は、各コンジット４０のための、単一の低背型の（ｓｉｎｇｌｅ ｌｏｗ ｐｒｏｆｉｌｅ）スパーク・プラグ１３０の形態を有する手段を示している。そのような単一のプラグを使用する場合には、第１の容積４４の上流端に隣接して配置することが好ましい。代表的な実施態様において、プラグは、前方のリム９２のすぐ下流に位置する外側壁６０に取り付けられる。この代表的なスパーク・プラグは、回転体とともに回転し、かつ、エンジンの回転部と非回転部の間で電気通信を行う、適切な配電機構などによって電力を供給されかつ制御される。代替の実施態様では、遮断要素１２０内にプラグ１３０が実装される。そのような実装により、エンジンの回転部と非回転部の間の電気通信の複雑さを低減することができる。さらに、代替の始動システムには、分岐システム、連続システム（例えば、レーザやその他のエネルギービーム）、あるいは分岐−連続システムなどが包含される。そのようなシステムの例は、米国特許出願公開第２００４／０，１２３，５８３号明細書中に見られる。第１の容積４４は一端から一端までの長さを有し、特徴的な径と同じ横方向寸法を有する。点火装置が作動されると、プラグの関連する点火点から径方向外側に向かって、超音速度（例えば、毎秒約３，０００フィート（ｆｐｓ）（毎秒９１４．４ｍ）を超える速度で、通常、４，０００〜６，０００ｆｐｓ（毎秒約１，２１９．２〜１，８２８．８ｍ）の範囲内）で火炎面を伝播するデトネーション・パルスが生成される。ほぼ全燃焼は、火炎面がプラグから管出口端５４、又は、第２の容積出口４８へ移動するのに要する時間内に達成される。第１の容積４４の上流端に隣接するプラグ、並びに、長さよりも相当短い径により、この火炎面の移動距離は、本質的に長さと等しい。そのようなデトネーション燃焼の代表的な作動圧力比（ＯＰＲ）は、２：１から６：１である。

管出口端５４から排出された燃焼ガスは、回転体のディスクと一体的に形成され得る旋回ベーン１４０に衝突する。代表的な実施態様において、旋回ベーン１４０は、その同数の管５２の間にそれらと交互に配置され、ベーン１４０は、第２の通路を通る流れを方向転換させる壁部６４の任意の箇所に設けた管の壁の延長部を含んでなるものであってよい。隣接するベーンは、管の軸５０６と、エンジンの局部的な長手方向の中央面に対するある角度で排気流を方向転換させる。代表的な実施態様において、この方向転換により、回転体は十分なトルクが与えられ、所望の回転速度で回転される。代表的なエンジンでは、典型的な回転体の定常回転速度は、２，０００〜１８，０００ｒｐｍである。具体的な動作範囲は、回転体の構造的完全性及び回転当たりの燃料混合気供給／排出サイクル数を考慮した、エンジンの寸法条件の影響を受ける。目標とする、より狭い６，０００〜１２，０００ｒｐｍという速度範囲において、その下限１／３は、２サイクル（回転）エンジンに適した範囲であり、その上限１／３は、１サイクル（回転）エンジンに適した範囲である。動作において、これらの速度は、高速のスプール速度よりも非常に遅く、かつ、低速のスプール速度と概ね同じか、あるいは、それよりわずかに低速である。初期の回転は、エンジンの始動モータか、あるいは、燃焼器専用の始動モータによって与えられるものであってよい。

別の発明の形態は、燃焼コンジットの冷却に関する。図６は、容積４４と４６におけるそれぞれの下流における流れ１５０と１５２を示している。それぞれの流れの属性は、特定のサイクル段階と容積の長さに沿った位置に依存し得る。例えば、流れ１５０は、燃料混合気供給流れ、排気流、又はパージ流であり得る。以下でより詳細に説明するように、流れ１５２は、主として、流れ１５０の作用を受け得る冷却空気流であってよい。代表的な管５２は有孔であり、それによりそれぞれの流れの間に流体的連通がもたらされ、同時に、熱伝導的連絡がもたらされる。図７は、管５２の代表的な壁の細部を示している。この壁は、内側の第１の壁構造体１６０と外側の第２の壁構造体１６２（一方が壁構造体１６０であり、他方が隣接する外側のコンジット壁部６０，６２又は６４である場合には中間の壁）を備える。代表的な第２の壁構造体は、周方向及び長手方向に流量調整アパーチャ１６４の列を有する単一の管状の層である。代表的な第１の壁構造体１６０は二層であり、概ね管状の内側層１６６と、そこに固定されたドーム状（ｂｌｉｓｔｅｒｅｄ）の外側層１６８を有する。例えば、外側層のドーム状でない部分の内側表面は、隣接する内側層１６６の外側表面の部分に接触かつ固定することができる（例えば、接合、溶接などによる）。外側層１６８のブリスター１７０は、内側層１６６の隣接する部分と協働して、ブリスター内部容積１７２を画定する。各ブリスターは、それに関連した１つ又はより多くの、外側層１６８と、内側層１６６のアパーチャ１７４を有する。

代表的な実施態様において、少なくとも燃料混合気供給分とサイクルのパージ分において（図７中で、流線で示されるが、全体は潜在的により複雑な正味流れを示す）流れ１８０は、外側の容積／通路４６内の流れ１５２から、内側の容積／通路４４の流れ１５０へと方向転換する。この流れ１８０は、壁構造体１６０と１６２の間の容積１８２を通過する。代表的な実施態様において、アパーチャ１６４は、隣接するブリスターの下流方向末端付近に設けられる。図８は、ブリスターの１／２のピッチで周方向に設けられ、あるアパーチャはブリスターに整合されており、また別のアパーチャはブリスターから外れた位置に合わされた、代表的なアパーチャ１６４を示している。流れ１８０のいく分か（例えば、概略的に１８４で示す流れ）は、ブリスターの周囲／上を流れる。流れの他の分（例えば、概略的に１８６で示す流れ）は、アパーチャ１７４を通ってブリスター内を流れる。図９は、アパーチャ１７４を、ブリスターの誘導面に側部に沿った、小さい円形アパーチャとして示している。流れ１８６は、次いで、ブリスターから流出して、アパーチャ１７６を通り、容積／通路４４中の流れ１５０と合流する。代表的なアパーチャ１７６は、比較的大型であり、かつ、関連するブリスターの比較的下流に設けられる。管の下流端５４では、流れ１８４は遮断されるか、あるいは、流れ１５０又は１５２の一方、あるいは両方と合流するよう方向転換され得る。例えば、流れ１８４は、流れ１５２と再合流してもよく、その場合、流れ１５０と１５２は、タービンに衝突する前に、出口端５０と４８で後に再合流する。

壁構造体１６０によって強化された面領域は、十分な冷却空気を流れ１８４と１８６から取り入れる。これらの冷却空気流は、容積４６と４４の間の差圧によって生じるものであってよい。そのような差圧は、容積内への流れの初期平衡を適切にするように、適切なダクト・リム９０を配置することによって達成することができる。さらに、前方／上流の入口端４９のすぐ前方に位置する圧縮機ブレードは、より高圧な流れを、燃焼管の容積４４を取り囲む容積４６に供給する内側環内に方向付けるように歪曲されてもよい。従って、燃焼管５２の壁を横切る正の差圧により、再生サイクル（ｒｅｆｒｅｓｈ ｃｙｃｌｅ）の間に容積内へ冷却空気流が確実に流れる。管壁の寸法形状は、２通りの手段で冷却空気を促進する。即ち、アパーチャ１７４を通ってブリスター１７０に入る空気は、内側層１６６の外側表面（裏側面）上に衝突し、次いで、アパーチャ１７４を通って出て、内側層１６６の燃焼器側上に燃料を供給されない層状のフィルムを形成する。

特に、点火及び排出の間、第１の容積／通路４４内での圧力の増大は、壁構造体１６０により、外側に向かう逆流を生じさせる場合がある。排出の優先的な流量係数（ＣＤ）を得るようにアパーチャ１７４と１７６の端部をベル状の開口部（ｂｅｌｌ−ｍｏｕｔｈｉｎｇ）とすることにより、流れの逆転を最小限とすることができる。ベル状の開口部を有するアパーチャは、燃焼によって、容積４４内の圧力が上昇する際に、そのような逆流を制限する。さらに、再生サイクルは、燃焼及び排出に伴う時間よりも非常に長い。そのため、燃焼管壁５２に隣接する空気流の時刻歴は、その大部分の時間が内側の容積４６から容積４４までの時間となり、かつ、燃焼による短い圧力上昇時間中の逆流は、ベル状開口部を有するアパーチャ１７４，１７６によって厳密に制限される。正味の効果は、燃焼管５２の内側層１６６に対する強力な冷却作用である。

代表的な実施態様において、４〜６０、好ましくは２０〜４０の燃焼コンジットを設けることができる。好ましいコンジットの長さは、６インチ（１５ｃｍ）〜４０インチ（１０２ｃｍ）、より好ましくは１２インチ（３０ｃｍ）〜３０インチ（７６ｃｍ）である。好ましい第１の容積４４の断面積は、１．０平方インチ（６．５ｃｍ²）〜２０平方インチ（１２９ｃｍ²）、より好ましくは２．０平方インチ（１２．９ｃｍ²）〜８平方インチ（５１．６ｃｍ²）である。好ましい排気セクタは、５度〜１２０度、より好ましくは１０度〜１００度の角度を有する。しかしながら、燃料混合気供給セクタに関する重要な限定は、エンジンの中心線からの所与の角度にある燃焼コンジットに燃料混合気を供給するのに要する時間、並びに回転速度についてである。これにより、回転体が３６０度回転する間に、複数の供給／排気サイクルを生じさせることが可能となる。そのような状況では、複数の燃料混合気供給セクタと排気セクタを設けることが可能となろう。

本発明の１つ以上の実施態様を説明してきたが、それにも関わらず、本発明の趣旨並びに範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることが理解されよう。例えば、ある特定の用途についての細部により、燃焼器の形態が影響を受けるであろう。燃焼器の多様な特徴、形状は、タービンあるいは圧縮機の特徴に完全に、又は部分的に統合させてよい。既存の燃焼器又はタービン・エンジンを再設計する際に適用する場合、その既存の燃焼器又はタービン・エンジンの細部は、再設計される態様に反映させてよい。本発明の主要な構成は、様々な既存の、あるいは、これから開発され得るパルス燃焼装置に適用することができる。本発明は、タービン・エンジン以外の用途に適用することも可能である。従って、その他の実施態様は特許請求の範囲内にある。

ターボファン・エンジンの長手方向における部分断面図である。 図１のエンジンから部分的に切り取った燃焼器の投影図である。 図２の燃焼器から切り取った下流端の拡大図である。 燃料混合気供給セクタに沿った、図１のエンジンの燃焼器の長手方向における断面図である。 排出セクタに沿った、図１のエンジンの燃焼器の長手方向における断面図である。 図１のエンジンの燃焼コンジットの、長手方向における部分断面図である。 図６のコンジットの拡大断面図である。 図６における８−８線に沿って切断した、コンジットの部分横断面図である。 図６における９−９線に沿って切断した、コア・コンジットの部分横断面図である。 図６のコンジットの内部壁の部分的な内部図である。

符号の説明

４４…第１の容積
４６…第２の容積
１５０，１５２…流れ
１６０…第１の壁構造体
１６２…第２の壁構造体
１６４…流量調整アパーチャ
１６６…内側層
１６８…外側層
１７０…ブリスター
１７２…ブリスター内部容積
１７４…アパーチャ

Claims (22)

1. 外側壁と、複数のアパーチャを有する内側壁と、内側壁によって外側壁から分離される内部空間を有するコンジットと、
   周期的に燃料混合気を内部空間に供給するように配置される導入システムと、
   供給された燃料混合気を点火するよう配置される点火システムと、
   複数のアパーチャを介して少なくとも周期的に冷却空気を方向付けるよう配置される、流れ方向付け面、
   を含んでなることを特徴とする、パルス燃焼装置。
2. 前記内側壁はポケットの列を有し、かつ、
   複数のアパーチャは、各ポケットに関し、そのポケットの内側と、内側壁と外側壁の間の空間との間の第１のアパーチャと、ポケットの内側と内部空間の間の第２のアパーチャを有することを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 複数のアパーチャを有する中間壁が、前記外側壁と内側壁の間に配置され、かつ、
   冷却空気が、内側壁に到達する前に、その中間壁によって方向付けされることを特徴とする、請求項１記載の装置。
4. 前記内側壁はポケットの列を有し、かつ、
   前記内側壁の複数のアパーチャは、各ポケットに関し、そのポケットの内側と、内側壁と中間壁の間の空間との間の第１のアパーチャと、ポケットの内側と内部空間の間の第２のアパーチャを有することを特徴とする、請求項３記載の装置。
5. 前記内側壁が、
   内側層と、
   内側層に固定され、かつ、ブリスター列を有することにより、内側層と協働してポケットを形成する、外側層、
   を有することを特徴とする、請求項４記載の装置。
6. 前記点火システムが、燃料混合気のデトネーションを誘発するのに効果的であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
7. 軸を有するケースと、
   圧縮機と、
   タービンと、
   周方向における燃焼チャンバ・コンジットの列、
   を含んでなり、
   コンジットは、圧縮機の下流かつタービンの上流に位置し、その列は、各コンジットが、上流からの燃料混合気を収容する燃料混合気供給ゾーンから、燃料混合気の燃焼生成物を下流において排出するための排出ゾーンへと周期的に移動させるよう、軸を中心とする第１の方向においてケースに対して連続的に回転するよう支持され、
   前記コンジットは、
   外側壁と、
   内側壁と、
   内側壁によって外側壁から分離され、かつ、それぞれが少なくとも１つの外部ポートと少なくとも１つの内部ポートを有するポケット列を有する内部空間、
   を含んでなることを特徴とする、タービン・エンジン。
8. 前記内側壁が、
   第１の層と、
   第１の層に固定され、かつ、第１の層と協働してポケットを形成する外向きのブリスターを有する第２の層と、
   第２の層の外側に位置し、かつ、オリフィス列を有する第３の層、
   を含んでなることを特徴とする、請求項７記載のエンジン。
9. 前記圧縮機とタービンを十分に通る第１の空気流を有し、第１の空気流の第１の部分は、燃料混合気供給ゾーンの燃焼チャンバ・コンジットを通り、かつ、第１の空気流の第２の部分は燃焼を迂回し、第２の部分に対する第１の部分の質量流量比は１：１から１：３であることを特徴とする、請求項７記載のエンジン。
10. 前記エンジンがターボファン・エンジンであり、かつ、第１の空気流はコア空気流であり、さらに、迂回空気流は、圧縮機とタービンを迂回し、コア空気流に対する迂回空気流の質量流量比は３：１から９：１であることを特徴とする、請求項９記載のエンジン。
11. 前記燃焼がデトネーションを含むことを特徴とする、請求項７記載のエンジン。
12. 前記列がフリースプール上にあり、かつ前記回転が、燃焼生成物の部分的な接線方向で駆動されることを特徴とする、請求項７記載のエンジン。
13. 前記タービンと圧縮機のそれぞれは、高速スプールと低速スプールのそれぞれの上にある高段と低段を含んでなり、前記列がフリースプール上にあることを特徴とする、請求項７記載のエンジン。
14. それぞれが、関連するコンジット内の燃料混合気の燃焼を開始させるよう、関連するコンジットの１つに対して配置される複数の点火器をさらに含むことを特徴とする、請求項７記載のエンジン。
15. 圧縮機と、
    軸に沿った圧縮機と同軸のタービンと、
    圧縮機からの空気を収容し、かつ、燃焼ガスをタービンに送出し、かつ、
    第１と第２のチャンバを有し、複数の位置を介して軸を中心に回転するよう保持され、それら複数の位置が、
    上流からの燃料混合気を収容するための少なくとも１つの燃料混合気収容位置と、
    燃料混合気の燃焼を開始するための少なくとも１つの開始位置と、
    燃料混合気の燃焼生成物を下流で排出するための少なくとも１つの排出位置と、
    第１のチャンバと第２のチャンバを分離する壁の複数のアパーチャを介して、第２のチャンバから第１のチャンバへ冷却空気を方向付けることにより、第１のチャンバと第２のチャンバを分離するその壁を冷却する、少なくとも１つの冷却位置、
    を包含する、複数の燃焼チャンバ・コンジットを有するパルス燃焼器、
    を含んでなることを特徴とする、タービン・エンジン。
16. 圧縮機からの空気中に燃料を噴射して燃料混合気を形成するための、少なくとも１つの燃料インジェクタをさらに含むことを特徴とする、請求項１５記載のエンジン。
17. 前記少なくとも１つの冷却位置が、前記少なくとも１つの燃料混合気収容位置の大部分と共通することを特徴とする、請求項１５記載のエンジン。
18. 前記コンジットのそれぞれが入口と出口を有し、かつ、少なくとも１つの排出位置が、その入口を遮断する第１の排出位置と、その入口が遮断されないパージ位置を含み、さらに、前記少なくとも１つの冷却位置が、前記少なくとも１つのパージ位置の大部分と共通することを特徴とする、請求項１７記載のエンジン。
19. 整合された前記燃焼チャンバ・コンジットの一時的な第１の組に空気を運ぶ少なくとも第１のセクタと、
    整合された前記燃焼チャンバ・コンジットの一時的な第２の組の上流端を上流における連絡から遮断する少なくとも第２のセクタ、
    を有する、非回転マニフォールド部分をさらに含むことを特徴とする、請求項１７記載のエンジン。
20. 少なくとも１０の燃焼チャンバ・コンジットを有することを特徴とする、請求項１７記載のエンジン。
21. 吸入空気を圧縮することと、
    それぞれのコンジットに関し、圧縮された吸入空気と燃料の燃料混合気を、コンジットが回転の燃料混合気供給部分に沿って通る際にコンジットに周期的に供給することと、
    燃料混合気の燃焼を開始することと、
    コンジットからの燃焼生成物を周期的に排出することと、
    コンジットの壁中の複数のアパーチャを介して圧縮空気の冷却部分を周期的に供給することが包含され、かつ、
    排出された生成物からワークを抽出すること、
    を含んでなることを特徴とする、軸を中心に回転するよう保持される複数の燃焼チャンバ・コンジットを有するタービン・エンジンを操作する方法。
22. 各コンジットの壁が内部壁であり、
    燃料混合気を供給することが、冷却部分の供給と少なくとも部分的に同時に行われ、
    冷却部分を供給することが、
    内部壁の外側層中の複数のアパーチャの第１の組に冷却部分を通過させることと、
    内部壁の内側層中の複数のアパーチャの第２の組に冷却部分を通過させることと、
    内部壁の内側層中の複数のアパーチャの第３の組に冷却部分を通過させること、
    を含んでなり、前記内側層は複数のブリスターを有し、かつ、第２の組のそれぞれのアパーチャは関連するブリスターの１つの外側部分内にあり、さらに、第３の組のそれぞれのアパーチャは関連する１つのブリスターの内側部分にあることを特徴とする、請求項２１記載の方法。

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