JP4471644B2 - ガスタービンエンジン推力を発生するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジン用のパルスデトネーションシステムに関する。

可変サイクルターボファンラムジェットエンジンは、低亜音速マッハ数から約マッハ６の高超音速マッハ数の間の航空機飛行速度を提供するために使用される。特許文献１に記載されるような周知のエンジンは、コアエンジンシステム及びデュアルモードオーグメンタを含む。デュアルモードオーグメンタは、追加加熱を与えて、コアエンジンシステムから流出する空気流を排気し、エンジン推力を増加させる。コアエンジンシステムは、動力を与えてファンアセンブリを駆動し、通常、コンプレッサ、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを直列、すなわち軸流関係に備える。デュアルモードオーグメンタは、コアエンジンの下流に位置し、コアエンジン及びコアエンジンを包囲するバイパスダクトから空気の供給を受ける。しかしながら、オーグメンタは化学量論比によって推力増加レベルに限定され、そのため、エンジンが広範囲の動作飛行速度にわたって効率的に動作するために、いくつかの異なる燃焼システムが必要とされる。
米国特許５，６９４，７６８号明細書 米国特許 ２６３５４２０号明細書 米国特許 ２７０５３９６号明細書 米国特許 ３７２６０９１号明細書 米国特許 ３９１６６２１号明細書 米国特許 ４３１２１８５号明細書 米国特許 ５０７６０５３号明細書 米国特許 ５５１３４８９号明細書 米国特許 ５６９４７６８号明細書 米国特許 ５８７３２４０号明細書 米国特許 ５９３７６３５号明細書 米国特許 ６００３３０１号明細書 米国特許 ６４４２９３０号明細書 米国特許 ６４７７８２９号明細書 米国特許 ６５５０２３５号明細書 米国特許 ６６３７１８７号明細書 米国特許 ６６６６０１８号明細書 ＷＯ８７／０６９７６号明細書

推力発生の最適化を容易にするために、少なくともいくつかの周知のエンジンは、ターボファン又はターボジェットエンジン上の従来のオーグメンタに代わって、爆燃プロセス及びデトネーションプロセスを利用するパルスデトネーションシステムを備える。爆燃プロセスは、複数の機械的バルブ調整を使用して実現される。しかしながら、このようなシステムの性能は、爆燃プロセスが未消費燃料の残部においてのみデトネーションの利点を得られず、エネルギーを消費することによって発生するかもしれない本質的な損失によって、通常限定される。更に、このようなパルスデトネーションシステムを使用することによって得られるいくつかの利点は、システムの総重量によって相殺される可能性がある。

１つの面において、パルスデトネーションシステムを使用してガスタービンエンジンから推力を発生する方法が提供される。エンジンは入口部及び排気部を有し、パルスデトネーションシステムは多段プレデトネータを含むパルスデトネーションオーグメンタを有する。この方法において、第１の動作段階中に化学量論比よりも少ない混合気をパルスデトネーションシステムに供給し、プレデトネータで混合気を爆発させてエンジン内の温度及び圧力を上昇させると共にエンジン推力を発生し、第２の動作段階中に追加の燃料及び空気をプレデトネータに供給する。

本発明の別の面において、コアエンジンを含むガスタービンエンジン用のパルスデトネーションシステムが提供される。パルスデトネーションシステムは、コアエンジンの下流に位置し、ガスタービンエンジン内で温度及び圧力を上昇させてエンジン推力を増加させるために構成される。パルスデトネーションシステムは、化学量論比よりも少ない混合気がプレデトネータに提供される少なくとも第１の動作段階で動作可能な多段プレデトネータを含むパルスデトネーションオーグメンタを有する。

更に別の面において、ガスタービンエンジンは提供される。エンジンは、入口部と、入口部と同軸上に位置する排気部と、入口部と排気部の間に位置するパルスデトネーションシステムとを含む。パルスデトネーションシステムは、エンジン内で温度及び圧力を上昇させてエンジン推力を増加させるために構成される。パルスデトネーションシステムは、化学量論比よりも少ない混合気がプレデトネータに提供される少なくとも第１の動作段階で動作可能な多段プレデトネータを含むパルスデトネーションオーグメンタを有する。

図１は、パルスデトネーションシステム１２を含むガスタービンエンジン１０の側横断面図である。図２は、図１に示す線２−２に沿ったパルスデトネーションシステム１２の部分横断面図である。一実施例において、エンジン１０は、オハイオ州シンシナティのGeneral Electric Aircraft Enginesより市販されているＦ１１０／１２９型エンジンである。エンジン１０は、通常長手方向に延出する軸、すなわち前方向１６と後方向１８に延出する中央線１４を有する。エンジン１０は、高圧コンプレッサ３４と、燃焼器３６と、高圧タービン３８と、動力タービン又は低圧タービン３９とを全て直列、すなわち軸流関係に備えるコアエンジン３０を含む。更に、エンジン１０は、コアエンジン３０を包囲して、コアエンジン３０を介さずに流体流れをコアエンジン３０の下流に送ることができるバイパスダクト４４を含む。他の実施例において、エンジン１０は、コアファンアセンブリ（図示せず）を含む。環状中心体５０はコアエンジン３０の下流に延出する。

パルスデトネーションシステム１２は、少なくともパルスデトネーションシステム１２の一部が、コアエンジン３０からプレデトネーションチャンバ(プレデトネータ)４８の入口４０に放出されたコアエンジン燃焼ガスの供給を受けるように、コアエンジン３０の下流に位置する。パルスデトネーションシステム１２は、パルスデトネーションシステム１２が、コアエンジン３０内でエンジン１０からの推力を発生させるターボ機械を使用することなくエンジン１０内の温度及び圧力を上昇させるように、可変形状排気ノズル５４の上流に位置する。パルスデトネーションシステム１２は、プレデトネーションチャンバ４８と、デトネーションイニシエータ６２と、環状燃焼チャンバ６４とを含むパルスデトネーションオーグメンタ６０を備える。

本実施例において、チャンバ６４は、中心体５０の周囲に延出し且つ中心体５０の半径方向外側に位置するシュート状又はデイジー状のミキサ７０を含む。ミキサ７０は、ミキサ７０を介して軸方向に延出する複数のシュート７４に分割する支柱フレーム７２によって製造される。詳細には、シュート７４は複数の高温シュート７６及び複数の低温シュート７８を含む。シュート７４は、各高温シュート７６が、周囲方向に隣接する一対の低温シュート７８の間に位置するように、周囲方向に交互且つ順番に配列される。高温シュート７６は低温シュート７８と同じ大きさであるが、低温シュート７８がバイパスダクト４４と流通するように位置するのに対し、高温シュート７６はコアエンジン１０のみと流通するように位置する。一実施例において、ミキサ７０は、８つの高温シュート７６及び８つの低温シュート７８を含む。

詳細には、チャンバ６４は、半径方向内側８０と半径方向外側８２との間に延出する。環状耐熱シールド８４は、チャンバ内側８０と連結して、プレデトネーションチャンバ４８及び初期デトネーションシステム６２内で発生する高温からチャンバ６４を防護することを容易にする。具体的には、初期デトネータ６２は、耐熱シールド８４の半径方向内側且つ共振器８６の下流に規定される。共振器８６は、中心体５０のほぼ軸方向下流に延出する支持部材８８によって中心体５０と連結される。

環状ライナ９０は、共振器支持部材８８と共振器８６の一部との周囲に延出する。従って、ライナ９０は、中心体５０と共振器８６の上流側との間で軸方向に延出して、オーグメンタ６０内で発生する可能性のある高温に対して、支持部材８８と共振器８６の一部とを防護することを容易にする。

動作中、空気流はエンジン１０に流入し、燃料はコアエンジン３０に導入される。空気及び燃料は、コアエンジン３０内で混合されて点火され、高温の燃焼ガスを発生する。詳細には、高圧コンプレッサ３４からの加圧空気は、燃焼器３６内で燃料と混合されて点火され、その結果、燃焼ガスを発生する。このような燃焼ガスは、高圧コンプレッサ３４を駆動するための高圧タービン３８を駆動する。燃焼ガスは、高圧タービン３８から低圧タービン３９へ放出される。コア空気流は低圧タービン３９から放出され、パルスデトネーションシステム１２に供給される。

化学量論比よりも少ない局所的な混合気が化学量論比よりも多い混合気に比率を増加するように、コア空気流はパルスデトネーションシステム１２に供給され、追加燃料はサブコンポーネントプレデトネーションチャンバ４８に導入される。この適用のため、ほぼ全ての酸素が反応中に消費される場合、化学量論的燃焼は発生する。詳細には、本実施例において、オーグメンタ動作の第１段階中、燃料はプレデトネーションチャンバ４８に供給され、局所的な混合気は化学量論的混合気の約２倍に比率を増加する。その後、多燃料混合気は、デトネーション波／デトネーション炎１００が、耐熱シールド８４によって規定されたスロート域１０２内で初期デトネータ６２によって起爆されるように、デトネーションに好ましい化学量論比に希釈され、爆発する。第１段階の推力は、デトネーションに先立って起爆までの爆燃段階を達成する。

オーグメンタ動作の第２段階中、追加燃料はパルスデトネーションシステム１２に供給されて、乾燥動作から再加熱動作の調整に移行する。具体的には、燃料は、高熱シュート７６を流れるコアエンジン空気流及び低温シュート７８を流れるバイパス空気流と混合するようにミキサ７０に供給される。混合気は、初期デトネータ６２の下流のシュート７４から放出される。燃焼プロセスが再開するように、デトネーション波１００が拡大することによって、ミキサ７０からデトネーション領域に放出される混合気が加圧され、また、一連の圧力波１１０が発生するように、排気ガス及び混合気が再点火される。詳細には、波１１０は超音速で後方向に伝搬して高温燃焼ガスを圧縮し、圧力波１１０がパルスデトネーションシステム１２から出る時点で推力を発生する。従って、ミキサ７０は、調整された推力がパルスデトネーションシステム１２で生成されるように、パルスデトネーションオーグメンタ６０内におけるほぼ一定量の燃焼を容易にする。このため、再加熱の調整は、爆燃燃料消費量の最小化が容易となる一方、増加した推力がエンジン１０で生成されるようにパルスデトネーションシステム１２で順次段階的に容易となる。

図３は、パルスデトネーションシステム２００の他の実施例を含むタービンエンジン１０の側横断面図である。パルスデトネーションシステム２００は、パルスデトネーションシステム１２（図１及び図２に示す）とほぼ同じであり、パルスデトネーションシステム１２の構成要素と同一のデトネーションシステム２００の構成要素は、図３において図１及び図２と同じ参照番号を使用して示される。従って、パルスデトネーションシステム２００は、初期デトネータ６２及び環状燃焼チャンバ２０４を含む多段パルスデトネーションオーグメンタ２０２を備える。環状チャンバ２０４は、チャンバ６４（図１に示す）とほぼ同じであり、ミキサ７０（図２に示す）、支柱フレーム７２（図２に示す）及びシュート７４（図２に示す）を含む。

チャンバ２０４は、中心体５０の周囲に延出し、中心体５０から半径方向外側に配置される。燃料通路２１０は、チャンバ２０４が通路２１０の半径方向内側に位置するように、チャンバ２０４の周囲に延出する。通路２１０は、チャンバ２０４の下流に延出する。詳細には、通路２１０は、通路２１０が中心体５０から半径方向外側に位置するように、バイパスダクト４４と流通し、中心体５０の周囲に延出する。以下により詳細に述べる通り、複数の噴射燃料噴射機２２０は、噴霧燃料を通路２１０に噴射するために、通路２１０と流通する。

動作中、空気流はエンジン１０に流入し、燃料はコアエンジン３０に導入される。空気及び燃料は、コアエンジン３０内で混合されて点火され、高温燃焼ガスを発生する。詳細には、高圧コンプレッサ３４からの加圧空気は燃焼器３６内の燃料と混合されて点火され、その結果、燃焼ガスを発生する。このような燃焼ガスは、高圧コンプレッサ３４を駆動するための高圧タービン３８を駆動する。燃焼ガスは、高圧タービン３８から低圧タービン３９へ放出される。コア空気流は低圧タービン３９から放出され、パルスデトネーションシステム１２に供給される。

化学量論比よりも少ない混合気が化学量論比よりも多い混合気に比率を増加するように、コア空気流はパルスデトネーションシステム２００に供給され、追加燃料はパルスデトネーションシステム２００に導入される。この適用のため、ほぼ全ての酸素が反応中に消費される場合、化学量論的燃焼が起こる。具体的には、本実施例において、オーグメンタ動作の第１段階中、燃料はパルスデトネーションシステム２００に供給され、混合気は化学量論的混合気の約２倍に比率を増加する。その後、多燃料混合気は、デトネーション波／デトネーション炎１００がスロート域１０２内でデトネータ６２によって起爆されるように爆発する。

オーグメンタ動作の第２段階中、追加燃料はパルスデトネーションシステム２００に供給されて、乾燥動作から再加熱動作の調整への移行を開始する。具体的には、燃料は、高温シュート７６を介して流れるコアエンジン空気流及び低温シュート７８を介して流れるバイパス空気流と混合するようにミキサ７０に供給される。混合気は、初期デトネータ６２の下流のシュート７４から放出される。燃焼プロセスが再開するように、デトネーション波１００が拡大することによって、７０からデトネーション領域に放出された混合気が加圧され、また、一連の圧力波１１０が発生するように、排気ガス及び混合気が再点火される。詳細には、波１１０は、超音速で後方向に伝搬して高温燃焼ガスを圧縮し、圧力波１１０がパルスデトネーションシステム１２から出る時点で推力を発生する。

オーグメンタ動作の次の段階において、可変形状排気ノズル５４は開放され、追加燃料は燃料噴射機２２０を介して通路２１０に供給される。ノズル５４を開放することによって、隣接する通路２１０の上流のノズル５４に規定されたスロートからの音速スロートの移行が容易となる。燃料は、バイパスダクト４４から放出される流体流れと混合され、混合気は、チャンバ２０４の下流の通路２１０から放出される。燃焼プロセスが再開するように、圧力波１１０が拡大することによって、通路２１０からデトネーション領域に放出された混合気が加圧されて排気ガス及び混合気が再点火され、その結果、一連の圧力波２３０が生成される。詳細には、波１１０は後方向に伝搬して、エンジン１０から調整された推力を発生する。あるいは、オーグメンタ動作の一連の追加段階が使用されて、エンジン１０から追加調整推力が発生する。

上記パルスデトネーションシステムは、ターボ機械を使用することなく追加エンジン推力を発生する少なくとも１つのパルスデトネーションオーグメンタを含む。具体的には、パルスデトネーションオーグメンタは、パルスデトネーションオーグメンタの順次段階的な再加熱の調整が達成されるような、多段パルスデトネーションオーグメンタである。その結果、パルスデトネーションシステムを使用するエンジンは、増加した推力と、エンジンを動作飛行速度の広範囲にわたって高効率で性能良く動作させる調整された推力とを得る。

以上、パルスデトネーションシステムの実施例が詳細に記載されたが、本システムは上記特定の実施例に限定されず、各特定のパルスデトネーションシステムの構成要素は上記他の構成要素から独立して個別に利用されても良い。例えば、各パルスデトネーションオーグメンタ構成要素は、他のパルスデトネーションオーグメンタ構成要素及びパルスデトネーションシステムの他の構成と組み合わせて使用することもできる。

特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

パルスデトネーションシステムを含むタービンエンジンの側横断面図。 図１に示す線２−２に沿ったパルスデトネーションシステムの部分側横断面図。 パルスデトネーションシステムの他の実施例を含むタービンエンジンの側横断面図。

符号の説明

１０…ガスタービンシステム、１２…パルスデトネーションシステム、３０…コアエンジン、４８…プレデトネータ、６０…多段パルスデトネーションオーグメンタ

Claims (11)

1. ガスタービンエンジン（１０）用パルスデトネーションシステム（１２）であって、
   コアエンジン（３０）を含み、
   前記コアエンジンの下流に位置して前記ガスタービンエンジン内の温度及び圧力を上昇させ且つエンジン推力を発生させるために構成され、
   プレデトネータ（４８）を有し、多段階で動作するパルスデトネーションオーグメンタ（６０）を具備し、
   前記プレデトネータ（４８）は、第１の動作段階で動作可能であり、前記第１の動作段階では、化学量論比よりも薄い混合気が前記プレデトネータに供給され、該プレデトネータ（４８）に燃料が供給されて前記混合気が化学量論比よりも濃くされた後に、該混合気が化学量論比に希釈される、
   パルスデトネーションシステム。
2. 前記ガスタービンエンジンは、前記コアエンジン（３０）の後方向に延出する中心体（５０）をさらに有し、
   前記プレデトネータ（４８）下流には、初期デトネータ（６２）が設けられ、
   前記パルスデトネーションオーグメンタ（６０）は、前記エンジン中心体の周囲に延出する環状チャンバ（６４）を更に備え、
   前記環状チャンバ（６４）は、コアエンジンからのコア空気流と燃料とを混合し、前記コアエンジンの周囲に流れを供給するバイパスダクト（４４）からのバイパス空気流と燃料とを混合するミキサ（７０）を備え、
   第２の動作段階では、前記ミキサの混合気は前記初期デトネータ（６２）の下流から放出され、該混合気と前記初期デトネータからの排気ガスとが再点火されることを特徴とする
   請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１２）。
3. 前記パルスデトネーションオーグメンタ（６０）は、前記ガスタービンエンジン（１０）からの調整推力の生成を容易にする請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１２）。
4. 前記ガスタービンエンジン（１０）は、前記コアエンジン（３０）の後方向に延出する中心体（５０）を有し、前記パルスデトネーションオーグメンタ（６０）は、前記エンジン中心体の周囲に延出する環状チャンバ（６４）を更に備え、
   前記環状チャンバ（６４）は、コアエンジンからのコア空気流と燃料とを混合し、前記コアエンジンの周囲に流れを供給するバイパスダクト（４４）からのバイパス空気流と燃料とを混合するミキサ（７０）を備える
   請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１２）。
5. 前記環状チャンバ（６４）の前記ミキサは、前記エンジン中心体（５０）の半径方向外側に位置し、複数の軸方向シュート（７４）を備える請求項４記載のパルスデトネーションシステム（１２）。
6. 前記環状チャンバ（６４）の前記ミキサは、前記コアエンジン（３０）から流出する流体流れと流通する複数の第１の軸方向シュート（７６）と、前記コアエンジンを迂回して流れる流体流れと流通する複数の第２の軸方向シュート（７８）とを備える請求項４記載のパルスデトネーションシステム（１２）。
7. 前記各第１の軸方向シュート（７６）は、周囲方向に隣接する一対の前記第２の軸方向シュート（７８）の間に位置する請求項６記載のパルスデトネーションシステム（１２）。
8. 前記パルスデトネーションオーグメンタ（６０）は、前記コアエンジン（３０）の下流に燃料を供給するための複数の燃料噴霧噴射ノズル（２２０）を更に備える請求項５記載のパルスデトネーションシステム（１２）。
9. ガスタービンエンジン（１０）であって、
   入口部と、
   前記入口部と同軸上に位置する排気部と、
   前記入口部と前記排気部の間に位置し、前記エンジン内の温度及び圧力を上昇させてエンジン推力を上昇させるために構成され、プレデトネータ（４８）を含む多段階で動作するパルスデトネーションオーグメンタ（６０）を備えるパルスデトネーションシステム（１２）とを具備し、
   前記プレデトネータ（４８）は、第１の動作段階で動作可能であり、前記第１の動作段階では、化学量論比よりも薄い混合気が前記プレデトネータに供給され、該プレデトネータ（４８）に燃料が供給されて前記混合気が化学量論比よりも濃くされた後に、該混合気が化学量論比に希釈されることを特徴とするガスタービンエンジン。
10. 前記エンジンに動力を与えるために構成されたコアエンジン（３０）と、前記コアエンジンの周囲に流れを供給するバイパスダクト（４４）とを更に具備し、前記パルスデトネーションシステム（１２）は、前記パルスデトネーションシステムが前記バイパスダクト及び前記コアエンジンと流通するように前記コアエンジンの下流に位置する請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。
11. 前記コアエンジン（３０）の後方向に延出する中心体（５０）をさらに有し、
    前記プレデトネータ（４８）下流には、初期デトネータ（６２）が設けられ、
    前記パルスデトネーションオーグメンタ（６０）は、前記エンジン中心体の周囲に延出する環状チャンバ（６４）を更に備え、
    前記環状チャンバ（６４）は、コアエンジンからのコア空気流と燃料とを混合し、前記コアエンジンの周囲に流れを供給するバイパスダクト（４４）からのバイパス空気流と燃料とを混合するミキサ（７０）を備え、
    第２の動作段階では、前記ミキサの混合気は前記初期デトネータ（６２）の下流から放出され、該混合気と前記初期デトネータからの排気ガスとが再点火されることを特徴とする
    請求項９に記載のガスタービンエンジン（１０）。

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