JP5000101B2 - ガスタービンエンジン推力を発生させ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、より具体的には、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。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、前部ファン、コアエンジン及び出力タービンを含む。コアエンジンは、加圧空気を燃焼器に供給する少なくとも１つの圧縮機を含み、燃焼器において、加圧空気が燃料と混合されかつ点火されて高温燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、１つ又はそれ以上のタービンに向けて下流方向に導かれ、タービンが燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機を駆動し、また航空機に動力を供給するような有用な仕事を行う。少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンから得られる推力では、関連する航空機の飛行速度はほぼマッハ数２の上限値に制限されることになる。

パルスデトネーションエンジンは、デトネーション室内での燃料／空気混合気の一連の繰返しデトネーション（爆発）を使用して、他の公知のガスタービンエンジンと比較して付加的な推力を発生させることができる。各デトネーションにより、超音速で伝播する波動が発生する。各波動は、デトネーション室内の流体を加圧し、従って流体の圧力、密度及び温度を増大させる。波動がエンジンの開口した後方端部に向かって進むと、推力が発生する。こうしてパルスデトネーションサイクルが繰返される。このようなエンジンは、関連する航空機がガスタービンエンジンよりも大きいマッハ数、例えばマッハ４又はそれ以上を達成するのを可能にすることができる。しかしながら、航空機に複合的組合せの異なる形式のエンジンを装備することは、非現実的でありかつ／又はコストが法外に高いものになる。
米国特許第６，６６８，５４２号公報

１つの実施態様では、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させる方法を提供する。本ガスタービンエンジンは、ファン組立体と、コアエンジン及びパルスデトネーションシステムに空気を流すバイパスダクトとを含む。本方法は、コアエンジンの半径方向外側に結合されたパルスデトネーション管内に燃料投入量を噴射する段階と、コアエンジンの半径方向外側に配置した回転弁を使用して、パルスデトネーション管の入口端部の開口を通ってファンからパルスデトネーション管内に流れる空気の供給量を制御する段階とを含む。

別の実施形態では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、ファン組立体と、ファン組立体と流れ連通状態でかつ該ファン組立体の下流に結合されたコアエンジンと、コアエンジンを囲みかつファン組立体から下流方向に流れ連通状態で延びる半径方向外側の環状のバイパスダクトと、コアエンジンの下流にかつ該コアエンジンの半径方向外側に結合された少なくとも１つのパルスデトネーション管とを含む。

さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジン組立体を提供する。本ガスタービンは、ファン組立体と、ファン組立体と流れ連通状態でかつ該ファン組立体の下流に結合されたコアエンジンと、コアエンジンを囲みかつファン組立体から下流方向に流れ連通状態で延びる半径方向外側の環状のバイパスダクトと、コアエンジンの縦方向軸線の周りでバイパスダクト内に円周方向に間隔を置いて配置された複数のパルスデトネーション管とを含む。各パルスデトネーション管は、ファンから空気を受けるための入口端部と、それから燃焼ガスを吐出するための排出端部と、その中に形成した少なくとも１つの開口と少なくとも１つの中実部分とを有するロータディスクを備えた回転弁とを含み、ロータディスクは、複数のパルスデトネーション管とバイパスダクトとの間に位置し、またロータディスクは、回転の第１の部分の間に開口を通って複数のパルスデトネーション管内に流れる空気流量を制御するように回転可能になっており、さらにロータディスクは、回転の第２の部分の間にその中実部分が複数のパルスデトネーション管の１つの入口端部を覆うように位置して、複数のパルスデトネーション管の１つの内部の燃料及び空気を点火器及びパルスデトネーション管内の残留熱の少なくとも１つによってデトネーションさせることができるようになっており、またロータディスクは、電気モータ、空気モータ及び油圧モータの少なくとも１つによって回転可能に駆動される。

図１は、ファン組立体１２、ブースタ２２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の例示的な実施形態の概略図である。エンジン１０はさらに、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８は、コアエンジン２３を形成する。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。圧縮機１４とタービン１８とは、第１のロータシャフト３１によって結合され、またファン組立体１２とタービン２０とは、第２のロータシャフト３２によって結合される。圧縮機１４、タービン１８、ファン組立体１２及びタービン２０は、縦方向軸線３４の周りで実質的に同軸となっている。半径方向外側の環状のバイパスダクトが、吸気側２８から排気側３０まで少なくとも部分的にコアエンジン２３を囲む。

作動中、空気はファン組立体１２を通って流れ、ファン１２内で加圧された空気の一部が高圧圧縮機１４に供給され、また残りの部分がコアエンジン２３の周りでバイパスダクト３６を通してバイパスされる。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３２によりファン組立体１２を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）に使用することができる例示的なパルスデトネーションシステム１００の斜視図である。パルスデトネーションシステム１００は、入口端部１０４、出口端部１０６、ほぼ円筒形状の本体１０８及びそれらを通って延びるボア１１０を有する少なくとも１つのパルスデトネーション管１０２を含む。各入口端部１０４は、入口端部開口１１２、点火器ボス１１４及び少なくとも１つの燃料噴射器ボス１１６を含む。この例示的な実施形態では、各パルスデトネーション管１０２は２つの燃料噴射器ボス１１６を備えたものとして示しているが、パルスデトネーション管１０２内に最適な燃料／空気比及び燃料／空気分布を生成するのを可能にするために、より多い又はより少ない数の燃料噴射器ボス１１６を使用することができることを理解されたい。この例示的な実施形態では、燃料噴射器ボス１１６の長手方向軸線１１８は、パルスデトネーション管１０２の長手方向軸線１２２に対してある角度１２０だけ傾いている。各燃料噴射器ボス１１６は、他の各燃料噴射器ボス１１６に対して異なる角度で傾けることができる。各角度は、パルスデトネーション管１０２内に最適な燃料／空気比及び燃料／空気分布を生成するのを可能にするように選択することができる。１つの実施形態では、燃料噴射器ボス１１６は、角度１２０を可変に選択できるようにボール・ソケット継手を含む。

この例示的な実施形態では、８つのパルスデトネーション管１０２が、２つのパルスデトネーション管１０２をグループにした形態でコアエンジン２３の周りで円周方向に間隔を置いて配置される。パルスデトネーション管１０２は、その長手方向軸線１２２が縦方向軸線３４から半径方向外側に位置するように、バイパスダクト３６内に配置される。各パルスデトネーション管１０２の対は、ファン１２から該パルスデトネーション管１０２への空気の流量を制御するのを可能にする回転弁１２４に結合される。回転弁１２４は、本体（図示せず）と、少なくとも１つのディスク開口１２８及び少なくとも１つの中実部分１３０を有するロータディスク１２６とを含む。回転弁１２４は、ロータディスク１２６が入口端部開口１１２とバイパスダクト３６との間に位置するように配置される。ロータディスク１２６は回転可能であり、該ロータディスク１２６の回転の第１の部分の間に、ディスク開口１２８は入口端部開口１１２と実質的に整列した状態に位置してバイパスダクト３６からの空気がそれぞれのパルスデトネーション管１０２に流入するのを可能にするようになる。ロータディスク１２６の回転の第２の部分の間に、中実部分１３０は入口端部開口１１２を覆うように位置して、点火器（図示せず）を使用して或いはパルスデトネーション管１０２内部の残留熱を使用して混合気を着火させることによってそれぞれのパルスデトネーション管１０２内部の燃料及び空気をデトネーションさせることができるようになる。ロータディスク１２６は、モータ１３２、例えば、それに限定されないが、電気モータ、空気モータ及び油圧モータによって回転可能に駆動することができる。この例示的な実施形態では、モータ１３２は、コアエンジン２３からブリード空気を受けてロータディスク１２６を回転させる回転原動力を発生する空気タービンなどの空気モータである。モータ１３２はまた、該モータ１３２の中心線が縦方向軸線から半径方向にオフセットするようにバイパスダクト内部に配置される。

図３は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）に使用することができるパルスデトネーションシステム２００の別の例示的な実施形態の斜視図である。パルスデトネーションシステム２００は、各々が入口端部２０４、出口端部２０６、ほぼ円筒形状の本体２０８及びそれらを通って延びるボア２１０を有する複数のパルスデトネーション管２０２を含む。各入口端部２０４は、デトネーション室２１４の出口プレナム２１２と流れ連通状態で結合された入口端部開口（図示せず）を含む。この例示的な実施形態では、各出口プレナム２１２は、２つの出口脚部２１６を有するＵ字形状の本体を含む。各出口脚部は、パルスデトネーション管２０２の入口端部開口（図示せず）と流れ連通状態で結合された出口開口（図示せず）を含む。各出口プレナム２１２は、該出口プレナム２１２のＵ字形状本体の出口脚部２１６の頂部２１８に近接して配置された入口開口（図示せず）を含む。各出口プレナム２１２の入口開口は、デトネーション室２１４の出口開口（図示せず）と流れ連通状態で結合される。各デトネーション室２１４は、入口端部開口２２０、点火器ボス２２４及び少なくとも１つの燃料噴射器ボス２２６を含む。この例示的な実施形態では、各デトネーション室２１４は２つの燃料噴射器ボス２２６備えたものとして示しているが、デトネーション室２１４内に最適な燃料／空気比及び燃料／空気分布を生成するのを可能にするために、より多い又はより少ない数の燃料噴射器ボス２２６を使用することができることを理解されたい。この例示的な実施形態では、燃料噴射器ボス２２６の長手方向軸線２３２は、デトネーション室２１４の長手方向軸線２２８に対してある角度２３０だけ傾いている。各燃料噴射器ボス２２６は、他の各燃料噴射器ボス２２６に対して異なる角度で傾けることができる。各角度は、デトネーション室２１４内に最適な燃料／空気比及び燃料／空気分布を生成するのを可能にするように選択することができる。１つの実施形態では、燃料噴射器ボス２２６は、角度２３０を可変に選択できるようにボール・ソケット継手を含む。

この例示的な実施形態では、８つのパルスデトネーション管２０２が、２つのパルスデトネーション管２０２をグループにした形態でコアエンジン２３の周りで円周方向に間隔を置いて配置される。パルスデトネーション管２０２は、その長手方向軸線２２８が縦方向軸線３４から半径方向外側に位置するように、バイパスダクト３６内に配置される。各パルスデトネーション管２０２の対は、それぞれの出口プレナム２１２を介して回転弁２３４に結合される。回転弁２３４は、ファン１２（図１に示す）からデトネーション室２１４への空気の流量を制御するのを可能にする。回転弁２３４は、本体（図示せず）と、少なくとも１つのディスク開口２３８及び少なくとも１つの中実部分２４０を有するロータディスク２３６とを含む。回転弁２３４は、ロータディスク２３６が入口端部開口２２０とバイパスダクト３６との間に位置するように配置される。ロータディスク２３６は回転であり、該ロータディスク２３６の回転の第１の部分の間に、ディスク開口２３８は入口端部開口２２０と実質的に整列した状態に位置してバイパスダクト３６からの空気がそれぞれのデトネーション室２１４に流入するのを可能にするようになる。ロータディスク２３６の回転の第２の部分の間に、中実部分２４０は入口端部開口２２０を覆うように位置して、点火器（図示せず）を使用して或いはデトネーション室２１４内部の残留熱を使用して混合気を着火させることによってそれぞれのデトネーション室２１４内部の燃料及び空気をデトネーションさせることができるようになる。ロータディスク２３６は、モータ２４２、例えば、それに限定されないが、電気モータ、空気モータ及び油圧モータによって回転可能に駆動することができる。この例示的な実施形態では、モータ２４２は、コアエンジン２３からブリード空気を受けてロータディスク２３６を回転させる回転原動力を発生する空気タービンなどの空気モータである。モータ２４２はまた、該モータ２４２の中心線が縦方向軸線３４から半径方向にオフセットするようにバイパスダクト３６内部に配置される。

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させるための上記の方法及び装置は、費用効果がありかつ高い信頼性がある。具体的には、パルスデトネーション管がガスタービンエンジン中心線から半径方向外寄りに位置するようにガスタービンエンジンのバイパスダクト内に１つ又はそれ以上のパルスデトネーション管を配置することにより、ガスタービンエンジンに対して推力を付加することが可能になり、かつ既存のファンから空気流を供給し、それによってガスタービンエンジンへの装備の追加を少なくすることができる。モータによって駆動する回転弁により、公知の弁類よりも実質的にデトネーション頻度を大きくすることが可能になる。回転弁を使用してパルスデトネーション管内への空気流量のみを制御しかつ燃料噴射を独立して制御することにより、燃料／空気の混合及び分布の比較的より大きな制御が可能になる。本明細書に記載した方法及び装置は、費用効果がありかつ信頼性がある方法で、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させることを可能にする。

以上、パルスデトネーションの方法及び装置の構成要素を使用するガスタービンエンジンの例示的な実施形態を詳細に説明している。構成要素は、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各装置の構成要素は、本明細書で説明した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。パルスデトネーションの方法及び装置の構成要素を使用する各ガスタービンエンジンはまた、パルスデトネーションの方法及び装置の構成要素を使用する他のガスタービンエンジンと組合せて使用することもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が技術的範囲内の改良で実施できることは当業者には明らかであろう。なお、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。

ガスタービンエンジンの例示的な実施形態の概略図。 ガスタービンエンジンに使用することができる例示的なパルスデトネーションシステムの斜視図。 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができるパルスデトネーションシステムの別の例示的な実施形態の斜視図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
２３ コアエンジン
３４ 縦方向軸線
３６ バイパスダクト
１００ パルスデトネーションシステム
１０２ パルスデトネーション管
１０４ 入口端部
１０６ 出口端部
１０８ 円筒形状の本体
１１０ ボア
１１２ 入口端部開口
１１４ 点火器ボス
１１６ 燃料噴射器ボス
１２４ 回転弁
１２６ ロータディスク
１２８ ディスク開口
１３０ ロータディスク中実部分
１３２ モータ

Claims (7)

1. ファン組立体（１２）と、
   前記ファン組立体と流れ連通状態でかつ該ファン組立体の下流に結合されたコアエンジン（２３）と、
   前記コアエンジンを囲みかつ前記ファン組立体から下流方向に流れ連通状態で延びる半径方向外側の環状のバイパスダクト（３６）と、
   前記コアエンジンの下流にかつ該コアエンジンの半径方向外側に結合された少なくとも１つのパルスデトネーション管（１０２）と、
   を含み、
   前記少なくとも１つのパルスデトネーション管が、前記バイパスダクト内部で円周方向に間隔を置いて配置された複数のパルスデトネーション管を含み、
   前記複数のパルスデトネーション管が、前記コアエンジンの縦方向軸線の周りで対になった構成で前記バイパスダクト内に円周方向に間隔を置いて配置され、各前記パルスデトネーション管の対が、前記ファンから空気を受けるための入口端部（２２０）と前記パルスデトネーション管の対を通して燃焼ガスを吐出するための排出端部（２１６）の対とを有するデトネーション室（２１４）を含むことを特徴とするむガスタービンエンジン（１０）。
2. 前記バイパスダクトから前記少なくとも１つのパルスデトネーション管内への空気の流量を制御するように構成された回転弁（１２４）をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン。
3. 前記少なくとも１つのパルスデトネーション管が、少なくとも部分的に前記バイパスダクト内部で延び、前記パルスデトネーション管の長手方向軸線（１２２）及び前記デトネーション室の長手方向軸線（２２８）が、前記縦方向軸線（３４）から半径方向外側にオフセットしている、請求項１記載のガスタービンエンジン。
4. 前記複数のパルスデトネーション管が、前記コアエンジンの縦方向軸線（３４）の周りで前記バイパスダクト内に円周方向に間隔を置いて配置され、各前記パルスデトネーション管が、
   前記ファンから空気を受けるための入口端部開口（１１２）と、
   それから燃焼ガスを吐出するための排出端部（１０６）と、
   前記パルスデトネーション管内に燃料を導入するように構成された少なくとも１つの燃料入口ボス（１１６）と、を含む、
   請求項１記載のガスタービンエンジン。
5. その中に形成した少なくとも１つの開口（１２８）と少なくとも１つの中実部分（１３０）とを有するロータディスク（１２６）を備えた回転弁をさらに含み、前記ロータディスクが、前記複数のパルスデトネーション管とバイパスダクトとの間に位置し、また前記ロータディスクが、前記開口を通って複数のパルスデトネーション管内に流れる空気流量を制御しかつ前記複数のパルスデトネーション管内部でのデトネーションを制御するように回転可能になっている、請求項１記載のガスタービンエンジン。
6. 前記ロータディスクが、電気モータ（１３２）、空気モータ（１３２）及び油圧モータの少なくとも１つによって回転可能に駆動される、請求項５記載のガスタービンエンジン。
7. 前記デトネーション室が、
   前記デトネーション室内部に結合された、該デトネーション室内に燃料を導入するための少なくとも１つの燃料入口ボス（２２６）と、
   前記デトネーション室内部に結合されて燃料／空気混合気のデトネーションを可能にする点火器ボス（２２４）と、を含む、
   請求項１記載のガスタービンエンジン。
   

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