JP5604075B2 - 液体燃料式パルスデトネーションエンジンの低温始動のためのプレナム空気予熱 - Google Patents

Description

本発明は、パルスデトネーションエンジンに関し、具体的には、液体燃料式パルスデトネーションエンジン及びその始動のためにプレナム空気予熱を使用する方法に関する。

航空機推進の分野における最近の研究により、パルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）の開発がもたらされた。パルスデトネーション燃焼器は、燃料−空気混合気内での周期的パルスデトネーションにより圧力上昇を生じさせて、従来型のガスタービンエンジンの運転効率と比較した場合に比較的高い運転効率をもたらす。

パルスデトネーションエンジン／燃焼器の使用が拡大するにつれて、それらは、多様は用途において使用されている。それらの用途の多くは、起動によりかつ／又は低温環境においてパルスデトネーションエンジンを始動させることを必要とする。このことは、発電用途又は航空用途の何れにおいても当てはまる。しかしながら、ＰＤＣ、特に液体燃料を使用するＰＤＣの作動の特性の故に、燃焼器の作動開始（始動）は、特に低温環境において困難である可能性がある。

本発明の実施形態では、発電システムは、それを通って流れる流体流れを加圧する圧縮機段と、少なくとも１つのプレバーナを備え、圧縮機段の下流に配置されかつ該圧縮機段から流体流れの第１の量を受けて、該少なくとも１つのプレバーナにより該圧縮機段から流体流れの第２の量を受けかつ該流体流れの第２の量を使用して、その内部で燃料を燃焼させるプレナム段と、プレナム段の下流に配置されかつ少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器がその中に配置された燃焼器段とを含む。流体流れの第１の量の少なくとも幾らか及びプレナムからの燃焼第２の流体流れの少なくとも幾らかは、燃焼器段に導かれかつ第２の燃料と混合されて該燃焼器段内にデフラグレーション又はデトネーションのいずれかを発生させる。

本明細書で使用する場合に、「パルスデトネーション燃焼器」ＰＤＣ（また、ＰＤＥも含む）というのは、装置内での一連の繰返しデトネーション又は準デトネーションによる圧力上昇及び速度増加の両方を生じさせるあらゆる装置又はシステムを意味することが理解されたい。「準デトネーション」は、デフラグレーション波によって生じる圧力上昇及び速度増加よりも大きい圧力上昇及び速度増加を生じさせる超音速乱流燃焼プロセスである。ＰＤＣ（及びＰＤＥ）の実施形態は、例えば燃料／空気混合気のような燃料／酸化剤混合気を点火燃焼させる手段と、その中で点火燃焼プロセスによって発生した圧力波面が合体してデトネーション波を生成するデトネーション室とを含む。各デトネーション又は準デトネーションは、火花放電又はレーザパルスのような外部点火によって、或いは衝撃波集束自己点火のようなガスダイナミック過程によって、或いは別のデトネーション（すなわち、クロスデトネーション管）によってかのいずれかによって開始する。デトネーション室の幾何学的形状は、デトネーション波の圧力上昇により燃焼生成物がパルスデトネーション燃焼器から押出されて、高速、高温かつ高圧の排出ストリームが生成されるようになっている。下流の多段タービンを使用して、この排出ストリームから有用な仕事及び出力が取出される。当業者には公知なように、パルスデトネーションは、デトネーション管、衝撃波管、共振デトネーション空洞及び環状デトネーション室を含む数多くの形式のデトネーション室内で達成することができる。

本発明の利点、特性及び様々な付加的特徴は、図に概略的に示した本発明の例示的な実施形態を検討することにより一層完全に明らかになるであろう。

本発明の例示的な実施形態によるパルスデトネーション燃焼システムの概略図。 本発明の別の例示的な実施形態によるパルスデトネーション燃焼システムの概略図。 本発明のさらに別の例示的な実施形態によるパルスデトネーション燃焼システムの概略図。

添付図面を参照することによって、本発明をさらに詳細に説明することにするが、それら図面は、本発明の技術的範囲を決して限定するものではない。

図１は、本発明の発電システム１００の例示的な実施形態の概略図を示している。図示するように、本発明のこの実施形態は、圧縮機段１０１、プレバーナ１０５を備えたプレナム段１０３、入口弁部分１０７、１つ又はそれ以上のＰＤＣ１１３を内蔵した燃焼器段１０９、及びタービン段１１１を含む。

本明細書で使用する場合に、発電システム１００は、発電用途の如何なるタイプにも限定されない。本発明の実施形態は、発電機及び同様のもののような地上設置式発電機械、並びにターボファン、ターボジェット、ラムジェット又はスクラムジェット及び同様のもののような推進タイプの装置として用いることができることを意図している。本発明は、この点に関して限定されるものではない。

圧縮機段１０１は、その仕事量を使用して該圧縮機段１０１を通る流体流れの圧力上昇を生じさせる通常公知である又は使用されている圧縮機段である。本発明の実施形態では、流体は空気である。圧縮機段１０１は、複数段又は単一段で構成することができる。本発明は、この点に関して限定されるものではない。

圧縮機段１０１の下流には、プレナム段１０３が配置され、プレナム段１０３は、圧縮機段１０１から加圧流体を受ける。本発明の例示的な実施形態では、圧縮機流体流れの一定の割合は、プレナム段１０３に流入し、一方、残りの部分は、プレバーナ１０５によって使用される。図１に示す実施形態では、３つのバーナを図示している。しかしながら、本発明は、本発明が性能及び運転パラメータに応じてそれよりも多い又は少ないプレバーナ１０５を利用することができることを意図しているので、この点に関して限定されるものではない。

プレバーナ１０５は、入口弁１０７又は燃焼（器）段１０９に流入するのに先立って、圧縮機流体流れ（圧縮機流体流れの温度は、圧縮プロセスにより上昇している）に対して付加的熱を加えるために用いられる。

ＰＤＣの作動特性により、ＰＤＣは、該ＰＤＣを低温環境で又は完全停止から始動させるのが困難である。圧縮機流体流れ温度自体は、多くの場合に液体燃料を気化（蒸発）させるには不十分であるので、液体燃料を使用するＰＤＣにおいてこのことは特に当てはまる。燃料蒸発は、特に始動状態においてＰＤＣプロセスにとって有益である。このプロセスを助長するために、本発明は、パルスデトネーションプロセスを開始するのをより容易にするレベルまで圧縮機流体流れを予熱する。

本発明の実施形態では、プレバーナ１０５は、圧縮機流体流れの一部分Ｆ_ＰＢを燃料と組合せて使用して、プレナム段１０３内で圧縮機流体流れの残りの部分を加熱する定圧デフラグレーション装置である。使用する燃料は、あらゆる公知である又は使用されている燃料とすることができ、また実施形態に応じて、燃焼器段１０９において使用される同一の燃料源から供給されるようにすることも、或いは別の燃料源から供給されるようにすることもできる。本発明の実施形態では、プレバーナ１０５は、航空機推進システム上に配置された既存のアフタバーナで使用されるＶ字形ガッタ設計と同じものとすることができ、或いは別個のバーナ（ＤＡＣＲＳバーナに類似した）とすることができる。これらのバーナのタイプの各々は、記載したように流路内に設置されることになることを意図している。

本発明の例示的な実施形態では、圧縮機流体流れの一部分（Ｆ_ＰＢ）は、マニホルド構造体を介してプレバーナ１０５に導かれる。本発明の別の実施形態では、プレバーナへの圧縮機流体流れの量Ｆ_ＰＢは、該プレバーナ１０５によって生成される熱が運転パラメータに基づいて制御されるように制御装置（図示せず）によって調整される。さらに別の例示的な実施形態では、ＰＤＣが始動又は作動開始した後に、プレバーナ１０５は、作動停止され、圧縮機流体流れは、該プレバーナ１０５を単に迂回することになる。

本発明の実施形態の作動の間に、システム１００の始動時において、プレバーナ１０５が、圧縮機流体流れの一部分Ｆ_ＰＢを使用して作動しているが、該圧縮機流体流れの残りの部分Ｆは、プレナム１０３に直接導かれる。本発明の例示的な実施形態では、圧縮機流体流れの大部分Ｆは、プレナム１０３に直接導かれまた圧縮機流体流れのより少ない量Ｆ_ＰＢは、プレバーナ１０５によって使用される。プレナム１０３内部で、圧縮機流体流れＦは、プレバーナ１０５からの燃焼ガスと混合される。この混合により、プレナム１０３を通りかつ１つ又は複数の入口弁１０７に流入する流体流れの全体温度が上昇する。本発明の実施形態では、プレナム１０３内の流体の温度は、システム１００の燃焼器段１０９で使用される燃料の蒸発を可能にする及び／又は助長する温度まで上昇する。葉形ミキサ要素、渦流発生器又はその他の混合幾何学的機構を使用して、プレバーナ１０５からの燃焼ガスとの主流体流れの混合を促進するのに役立てることができる。

本発明の実施形態では、プレバーナ１０５を使用して、プレナム１０３内の流体の温度を約７００°Ｆまで上昇させる。本発明の別の実施形態では、圧縮機流体流れの約５〜１０％が、プレバーナ１０５に導かれ、一方、残りの流体流れはプレナム１０５に直接導かれる。

本発明の実施形態では、プレバーナ１０５への流体流れの全体割合Ｆ_ＰＢを増加又は減少させて、プレナム１０３内での所望の温度上昇を達成することができる。しかしながら、流体流れの割合Ｆ_ＰＢは、燃焼器段１０９内での燃焼／デトネーションを可能にするのに不十分な量の残りの流体流れＦが生じるほどのものであってはならないことに注目されたい。

本発明のさらに別の例示的な実施形態では、別の加熱メカニズムを用いることができる。例えば、実施形態では、電気加熱又はアーク加熱を用いることができる。加熱メカニズムを用いて、プレナムを通る流体流れを加熱すること及び／又は燃料を加熱することができる。勿論、電気加熱メカニズムのような付加的加熱メカニズムを、上述した実施形態で用いることができることも意図している。

図１に示す実施形態に示すように、プレナム１０３の下流には入口弁部分１０７が配置される。入口弁部分１０７は、燃焼器段１０９内への流体流れを制御／調整する。図１においては、入口弁部分１０７は、その構造及び構成が燃焼器段１０９の入口弁作用の必要性によって決まるので、簡単に図示している。本発明のさらに別の実施形態では、燃焼器段１０９をプレナム１０３の直ぐ下流に配置して、入口弁メカニズムを燃焼器段１０９内に設置するようにすることも意図している。

本発明の例示的な実施形態では、システム１００の入口弁部分１０７内部に、燃料噴射システム（図示せず）が設置される。そのような実施形態では、燃料は、あらゆる一般に公知である又は使用されている方法によって流体流れ内に噴射されて、流体流れが燃焼器段１０９内に流入した時に燃料蒸発が可能になるようになる。用いる燃料噴射システムは、燃焼器段１０９内部に設置した燃焼装置１１３の適切な作動が保証されるようにすべきである。

本発明の実施形態では、燃焼器段１０９は、複数の燃焼装置１１３を含む。ＰＤＣハイブリッド構成である本発明の１つの実施形態では、燃焼装置１１３の少なくとも１つは、ＰＤＣであり、また残りの装置は、標準的デフラグレーション／定圧燃焼装置である。非ハイブリッド構成であるさらに別の実施形態では、燃焼装置１１３の全てが、ＰＤＣである。さらに、図１には、燃焼器段１０９内に複数の燃焼装置１１３を示しているが、本発明の実施形態では、燃焼器段１０９内に単一のＰＤＣのみを配置することも意図している。燃焼器段１０９内の燃焼装置１１３及び１つの又は複数のＰＤＣの数量、構造及び作動特性は、運転及び性能規準の関数である。燃焼装置１１３として、あらゆる公知のＰＤＣ構成を使用することができる。

システム１００の燃焼器段１０９の後方に位置するのは、タービン段１１１である。タービン段１１１は、燃焼器段１０９から仕事エネルギーを取出すために使用するあらゆる一般に公知である又は使用されているタービン構成のものとすることができる。本発明は、この点に関して限定されるものではない。

図２は、本発明の別の例示的な実施形態を示している。（同様の構成要素には、図１に示したものと同じ参照符号を付していることに注目されたい）。具体的には、図２は、入口弁部分１０７に結合された燃料噴射システム２２０を示していることを除いては、図１に示したものと同じであるシステム２００を示している。

図２に示す実施形態では、燃料噴射システム２２０は、燃料タンク２２１、燃料管路２２３、燃料加熱システム２２５及び燃料噴射装置２２７を含む。本発明は、図１又は図２のいずれかに示す特定の構造又は構成に限定されるものではなく、またこれらの図は、例示的な図であることに注目されたい。

図２に示す実施形態は、電気加熱システム用いて燃料システム２２０内に含まれる燃料を加熱する。そのような実施形態では、燃料は、始動時において又は低温環境時において該燃料の蒸発を可能にするのを助長する温度まで加熱される。本発明の実施形態では、電気加熱システム２２５は、タンク２２１内で燃料を加熱すると同時に、燃料管路２２３を通しての該燃料の移動時にも加熱する。電気的燃料加熱システム２２５について説明しているが、本発明は、この点に関して限定されるものではなく、あらゆる公知の又は従来型の燃料加熱手段を用いることができる。さらに、燃料システム２２０は、燃料噴射装置２２７を使用してシステム２００の入口弁段１０７内に燃料を噴射するものとして示している。燃料は、あらゆる公知のシステム又は構造を使用してあらゆる従来通りの方法によってシステム２００内に導入することができるので、本発明はこの点に関しても同様に限定されるものではない。

さらに、図２の実施形態は、図１に示すような圧縮機流体流れのプレナム予熱が燃料加熱システム２２５と組合された状態の両方を有するシステム２００を示している。しかしながら、本発明の別の実施形態は、上述のような燃料予熱システム２２５のみを用いている。

燃料加熱システム２２５は、燃料噴射プロセス時において燃料の部分蒸発又はフラッシュ蒸発だけが生じるのに充分な温度に燃料を加熱する。一般的に、流入燃料の加熱は、低温始動を助ける。さらに別の実施形態（図示せず）では、プレナム段を貫通させて燃料管路を延ばして、プレナム段１０３内で発生した予熱によって燃料を加熱するようにすることができる。例えば、燃料管路は、プレナム壁の内表面に沿って延ばして（流体流れを著しくは邪魔しないようにして）、このような方法で燃料を加熱するのを可能にすることができる。勿論、本発明は、プレナム段１０３を貫通させて燃料管路を延ばすことのみに限定されるものではなく、燃料を加熱することになる入口弁１０７又は他の構造体を貫通させて燃料管路を延ばすこともできる。

本発明の実施形態では、起動時において又は低温始動時において、燃焼器段１０９内で使用するＰＤＣの少なくとも１つは、パルスデトネーション作動への移行が有効に進むことができるようなレベルにシステム全体温度が到達するような時点まで、プレナム予熱、燃料予熱又はそれらの両方のいずれかを用いて定圧デフラグレーションモードで作動させることができる。燃焼装置１１３が全てＰＤＣである場合には、燃焼装置１１３の全て又は一部においてパルスデトネーションへの移行を持続させることができるようにシステム圧力が充分に高くなるまで、該ＰＤＣの全て又は一部を定圧デフラグレーションモードで作動させることができる。上述した実施形態のいずれか１つ又はその組合せを使用することによって、デトネーションモードへの移行が一層迅速になる。

図３は、本発明のさらに別の例示的な実施形態を示している。（同様の構成要素には、図１に示したものと同じ参照符号を付していることに注目されたい）。具体的には、図３は、プレバーナ１０５が、主流体流れＦから離れて配置されていることを除いては、図１に示したものと同じであるシステム１００を示している。この実施形態では、流路での障害物とならないように、プレバーナ１０５は、構造体（例えば、プレナム段１０３）の側面に沿って配置される。主流路から離れるようにプレバーナ１０５を移動させることによって、ドライロスによる圧力損失を受けるおそれが少なくなる。別の言い方をすると、プレバーナ１０５はエンジン始動時においてのみ使用することができることを意図している。従って、始動後には、プレバーナ１０５は作動停止されることになり、それらが流路内に留まっている場合には、該プレバーナ１０５は、単に流路内での障害物となるだけとなる。この実施形態は、主流路から離れるように、例えばプレナム段１０３の壁に沿うようにプレバーナ１０５を移動させて、プレバーナ１０５を作動停止させると、該プレバーナ１０５が、主流体流れＦ内での単なる障害物として作用することがないようにする。

図示するように、例示的な実施形態では、プレバーナには、プレバーナバイパスダクト３０１を介して流体流れ供給することができる。これらのダクトは、プレバーナ流体流れＦ_ＰＢをプレバーナ１０５に導くが、さらにプレナム段内において主流体流れＦをプレバーナ流体流れから分離する。さらに、バイパス流体流れダクト３０１は、ダクト３０１への流体流れを制御する上流バイパス弁３０３を有することができる。例えば、始動時において、弁３０３は、プレバーナ１０５への流体流れを可能にするように開くことができ、その後、エンジンが運転出力に達すると、予熱流体流れの必要性を減少させるようにする。例えば、これは、プレナム段１０３が作動温度に到達した時に行なわせることができる。このようになると、弁３０３は閉じて、流体流れの全てが主流体流れＦとして流れるようにすることができる。プレバーナ１０５が直接流路内に位置していない場合には、流れ障害物による圧力低下が全く（或いは少ししか）生じないことになる。勿論、運転及び性能パラメータに基づいて、弁３０３は、流体流れの量をプレバーナ１０５に導くようなあらゆる好適な位置に位置させることができることも意図している。弁は、全開又は全閉位置に位置することを必要としない。

さらに、流体流れＦ、プレナム段１０３又は残りの構造体に対するプレバーナ１０５の正確な位置は、運転及び設計パラメータに基づいたものとなる。実際には、プレバーナ１０５へのプレバーナ流体流れの少なくとも幾らか又は全てが、それらが主流体流れＦから供給されないようにエンジン外部の供給源から供給されることも意図している。

さらに別の実施形態では、様々な流体流れ方向又は流体流れミキサをプレバーナ１０５の下流に配置して、主流体流れとの予熱流体流れの混合を最大にするか又は少なくとも促進することができる。

定圧デフラグレーション燃焼からパルスデトネーション燃焼に燃焼装置を移行させる作動及び構造は、当業者には公知であるので、本明細書には詳細な説明を含めない。

本発明の別の実施形態では、燃焼装置１１３は、定圧デフラグレーション燃焼器及びＰＤＣの組合せで構成される。そのような組合せを使用した場合には、定圧デフラグレーション燃焼器は、システム温度がＰＤＣを作動させるのを可能にするような時点まで作動することになる。本発明のこの実施形態では、ＰＤＣが作動し始めると、定圧デフラグレーション燃焼器は、所望の運転及び性能パラメータに応じて機能するのを停止させるか又は機能するのを継続させるかのいずれかとすることができる。

さらに、図１及び図２の両方は、システムを同軸に構成されたものとして示しているが、本発明はこの点に関して限定されるものではないので、これは、その構造を単なる例示として意図している。本発明の実施形態では、本システムが同軸に構成されることを意図しており、一方、別の実施形態では、様々な構成部品が同軸に配置されていない。例えば、圧縮機及びタービン部分は、同軸に、つまり同一の駆動シャフト（図示せず）に沿って配置されないことも意図している。

以上、特に発電用途及び航空機用途に関して本発明を説明してきたが、本発明は、それに限定されるものではなく、また有効な出力又は仕事の生成を必要とするあらゆる用途に用いることができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

１００ 発電システム
１０１ 圧縮機段
１０３ プレナム段
１０５ プレバーナ
１０７ 入口弁部分
１０９ 燃焼器段
１１１ タービン段
１１３ パルスデトネーション燃焼器
２００ 発電システム
２２０ 燃料噴射システム
２２１ 燃料タンク
２２３ 燃料管路
２２５ 燃料加熱システム
２２７ 燃料噴射装置
３０１ バイパスダクト
３０３ バイパス弁

Claims (9)

1. 発電システム（１００）であって、
   空気流れを形成する圧縮機段（１０１）と、
   少なくとも１つの加熱装置（１０５）を備え、前記圧縮機段（１０１）の下流に配置されかつ該圧縮機段（１０１）から前記空気流れを受けて、該少なくとも１つの加熱装置により該空気流れの温度を上昇させて加熱空気流れを形成するプレナム段（１０３）と、
   前記プレナム段（１０３）の下流に配置されかつ少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器（１１３）がその中に配置された燃焼器段（１０９）と、
   を含み、
   前記加熱装置（１０５）は、前記プレナム段（１０３）の壁に沿って配置され且つ該加熱装置の上流側にバイパス弁（３０３）を備え、
   前記バイパス弁（３０３）は、前記発電システム（１００）の始動のときに開き、該発電システム（１００）が運転出力に達したときに閉じ、
   前記加熱空気流れの少なくとも幾らかが、前記燃焼器段（１０９）に導かれかつ燃料と混合されて該燃焼器段（１０９）内にデフラグレーション又はデトネーションのいずれかを発生させる、
   発電システム（１００）。
2. 前記少なくとも１つの加熱装置（１０５）が、電気加熱装置又はプレバーナ装置である、請求項１記載の発電システム（１００）。
3. 前記少なくとも１つの加熱装置（１０５）が、前記加熱流体流れの少なくとも幾らかの温度を約７００°Ｆまで上昇させる、請求項１または２に記載の発電システム（１００）。
4. 前記少なくとも１つの加熱装置（１０５）が、前記圧縮機段（１０１）から前記流体流れの第１の量を受けるプレバーナであり、
   前記流体流れの第２の量が、前記プレナム段（１０３）に導かれ、
   前記プレバーナ（１０５）が、前記流体流れの第１の量を使用して、前記プレナム段（１０３）内で燃料を燃焼させる、
   請求項１または３に記載の発電システム（１００）。
5. 前記プレバーナ（１０５）が、定圧デフラグレーション装置である、請求項４記載の発電システム（１００）。
6. 前記流体流れの第１の量が、前記圧縮機段（１０１）からの前記流体流れの約５〜１０％である、請求項４記載の発電システム（１００）。
7. 前記燃焼器段（１０９）の下流に配置されたタービン段（１１１）をさらに含む、請求項１乃至６のいずれか1項記載の発電システム（１００）。
8. 前記燃料が、燃料噴射システム（２２０）を使用して前記加熱流体流れ内に噴射され、
   燃料加熱システム（２２５）が、前記燃料噴射システム（２２０）に結合されて、前記加熱流体流れ内に噴射されるのに先立って前記燃料を加熱する、
   請求項１乃至７のいずれか１項記載の発電システム（１００）。
9. 前記プレバーナ（１０５）が、前記プレナム段（１０３）の壁構造体に隣接して配置されかつバイパスダクト（３０１）を通して前記流体流れの第１の量の少なくとも一部分を受ける、請求項４記載の発電システム（１００）。
   

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