JP5970466B2

JP5970466B2 - パルスデトネーション燃焼器

Info

Publication number: JP5970466B2
Application number: JP2013539890A
Authority: JP
Inventors: ケニヨン，ロス・ハートリー; ドム，ジュニア、ポール・ホイットソン; ラシード，アダム; ポンブレス，マーク・ジョセフ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2031-11-08
Also published as: BR112013011304A2; CA2816893A1; US20120122039A1; JP2013543105A; WO2012067885A1; EP2641025A1; CN103201563A; CN103201563B; US8899010B2

Description

本明細書で開示される主題は、パルスデトネーション燃焼器に関し、より具体的には、パルスデトネーション管の熱成長に対応したパルスデトネーション燃焼器内でのパルスデトネーション管の配置に関する。

ガスタービンエンジンは、１つ又はそれ以上の燃焼器を含み、該燃焼器は、加圧空気及び燃料を受け取って燃焼し、高温燃焼ガスを生成する。一部のタービンエンジンの構想では、デトネーション反応を用いて燃料−空気混合気を燃焼させるよう構成された１つ又はそれ以上のパルスデトネーション管を含むパルスデトネーション燃焼器を利用している。パルスデトネーション管内では、燃焼反応は、超音速で移動するデトネーション波によって引き起こされ、これにより燃焼プロセスの効率が向上する。具体的には、空気及び燃料は通常、パルスデトネーション管に離散的パルスで噴射される。次いで、空気−燃料混合気は、点火源によりデトネーションを生じ、これによりデトネーション波を確立し、超音速で管体を伝播する。パルスデトネーションプロセスは、パルスデトネーション管内で加圧排出ガスを生成し、最終的にはタービンを回転駆動する。

残念ながら、パルスデトネーション反応に伴う高温高圧に起因して、パルスデトネーション管及び関連の構成要素の寿命が大きく制限される場合がある。具体的には、パルスデトネーション管からタービン入口に排出ガスを配向するノズルは、高い熱応力を生じ、これによりこのようなノズルの有効寿命が制限される場合がある。加えて、パルスデトネーション管の熱膨張により、タービンへの排出ガスの流入角度及びタービンエンジンの効率を維持するため複雑な装着及びシール構成が必要となる。

従って、パルスデトネーション反応に伴う高温高圧に対処し、パルスデトネーション管の熱成長を可能にする結果として生じる複雑な装着及びシール構成に対処した新規の改善されたパルスデトネーション燃焼器に対する必要性がある。

米国特許出願第２００７１８０８１１号明細書

最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。

要約すると、１つの実施形態によれば、パルスデトネーション燃焼器が提供される。パルスデトネーション燃焼器は、ガス放電アニュラスを円周方向に支持するよう構成された複数のノズルと、複数のノズルに延びる複数のパルスデトネーション管と、各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、を含む。

別の実施形態によれば、パルスデトネーション燃焼器が提供される。パルスデトネーション燃焼器は、ノズル出口オリフィスとノズル入口とを各々が有し、複数の前記ノズル出口オリフィスがガス放電アニュラスを形成するよう構成されている複数のノズルを含む。燃焼器は更に、各々がそれぞれの前記ノズル入口に結合された複数のパルスデトネーション管と、各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、を含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、添付図面に関連して提供された本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明からより理解されるであろう。

本発明のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層よく理解されるであろう。

本開示の特定の実施形態による、パルスデトネーション管と、該パルスデトネーション管を相互連結し且つその熱成長を可能にするよう構成された複数のノズルとを含む、パルスデトネーション燃焼器を有するタービンシステムのブロック図。本開示の特定の実施形態による、図１に示すパルスデトネーション燃焼器の部分側断面図。本開示の特定の実施形態による、パルスデトネーション管及びノズル組立体を示す、図１のパルスデトネーション燃焼器の斜視図。本開示の特定の実施形態による、パルスデトネーション燃焼器の断面図。本開示の特定の実施形態による熱膨張制御継手を有する、図４に示すパルスデトネーション燃焼器の拡大切り欠き斜視側面図。本開示の特定の実施形態による熱膨張制御継手を有するパルスデトネーション燃焼器の断面図。本開示の特定の実施形態による熱膨張制御継手を有するパルスデトネーション燃焼器の断面図。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本開示の実施形態は、作動中のパルスデトネーション管の熱成長を可能にすることにより、パルスデトネーション燃焼器及び特にパルスデトネーション管の寿命を延ばすことができる。具体的には、特定の実施形態において、パルスデトネーション燃焼器は、各々がノズルに結合された複数のパルスデトネーション管を含む。複数のノズルの各々は、ノズル出口オリフィス及びノズル入口を含む。パルスデトネーション管は、各ノズル入口に結合され、パルスデトネーション反応による排出ガスをノズルに流すように構成される。更に、パルスデトネーション管は各々、作動中にパルスデトネーション管の熱成長を可能にするためにそれぞれのノズルにパルスデトネーション管を装着する少なくとも１つの熱膨張制御継手を含む。

特定の実施形態はまた、パルスデトネーション管に冷却流を提供するよう構成されたインピンジメント冷却システムを利用し、これにより温度及び熱応力を低減することができる。具体的には、インピンジメント冷却システムは、各パルスデトネーション管と流れ連通した複数の軸方向冷却スロットを含むことができる。このような冷却システムは、パルスデトネーション管の温度を有意に低下させ、熱成長を最小限にすることができる。

本明細書で使用されるパルスデトネーション管は、管体内で一連の繰り返されるデトネーション又は擬似デトネーションによる圧力上昇と速度増大の両方をもたらすあらゆる装置及びシステムを意味すると考えられる。「擬似デトネーション」は、デフラグレーション波により生成される圧力上昇及び速度増大よりも大きな圧力上昇及び速度増大をもたらす超音速燃焼プロセスである。パルスデトネーション管の実施形態は、燃料／酸化剤混合気（例えば、燃料／空気混合気）を点火する手段と、点火プロセスにより開始され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チャンバとを含む。各デトネーション又は擬似デトネーションは、スパーク放電又はレーザパルスなどの外部点火によるか、又は衝撃波集束又は自動点火などの動的プロセス、或いは別のデトネーション（クロスファイア）によって開始される。

デトネーション燃焼器の幾何形状は、デトネーション波の圧力上昇が燃焼生成物をパルスデトネーション燃焼器排気口から放出して推力を生成するようなものである。パルスデトネーション燃焼は、衝撃波管、共振デトネーションキャビティ、及び環状／環状筒型／筒型燃焼器を含む、幾つかのタイプの燃焼チャンバ（燃焼室）で達成することができる。本明細書で使用される用語「チャンバ」は、一定又は可変断面積の円形又は非円形断面を有するパイプを含む。例示的なチャンバは、円筒管だけでなく、多角形断面（例えば、六角形管）を有する管体を含む。

次に、図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンシステム１０の１つの実施形態のブロック図が示されている。タービンシステム１０は、燃料噴射装置１２、燃料供給源１４、及びパルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）１６を含む。図示のように、燃料供給源１４は、天然ガスのような液体燃料及び／又はガス燃料をタービンシステム１０に送り、燃料噴射装置１２を通ってＰＤＣ１６に入る。以下で考察するように、燃料噴射装置１２は、燃料を噴射して加圧空気と混合するよう構成されている。ＰＤＣ１６は、燃料−空気混合気を点火し燃焼し、次いで、高温加圧排出ガスをタービン１８に送る。排出ガスは、タービン１８におけるタービンブレードを通り、これによりタービン１８が回転駆動される。タービン１８におけるブレードとシャフト１９との間のカップリングによって、図示のようにタービンシステム１０全体を通じて複数の構成要素に結合されているシャフト１９の回転が生じることになる。最終的には、燃焼プロセスの排出ガスが、排気出口２０を介してタービンシステム１０から流出することができる。

タービンシステム１０の１つの実施形態において、圧縮機２２の構成要素として圧縮機ブレードが含まれている。圧縮機２２内のブレードは、シャフト１９に結合することができ、該シャフト１９がタービン１８によって回転駆動されるときに回転することになる。圧縮機２２は、吸気口２４を介してタービンシステム１０に空気を吸入することができる。更に、シャフト１９は、シャフト１９の回転により動力を供給することができる負荷２６に結合することができる。理解されるように、負荷２６は、発電機及び外部の機械的負荷のような、タービンシステム１０の回転出力の動力を用いることができるあらゆる好適な装置とすることができる。例えば、負荷２６は、発電機、航空機のプロペラ、その他を含むことができる。吸気口２４は、低温吸気口のような好適な機構を介してタービンシステム１０に空気３０を吸い込む。次いで、空気３０は、圧縮機２２のブレードを通って流れ、該圧縮機２２が加圧空気３２をＰＤＣ１６に提供する。詳細には、燃料噴射装置１２は、加圧空気３２及び燃料１４を燃料−空気混合気３４としてＰＤＣ１６に噴射することができる。或いは、加圧空気３２及び燃料１４は、混合及び燃焼のためＰＤＣ１６に直接噴射してもよい。

以下で詳細に考察するように、本発明の実施形態は、ＰＤＣ１６内に複数のパルスデトネーション管を含む。これらの管体は、加圧空気３２及び燃料１４を離散的パルスで受け取るよう構成されている。パルスデトネーション管に燃料−空気混合気が充填された後、混合気は、点火源によりパルスデトネーションを生じ、これにより超音速で管体を伝播するデトネーション波を確立する。デトネーションプロセスは、パルスデトネーション管内に加圧排出ガスを生成し、これが最終的にタービン１８を回転駆動させる。特定の実施形態において、各パルスデトネーション管は、ノズル出口オリフィスを含むノズルを介してタービン１８に結合される。ノズル出口オリフィスは、嵌合面（２８）を介して互いに係合し、ガス放電アニュラスを形成する。この構成は、各ノズル出口オリフィスに対して相互支持を提供し、これにより高温排出ガスに伴う熱負荷に対する耐性を向上させる。或いは、各管体のノズルは、鋳造又は単一の機械加工金属ブロックなど、単一のモノリスから一体的に形成することができる。別の実施形態では、冷却システムを利用して、パルスデトネーション管の温度を低下させ、これにより燃焼器寿命を延ばすことができる。パルスデトネーション管をＰＤＣ１６に関連して説明しているが、本開示の実施形態は、パルスデトネーション管を利用する他の用途にも利用できる点を理解されたい。

図２は、図１のタービンシステム１０で使用できるＰＤＣ１６の部分側断面図である。上記で考察したように、ＰＤＣ１６は、複数のパルスデトネーション管（ＰＤＴ）３６を含む。ＰＤＴ３６が１つだけ図示されているが、複数のＰＤＴ３６を中心線３８の周りに円周方向に位置付けることができる点は理解されるであろう。一般に、ＰＤＣ１６は、タービン１８から軸方向及び半径方向で離れる方向に向けられたＰＤＴ３６を含み、これにより、デフラグレーション型燃焼器を利用した従来の構成と比べてタービンシステム１０の長さが増大する。以下で詳細に考察するように、ＰＤＴ３６の円周方向配列は、タービンシステム１０の全長を従来のタービンシステムと同程度の範囲の長さに低減する可能性がある。ＰＤＣ１６は本構成で利用されているが、代替の実施形態では、ＰＤＴ３６と従来のデフラグレーション型燃焼器の両方を含む燃焼器を利用してもよい点は理解されたい。

図示のように、各ＰＤＴ３６は、それぞれのノズル４０に結合される。代替の実施形態において、複数のＰＤＴ３６は、各ノズル４０に結合することができる。本発明の実施形態において、各ＰＤＴ３６は、ノズル４０の対応するフランジ３９と嵌合するよう構成されたフランジ３７を含むことができる。図示のように、ファスナー４１は、ＰＤＴフランジ３７をノズルフランジ３９に固定する役割を果たす。別の実施形態では、ＰＤＴ３６をノズル４０に取り付ける代替の従来手段（例えば、溶接接続）を利用することができる。加えて、ノズル４０は、ＰＤＴ３６と一体化してもよい。すなわち、ＰＤＴ３６及びノズル４０は、単一の構造体に組み合わせることができる。以下で更に詳細に説明するように、各ノズル４０は、内側フランジ付きセグメント４４及び外側フランジ付きセグメント４６を有するノズル出口オリフィス４２を含む。特定の実施形態において、ノズル出口オリフィス４２は、これらを相互連結可能にする固有特徴要素を含み、これにより個々のノズル４０に対する相互支持を提供すると同時に、フレームへの装着面を提供する複合ガス放電アニュラスを確立する。他の実施形態では、各管体のノズルは、単一の一体構造体から形成することができる。

作動中、加圧空気３２は、空気流をＰＤＣ１６に配向するディフューザ５２を含む、圧縮機出口４８を通じてＰＤＣ１６に流入する。具体的には、ディフューザ５２は、高速圧縮機空気からの全動水頭を燃焼に好適な圧力水頭に変換する（すなわち、流速を低下させ、流れ圧力を増大させる）。本発明の実施形態において、乱流が実質的に低減されるように流れが再配向される。

次いで、加圧空気３２は、ＰＤＣケーシング５０とＰＤＴ３６との間の流路４９に配向される。図示のように、ＰＤＣケーシング５０は、該ＰＤＣケーシング５０に支持を提供する構造部材６８に結合される。上記で考察したように、パルスデトネーション反応は、大きな熱出力を生成する。加圧空気３２は、ＰＤＴ３６内のパルスデトネーション反応よりも低温であるので、ＰＤＴ３６の外壁に沿った空気流は、ＰＤＴ３６から加圧空気３２に熱を伝達する。この構成は、作動中にＰＤＴ３６を冷却すると共に、ＰＤＴ３６に流入する空気の温度を上昇させる。

最終的に加圧空気３２は、ＰＤＴ３６の遠位端（図示せず）に流れた後、ＰＤＴ３６の内部に流入する。加圧空気３２が遠位端に到達すると、空気バルブが周期的に開き、ＰＤＴ３６に空気パルスを放射する。加えて、燃料噴射装置１２は、ＰＤＴ３６に流入する前又はＰＤＴ３６内で空気ストリームに燃料を噴射し、これによりパルスデトネーションに好適な燃料−空気混合気３４を確立する。ＰＤＴ３６内では、燃料−空気混合気３４は、点火源によりパルスデトネーションを生じ、デトネーション波を形成するデフラグレーションからデトネーションへの移行（ＤＤＴ）を確立する。デトネーション波は、燃料−空気混合気を通って超音速でノズル４０に向かって伝播する。デトネーション波は、燃料と空気との燃焼反応を誘起し、これにより波の上流側で発熱し排出ガス生成物５４を形成する。デトネーション波が燃料−空気混合気を通って伝播すると、ＰＤＴ３６内の膨張する排出ガス生成物５４の過渡的な閉じ込めに起因してＰＤＴ３６内部が加圧される。具体的には、デトネーション波は、膨張ガスがノズル４０から流出できるよりも早期に排出ガス生成物５４を加熱し、これによりＰＤＴ３６内の圧力が増大する。デトネーション波がＰＤＴ３６内で燃料及び空気を実質的に反応させた後、加圧された排出ガス生成物５４は、ノズル４０を通ってタービンロータ５５内に放出され、これによりタービン１８を回転駆動する。

ノズル４０は、ノズルを通るガス流の方向に垂直な断面区域に集まり、ＰＤＴ３６からノズル出口オリフィス４２への排出ガス生成物５４のチョーク流れを維持する。例えば、特定の実施形態において、ＰＤＴ３６の断面区域は、ノズル出口オリフィス４２の断面区域よりも約４倍大きいものとすることができる。加えて、各ノズルの断面区域は、ノズル入口からスロート部に収束し、該スロート部からノズル出口オリフィス４２に発散することができる。更に、ノズル４０は、ＰＤＴ３６の実質的に円形断面から、ノズル出口オリフィス４２にて実質的に平坦な円周方向側部を有する形状に移行することができる。実質的に平坦な円周方向側部により、ノズル出口オリフィス４２が相互連結することができ、これにより作動中にノズル出口オリフィス４２を支持するガス放電アニュラスを形成することができる。説明するように、ＰＤＴ３６及びノズル４０は、タービンシステム中心線３８に対してタービン流入角度又はその近傍の角度で配向することができる。排出ガス生成物５４は、これにより第１段タービンノズルを回避した好適な向きでタービン１８に配向される。

図３は、例示的なパルスデトネーション燃焼器、より詳細には、全体的にタービン１８から圧縮機２２に向かって見た、管体及びノズル組立体７０の斜視図である。以下で詳細に考察するように、ノズル出口オリフィス４２は、組み立てられてガス放電アニュラス６５にされたときに隣接するノズル出口オリフィス４２と隙間無く張り付いて相互連結するように設計される。この構成は、各ノズル出口オリフィス４２に構造的支持を提供し、これによりパルスデトネーションプロセスに伴う高い熱応力及び機械応力からオリフィス４２を保護することができる。

本構成において、ノズル４０及び結果として得られるＰＤＴ３６は、タービンシステム中心線３８から延びる半径方向軸線５８に対して角度５６で配向される。具体的には、角度５６は、半径方向軸線５８に対するノズル中心線６０の角度方向を定める。換言すると、ノズル４０は、ノズル出口オリフィス４２の組み立てにより形成されたガス放電アニュラス６５に実質的に接するような向きにされる。代替の実施形態において、ノズル４０は、半径方向軸線５８に対し他の好適な角度５６に向けることができる。例えば、角度５６は、およそ０〜１８０度、３０〜１５０度、６０〜１２０度、６０〜９０度、又は約７５〜９０度の間とすることができる。ノズル４０の向きは、タービン１８への排出ガス生成物の流れに円周方向速度成分を与える。

更に、図示の実施形態では１２のノズル４０がＰＤＣ１６に結合されているが、代替の実施形態では、より多くの又はより少ないノズル４０を利用することができる。例えば、特定のＰＤＣ構成は、１、２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、又はそれ以上よりも多くのノズル４０及び関連ＰＤＴ３６を含むことができる。各ノズル出口オリフィス４２は、内側フランジセグメント４４及び外側フランジセグメント４６を含み、これらは、組み立てられたときにガス放電アニュラス６５の周りに内側及び外側フランジを形成する。内側フランジは、内側フレーム部材６２を装着できる表面を提供し、外側フランジは、外側フレーム部材６４を固定できる表面を提供する。内側及び外側フレーム部材６２、６４は、タービン１８に固定される。加えて、構造部材６８が図示され、ノズル４０及び／又はＰＤＴ３６の熱膨張がタービン１８に対するノズル出口オリフィス４２の位置及び向きをあまり変更しないようにノズル４０をＰＤＣ１６に固定する構造支持を提供する。この構成において、ノズル出口オリフィス４２は、第１段タービンノズルを回避するよう構成された向きで排出ガス生成物５４をタービン１８に流すことができる。嵌合方面を介して複数のノズル出口オリフィスが互いに係合される、複数のノズルに結合した複数のパルスデトネーション管を含むパルスデトネーション燃焼器構成に関する追加の情報は、２００９年１１月３０日に出願された、Ｋｅｎｙｏｎ他による、名称「Ｐｕｌｓｅｄｅｔｏｎａｔｉｏｎｃｏｍｂｕｓｔｏｒ（パルスデトネーション燃焼器）」の同一出願人による同時係属の米国特許出願第１２／６２７，９４２号において見出すことができ、当該出願は引用により本明細書に組み込まれる。

ここで図４及び５を参照すると、作動中にパルスデトネーション管３６の熱膨張を可能にするよう構成された熱膨張制御継手を含む、パルスデトネーション燃焼器、より詳細にはパルスデトネーション管及びノズル組立体８０が断面図及び部分断面図でそれぞれ示されている。上記で検討したように、ＰＤＴ３６は、種々の技法を用いてノズル４０に結合することができる。図示のように、ＰＤＴ３６及びノズル４０は、溶接継手８２により取り付けられる。理解されるように、パルスデトネーションプロセスは、ＰＤＴ３６の大きな熱膨張を誘起する可能性がある熱を発生する。例えば、４０インチ（１０２ｃｍ）長さのＰＤＴは、０．７５インチ（２ｃｍ）程長さが増大する可能性がある。図示のように、ノズル出口オリフィス４２は、内側フレーム部材６２と内側支持部材８４との間に挟まれる内側フランジセグメント４４により内側フレーム部材６２に固定される。同様に、外側フランジセグメント４６は、外側フレーム部材６４と外側支持部材８６との間に挟まれ、これによりノズル出口オリフィス４２を外側フレーム部材６４に固定する。内側フレーム部材６２及び外側フレーム部材６４がタービン１８に固定されるので、ノズル出口オリフィス４２の位置は、タービン１８に対して固定である。この構成は、ノズル４２及び／又はＰＤＴ３６の熱成長にもかかわらず、タービン１８への排出流の向きを維持する。例示的な実施形態において、ＰＤＣケーシング５０は、構造部材６８に結合され、管ヘッド端部９２、より具体的にはＰＤＴ３６への空気パルスを放射するよう周期的に開く空気バルブ９６の外側カップ９４の位置をケーシング５０に対して維持しながら、ＰＤＴ３６の熱膨張又は熱成長を可能にする熱膨張制御継手９０を含む。より詳細には、熱膨張制御継手９０は、ＰＤＣケーシング５０と一体的に形成されるベローズ膨張継手１００として構成され、ＰＤＴ３６の熱成長中、ベローズ膨張継手１００が、矢印１０２で示すように軸方向に膨張する。ＰＤＴ３６の外側表面１０５から延びる複数のアライメントフィン１０４を設け、ＰＤＴ３６の熱膨張中にＰＤＣケーシング５０に対するＰＤＴ３６の同心整列を維持することができる。アライメントフィン１０４は、ＰＤＴ３６に外接するリング１０６として、或いは、ＰＤＣケーシング５０とＰＤＴ３６との間の流路４９を通るより大きな自由空気流を提供する複数の離散的ピン型突出部１０８として形成することができる。各パルスデトネーション燃焼器、より詳細には各パルスデトネーション管及びノズル組立体８０に熱膨張制御継手９０を組み込むことにより、各個々のＰＤＴ３６は、他のＰＤＴ３６から独立して膨張するよう構成される。

ここで図６を参照すると、作動中にパルスデトネーション管３６の熱膨張を可能にするよう構成された熱膨張制御継手を含む、パルスデトネーション燃焼器、より詳細にはパルスデトネーション管及びノズル組立体２００が断面図で示されている。上記で検討したように、ＰＤＴ３６は、種々の技法を用いてノズル４０に結合することができる。図示のように、ＰＤＴ３６及びノズル４０は、溶接継手８２により取り付けられる。図４及び５に関して上記で説明されたように、デトネーションプロセスは、ＰＤＴ３６の大きな熱膨張を誘起する可能性がある熱を発生する。上記の実施形態と同様に、ノズル出口オリフィス４２は、内側フレーム部材６２と内側支持部材８４との間に挟まれる内側フランジセグメント４４により内側フレーム部材６２に固定される。同様に、外側フランジセグメント４６は、外側フレーム部材６４と外側支持部材８６との間に挟まれ、これによりノズル出口オリフィス４２を外側フレーム部材６４に固定する。ノズル出口オリフィス４２の位置は、タービン１８に対して固定であり、従って、ノズル４２及び／又はＰＤＴ３６の熱成長にもかかわらず、タービン１８への排出流の向きが維持される。この例示的な実施形態において、ＰＤＣケーシング５０は、構造部材６８に結合され、管ヘッド端部９２の位置をケーシング５０に対して維持しながら、ＰＤＴ３６の熱膨張又は熱成長を可能にする熱膨張制御継手９０を含む。図６に示す実施形態では、熱膨張制御継手９０は、空気バルブ９６の外側カップ９４の下側端部と、ＰＤＴ３６を外接して位置付けられる半径方向支持部材２０４との間の熱膨張継手２０２として構成される。ＰＤＴ３６の熱成長中、膨張継手２０２は、矢印２０２で示すように軸方向に膨張し、空気バルブ９６の外側カップ９４が軸方向に移動でき、ＰＤＴ３６の熱成長を可能にする。半径方向支持部材２０４は、ＰＤＴ３６の熱膨張中にＰＤＣケーシング５０に対するＰＤＴ３６の同心整列を維持する手段を提供する。各パルスデトネーション燃焼器、より詳細には各パルスデトネーション管及びノズル組立体８０に熱膨張制御継手９０を組み込むことにより、各個々のＰＤＴ３６は、他のＰＤＴ３６から独立して膨張するよう構成される。

ここで図７を参照すると、作動中にパルスデトネーション管３６の熱膨張を可能にするよう構成された熱膨張制御継手を含む、パルスデトネーション燃焼器、より詳細にはパルスデトネーション管及びノズル組立体３００が断面図で示されている。上記で検討したように、ＰＤＴ３６は、種々の技法を用いてノズル４０に結合することができる。図示のように、ＰＤＴ３６及びノズル４０は、溶接継手８２により取り付けられる。図４、５及び６に関して上記で説明されたように、デトネーションプロセスは、ＰＤＴ３６の大きな熱膨張を誘起する可能性がある熱を発生する。この特定の実施形態において、ノズル出口オリフィス４２は、内側フレーム部材６２と内側支持部材８４との間に挟まれる内側フランジセグメント４４により内側フレーム部材６２に固定される。同様に、外側フランジセグメント４６は、外側フレーム部材６４と外側支持部材８６との間に挟まれ、これによりノズル出口オリフィス４２を外側フレーム部材６４に固定する。特定の実施形態において、ノズル出口オリフィス４２は、内側フレーム部材６２及び外側フレーム部材６２に固定されるように説明したが、ＰＤＴ３６の熱成長に対処するためノズル４０とフレーム部材６２、６４との間にある程度の融通性を含めるようにして固定してもよい。固定手段に関係なく、ノズル出口オリフィス４２の位置は、タービン１８に対して固定であり、従って、ノズル４２及び／又はＰＤＴ３６の熱成長にもかかわらず、タービン１８への排出流の向きが維持される。この例示的な実施形態において、ＰＤＣケーシング５０は、構造部材６８に結合され、管ヘッド端部９２の位置をケーシング５０に対して維持しながら、ＰＤＴ３６の熱膨張又は熱成長を可能にする少なくとも１つの熱膨張制御継手９０を含む。図７に示す実施形態では、熱膨張制御継手９０は、滑動する膨張継手３０２として構成され、これによりＰＤＴ管体３６の上側末端部分３０４は、ＰＤＴ３６の熱成長に対処するため半径方向支持部材３０６内で滑動するよう構成される。滑動する膨張継手３０２に対処するため、半径方向支持部材３０６は、ＰＤＴ３６に外接して位置付けられる。半径方向支持部材３０６は、滑動空間３０８を一体的に形成し、ＰＤＴ３６の移動を可能にする。ＰＤＣケーシング５０は更に、外側ケーシング５０内に形成された膨張継手３１０の形態で少なくとも１つの膨張制御継手９０を含むことができる。ＰＤＴ３６の熱成長中、ＰＤＴ管体３６は、矢印３１２で示すように滑動膨張継手３０２内で軸方向に滑動する。加えて、外側ケーシング５０は、少なくとも１つの膨張制御継手３１０にて軸方向に延びることができ、ＰＤＴ３６が軸方向に移動でき、ＰＤＴ３６の熱成長を可能にする。半径方向支持部材３０６は、ＰＤＴ３６の熱膨張中にＰＤＣケーシング５０に対するＰＤＴ３６の同心整列を維持する手段を提供する。各パルスデトネーション燃焼器、より詳細には各パルスデトネーション管及びノズル組立体３００に熱膨張制御継手９０を組み込むことにより、各個々のＰＤＴ３６は、他のＰＤＴ３６から独立して膨張するよう構成される。管体端部３０４は、ラビリンスシールと同様のピストンリング、Ｏリング、Ｇｒａｐｈｏｉｌロープシール又は隆起バンプ（又は一連の隆起バンプ）などの滑動シールを提供する。

図７に最もよく示されるように、パルスデトネーション燃焼器、及びより詳細にはパルスデトネーション管及びノズル組立体３００は、ノズル間冷却構成を含むことができる。上述のように、パルスデトネーションプロセスは、ノズル出口オリフィス４２を通過する高温の排出ガス生成物５４を生成し、これによりノズル４０が高い熱負荷に曝される。結果として、本発明の実施形態は、個々のノズル４０に冷却を提供するよう構成されたシステムを含む。図示の円周方向冷却マニホルド３２０のような冷却マニホルドは、ノズル４０に近接して形成される。円周方向冷却マニホルド３２０は、ノズル４０の周りに軸方向及び円周方向に延び、ノズル４０にインピンジメント冷却を提供する。図示の軸方向冷却スロット３２２のような１つ又はそれ以上の冷却スロットは、ノズル４０に近接して形成されて冷却を提供する。理解されるように、代替の実施形態では、軸方向に対して整列した冷却スロットを含むことができる。作動時には、圧縮機２２又は代替空気供給源（例えば、外部圧縮機、空気ブロア、その他）からの冷却空気は、円周方向冷却マニホルドに導入され、より詳細には軸方向冷却スロット３２２を通ってノズル４０に沿って軸方向に導入することができる。空気流は、ノズル間区域から熱を吸収し、これによりノズル４０を冷却する役割を果たすことができる。

作動時には、冷却空気は、円周方向冷却マニホルド３２０に流入し、軸方向冷却スロット３２２を通って流れる。冷却空気は、ノズル４０の外側円周方向表面４１上に衝突する。冷却空気が外側円周方向表面４１に沿って軸方向に流れると、排出ガス生成物からの熱が空気により吸収され、これによりノズル４０が冷却される。同様に、ノズル間冷却構成は、フィン、ベーン、又はバッフルなど、冷却空気と外側円周方向表面４１との間の熱伝達を向上させるために特定の構造を利用することができる。別の実施形態では、水、窒素、又は二酸化炭素のような空気以外の冷却媒体を利用してもよい。

本発明の実施形態は、特定のパルスデトネーション管及びノズル組立体の実施形態を開示しているが、本開示はこのような設計に限定されるものではない。パルスデトネーション管及びノズル組立体の代替の構成は、同様の方式でパルスデトネーション管の熱成長を可能にするパルスデトネーション管及びノズル組立体を利用することができる。利用される構成要素の配向及び構成は、特定用途の設計及び動作要件に応じて変わる点は理解されるであろう。当業者であれば、必要とされるパラメータ及び設計基準を考慮して、最適構成を決定し実装することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ガスタービンシステム
１２燃料噴射装置
１４燃料供給源
１６パルスデトネーション燃焼器
１８タービン
１９シャフト
２０排気出口
２２圧縮機
２４吸気口
２６負荷
２８嵌合面
３０空気
３２加圧空気
３４燃料−空気混合気
３６パルスデトネーション管
３７パルスデトネーションフランジ
３８タービンシステム中心線
３９ノズルフランジ
４０ノズル
４１ファスナー
４２ノズル出口オリフィス
４４内側フランジセグメント
４６外側フランジセグメント
４８圧縮機出口
４９流路
５０パルスデトネーション燃焼器ケーシング
５２圧縮機出口ディフューザ
５４排出ガス生成物
５５タービンロータ
５６半径方向軸線に対するノズル中心線の角度
５８半径方向軸線
６０ノズル中心線
６２内側フレーム部材
６４外側フレーム部材
６５ガス放電アニュラス
６８構造部材
７０管体及びノズル組立体
８０パルスデトネーション燃焼器
８２溶接継手
８４内側支持部材
８６外側支持部材
９０熱膨張制御継手
９２管体ヘッド端部
９４外側カップ
９６空気バルブ
１００ベローズ膨張継手
１０２矢印
１０４アライメントフィン
１０５３６の表面
１０６リング
１０８離散的ピン型突出部
２００パルスデトネーション燃焼器
２０２膨張継手
２０４半径方向支持部材
２０６矢印
３００パルスデトネーション燃焼器
３０２滑動膨張継手
３０４３６の上側末端部分
３０６半径方向支持部材
３０８滑動空間
３１０膨張継手
３１２矢印
３２０円周方向冷却マニホルド
３２２軸方向冷却スロット

Claims

パルスデトネーション燃焼器であって、
ガス放電アニュラスを円周方向に支持するよう構成された複数のノズルと、
前記複数のノズルに延びる複数のパルスデトネーション管と、
各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、前記パルスデトネーション管に外接するパルスデトネーション燃焼器ケーシングと一体的に形成され、前記パルスデトネーションケーシングの軸方向膨張を可能にする、パルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ガス放電アニュラスを円周方向に支持するよう構成された複数のノズルと、
前記複数のノズルに延びる複数のパルスデトネーション管と、
各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数のノズルが、嵌合面を介して互いに係合される、パルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ガス放電アニュラスを円周方向に支持するよう構成された複数のノズルと、
前記複数のノズルに延びる複数のパルスデトネーション管と、
各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数のノズルが、モノリシック構造として構成される、パルスデトネーション燃焼器。
前記各パルスデトネーション管が、それぞれのノズルに延びる、請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、ベローズ膨張継手として構成される、請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記パルスデトネーション管が更に、前記パルスデトネーション燃焼器ケーシングに対する前記パルスデトネーション管の同心整列を可能にするよう、外部表面上に少なくとも１つのアライメントフィンを含む、請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記少なくとも１つのアライメントフィンが、前記パルスデトネーション管に外接するリングとして構成される、請求項６に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記少なくとも１つのアライメントフィンは、前記パルスデトネーション管の外側表面から突出する離散的ピンとして構成される、請求項６に記載のパルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ガス放電アニュラスを円周方向に支持するよう構成された複数のノズルと、
前記複数のノズルに延びる複数のパルスデトネーション管と、
各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、滑動膨張継手として構成され、
前記滑動膨張継手が、ピストンリング、Ｇｒａｐｈｏｉｌロープ、Ｏリング、ラビリンスシールシール、及びＣシールのうちの少なくとも１つを含むよう構成される、パルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ガス放電アニュラスを円周方向に支持するよう構成された複数のノズルと、
前記複数のノズルに延びる複数のパルスデトネーション管と、
各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、滑動膨張継手として構成され、
前記滑動膨張継手が、前記各パルスデトネーション管の最上端部に位置付けられた空気バルブの外側カップの軸方向移動を可能にするよう構成されている、パルスデトネーション燃焼器。
前記滑動膨張継手が、前記パルスデトネーション管の周りで半径方向に固定された半径方向支持部材に対する前記パルスデトネーション管の軸方向移動を可能にするよう構成されている、請求項９に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記各ノズルが、前記ガス放電アニュラスに実質的に接した向きにされる、請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記各ノズルが、タービン流入角度に対応するパルスデトネーション燃焼器の長手方向中心線に対してある角度の向きにされている、請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記複数のノズルの各々と流体連通した１つ又はそれ以上の軸方向冷却スロットを各々が有する複数の冷却マニホルドを更に備える、請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ノズル出口オリフィスとノズル入口とを各々が有し、複数の前記ノズル出口オリフィスがガス放電アニュラスを形成するよう構成されている複数のノズルと、
各々がそれぞれの前記ノズル入口に結合された複数のパルスデトネーション管と、
前記各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、前記パルスデトネーション管に外接するパルスデトネーション燃焼器ケーシングと一体的に構成され、前記パルスデトネーションケーシングの軸方向膨張を可能にする、
パルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ノズル出口オリフィスとノズル入口とを各々が有し、複数の前記ノズル出口オリフィスがガス放電アニュラスを形成するよう構成されている複数のノズルと、
各々がそれぞれの前記ノズル入口に結合された複数のパルスデトネーション管と、
前記各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数のノズル出口オリフィスが、嵌合面を介して互いに係合して前記ガス放電アニュラスを形成する、パルスデトネーション燃焼器。
前記各パルスデトネーション管が、溶接継手により前記それぞれのノズル入口に結合される、請求項１５に記載のパルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ノズル出口オリフィスとノズル入口とを各々が有し、複数の前記ノズル出口オリフィスがガス放電アニュラスを形成するよう構成されている複数のノズルと、
各々がそれぞれの前記ノズル入口に結合された複数のパルスデトネーション管と、
前記各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記各ノズルが、前記ノズル入口から前記ノズルを通って前記ノズル出口オリフィスへのガス流方向に垂直な断面区域に集まる、パルスデトネーション燃焼器。
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、ベローズ膨張継手として構成される、請求項１５に記載のパルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ノズル出口オリフィスとノズル入口とを各々が有し、複数の前記ノズル出口オリフィスがガス放電アニュラスを形成するよう構成されている複数のノズルと、
各々がそれぞれの前記ノズル入口に結合された複数のパルスデトネーション管と、
前記各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、ベローズ膨張継手として構成され、
前記パルスデトネーション管が更に、前記パルスデトネーション燃焼器ケーシングに対する前記パルスデトネーション管の整列を可能にするよう、外部表面上に少なくとも１つのアライメントフィンを含む、パルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ノズル出口オリフィスとノズル入口とを各々が有し、複数の前記ノズル出口オリフィスがガス放電アニュラスを形成するよう構成されている複数のノズルと、
各々がそれぞれの前記ノズル入口に結合された複数のパルスデトネーション管と、
前記各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、ベローズ膨張継手として構成され、
前記少なくとも１つのアライメントフィンが、前記パルスデトネーション管に外接するリング、又は前記パルスデトネーション管の外側表面から突出する離散的ピンのうちの少なくとも１つとして構成される、パルスデトネーション燃焼器。
パルスデトネーション燃焼器であって、
ノズル出口オリフィスとノズル入口とを各々が有し、複数の前記ノズル出口オリフィスがガス放電アニュラスを形成するよう構成されている複数のノズルと、
各々がそれぞれの前記ノズル入口に結合された複数のパルスデトネーション管と、
前記各パルスデトネーション管の独立した熱成長を可能にするよう構成された複数の熱膨張制御継手と、
を備え、
前記複数の熱膨張制御継手の各々が、滑動膨張継手として構成され、
前記滑動膨張継手が、前記各パルスデトネーション管の最上端部に位置付けられた空気バルブの外側カップの軸方向移動を可能にするよう構成されている、パルスデトネーション燃焼器。
前記熱膨張継手が、前記パルスデトネーション管の周りで半径方向に固定された半径方向支持部材に対する前記パルスデトネーション管の軸方向移動を可能にするよう構成されている、請求項１５に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記複数のノズルと流体連通した１つ又はそれ以上の軸方向冷却スロットを各々が有する複数の冷却マニホルドを更に備える、請求項１５に記載のパルスデトネーション燃焼器。
前記冷却マニホルドの各々が、前記ノズルの外側円周方向表面に隣接して配置され、前記冷却スロットが、前記ノズルの外側円周方向表面を冷却するよう構成されている、請求項２４に記載のパルスデトネーション燃焼器。