JP6170438B2 - エンジンおよび燃焼システム - Google Patents

Description

本願は、参照により本明細書に組み込まれる、「エンジンおよび燃焼システム」という名称で２０１０年１２月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／４２７，５８４号の利益を主張する。

本発明は、エンジンおよびエンジンの燃焼システムに関する。

エンジンおよび燃焼システムは、依然として関心のある分野である。既存のシステムの中には、特定の応用分野に関して様々な短所、欠点、および不利点を有するものがある。したがって、この技術分野におけるさらなる貢献が依然として必要とされている。

本発明の一実施形態はエンジンである。別の実施形態は、独特の燃焼システムである。他の実施形態には、エンジンおよび燃焼システムのための装置、システム、デバイス、ハードウェア、方法、および組合せが含まれる。本願のさらなる実施形態、形態、特徴、態様、利益および利点は、本明細書で提示される説明および図から明らかになろう。本発明は、以下の形態としても実現可能である。
［形態１］
燃焼システムであって、
燃焼過程を収容するように構成された燃焼チャネルと、
前記燃焼チャネルの中に配置された火炎加速器と、
を備え、
前記火炎加速器は、前記燃焼過程を加速させるように構成されるとともに、前記燃焼チャネル内の流れに方向依存性圧力損失が生じるように構成された
燃焼システム。
［形態２］
形態１に記載の燃焼システムであって、
前記火炎加速器は、前記燃焼チャネルを通る前記流れに前記方向依存性圧力損失が生じるように構成された形状を有する個別凹凸要素を備え、
前記個別凹凸要素は、前記燃焼過程を加速させるように構成された
燃焼システム。
［形態３］
形態２に記載の燃焼システムであって、
前記燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を備え、
前記個別凹凸要素は、前記燃焼チャンバの中に配置された、成形障害物である
燃焼システム。
［形態４］
形態３に記載の燃焼システムであって、
前記個別凹凸要素は、前記少なくとも１つの壁から前記燃焼チャンバの中に延びる
燃焼システム。
［形態５］
形態２に記載の燃焼システムであって、
前記燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を備え、
前記個別凹凸要素は、前記少なくとも１つの壁に形成された窪みであり、
前記窪みは、前記燃焼チャンバの方にさらされた
燃焼システム。
［形態６］
形態２に記載の燃焼システムであって、
前記燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を備え、
前記燃焼システムは、前記燃焼チャンバ内に配置されたインサートをさらに備え、
前記インサートは、前記個別凹凸要素を備える
燃焼システム。
［形態７］
形態６に記載の燃焼システムであって、
前記個別凹凸要素は、前記インサートに形成された窪みであり、
前記窪みは、前記燃焼チャンバの方にさらされた
燃焼システム。
［形態８］
形態６に記載の燃焼システムであって、
前記個別凹凸要素は、前記インサートから前記燃焼チャンバの中に延びる
燃焼システム。
［形態９］
形態１に記載の燃焼システムであって、
パルスデトネーション燃焼器として構成された
燃焼システム。
［形態１０］
形態１に記載の燃焼システムであって、
ウェーブロータとして構成された
燃焼システム。
［形態１１］
エンジンであって、
燃焼過程と相互作用するとともに該燃焼過程を加速させるように構成された火炎加速器を備え、
前記火炎加速器は、第１の方向において生じる流れ縮小が前記第１の方向と反対の第２の方向におけるよりも大きくなるように構成された
エンジン。
［形態１２］
形態１１に記載のエンジンであって、
前記燃焼過程を収容するように構成された燃焼チャネルをさらに備え、
前記火炎加速器は、前記燃焼チャネルの中に配置されるとともに、前記燃焼チャネル内の流れに方向依存性圧力損失が生じるように構成された
エンジン。
［形態１３］
形態１２に記載のエンジンであって、
前記火炎加速器は、前記燃焼チャネルを通る前記流れに前記方向依存性圧力損失が生じるように構成された形状を有する個別凹凸要素を備え、
前記個別凹凸要素は、前記燃焼過程を加速させるように構成された
エンジン。
［形態１４］
形態１３に記載のエンジンであって、
前記燃焼システムと流体連通するタービンをさらに備える
エンジン。
［形態１５］
形態１３に記載のエンジンであって、
前記火炎加速器は、前記燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させるように構成された
エンジン。
［形態１６］
形態１３に記載のエンジンであって、
前記燃焼チャネルは、主流れ方向と、該主流れ方向と反対の燃焼方向と、を有し、
前記個別凹凸要素の前記形状は、前記燃焼方向における単位長さ当たりの流れ面積縮小が前記主流れ方向におけるよりも大きくなるように構成された
エンジン。
［形態１７］
形態１６に記載のエンジンであって、
前記個別凹凸要素の前記形状は、前記燃焼方向において急激な縮小が生じるとともに、前記主流れ方向において漸進的な縮小が生じるように構成された
エンジン。
［形態１８］
形態１３に記載のエンジンであって、
前記燃焼チャネルは、主流れ方向と、該主流れ方向と反対の燃焼方向と、を有し、
前記個別凹凸要素は、前記燃焼方向において生じる前記流れの圧力低下が前記主流れ方向におけるよりも大きくなるように構成された
エンジン。
［形態１９］
エンジンであって、
燃焼過程を収容する手段と、
前記燃焼過程を加速させる手段と
を備え、
前記加速させる手段は、前記収容する手段の中に配置されるとともに、方向依存性圧力損失が生じるように構成された
エンジン。
［形態２０］
形態１９に記載のエンジンであって、
前記加速させる手段は、前記燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させるように構成された
エンジン。
［形態２１］
形態１９に記載のエンジンであって、
前記加速させる手段は、前記燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させるように構成されていない
エンジン。

本明細書の説明では添付の図面を参照する。図面では、いくつかの図全体にわたって同じ参照番号が同じ部品を指す。

本発明の一実施形態によるガスタービンエンジンの非限定的一例を示す概略図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の一実施形態による燃焼システムの諸態様の非限定的一例を示す概略図である。 図３Ａ〜図３Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による個別凹凸要素の形状の非限定的一例の概略図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による個別凹凸要素の非限定的一例の概略図である。 図５Ａ〜図５Ｆは、本発明のいくつかの実施形態による個別凹凸要素の非限定的一例の概略図である。 図６Ａインサートおよび図６Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による個別凹凸要素付きインサートの非限定的一例の概略図である。

本発明の原理の理解を促進する目的で、図面に示された諸実施形態をここで参照し、また諸実施形態を説明するのに特定の用語を用いる。とはいうものの、本発明の特定の実施形態の図および説明によって本発明の範囲が限定されるものではないことを理解されたい。加えて、図示および／または説明されている実施形態（１つまたは複数）のいかなる変更および／または修正も本発明の範囲内にあることが期待されている。さらに、本明細書で図示および／または説明される、本発明が属する当業者には通常想起されるであろう本発明の原理の他のいかなる適用例も本発明の範囲内にあることが期待されている。

図面、特に図１を参照すると、本発明の一実施形態によるエンジン１０の非限定的一例が図示されている。１つの形態では、エンジン１０は、航空機推進動力装置として構成されたガスタービンエンジンである。別の実施形態では、エンジン１０は、別の種類のガスタービンエンジンであり、例えば、航空機補助動力設備、陸上エンジンまたは船舶エンジンであり得る。１つの形態では、ガスタービンエンジン１０はターボファンである。別の実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、シングルスプールもしくはマルチスプールのターボファン、ターボ軸、ターボジェット、ターボプロップガスタービン、または複合サイクルエンジンであり得る。さらに別の実施形態では、エンジン１０は、ウェーブロータエンジンおよび／またはパルスデトネーション（爆轟）エンジンであり得る。

１つの形態では、エンジン１０は、圧縮機システム１２、燃焼システム１４およびタービンシステム１６を含む。燃焼システム１４は、圧縮機システム１２とタービンシステム１６との間に流体が通るように配置される。ガスタービンエンジン１０の動作中、空気が圧縮機システムの入口に引き込まれ、圧縮され、燃焼システム１４の中に放出される。燃料が燃焼システム１４の中で圧縮空気と混合され、その後、燃やされる。燃焼生成物がタービンシステムの中に導かれ、このタービンシステムは、圧縮機システム１２を駆動する機械的軸動力の形態でエネルギーを取り出す。タービンシステム２０から出て行く高温ガスは、ノズル（図示せず）の中に導かれ、ガスタービンエンジン１０の推進出力を与える。

１つの形態では、燃焼システム１４は、ウェーブロータ燃焼システム１２または定容燃焼器である。別の実施形態では、燃焼システム１４は、１つまたは複数のパルスデトネーション燃焼器であり、あるいはパルスデトネーション燃焼器を用いるウェーブロータであり得る。さらに別の実施形態では、燃焼システム１４は、ウェーブロータおよび／またはパルスデトネーション燃焼器に加えて、またはその代わりに、他の種類の燃焼器であることができ、あるいは他の種類の燃焼器を用いることができる。さらに別の実施形態では、燃焼システム１４は、ウェーブロータ燃焼器であり、あるいはパルスデフラグレーション（爆燃）燃焼を用いる別の種類の燃焼器であり得る。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、燃焼システム１４のいくつかの態様の非限定的一例が図示されている。１つの形態では、燃焼システム１４は、ターボ機械（例えば、圧縮機システム１２およびタービンシステム１６）と組み合わせられてハイブリッドタービンエンジンを形成する。他の実施形態では、燃焼システム１４はダイレクト推進エンジンであり得る。様々な実施形態で、燃焼システム１４は、１つまたは複数の燃焼チャネル２０を含む。例えば、ウェーブロータの形態では、燃焼システム１４は複数の燃焼チャネル２０を含む。パルスデトネーション燃焼器および／またはパルスデフラグレーション燃焼器の形態では、燃焼システム１４は、単一の燃焼チャネル２０または複数の燃焼チャネル２０を有し得る。燃焼チャネル２０は、回転式または固定式であり得る。いくつかの実施形態では、燃焼システム１４は、複数のパルスデトネーション燃焼器および／またはパルスデフラグレーション燃焼器を有するウェーブロータとすることができ、それぞれの燃焼器は、１つまたは複数の燃焼チャネル２０を有する。

１つの形態では、燃焼チャネル２０は細長い管形である。他の実施形態では、燃焼チャネル２０は他の形をとることができる。１つの形態では、燃焼チャネル２０は、例えば図２Ａに示されるように円形の断面形状を有する。燃焼チャネル２０の断面形状は適用例により変わり得る。他の実施形態では、燃焼チャネル２０は、円形、長方形もしくは他のＮ角形、または任意の所望の形状など他の断面形状を有し得る。１つの形態では、燃焼チャネル２０は、圧縮機システム１２およびタービンシステム１６の回転軸に平行な軸方向２２に主として延びる軸流燃焼チャネルである。他の実施形態では、燃焼チャネル２０は、エンジン１０および／または燃焼システム１４の半径方向、軸方向および円周方向のうちのいずれか１つまたは複数の方向に延びる。

１つの形態では、燃焼チャネル２０は壁２４を含み、壁２４は、燃焼チャネル２０を通って延びる燃焼チャンバ２６を形成する。例えば非円形断面を有する他の実施形態では、燃焼チャネル２０は複数の壁２４を含むことができ、これらの壁２４は、例えば、燃焼チャンバ２６を形成するＮ角形燃焼チャネル２０のＮ個の壁である。壁２４は、単一の燃焼チャネル２０の専用とすることができ、あるいは、例えばウェーブロータ内のように、複数の燃焼チャネル２０で使用される共通壁とすることもできる。１つの形態では、燃焼チャンバ２６は、直線状であり、軸方向２２に沿って直線的に延びる。他の実施形態では、燃焼チャンバ２６は、直線状とすることも、湾曲状とすることも、または分割されることもでき、あるいは、燃焼システム１４の目的とされる特定の適用例に適した任意の形状および構成を有することができる。

１つの形態では、燃焼チャンバ２６は、過渡的パルス燃焼事象を収容する（すなわち、内部で生じる）ように構成される。１つの形態では、過渡的パルス燃焼事象は、燃焼チャンバ２６の中に収容される、例えば過渡的パルス燃焼事象の繰り返し循環である一連の燃焼事象のうちの１つである。他の実施形態では、燃焼チャンバ２６は、例えば、燃焼チャンバ２６の長さに沿って間隔を置いて配置されると共に同時および／または異なる時間に生じる複数の過渡的パルス燃焼事象を収容するように構成されることができ、および／または、連続燃焼事象を収容するように構成されることができる。

燃焼システム１４は、点火源３０および火炎加速器３２を含む。１つの形態では、点火源３０は、燃焼チャネル２０の中に、具体的には燃焼チャンバ２６の内側に、配置される。他の実施形態では、点火源３０は、燃焼チャネル２０および燃焼チャンバ２６の中に配置されるのではなく、燃焼チャネル２０および／または燃焼チャンバ２６に隣接して配置されることができる。１つの形態では、点火源３０は、スパークプラグなどの点火器である。他の実施形態では、点火源３０は別の形態をとることができ、これは例えば、高エネルギー点火システムであり、あるいは、１つまたは複数の流体を注入して燃焼事象を開始するための、または既に燃焼状態にある混合物を注入するための１つまたは複数のポートである。

１つの形態では、単一の点火源３０が、それぞれの燃焼チャネル２０に使用される。別の実施形態では、複数の点火源を、それぞれの燃焼チャネル２０に使用することができる。さらに別の実施形態では、点火源が燃焼チャネル２０に使用されないこととしてもよい。１つの形態では、点火源３０は、燃焼チャネル２０の出口端部３６に配置される。別の実施形態では、点火源３０は、燃焼チャネル２０の入口端部３８に配置される。さらに別の実施形態では、点火源３０は、燃焼チャネル２０の中、上、もしくは近傍の、または、燃焼チャネル２０から遠隔の、任意の都合のよい場所に配置されることができる。

動作中、燃料および酸化剤は、充填段階において燃焼チャネル２０の入口端部３８に供給される。燃料および酸化剤は、次に、点火源３０によって点火されて過渡的パルス燃焼事象４０を開始する。過渡的パルス燃焼事象４０により生じた燃焼生成物が次に、燃焼チャネル２０から放出される。燃焼チャネル２０の中での充填過程および放出過程における燃料、酸化剤および燃焼生成物の質量流は、燃焼チャネル２０の入口端部３８から出口端部３６に向かう主流れ方向４２にある。過渡的パルス燃焼事象４０では、例えば火炎前部である前部と、主流れ方向４２の反対である燃焼方向４４に進む圧縮波とが生じる。反対側の前部は、反対方向に進み得る。

火炎加速器３２は、燃焼チャネル２０の中に配置され、燃焼過程を加速させるように構成される。１つの形態では、火炎加速器３２は、例えばデフラグレーションからデトネーションへの移行を引き起こすために、燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させるように構成される。別の実施形態では、火炎加速器３２は、燃焼過程を加速させるが、燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させることがないように構成されることができる。加えて、火炎加速器３２は、燃焼チャネル２０の内側の流れに方向依存性圧力損失が生じるように構成される。１つの形態では、方向依存性圧力損失により、方向４４における圧力損失が方向４２よりも大きくなる。別の実施形態では、火炎加速器３２は、方向４２の圧力損失が方向４４よりも大きくなるように構成され得る。

１つの形態では、火炎加速器３２は複数の個別障害物を含み、これは本明細書では別に個別凹凸要素３４と呼ばれる。それぞれの個別凹凸要素は、燃焼過程を加速させるように構成される。１つの形態では、それぞれの個別凹凸要素３４は、１つの方向に生じる流れ縮小が反対の方向よりも大きくなるように構成される。他の実施形態では、燃焼過程を加速させる他の手段が使用され得る。１つの形態では、それぞれの個別凹凸要素３４は、燃焼チャネル２０を通る流れに方向依存性圧力損失が生じるように構成された形状を有する。

１つの形態では、火炎加速器３２の方向依存性圧力損失をもたらし、かつ燃焼過程を加速させるのは、複数の個別凹凸要素３４である。他の実施形態では、方向依存性圧力損失を生じさせ、かつ燃焼過程を加速させるために、個別凹凸要素３４に加えて、またはその代わりに、別の手段を使用することができ、例えば、方向４４のどの成分よりも大きい方向４２の成分を有する方向に気体または液体を注入する流体注入ポートが使用される。加えて、他の実施形態では、方向依存性ではない圧力損失を作り出すための別の個別凹凸要素または別の手段を、方向依存性個別凹凸要素（１つまたは複数）３４、または方向依存性圧力損失を生じさせる他の手段と一緒に使用することができる。

個別凹凸要素３４の個数は、適用例により変わり得る。例えば、様々な実施形態において、単一の個別凹凸要素３４だけが使用されてもよいし、多数の個別凹凸要素３４が使用されてもよい。任意の特定の実施形態における個別凹凸要素の個数は、様々な要因によって決まり、例えば、それだけには限らないが、所望の火炎加速の程度、通路の大きさ、火炎前部到着領域の中への圧力波反射領域の生成があるように決定される要素のサイズおよび形状、燃焼間の、流体をさらに燃焼させるための強い混合の領域の生成、ならびに強燃焼領域の急速生成を促進する他の手段によって決まる。個別凹凸要素３４は、例えば異なる形状を含む、多様な形態をとり得る。１つの形態では、１つまたは複数の個別凹凸要素３４は、燃焼チャンバ２６の中に配置される障害物である。別の形態では、１つまたは複数の個別凹凸要素３４は、壁２４の中の窪みである。様々な実施形態は、個別凹凸要素３４を障害物および／または窪みの形で含み得る。

１つの形態では、個別凹凸要素３４のうちの１つ以上が壁２４と一体化して形成され、壁２４から燃焼チャンバ２６の中に延びる。別の実施形態では、壁２４と一体化して形成された１つまたは複数の個別凹凸要素３４に加えて、またはその代わりに、個別凹凸要素３４のうちの１つ以上が壁２４と結合され、壁２４から燃焼チャンバ２６の中に延び得る。１つの形態では、個別凹凸要素３４のうちの１つ以上が燃焼チャンバ２６の中に部分的に延びる。いくつかの実施形態では、個別凹凸要素３４のうちの１つ以上が、壁２４から燃焼チャンバ２６全体を通して近傍および／または反対側の壁２４まで、またはその一部分まで延び得る。１つの形態では、個別凹凸要素３４は、燃焼チャンバ２６の周囲に互い違いの関係で配置される。他の実施形態では、個別凹凸要素３４は、互い違いの関係に加えて、またはその代わりに、らせん状および／または環状に配置され得る。１つの形態では、個別凹凸要素３４は、燃焼チャンバ２６の周辺部の周りに部分的に延びる。他の実施形態では、個別凹凸要素３４は、燃焼チャンバ２６の周辺部の周りに部分的に延びる個別凹凸要素３４に加えて、またはその代わりに、燃焼チャンバ２６の外周全体の周りに延びて、例えば環またはらせんを形成し得る。

１つの形態では、１つまたは複数の個別凹凸要素３４は、燃焼方向における単位長さ当たりの流れ面積縮小が、主流れ方向における単位長さ当たりの流れ面積縮小よりも大きくなるように構成される。単位長さ当たりの流れ面積縮小は、縮小が急激であること、または漸進的であることの尺度である。１つの形態では、１つまたは複数の個別凹凸要素３４は、例えば図２Ａに図示されるように、燃焼方向４４において急激な縮小が生じるように、また主流れ方向４２において漸進的な縮小が生じるように構成される。別の実施形態では、１つまたは複数の個別凹凸要素３４は、主流れ方向における単位長さ当たりの流れ面積縮小が、燃焼方向における単位長さ当たりの流れ面積縮小よりも大きくなるように構成され得る。いくつかの実施形態では、急激な面積変更が特定の面積比（Ａ／Ａ）を得るために用いられてもよく、例えば、それだけには限らないが、下流の流れ面積を上流の流れ面積で割ると縮小流では約０．０１から約０．２の値になり、下流の流れ面積を上流の流れ面積で割ると拡大流では約０．８に近い値になる。一般に、これらの要素の形状は、境界層抵抗もしくは形状抵抗のどちらかまたは両方によって、方向４２の流れに対するよりも大きい抵抗が方向４４の流れに対して生じるように選ばれる。

図３Ａ〜図３Ｅを参照すると、個別凹凸要素３４の形状のいくつかの非限定的例には、それだけには限らないが、個別凹凸要素３４Ａ〜３４Ｅについて図示された形状が含まれる。各個別凹凸要素３４の形状は、適用例の必要により変わることがあり、図３Ａ〜３Ｅの描写に限定されない。１つの形態では、燃焼チャネル２０内の各個別凹凸要素３４は同じ形状を有する。別の実施形態では、燃焼チャネル２０内で複数の異なる形状が使用されてもよく、例えば図３Ａ〜３Ｅに示された１つまたは複数の形状および／または他の形状が使用されてもよい。１つの形態では、個別凹凸要素３４Ａ〜３４Ｅは、燃焼チャンバ２６内に配置された障害物である。１つの形態では、個別凹凸要素３４Ａ〜３４Ｅのそれぞれは、流れ面４６および流れ面４８を用いて構成される。流れ面４６は、燃焼方向４４の流れ中の圧力低下を主流れ方向４２の流れ中の圧力低下よりも大きくするために、主流れ方向４２の漸進的な流れ面積縮小を、流れ面４８によって得られる燃焼方向４４の漸進的流れ面積縮小よりもいっそう漸進的にするように構成される。流れ面４６および４８それぞれの単位長さ当たりの流れ面積縮小の程度は、適用例の必要により変わり得る。流れ面４６および４８は平面または三次元面であり得る。様々な実施形態において、個別凹凸要素３４および／または方向依存性圧力損失をもたらす別の手段の他の形状および／または種類が、個別凹凸要素３４Ａ〜３４Ｅに加えて、またはその代わりに使用され得る。

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、個別凹凸要素３４の形状のいくつかの非限定的例には、それだけには限らないが、個別凹凸要素３４Ｆおよび３４Ｇについて図示された形状が含まれる。１つの形態では、個別凹凸要素３４Ｆおよび３４Ｇは、壁２４の中に配置された窪みであり、燃焼チャンバ２６の方にさらされる。各個別凹凸要素３４の形状は、適用例の必要により変えることができ、図４Ａおよび図４Ｂの描写に限定されない。１つの形態では、燃焼チャネル２０内の各個別凹凸要素３４は同じ形状を有する。別の実施形態では、燃焼チャネル２０内で複数の異なる形状を使用することができ、例えば図４Ａおよび図４Ｂに示された１つまたは複数の形状および／または他の形状を使用することができる。

１つの形態では、個別凹凸要素３４Ｆおよび３４Ｇのそれぞれは、流れ面５０および流れ面５２を有して構成される。流れ面５０は、燃焼方向４４の流れ中の圧力低下を主流れ方向４２の流れ中の圧力低下よりも大きくするために、主流れ方向４２の漸進的な流れ面積縮小を、流れ面５２によって得られる燃焼方向４４の漸進的流れ面積縮小よりもいっそう漸進的にするように構成される。流れ面５０および５２それぞれの単位長さ当たりの流れ面積縮小の程度は、適用例の必要により変わり得る。流れ面５０および５２は平面または三次元面であり得る。図４Ａおよび図４Ｂの描写では、流れ面５２は、切り立った面であり、燃焼方向４４の流れに急激な縮小を引き起こす。別の実施形態では、流れ面５２は、燃焼方向４４の流れの急激な縮小の代わりに漸進的な縮小が生じるように構成され得ることを理解されたい。様々な実施形態において、個別凹凸要素３４、および／または、方向依存性圧力損失をもたらす別の手段の他の形状および／または種類が、個別凹凸要素３４Ｆおよび３４Ｇに加えて、またはその代わりに使用され得る。

図５Ａ〜図５Ｅを参照すると、個別凹凸要素３４の形状のいくつかの非限定的例には、それだけには限らないが、個別凹凸要素３４Ｈ〜３４Ｋについて図示された形状が含まれる。各個別凹凸要素３４の形状は、適用例の必要により変えることができ、図５Ａ〜図５Ｅの描写に限定されない。１つの形態では、燃焼チャネル２０内の各個別凹凸要素３４は同じ形状を有する。別の実施形態では、燃焼チャネル２０内で複数の異なる形状を使用することができ、例えば図５Ａ〜５Ｅに示された１つまたは複数の形状および／または他の形状を使用することができる。１つの形態では、個別凹凸要素３４Ｈ〜３４Ｋは、燃焼チャンバ２６内に配置された障害物である。１つの形態では、個別凹凸要素３４Ｈ〜３４Ｋは、例えば図５Ｅに示されるように燃焼チャンバ２６に架かっている。個別凹凸要素３４Ｋは、燃焼チャンバ２６に架かって、長方形の燃焼チャネル２０の壁２４Ａから壁２４Ｂまで、燃焼チャンバ２６を通って延びる。

１つの形態では、個別凹凸要素３４Ｈ〜３４Ｋのそれぞれは、複数の流れ面５４および流れ面５６を有して構成される。少なくとも１つの流れ面５４は、燃焼方向４４の流れ中の圧力低下を主流れ方向４２の流れ中の圧力低下よりも大きくするために、主流れ方向４２の漸進的な流れ面積縮小を、流れ面５６によって得られる燃焼方向４４の漸進的流れ面積縮小よりもいっそう漸進的にするように構成される。流れ面５４および５６それぞれの単位長さ当たりの流れ面積縮小の程度は、適用例の必要により変わり得る。流れ面５４および５６は平面または三次元面であり得る。図５Ａ〜５Ｅの描写では、流れ面５６は、切り立った面であり、燃焼方向４４の流れに急激な縮小を引き起こす。別の実施形態では、流れ面５６は、燃焼方向４４の流れの急激な縮小の代わりに漸進的な縮小が生じるように構成され得ることを理解されたい。様々な実施形態において、個別凹凸要素３４および／または方向依存性圧力損失をもたらす別の手段の他の形状および／または種類が、個別凹凸要素３４Ｈ〜３４Ｋに加えて、またはその代わりに使用され得る。

図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、本発明による別の実施形態の非限定的例が図示されている。１つの形態では、燃焼システム１４は、燃焼チャネル２０および燃焼チャンバ２６の中に配置されたインサート５８を含む。１つの形態では、１つまたは複数の個別凹凸要素がインサート５８に形成され、インサート５８に結合され、および／または、インサート５８と一体化して形成される。例えば、図６Ａの描写では、インサート５８は、インサート５８から燃焼チャンバ２６の中に延びる個別凹凸要素３４Ｌを含む。図６Ｂの描写では、インサート５８は、インサート５８内の、燃焼チャンバ２６の方にさらされる窪みである個別凹凸要素３４Ｍを含む。別の実施形態では、個別凹凸要素３４および／または方向依存性圧力損失をもたらす別の手段の他の形状および／または種類が、個別凹凸要素３４Ｌおよび３４Ｍに加えて、またはその代わりに使用され得る。

本発明の諸実施形態は燃焼システムを含み、この燃焼システムは、燃焼過程を収容するように構成された燃焼チャネルと、この燃焼チャネルの中に配置された火炎加速器とを備え、火炎加速器は、燃焼過程を加速させるように構成され、かつ燃焼チャネル内の流れに方向依存性圧力損失が生じるように構成される。

改良形態では、火炎加速器は、燃焼チャネルを通る流れに方向依存性圧力損失が生じるように構成された形状を有する個別凹凸要素を含み、この個別凹凸要素は、燃焼過程を加速させるように構成される。

別の改良形態では、燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を含み、個別凹凸要素は、燃焼チャンバの中に配置された成形障害物である。

さらに別の改良形態では、個別凹凸要素は、少なくとも１つの壁から燃焼チャンバの中に延びる。

さらに別の改良形態では、燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を含み、個別凹凸要素は、少なくとも１つの壁に形成された窪みであり、この窪みは燃焼チャンバの方にさらされる。

さらに別の改良形態では、燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を含み、燃焼システムは、燃焼チャンバ内に配置されたインサートをさらに備え、このインサートは個別凹凸要素を含む。

さらに別の改良形態では、個別凹凸要素は、インサートに形成された窪みであり、この窪みは燃焼チャンバの方にさらされる。

さらに別の改良形態では、個別凹凸要素は、インサートから燃焼チャンバの中に延びる。

さらに別の改良形態では、燃焼システムはパルスデトネーション燃焼器として構成される。

さらに別の改良形態では、燃焼システムはウェーブロータとして構成される。

本発明の諸実施形態はエンジンを含み、このエンジンは燃焼システムを備える。この燃焼システムは、燃焼過程と相互作用し、かつ燃焼過程を加速させるように構成された火炎加速器を含む。火炎加速器は、第１の方向において生じる流れ縮小が第１の方向と反対の第２の方向におけるよりも大きくなるように構成される。

改良形態では、エンジンは、燃焼過程を収容するように構成された燃焼チャネルをさらに備え、火炎加速器は、その燃焼チャネルの中に配置され、燃焼チャネル内の流れに方向依存性圧力損失が生じるように構成される。

別の改良形態では、火炎加速器は、燃焼チャネルを通る流れに方向依存性圧力損失が生じるように構成された形状を有する個別凹凸要素を含み、この個別凹凸要素は、燃焼過程を加速させるように構成される。

さらに別の改良形態では、エンジンは、燃焼システムと流体連通するタービンをさらに備える。

さらに別の改良形態では、火炎加速器は、燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させるように構成される。

さらに別の改良形態では、燃焼チャネルは、主流れ方向と、主流れ方向と反対の燃焼方向とを有し、個別凹凸要素の形状は、燃焼方向における単位長さ当たりの流れ面積縮小が主流れ方向におけるよりも大きくなるように構成される。

さらに別の改良形態では、個別凹凸要素の形状は、燃焼方向において急激な縮小が生じ、主流れ方向において漸進的な縮小が生じるように構成される。

さらに別の改良形態では、燃焼チャネルは、主流れ方向と、主流れ方向と反対の燃焼方向とを有し、個別凹凸要素は、燃焼方向において生じる流れの圧力低下が主流れ方向におけるよりも大きくなるように構成される。

本発明の諸実施形態はエンジンを含み、このエンジンは、燃焼過程を収容する手段と、燃焼過程を加速させる手段とを備え、この加速させる手段は、収容する手段の中に配置され、方向依存性圧力損失が生じるように構成される。

改良形態では、加速させる手段は、燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させるように構成される。

別の改良形態では、加速させる手段は、燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させるように構成されない。

本発明を、現在最も実際的で好ましい実施形態と考えられるものに関連して説明してきたが、本発明は開示された実施形態（１つまたは複数）に限定されるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な修正および等価の構成物を包含するものであり、この範囲は、法の下に許容されるこのようなすべての修正および等価の構成物を包含するように、最も広い解釈が許されることが理解されよう。さらに、上記の説明における「好ましい（preferable）」、「好ましくは（preferably）」、または「好ましい（preferred）」という語の使用は、そのように説明された特徴がより望ましい可能性があることを示すとはいえ、その特徴が必ずしも必要ではないこともあり、その特徴を欠いている任意の実施形態も、添付の特許請求の範囲によって範囲が定義される本発明の範囲内のものとして期待され得ることを理解されたい。特許請求の範囲を解釈することにおいて、「１つの（a）」、「１つの（an）」、「少なくとも１つの」、および「少なくとも一部分の」などの語が用いられる場合、特許請求の範囲を１つだけの物に限定する意図のないことが、特にそれとは反対に特許請求の範囲に述べられていない限り、意図されている。さらに、「少なくとも一部分」および／または「一部分」という用語が使用される場合、その物は、特にそれとは反対に特定的に述べられていない限り、物の一部分および／または全体を含むことがあり得る。

１０…エンジン
１２…圧縮機システム
１４…燃焼システム
１６…タービンシステム
２０…燃焼チャネル
２２…軸方向
２４，２４Ａ，２４Ｂ…壁
２６…燃焼チャンバ
３０…点火源
３２…火炎加速器
３４，３４Ａ〜３４Ｍ…個別凹凸要素
３６…出口端部
３８…入口端部
４０…過渡的パルス燃焼事象
４２…主流れ方向
４４…燃焼方向
４６，４８，５０，５２，５４，５６…流れ面
５８…インサート

Claims (10)

1. 燃焼システムであって、
   第１端部と第２端部とを有し、燃焼過程を収容するように構成された燃焼チャネルであって、前記第１端部の近傍で燃焼流体を導入するとともに前記第２端部の近傍で燃焼流体を排出するように構成された燃焼チャネルと、
   前記第１端部の下流に配置される点火器であって、燃焼火炎前部が前記点火器から前記第１端部に向けて可燃性流体の主流れ方向の反対方向に移動するように、前記燃焼過程を開始するように構成された点火器と、
   前記燃焼チャネルの中に配置された火炎加速器と、
   を備え、
   前記火炎加速器は、
   前記燃焼過程を加速させるように構成されるとともに、
   前記燃焼チャネル内の流れが前記主流れ方向である場合に得られる圧力損失と、前記燃焼チャネル内の流れが前記反対方向の流れである場合に得られる圧力損失と、が互いに異なる方向依存性圧力損失特性が前記燃焼チャネル内の前記流れに生じるように構成され、
   前記火炎加速器は、前記燃焼チャネルを通る前記流れに前記方向依存性圧力損失特性が生じるように構成された形状を有する個別凹凸要素を備え、
   前記個別凹凸要素は、前記主流れ方向の上流側の第１の流れ面と、前記主流れ方向の下流側の第２の流れ面と、を有し、
   前記第１の流れ面は、前記第２の流れ面よりも漸進的な流れ面積縮小を提供する
   燃焼システム。
2. 請求項１に記載の燃焼システムであって、
   前記個別凹凸要素は、前記燃焼過程を前記反対方向に加速させるように構成された
   燃焼システム。
3. 請求項２に記載の燃焼システムであって、
   前記燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を備え、
   前記個別凹凸要素は、前記燃焼チャンバの中に配置された、成形障害物であり、
   前記個別凹凸要素は、前記少なくとも１つの壁から前記燃焼チャンバの中に延びる
   燃焼システム。
4. 請求項２に記載の燃焼システムであって、
   前記燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を備え、
   前記個別凹凸要素は、前記少なくとも１つの壁に形成された窪みであり、
   前記窪みは、前記燃焼チャンバの方にさらされた
   燃焼システム。
5. 請求項２に記載の燃焼システムであって、
   前記燃焼チャネルは、燃焼チャンバを形成するように構成された少なくとも１つの壁を備え、
   前記燃焼システムは、前記燃焼チャンバ内に配置されたインサートをさらに備え、
   前記インサートは、前記個別凹凸要素を備える
   燃焼システム。
6. エンジンであって、
   可燃性流体が流れるための入口および出口を有する燃焼システムと、
   前記入口の下流に配置される点火器であって、可燃性流体の前記流れの主方向と反対の方向に移動する燃焼火炎前部を伝搬する燃焼過程を作り出すように構成された点火器と、
   前記燃焼過程と相互作用するとともに該燃焼過程を加速させるように構成された火炎加速器であって、前記燃料システム内の流れが前記反対方向である場合に得られる流れ縮小が、前記燃焼システム内の流れが前記主方向である場合に得られる流れ縮小よりも大きくなるように構成された火炎加速器と、
   前記燃焼過程を収容するように構成された燃焼チャネルと
   を備え、
   前記火炎加速器は、前記燃焼チャネル内に配置されるとともに、前記燃焼チャネル内の前記流れに方向依存性圧力損失特性が生じるように構成され、
   前記火炎加速器は、前記燃焼チャネルを通る前記流れに前記方向依存性圧力損失特性が生じるように構成された形状を有する個別凹凸要素を備え、
   前記個別凹凸要素は、前記主流れ方向の上流側の第１の流れ面と、前記主流れ方向の下流側の第２の流れ面と、を有し、
   前記第１の流れ面は、前記第２の流れ面よりも漸進的な流れ面積縮小を提供する
   エンジン。
7. 請求項６に記載のエンジンであって、
   前記個別凹凸要素は、前記燃焼過程を加速させるように構成された
   エンジン。
8. 請求項７に記載のエンジンであって、
   前記エンジンが、前記燃焼システムと流体連通するタービンをさらに備えることと、
   前記火炎加速器が、前記燃焼過程をデフラグレーション燃焼からデトネーション燃焼に移行させるように構成されることと、
   前記燃焼チャネルが、主流れ方向と、該主流れ方向と反対の燃焼方向と、を有し、前記個別凹凸要素が、前記流れに生じる圧力低下が前記主流れ方向よりも前記燃焼方向おいて大きくなるように構成されることと
   のうちのいずれかを満たす
   エンジン。
9. 請求項７に記載のエンジンであって、
   前記燃焼チャネルは、前記主流れ方向と、該主流れ方向と反対の燃焼方向と、を有し、
   前記個別凹凸要素の前記形状は、前記燃焼方向における単位長さ当たりの流れ面積縮小が前記主流れ方向におけるよりも大きくなるように構成された
   エンジン。
10. エンジンであって、
    入口と出口とを有し、燃焼過程を収容するための収容手段と、
    可燃性流体を前記入口から前記出口に向けて主流れ方向に流すための流通手段と、
    前記燃焼流体の前記主流れ方向と反対の方向に移動する燃焼火炎前部を発生させるための発生手段と、
    前記燃焼過程を加速させるための加速手段と
    を備え、
    前記加速手段は、
    前記収容手段の中に配置されるとともに、
    前記収容手段内の流れが前記主流れ方向である場合に得られる圧力損失と、前記収容手段内の流れが前記反対方向の流れである場合に得られる圧力損失と、が互いに異なる方向依存性圧力損失特性が生じるように構成され、
    前記加速手段は、前記収容手段を通る前記流れに前記方向依存性圧力損失特性が生じるように構成された形状を有する個別凹凸要素を備え、
    前記個別凹凸要素は、前記主流れ方向の上流側の第１の流れ面と、前記主流れ方向の下流側の第２の流れ面と、を有し、
    前記第１の流れ面は、前記第２の流れ面よりも漸進的な流れ面積縮小を提供する
    エンジン。

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