JP5576683B2 - 共鳴離調させるようになった回転空気弁発火パターン - Google Patents

Description

本発明は、パルスデトネーションシステムに関し、より具体的には、共鳴離調させるようになった回転空気弁発火パターンに関する。

パルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）及びパルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）の最近の発達に伴って、航空機エンジンにおけるような及び／又は付加的な推力／推進力を発生するための手段のような実用的用途においてＰＤＣ／ＰＤＥを使用するための様々な努力が為されてきている。以下の説明は、「パルスデトネーション燃焼器」（つまり、ＰＤＣ）を対象とするものであることに留意されたい。しかしながら、その用語の使用は、パルスデトネーションエンジン及びそれに類したものも含むことを意図している。

ＰＤＣの最近の発達によりまたこれらの装置の実用的応用及び用途を見出そうとする関心の高まりにより、商業的にかつ運転的に実現可能なプラットフォーム内にＰＤＣを実装することへの関心が増大してきている。さらに、単一のエンジン又はプラットフォーム内において複数ＰＤＣを使用して運転性能全体を高めるようにすることへの関心が増大している。しかしならが、それらの作動の特性の故に、複数ＰＤＣの実用的使用は、それらが特に下流構成要素に対して与える作動上の問題の幾つかによって制限されることが多い。つまり、複数ＰＤＣを使用する現在の実施では、ＰＤＣを順次の（連続的）発火パターンで発火させ（又は、デトネーションを発生させ）ている。

例えば、複数のＰＤＣを円形パターンで配置している場合には、これらＰＤＣは、時計回りの方向に連続的に発火される。しかしながら、ＰＤＣの連続的発火は、幾つかの理由で不利なものとなるおそれがある。

具体的には、複数ＰＤＣの連続的発火は、エンジンの下流構成要素内において共鳴（共振）を発生させることになる可能性がある。この共鳴の発生は、下流構成要素に高サイクル疲労破壊を生じさせるおそれがある。さらに、１つの軸外ＰＤＣチューブが同時に発火した場合に、そのことにより、大きな流れ非対称が発生し、この非対称流れが、ノズルなどを通って流れる時に下流で損失を引き起こすおそれがある。加えて、下流構成要素にかかる荷重が、非対称になり、従ってそのような荷重を相殺する付加的な構造及び重量が必要となるおそれがある。

米国特許第６，６３７，１８７号公報

従って、あらゆる共鳴（共振）周波数を離調させるようにＰＤＣを発火させる方法の改善に対する必要性が存在する。

本発明の実施形態では、エンジンは、複数のパルスデトネーション燃焼器と、該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する複数の吸気ポートを有する回転吸気弁構造体とを含む。吸気ポートに対するパルスデトネーション燃焼器の比率は、非整数である。

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）」（ＰＤＥも含む）というのは、装置内における一連の反復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及び速度増大の両方を発生させるあらゆる装置又はシステムを意味すると理解されたい。「擬似デトネーション」は、デフラグレーション波によって発生する圧力上昇及び速度増大よりも高い圧力上昇及び速度増大を発生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／酸化剤混合物に点火する手段と、その中で点火プロセスによって開始した圧力波面が合体してデトネーション波を形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擬似デトネーションは、火花放電又はレーザパルスのような外部点火によって、或いは衝撃集束、自動点火のようなガスダイナミックプロセスによって、或いは別のデトネーション（つまり、クロスファイヤ）によってかのいずれかによって開始される。

本明細書で使用する場合に、「エンジン」というのは、推力及び／又は動力を発生させるために使用するあらゆる装置を意味する。

本発明の利点、性質及び様々な付加的特徴は、幾つかの図において概略的に示す本発明の例示的な実施形態を考察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エンジンの概略図。 ５つのＰＤＣを備えた本発明の例示的な実施形態の概略図。 ４つのＰＤＣを備えた本発明の例示的な実施形態の概略図。 ５つのＰＤＣを備えた本発明の別の例示的な実施形態の概略図。 ８つのＰＤＣを備えた本発明の例示的な実施形態の概略図。 １０個のＰＤＣを備えた本発明の例示的な実施形態の概略図。 １０個のＰＤＣを備えた本発明のさらに別の例示的な実施形態の概略図。

本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態によるエンジン１００を示している。図示するように、エンジン１００は、圧縮機段１０１、複数のＰＤＣ１０３及びタービン段１１１を含む。圧縮機段１０１、ＰＤＣ１０３及びタービン段１１１の各々は、従来型のかつ公知の構造及び構成を有することができる。本発明の様々な実施形態は、この点で限定されるものではない。ＰＤＣに対して結合されているのは、ノズル１０９であり、ノズル１０９は、ＰＤＣ１０３からの流れをタービン段１１１内に導く。図１に示すように、ノズル１０９は、発散形である。しかしながら、ノズル１０９は、収束形又は収束−発散形のものとすることができる。さらに、この図示した実施形態では、各ＰＤＣ１０３は、それ自体のノズル１０９に結合される。しかしながら、本発明は、単一のノズル、プレナム及び／又はマニホルド構造体を使用して複数のＰＤＣからの流れをタービン１１１に導くことができることを意図しているので、この特定の実施形態に限定されるものではない。

ＰＤＣ１０３と圧縮機段１０１との間に位置するのは、吸気弁構造体１０５を含む吸気システム１０７である。以下に説明する実施形態に示すように、吸気弁構造体１０５は、圧縮機段１０１からの流れがＰＤＣ作動のためにＰＤＣ１０３に流入するのを可能にする複数の吸気ポート１０４を有する回転弁構造体である。吸気システム１０７は、圧縮機段１０１からＰＤＣ１０３への流れを可能にしかつ吸気弁構造体１０５を駆動するプレナム構造体及び／又は駆動機構を含むことができる。本発明は、以下でより詳細に説明する本発明の様々な実施形態を実施するために従来型の公知のかつ使用中のシステムを採用することができるので、吸気システム１０７の特定の構成及び／又は実施形態に限定されるものではない。

次に図２〜図５に移ると、本発明の様々な実施形態を示している。これらの図示した及び図示していない本発明の様々な実施形態では、タービン段１１１のような下流の構成要素の共鳴（共振）モードからＰＤＣシステムの固有モードを分離するために、不連続的ＰＤＣ発火パターンを使用する。それを達成するために、本発明の実施形態は、回転構成と複数の吸気ポート１０４とを有する吸気弁構造体１０５を使用して、ＰＤＣ作動のためにＰＤＣ１０３内への空気及び／又は燃料の流れを可能にする。本発明の例示的な実施形態では、吸気ポート１０４に対するＰＤＣ１０３の比率（個数の比）は、非整数である。この非整数比率構成を使用することによって、ＰＤＣの発火順序は、逆連続的発火パターン（つまり、弁回転の反対方向に順次の（連続的な））か、又は隣接するＰＤＣ１０３が発火順序の間に飛び越されるスキップ発火パターンかのいずれかとなる。スキップパターンでは、発火パターンは、弁回転と同方向となる。これらタイプの発火パターンのいずれも、共鳴離調を生じさせ、従って従来技術によって生じる可能性があった問題が回避される。つまり、下流構成要素（タービン１１１のような）の共鳴（共振）分離が達成される。

本発明の様々な実施形態の詳細をさらに説明する前に、弁構造体１０５は、ディスク様吸気弁として図示しているが、本発明は、それを使用することができるが、その特定の実施形態に限定されるものではないことに留意されたい。本発明の様々な実施形態は、吸気弁構造体の１つ又はそれ以上のポート又は入口が、環帯タイプ構成のＰＤＣチューブ配置と連通するか又は別の方法で結合されるその他のタイプの回転弁ジオメトリ及び構成を使用することができる。従って、弁構造体１０５として平坦なディスクを示しているが、本発明の様々な実施形態は、この構成に限定されるものではない。

この図示した実施形態の作動時に、弁構造体１０５は、環帯タイプパターンで配置された一群のＰＤＣ１０３の中心軸線に一致する中心軸線の周りで回転する。図示するように、弁構造体１０５は、複数の吸気ポート１０４を含む。このことは、図２〜図５の各々で見ることができる。弁構造体１０５が回転すると、吸気ポート１０４は、ＰＤＣ１０３と「連通（ｅｎｇａｇｅ）」して、空気／燃料が弁構造体１０５の上流から（圧縮機段１０１からなど）ポート１０４を通ってＰＤＣ１０３内に流入する（ＰＤＣ１０３を充填する）ことが可能になる。構造体１０５が回転すると、ポート１０４の各々は、回転の間にＰＤＣ１０３と連通した状態になる。

本発明の様々な実施形態と同様に、図２に示す実施形態は、非整数チューブ／ポート比率を有する。つまり、この図示した実施形態は、２つの吸気ポートに対して５つのＰＤＣを有する５／２構成である。従って、比率は、２．５である。この実施形態の作動を次に説明する。

図示するように、ＰＤＣ１０３の各々は、番号（＃）（１、２、３、４及び５）で特定しており、構造体１０５は、反時計回り方向に回転している。図２の第１の（左側の）図において、最上部ポート１０４は、＃１ＰＤＣ１０３と連通しており、従ってＰＤＣ作動のための必要に応じて＃１ＰＤＣを充填することが可能になる。次に、構造体１０５が回転し続けると、底部ポート１０４が＃４ＰＤＣ１０３と連通して、このＰＤＣを充填することが可能になる。＃４ＰＤＣ１０３の充填の間に、＃１ＰＤＣは発火され（つまり、デトネーションを発生し）、また＃４ＰＤＣ１０３が充填されかつポート１０４が先に進むと、＃４ＰＤＣ１０３がデトネーションを発生する。作動時に、構造体１０５が回転すると、この連鎖が反復され、従って隣接しないＰＤＣが発火されて、共鳴離調を生じることになる。

従って、図２において、ＰＤＣ１０３の充填パターンは、＃１、４、２、５、３、１…であり、一方、デトネーションパターン又は順序は、＃３、１、４、２、５、３…となる。この得られた発火パターンは、隣接しないＰＤＣ１０３が順次に（連続的に）発火されることを保証にする。

図２に示す実施形態は、５つのＰＤＣ１０３を使用しているのを示しているが、この数は、３つに減少させるか、又は比率が非整数のままである限り増加させる（例えば７、９など）ことができる。

ポート１０４は、円形開口部を有するものとして示しているが、開口部の形状は、ＰＤＣ１０３内への流れを最適化するように変更することができることを意図していることに留意されたい。さらに、構造体１０５上でのポート１０４の設置及び位置決めは、所望の性能を満たすように図示のもの（互いに１８０度）から最適化することができる。加えて、構造体１０５の回転は、反時計回りとして示しているが、回転は、逆にすることができる。

次に図３に移ると、付加的な実施形態３００を示している。この実施形態では、４つのＰＤＣ１０３と３つのポート１０４とが設けられている。従って、チューブ対ポート比率は、１．３３である。この実施形態では、ＰＤＣ１０３の充填順序は、＃１、４、３、２、１、４…であり、また発火順序は、２、１、４、３、２、１…である。従って、この実施形態は、逆順序発火パターンを構成している。つまり、ＰＤＣ１０３の発火パターン又は順序は、構造体１０５の回転と反対の方向に回転する。

図４の実施形態４００は、５つのＰＤＣ１０３と３つのポート１０４とが設けられているので、チューブ対ポート比率が１．６７であることを除いて、図２に示す実施形態と同様である。この実施形態では、ＰＤＣ１０３の充填順序は、＃１、３、５、２、４、１…であり、また発火順序は、４、１、３、５、２、４…である。従って、この実施形態は、星型発火パターンを構成する。つまり、ＰＤＣ１０３の発火パターン又は順序は、星型パターンを形成し、また隣接するＰＤＣ１０３は、連続的にはデトネーションを発生しない。

図５の実施形態５００は、２．６７の比率を有する実施形態を示している。８つのＰＤＣ１０３と３つのポート１０４とが設けられている。この実施形態では、ＰＤＣ１０３の充填順序は、＃１、４、７、２、５、８、３、６、１…であり、また発火順序は、６、１、４、７、２、５、８、３、６…である。従って、この実施形態は、共回転星型発火パターンを構成する。つまり、ＰＤＣ１０３の発火パターン又は順序は、星型パターンを形成し（隣接するＰＤＣ１０３は連続的にはデトネーションを発生しない）、また発火順序は、構造体１０５と同じ方向に回転する。

この図示した実施形態に加えて、本発明は、ポート１０４に対するＰＤＣ１０３の比率が非整数である多くのその他の実施形態を意図している。以下の表は、本発明の意図した付加的な実施形態を示している。

当然のことながら、本発明は、本発明の上記の更なる例示的な実施形態に限定されるものではなく、それら実施形態は、追加の例示的な実施形態を明示することを意図している。理解されるように、本発明は、比率が非整数である場合での１〜４のＰＤＣ対ポート比率を意図している。

さらに、本発明は、一度に単一のＰＤＣ１０３のみが発火される／デトネーションを発生する実施形態に限定されるものではない。実際に、本発明の様々な実施形態は、同時に発火される／デトネーションを発生する２つ又はそれ以上のＰＤＣ１０３を有する。そのような実施形態を、図６に示している。

図６の実施形態６００では、１０個のＰＤＣ１０３（＃１〜１０）と６つのポート１０４とが設けられている。図２〜図５に示す実施形態とは異なり、構造体１０５が回転すると、２つのＰＤＣ１０３が同時に充填され、また２つのＰＤＣ１０３が同時にデトネーションを発生する。これは、２つのポート１０４が同時にＰＤＣ１０３と連通することによるためである。そのことは、図６の図に見ることができる。従って、この実施形態は、実施形態６００の中心線に対して対称な充填を行なう。この図示した実施形態では、充填順序は、１−６、４−９、２−８、５−１０、３−７、１−６…であり、またＰＤＣ１０３の発火順序は、３−７、１−６、４−９、２−８、５−１０、３−７…である。例えば「１−６」と示す各ＰＤＣ対の場合では、ＰＤＣ＃１及び＃６が同時に充填されるか又は発火されることを意味することに留意されたい。この実施形態は、１つおきのＰＤＣ１０３が充填／発火される反回転発火順序を構成する。

他の構成によっても、図６に示すようなＰＤＣ１０３の同時発火が可能になることに留意されたい。例えば、８つのＰＤＣ１０３及び６つのポート１０４を有する実施形態では、一度に２つのＰＤＣ１０３の同時充填／発火が可能になることになる。

簡潔に前述したように、ＰＤＣ１０３及びポート１０４の対称分散配置（図２〜図６に示すような）に加えて、ポート１０４及び／又はＰＤＣ１０３のいずれかを非対称に分散配置して所望の性能又は共鳴離調を達成することができると考えられる。具体的には、図２〜図６の各々に示すように、ＰＤＣ１０３及びポート１０４は、あらゆる２つの隣接するポート１０４間の又はＰＤＣ１０３間の角度が同じであるように、環帯方式で分散配置される。しかしながら、非対称分散配置では、あらゆる２つの隣接するポート１０４間及び／又はＰＤＣ１０３間の角度は、あらゆる２つの他の隣接するポート１０４間及び／又はＰＤＣ１０３間の別の角度とは異なると考えられる。その実施形態は、図７に簡略化して示しており、図７において、吸気弁構造体１０５は、非対称に分散配置されたポート１０４を備えた状態で示しており、またＰＤＣ１０３は対称に分散配置されている。明瞭にするために、構造体１０５は、ＰＤＣ１０３の群とは別個に示していることに留意されたい。

当然のことながら、それに代えて、ＰＤＣ１０３を非対称に分散配置する一方、ポート１０４を対称に分散配置することができ、或いはポート１０４及びＰＤＣ１０３の両方を非対称に分散配置することができる。そのような実施形態では、図２〜図６に関して上述した実施形態とは対照的に、運転時に異なる数のＰＤＣ１０３が異なる時点でデトネーションを発生することになる。つまり、図７に示す実施形態では、ＰＤＣ１０３の発火順序が、（４−５−９−１０）、（１−６）、（３−４−８−９）、（５−１０）、（２−３−７−８）…となることを意図している。従って、ＰＤＣ１０３の発火は、４つのＰＤＣ１０３と２つのＰＤＣ１０３との間で交互に起こることになる。従って、そのような性能が望ましい場合には、図７に示すものと同様な実施形態により達成することができる。

以上、航空機及び発電用途に関して本発明を具体的に説明してきたが、本発明は、それらに限定されるものではなくまた本発明の利点が望ましいものであるあらゆる同様なデトネーション／デフラグレーション装置におけるものとすることができることに留意されたい。

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、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の修正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 エンジン
１０１ 圧縮機段
１０３ パルスデトネーション燃焼器
１０４ 吸気ポート
１０５ 回転吸気弁構造体
１０７ 吸気システム
１０９ ノズル
１１１ タービン段
２００ 非整数のチューブ／ポート比率を有する本発明の実施形態
３００ １．３３のチューブ対ポート比率を有する本発明の実施形態
４００ １．６７のチューブ対ポート比率を有する本発明の実施形態
５００ ２．６７のチューブ対ポート比率を有する本発明の実施形態
６００ 中心線に対して対称な充填を行なう本発明の実施形態
７００ ＰＤＣの発火が４つのＰＤＣと２つのＰＤＣとの間で交互に起こる本発明の実施形態

Claims (16)

1. エンジンであって、
   複数のパルスデトネーション燃焼器と、
   該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて前記複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する複数の吸気ポートを有する回転吸気弁構造体と、を含み、
   前記吸気ポートに対する前記パルスデトネーション燃焼器の比率が非整数であり、
   前記パルスデトネーション燃焼器及び吸気ポートの少なくとも１つが、中心軸線に対して非対称に分散配置される
   ことを特徴とする、エンジン。
2. 前記非整数が、１〜４である、請求項１記載のエンジン。
3. 前記回転吸気弁構造体が、その上に前記吸気ポートが設置されたディスク様構造体である、請求項１又は２記載のエンジン。
4. 前記パルスデトネーション燃焼器が、中心軸線を有する環帯パターンで分散配置され、また
   前記回転吸気弁構造体が、前記中心軸線の周りで回転する、
   請求項１乃至３のいずれか１項記載のエンジン。
5. 前記吸気ポートが、円形形状を有する、請求項１乃至４のいずれか１項記載のエンジン。
6. 前記吸気ポートが、前記回転吸気弁部分上に対称に分散配置される、請求項１乃至５のいずれか１項記載のエンジン。
7. 前記吸気ポートが、該エンジンの運転時に直接隣接するパルスデトネーション燃焼器が連続的にデトネーションを発生しないように前記回転吸気弁部分上に分散配置される、請求項１乃至５のいずれか１項記載のエンジン。
8. 前記吸気ポートが、該エンジンの運転時に少なくとも２つのパルスデトネーション燃焼器が同時にデトネーションを発生するように前記回転吸気弁部分上に分散配置される、請求項１乃至５のいずれか１項記載のエンジン。
9. エンジンであって、
   圧縮機段と、
   前記圧縮機段の下流に配置された複数のパルスデトネーション燃焼器と、
   該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて前記複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する複数の吸気ポートを有する回転吸気弁構造体と、
   前記複数のパルスデトネーション燃焼器の下流に配置されて、該パルスデトネーション燃焼器の排気を受けるようになったタービン段と、を含み、
   前記吸気ポートに対する前記パルスデトネーション燃焼器の比率が非整数であり、
   前記非整数が、１〜４であり、
   前記パルスデトネーション燃焼器及び吸気ポートの少なくとも１つが、中心軸線に対して非対称に分散配置される
   ことを特徴とする、エンジン。
10. 前記回転吸気弁構造体が、その上に前記吸気ポートが設置されたディスク様構造体である、請求項９記載のエンジン。
11. 前記パルスデトネーション燃焼器が、中心軸線を有する環帯パターンで分散配置され、また
    前記回転吸気弁構造体が、前記中心軸線の周りで回転する、
    請求項９又は１０記載のエンジン。
12. 前記吸気ポートが、円形形状を有する、請求項９乃至１１のいずれか１項記載のエンジン。
13. 前記吸気ポートが、前記回転吸気弁部分上に対称に分散配置される、請求項９乃至１２のいずれか１項記載のエンジン。
14. 前記吸気ポートが、該エンジンの運転時に直接隣接するパルスデトネーション燃焼器が連続的にデトネーションを発生しないように前記回転吸気弁部分上に分散配置される、請求項９乃至１２のいずれか１項記載のエンジン。
15. 前記吸気ポートが、該エンジンの運転時に少なくとも２つのパルスデトネーション燃焼器が同時にデトネーションを発生するように前記回転吸気弁部分上に分散配置される、請求項９乃至１２のいずれか１項記載のエンジン。
16. エンジンであって、
    圧縮機段と、
    前記圧縮機段の下流に配置された複数のパルスデトネーション燃焼器と、
    ディスク様形状を有し、かつ該エンジンの運転時にそれを通して少なくとも空気が流れて前記複数のパルスデトネーション燃焼器に流入する円形形状をした複数の吸気ポートを有する回転吸気弁構造体と、
    前記複数のパルスデトネーション燃焼器の下流に配置されて、該パルスデトネーション燃焼器の排気を受けるようになったタービン段と、を含み、
    前記吸気ポートに対する前記パルスデトネーション燃焼器の比率が非整数であり、
    前記パルスデトネーション燃焼器が、中心軸線を有する環帯パターンで分散配置され、また前記回転吸気弁構造体が、前記中心軸線の周りで回転し、
    前記非整数が、１〜４であり、
    前記パルスデトネーション燃焼器及び吸気ポートの少なくとも１つが、中心軸線に対して非対称に分散配置される
    ことを特徴とする、エンジン。