JP5658510B2 - パルスデトネーション吸気管理システム - Google Patents

Description

本発明は、パルスデトネーション吸気管理システムに関する。

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）の発達に伴って、実用的用途においてこの技術を使用するための様々な努力が為されてきた。そのような実用的用途の実例には、従来型のガスタービンエンジン技術及びＰＤＥ技術の両方の組合せを使用して運転効率を最大にするようにした「ハイブリッド」エンジンの開発がある。その他の実例には、航空機、ミサイル及びロケットにおける使用が含まれる。

パルスデトネーション燃焼器は、例えばパルスデトネーションエンジンにおいて使用される。パルスデトネーションエンジンでは、推力は、デトネーションチャンバ内での燃料の超音速デトネーションによって発生される。超音速デトネーションは、それが放出されるまでデトネーションチャンバ内で圧力及び温度を上昇させて、推力を得る。デトネーションプロセスは、充填物の全てがデトネーションチャンバの内部にある間に燃焼させるので効率的である。空気を吸込むあらゆるエンジンの場合と同様に、吸気安定性は、パルスデトネーションエンジンの適当な運転を維持する重要な観点となる。このことは、開放吸気管を使用するパルスデトネーションエンジンにおいて特有の課題を提起する。

パルスデトネーションエンジンの運転は、上流構成要素に移動する可能性がある極めて高い圧力ピーク及び振動を燃焼器の内部に発生させかつ燃焼器及び周囲の構成要素の内部に高熱を発生させて、上流構成要素の損傷及び故障を引き起こす。従って、吸気制御を行いかつ高圧力ピークが上流構成要素に移動するのを防止するための様々なバルブ技術が開発され続けている。

米国特許第７，４６４，５３４号公報

これら及びその他の理由から、本発明の必要性が存在する。

パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体を提供し、本パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体は、入口を有する固定バルブ部分と往復動バルブ部分とを含む。本バルブ組立体は、パルスデトネーション燃焼器に結合される。往復動バルブ部分は、固定バルブ部分の外側に位置しかつ該固定バルブ部分と同軸に整列している。往復動バルブ部分は、固定バルブ部分に対して往復運動して本バルブ組立体の入口を通る吸気流を制御するように配置される。

本発明の実施形態は、以下の図面を参照することにより一層良好に理解される。同じ参照符号は、対応する部分を表している。

パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の例示的な実施形態の断面図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の例示的な実施形態の断面図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の例示的な実施形態の断面図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の別の例示的な実施形態の断面図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の別の例示的な実施形態の断面図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の別の例示的な実施形態の断面図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体のさらに別の実施形態の断面図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体のさらに別の実施形態の断面図。 シール要素の例示的な実施形態を示す図。 燃料噴射の別の例示的な実施形態を示す図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の例示的な実施形態の作動段階を示す図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の例示的な実施形態の作動段階を示す図。 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の例示的な作動サイクルを示す図。

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）」というのは、装置内での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り圧力上昇及び速度増加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加よりも高い圧力上昇及び速度増加を発生させる超音速乱流燃焼プロセスである。ＰＤＣの実施形態は、例えば燃料／空気混合気のような燃料／酸化剤の混合物を点火する手段と、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又は擬似デトネーションを発生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、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）によって開始される。例えば、ＰＤＣは、パルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）において使用される。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されるあらゆる装置を意味する。本明細書で使用する場合に、「デトネーション」というのは、デトネーション及び擬似デトネーションを含む。

その中では同じ参照符号が対応する部分を表している添付図面を参照することによって、本発明の実施形態をさらに詳細に説明することにする。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１Ａ〜図１Ｃは、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器バルブ組立体１００を示している。本組立体１００は、固定バルブ部分１０３と、往復動バルブ部分１０４とを含む。固定バルブ部分１０３は、図１Ｂに示すように、固定ベース部材１０１及び固定端部キャップ１０２を含む。この図示した実施形態では、固定ベース部材１０１及び固定端部キャップ１０２は、軸方向に整列している。往復動バルブ部分１０４は、固定バルブ部分１０３に対して往復運動して入口１０８を周期的に閉塞する。図４に示すラビリンスシールのようなシール要素が、固定バルブ部分及び往復動バルブ部分１０４間に配置される。シール要素は、所望のシールを達成するあらゆる好適なシール要素とすることができる。入口１０８は、組立体を通る空気のような酸化剤の流れを可能にする。本発明は、酸化剤の流れを制御することに限定されるものではない。バルブ組立体はまた、入口を通る燃料の流れ或いは燃料及び酸化剤の混合気の流れを制御するために使用することができる。

固定バルブ部分１０３は、往復動バルブ部分１０４と軸方向に整列している。固定バルブ部分１０３及び往復動バルブ部分１０４の形状及び寸法は、所望の性能特性及び用途に基づいて決定することができる。この例示的な実施形態では、固定バルブ部分１０３及び往復動バルブ部分１０４は、同心に配置された円筒体である。さらに、燃料は、固定バルブ部分１０３内に配置された通路１０２ａを介して燃料噴射器１１０から軸方向に供給される。図１Ａは、往復動バルブ部分１０４が開状態にあるバルブ組立体１００を示しており、また図１Ｃは、往復動バルブ部分１０４が入口１０８を閉鎖した閉状態にあるバルブ組立体１００を示している。

図１Ａ〜図１Ｃでは、入口１０８は、固定ベース部材１０１及び固定端部キャップ１０２の環状空間構成で形成される。しかしながら、入口１０８はまた、固定ベース部材１０１内の孔、スロット又はその他の好適な開口部として形成することができる。入口１０８に流体装置（図示せず）を設けて、流れ剥離を防止することによって該入口における圧力低下を減少させることができる。

往復動バルブ部分１０４の作動は、機械式（カム、スコッチヨーク、スプリング質量ダンパシステム）、空気圧、電磁気、油圧などを含むあらゆる好適な手段によって達成することができる。説明の目的上、例示的な作動装置の一部としてプッシュロッド１０６を示している。バルブ組立体１００は、あらゆる好適な支持構造体によって支持することができる。

図１Ａ〜図１Ｃでは、燃料は、燃料噴射器１１０から軸方向に噴射される。しかしながら、燃料は、固定ベース部材１０１の側面上に配置した開口部を通して噴射することができる。燃料は、入口１０８から下流方向に又は入口１０８から上流方向に噴射することができる。燃料は、液体燃料又はガス状燃料のいずれかとすることができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体の別の実施形態を示している。本組立体２００は、固定バルブ部分１０３と、往復動バルブ部分１０４と、吸気通路２０２と、入口２０８とを含む。上述の実施形態におけるのと同様に、燃料は、固定バルブ部分１０３内の通路１０２ａを介して燃料噴射器１１０から供給される。この実施形態では、固定ベース部材１０１は、レセプタクル１０１ａを含む。レセプタクル１０１ａは、往復動バルブ部分１０４と対向して固定ベース部材１０１内に配置される。レセプタクル１０１ａは、バルブ作動時に往復動バルブ部分１０４を受けて入口２０８を通る流れを阻止する。

往復動バルブ部分１０４は、固定ベース部材１０１内のレセプタクル１０１ｂに対して往復運動し、入口２０８を周期的に閉塞してバルブ組立体を通る流れを制御する。図２Ａでは、往復動バルブ部分１０４を開状態位置で示しており、一方、図２Ｂでは、往復動バルブ部分１０４を閉状態位置で示している。往復動バルブ部分１０４の作動は、上述の実施形態に関して説明したようなあらゆる好適な手段によって達成することができる。説明の目的上、例示的な作動装置の一部として、プッシュロッド１０６を示している。

図１Ａ〜図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｂに示すバルブ組立体の各々は、バルブ作動を必要とするあらゆる装置で使用して吸気流を制御することができる。例えば、バルブ組立体は、あらゆる燃焼／デトネーション装置で使用することができる。より多くの特定の実例では、バルブ組立体は、図１Ａに示すようにパルスデトネーション燃焼器１１２に結合される。組立体１００の固定ベース部材１０１は、フランジ、溶接などによるようなあらゆる好適な手段によってパルスデトネーション燃焼器に取付けることができる。それに代えて、バルブ組立体の固定ベース部材１０１は、パルスデトネーション燃焼器１１２の一体形部品として形成することができる。より具体的には、固定ベース部材１０１及びパルスデトネーション燃焼器１１２は、図２Ｃに示すように連続構造体として形成することができる。図２Ｃにおけるバルブ組立体の作動は、図２Ａ及び図２Ｂにおけるのと同じである。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の別の例示的な実施形態を示している。この実施形態では、固定ベース部材１０１は、レセプタクル１０１ａを備えた空気力学的部材１０１ｂに向けてテーパしている。さらに、吸気通路２０２が、固定ベース部材１０１の空気力学的部材１０１ｂに対応するように湾曲した環状空間つまり吸気通路３０２と置換えられている。さらに、この実施形態における固定バルブ部分１０３の固定端部キャップ１０２は、湾曲部分１０２ｂを含む。湾曲部分１０２ｂは、吸気通路３０２の湾曲部に連続している。湾曲部分１０２ｂはまた、空気力学的部材１０１ｂの湾曲部に対応している。上述の実施形態におけるのと同様に、往復動バルブ部分１０４は、固定バルブ部分１０３に対して往復運動して吸気通路３０２を周期的に閉塞する。往復動バルブ部分１０４は、図３Ａでは開状態にあり、また図３Ｂでは閉状態にある。

吸気通路３０２は、環状空間構造に限定されるものではなくかつ用途に好適なあらゆる方法で形成することができる。さらに、吸気通路３０２は、１つ又はそれ以上のベーン３０４を含むことができる。ベーン３０４は、吸気通路３０２に対する構造的支持を与えかつ流入する空気流内にスワールを生じさせるように構成することができる。スワールは、空気力学的部材１０１ｂ及び湾曲部分１０２ｂと共に、流れ剥離を防止しかつそれにより空気力学的損失を低減するのに役立つ。スワールの量及び空気力学的部材１０１ｂのジオメトリは、燃料−空気混合を向上させかつより効率的なデトネーションを促進するように調整することができる。

図４を参照すると、シール要素４０２ａ及び４０２ｂは、それぞれその中で往復動バルブ部分１０４が往復運動するレセプタクル１０１ａ及びスペース４０４をシールするように設けられる。この図示した例示的な実施形態では、シール要素４０２ａ及び４０２ｂは、ラビリンスシールである。しかしながら、パルスデトネーション燃焼器内で圧力上昇が充分に維持されることを保証することになるあらゆる好適なシール要素を使用することができる。シール要素４０２ａ、４０２ｂは、吸気通路を通る酸化剤の適当な流れを保証して、該流れがスペース４０４内で又はレセプタクル１０１ａ内で失われないようにする。シール要素は、圧力上昇があらゆる上流構成要素に移動するのを防止する。シール要素の位置は、図４に示したものに限定されるものではない。シール要素は、あらゆる好適な位置に配置してシール効果を達成することができる。

上述の例示的な実施形態では、燃料噴射器１１０は、固定バルブ部分１０３及び往復動バルブ部分１０４と軸方向に整列している。しかしながら、燃料はまた、図５に示すように、吸気通路３０２内に配置された噴射器５０２によって往復動バルブ部分１０４の下流に供給することができる。言うまでもなく、燃料は、特定の構造体及び用途に好適なあらゆる方法で噴射することができる。それに代えて、燃料は、パルスデトネーション燃焼器１１２内に噴射することができる。

前述したように、説明した実施形態の各々における作動装置メカニズムは、あらゆる多くの公知の作動装置から選択することができる。また、往復動バルブ部分１０４及び固定バルブ部分１０３は、円筒体とするか又はその長さの一部分を円筒体とすることができる。しかしながら、本発明の実施形態は、円筒体に限定されるものでなくかつバルブ組立体は、用途に好適なあらゆる形状のものとすることができる。

上述した実施形態は、往復動バルブ部分１０４の往復運動を可能にしてごく僅かな圧力低下で入口を通る流れを調整する。空気力学的部材１０１ｂは、流れ剥離を防止しかつ空気力学的損失を最少にする。

本発明の例示的な実施形態による往復動バルブ部分１０４及び固定バルブ部分１０３は、上流構成要素が受ける外力及び荷重負荷を大幅に減少させ、それにより、作動を平易にすると共にシステムの作動寿命を延ばす。バルブ組立体は、デトネーション荷重負荷が半径方向にバランスするのを可能にする。仮に生じるとしても、ごく僅かな外力が、軸方向に生じることになる。従って、バルブ組立体に結合された構成要素（例えば、その駆動メカニズム）は、損傷を生じる圧力振動から遮蔽されることになる。

本発明の実施形態によるバルブ組立体は、吸気通路が急速に開状態になりまた閉状態になるのを可能にする。作動時には、往復動バルブ部分は、比較的短い軸方向距離を移動する。しかしながら、往復動バルブ部分及び固定バルブ部分は、比較的大きな開口を有することができる。従って、バルブ組立体の物理的開口は、僅かな往復移動で急激に変化することになる。その結果、バルブ組立体を通る流れ（流量）を最適にすることができる。

バルブ組立体の作動をより詳細に説明することにする。図６及び図７に示すように、全ストローク長さは、ａ＋ｂ＋ｃで表される。ａ、ｂ及びｃパラメータのストローク長さは、バルブタイミングを変更しかつバルブ開口時間を増大／減少させるように調整することができる。可変ジオメトリ要素を作動メカニズム内に組込んで、必要に応じて運動のタイミングを調整することができる。この図示した実施形態では、往復動バルブ部分は、上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）まで往復運動する。

上昇行程時には、往復動バルブ部分は、その先端がレセプタクルから出る時に開状態になり始める。バルブ組立体は、図７に示すように、先端が入口開口部を通過すると完全に開状態になりかつ往復動バルブ部分の先端が入口を閉塞し始めるまでの時間の間にわたって完全に開状態になっている。下降工程では、往復動バルブ部分がレセプタクルに入った時に、バルブ組立体は、完全に閉状態になっていると考えられる。図７に示すように、バルブ組立体は、往復動バルブ部分がレセプタクル内に位置する時間の間にわたって完全に閉状態となっている。本発明の実施形態では、バルブ組立体の開口は、往復動バルブ部分が移動する軸方向距離ｂに対して大きなものとすることができる。このことは、作動メカニズムに対するより短い軸方向ストローク及びより少ない過重負荷又は要求量での最適な性能の達成を可能にする。

上述しまた図８に示すように、バルブ組立体は、急速に完全な開状態及び完全な閉状態位置に到達する。このことは、最適化した開放時間を可能にする。

さらに、所望の運転性能に応じて、往復動バルブ部分の往復運動速度は、様々な性能及び運転要件に基づいて一定とするか又は可変とすることができる。さらに、往復運動速度は、所望の運転を達成するために充填する燃焼器又はその他の装置チャンバの充填プロフィールを変化させるように変更するか又は調整することができる。往復運動速度は、コンピュータ制御システム、ステッパモータなどの使用によるようなあらゆる公知の手段によって制御することができる。

本明細書で説明するように、バルブ組立体及び吸気通路の構成の実施形態は、ごく僅かな圧力低下で効率的な充填段階を可能にし、それにより、エンジン性能及び／又は効率を高める。バルブ組立体はまた、燃焼圧力による機械的荷重負荷をバランスさせる。システムの対称性により、軽量でありながら非常に強力な構成要素が可能になる。

上記の実施形態は、単一のパルスデトネーション燃焼器（又は装置チャンバ）に対して図示しかつ説明していることに注目されたい。しかしながら、本発明のコンセプトは、単一のパルスデトネーション燃焼器実施形態に限定されるものではない。

以上、航空機及び発電用途に関して本発明の実施形態を説明してきたが、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注目されたい。

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 パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体
１０１ 固定ベース部材
１０１ａ レセプタクル
１０１ｂ 空気力学的部材
１０２ 固定端部キャップ
１０３ 固定バルブ部分
１０４ 往復動バルブ部分
１０６ プッシュロッド
１０８ 入口
１１０ 燃料噴射器
１１２ パルスデトネーション燃焼器
２００ パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体
２０２ 吸気通路
２０８ 入口
３００ パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体
３０２ 吸気通路
３０４ ベーン
４０２ａ、４０２ｂ シール要素
４０４ スペース
５０２ 燃料噴射器

Claims (8)

1. パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）であって、
   レセプタクル（１０１ａ）及び入口（１０８、２０８）を有する固定バルブ部分（１０３）と、
   前記固定バルブ部分（１０３）と同軸に整列し、該固定バルブ部分（１０３）に対して往復運動するように配置されかつ往復運動作動時に前記レセプタクル（１０１ａ）に受けられるように配置された往復動バルブ部分（１０４）と、
   前記固定バルブ部分（１０３）に結合されたパルスデトネーション燃焼器（１１２）と、
   を含み、
   前記入口（１０８、２０８）が、前記固定バルブ部分（１０３）の固定ベース部材（１０１）及び固定端部キャップ（１０２）によって形成された環状空間を含む
   ことを特徴とする、パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）。
2. 前記固定バルブ部分（１０３）及び往復動バルブ部分（１０４）が、円筒体でありかつ同心に配置される、請求項１記載のパルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）。
3. 前記固定バルブ部分（１０３）が、固定ベース部材（１０１）及び固定端部キャップ（１０２）を含む、請求項１記載のパルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）。
4. パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）であって、
   レセプタクル（１０１ａ）及び入口（１０８、２０８）を有する固定バルブ部分（１０３）と、
   前記固定バルブ部分（１０３）と同軸に整列し、該固定バルブ部分（１０３）に対して往復運動するように配置されかつ往復運動作動時に前記レセプタクル（１０１ａ）に受けられるように配置された往復動バルブ部分（１０４）と、
   前記固定バルブ部分（１０３）に結合されたパルスデトネーション燃焼器（１１２）と、
   前記入口（１０８、２０８）に結合された吸気通路（２０２、３０２）と
   を含み、
   前記吸気通路（２０２、３０２）が、少なくとも１つのベーン（３０４）を含む
   ことを特徴とする、パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）。
5. 前記固定バルブ部分（１０３）及びパルスデトネーション燃焼器（１１２）が、単一の連続構造体を含む、請求項１記載のパルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）。
6. パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）であって、
   レセプタクル（１０１ａ）及び入口（１０８、２０８）を有する固定バルブ部分（１０３）と、
   前記固定バルブ部分（１０３）と同軸に整列し、該固定バルブ部分（１０３）に対して往復運動するように配置されかつ往復運動作動時に前記レセプタクル（１０１ａ）に受けられるように配置された往復動バルブ部分（１０４）と、
   前記固定バルブ部分（１０３）に結合されたパルスデトネーション燃焼器（１１２）と
   を含み、
   前記固定バルブ部分（１０３）が、前記入口（１０８、２０８）に近接した空気力学的テーパ部分を含み、
   パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）は、前記固定バルブ部分（１０３）に結合されかつ該固定バルブ部分（１０３）の空気力学的部分に対応する湾曲部分を有する湾曲吸気通路（３０２）をさらに含む
   ことを特徴とする、パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）。
7. パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）であって、
   レセプタクル（１０１ａ）及び入口（１０８、２０８）を有する固定バルブ部分（１０３）と、
   前記固定バルブ部分（１０３）と同軸に整列し、該固定バルブ部分（１０３）に対して往復運動するように配置されかつ往復運動作動時に前記レセプタクル（１０１ａ）に受けられるように配置された往復動バルブ部分（１０４）と、
   前記固定バルブ部分（１０３）に結合されたパルスデトネーション燃焼器（１１２）と
   を含み、
   前記固定バルブ部分（１０３）が、前記入口（１０８、２０８）に近接した空気力学的テーパ部分と、固定ベース部材（１０１）と、固定端部キャップ（１０２）とを含み、
   前記固定ベース部材（１０１）が、空気力学的部分を含み、また
   前記固定端部キャップ（１０２）が、前記固定ベース部材（１０１）の空気力学的部分に対応する湾曲部分を含む
   ことを特徴とする、パルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）。
8. 前記湾曲吸気通路（３０２）が、少なくとも１つのベーン（３０４）を含む、請求項６記載のパルスデトネーション燃焼器バルブ組立体（１００、２００、３００）。
   

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