JP2012508864A

JP2012508864A - 多重チューブ、環状多筒形パルスデトネーション燃焼器ベースのエンジン

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Publication number: JP2012508864A
Application number: JP2011536377A
Authority: JP
Inventors: ケニヨン，ロス・ハートレー; ジョシ，ナレンドラ・ディガンバー; タンギララ，ヴェンカット・エスワールー; ディーン，アンソニー・ジョン; ラシード，アダム; グレイザー，アーロン・ジェローム
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2012-04-12
Also published as: CA2742062A1; US20090266047A1; EP2347185A1; WO2010056520A1

Abstract

エンジン（１００）は、コンプレッサ段（１０１）、パルスデトネーション燃焼段（１０５）およびタービン段（１０３）を含む。パルスデトネーション燃焼段は、入口部分（１１１）を有する少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器（１０９）を含む。パルスデトネーション燃焼器は、エンジンの中心線に対して長手方向および／または接線方向に配向される。より優れた性能を達成するために、プレナム（１１５）、ケーシング（１０７）、ディフューザ（１１９）およびシュラウド（１１３）を、この燃焼段に加えることができる。

Description

本発明は、パルスデトネーションシステムに関し、より詳細には多重チューブ、環状多筒形パルスデトネーション燃焼器ベースのエンジンに関する。

近年、パルスデトネーション燃焼器（ＰＤＣ）およびパルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）の開発が進むにつれて、航空エンジンおよび／またはさらなる推力／推進を生成するための手段など、ＰＤＣ／ＰＤＥを実用化するために様々な努力が進められている。さらに、動作効率を最大化するために、従来型のガスタービンエンジン技術とＰＤＣ／ＰＤＥ技術との組合せを使用する「ハイブリッド」タイプエンジンにＰＤＣ／ＰＤＥ装置を利用する努力がなされている。以下の考察では、これらの応用例のどちらをも対象とする。以下の考察は、「パルスデトネーション燃焼器」（すなわちＰＤＣ）を対象とすることに留意されたい。しかし、この用語の使用は、パルスデトネーションエンジンなどを含むことが意図されている。

ＰＤＣの最近の開発ならびにこれらの装置の実用的な応用例および用途を見いだすことへの高い関心のために、ＰＤＣの運転効率および性能効率の向上、ならびに実用化するようにＰＤＣを組み込むことに関心が高まっている。

いくつかの応用例では、エンジンの標準的な諸燃焼段階を単一のＰＤＣに置き換える試みがなされている。しかし、比較的大きなＰＤＣは、それに伴う力および応力のために実際的でない可能性がある。これは、他の構成部品とともに非常に厚い壁構造が必要であること、およびデトネーションを開始するために比較的長いＰＤＣチューブが必要であることによるものである。ＰＤＣの直径がより大きくなると、より長いＰＤＣチューブが必要になる。多くのエンジン用途では、この追加の長さが問題になる。

さらに、ＰＤＣの動作によって、ＰＤＣの内部および上流の構成部品の両方で非常に高い圧力ピークおよび振動が生じること、ならびにＰＤＣのチューブおよび周囲の構成部品の内部で高熱が発生することが知られている。ＰＤＣの動作中のこれらの高温ならびに圧力ピークおよび振動のために、高温および圧力ピーク／振動の繰返しを長期にわたって受けても耐えることができる実用可能なシステムを開発するのは困難である。

さらに、上流の構成部品からの圧力ピークを阻止する必要があるので、高圧のピークがコンプレッサ段の上流に進むのを防止するために様々な弁調節技術が開発されている。しかし、弁によるこの阻止と非阻止の繰返し自体が、最適とは言い難いコンプレッサ動作の原因となり得る不安定な圧力振動を生成する可能性がある。

さらに、ＰＤＣをタービン段に結合することが、タービンベースのエンジンおよびハイブリッドエンジンにＰＤＣを用いることの妨げになっている。ＰＤＣが高圧および高温のパルスを排出するために、既存のタービン段内でＰＤＣからのエネルギーを最適化するのが困難であった。

英国特許第７８１４８２Ａ号

したがって、上述の欠点に対処する、タービンベースのエンジンおよび発電装置においてＰＤＣを実施する改善された方法が必要とされている。

本発明の一実施形態では、エンジンは、圧縮された流れが通過する出口を有するコンプレッサ段と、少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器を備え、パルスデトネーション燃焼器段が出口に結合されたパルスデトネーション燃焼器段と、パルスデトネーション燃焼器段に結合され、パルスデトネーション燃焼器段から排気を受け取るタービン段とを含む。少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の少なくとも一部分が、エンジンの中心線に対して、接線方向および長手方向のうち少なくとも一方に配向される。

本明細書で用いられる「パルスデトネーション燃焼器」ＰＤＣ（ＰＤＥも含む）は、装置の内部で、一連の反復するデトネーションまたは疑似デトネーションから圧力上昇および速度増加の両方をもたらす任意の装置またはシステムを意味するように理解される。「疑似デトネーション」は、デフラグレーション波形によってもたらされる圧力上昇および速度増加より大きな圧力上昇および速度増加をもたらす超音速乱流の燃焼プロセスである。ＰＤＣ（およびＰＤＥ）の実施形態には、例えば燃料／空気の混合物である燃料／酸化剤の混合物に点火する手段、および点火プロセスによって開始された圧力波面が合体してデトネーション波形を生成するデトネーションチャンバが含まれる。各デトネーションまたは疑似デトネーションは、火花放電またはレーザパルスなどの外部点火により、あるいは衝撃集束、自動点火、または別のデトネーション（すなわちクロスファイヤ）などの気体力学プロセスによって開始される。

本明細書で用いられる「エンジン」は、推力および／または電力を生成するのに使用されるあらゆる装置を意味する。

本発明の利点、本質および様々な付加的特徴が、図面で概略的に説明されている本発明の例示的実施形態を検討することにより、より完全に明白になるであろう。

本発明の例示的実施形態の概略図である。本発明の例示的実施形態による環状多筒形機構の概略図である。図２Ａの環状多筒形機構の別の概略図である。エンジンに対して長手方向に配向されたパルスデトネーション燃焼器の概略図である。エンジンに対して接線方向に配向されたパルスデトネーション燃焼器の概略図である。本発明の例示的実施形態によるＰＤＣの配向の２つの代替形態の概略図である。

本発明を、添付図面を参照しながらさらに詳細に説明するが、添付図面は決して本発明の範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態によるエンジン１００の一部分を示す。示されるように、エンジン１００はコンプレッサ段１０１およびタービン段１０３を含む。これらの段は、任意の既知または従来の形で構成されている。コンプレッサ段１０１の下流およびタービン段１０３の上流にＰＤＣ段１０５が配置されている。示された例示的実施形態では、ＰＤＣ段１０５は、ＰＤＣ段１０５が燃焼段によって通常供給されるエネルギーを完全に供給するように、完全に従来型の燃焼器段に取って代わる。しかし、本発明はこの点に関して限定されない。具体的には、本発明のＰＤＣ段１０５は、エンジン１０５内の燃焼段で利用することも企図されている。これは、デフラグレーションベースの燃焼段をＰＤＣに結合して、システムにさらなるエネルギーを供給するハイブリッドＰＤＣエンジンのタイプに類似することになる。

ＰＤＣ段１０５内には、ＰＤＣ段のケーシング１０７内に配置された複数のＰＤＣ１０９がある。わかるように、ＰＤＣ１０９は、エンジン１００に対して環状に配置されている。ＰＤＣ段１０５およびその構成部品を図のように配置することにより、エンジン１００の全長が短縮され、従来型エンジンの長さ範囲とより等しい長さになる。従来の実装形態では、ＰＤＣは、完全にコンプレッサ段１０１とタービン段１０３の間に配置され、したがってエンジン１００の全長が大幅に増加する。

ＰＤＣ１０９のそれぞれは、既知の構成を有する。本発明は、この点に関して限定されない。ＰＤＣのあらゆる既知のタイプまたは従来型のタイプを本発明に利用することができることが企図されている。

別の例示的実施形態では、ＰＤＣ段１０５は、ＰＤＣ１０９およびデフラグレーションベースの燃焼装置の組合せを含むことができる。したがって、本発明の実施形態は、燃焼動作全体をＰＤＣによってもたらす用途に限定されることは意図されていない。

本発明の例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９のそれぞれがＰＤＣの入口弁構造体１１１を含む。入口弁構造体１１１により、空気および／または空気／燃料混合物が入ることができ、空気の少なくともいくらかはコンプレッサ段１０１から供給される。図１に示されるように、ＰＤＣ１０９は長手方向に角度をなし、その結果、ＰＤＣ１０９の排気流がタービン段１０３で角度をなして方向付けられる。本発明の一実施形態では、ＰＤＣ１０９は、エンジンの中心線に対して約４５度の角度をなす。別の実施形態では、ＰＤＣ１０９は、同中心線に対して約０度と約４５度の間の角度をなす。別の例示的実施形態では、角度は、タービン１０３内の動翼に対して適切な速度三角形と一致するように選択される。このような構成は、定常状態モードで動作しているエンジン１００に対して最適であり得る。

ＰＤＣ１０９を長手方向に角度付けすることに関する上記の考察は、エンジンを長手方向に見て／配向して、ＰＤＣ１０９をエンジン１００の中心線の面上に投影したとき、エンジンの中心線とＰＤＣ１０９の中心線との間の角度を指すことが意図されている。すなわち、投影したＰＤＣ１０９のそれぞれの中心線とエンジン１００の中心線は同一面に存在するが、ＰＤＣ１０９の中心線は、エンジンの中心線に対して角度をなす。これは、図１および図２Ｃに見ることができる。

図２Ｃは、長手方向に配向されたエンジン１００およびエンジンの中心線ＣＬを垂直に通る面を概略的に示す。ＰＤＣ１０９の長手方向の角度を示すために、また、この図面では、ＰＤＣ１０９は（図２Ｃに関して）エンジン１００の中心線を垂直方向に通る面の上に投影される。（明確にするために、ＰＤＣ１０９は１つだけ示されている）。これは、図２Ａに示されるように、ＰＤＣ１０９を、エンジン１００の中心線ＣＬのまわりに円形タイプの配列で配向することができる幾何形状の理解を簡単にするためになされている。

図示されていないさらなる例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９の一部分は、第１の角度、例えば約４５度で角度をなし、次いでＰＤＣがその端部（すなわちタービン１０３の近く）に近づくのにつれて第２の角度へと曲がる／移行する。本発明の一実施形態では、第２の角度は約６０度と約８０度の間にある。このような実施形態は、エンジン１００のまわりの空間の検討を最適化するのに用いることができる。

以下でより詳細に論じられるように、本発明の例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９は、図示のように、エンジン１００に対して長手方向に角度をなす上にエンジンの中心線に対して接線方向に角度をなす。これは、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｄに関して以下でさらに論じる。

ＰＤＣ１０９の角度付けのために、動作中、圧縮された流れが、コンプレッサ段１０１の出口１２１を出て、次いでＰＤＣ１０９の入口弁１１１に向けられる。示された実施形態では、流れは、弁１１１の方へ、径方向外向きに向きを変える。

入口弁１１１の、あらゆる既知の構造または構成を利用することができることに留意されたい。この点に関して制約はない。しかし、例示的実施形態では、弁１１１は、ＰＤＣ１０９からの圧力ピーク（動作中に生成されるもの）を最小化するか、あるいは同圧力ピークが弁１１１を出てケーシング１０７の空洞に入るのを防止するように構成される。さらに、弁のタイミングおよび動作は限定されない。一実施形態では、すべてのＰＤＣ１０９が同時に動作して同期する。さらなる例示的実施形態では、ＰＤＣの動作は、すべてのＰＤＣが同時に点火するのではなく時差をもって動作するように順序付けられる。さらに、本発明は、使用される噴射装置によって限定されることは意図されていない。既知の弁制御方法、構造および技術を、本発明の様々な実施形態に利用することができる。本発明は、用いられた弁調節方法によって限定されることは意図されていない。

本発明の例示的実施形態は、ＰＤＣ１０９を示されたように角度付けし、弁１１１をエンジンの中心線から径方向に離して配置することにより、従来のＰＤＣ実装形態にあったコンプレッサを出る不安定な流れを最小化する助けとなる。この角度付けにより、ＰＤＣ１０９によって生成される圧力変動を、コンプレッサの出口１２１に到達する前にケーシング１０７内で拡散することができる。したがって、コンプレッサ段１０１の出口では比較的安定した流れが「見られ」、その動作が最適化され得る。

さらに、コンプレッサの流れをケーシング１０７内で径方向および前方へ向けることにより、ＰＤＣ１０９の冷却に影響を及ぼす。以前に説明したように、ＰＤＣの動作により、ＰＤＣの壁が非常な高温に到達し得るほどのかなりの量の熱が生じる。これらの壁を冷却するために様々な方法が企図されている。多くの方法は、追加の冷却構造および／または冷却システムを使用する必要があるものであり、エンジンのコスト、重さおよび複雑さが増す。

本発明の例示的実施形態では、コンプレッサの流れは、ケーシング１０７内で前方へ向けられ、したがってＰＤＣ１０９の外面に沿ったものになる。コンプレッサ段１０１からの流れは、一般に比較的冷たいので、この流れは、ＰＤＣ１０９の壁に沿って入口弁１１１まで流れるとき熱交換器として働く。さらに、この流れがＰＤＣ１０９の壁から熱を奪うので、流れの温度が上昇する。このことは、空気流の温度上昇がデトネーション手順を支援することができるので、ＰＤＣの動作の助けとなる。

本発明の別の例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９の壁の熱交換の態様を向上するために、壁はベーンまたはバッフルなどで構成される。これにより、全体の表面積が増加して、ＰＤＣ１０９と流れの間の熱交換が増加することになる。さらに、これらの構造（図示せず）は、ケーシング１０７を通る入口弁１１１への流れを方向付けするか、他の方法で制御するのに用いることができる。

図１に示されるように、図示された実施形態では、ＰＤＣ１０９はエンジン１００の中心線に対して角度をなす。エンジン１００の中心線に対するＰＤＣ１０９の角度付けにより、流れの方向を出口１２１から入口弁１１１に変えるのは比較的簡単である。

本発明の例示的実施形態は、図１に示されるように、出口１２１からの流れをＰＤＣ段１０５の中へ向けるディフューザ１１９を含む。ディフューザ１１９は、流れの変化および方向変更を最適化するように、出口１２１からの流れの向きをＰＤＣ段１０５の中へ変える助けとなる。本発明の一実施形態では、乱流が最小化するように流れの方向を変える。

さらなる例示的実施形態では、ＰＤＣ段１０５はプレナム１１５を含む。プレナム１１５は、圧力上昇を緩和する助けとなるように利用されている。具体的には、プレナム１１５はあらたな空洞空間をもたらし、ＰＤＣ１０９の動作によって受ける圧力変動の放散および／または吸収を支援する。知られているように、空気は比較的圧縮性の媒体であり、したがって、プレナム１１５を加えることでＰＤＣ段１０５の全体的ボリュームを増加することにより、あらゆる圧力変動を放散するのに用いられる空気のボリュームが増加する。図１に示されたプレナムの構成および位置は例示として意図されており、本発明は示された実施形態に限定されないことに留意されたい。

さらに、代替の例示的実施形態では（図１に示されたように）、チューブシュラウド１１３がＰＤＣ１０９を取り囲んでいる。シュラウド１１３は、コンプレッサ段１０１からの流れをＰＤＣ１０９の壁へ向けること、ならびにプレナム１１５の領域内の流れを制御することの助けとなる。さらに、シュラウド１１３は、流れの方向付けならびに圧力ピークの緩和および／または放散を支援する流量制御開口１２３を含むことができる。プレナム１１５、ケーシング１０７、ディフューザ１１９および／またはシュラウド１１３の構成は、当業者によって、所望の運用特性および性能特性を達成するように最適化され得る。具体的には、当業者なら、ＰＤＣ１０９およびコンプレッサ段１０１の所望の動作を保証するために、所望の冷却および圧力ピークの最小化／放散を達成するように、これらの構成部品を十分に最適化することができる。

明白には図示されていない代替実施形態では、入口弁１１１に入る空気流の少なくともいくらかは、別の供給源から来て、次いでコンプレッサ段１０１へ進む。例えば、エンジン１００がバイパス流量を有する実施形態では、バイパス流量の少なくともいくらかも弁１１１に向けられることが企図される。このさらなる流量は、所望の運用特性および性能特性に基づいて決定されることになっている。

本発明の例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９は、ノズル１１７を介してタービン段１０３（一般には高圧タービン段）に結合される。ノズル１１７の正確な構成および実装形態は、設計および動作のパラメータ次第で変化することになる。示された例示的実施形態では、ノズル１１７は、その構造および動作が知られている集束ノズルである。別の実施形態では、ノズル１１７は集束−拡散ノズルである。さらに、ノズル１１７とタービン段１０３の間の変化は、本発明が用いられる特定のエンジン１００の構造および運用のパラメータの関数である。例えば、いくつかの実施形態では、個々のＰＤＣ１０９は、そのノズル１１７を介してタービン段１０３に直接結合されることが企図されている。しかし、２つ以上のＰＤＣ１０９を単一のマニホールド構造体の中に向けることができ、そこでそれぞれの流れが混合され、次いで、共通のマニホールド構造体がタービン段１０３に向けられるようにも企図されている。

次に図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｄに移って、図２Ａは、ＰＤＣ段１０５でタービン段１０３から前方を見た、ＰＤＣ段１０５の例示的実施形態の断面を示す。この実施形態では、ＰＤＣ段１０５は、エンジン１００の中心線のまわりに径方向に配置された１２本のＰＤＣ１０９を含んでいる。もちろん、多種多様な数のＰＤＣ１０９を有する様々な代替形態が企図されるので、本発明は、この示された実施形態に限定されない。

さらに、示された実施形態では、ノズル１１７は楕円形の開口２０１を有し、ＰＤＣ１０９の排気は、この開口を出てタービン段１０３に入る。しかし、開口２０１は、この点に関して限定されず、必要に応じてＰＤＣ１０９および／またはタービンの性能を最大化するための任意の形状または構成で作製することができる。

本発明の例示的実施形態では、図２Ａ／図２Ｄに見ることができるように、ＰＤＣ１０９は、エンジンの中心線ＣＬに対して接線方向に角度をなす。この角度付けにより、ＰＤＣ１０９の排気が、回転する様相でタービン段１０３に入ることが可能になる。この回転は、タービン段の動作および性能を改善するのを支援する。したがって、本発明の例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９は、入口部分１１１が（図１および図２Ｂに示されるように）ノズル１１７の物理的前方になるように長手方向に角度をなし、エンジンの中心線ＣＬに対して接線方向に配向されるように角度をなす（図２Ａ／２Ｄ）。

ＰＤＣ１０９を接線方向に角度付けすることに関する上記の考察は、長手方向の角度が測定される面に対して垂直なエンジン１００の中心線の面上にＰＤＣ１０９を投影したとき、エンジンの中心線とＰＤＣ１０９の中心線との間の角度を指すことが意図されている。すなわち、同一面に存在する、投影したＰＤＣ１０９のそれぞれの中心線とエンジン１００の中心線であるが、ＰＤＣ１０９の中心線は、エンジンの中心線に対して角度をなす。これは、図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｄに見ることができる。

図２Ｄは、図２Ｃに示されたエンジンの概略図であるが、エンジン１００を見おろしたものである。エンジンの中心線ＣＬを見おろすことにより、図２Ｃに示された垂直面に対して垂直すなわち鉛直な面が示されている。図２Ｄに示された面は、図２Ｃに示された面と同様に、エンジンの中心線ＣＬおよびその面上に投影されたＰＤＣ１０９の像のＣＬを通る。ＰＤＣ１０９の接線方向の角度を示すために、また、この図面では、ＰＤＣ１０９はエンジン１００の中心線を通る面の上に投影される。これは、図２Ａに示されるように、ＰＤＣ１０９を、エンジン１００の中心線ＣＬのまわりに円形タイプの配列で配向することができる幾何形状の理解を簡単にするためになされている。

したがって、接線方向の角度は、ＰＤＣ１０９の長手方向の角度を測定する面に対して垂直すなわち鉛直な面で測定される。本発明は、面を定義するのに、エンジンの絶対水平および絶対垂直を使用するものと限定されないことにも留意されたい。すなわち、面は、それぞれのＰＤＣ１０９に関して、エンジンの中心線のまわりで回転する／まわりに配向することができることが企図されている。これは、特に、図２Ａ／図２Ｂに示された、ＰＤＣ１０９がエンジンの中心線ＣＬのまわりに円形の配列で配向される実施形態の場合である。

ＰＤＣ１０９は、接線方向に約０度と９０度の間の角度をなすことができる。別の実施形態では、接線方向の角度が約１０度と約９０度の間にある。さらなる実施形態では、角度Ａは約４０度と約９０度の間にある。

図２Ａ、図２Ｂに示された実施形態では、ＰＤＣ１０９の接線方向の角度と長手方向の角度は同一である。しかし、本発明のさらなる実施形態では、ＰＤＣ１０９の少なくともいくつかが、接線方向の角度および長手方向の角度の一方または両方が異なるように角度付けされる。例えば、本発明の一実施形態では、ＰＤＣ１０９の半数の接線方向の角度が約９０度であり、ＰＤＣの他の半数の接線方向の角度が約７５度であるように角度付けされる。この実施例は、限定することは意図されておらず、例示にすぎないことに留意されたい。当業者なら、様々な設計および性能の基準に対して、所望の角度付けおよび構成を決定し、最適化することができる。

図２Ｂは、ＰＤＣ段１０５をエンジン１００側から概略的に示す。示された実施形態では、ＰＤＣ段１０５は、タービン段１０３（例えば高圧タービン）に結合されたタービンマニホールド２０３に結合される。マニホールド２０３は、ＰＤＣ段１０５およびタービン段１０３の性能を最適化するための任意の構成であり得る。別の例示的実施形態では、マニホールド２０３が利用されず、したがって、ノズル１１７はタービン段１０３に直接結合される。

本発明の別の例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９の少なくともいくつかが互いに位相外れで作動することが企図される。このような実施形態では、ＰＤＣ１０９がタービンの方を向いているので、タービン段１０３への極端な圧力スパイク（すべてのＰＤＣ１０９が同時に点火することによるもの）の悪影響を最小化するように、比較的一定の流れがタービン段１０３に向けられる。ＰＤＣ段１０５において、いくつかのＰＤＣ１０９およびいくつかの標準的燃焼装置を利用することも企図される。したがって、標準的燃焼装置が一定の流れをもたらす一方で、ＰＤＣ１０９が所望のＰＤＣ流をもたらすことになる。これらの構成部品の正確な動作および組合せは、エンジン１００の所望の運用特性および性能特性に応じて決まるものであり、当業者なら、それらの所望の構成を選択して実施することができる。

本発明の例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９は比較的小さな直径を有する。例えば、ＰＤＣは、約２インチから４インチの範囲の直径を有することができる。比較的小さな直径を用いることにより、個々のチューブの内部で内部応力が最小化され、したがってＰＤＣ１０９のチューブ壁の全体的厚さが縮小される。さらに、ＰＤＣ１０９の全長が縮小され、コンパクトなＰＤＣ段１０５が可能になる。これは、ＰＤＣ１０９の直径が増加するのにつれて、適切なデトネーション動作を可能にするためにＰＤＣの全長を増加する必要があるためである。

本発明の実施形態は、本明細書で論じられたＰＤＣ１０９の（長手方向および／または接線方向の）角度付けのために、エンジンのタービン段に通常は存在するタービンノズル（一般にタービン入口またはタービン固定子部分とも称される）を除去することができる。知られているように、標準的なタービンエンジンの構成では、燃焼器の流れは、エンジンのタービン段に入るときエンジンの中心線と共軸である。タービン段のタービンノズル部分は、燃焼段から入る流れの向きをエンジンの中心線に正接する方向に変えるのに用いられる。一般に、燃焼器の流れは、タービンノズル部分によって約７０度方向が変わり、その結果、タービン段では、流れが軸方向というより接線方向になる。しかし、タービンノズル部分を使用すると、流れの深刻な圧力低下が生じる。この圧力低下は不利である。さらに、タービンノズルを冷却するために、かなりの量のエンジン冷却流を用いなければならない。

本発明のＰＤＣ１０９を、本明細書で説明されたように長手方向および／または接線方向に角度付けすることにより、本発明の実施形態は、タービン段からタービンノズル部分を除去することができる。このような実施形態では、ＰＤＣ１０９は、ＰＤＣ１０９の排気がタービン段の回転部分に対して適切な角度でタービン段に入るように（長手方向および／または接線方向に）角度付けされる。このような実施形態では、ＰＤＣ１０９の出口ノズル１１７は、タービン段１０３の回転部分へ直接排出する。これによって、タービンノズルに関連した圧力低下が解消され、しかもタービンノズルを冷却するために相当な量のエンジン冷却流を用いる必要性が解消する。このような実施形態では、ＰＤＣ１０９の排気流が適切な角度でタービン段１０３に入るようにＰＤＣ１０９を角度付けするべきである。別の例示的実施形態では、タービンノズル部分が存在するが、ＰＤＣ１０９の角度付けのために、タービンノズルによって与えられる角度付けは、一般に必要とされるものより小さい。すなわち、例示的実施形態では、ＰＤＣ１０９とタービンノズルとの角度付けの組合せによって、タービン段１０３に入る流れの所望の回転を達成することができる。

再び図１に移って、プレナム１１５には共振空洞１２５が結合されている。共振空洞１２５は、能動的でも受動的でもよく、受ける可能性がある圧力振動に対してさらなる減衰をもたらす。例示的実施形態では、共振空洞１２５は、共振空洞１２５およびプレナム１１５の内部圧力が増加したり減少したりするとき振動する減衰構造体１２７を含む。したがって、減衰構造体１２７は、プレナム１１５のボリュームを効果的に増減させて、受ける圧力振動を効果的に吸収する。したがって、出口１２１からのコンプレッサの流れには圧力振動がほとんどなく、これによって、コンプレッサ段１０１は、正常かつ最適に動作することができる。減衰構造体１２７は、任意の機械式システム（振動する制振位置など）、または他のタイプの減衰機構（粘稠液など）、または音響ダンパ（１／４波ダンパ）であり得る。

１／４波ダンパでは、空洞の長さは、減衰されるべき振動の波長の１／４に選択される。諸波形がチューブに入って反射するとき、それらの位相が効果的にシフトされて、プレナム１１５内の残りの波形と打ち消すように干渉する。これによって、プレナム１１５の内部振動の振幅が、その所与の周波数で低減する。本発明の例示的実施形態では、プレナム１１５の内部で振動の別々の周波数を低減するかまたは除去することができるように、別々のサイズの複数の１／４波チューブを利用する。さらなる例示的実施形態では、１／４波チューブは、チューブ長さの調整を可能にする可調整ピストン構造体（要素１２７など）を有する。このような実施形態では、ピストンの調整、したがってチューブ長さの調整は、エンジンの動作中に受ける振動の減衰を調整するように、能動的に（すなわち動作中に）調整することができる。

使用される構成部品の配向および構成は、使用されるエンジンおよびタービン段の設計および動作のパラメータの関数であることが理解されよう。当業者なら、必要なパラメータおよび設計基準を考慮に入れて、最適な構成を決定し、かつ実施することができる。

図３は、タービン段１０３に入るＰＤＣの排気の配向に対するＰＤＣ１０９の配向についての代替形態の構成を示す（簡単に図示されている）。この図（図１とも一致している）の上部に示されるように、ＰＤＣ１０９の排気ガスは、エンジンの中心線に対して角をなしてタービン段１０３に向けられる。もちろん、ノズル１１７がタービン段１０３に直接結合されて示されていても、これに限定することは意図されていないことに留意されたい。この図が意図するのは、角度方向を表すことだけである。もちろん、マニホールド構造体を、タービン段１０３の中へ流れを向ける他の適切な手段と同様に用いることができる。あるいは、前述のように、ノズル１１７をタービン段１０３の回転部分に直接結合することができ、タービンノズルが不要になる。

この図の下部に代替実施形態が示されている。この実施形態では、ＰＤＣ１０９はエンジンの中心線に対して角度をなしているが、ＰＤＣ１０９の排気は、タービン段１０３に入るとき中心線と平行に方向付けられる。この実施形態では、流れの方向を中心線と平行になるように効果的に変化させるのに方向マニホールド構造体４０１が使用される。この実施形態では、エンジン１００の中心線に対するＰＤＣ１０９の角度は、方向マニホールド構造体４０１に対する熱負荷を低減するためにできるだけ小さくするべきである。

用いられる配向および構成は、使用されるエンジンおよびタービン段の設計および動作のパラメータの関数であることが理解されよう。当業者なら、必要なパラメータおよび設計基準を考慮に入れて、最適な構成を決定し、かつ実施することができる。

「流れ」および「流れの方向」に関する上記の考察は、事実上一般的であることが意図されていることにも留意されたい。本発明を組み入れるシステムに含まれる多くの流れが乱流であって無限の内部の流れ方向を有する可能性があることが、確実に理解し、かつ認識されている。これを理解する際に、例えば、流れが「平行」であると記述されるとき、それは一般的な流れの方向を意味するように理解される。

本発明が、上記で航空機および発電の用途に関して具体的に論じられてきたが、本発明は、これに限定されず、本発明の利点が望ましい任意の類似のデトネーション／デフラグレーションの装置に存在し得ることに留意されたい。

本発明が様々な特定の実施形態に関して説明されてきたが、当業者なら、特許請求の趣旨および範囲の範囲内の変更形態を用いて本発明を実施することができることを理解するであろう。

１００エンジン
１０１コンプレッサ段
１０３タービン段
１０５ＰＤＣ段
１０７ＰＤＣ段ケーシング
１０９ＰＤＣ
１１１入口弁構造体
１１３チューブシュラウド
１１５プレナム
１１７ノズル
１１９ディフューザ
１２１出口
１２３流量制御開口
１２５共振空洞
１２７減衰構造体
２０１開口
２０３マニホールド
４０１方向マニホールド構造体

Claims

圧縮された流れが通る出口を有するコンプレッサ段と、
少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器を備え、前記出口に結合されたパルスデトネーション燃焼器段と、
前記パルスデトネーション燃焼器段に結合され、前記パルスデトネーション燃焼器段から排気を受け取るタービン段とを備えるエンジンであって、
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の少なくとも一部分が、前記エンジンの中心線に対して、接線方向および長手方向のうち少なくとも一方に配向されるエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の前記一部分が、接線方向および長手方向の両方向に角度をなす請求項１記載のエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器が、前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の中心線と前記エンジンの中心線との間の接線方向の角度が最大９０度であるように、前記中心線に対して接線方向に配向される請求項１記載のエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器が、前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の中心線と前記エンジンの中心線との間の接線方向の角度が１０度から９０度の範囲内であるように、前記中心線に対して接線方向に配向される請求項１記載のエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器が、前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の中心線と前記エンジンの中心線との間の接線方向の角度が４０度から９０度の範囲内であるように、前記中心線に対して接線方向に配向される請求項１記載のエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器が、前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の中心線と前記エンジンの中心線との間の長手方向の角度が０度から４５度の範囲内であるように、前記中心線に対して長手方向に配向される請求項１記載のエンジン。
前記パルスデトネーション燃焼器段が、前記出口および前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器に結合されたプレナムをさらに備える請求項１記載のエンジン。
前記プレナムが、能動的圧力減衰構造体または受動的圧力減衰構造体を有する少なくとも１つの共振空洞を備える請求項７記載のエンジン。
前記パルスデトネーション燃焼器段が、複数のパルスデトネーション燃焼器を備え、前記パルスデトネーション燃焼器の少なくともいくつかが、前記パルスデトネーション燃焼器の他のものと異なって接線方向または長手方向に角度をなす請求項１記載のエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器が、前記圧縮された流れの少なくとも一部分が通る入口部分を備え、前記圧縮された流れの前記一部分が、径方向に前記エンジンの前記中心線から遠ざかって前記出口から前記入口部分へ向けられる請求項１記載のエンジン。
前記タービン段がタービンノズル部分を含まない請求項１記載のエンジン。
圧縮された流れが通る出口を有するコンプレッサ段と、
少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器を備え、前記出口に結合されたパルスデトネーション燃焼器段と、
前記パルスデトネーション燃焼器段に結合され、前記パルスデトネーション燃焼器段から排気を受け取るタービン段とを備えるエンジンであって、
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の少なくとも一部分が、前記エンジンの中心線に対して長手方向および接線方向の両方向に角度をなすエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の中心線と前記エンジンの中心線との間の接線方向の角度が最大９０度である請求項１２記載のエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の中心線と前記エンジンの中心線との間の接線方向の角度が１０度から９０度の範囲内である請求項１２記載のエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の中心線と前記エンジンの中心線との間の接線方向の角度が４０度から９０度の範囲内である請求項１２記載のエンジン。
前記エンジンの中心線に対する前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の中心線の長手方向の角度が０度から４５度の範囲内である請求項１２記載のエンジン。
前記パルスデトネーション燃焼器段が、前記出口および前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器に結合されたプレナムをさらに備える請求項１２記載のエンジン。
前記プレナムが、能動的圧力減衰構造体または受動的圧力減衰構造体を有する少なくとも１つの共振空洞を備える請求項１７記載のエンジン。
前記パルスデトネーション燃焼器段が、複数のパルスデトネーション燃焼器を備え、前記パルスデトネーション燃焼器の少なくともいくつかが、前記パルスデトネーション燃焼器の他のものと異なって接線方向または長手方向に配向される請求項１２記載のエンジン。
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器が、前記圧縮された流れの少なくとも一部分が通る入口部分を備え、前記圧縮された流れの前記一部分が、径方向に前記エンジンの前記中心線から遠ざかって前記出口から前記入口部分へ向けられる請求項１２記載のエンジン。
前記タービン段がタービンノズル部分を含まない請求項１２記載のエンジン。
圧縮された流れが通る出口を有するコンプレッサ段と、
少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器を備え、前記出口に結合されたパルスデトネーション燃焼器段と、
前記パルスデトネーション燃焼器段に結合され、前記パルスデトネーション燃焼器段から排気を受け取るタービン段とを備えるエンジンであって、
前記少なくとも１つのパルスデトネーション燃焼器の少なくとも一部分が、前記エンジンの中心線に対して長手方向に０度から４５度の範囲内の角度をなし、前記中心線に対して接線方向に最大９０度の角度をなすエンジン。