(57)【要約】【課題】パルスデトネーションノズルの寿命を延ばすこと。【解決手段】１つの実施形態において、パルスデトネーション燃焼器（１６）は、円周方向の支持を提供するために、合わせ面により互いに係合される複数のノズル（４０）を有するガス吐出アニュラス（６５）を含む。パルスデトネーション燃焼器はまた、ノズルに延びる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（１６）はまた、ノズル（４０）に延びる複数のパルスデトネーション管（３６）を含む。【選択図】      図５
2011117718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周方向の支持を提供するために、合わせ面により互いに係合される複数のノズル（４０）を含むガス吐出アニュラス（６５）と、
前記複数のノズル（４０）に延びる複数のパルスデトネーション管（３６）と、
を備えたパルスデトネーション燃焼器（１６）。
【請求項２】
前記各パルスデトネーション管（３６）が前記それぞれのノズル（４０）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（１６）。
【請求項３】
前記各パルスデトネーション管（３６）が、該各パルスデトネーション管（３６）の独立した熱膨張を可能にするよう構成された膨張ジョイント（１０２）を含む、
請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器（１６）。
【請求項４】
前記各ノズル（４０）が、パルスデトネーション燃焼器の長手中心軸線（３８）に対してほぼ６０から８０°Ｆの角度（６６）に向けられる、
請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器（１６）。
【請求項５】
前記各ノズル（４０）の少なくとも１つの合わせ面が、冷却マニホルド（７４）と流体連通した１つ又はそれ以上の冷却スロット（８０）を含む、
請求項１に記載のパルスデトネーション燃焼器（１６）。
【請求項６】
パルスデトネーション燃焼器（１６）を備えたタービンシステム（１０）において、
前記パルスデトネーション燃焼器（１６）が、
ノズル出口オリフィス（４２）及びノズル入口（６８）を各々が有し、前記複数のノズル出口オリフィス（４２）が合わせ面を介して互いに係合してガス吐出アニュラス（６５）を形成する複数のノズル（４０）と、
前記それぞれのノズル入口（６８）に各々結合された複数のパルスデトネーション管（３６）と、
を含み、前記タービンシステム（１０）が更に、
前記ガス吐出アニュラス（６５）から排出ガスの流れを受け取るよう構成されたタービンロータ（５５）と、
を備えるタービンシステム（１０）。
【請求項７】
前記合わせ面が、相補的な突出勾配付き縁部（７０、７２）を含む、
請求項６に記載のタービンシステム（１０）。
【請求項８】
前記各ノズル出口オリフィス（４２）が、内側円周方向フランジセグメント（４４）と外側円周方向フランジセグメント（４６）とを含み、該内側円周方向フランジセグメント（４４）が、内側フレーム部材（６２）に取り付けるよう構成された内側円周方向フランジ（６７）を形成し、前記外側円周方向フランジセグメント（４６）が、外側フレーム部材（６４）に取り付けるよう構成された外側円周方向フランジ（６９）を形成する、
請求項６に記載のタービンシステム（１０）。
【請求項９】
前記内側フレーム部材（６２）、前記外側フレーム部材（６４）、又はこれらの組み合わせが、円周方向冷却マニホルド（８８）と、該円周方向冷却マニホルド（８８）から前記ガス吐出アニュラス（６５）に向かって延びる１つ又はそれ以上の冷却スロット（９４）と、
を含む、
請求項８に記載のタービンシステム（１０）。
【請求項１０】
前記タービンが、前記内側フレーム部材（６２）及び前記外側フレーム部材（６４）に結合され、前記各ノズル出口オリフィス（４２）が、タービンロータ入口に隣接して位置付けられる、
請求項８に記載のタービンシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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燃焼器内のパルスデトネーション管の配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、これらは、加圧空気と燃料を受け取って燃焼させ、高温燃焼ガスを生成する。特定のタービンエンジン構想ではパルスデトネーション燃焼器を利用し、該燃焼器は、パルスデトネーション反応を用いて燃料空気混合気を燃焼するよう構成された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管内では、超音速で移動するデトネーション波により燃焼反応が起こり、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、別個のパルスでパルスデトネーション管内に噴射される。次いで、燃料空気混合気が点火源によってデトネーションを生じ、これによりデトネーション波が確立されて、超音速で管を通って伝播する。
【０００３】
残念ながら、デトネーション反応に付随する高温及び高圧に起因して、パルスデトネーション管及び関連の構成部品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への排出ガスを配向するノズルは、高い熱応力を受け、これによりこのようなノズルの有効寿命が制限される可能性がある。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が変化し、これによりタービンエンジンの効率が低下する場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
第１の実施形態において、パルスデトネーション燃焼器は、円周方向の支持を提供するために、合わせ面により互いに係合される複数のノズルを有するガス吐出アニュラスを含む。パルスデトネーション燃焼器はまた、ノズルに延びる複数のパルスデトネーション管を含む。
【０００６】
第２の実施形態において、タービンシステムは、ノズル出口オリフィス及びノズル入口を各々有する複数のノズルを備えたパルスデトネーション燃焼器を含む。ノズル出口オリフィスは、合わせ面を介して互いに係合してガス吐出アニュラスを形成する。パルスデトネーション燃焼器はまた、それぞれのノズル入口に各々結合された複数のパルスデトネーション管を含む。
【０００７】
第３の実施形態において、ノズル間冷却システムは、合わせ面を介して互いに係合され、パルスデトネーション燃焼器のガス吐出アニュラスを形成する複数のノズル出口オリフィスを含む。各ノズル出口オリフィスの少なくとも１つの合わせ面が、冷却マニホルドと流体連通した１つ又はそれ以上の冷却スロットを含む。
【０００８】
第４の実施形態において、円周方向冷却システムは、合わせ面を介して互いに係合され、パルスデトネーション燃焼器のガス吐出アニュラスを形成する複数のノズル出口オリフィスを含む。円周方向冷却システムはまた、ガス吐出アニュラスに結合されたフレームｗｐ含む。フレームは、円周方向冷却マニホルドと、該円周方向冷却マニホルドからガス吐出アニュラスに向かって延びる１つ又はそれ以上の冷却スロットとを含む。
【０００９】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の特定の実施形態による、ガス吐出アニュラスを形成するため相互連結されるよう構成された複数のノズル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。
【図２】本発明の特定の実施形態による、図１に示すように、パルスデトネーション燃焼器の部分断面側面図。
【図３】本発明の特定の実施形態によるノズル構成を示す、図１のパルスデトネーション燃焼器の正面図。
【図４】本開示の特定の実施形態による、図３に示すようなパルスデトネーション燃焼器の側面図である。
【図５】本発明の特定の実施形態によるガス吐出アニュラスを形成する相互連結ノズルを含む、図３に示すようなパルスデトネーション燃焼器の斜視図。
【図６】本発明の特定の実施形態による、図５に示すような２つの隣接するノズルの斜視図。
【図７】本発明の特定の実施形態による、ノズル間冷却構成を示す、図５に示すような隣接するノズル出口オリフィスの斜視図。
【図８】本開示の特定の実施形態による、円周方向ノズル冷却構成を示すノズルの側断面図。
【図９】本開示の特定の実施形態による、図８に示すような円周方向冷却構成の斜視図。
【図１０】本開示の特定の実施形態による、図６の線１０−１０に沿った、出口オリフィスでの共通の表面を有する隣接ノズル４０の断面図
【図１１】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熱膨張ジョイントを有するノズル組立体との断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
発明の種々の実施形態の要素を導入するときに、数詞がないことや定冠詞は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００１３】
本開示の実施形態は、ノズル用の構造的支持及び冷却システムを提供することによってパルスデトネーションノズル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、各々がノズル出口オリフィス及びノズル入口を有する複数のノズルを含む。パルスデトネーション管は、各ノズル入口に結合され、ノズルを通ってパルスデトネーション反応による排出ガスを流すように構成される。更に、ノズルオリフィス出口は、合わせ面を介して互いに係合し、ガス吐出アニュラスを形成する。この構成において、高温の排出ガスにより各ノズル出口オリフィスに加わる熱負荷は、アニュラスの組み合わせ構造を通って分散される。換言すると、ガス吐出アニュラスは、個々のノズル出口オリフィスを支持し、これによりノズルの寿命を延長させる。
【００１４】
別の実施形態において、ノズルは、ガス吐出アニュラスに対し実質的に接線方向の向きにされる。ノズルはまた、パルスデトネーション燃焼器の長手方向中心線に対し角度が付けられる。特定の構成において、ノズルの向きは、タービン内の第１段ノズルを排除するよう構成された角度でタービン内に向けられる。第１段タービンノズルは、高い淀み点温度を生じることにより、これらの構成部品を排除することにより、タービンの寿命を延ばし、タービン重量を軽減し、更に、タービン構築及び保守管理コストを低減することができる。
【００１５】
特定の実施形態はまた、ノズル出口オリフィスに冷却流を提供するよう構成された冷却システムを含み、これによりオリフィス温度及び熱応力を低減する。具体的には、ノズル間冷却システムは、各ノズル出口オリフィスの少なくとも１つの合わせ面内に複数の軸方向冷却スロットを含むことができる。これらの軸方向冷却スロットは、半径方向冷却マニホルドと流体連通し、半径方向冷却マニホルドから各ノズル出口オリフィスの下流面に延びることができる。このような冷却システムは、ノズル出口オリフィスの各円周側面の温度を有意に低減することができる。別の実施形態において、ガス吐出アニュラスに結合されたフレームを含む円周方向冷却システムを利用することができる。フレームは、円周方向冷却マニホルドと、該円周方向冷却マニホルドからガス吐出アニュラスに向かって延びる複数の半径方向冷却スロットとを含む。特定の構成は、ガス吐出アニュラスの内側円周方向表面に隣接して位置付けられたフレーム及び／又は外側円周方向表面に隣接して位置付けられたフレームを含むことができる。このような構成は、各ノズル出口オリフィスの内側及び／又は外側円周方向表面を冷却し、これによりノズル内の熱応力を低減することができる。
【００１６】
更に別の実施形態では、各ノズル出口オリフィスは、各ノズル出口オリフィスの対向する半径方向側部上に配置された内側及び外側円周方向フランジを形成するよう構成される。フランジは、タービンに結合される内側及び外側フレーム部材に固定することができる。この構成において、ノズル出口オリフィスの向きは、各ノズル及び／又はパルスデトネーション管の熱膨張に関わらず、タービンに対して実質的に一定に維持され、これによりタービンシステムの効率的な作動を維持することができる。
【００１７】
本明細書で使用されるように、パルスデトネーション管は、タービン内での一連のデトネーション又は擬似デトネーションの繰り返しによる圧力上昇及び速度増大の両方をもたらすあらゆる装置又はシステムを意味するものと理解される。「擬似デトネーション」とは、デフラグレーション波によりもたら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生じる超音速乱流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には、燃料／酸化剤混合物（例えば、燃料／空気混合気）を点火する手段、及び点火プロセスにより発生する圧力波面が合体してデトネーション波を生じ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、或いは、衝撃波収束又は自動点火などのガスダイナミックプロセスによる、もしくは別のデトネーション（すなわち、クロスファイア）による、何れかによって開始される。
【００１８】
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る。タービンシステム１０は、燃料噴射器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、液体燃料及び／又は天然ガスなどのガス状燃料をタービンシステム１０に送り、燃料噴射器１２を通じてＰＤＣ１６に流入する。以下で検討するように、燃料噴射器１２は、燃料を噴射して加圧空気と混合するよう構成される。ＰＤＣ１６は、燃料空気混合気を点火して燃焼し、次いで、高温の加圧排出ガスをタービン１８に流す。排出ガスは、タービン１８のタービンブレードを通過し、これによりタービン１８を回転駆動する。タービン１８内のブレードとシャフト１９との結合により、シャフト１９の回転が生じることになり、該シャフトはまた、図示のようにタービンシステム１０全体にわたり複数の構成部品に結合される。最終的に、燃焼プロセスの排気は、排気出口２０を介してタービンシステム１０から出ることができる。
【００１９】
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の構成部品として圧縮機ブレードが含まれる。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、タービン１８によりシャフト１９が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に空気を吸い込むことができる。更に、シャフト１９は、負荷２６に結合することができ、該シャフト１９の回転によって動力を供給することができる。理解されるように、負荷２６は、発電機又は外部の機械的負荷など、タービンシステム１０の回転出力の動力を利用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、及び同様のものを含むことができる。吸気口２４は、空気３０を好適な機構（低温吸気口など）を介してタービンシステム１０に引き込む。次いで、空気３０は、圧縮機２２のブレードを通って流れ、加圧空気３２をＰＤＣ１６に提供する。詳細には、燃料噴射器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、混合及び燃焼用にＰＤＣ１５に直接噴射することができる。
【００２０】
以下で詳細に検討するように、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。パルスデトネーション管は、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る。パルスデトネーション管に燃料空気混合気が装荷された後、点火源により燃料空気混合気がデトネーションを生じ、これによりデトネーション波が確立されて、超音速でパルスデトネーション管を通って伝播する。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、最終的にはタービン１８を回転駆動する。特定の実施形態では、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、合わせ面を介して互いに係合し、ガス吐出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相互支持を提供し、これにより高温排出ガスに関連する熱負荷対する耐性を向上させる。更なる実施形態は、ノズル間及び／又は円周方向冷却システムを利用して、ノズル出口オリフィスの温度を低下させ、これによりノズルの寿命を延長させる。ＰＤＣ１６に関連してパルスデトネーション管を説明してきたが、ここで開示される実施形態は、排気が縮小拡大ノズルを通じて大気に直接配向されて未処理の推力を生成する、「純粋な」パルスデトネーションエンジンのような他の用途、並びにパルスデトネーション管を利用する他の用途で利用できる点は理解されたい。
【００２１】
図２は、図１のタービンシステム１０で使用できるＰＤＣ１６の部分断面側面図である。上記で検討したように、ＰＤＣ１６は、複数のパルスデトネーション管（ＰＤＴ）を含む。１つのＰＤＴ３６だけが示されているが、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こと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に離れる向きにされたＰＤＴ３６を含み、従って、デフラグレーション型燃焼器を利用する従来の構成と比べて、タービンシステム１０の長さが延長される。以下で詳細に検討するように、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により相応する範囲まで低減することができる。ＰＤＣ１６は本構成で利用されるが、代替の実施形態では、ＰＤＴ３６及び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に留意されたい。
【００２２】
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を各ノズル４０に結合することができる。本実施形態では、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。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に固定するよう機能する。更なる実施形態は、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と一体化することができる。すなわち、ＰＤＴ３６及びノズル４０を組み合わせて単体構造にすることができる。以下で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、これらを相互連結することができる固有の機構を含み、これにより、個々のノズル４０に相互支持を提供し、フレームへの取り付け面を提供する複合ガス吐出アニュラスを確立する。
【００２３】
作動時には、加圧空気３２は、空気流をＰＤＣ１６へ配向するディフューザ５２を含む圧縮機出口４８を介してＰＤＣ１６に流入する。具体的には、ディフューザ５２は、高速の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、流速が減少し、流れ圧力が増大する）。本発明の実施形態において、流れは、乱流が実質的に減少するように配向される。
【００２４】
次いで、加圧空気３２が、ＰＤＣケーシング５０とＰＤＴ３６との間の流路４９内に配向される。上述のように、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からの熱を加圧空気３２に伝達する。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。
【００２５】
加圧空気３２は最終的に、ＰＤＴ３６の内部に流入する前に、ＰＤＴ３６の遠位端部（図示せず）に流れる。加圧空気３２が遠位端部に到達すると、空気バルブが周期的に開放され、空気パルスをＰＤＴ３６に放射する。加えて、燃料噴射器１２は、ＰＤＴ３６に流入する前、或いはＰＤＴ３６内部で空気ストリームに燃料を噴射し、これによりデトネーションに好適な燃料空気混合気３４が確立される。ＰＤＴ３６内部では、燃料空気混合気３４が点火源によってデトネーションを生じ、デフラゲーションからデトネーションへの移行が確立され、デトネーション波を形成する。デトネーション波は、燃料空気混合気を通ってノズル４０に向かって超音速で伝播する。デトネーション波は、燃料と空気の間の燃焼反応を引き起こし、これにより熱を発生し、デトネーション波の上流側で排出生成物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内部で膨張する排出生成物５４の一時的な閉じ込めに起因して、ＰＤＴ３６の内部が加圧されるようになる。具体的には、デトネーション波は、膨張ガスがノズル４０から出ることができるよりも早期に排出生成物５４を加熱し、これによりＰＤＴ３６内部の圧力が増大する。デトネーション波がＰＤＴ３６内部の燃料及び空気と実質的に反応した後、加圧された排出生成物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。
【００２６】
以下で詳細に説明するように、ノズル４０は、ノズルを通るガス流の方向に垂直な断面積で収束し、ＰＤＴ３６からノズル出口オリフィス４２への排出生成物５４の閉塞流を維持する。例えば、特定の構成において、ＰＤＴ３６の断面積は、ノズル出口オリフィス４２の断面積のほぼ４倍の大きさにすることができる。加えて、各ノズルは、ノズル入口からスロートまで断面積が収束し、スロートからノズル出口オリフィス４２までの断面積が拡大する。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における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が相互連結できるようになり、これにより作動中にノズル出口オリフィス４２を支持するガス吐出アニュラスを形成する。以下で説明するように、ＰＤＴ３６及びノズル４０は、タービン入口角又はその近傍にあるタービンシステム中心線３８に対してある角度に配向することができる。これにより排出生成物５４は、第１段タービンノズルを排除するのに好適な向きに配向される。
【００２７】
図３は、全体的に圧縮機２２からタービン１８に向かって見た、例示的なノズル構成の正面図である。図示のように、ＰＤＴ３６は明確にするために除去されている。以下で詳細に検討するように、ノズル出口オリフィス４２は、ガス吐出アニュラスに組み付けられたときにノズル出口オリフィス４２に隣接した状態でモザイク様にされ且つ相互連結されるよう設計されている。この構成は、各ノズル出口オリフィス４２に対して構造的支持を提供し、これによりオリフィス４２がデトネーションプロセスに伴う高い熱及び機械的応力から保護されるようにすることができる。
【００２８】
本構成において、ノズル４０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に対してある角度５６に向けられる。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。本構成において、角度５６は、約９０度である。換言すると、ノズル４０は、ノズル出口オリフィス４２の組み立て体により形成されるガス吐出アニュラスに実質的に接線方向の向きにされる。代替の実施形態では、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から１８０度、３０から１５０度、６０から１２０度、６０から０９０度、又は約７５から９０度とすることができる。ノズル４０の向きは、タービン１８への排出生成物の流れに円周方向の速度成分を与える。以下で詳細に検討するように、ノズル４０は、第１段タービンノズルを排除するよう構成された角度に向けられ、これによりタービン１８の重量及び複雑さを低減することができる。
【００２９】
更に、１２個のノズル４０が図示の実施形態において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，又はそれよりも多いノズル４０及び関連ＰＤＴ３６を含むことができる。以下で詳細に検討するように、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、組み付けられたときに、ガス吐出アニュラス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を装着することが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を固定することができる表面を提供する。内側及び外側フレーム部材６２及び６４は共に、タービン１８に固定される。以下で詳細に検討するように、内側及び外側フレーム部材６２及び６４は、ノズル４０をＰＤＣ１６に固定し、ノズル４０及び／又はＰＤＴ３６の熱膨張が、タービン１８に対してノズル出口オリフィス４２の位置及び向きをあまり大きく変更しないようにする。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排除するよう構成される向きで排出生成物５４をタービン１８内に流入させることができる。
【００３０】
図４は、図３のＰＤＣ１６の側面図であり、ここで圧縮機２２はＰＤＣ１６の左側に位置付けられ、タービン１８は右側に位置付けられることになる。図示のように、ノズル４０は、タービンシステム１０の中心線３８に対してある角度６６に向けられる。特定の構成において、タービンシステム中心線３８とノズル中心線６０との間の角度６６は、ほぼ３０から８０度、５０から８０度、６０から７０度、又は約７０度とすることができる。理解されるように、従来の第１段タービンノズルは、排出生成物５４の流路内に直接存在し、且つ淀み点を含む理由から、これらはタービンシステムの最も高温の構成部品とすることができる。ノズル４０をタービン入口角度に等しい角度６６に向けることによって、従来の第１段タービンノズルを除外することができる。具体的には、ノズル４０を角度５６及び角度６６に向けることで、第１段タービンノズルからの下流側の流れに相応するタービンロータへの流れ（すなわち、軸方向及び円周方向成分を有する流れ）を確立し、これにより従来の第１段タービンノズルが除外される。特定の実施形態では、ＰＤＴ３６は、ノズル４０と実質的に同じ角度に向けることができる。代替の実施形態は、ノズル４０とは異なる角度に向けられたＰＤＴ３６を利用することができる。このような構成では、ノズル４０は、タービンシステムの長さを低減するようなＰＤＴ３６の配列を可能にしながら、排出生成物５４を所望の角度でタービン１８に配向することができる。
【００３１】
図５は、ガス吐出アニュラス６５を形成する相互連結ノズル４０を含むＰＤＣ１６の斜視図である。外側フレーム部材６４の一部及び内側フレーム部材６２全体は、明確にするために取り除かれている。図５はまた、外側フレーム部材６４の残りの部分から半径方向外向きに延びるパルスデトネーション管ケーシング５０を示している。上記で検討したように、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を含む。図示のように、ノズル出口オリフィス４２が組み付けられてガス吐出アニュラス６５にされると、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は、内側フランジ６７及び外側フランジ６９を形成し、これらに内側フレーム部材６２及び外側フレーム部材６４をそれぞれ固定することができる。以下で詳細に検討するように、ノズル出口オリフィス４２は、相互連結するよう構成され、これによりガス吐出アニュラス６５を円周方向で支持する。
【００３２】
本実施形態において、各ノズル４０は、ＰＤＴ３６に結合されたノズル入口６８からノズル出口オリフィス４２への排出生成物５４の流れに垂直な断面積が収束する。断面積の収束により、ノズル４０を通るＰＤＴ排出生成物の閉塞流状態が維持される。加えて、各ノズル４０は、ノズル入口６８からスロートまで断面積が収束し、スロートからノズル出口オリフィス４２まで断面積が拡大することができる。更に、ノズル４０は、ノズル入口６８における実質的に円形状からノズル出口オリフィス４２におけるタービン入口に対応する形状に移行する。本構成において、ノズル出口オリフィス４２の形状は、実質的に平坦な円周方向側部を含む。理解されるように、非円形形状に移行するノズルを通る流れは、小さな曲率半径を有する表面内の応力集中をもたらす。本発明のノズル出口オリフィス４２が実質的に平坦な円周方向側部を含むので、オリフィス４２の４つのコーナーに隣接する領域は、残りの構造部よりも大きな応力を生じる可能性がある。結果として、ノズル出口オリフィス４２が組み付けられてガス吐出アニュラス６５にされ、組み合わされたガス吐出アニュラス構造にわたる個々のノズル負荷の分配を可能にする。このような構成により、ノズル４０は、ノズル出口オリフィス４２が組み合わされた構造体によって支持されない構成と比較して、より薄い及び／又はより軽量の材料から構成できるようになる。
【００３３】
具体的には、１つの実施形態において、各ノズル出口オリフィス４２は、第１の合わせ面上に突出勾配付き縁部７０と、第２の合わせ面上に凹型勾配付き縁部７２とを含む。突出勾配付き縁部７０及び凹型勾配付き縁部７２は、１つのノズル出口オリフィス４２の突出勾配付き縁部７０が隣接するノズル出口オリフィス４２の凹型勾配付き縁部７２と相互連結されるように相補的である。本構成において、突出勾配付き縁部７０及び凹型勾配付き縁部７２間の交差は、内側フランジ６７から外側フランジ６９まで半径方向軸線５８に沿って延びる。理解されるように、ノズル４０は、同じ幾何学的配置を有する突出縁部７０及び凹型縁部７２を含むので、ノズル４０は互いに置き換え可能である。この構成において、単一のノズル設計がＰＤＣ１６の各ノズル４０に利用され、これによりエンジニアリングコスト、工事コスト、及び／又は保守コストを低減することができる。加えて、突出勾配付き縁部７０及び凹型勾配付き縁部７２の組み合わせは、排出生成物５４がノズル出口オリフィス４２間を流れるのを実質的に阻止し、これによりガス吐出アニュラス６５がタービン１８にシールされる。
【００３４】
本実施形態は、相互連結機構として相補的な突出勾配付き縁部を含むが、本技術は、このような設計に限定されない。代替の構成では、半径方向ラインに沿って位置していない突出勾配付き縁部及び／又は複数の縁部ではなく、モザイク様の合わせ面を利用することができる。利用される構成部品の向き及び構成が特定の用途の設計及び動作上の要件によって決まることは、理解されるであろう。当業者であれば、必要なパラメータ及び設計基準を考慮して、最適な構成を決定及び実施することが可能である。このノズル幾何形状は、ノズル４０に相互支持を提供し、タービン１８を装着できる表面を形成することにより、従来のタービン１８に角度付き管ＰＤＣ１６をリンクさせることを可能にする。
【００３５】
図６は、図５の例示的なノズル組立体の２つの隣接ノズル４０の斜視図である。図示のように、各ノズル出口オリフィス４２は、実質的に平坦な円周方向側部を含む。２つのノズル４０の間の境界部にノズル出口オリフィス４２の相互連結機構が図示されている。具体的には、第１のノズル７５の突出縁部７０が第２のノズル７０の凹型縁部７２と組み合わされている。以下でより詳細に説明するように、デトネーションプロセスによる熱は、ＰＤＴ３６の熱膨張をもたらす。相互連結したノズル出口オリフィス４２により形成されるガス吐出アニュラス６５は、各オリフィス４２に対する円周方向支持を提供すると共に、ノズル４０とＰＤＴ３６の独立した熱膨張を可能にする。具体的には、ノズル出口オリフィス４２は、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、フランジセグメント４６により外側フレーム部材６４に固定されるので、ノズル４０及びＰＤＴ３６は、タービン１８に対するノズル出口オリフィス４２の位置を変えることなく作動中に膨張することができる。
【００３６】
図７は、ノズル間冷却構成を示す、隣接するノズル出口オリフィス４２の斜視図である。上述のように、パルスデトネーションプロセスは高温の排出生成物５４を発生し、これがノズル出口オリフィス４２を通過することにより、該ノズル出口オリフィス４２が高温負荷に曝されるようになる。結果として、本実施形態は、個々のノズル出口オリフィス４２の冷却を可能にするよう構成されたシステムを含む。図示の半径方向冷却マニホルド７４のような冷却マニホルドは、ノズル出口オリフィス４２の突出縁部７０に沿って位置付けられる。半径方向冷却マニホルド７４は、突出縁部７０を通って外側円周方向表面７６から内側円周方向表面７８まで半径方向に延びる。図示の軸方向冷却スロット８０などの１つ又はそれ以上の冷却スロットは、突出縁部７０に沿って位置付けられ、ノズル出口オリフィス４２の下流面８２から半径方向冷却マニホルド７４まで延びる。理解されるように、代替の実施形態は、軸方向に対して角度が付けられた冷却スロットを含むことができる。作動中、圧縮機２２又は別の空気供給源（例えば、外部圧縮機、空気ブロア、その他）からの冷却空気は、内側フレーム部材６２及び／又は外側フレーム部材６４を通して半径方向冷却マニホルド７４に導入することができる。次に、冷却空気が軸方向冷却スロット８０に半径方向に流入し、次いで、軸方向冷却スロット８０を通って突出縁部７０に沿って軸方向に流れる。この空気流は、ノズル間区域から熱を吸収し、これによりノズル出口オリフィス４２を冷却する役割を果たすことができる。
【００３７】
更なる実施形態では、熱伝達特性を向上させるため、ベーン又はバッフルなどの構造体を利用することができる。代替の実施形態において、半径方向冷却マニホルド及び／又は軸方向冷却スロットは、凹型縁部７２に沿って位置付けることができる。更なる実施形態では、突出斜め縁部７０及び凹型縁部７２の両方に半径方向冷却マニホルド及び／又は軸方向冷却スロットを配置し、組み付けられたときに凹型縁部及び突出縁部が組み合わされた冷却マニホルド及び組み合わされた冷却スロットを形成できるようにする。代替の冷却流体（例えば、水、窒素、その他）は、別の実施形態における空気の代わりとして利用することができる。
【００３８】
図８はノズル４０の側断面図であり、図９は外側フレーム部材６４の部分斜視図であり、これらは、外側及び内側円周方向表面７６及び７８両方における円周方向ノズル冷却構成を示している。図示のように、ノズル４０は、内側支持部材８４により内側フランジ付きセグメントにおいて内側フレーム部材６２に固定される。加えて、ノズル４０は、外側支持部材８６により外側フランジ付きセグメント４６において外側フレーム部材６４に固定される。円周方向冷却マニホルド８８は、外側フレーム部材６４を通って円周方向に延びる。円周方向冷却マニホルド８８に沿った１つ又はそれ以上のポイントにおいて、冷却空気入口ポート９０により外側支持部材８６を通って冷却空気が提供される。冷却空気入口ポート９０は内部ネジを含み、対応する外部ネジを含む冷却空気供給源９２を入口ポート９０に結合できるようにする。或いは、冷却空気供給源９２は、他の好適な取り付け手段（例えば、ボルト、クランプ、その他）によって、入口ポート９０に固定することができる。図示の半径方向冷却スロット９４などの１つ又はそれ以上の冷却スロットは、冷却マニホルド８８の円周全体の周りに一定間隔で、外側支持部材８６及び外側フレーム部材６４の両方を通じて円周方向冷却マニホルド８８からノズル出口オリフィス４２に延びる。理解されるように、代替の実施形態は、半径方向に対して角度が付けられた冷却スロットを含むことができる。
【００３９】
作動時には、入口ポート９０からの冷却空気は、円周方向冷却マニホルド８８に流入し、マニホルド８８を通って半径方向冷却スロット９４に流れる。次いで、冷却空気がスロット９４を通って流れ、ノズル出口オリフィス４２の外側円周方向表面７６に衝突する。冷却空気が外側円周方向表面７６に沿って軸方向に流れると、空気によって排気生成物から熱が吸収され、これによりノズル出口オリフィス４２が冷却される。ノズル間冷却構成と同様に、代替の実施形態では、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７６との間の熱伝達を強化するため特定の構造を利用することができる。更に別の実施形態では、水、窒素、又は二酸化炭素などの空気以外の冷却媒体を利用することができる。加えて、同様の構成を利用して、内側円周方向表面７８を冷却することができる。このような構成は、内側円周方向冷却マニホルドと、ノズル出口オリフィス４２に外向きに延びる１つ又はそれ以上の冷却スロットを含むことができる。ノズル間及び円周方向冷却構成の組み合わせを利用することにより、ノズル出口オリフィス４２の各縁部（すなわち、内側円周方向表面７８、外側円周方向表面７６、突出縁部７０、及び凹型縁部７２）に沿って冷却を提供し、これによりノズル出口オリフィス４２を高温排気生成物５４からの断熱し、ノズル４０内の熱応力を制限する。
【００４０】
図１０は、図６の線１０−１０に沿った、出口オリフィスにて共通の表面を有する隣接ノズル４０の断面図である。理解されるように、ノズル出口オリフィス４２間の分離距離を短縮することによりタービン１８への流れ連続性を高め、これによりタービンシステム１０の効率が高くなる。その結果として、企図される実施形態は、共用のノズル間表面９６を利用して、ノズル出口オリフィス４２間の距離を低減する。図示のように、第１のノズル７５の外部表面９５は、ノズル交差部９８にて第２のノズル７７の外部表面９７と同一平面に位置する。第１のノズル７５の外側フランジセグメント４６及び外側円周方向表面７６は、ノズル交差部９８を超えて延びる。第１のノズル７５の突出縁部７０に沿った排出生成物５４の流れは、第２のノズル７７の凹型縁部７２により定められる。この構成では、隣接するノズル４０内の排出生成物５４の流れは、ノズル出口オリフィス４２における単一の表面９６のみによって分離される。この構成は、ノズル間分離距離を実質的に低減し、これにより隣接するノズル４０から排出生成物５４の急激な収束を可能にし、且つタービン１８への排出ガスの実質的に連続した流れを確立する。
【００４１】
図１１は、パルスデトネーション管と、作動中にパルスデトネーション管が熱膨張できるように構成された熱膨張ジョイントとを有するノズル組立体の断面図である。上記で検討したように、ＰＤＴ３６は、様々な技術を用いてノズル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、溶接ジョイント１００を介して取り付けられる。理解されるように、デトネーションプロセスは、ＰＤＴ３６の有意な熱膨張を誘起することができる熱を発生する。例えば、４０インチ（１０２ｃｍ）長さのＰＤＴは、０．７５インチ（２ｃｍ）程の長さを延長することができる。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との間に挟まれた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に対して固定される。この構成は、ノズル４０及びＰＤＴ３６の熱成長にも関わらず、タービン１８への排気流の向きを維持する。更に、膨張ジョイント１０２は、ケーシング５０に対する管ヘッド端部１０４の位置を維持しながら、ＰＤＴ３６の熱成長を可能にする。この構成により、個々のＰＤＴ３６が他のＰＤＴ３６とは無関係に膨張することが可能になる。
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ガスタービンシステム
１２  燃料噴射器
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  排出出口
２２  圧縮機
２４  吸気口
２６  負荷
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管フランジ
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  排気生成物
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  ガス吐出アニュラス
６６  タービンシステム中心線に対するノズル中心線の角度
６７  内側フランジ
６８  ノズル入口
６９  外側フランジ
７０  突出勾配付き縁部
７２  凹型勾配付き縁部
７４  半径方向冷却マニホルド
７５  第１のノズル
７６  外側円周方向表面
７７  第２のノズル
７８  内側円周方向表面
８０  軸方向冷却スロット
８２  ノズル出口オリフィスの下流側表面
８４  内側支持部材
８６  外側支持部材
８８  円周方向冷却マニホルド
９０  冷却空気入口ポート
９２  冷却空気供給源
９４  半径方向冷却スロット
９５  第１のノズルの外部表面
９６  共用ノズル間表面
９７  第２のノズルの外部表面
９８  ノズル交差部
１００  溶接ジョイント
１０２  膨張ジョイント
１０４  管ヘッド端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011117718.tif 000009
【図８】
2011117718.tif 000010
【図９】
2011117718.tif 000011
【図１０】
2011117718.tif 000012
【図１１】
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