(57)【要約】【課題】パルスデトネーション燃焼器の高温および高圧作動のための回転バルブを提供すること。【解決手段】回転バルブアセンブリ（１０）が、少なくとも１つの吸気ポート（４０）を有する内側カップ（１２）と、少なくとも１つの吸気ポート（３８）を有し、ベアリング装置（２８）により内側カップと同心に回転自在に取り付けられた外側カップ（１４）と、内側カップとベアリング装置の間に熱障壁を提供するために、内側カップとベアリング装置の間に位置する冷却システム（３２）とを含む。バルブアセンブリはまた、内側カップの燃焼室（１８）内でデトネーションまたは擬似デトネーションにより生成された圧力波の漏れを防止するための、内側カップと外側カップの一方の少なくとも１つの吸気ポートの周りに位置する密封装置（４４）を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの吸気ポート（４０）を有する内側カップ（１２）と、
少なくとも１つの吸気ポート（３８）を有し、ベアリング装置（２８）により前記内側カップと同心に回転自在に取り付けられた、外側カップ（１４）と、
前記内側カップの燃焼室（１８）内でデトネーションまたは擬似デトネーションにより生成された圧力波が漏れるのを防止するための、前記内側カップと前記外側カップの一方の少なくとも１つの吸気ポートの周りに位置する密封装置（４４）と
を含む、回転バルブアセンブリ（１０）。
【請求項２】
前記密封装置がラビリンス密封装置を含む、請求項１記載の回転バルブアセンブリ。
【請求項３】
前記内側カップの外側表面と前記外側カップの内側表面の一方が、薄い被膜（１９）の形で摩耗可能表面である、請求項１記載の回転バルブアセンブリ。
【請求項４】
前記内側カップおよび前記外側カップは、前記外側カップの各完全な回転に対して、前記吸気ポートが２度互いに半径方向に一直線になるように、前記外側カップの回転中に繰り返し互いに半径方向に一直線になる、約１８０度で互いに離れた２つの吸気ポート（３８、４０）を含む、請求項１記載の回転バルブアセンブリ。
【請求項５】
前記内側カップ（１２）の前記少なくとも１つの吸気ポート（４０）が、前記少なくとも１つの吸気ポートを通過する空気流を改善するように丸い輪郭を有する、請求項１記載の回転バルブアセンブリ。
【請求項６】
プレナム（３６）が酸化性物質を、前記外側カップの前記少なくとも１つの吸気ポートを経由し、前記内側カップの前記少なくとも１つの吸気ポートを経由し、前記内側カップの前記燃焼室に導入する、請求項１記載の回転バルブアセンブリ。
【請求項７】
前記プレナムが、前記内側カップの容積より大きい容積を有する、請求項１記載の回転バルブアセンブリ。
【請求項８】
前記プレナムが、前記内側カップの最低動作周波数より低いヘルムホルツ共振周波数を有する、請求項１記載の回転バルブアセンブリ。
【請求項９】
少なくとも１つの吸気ポート（４０）を有する内側カップ（１２）と、
少なくとも１つの吸気ポート（３８）を有し、ベアリング装置（２８）により前記内側カップと同心に回転自在に取り付けられた外側カップ（１４）と、
間に熱障壁を提供するために、前記内側カップと前記ベアリング装置の間に位置する冷却システム（３２）と
を含む、回転バルブアセンブリ（１０）。
【請求項１０】
前記冷却システムが、前記回転バルブアセンブリに冷却媒体を提供するために、複数の吸気ポートおよび排気ポート（３４）を含む、請求項９記載の回転バルブアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、パルスデトネーション燃焼器の高温および高圧作動のための回転バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
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）の最近の開発に関して、航空機エンジンにおいておよび／または追加スラスト／推進力を発生させる手段としてなどの、実用的応用でＰＤＣ／Ｅを使用するために様々な試みが進行中である。更に、作動効率を最大化しようとして、従来のガスタービンエンジン技術と、ＰＤＣ／Ｅ技術の両方の組み合わせを使用する、「ハイブリッド」タイプエンジンにＰＤＣ／Ｅ装置を用いる試みがある。他の例には、航空機、ミサイル、およびロケットでの使用が含まれる。
【０００３】
パルスデトネーション燃焼器は、たとえば、パルスデトネーションエンジンで使用される。パルスデトネーションエンジンでは、スラストは、デトネーション室で燃料が超音速デトネーションすることにより生成される。超音速デトネーション波は、スラストをもたらして解放されるまで、デトネーション室で圧力および温度を上昇させる。空気を取り入れる任意のエンジンにおけるように、吸気の安定は、パルスデトネーションエンジンの適正な作動を維持する重要な側面である。これは、開放吸気筒を使用するパルスデトネーションエンジンに特別な難問を呈する。
【０００４】
パルスデトネーションエンジンを作動すると、燃焼器内で極度の高圧力ピークおよび振動が生じ、それらは上流の構成部品にまで移動し、燃焼器および周りの構成部品内で高温を生成し、上流の構成部品の損傷および機能不全をもたらす。その結果、吸気制御を提供し、高圧力ピークが上流の構成部品に移動するのを防ぐように、様々なバルブ技術が開発されている。
【０００５】
ＰＤＣの最近の開発、およびこれらの装置を実際に応用および使用することに対する関心の高まりのために、作動効率および性能の効率を高めること、ならびにそれらの使用を実用的なものにするような形でＰＤＣを組み込むことに関心が高まっている。
【０００６】
いくつかの応用例では、ガスタービンエンジンの標準燃焼段階をシングルＰＤＣと置き換える試みがなされてきた。しかし、ＰＤＣの作動は、ＰＤＣおよび上流の構成部品内で極度の高圧力ピークおよび振動の両方をもたらし、またＰＤＣ気筒および周囲の構成部品内で高熱を生成することが知られている。ＰＤＣ作動中のこれら高温および圧力ピークおよび振動のせいで、これらの繰り返される高温および圧力ピーク／振動に対する長時間の曝露に耐えることができる作動システムを開発することは困難である。
【０００７】
更に、上流の構成部品からの圧力ピークを遮断する必要があるので、高圧力ピークが上流へ圧縮器段階まで移動するのを防止するために様々なバルブ技術が開発されている。しかし、ＰＤＣ作動から経験する振動数、圧力、および温度のせいで、従来のバルブ機能を使用するのでは不十分である。不適切なバルブ機能は、圧縮器の作動を最適に満たないものにし得る不安定な圧力振動の原因となり得る。
【０００８】
更に、商用の応用例のための高い信頼性と長い寿命（５０００から１００００時間の寿命）は、ＰＤＥ応用にとって難問であり、まだ実証されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４７７８１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、上記欠点に対処するタービンベースエンジンと発電装置でＰＤＣを実施する改善された方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様では、回転バルブアセンブリは、少なくとも１つの吸気ポートを有する内側カップと、少なくとも１つの吸気ポートを有し、ベアリング装置によって内側カップと同心に回転自在に取り付けられた外側カップと、間に熱障壁を備えるために、内側カップとベアリング装置の間に位置する冷却システムとを含む。
【００１２】
本発明の別の態様では、回転バルブアセンブリは、少なくとも１つの吸気ポートを有する内側カップと、少なくとも１つの吸気ポートを有し、ベアリング装置によって内側カップと同心に回転自在に取り付けられた外側カップと、回転バルブアセンブリのデトネーションまたは擬似デトネーションにより生成される圧力波が漏れるのを防止するための、内側および外側カップの一方の少なくとも１つの吸気ポートの周りに位置する密封装置とを含む。
【００１３】
本発明の利点、性質、および様々な追加の特徴は、次の図面に概略的に示される本発明の例示的な実施形態を検討すれば、より十分に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の例示的実施形態による回転バルブアセンブリの断面図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による回転バルブアセンブリの内側カップの斜視図である。
【図３】図２の線分３−３に沿って切断した内側カップの断面図である。
【図４】図３に示す内側カップのラビリンス密封装置の拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書では、「パルスデトネーション燃焼器」（ＰＤＣ）は、装置内で一連の繰り返されるデトネーションまたは擬似デトネーションによる圧力上昇および速度増加の両方を生成する、任意の装置またはシステムを意味することを理解されたい。「擬似デトネーション」は、デフラグレーション波による圧力上昇および速度増加よりも高い圧力上昇および速度増加を生成する、超音速乱流燃焼過程である。ＰＤＣの実施形態は、たとえば燃料／空気混合気などの、燃料／酸化性物質混合気を点火する手段と、内部で点火過程により開始される圧力波面が、デトネーションまたは擬似デトネーションを生成するように融合する、デトネーション室とを含む。各デトネーションもしくは擬似デトネーションは、火花放電もしくはレーザパルスなどの外部点火による、または衝撃フォーカシング、自動点火などの気体動力学過程による、または別のデトネーション（すなわちクロスファイア）によるのいずれかで開始される。ＰＤＣは、たとえばパルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）で使用される。本明細書では、「エンジン」は、推進力および／または出力を生成するのに使用される任意の装置を意味する。本明細書では、「デトネーション」は、デトネーションまたは擬似デトネーションのいずれかを意味する。
【００１６】
本発明の実施形態は、中で同じ参照番号は一致する部品を示す、添付図面を参照しながら、更に詳細に説明する。図面は、決して本発明の範囲を限定するものではない。
【００１７】
次に、図１を参照すると、回転バルブアセンブリが、本発明の実施形態により全体を１０として示されている。バルブアセンブリ１０は、中心軸１６の周りに円形回転外側カップ１４と同心である内側カップ１２を含む。デトネーションまたは擬似デトネーションは、内側カップ１２の下流から推進力および／または作業エネルギーを提供するように、矢印２０の方向に移動する内側カップ１２の燃焼室１８内で発生する。一実施形態では、内側カップ１２の外側表面、外側カップ１４の内側表面、または両方が、薄い被膜１９を有する（図２）。薄い被膜１９の目的は、摩耗可能表面または低摩擦表面を提供し、内側カップ１２と外側カップ１４が一時的に互いに接触する場合に、バルブアセンブリ１０に起こり得る損傷を防止する。
【００１８】
外側カップ１４を回転させるために、外側カップ１４は、駆動カップリング２４に操作自在に連結されるシャフト２２を含む駆動手段に連結され、次に、駆動カップリング２４は、モータ２６に操作自在に連結される。一実施形態では、モータ２６は、応用に依存して、約５馬力の最大出力を伴う直流サーボモータを含む。外側カップ１４の回転を促進するために、外側カップ１４は、当該技術で良く知られているタイプのベアリング装置２８を使用して筺体部材１５に回転自在に取り付けられる。図示の実施形態では、ベアリング装置２８は、第１ローラボールとトラック２８ａ、ならびに第２ローラボールとトラック２８ｂを含むボールベアリング装置を含む。図１に示すように、第１ローラボールとトラック２８ａは、第２ローラボールとトラック２８ｂより、内側カップ１２で生成されるデトネーションに近い。第１ローラボールとトラック２８ａならびに第２ローラボールとトラック２８ｂは、同じまたは異なるベアリング負荷のために設計できる。たとえば、ベアリング装置２８は、約５０〜２００ポンド（約２２．７ｋｇ〜９０．７ｋｇ）の半径方向の負荷、および約５００〜１５００ポンド（約２２６．８ｋｇ〜６８０．４ｋｇ）のシャフトの軸方向負荷のために設計されている。良く知られているローラボールとトラック装置が図示の実施形態に示してあるが、外側カップ１４が当該技術で良く知られている任意の他の手段を使用して回転自在に取り付けることができることは認識されよう。たとえば、ローラベアリング装置２８は、エアベアリング、磁気ベアリングなどを含んでもよい。
【００１９】
バルブアセンブリ１０はまた、内側カップ１２とベアリング装置２８の間に位置する、全体を３２で示す冷却システムを含む。冷却システム３２は、１つまたは複数の吸気および／または排気ポート３４を含み、空気などの冷却媒体（図示せず）をバルブアセンブリ１０に導入し、冷却システム３２から暖気を排出する。バルブアセンブリ１０の熱の主要源は、筺体１５に入る吸気４２からであることは理解されよう。ある実施形態では、吸気４２は約５００°Ｆ（約２６０℃）と約９００°Ｆ（約４８２℃）の間の温度を有する場合がある。高温が内側カップ１２で発生するデトネーションまたは擬似デトネーションにより生成されることは理解されよう。冷却システム３２の目的は、内側カップ１２とベアリング装置２８の間に熱障壁を提供することである。内側カップ１２とベアリング装置２８の間に位置する冷却システム３２は、一般的に、内側カップ１２からベアリング装置２８への熱の移動を大幅に削減し、それにより、ベアリング装置２８とバルブアセンブリ１０の寿命を長くする。
【００２０】
冷却システム３２はまた、内側カップ１２とベアリング装置２８の間に位置する複数のラビリンスシール３３を含む。更に、ラビリンスシール３３は、冷却システム３２の吸気／排気ポート３４のそれぞれの間に位置し、バルブアセンブリ１０への／からの流体の流れのための室を形成する。
【００２１】
バルブアセンブリ１０には、グリースリップシールなどの複数のシール３０が更に含まれ、筺体部材１５に沿って適当な位置で筺体１５およびシャフト２２（または外側カップ１４）を密閉する。シール３０の目的は、プレナム３６内の加圧吸気４２を密閉し、ベアリング装置２８の汚染を防止する。更に、少なくとも１つのシール３０が内側カップ１２とベアリング装置２８の間に、より具体的には、冷却システム３２とベアリング装置２８の間に位置し、作動中に内側カップ１２で生成される熱、および吸気４２からの熱からの熱障壁を更に提供する。
【００２２】
バルブアセンブリ１０はまた、筺体１５と、回転外側カップ１４の少なくとも１つの吸気ポートを経由し、内側カップ１２の少なくとも１つの吸気ポート４０を経由し、燃焼室１８へ空気（または任意の酸化性物質）を導入する外側カップ１４との間にプレナム３６を含む。バルブアセンブリ１０は、ガスタービンエンジンの圧縮器により生成される温度および圧力のために設計される。たとえば、バルブアセンブリ１０は、約５００〜１０００°Ｆ（約２６０〜５３８℃）の吸気温度、および約５〜３０気圧の圧力のために設計することができる。プレナム３６が、内側カップ１２および燃焼室（図示せず）の容積の約２から３倍の容積を有することが望ましい。その結果、プレナム３６は、キャビティ振動が内側カップ１２を吸気４２で充填するのに影響しないように、内側カップ１２の最低動作周波数より低い、約１０Ｈｚ未満のヘルムホルツ共振周波数を有する。
【００２３】
例示的実施形態では、内側カップ１２および外側カップ１４は、外側カップ１４が完全に１回転する間に、吸気ポート３８と４０が２度互いに半径方向に一直線になるように、外側カップ１４の回転中に繰り返し互いに半径方向に一直線になる、約１８０度で互いに離れた２つの吸気ポート３８、４０を含む。この半径方向の配列のおかげで、矢印４２の方向の空気流（または任意の酸化性物質）が、プレナム３６に入り、吸気ポート３８、４０を通過し、室１８に入ることが可能になる。したがって、ＰＤＣ作動の少なくとも排除および充填段階では、吸気ポート３８、４０は互いに半径方向に一直線になり、酸化性物質および／または燃料の流れが室１８に入るのを可能にする。次に、回転外側カップ１４の吸気ポート３８が、内側カップ１２の吸気ポート４０を過ぎ、内側カップ１２および室１８が閉鎖され、その結果、デトネーションまたは擬似デトネーションが室１８内で発生する。したがって、作動中、外側カップ１４の回転速度は、充填段階の完了時に、室１８が閉鎖し、そのときデトネーション（および／または擬似デトネーション）が室１８内で発生し、燃焼した燃料／空気混合気のデトネーション波（および／または擬似デトネーション波）が矢印２０の方向に室１８で移動するように、選択される。一実施形態では、外側カップ１４は約１２００ｒｐｍと約１８００ｒｐｍの間の回転速度で回転する。吸気ポート３８、４０の全体的な形状および寸法は、所望のバルブタイミングのための構造および性能パラメータに基づいて最適化される。図３に見られるように、吸気ポート３８、４０の壁３９、４１は、吸気ポート３８、４０を通過する空気流を改善するように丸い輪郭を有する。
【００２４】
作動中、デトネーションまたは擬似デトネーションからの圧力波が、内側カップ１２の吸気ポート４０を外向きに通過し、内側カップ１２と外側カップ１４の間で漏れようとする可能性がある。いま、図２〜４を参照すると、本発明の一態様は、内側カップ１２および外側カップ１４の一方または両方が、吸気ポート４０を囲む、全体を４４で示す密封装置を含むというものである。一実施例では、密封装置４４は、図示の実施形態に示すように、ラビリンス密封装置を含む場合がある。ラビリンス密封装置４４は、遠心力により、ならびに制御した流体渦を形成することにより、圧力波が室の型を通過するのを制御することにより、非接触密封作用を提供する。
【００２５】
図２〜４に示す図示の実施形態では、ラビリンス密封装置４４のための室は、内側カップ１２の吸気ポート４０の周りに配置された溝４６の型を含む。図２に示すように、溝４６の型は内側カップ１２の吸気ポート４０を完全に取り巻く。すなわち、溝４６の型は、縦軸１６に実質的に平行な方向、および内側カップ１２の吸気ポート４０を完全に取り巻く、すなわち取り囲むように、実質的に縦軸１６に垂直な方向に延びる。例示的実施形態では、溝４６の型は、各溝４６が約０．０６０インチ（１．５２４ｍｍ）の幅４８と約０．０４０インチ（１．０１６ｍｍ）の深さ５０を有する、３本の溝を含む。言い換えれば、各溝４６の幅／深さのアスペクト比は、およそ１．５０（０．０６０／０．０４０）である。各溝４６の間の山５４（すなわち歯）の幅５２は、およそ０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）である。図４に示すように、ラビリンス密封装置４４の目的は、吸気ポート４０を通過する圧力波を大幅に減衰し、または圧力波が矢印４３の方向に漏れるのを防止するためである。このアスペクト比は、内側カップ１２および外側カップ１４に関する空間の制約のために、独特である。図示の実施形態では、吸気ポート４０を通過した任意の圧力波は、１つまたは複数の溝４６に陥り、その中で強制的に渦状の運動に入る。この渦状の運動は、圧力波が漏れるのを防止する作用をし、任意の他の圧力波を押し戻す作用もする。溝４６の寸法は本発明を制限せず、本発明が、内側カップ１２と外側カップ１４の間で圧力波が漏れるのを適切に防止する、任意の寸法で実施できることは、認識されよう。図４に示すように、約０．０１２インチ（０．３０５ｍｍ）の隙間５６が、内側カップ１２と外側カップ１４の間に存在する。内側カップ１２が外側カップ１４に接触しないので、ラビリンス密封装置４４は摩耗しない。
【００２６】
上記のように、本発明の回転バルブアセンブリ１０は、内側カップ１２の近傍に位置する高温から更に離れてベアリング装置２８を位置することにより、ベアリング装置２８の改善した冷却を提供する。更に、冷却システム３２が、内側カップ１２とベアリング装置２８の間に位置し、内側カップ１２とベアリング装置２８の間に熱障壁を提供し、ベアリング装置２８の望ましくない温度上昇を防止する。その結果、バルブアセンブリ１０の全体的な耐用年限は延びる。
【００２７】
更に、本発明の回転バルブアセンブリ１０は、内側カップ１２と外側カップ１４の一方または両方の吸気ポート３８、４０の改善した密封を提供する。これは、吸気ポート３８、４０を完全に取り巻く、すなわち取り囲む、複数の溝４６を有するラビリンス密封装置４４を提供し、遠心力の使用を通して、ならびに制御された流体の渦を形成することにより、圧力波の通過を制御する非接触密封作用を提供することにより、完遂される。この改善された密封の結果として、バルブアセンブリ１０の全体的な耐用年限は更に延びる。
【００２８】
パルスデトネーション装置を上記したが、本発明はこの具体的な装置に限定はされず、本発明の原理は、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装置に存在し得ることに留意されたい。
【００２９】
本発明は様々な具体的な実施形態に関して記載してきたが、本発明が本特許請求の精神および範囲内で変更を加えて実施できることは、当業者には認識されよう。
【符号の説明】
【００３０】
１０  回転バルブアセンブリ
１２  内側カップ
１４  外側カップ
１５  筺体部材
１６  中心軸
１８  燃焼室
１９  薄い被膜
２０  矢印
２２  シャフト
２４  駆動カップリング
２６  モータ
２８  ベアリング装置
２８ａ  第１ローラボールとトラック
２８ｂ  第２ローラボールとトラック
３０  シール
３２  冷却システム
３３  ラビリンスシール
３４  吸気および／または排気ポート
３６  プレナム
３８  吸気ポート（外側カップ）
３９  壁
４０  吸気ポート（内側カップ）
４１  壁
４２  加圧吸気／矢印
４３  圧力波／矢印
４４  密封装置
４６  溝の型
４８  幅（溝）
５０  深さ（溝）
５２  幅（山）
５４  山（歯）
５６  隙間
【図１】
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【図２】
2011117717.tif 000004
【図３】
2011117717.tif 000005
【図４】
2011117717.tif 000006