(57)【要約】【課題】パルスデトネーション管の耐久性を向上させること。【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システムは、パルスデトネーション管（３６）と、パルスデトネーション管（３６）の上流端（５０）に配置された空気バルブ（３８）とを含む。空気バルブ（３８）は、パルスデトネーション管（３６）に空気流を提供するよう構成される。パルスデトネーションシステムはまた、空気流に燃料（１４）を噴射してデトネーションに対応するよう構成された燃料空気混合気を確立し、更にデトネーション波に対応するのに不十分な燃空比を有する領域を燃料空気混合気内に確立するよう構成された燃料噴射器（１２）を含む。パルスデトネーションシステムは更に、領域が空気バルブ（３８）に隣接して配置されたときに燃料空気混合気にデトネーションを生じるよう構成された点火源（４０）を含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスデトネーションシステムにおいて、
パルスデトネーション管（３６）と、
前記パルスデトネーション管（３６）の上流端（５０）に配置された空気バルブ（３８）と、
前記空気バルブ（３８）から下流側の領域（６０）内で前記パルスデトネーション管（３６）に燃料（１４）を噴射し、前記空気バルブ（３８）に隣接した空気充填領域（５４）を確立するよう構成された燃料噴射器（１２）と、
を備えるパルスデトネーションシステム。
【請求項２】
前記燃料噴射器（１２）が、前記空気バルブ（３８）から下流側で前記パルスデトネーション管（３６）の長さ（４２）のおよそ２０％よりも大きな距離（４６）に配置される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記燃料噴射器（１２）から下流側に配置される点火源（４０）を更に備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記点火源（４０）が、前記燃料噴射器（１２）から下流側で前記パルスデトネーション管（３６）の直径（４４）の２倍にほぼ等しい距離（４８）に配置される、
請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
パルスデトネーションシステムにおいて、
パルスデトネーション管（３６）と、
前記パルスデトネーション管（３６）の上流端（５０）に配置され、前記パルスデトネーション管（３６）に空気流を提供するよう構成された空気バルブ（３８）と、
前記空気流に燃料を噴射してデトネーションに対応するよう構成された燃料空気混合気を確立し、更にデトネーション波に対応するのに不十分な燃空比を有する領域を前記燃料空気混合気内に確立するよう構成された燃料噴射器（１２）と、
前記空気バルブ（３８）に隣接して配置されたときに前記燃料空気混合気にデトネーションを生じるよう構成された点火源（４０）と、
を備えるパルスデトネーションシステム。
【請求項６】
前記燃料噴射器（１２）が、実質的に前記空気バルブ（３８）から下流側の領域（６０）内で前記パルスデトネーション管（３６）に燃料（１４）を噴射するよう構成される、
請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記燃料噴射器（１２）が、前記空気バルブ（３８）から下流側で前記パルスデトネーション管（３６）の長さ（４２）のおよそ２０％よりも大きな距離（４６）に配置される、
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記燃料噴射器（１２）が、前記空気流の終端前に燃料噴射を終端し、前記空気バルブ（３８）に隣接した実質的に燃料供給されない領域（５４）を確立するよう構成される、
請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記燃料噴射器（１２）が、前記空気流への燃料流を徐々に減少するよう構成される、
請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記燃料噴射器（１２）が、前記空気流の終端時に前記燃料流を終端するよう構成される、
請求項９に記載のシステム。
【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、全体的にパルスデトネーションシステムに関し、より具体的には、パルスデトネーション管の耐久性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスデトネーション燃焼は、様々な実施可能なエンジン用途において利用することができる。このような用途の実施例は、高温のデトネーション生成物が出口ノズルを通じて配向されて航空宇宙推進用の推力を発生させるパルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）の開発である。複数の燃焼室を含むパルスデトネーションエンジンは、パルスデトネーションエンジン用の「多管」構成と呼ばれる場合がある。別の実施例は、運転効率を高めるために、従来のガスタービンエンジン技術とパルスデトネーション（ＰＤ）技術の両方で使用する「ハイブリッド」エンジンの開発である。このようなパルスデトネーションタービンエンジン（ＰＤＴＥ）は、航空機推進用として、又は地上用発電システムにおいて電力を生成する手段として利用することができる。
【０００３】
パルスデトネーション管内部では、燃焼反応は超音速で移動するデトネーション波であり、これにより亜音速のデフラグレーション燃焼と比べて燃焼効率が向上する。具体的には通常、空気及び燃料は別個のバルスでパルスデトネーション管に噴射される。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下流側に伝播する。加えて、弱い衝撃波が燃焼器入口に向けて上流側に伝播することができる。デトネーションプロセスは、パルスデトネーション管内で加圧排出ガスを生成することができ、これを用いて推力を発生し、或いはタービンにて仕事に変換することができる。
【０００４】
残念ながら、デトネーション反応に伴う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（例えば、空気バルブ）の寿命が大きく制限される場合がある。パルスデトネーション管及び／又は関連の構成部品の厚み及び／又は強度は、パルスデトネーション燃焼器の作動寿命を延ばすことができるが、典型的な用途においては、重量が望ましくないレベルにまで増加する可能性がある。同様に、パルスデトネーション管及び／又は関連の構成部品を高価な高温材料から構成することは、経済的に実現不可能な場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，６３７，１８７号公報
【発明の概要】
【０００６】
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。
【０００７】
第１の実施形態において、パルスデトネーションシステムは、パルスデトネーション管と該パルスデトネーション管の上流端に配置された空気バルブとを含む。パルスデトネーションシステムはまた、空気バルブから下流側の領域内でパルスデトネーション管に燃料を噴射し、空気バルブに隣接した空気充填領域を確立するよう構成された燃料噴射器を含む。
【０００８】
第２の実施形態において、パルスデトネーションシステムは、パルスデトネーション管と該パルスデトネーション管の上流端に配置された空気バルブとを含む。空気バルブは、下流側方向で空気パルスを放射するよう構成される。パルスデトネーションシステムはまた、空気パルスに燃料を噴射して燃空混合領域を確立し、更に該空気パルスの終端前に燃料噴射を終端するよう構成された燃料噴射器を含む。パルスデトネーションシステムは更に、空気バルブから下流側に配置され、燃空混合領域が空気バルブから下流側に位置付けられたときに該燃空混合領域を点火するよう構成された点火源を含む。
【０００９】
第３の実施形態において、パルスデトネーションシステムは、パルスデトネーション管と該パルスデトネーション管の上流端に配置された空気バルブとを含む。空気バルブは、下流側方向で空気パルスを放射するよう構成される。パルスデトネーションシステムはまた、空気パルスの各々に燃料を噴射して燃空混合領域を確立するよう構成された燃料噴射器を含み、該燃空混合領域内の燃空比は上流方向に沿って減少する。パルスデトネーションシステムは更に、空気バルブから下流側に配置され、空気バルブに隣接する燃空混合領域の一部内の燃空比がデトネーション波に対応するのに不十分であるときに各燃空混合領域を点火するよう構成された点火源を含む。
【００１０】
第４の実施形態において、パルスデトネーションシステムは、パルスデトネーション管と該パルスデトネーション管の上流端に配置された空気バルブとを含む。空気バルブは、空気流をパルスデトネーション管に提供するよう構成される。パルスデトネーションシステムはまた、空気流に燃料を噴射してデトネーションに対応するよう構成された燃料空気混合気を確立し、更にデトネーション波に対応するのに不十分な燃空比を有する領域を燃料空気混合気内に確立するよう構成された燃料噴射器を含む。パルスデトネーションシステムは更に、領域が空気バルブに隣接して配置されたときに燃料空気混合気にデトネーションを生じるよう構成された点火源を含む。
【００１１】
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】
【００１２】
【図１】本発明の特定の実施形態による、空気バルブに隣接する領域内でのデトネーション波の伝播を阻止するよう構成されたパルスデトネーション管を有するパルスデトネーション燃焼器を含む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、空気バルブから下流側に位置付けられた燃料噴射器を有するパルスデトネーション管の１つの実施形態の概略図。
【図３】本発明の特定の実施形態による、燃料及び空気がタービン内に噴射された後の図２に示すようなパルスデトネーション管の概略図。
【図４】本発明の特定の実施形態による、燃料及び空気がデトネーションを生じた後の図２に示すようなパルスデトネーション管の概略図。
【図５】本発明の特定の実施形態による、空気バルブに隣接して位置付けられた燃料噴射器を有するパルスデトネーション管の別の実施形態の概略図。
【図６】本発明の特定の実施形態による、燃料及び空気がタービン内に噴射された後の図５に示すようなパルスデトネーション管の概略図。
【図７】本発明の特定の実施形態による、燃料及び空気がデトネーションを生じた後の図５に示すようなパルスデトネーション管の概略図。
【図８】本発明の特定の実施形態による、図５から７のパルスデトネーション管で利用できる燃料及び空気バルブについてのバルブ位置と時間のグラフ。
【図９】本発明の特定の実施形態による、図５から７のパルスデトネーション管で利用できる燃料及び空気バルブについてのバルブ位置と時間の別のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
発明の種々の実施形態の要素を導入するときに、数詞がない場合や、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。
【００１５】
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。本明細書で使用されるデトネーションは、デトネーション又は擬似デトネーションの何れかを指すのに用いられる。
【００１６】
本開示の実施形態は、デトネーション波から空気バルブを絶縁することによって、パルスデトネーション管内の空気バルブに加わる熱負荷及び構造負荷を有意に低減することができる。具体的には、パルスデトネーション管は、デトネーション波を維持するための燃空比が不十分な空気バルブに隣接する領域を確立するよう構成することができる。このようにすると、この領域に衝突するデトネーション波が終端し、空気バルブに向かって伝播する衝撃波を形成することになる。衝撃波に伴う温度及び圧力は、デトネーション波の温度及び圧力よりも有意に低くすることができ、空気バルブは、過剰な熱負荷及び構造負荷への曝露を避けることができる。その結果として、空気バルブは、より薄い及び／又はより軽量の材料から構成することができ、これによりパルスデトネーションシステムのコストを低減し、重量を軽減することができる。
【００１７】
１つの実施形態において、パルスデトネーションシステムは、実質的に空気バルブから下流側の領域内で燃料をパルスデトネーション管に噴射するよう構成された燃料噴射器を含むことができる。この構成は、燃料噴射器と空気バルブとの間の実質的に燃料供給されない領域を確立することができる。上流方向に伝播するデトネーション波が実質的に燃料供給されない領域に衝突すると、上述のように、デトネーション波が終端し、最終的に空気バルブに衝突する衝撃波を形成する。衝撃波の圧力及び温度がデトネーション波の圧力及び温度よりも有意に低くすることができるので、空気バルブは、有意に低い熱負荷及び構造負荷に曝露させることが可能である。
【００１８】
代替の構成において、燃料噴射器は、空気バルブに隣接して位置付けられ、空気バルブに隣接する実質的に燃料供給されない領域又は希薄燃料供給領域を確立するよう構成することができる。具体的には、空気バルブは、パルスデトネーション管の上流端に位置付けられ、空気パルスを管体内に下流方向に放射するよう構成することができる。燃料噴射器は、これらの空気パルスの各々に燃料を噴射し、燃空混合領域を確立するよう構成することができる。しかしながら、１つの実施形態において、燃料噴射器は、空気パルスの上流終端の前に燃料流を終端することができる。このようにして、実質的に燃料供給されない領域は、燃空混合領域の上流端と空気バルブとの間に確立することができる。その結果として、上流方向に伝播するデトネーション波は、空気バルブに衝突する前に終端し、これにより空気バルブに加わる熱負荷及び構造負荷を制限することができる。別の実施形態において、燃料噴射器は、空気パルスに入る燃料流を漸次的に低減するよう構成され、これにより空気パルス内の燃料濃度を低減する領域を確立することができる。デトネーション波は、最少燃料濃度を有する領域のみを通って伝播できるので、最少値よりも低い燃料濃度を有する区域に達すると終端することができる。上述の実施形態と同様に、空気バルブから上流側のデトネーション波の終端は、最大曝露温度及び圧力を低下させることができ、これにより薄い及び／又はより軽量の空気バルブの使用が可能になる。
【００１９】
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、及び燃焼器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を通じて燃焼器１６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。燃焼器１６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。理解されるように、タービン１８は、固定ベーン又はブレードを有する１つ又はそれ以上のステータと、ステータに対して回転するブレードを有する１つ又はそれ以上のロータとを含む。排出ガスは、タービンロータブレードを通過し、これによりタービンロータを回転駆動する。タービンロータとシャフト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、図示のようにガスタービンシステム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を介してガスタービンシステム１０から出ることができる。
【００２０】
圧縮機２２は、例えば、１から２５、５から２０、１０から２０、或いは１４から１８の圧縮段を含むことができる。各圧縮機段は、圧縮機２２の周りに実質的に等間隔に配置されたベーン及びブレードを含む。ベーンは、圧縮機２２のステータに堅固に装着され、ブレードに向けて空気を配向するよう構成される。ブレードは、シャフト１９により回転駆動されるロータに堅固に装着される。空気が各圧縮段を通過すると、空気圧力が増大し、これにより適正な燃焼に十分な空気を燃焼器１６に提供する。圧縮機２２は、吸気口２４を介してガスタービンシステム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、発電プラント又は外部の機械的負荷など、ガスタービンシステム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）を介してガスタービンシステム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を燃焼器１６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として燃焼器１６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、混合及び燃焼用に燃焼器に直接噴射することができる。
【００２１】
以下で詳細に検討するように、本発明の実施形態は、燃焼器１６内に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、最終的にはタービン１８を回転駆動する加圧排出ガスをパルスデトネーション管内に生成する。特定の実施形態では、パルスデトネーション管は、上流の空気バルブに隣接する実質的に燃料供給されない領域又は希薄燃料供給領域を確立するよう構成される。デトネーション波は、実質的に燃料供給されない領域又は希薄燃料供給領域を通って伝播できないので、空気バルブは、デトネーション波に伴う温度及び圧力から実質的に絶縁することができる。このような構成は、空気バルブをより薄い及び／又はより軽量の材料から構築し、及び／又は空気バルブの作動寿命を延ばすことを可能にすることができる。タービンシステム燃焼器１６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。更に、本発明の実施形態は、燃料及び空気を伴う燃焼反応を説明しているが、代替の実施形態は他の酸化剤（例えば、酸素、窒素、酸化物、その他）を燃料と反応させて燃焼反応を引き起こすことができる点は理解されたい。
【００２２】
図２は、パルスデトネーション管３６の１つの実施形態の概略図であり、ここでは燃料噴射器１２が空気バルブ３８から下流側に位置付けられている。特定の燃焼器１６は、複数のパルスデトネーション管３６を含み、各管が圧縮機２２から空気流を受け取る。各パルスデトネーション管３６は、少なくとも１つの燃料噴射器１２（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上）を含み、各パルスデトネーション管３６内に位置付けられる燃焼ゾーンに燃料を送給する。更に、各パルスデトネーション管３６は、管３６の上流端に配置される空気バルブ３８を含む。以下で詳細に検討するように、空気バルブ３８は、パルスデトネーション管３６に離散的パルスを注入するよう構成される。空気バルブ３８はまた、他の酸化剤（例えば、酸素、窒素、酸化物、その他）の離散的パルスをパルスデトネーション管３６に単独で又は空気と組み合わせて注入できる点を理解されたい。燃料噴射器１２は、空気パルスの各々に燃料を噴射し、デトネーションに好適な燃料空気混合気を確立するよう構成される。次いで、点火源４０が燃料空気混合気にデトネーションを生じさせ、これによりパルスデトネーション管３６を通って伝播するデトネーション波を形成する。デトネーション反応からの排出ガスは、該排出ガスが排気出口２０に向かって通過するときに、タービン１８内のベーン又はブレードを回転させるようにする。以下で詳細に検討するように、燃料噴射器１２及び／又は空気バルブ３８は、空気バルブ３８に隣接する実質的に燃料供給されない領域又は希薄燃料供給領域を確立するよう構成され、これによりデトネーション波に伴う高い温度及び圧力から空気バルブが絶縁される。
【００２３】
本発明の実施形態において、燃料噴射器１２は、空気バルブ３８から下流側で且つ隣接しない領域内に燃料を噴射するよう構成される。図示のように、パルスデトネーション管３６は、噴射燃料空気混合気が燃焼してタービン１８を駆動するようなデトネーション波の形成及び伝播を可能にするよう構成された長さ４２を有する。例えば、特定の構成において、パルスデトネーション管３６の長さ４２は、およそ１０から５０、２０から４０、２５から３５、又は約３０インチとすることができる。パルスデトネーション管３６の内側直径４４はまた、デトネーション波の形成及び伝播を可能にするよう特に構成することができる。例えば、直径４４は、およそ１から１０、１から７、２から４、又は約２インチとすることができる。理解されるように、パルスデトネーション管３６の長さ４２及び４４は、特定の燃料及び／又は空気流量、選択燃料、タービン構成、エンジンサイズ、又は他のパラメータに対応するよう構成することができる。
【００２４】
１つの実施形態において、燃料噴射器１２は、空気バルブ３８から下流側の距離４６に位置付けられ、点火源４０は、燃料噴射器１２から下流側の距離４８に位置付けられる。以下で詳細に検討するように、燃料噴射器１２及び点火源４０の位置は、空気バルブ３８に隣接する実質的に燃料供給されない領域を確立するよう選択され、これによりデトネーション波の伝播を阻止し、空気バルブ３８近傍の圧力及び温度を制限することができる。例えば、距離４６は、パルスデトネーション管３６の長さ４２のおよそ５％、１０％、１５％、２０％、３０％、３５％、４０％よりも大きく、或いはそれ以上とすることができる。１つの実施形態において、パルスデトネーション管３６の長さ４２は、およそ３０インチであり、空気バルブ３８と燃料噴射器１２との間の距離４６はおよそ８インチである。更に、燃料噴射器１２と点火源４０との間の距離４８は、管直径４４の関数とすることができる。例えば、特定の実施形態において、距離４８は、管直径４４のおよそ０．５から３．５、１から３、１．５から２．５、或いは約２倍とすることができる。
【００２５】
上記で検討したように、パルスデトネーション管３６は、該パルスデトネーション管３６を通って伝播するデトネーション波を形成することによって、燃料空気混合気を燃焼するよう構成される。このデトネーションプロセスは、図２から４に示すように、一連の段を進む。最初に、パルスデトネーション管３６の上流端５０に位置付けられた空気バルブ３８は、圧縮機２２からの空気３２に開放されている。理解されるように、空気バルブ３８は、例えば、ロータリーバルブ、缶バルブ、ディスクバルブ、又はスライダーバルブなど、デトネーションシステムに好適なあらゆるタイプとすることができる。空気が空気バルブ３８を通ってパルスデトネーション管３６に流入すると、パルスデトネーション管３６の上流端５０に空気充填領域５４が確立される。一般に、空気流は、上流方向５８とは実質的に反対の下流方向５６に管３６を通って進む。
【００２６】
図３に示すように、空気流が燃料噴射器１２を通過すると、燃料噴射器１２は空気流への燃料噴射を開始し、これにより燃空混合領域６０が確立される。理解されるように、燃料噴射器１２は、デトネーションに適正な燃料空気混合気を確立するのに十分な流量で燃料を流すよう構成することができる。例えば、燃料噴射器１２は、理想空燃比（すなわち理論空燃比）、僅かにリッチ空燃比（すなわち理論空燃比よりも高い）、或いは僅かに希薄空燃比（すなわち理論空燃比よりも低い）を確立するよう構成することができる。本発明の実施形態においては単一の燃料噴射器１２が図示されているが、複数の燃料噴射器１２をパルスデトネーション管３６の周囲に位置付けて、空気流への燃料の均一な分布をもたらすことができる。更に、燃料噴射器１２は、液体燃料、ガス状燃料、又はこれらの組み合わせを噴射するよう構成することができる。燃料噴射器１２が空気バルブ３８の下流側に位置付けられるので、空気充填領域５４は実質的に燃料が供給されないままである。換言すると、空気流は、燃料空気混合気を管３６を通して実質的に下流方向５６に移動させるので、燃料は、実質的に燃空混合領域６０内に留まる。以下で詳細に検討するように、空気充填領域５４は実質的に燃料供給されないので、上流方向５８のデトネーション波の伝播を可能にすることはできず、これによりデトネーション波の高い温度及び圧力特性への空気バルブ３８の曝露が制限される。
【００２７】
燃空混合領域６０がパルスデトネーション管３６内で確立された後、図４に示すように、空気バルブ３８が閉鎖され、混合気が点火される。具体的には、空気バルブ３８が閉鎖された後、点火源４０が作動し、デフラゲーションからデトネーションへの移行（ＤＤＴ）を確立してデトネーション波６２を形成する。図示のように、デトネーション波６２は、燃空混合領域６０を通過して下流方向５６にパルスデトネーション管３６の下流端に向けて超音速で伝播する。デトネーション波６２は、混合領域６０内の燃料と空気の燃焼反応を誘起し、これによりデトネーション波６２の上流側の排気生成物の領域６４を形成する。デトネーション波６２が燃空混合領域６０を通って伝播すると、パルスデトネーション管３６の内部は、領域６４内の排気生成物の膨張によって加圧されるようになる。デトネーション波６２がパルスデトネーション管３６内の燃料及び空気を実質的に反応させた後、加圧排気生成物が排出され、これによりタービン１８を回転駆動する。
【００２８】
加えて、点火源４０の作動により、燃焼と結合される２次デトネーション波又は強い圧力波を誘起することができ、燃空混合領域６０を通って上流方向５８に伝播する。しかしながら、空気充填領域５４には実質的に燃料供給されないので、２次デトネーション波は、燃空混合領域６０と空気充填領域５４との境界部で終端することができる。２次デトネーション波と空気充填領域５４との間の相互作用は、空気バルブ３８に向かって上流方向５８に伝播する衝撃波６６を確立することができる。図示のように、衝撃波６６に伴う温度及び圧力は、デトネーション波の温度及び圧力よりも有意に低いものとすることができる。結果として、空気バルブの最大曝露温度及び圧力を制限することができる。例えば、デトネーション波６２の圧力は、およそ３００ｐｓｉとすることができ、衝撃波６６の圧力はおよそ１００ｐｓｉとすることができる。この圧力低下により、空気バルブ３８をより薄い／より軽量の材料から構築することができ、これによりタービンシステム１０の重量が軽減される。加えて、この構成は、閉鎖した空気バルブ３８を通る上流方向の流れを実質的に低減又は排除することができ、これにより燃焼器１６の効率的な作動が可能になる。
【００２９】
図５は、パルスデトネーション管３６の別の実施形態の概略図であり、ここでは燃料噴射器１２が空気バルブ３８に隣接して位置付けられている。以下で詳細に検討するように、本実施形態は、空気バルブ３８に隣接する実質的に燃料供給されない又は希薄燃料供給される領域を確立するよう構成され、これにより上流方向５８のデトネーション波の伝播が制限され、最大空気バルブ曝露温度及び圧力が低下される。上述の実施形態と同様に、パルスデトネーション管３６は、該パルスデトネーション管３６を通って伝播するデトネーション波を形成することにより燃料空気混合気を燃焼させるよう構成される。図５から７に示すように、デトネーション反応は、一連の段を通って進む。第１に、空気バルブ３８が開き、圧縮機２２からの空気流３２がパルスデトネーション管３６に流入するのを可能にする。しかしながら、上述の実施形態とは対照的に、燃料は、管３６の上流端５０に直接隣接する領域内の空気流に噴射される。この構成は、空気バルブ３８から下流方向５６でパルスデトネーション管３６内に延びる燃空混合領域６０を確立する。代替の実施形態において、燃料噴射器１２は、空気バルブ３８の上流側に位置付けられ、空気バルブ３８を通過する前に燃料及び空気を混合するよう構成することができる。
【００３０】
図６に示すように、燃料噴射器１２は、空気バルブ３８が開いている間、パルスデトネーション管３６内への燃料流を終端するよう構成される。空気流３２は、燃空混合領域を下流方向５６に移動するよう誘起するので、パルスデトネーション管３６の上流端５０において実質的に燃料供給されない領域５４が確立される。上述のように、空気充填領域５４内の燃料濃度は、デトネーション波に対応するのに不十分な場合がある。従って、空気バルブ３８は、デトネーション波に伴う高い温度及び圧力から実質的に絶縁することができる。この構成により空気バルブ３８の機械的負荷及び温度負荷が低減され、これにより空気バルブ３８をより軽量の材料から構築可能にすることができる。
【００３１】
図４と同様に、図７は、点火源４０が作動した後のパルスデトネーション管３６の内部を表している。具体的には、空気バルブ３８が閉鎖した後、点火源４０が作動し、デトネーション波６２を形成するＤＤＴを確立する。デトネーション波６２は、燃空混合領域６０を通って下流方向５６に伝播し、デトネーション波６２の上流側の排気生成物の領域６４を形成する。同様に、第２のデトネーション波又は擬似デトネーション波は、燃空混合領域６０と空気充填領域５４との間の境界部に向かって上流側に伝播する。境界部では、デトネーション波が終端して、衝撃波６６が形成されて空気充填領域５４を通って伝播し、最終的に空気バルブ３８に衝突する。衝撃波６６の温度及び圧力はデトネーション波よりも低いので、空気バルブ３８が受ける機械的負荷及び熱負荷をより小さくすることができる。上述のように、デトネーション波６２が燃料空気混合気全体と実質的に反応すると、パルスデトネーション管３６の下流側端部５２を通って排出され、これによりタービン１８が回転駆動される。
【００３２】
以下で詳細に検討するように、本発明の実施形態の特定の構成は、燃空混合領域６０が確立された後にパルスデトネーション管３６への燃料流を漸次的に減少させることができる。離散的終端と比較して、燃料噴射器１２からの燃料流の漸次的減少は、燃空混合領域６０から上流側で減少する燃空比を有する領域を形成することができる。例えば、特定の構成において、燃空比は、この領域内で実質的に線形に減少することができる。特定の燃空比において、混合気はもはやデトネーション波に対応しない。従って、燃料噴射器１２は、デトネーション波の伝播を阻止する混合比を有する領域を燃料空気混合気内に確立するよう構成することができる。このような構成において、この領域は、デトネーション中に空気バルブ３８に隣接して位置付けられ、空気バルブ３８に衝突する前にデトネーション波が終端するようにすることができる。このような構成は、空気バルブ３８の圧力及び温度曝露を制限し、これにより空気バルブをより軽量材料から構築可能にすることができる。
【００３３】
図８は、図５から７のパルスデトネーション管３６で利用できるバルブプロファイルについてのバルブ位置と時間のグラフである。図示のように、横軸６８は時間を表し、縦軸７０はバルブ位置を表し、曲線７２は空気バルブ３８のバルブプロファイルを表し、曲線７４は燃料噴射器１２のバルブプロファイルを表している。空気バルブプロファイル７２は、開放遷移セグメント７６、開放セグメント７８、及び閉鎖遷移セグメント８０を含む。理解されるように、特定のバルブ構成（例えば、ロータリー、缶、ディスク、スライダー、その他）は、遷移部７６及び８０で示すように、時間の経過と共に開放位置と閉鎖位置との間を遷移する。本実施形態では遷移部７６及び８０の両方が線形であるが、代替の実施形態は、非線形遷移を利用することができる。上述のように、燃料噴射器１２は、空気バルブ３８が開いたときにパルスデトネーション管３６に燃料を流すよう構成され、これにより図５に示すように、空気バルブ３８から下流側に延びる燃空混合領域６０が確立される。その結果として、燃料噴射器１２への燃料流を制御するバルブは、燃料噴射器バルブプロファイル７４のセグメント８２で示されるように、空気バルブ開放遷移セグメント７６の完了時に開く。
【００３４】
更に、燃料噴射器バルブは、セグメント８６で示されるように、空気バルブ閉鎖遷移セグメント８０の前に閉鎖するよう構成される。このようにして、空気バルブ３８は、燃料噴射器１２からの燃料流が終端した後にパルスデトネーション管３６に空気を流し、これにより図６に示すような空気充填領域５４が確立されることになる。上述のように、空気充填領域５４は実質的に燃料供給されないので、燃焼プロセスによるデトネーション波が空気バルブ３８に接触するのが阻止され、これにより空気バルブ３８をデトネーション波に伴う高い圧力及び温度から絶縁することができる。この構成は、空気バルブ３８をより軽量の材料から構築し、バルブ３８を通過する排出ガスの流れを制限可能にすることができる。
【００３５】
図９は、図５から７のパルスデトネーション管３６で利用できる代替のバルブプロファイルについてのバルブ位置と時間のグラフである。上述のグラフと同様に、横軸６８は時間を表し、縦軸７０はバルブ位置を表し、曲線７２は空気バルブ３８のバルブプロファイルを表し、曲線８８は燃料噴射器１２の代替のバルブプロファイルを表している。本発明の実施形態において、空気バルブプロファイル７２は、図８の空気バルブプロファイル７２に実質的に同様である。更に、燃料噴射器バルブは、空気バルブ３８がその完全開放位置７８に到達したときに、開放遷移部８２により示されるように、短い時間期間にわたり開放するよう構成される。加えて、燃料噴射器１２への燃料流を制御するバルブは、上述の実施形態と実質的に同様の期間にわたり開放位置９０を維持するよう構成される。
【００３６】
しかしながら、図８の閉鎖遷移部８６で表されるように短い時間期間にわたり燃料噴射器バルブを閉鎖するのではなく、燃料噴射器バルブは、閉鎖遷移セグメント９２で表されるように、時間の経過と共に漸次的に閉鎖される。本発明の実施形態において、空気バルブ３８及び燃料噴射器バルブの両方は、ほぼ同時に閉鎖遷移を完了する。燃料噴射器バルブの漸次的閉鎖は、パルスデトネーション管３６への燃料流を徐々に減少させ、これにより燃空混合領域６０の上流側での減少する燃空比を有する領域が確立される。上記で検討したように、特定の値を下回る燃空比は、デトネーション波を持続することができない。従って、減少する燃空比領域内のこの特定の燃空比にデトネーション波が衝突すると、デトネーション波が終端し、衝撃波を放射する。衝撃波に伴う温度及び圧力は、デトネーション波の温度及び圧力よりも低いので、空気バルブ３８はデトネーション波から実質的に絶縁することができる。この構成により、空気バルブをより軽量の材料から製造することが可能になる。
【００３７】
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】
【００３８】
１０  ガスタービンシステム
１２  燃料噴射器
１４  燃料供給源
１６  燃焼器
１８  タービン
１９  シャフト
２０  排気出口
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
３８  空気バルブ
４０  点火源
４２  パルスデトネーション管長さ
４４  パルスデトネーション管直径
４６  空気バルブと燃料噴射器との間の距離
４８  燃料噴射器と点火源との間の距離
５０  パルスデトネーション管の上流端
５２  パルスデトネーション管の下流端
５４  空気−充填領域
５６  下流方向
５８  上流方向
６０  燃空混合領域
６２  デトネーション波
６４  排気生成物領域
６６  衝撃波
６８  横軸
７０  縦軸
７２  空気バルブプロファイル曲線
７４  燃料噴射器バルブプロファイル曲線
７６  空気バルブプロファイルの開放遷移
７８  空気バルブプロファイルの開放位置
８０  空気バルブプロファイルの閉鎖遷移
８２  燃料バルブプロファイルの開放遷移
８４  燃料バルブプロファイルの開放位置
８６  燃料バルブプロファイルの閉鎖遷移
８８  代替の燃料噴射器バルブプロファイル曲線
９０  燃料バルブプロファイルの代替の開放位置
９２  燃料バルブプロファイルの代替の閉鎖遷移
【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】
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【図８】
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【図９】
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