(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】一実施形態では、パルスデトネーションシステム（１０）は、ベース管（７８）、およびベース管（７８）の内面（８３）に隣接するように配置された熱保護層（８２）を備えるパルスデトネーション管（３６）を含む。熱保護層（８２）は、パルスデトネーションシステム（１０）の動作中に、ベース管（７８）の内面（８３）の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成され、熱保護層（８２）はセラミックコーティングを含まない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース管（７８）および前記ベース管（７８）の内面（８３）に隣接するように配置された熱保護層（８２）を備えるパルスデトネーション管（３６）を含み、前記熱保護層（８２）がパルスデトネーションシステム（１０）の動作中に前記ベース管（７８）の前記内面（８３）の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成され、前記熱保護層（８２）がセラミックコーティングを含まない、パルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項２】
前記パルスデトネーション管（３６）の下流端（４８）に結合されたノズル（４６、４７）を含み、前記ノズル（４６、４７）が基材（９０）および前記基材（９０）の内面（９５）に隣接するように配置された第２の熱保護層（９４）を含み、前記第２の熱保護層（９４）が前記パルスデトネーションシステム（１０）の動作中に前記基材（９０）の前記内面（９５）の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成される、請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項３】
前記パルスデトネーション管（３６）から下流に配置され、前記パルスデトネーション管（３６）から排気ガス（５０）の流れを受けるように構成されたタービン（１８）を含み、前記タービン（１８）が基材（１０２）および前記排気ガス（５０）の流れに面する前記基材（１０２）の表面（１０３）に隣接するように配置された第２の熱保護層（１０６）を備える少なくとも１つの構成要素（５６、５８、６２、６４、６６、７０、７４、７６）を含み、前記第２の熱保護層（１０６）が前記パルスデトネーションシステム（１０）の動作中に前記排気ガス（５０）の流れに面する前記基材（１０２）の前記表面（１０３）の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成される、請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項４】
前記熱保護層（８２）の熱伝導率が約９Ｗ／ｍＫ未満であり、前記熱保護層（８２）の熱拡散率が約０．０００００２ｍ２／ｓ未満であり、前記熱保護層（８２）のビオ数が約０．５よりも大きく、前記熱保護層（８２）の表面の温度変動に対する抵抗係数が約５５未満であり、またはその組み合わせである、請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項５】
前記熱保護層（８２）が前記パルスデトネーションシステム（１０）の動作中に前記ベース管（７８）の前記内面（８３）の温度変動を摂氏約１５度未満に制限するように構成される、請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項６】
前記熱保護層（８２）が前記ベース管（７８）の前記内面（８３）に塗布されたコーティングを含む、請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項７】
前記コーティングが金属または金属合金を含む、請求項６記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項８】
前記熱保護層（８２）が取り外し可能な機械的インサートを含む、請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項９】
前記熱保護層（８２）が前記パルスデトネーションシステム（１０）の動作中に摩耗されるように構成される、請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【請求項１０】
前記熱保護層（８２）の厚さ（８８）が前記パルスデトネーション管（３６）内のデトネーション反応からの熱の浸透深さよりも厚い、請求項１記載のパルスデトネーションシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、一般に、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、多様な実際のエンジン用途に使用可能である。こうした用途の一例は、パルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）の開発であり、高温のデトネーション生成物を出口ノズルを通るように向けて、航空宇宙推進用の推力を発生させる。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のための「多管」構成と呼ばれることが多い。他の例は、従来のガスタービンエンジン技法とパルスデトネーション（ＰＤ）技法の両方を使用して動作効率を高める、「ハイブリッド」エンジンの開発である。こうしたパルスデトネーションタービンエンジン（ＰＤＴＥ）は、航空機の推進に、または地上の発電システムで発電する手段として使用することができる。
【０００３】
パルスデトネーション管内の燃焼反応で、超音速で移動するデトネーション波が発生し、それによって、亜音速爆燃燃焼と比較して、燃焼過程の効率が高まる。具体的には、通常、空気と燃料がパルスデトネーション管内に個別のパルスで噴射される。次いで、燃料−空気混合物が点火源によって爆発し、それによってデトネーション波が発生し、管を通って下流に超音速で伝播される。さらに、比較的弱い衝撃波が上流に燃焼器の入口に向かって伝播されることがある。爆発過程により、加圧排気ガスがパルスデトネーション管内に生成される。この加圧排気ガスを、推力の生成に使用することができ、またはタービン内で作用するように変換することができる。
【０００４】
デトネーション反応に関連する高い温度および圧力によって、残念なことに、パルスデトネーション管および関連する構成要素（たとえば、空気弁、ノズルなど）の寿命が大幅に制限される恐れがある。パルスデトネーション管および／または関連する構成要素の厚さおよび／または強度を増加すると、パルスデトネーション燃焼器の動作寿命を延ばすことができるが、それによって通常の用途には望ましくないレベルまで重量が増える可能性もある。同様に、高コストの高温材料からパルスデトネーション管および／または関連する構成要素を構築することは経済的に実現不可能でありうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１８７７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、パルスデトネーション管の耐久性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
最初に特許請求された発明と範囲が対応する実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許を請求する本発明の範囲を限定するものではなく、むしろこれらの実施形態は、単に本発明の可能な形態の簡単な要約を提供するものである。実際、本発明は、以下に述べる実施形態と同様でもよく、または異なってもよい多様な形態を包含することができる。
【０００８】
第１の実施形態では、パルスデトネーションシステムは、ベース管、およびベース管の内面に隣接するように配置された熱保護層を備えるパルスデトネーション管を含む。熱保護層は、パルスデトネーションシステムの動作中に、ベース管の内面の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成され、熱保護層は、セラミックコーティングを含まない。
【０００９】
第２の実施形態では、パルスデトネーションシステムは、デトネーション反応に関連する圧力に耐えるように構成されたパルスデトネーション管を含む。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の下流端に結合され、パルスデトネーション管から排気ガスの流れを受けるように構成されたノズルも含む。パルスデトネーションシステムは、さらに、パルスデトネーション管の内面、ノズルの内面、またはその組み合わせに隣接するように配置された熱保護層を含む。熱保護層は、パルスデトネーションシステムの動作中に、パルスデトネーション管の内面、ノズルの内面、またはその組み合わせの温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成され、パルスデトネーション管の熱保護層が存在する場合、熱保護層はセラミックコーティングを含まない。
【００１０】
第３の実施形態では、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、およびパルスデトネーション管の下流端に結合されたノズルを含む。パルスデトネーションシステムは、ノズルの下流端に結合され、排気ガスの流れをパルスデトネーション管からノズルを通して受けるように構成されたタービンも含む。少なくとも１つのノズル、またはタービンの少なくとも１つの構成要素は、基材、および排気ガスの流れに面する基材の表面に隣接するように配置された熱保護層を含む。熱保護層は、パルスデトネーションシステムの動作中に、排気ガスの流れに面する基材の表面の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成される。
【００１１】
添付の図面と併せて以下の詳細な説明を読めば、本発明の上記その他の特徴、態様、および利点がよりよく理解できるであろう。図面では、図面を通して同様の記号は同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本技法の幾つかの実施形態による、過渡的な高温からパルスデトネーション管を保護するように構成された熱保護層を備える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を示すブロック図である。
【図２】本技法の幾つかの実施形態による、図１の燃焼器内で使用することができるパルスデトネーション管の一実施形態を示す概略図である。
【図３】本技法の幾つかの実施形態による、推力を生成するためのノズルに結合されたパルスデトネーション管の他の実施形態を示す概略図である。
【図４】本技法の幾つかの実施形態による、構成要素を過渡的な高温から保護するように構成された熱保護層を含むことができる多様なタービン構成要素を示す、タービンセクションの断面図である。
【図５】本技法の幾つかの実施形態による、周囲のベース管の内面の温度変動を制限するように構成された熱保護層を含む、図２で示したようなパルスデトネーション管の一実施形態を示す断面斜視図である。
【図６】本技法の幾つかの実施形態による、排気ガスの流れに面するシュラウドの表面の温度変動を制限するように構成された熱保護層を含む、図４の線６−６に沿って切り取られたシュラウドを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の１つまたは複数の特定の実施形態を以下に記載する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うため、実際の実施態様の全ての特徴を本明細書に記載することはできない。理解されるように、こうした実際の実施の開発ではどれも、どの工学または設計のプロジェクトでも同様に、開発者の特定の目的を達成するため、実施によって変わる可能性があるシステム関連およびビジネス関連の制約に従うなど、幾つかの実施態様に特有の決定を行わなければならない。さらに、理解されるように、こうした開発努力は複雑かつ時間を要するものであるが、それにもかかわらずその開発努力は、本開示の恩恵を有する当業者が、設計、製作、および製造を行うという日常的な仕事であろう。
【００１４】
本発明の多様な実施形態の要素を導入する場合、「前記」などの冠詞がある場合や数詞が無い場合は、その要素が１つまたは複数存在することを指すものとする。用語「備える」、「含む」、および「有する」は、包括的なものとし、列挙した要素以外の追加の要素があってもよいことを指す。
【００１５】
本明細書で使用されるように、パルスデトネーション燃焼器は、燃焼器内の一連のデトネーション、または準デトネーション（ｑｕａｓｉ−ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ）の繰り返しから、圧力を上昇させ、かつ速度を上昇させる任意の装置またはシステムを指すことを理解されたい。「準デトネーション」は、爆燃波によって起こる圧力上昇および速度上昇よりも高い圧力上昇および速度上昇を引き起こす超音速乱流の燃焼過程である。パルスデトネーション管の実施形態は、たとえば、燃料／空気混合物など燃料／酸化剤混合物に点火する手段、および点火過程によって起きた圧力波面が合体してデトネーション波を生成しまたは準デトネーションを引き起こすデトネーション室を含む。各デトネーションまたは準デトネーションは、火花放電、またはレーザパルスなど外部の点火によって、または衝撃の集束（ｓｈｏｃｋ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ）、自動点火などガスダイナミック過程によって、または他のデトネーション（すなわちクロスファイア）によって起きる。本明細書で使用されるように、デトネーションはデトネーションまたは準デトネーションのいずれかを指すために使用される。
【００１６】
本開示の実施形態は、パルスデトネーション管の内面に熱保護層を加えることによって、パルスデトネーション管に加えられる熱負荷を大幅に低減することができるものである。一実施形態では、パルスデトネーション管は、熱保護層およびベース管を含むことができる。熱保護層を、パルスデトネーション管の動作中に、ベース管の内面の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成することができる。こうした構成は、長期にわたりデトネーション熱を分散し、ベース管を断熱する働きをすることができ、それによって、ベース管の平均と最大の両方の過渡的温度が低下される。こうすると、ベース管の寿命を延ばし、かつ／またはベース管を比較的薄く軽い、かつ／または比較的低コストの材料から構築することができる。幾つかの実施形態では、熱保護層はベース管の内面に塗布されるコーティングでもよい。代替実施形態では、熱保護層はベース管内に配置される取り外し可能な機械的インサートでもよい。どちらの構成でも、接着剤を使用して、熱保護層をベース管に固定することができる。他の実施形態では、熱保護層を、ノズルおよび／またはタービン構成要素など下流の構成要素の基材に隣接するように配置して、基材をパルスデトネーションシステムの動作に関連する温度変動から保護することができる。
【００１７】
次に図面を見て、先ず図１を参照すると、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図が示されている。タービンシステム１０は、燃料噴射器１２、燃料供給部１４、および燃焼器１６を含む。図で示したように、燃料供給部１４は、液体燃料および／または天然ガスなどガス燃料をガスタービンシステム１０に燃料噴射器１２を通して燃焼器１６内に送る。以下で論じるように、燃料噴射器１２は燃料を噴射し、圧縮空気と混合するように構成される。燃焼器１６は、燃料−空気混合物に点火して燃焼させ、次いで高温の圧縮排気ガスをタービン１８内に通す。理解されるように、タービン１８は、固定されたベーンまたはブレードを有する１つまたは複数の固定子、および固定子に対して回転するブレードを有する１つまたは複数の回転子を含む。排気ガスはタービン回転子ブレードを通過し、それによってタービン回転子が回転するように駆動される。タービン回転子とシャフト１９の結合によって、シャフト１９が回転される。シャフト１９は、図で示したように、ガスタービンシステム１０中の幾つかの構成要素にも結合される。燃焼過程の排気は、最終的に、ガスタービンシステム１０から排気出口２０を通って出ることができる。
【００１８】
圧縮器２２は、シャフト１９によって回転するように駆動される回転子に剛性に取り付けられたブレードを含む。空気が回転するブレードを通過するときに、空気圧力が上昇し、それによって適切に燃焼するのに十分な空気が燃焼器１６に供給される。圧縮器２２は、空気取入れ口２４を通して空気をガスタービンシステム１０に取り入れることができる。さらに、シャフト１９を負荷２６に結合することができ、それによってシャフト１９の回転により駆動することができる。理解されるように、負荷２６は、発電プラント、また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使用することができる任意の適切な装置でもよい。たとえば、負荷２６は、発電機、飛行機のプロペラなどを含むことができる。空気取入れ口２４は、空気３０をガスタービンシステム１０内に冷気取入れ口など適切な機構によって取り入れる。次いで、空気３０は圧縮器２２のブレードを通って流れ、それによって、圧縮空気３２が燃焼器１６に供給される。具体的には、燃料噴射器１２は圧縮空気３２と燃料１４を燃料−空気混合物３４として燃焼器１６内に噴射することができる。別法として、圧縮空気３２と燃料１４を燃焼器内に直接噴射して、混合し燃焼させることもできる。
【００１９】
以下で詳細に論じるように、１つまたは複数のパルスデトネーション管を燃焼器１６内に設けて使用することができる。管は、圧縮空気３２と燃料１４を個別のパルスで受けるように構成される。パルスデトネーション管に燃料−空気混合物を装填した後、混合物が点火源によって爆発し、それによってデトネーション波が発生し、超音速で管を通って伝播する。デトネーション過程で、パルスデトネーション管内に加圧排気ガスが生成し、最終的にタービン１８が回転するように駆動される。幾つかの実施形態は、各パルスデトネーション管内に配置される熱保護層を含むことができる。熱保護層を、パルスデトネーション管の動作中に、ベース管の内面の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成することができる。こうした構成によって、パルスデトネーション管の寿命を延ばし、かつ／または比較的軽くて薄い、かつ／または比較的低コストの管を容易に得ることができるようになる。パルスデトネーション管についてガスタービンシステム１０を参照して記載したが、理解されるように、本開示の実施形態は、排気を、先細−末広ノズルを通して直接周囲に向けて生推力（ｒａｗ  ｔｈｒｕｓｔ）を発生させる、「ピュア（ｐｕｒｅ）」パルスデトネーションエンジンなど他の用途、並びにパルスデトネーション管を使用する他の用途に使用することができる。さらに、本実施形態では、燃料と空気に関する燃焼反応について記載しているが、理解されるように、代替実施形態では、他の酸化剤（たとえば、酸素、亜酸化窒素など）と燃料を反応させて、燃焼反応を起こすことができる。
【００２０】
図２は、図１の燃焼器１６内で使用することができるパルスデトネーション管３６の概略図である。パルスデトネーション管３６は、少なくとも１つ（たとえば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、または１０以上）の燃料噴射器１２を含み、燃料噴射器１２は、燃料をパルスデトネーション管３６内に位置する燃焼ゾーンに供給する。さらに、パルスデトネーション管３６は、管３６の上流端４０に配置された空気弁３８を含む。空気弁３８は、個別の空気パルスをパルスデトネーション管３６に噴射するように構成される。燃料噴射器１２は、空気パルス毎に燃料を噴射して、デトネーションに適した燃料−空気混合物を生成するように構成される。次いで、点火源４２が燃料−空気混合物を爆発させ、それによってデトネーション波が形成され、パルスデトネーション管３６を通って伝播される。デトネーション反応からの排気ガス４４は管３６の下流端４８に配置されたノズル４６内に流れる。
【００２１】
本実施形態では、ノズル４６は、排気ガス４４の流れを加速させるように構成された先細ノズルである。したがって、ノズル４６から出た排気ガス５０の速度は、管３６内の排気ガス４４の速度よりも速くてもよい。理解されるように、排気ガス５０は、排気ガス５０が排気出口２０に向かって流れるときに、タービン１８内のブレードを回転させる。以下で詳細に論じるように、パルスデトネーション管３６および／またはノズル４６は、長期にわたりデトネーション反応熱を分散するように構成された熱保護層を含み、それによって管３６および／またはノズル４６の最大暴露温度が制限される。
【００２２】
図３は、ノズル４７に結合して推力を発生させるパルスデトネーション管３６の他の実施形態の概略図である。図で示したように、ノズル４７は、先細セクション内で排気ガス４４の流れを音速に向けて加速し、末広セクション内でその流れを超音速に加速するように構成された先細−末広ノズルである。したがって、排気ガス５０の超音速の流れをノズル４７から出すことができる。この構成では、排気ガス５０が周囲空気に向けられて、パルスデトネーション管３６が推力を発生させるようになされる。こうした構成は、「ピュア」パルスデトネーションエンジンとして周知である。図３を参照して上述した管３６と同様に、管３６および／またはノズル４７は、長期にわたりデトネーション反応熱を分散し、それによって管３６および／またはノズル４７の最大暴露温度を制限するように構成された熱保護層を含むことができる。
【００２３】
図４は、構成要素を過渡的な高温から保護するように構成された熱保護層を含むことができる多様なタービン構成要素を示す、タービンセクションの断面図である。排気ガス５０は、燃焼器１６のノズル４６からタービン１８内に軸方向５２かつ／または円周方向５４に流れる。このタービン１８は少なくとも２段であり、最初の２段が図４に示されている。他のタービン構成はそれよりも多い、または少ないタービン段を含むことができる。たとえば、タービンは、１、２、３、４、５、または６以上のタービン段を含むことができる。第１のタービン段は、タービン１８の周囲で円周方向５４に、実質的に等しい間隔をおいて配置されたベーン５６およびブレード５８を含む。第１段ベーン５６はタービン１８に剛性に取り付けられ、燃焼ガスをブレード５８に向けるように構成される。第１段ブレード５８は回転子６０に取り付けられ、回転子６０はブレード５８を通って流れる排気ガス５０によって回転するように駆動される。回転子６０はシャフト１９に結合され、それによって圧縮器２２および負荷２６を駆動する。次いで、排気ガス５０は第２段ベーン６２および第２段ブレード６４を通って流れる。第２段ブレード６４も回転子６０に結合される。排気ガス５０が各段を通って流れるときに、ガスからのエネルギーが回転子６０の回転エネルギーに変換される。排気ガス５０は、各タービン段を通過した後、タービン１８から軸方向５２に出る。
【００２４】
本実施形態では、各第１段ベーン５６は端壁６６から半径方向６８に外側に延びる。端壁６６は、高温の排気ガス５０が回転子６０に入るのを遮断するように構成される。同様の端壁が第２段ベーン６２、および後続の下流のベーンが存在する場合はそれに隣接するように存在してもよい。同様に、各第１段ブレード５８はプラットホーム７０から半径方向６８に外側に延びる。理解されるように、プラットホーム７０は、ブレード５８を回転子６０に結合するシャンク７２の一部である。シャンク７２は、高温の排気ガス５０が回転子６０に入るのを阻止するように構成されたシールまたはエンジェルウィング７４も含む。同様のプラットホームおよびエンジェルウィングが第２段ブレード６４、および後続の下流のブレードが存在する場合は、それに隣接するように存在してもよい。さらに、シュラウド７６が第１段ブレード５８から半径方向に外側に位置付けられる。シュラウド７６は、ブレード５８を迂回する排気ガス５０の量を最小限に抑えるように構成される。ガスの迂回は、迂回するガスからのエネルギーが、ブレード５８によって捕捉され、回転エネルギーに変換されないために望ましくない。
【００２５】
理解されるように、タービン１８内の多様な構成要素（たとえば、ベーン５６および６２、ブレード５８および６４、端壁６６、プラットホーム７０、エンジェルウィング７４、シュラウド７６など）はパルスデトネーション管３６からの高温の排気ガス５０に曝される。したがって、幾つかの実施形態では、タービン１８の少なくとも１つの構成要素は、基材、および排気ガス５０の流れに面する基材の表面に隣接するように配置された熱保護層を含むことができる。こうした実施形態では、熱保護層を、パルスデトネーションシステムの動作中に、排気ガス５０の流れに面する基材の表面の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成することができる。その結果、タービン構成要素の寿命を延ばし、かつ／または比較的軽くて薄い、かつ／または比較的低コストの構成要素を使用することができる。たとえば、第１段ベーン５６またはブレード５８は、排気ガス５０の流れに面する基材の表面に隣接するように配置された熱保護層を有する基材を含んで、ベーン５６またはブレード５８を高温の排気ガス５０から保護することができる。理解されるように、こうした構成では、排気ガス５０の流れに面するベーン５６またはブレード５８の表面は、ベーン５６またはブレード５８の外面である。他の例では、熱保護層を、排気ガス５０の流れに面するシュラウド７６、プラットホーム７０、または端壁６６の基材の表面に隣接するように配置することができる。こうした構成では、排気ガス５０の流れに面するシュラウド７６、プラットホーム７０、または端壁６６の表面（すなわちタービン１８を通る流路に面する表面）は、それぞれの構成要素の内面である。
【００２６】
幾つかの実施形態では、上記の構成要素（ベーン５６および６２、ブレード５８および６４、端壁６６、プラットホーム７０、エンジェルウィング７４、およびシュラウド７６）は全て熱保護層を含むことができる。代替実施形態では、一部の構成要素だけが熱保護層を含むことができ、他の構成要素ではこの層が省略される。たとえば、例示の一実施形態では、各第１段ベーン５６および各第１段ブレード５８は熱保護層を含むことができるが、上記の他の構成要素はこの層を含まない。他の実施形態では、幾つかの構成要素の一部だけが熱保護層を含むことができる。たとえば、第１段ブレード５８の一部のみがこの層を含むことができるが、残りの部分ではこの層が省略されてもよい。理解されるように、上記の構成要素のどの組み合わせも熱保護層を含むことができ、または省略することができる。他の実施形態では、タービン１８内の他の構成要素（たとえば、カバープレート、シャンク７２、シールなど）が熱保護層を含むこともできる。
【００２７】
図５は、周囲のベース管の内面の温度変動を制限するように構成された熱保護層を含む、図２で示したパルスデトネーション管３６の一実施形態の断面斜視図である。具体的には、図で示したパルスデトネーション管３６は、ベース管７８、接着剤８０、および熱保護層８２を含む。図で示したように、熱保護層８２はベース管７８の内面８３（たとえば、排気ガスの流れに面する表面）に隣接するように配置される。代替実施形態では、接着剤８０を省略し、熱保護層８２をベース管７８の内面８３上に直接配置することができる。熱保護層８２は、長期にわたりデトネーション熱を分散するように構成され、それによってベース管７８の最大暴露温度が低下される。本実施形態では、単一の熱保護層８２が図に示されているが、理解されるように、代替実施形態は、ベース管７８を温度変動から保護するように構成された複数の（たとえば、２、３、４、５、または６以上の）サブ層を含むことができる。幾つかの実施形態では、様々な材料を各サブ層用に選択して、ベース管７８内の所望の温度プロフィールを確立することができる。
【００２８】
幾つかの構成では、パルスデトネーション管３６内で毎秒１０から１００のデトネーションを起こすことができ、それによって約１０から１００ｍｓのサイクル時間が確立される。こうした構成では、デトネーション波が約２０００ｍ／ｓでパルスデトネーション管３６を通って伝播可能である。したがって、パルスデトネーション管３６を約０．５から４ｍｓの間で高い燃焼温度に曝すことができる。たとえば、デトネーション波が伝播するときに、パルスデトネーション管３６を温度摂氏約２０００度に曝すことができる。排気ガスがパルスデトネーション管３６から出た後、管３６の内部を１０から１００ｍｓサイクルの残りにわたり摂氏約３５０度のガス温度に曝すことができる。長期にわたりデトネーション熱を分散し、ベース管７８を断熱することによって、ベース管７８の平均および最大の過渡的温度を大幅に低下させることができる。
【００２９】
理解されるように、動作中にパルスデトネーション管３６を高圧に曝すことができる。たとえば、デトネーション波は静圧（たとえば、デトネーション前の圧力）の約１８倍よりも大きい圧力をベース管７８の内面８３に加えることがある。したがって、ベース管７８を、こうした長期間（たとえば、約２０，０００時間）にわたる動作の圧力に耐えるように特別に構成することができる。したがって、ベース管７８を、パルスデトネーション管３６内の最大予想圧力に基づいて選択した材料特性を有する、金属、金属マトリックス複合材、またはセラミックマトリックス複合材から構築することができる。さらに、ベース管７８の厚さ８４を、ベース管の材料の構造特性に基づいて選択することができる。たとえば、比較的強い材料では、比較的薄い厚さ８４を有して、重量を減少させることができる。
【００３０】
パルスデトネーション管３６は、長期にわたりデトネーション反応熱を分散し、かつ／またはベース管７８を断熱するように構成された熱保護層８２も含む。理解されるように、高周波数サイクルの温度変動によって、ベース管７８内に亀裂および／または他の欠陥が生じる恐れがある。ベース管７８が穏やかな温度変動を受けた場合でも、こうした亀裂が形成されることがある。たとえば、摂氏２０度で周波数５０Ｈｚの温度変動では、熱応力および亀裂の形成によって、ベース管７８の構造的完全性が急速に低下することがある。したがって、幾つかの実施形態では、熱保護層８２を、パルスデトネーション管３６の動作中に、ベース管７８の内面８３の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成することができる。他の実施形態では、熱保護層８２の温度変動を、摂氏約１５、１２、１０、７、５、または２度未満に制限するように構成することができる。
【００３１】
所望の温度変動の制限を行うため、熱保護層８２は、長期にわたりデトネーション熱を十分有効に分散するのに十分な特性および／または厚さを有する材料から構成してもよい。たとえば、熱保護層８２は、約９Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する材料から構成してもよい。代替実施形態は、７、５、３、１、または０．５Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する材料を使用することができる。熱伝導率は、材料が熱を伝導しやすい傾向に関連する材料特性である。比較的低い熱伝導率を有する材料は、熱の流れに抵抗するため、有効な断熱材である。比較的低い熱伝導率の熱保護層８２は、熱流束に抵抗し、温度変動を緩衝する働きをすることができ、それによってベース管７８の平均および最大の過渡的温度が低下する。
【００３２】
熱保護層８２がベース管７８の内面８３の温度変動を制限する能力を示すことができる他のパラメータは熱拡散率、αである。理解されるように、熱拡散率は熱容量に対する熱伝導性の比率であり、以下の式で定義することができる：
【００３３】
【数１】
2011185268.tif 000003
式中、ｋは熱伝導率、ρｃｐは熱容量である。比較的低い熱拡散率を有する材料は、材料の熱容量に対して熱をゆっくり伝えるため、熱を効率的に移動させない。幾つかの実施形態では、熱保護層８２は、約０．０００００２ｍ２／ｓ未満の熱拡散率を有する材料から構成されてもよい。代替実施形態は、０．０００００１５、０．０００００１、または０．００００００５ｍ２／ｓ未満の熱拡散率を有する材料を使用することができる。比較的低い熱拡散率の熱保護層８２は、燃焼過程に関連する熱を吸収し、長期にわたり熱をベース管７８に均等に分散する働きをすることができ、それによってベース管７８の最高温度が低下し、温度変動が制限される。
【００３４】
熱保護層８２が温度変動に抵抗し、かつ／またはベース管７８を断熱する能力をビオ数、Ｂｉで定義することもできる。理解されるように、ビオ数は、材料の内部および表面の熱抵抗率であり、以下の式で定義することができる：
【００３５】
【数２】
2011185268.tif 000004
式中、ｈは熱伝達係数であり、Ｌｃは代表長さである。さらに理解されるように、代表長さは、たとえば、熱保護層８２の厚さでもよい。比較的高いビオ数を有する材料は、所与の加熱または冷却条件では、材料の表面よりも材料の内部の熱伝導を比較的遅くしやすく、それによってベース管７８の内面８３の温度変動が低減される。幾つかの実施形態では、熱保護層８２は、約０．５よりも大きいビオ数を有する材料から構成されてもよい。代替実施形態は、約１、１．５、２、２．５、または３よりも大きいビオ数を有する材料を使用することができる。比較的大きいビオ数の熱保護層８２は、燃焼過程に関連する熱を吸収し、長期にわたり熱をベース管７８に均等に分散する働きをすることができ、それによってベース管７８の最高温度が低下し、温度変動が制限される。
【００３６】
熱保護層８２がベース管７８の内面８３の温度変動を制限する能力を示すことができる他のパラメータは表面の温度変動に対する抵抗係数、Ｃである。表面の温度変動に対する抵抗係数を以下の式で定義することができる：
【００３７】
【数３】
2011185268.tif 000005
式中ωは周波数である。表面の温度変動に対する抵抗係数が比較的低い材料では、大きい温度変動が表面で起こりやすくなるが、こうした変動の熱保護層８２内への浸透深さを制限することができ、それによってベース管７８の内面８３の温度変動が低減される。幾つかの実施形態では、熱保護層８２は、表面の温度変動に対する抵抗係数が約５５未満の材料から構成されてもよい。代替実施形態は、表面の温度変動に対する抵抗係数が約５０、４５、４０、３５、３０、２５、２０、１５、または１０未満の材料を使用することができる。表面の温度変動に対する抵抗係数が比較的小さい熱保護層８２は、燃焼過程に関連する熱を吸収し、長期にわたり熱をベース管７８に均等に分散する働きをすることができ、それによってベース管７８の最高温度が低下し、温度変動が制限される。
【００３８】
熱伝導率および熱拡散率は、デトネーション熱の熱保護層８２内への浸透深さに影響を与えることもある。たとえば、浸透深さｘを以下の式で概算することができる：
【００３９】
【数４】
2011185268.tif 000006
式中、ｔはデトネーション波への暴露時間である。計算した浸透深さｘに基づいて、熱保護層８２の厚さ８８を選択することができる。具体的には、厚さ８８を浸透深さｘよりも大きくして、デトネーション熱がベース管７８に浸透しないようにすることができる。たとえば、熱保護層８２の厚さ８８は、約千分の３から１０インチ（すなわち約７６から２５４ミクロン）でもよい。
【００４０】
幾つかの実施形態では、熱保護層８２は、ベース管７８に塗布する熱保護コーティングを含むことができる。コーティングを、たとえば、蒸着、浸漬、スプレーコーティング、電子ビーム物理蒸着、またはプラズマ溶射など、任意の適した処理によって塗布することができる。前に論じたように、コーティングを、パルスデトネーション管３６の動作中に、ベース管７８の内面８３の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成することができる。浸透深さを求める式に基づき、コーティングの熱伝導率および概ねのデトネーション波暴露時間に基づいて、コーティングの厚さを選択することができる。たとえば、コーティングの厚さは、約千分の１から１５、２から１２、または約３から１０インチでもよい。コーティングは、セラミック、金属、金属合金、または任意の他の適切な材料で構成することができる。適したセラミックコーティングの例には、限定的ではないが、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、セリア安定化ジルコニア（ＣｅＯ２−ＹＳＺ）、またはチタン酸カルシウムを含むことができる。金属コーティングには、限定的ではないが、ニッケル、コバルト、タングステン、チタン、またはこうした金属を含む合金を含むことができる。
【００４１】
幾つかの実施形態では、接着剤８０をベース管７８と熱保護層８２の間に配置して、ベース管７８にコーティングを固定することができる。接着剤８０の厚さ８６は、約千分の０．５から２インチ（すなわち約１２から５１ミクロン）でもよい。接着剤８０は、たとえば、ニッケルクロムアルミニウムイットリア（ＮｉＣｒＡｌＹ）合金、またはニッケルコバルトクロムアルミニウムイットリア（ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ）合金など、耐酸化金属から構成してもよい。燃焼器１６の動作中、デトネーション波からの熱によって、接着剤８０が接着剤８０と熱保護層８２の間に熱成長酸化物（ＴＧＯ）層を形成することがある。ＴＧＯ層はベース管７８の酸化を制限する働きをするアルミニウムが豊富な酸化物を含むことができる。ＴＧＯ層の厚さは、約１から１０ミクロンでありうる。
【００４２】
代替実施形態では、熱保護層８２は長期にわたり摩耗するように構成されたアブレーティブコーティングでもよい。幾つかの構成では、コーティングを摩耗する過程で、熱をベース管７８から除去する働きがなされ、それによってベース管７８の一定状態の温度が低下する。さらに、デトネーション反応からの熱が、固体削摩剤を蒸発させる可能性があり、それによって熱保護層８２に隣接するようにガスの層が形成される。このガス層はベース管７８を高温のデトネーション反応からさらに断熱する働きをすることができる。理解されるように、アブレーティブコーティングを所望の間隔をおいて定期的に再塗布することによって、適切なコーティングの厚さを確実に維持することができる。
【００４３】
他の実施形態では、熱保護層８２は取り外し可能な機械的インサートでもよい。アブレーティブコーティングと同様に、機械的インサートを長期にわたり摩耗するように構成することができる。したがって、機械的インサートを定期的にベース管７８から取り外し、交換して、熱保護層８２の適切な厚さ８８を確保することができる。幾つかの実施形態では、コーティングに関して上述した接着剤と同様の接着剤８０によって機械的インサートをベース管７８に固定することができる。
【００４４】
図で示したように、このパルスデトネーション管３６は、排気ガス５０の流れを加速し、かつ／または管３６からタービン１８に向けるように構成された先細ノズル４６を含む。上記のパルスデトネーション管３６と同様に、図で示したノズル４６は、基材９０、接着剤９２、および熱保護層９４を含む。図で示したように、熱保護層９４は基材９０の内面９５（たとえば、排気ガスの流れに面する表面）に隣接するように配置される。代替実施形態では、接着剤９２を省略することができ、熱保護層９４を基材９０の内面９５上に直接配置することができる。熱保護層９４は、長期にわたりデトネーション熱を分散するように構成され、それによって基材９０の最大暴露温度が低下される。本実施形態では単一の熱保護層９４が図に示されているが、理解されるように、代替実施形態は、基材９０を温度変動から保護するように構成された複数（たとえば、２、３、４、５、または６以上）のサブ層を含むことができる。幾つかの実施形態では、様々な材料を各サブ層用に選択して、基材９０内の所望の温度プロフィールを確立することができる。
【００４５】
上記のベース管７８と同様に、基材９０の厚さ９６を基材９０の構造特性に基づいて選択することができる。たとえば、比較的強い材料では、比較的薄い厚さ９６を有して重量を減少させることができる。したがって、基材９０を、ノズル４６内の最大予想圧力に基づいて選択した材料特性を有する金属、金属マトリックス複合材、またはセラミックマトリックス複合材から構築することができる。
【００４６】
上記の熱保護層８２と同様に、熱保護層９４は、パルスデトネーション管３６の動作中に、基材９０の内面９５の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成される。他の実施形態では、熱保護層９４を、温度変動を摂氏約１５、１２、１０、７、５、または２度未満に制限するように構成することができる。所望の温度変動の制限を行うため、熱保護層９４は、長期にわたりデトネーション熱を有効に分散するのに十分な特性および／または厚さを有する材料から構成してもよい。たとえば、熱保護層９４は、熱保護層８２を参照して上述した範囲内の熱伝導率、熱拡散率、ビオ数、および／または表面の温度変動に対する抵抗係数を有することができる。
【００４７】
さらに、熱保護層９４の厚さ１００を熱の層９４内への浸透深さよりも厚くして、デトネーション熱が基材９０を浸透しないようにすることができる。また、理解されるように、熱保護層９４は、パルスデトネーション管３６の熱保護層８２に関して上述したものなど、取り外し可能な機械的インサート、塗布した熱保護コーティング、またはアブレーティブコーティングでもよい。幾つかの実施形態では、接着剤９２を基材９０と熱保護層９４の間に配置して、層９４を基材９０に固定することができる。接着剤９２の厚さ９８は、約千分の０．５から２インチ（すなわち約１２から５１ミクロン）でもよく、基材９０の酸化を制限する働きをすることができる。熱保護層９４および接着剤９２について先細ノズル４６を参照して上述したが、理解されるように、同様の熱保護層９４および接着剤９２を、図３で示したものなど、先細−末広ノズル４７に加えることができる。
【００４８】
図６は、排気ガスの流れに面するシュラウド７６の表面の温度変動を制限するように構成された熱保護層を含む、図４の線６−６に沿って切り取られたシュラウド７６の断面図である。図で示したように、シュラウド７６は、基材１０２、接着剤１０４、および熱保護層１０６を含む。熱保護層１０６は、基材１０２の内面１０３（たとえば、排気ガスの流れに面する表面）に隣接するように配置される。代替実施形態では、接着剤１０４を省略し、熱保護層１０６を基材１０２の内面１０３上に直接配置することができる。熱保護層１０６は、長期にわたりデトネーション熱を分散するように構成され、それによって基材１０２の最大暴露温度が低下する。本実施形態では、単一の熱保護層１０６が図に示されているが、理解されるように、代替実施形態は、基材１０２を温度変動から保護するように構成された複数の（たとえば、２、３、４、５、または６以上の）サブ層を含むことができる。幾つかの実施形態では、様々な材料を各サブ層用に選択して、基材１０２内の所望の温度プロフィールを確立することができる。
【００４９】
上記の熱保護層８２と同様に、熱保護層１０６は、タービン１８の動作中に、基材１０２の内面１０３の温度変動を摂氏約２０度未満に制限するように構成される。他の実施形態では、熱保護層１０６を、温度変動を摂氏約１５、１２、１０、７、５、または２度未満に制限するように構成することができる。所望の温度変動の制限を行うため、熱保護層１０６は、長期にわたりデトネーション熱を有効に分散するのに十分な特性および／または厚さを有する材料からなるものでもよい。たとえば、熱保護層１０６は、熱保護層８２を参照して上述した範囲内の熱伝導率、熱拡散率、ビオ数、および／または表面の温度変動に対する抵抗係数を有することができる。
【００５０】
さらに、熱保護層１０６の厚さ１１０を熱の層１０６内への浸透深さよりも厚くして、デトネーション熱が基材１０２に浸透しないようにすることができる。また、理解されるように、熱保護層１０６は、パルスデトネーション管３６の熱保護層８２に関して上述したものなど、取り外し可能な機械的インサート、塗布した熱保護コーティング、またはアブレーティブコーティングでもよい。幾つかの実施形態では、接着剤１０４を基材１０２と熱保護層１０６の間に配置して、層１０６を基材１０２に固定することができる。接着剤１０４の厚さ１０８は、約千分の０．５から２インチ（すなわち約１２から５１ミクロン）でもよく、基材１０２の酸化を制限する働きをすることができる。熱保護層１０６および接着剤１０４についてシュラウド７６を参照して上述したが、理解されるように、同様の熱保護層１０６および接着剤１０４をベーン５６および６２、ブレード５８および６４、端壁６６、プラットホーム７０、エンジェルウィング７４、またはタービン１８内の任意の他の構成要素に加えて、タービン１８をパルスデトネーション燃焼器１６の動作に関連する温度変動から保護することができる。
【００５１】
この記載の説明は、最良の形態を含む例を使用して、本発明を開示し、また当業者が全て、任意の装置またはシステムを製作し、使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含み、本発明を実施することができるようにするものである。本発明の特許を受けることができる範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。こうした他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない等価の構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内に包含されるものとする。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ガスタービンシステム
１２  燃料噴射器
１４  燃料供給部
１６  燃焼器
１８  タービン
１９  シャフト
２０  排気出口
２２  圧縮器
２４  取入れ口
２６  負荷
３０  空気
３２  圧縮空気
３４  燃料−空気混合物
３６  パルスデトネーション管
３８  空気弁
４０  パルスデトネーション管の上流端
４２  点火源
４４  排気ガス
４６  先細ノズル
４７  先細−末広ノズル
４８  パルスデトネーション管の下流端
５０  排気ガス
５２  軸方向
５４  円周方向
５６  第１段ベーン
５８  第１段ブレード
６０  タービン回転子
６２  第２段ベーン
６４  第２段ブレード
６６  端壁
６８  半径方向
７０  プラットホーム
７２  シャンク
７４  エンジェルウィング
７６  タービンシュラウド
７８  ベース管
８０  接着剤
８２  熱保護層
８３  ベース管の内面
８４  ベース管の厚さ
８６  接着剤の厚さ
８８  熱保護層の厚さ
９０  基材
９２  接着剤
９４  熱保護層
９５  基材の内面
９６  基材の厚さ
９８  接着剤の厚さ
１００  熱保護層の厚さ
１０２  基材
１０３  基材の内面
１０４  接着剤
１０６  熱保護層
１０８  接着剤の厚さ
１１０  熱保護層の厚さ
【図１】
2011185268.tif 000007
【図２】
2011185268.tif 000008
【図３】
2011185268.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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