(57)【要約】  デトネーションまたはパルスエンジン技術（例えば、内部デトネーションエンジン）を組み込んだ複数のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン、および、同ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンを製造し、用いる複数の方法が開示される。内部デトネーションエンジンは、燃料点火器を内部に有するデトネーションチャンバと、燃料を受ける少なくとも第１開口を有する、デトネーションチャンバの一端部における固定子と、固定子に隣接する回転子と、燃料に点火する、または燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを機械的エネルギーに変換するよう構成されたエネルギー伝達メカニズムとを含む。デトネーションチャンバと燃料点火器とは、デトネーションチャンバ内で燃料に点火し、または燃料を爆発させるよう構成される。固定子とデトネーションチャンバとのうちいずれかは、デトネーションガスを排気する第２開口を有する。回転子は、回転子が回転すると少なくとも第１開口と重なるよう構成された１または複数の第３開口を内部に有する。
2015524893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部デトネーションエンジンであり、
ａ）燃料点火器を内部に有するデトネーションチャンバと、
ｂ）前記燃料を受ける第１開口を少なくとも有する、前記デトネーションチャンバの第１端部における第１固定子と、
ｃ）前記第１固定子に隣接する第１回転子と、
ｄ）前記燃料に点火する、または前記燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを機械的エネルギーに伝達するエネルギー伝達メカニズムと
を備え、
前記デトネーションチャンバと前記燃料点火器とは、前記デトネーションチャンバ内で燃料に点火し、または前記燃料を爆発させ、
前記第１固定子と前記デトネーションチャンバとのうちいずれかは、１または複数のデトネーションガスを排気する第２開口を有し、
前記第１回転子は、前記第１回転子が回転すると少なくとも前記第１開口と重なる１または複数の第３開口を内部に有する、内部デトネーションエンジン。
【請求項２】
呼気チャンバをさらに備え、
前記呼気チャンバは、（ｉ）前記第１開口と間欠的に連通する燃料呼気ポートと、（ｉｉ）前記第２開口と間欠的に連通する排気ポートとを有し、
前記呼気チャンバと前記第１固定子とは、前記第１回転子を封止して収容し、前記呼気チャンバと前記第１固定子との間で前記第１回転子を回転させる、請求項１に記載の内部デトネーションエンジン。
【請求項３】
前記機械的エネルギーを受ける駆動メカニズムをさらに備える、請求項１または２に記載の内部デトネーションエンジン。
【請求項４】
（ｉ）前記駆動メカニズムから前記機械的エネルギーを受け、（ｉｉ）前記第１回転子を直接的または間接的に回転させるタイミングギヤをさらに備える、請求項３に記載の内部デトネーションエンジン。
【請求項５】
前記駆動メカニズムは、前記エネルギー伝達メカニズムに接続された１または複数のロッドと、前記１または複数のロッドのうち少なくとも１つのロッドから前記機械的エネルギーを受けるクランクシャフトとを有する、請求項３または４に記載の内部デトネーションエンジン。
【請求項６】
前記クランクシャフトはギヤまたは車輪を駆動し、
前記ギヤまたは車輪は今度は、１または複数のシャフトまたはベルトを駆動する、請求項５に記載の内部デトネーションエンジン。
【請求項７】
前記デトネーションチャンバはシリンダとシリンダヘッドとを有し、
前記シリンダヘッドは、前記第１開口および前記第２開口を内部に含み、
前記エネルギー伝達メカニズムは、前記少なくとも１つのロッドに取り付けられたピストンを有し、
前記ピストンは、前記シリンダ内にスライド式に嵌まる、請求項５または６に記載の内部デトネーションエンジン。
【請求項８】
前記第１回転子上に潤滑剤と表面コーティングとのうち少なくとも一方をさらに備え、
前記表面コーティングは、前記第１回転子と前記第１固定子との間の摩擦を低減する、請求項１から７のいずれか一項に記載の内部デトネーションエンジン。
【請求項９】
第２固定子と
第２回転子と
をさらに備え、
前記第２開口は前記第２固定子の内部にあり、
前記第２回転子は、前記第２開口と重なる１または複数の第４開口を内部に有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の内部デトネーションエンジン。
【請求項１０】
ａ）請求項１から４、８、および９のいずれか一項に記載の内部デトネーションエンジンと、
ｂ）シャフトと、
ｃ）前記第１固定子および前記第１回転子の上流の圧縮機と、
ｄ）前記シャフトに回転可能に固定された、前記内部デトネーションエンジンの下流の１または複数のタービンファンと
を備えるハイブリッド内部デトネーションタービンエンジン。
【請求項１１】
前記圧縮機は、前記シャフトに回転可能に固定された１または複数のロータリーファンを有し、
前記１または複数のタービンファンは、前記１または複数のロータリーファンを回転させ、前記デトネーションチャンバ内に空気が取り込まれる前に前記回転子において前記空気を圧縮する、請求項１０に記載のハイブリッド内部デトネーションタービンエンジン。
【請求項１２】
エネルギーを変換する方法であり、
ａ）デトネーションチャンバの第１端部における第１固定子の第１開口を少なくとも通じて前記デトネーションチャンバ内に燃料を導入する段階と、
ｂ）前記デトネーションチャンバ内で燃料に点火する、または前記燃料を爆発させる段階と、
ｃ）前記第１固定子と前記デトネーションチャンバとのうちいずれかの第２開口を通じて１または複数のデトネーションガスを排気する段階と、
ｄ）前記燃料に点火すること、または前記燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを、１または複数のシャフト、車輪、またはギヤにおいて機械的エネルギーに変換する段階と、
ｅ）  前記第１固定子に隣接する第１回転子を回転させる段階と
を備え、
前記第１回転子は１または複数の第３開口を内部に有し、
前記１または複数の第３開口は前記第１回転子が回転すると少なくとも前記第１開口と重なり、そうではなく、前記１または複数の第３開口のうちどれも前記第１開口に重ならない場合には、前記第１開口を封止する、方法。
【請求項１３】
前記燃料に点火すること、または前記燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを、機械的エネルギーに変換する段階は、１または複数のロッドのうち少なくとも１つから前記機械的エネルギーを受けるクランクシャフトに接続された前記１または複数のロッドを駆動する段階を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記クランクシャフトはギヤまたは車輪を駆動し、
前記ギヤまたは車輪は今度は、１または複数のシャフトまたはベルトを駆動する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記１または複数のシャフトまたはベルトのうち少なくとも１つから前記機械的エネルギーを受けるタイミングギヤを駆動する段階と、
前記タイミングギヤと、前記タイミングギヤに取り付けられた回転軸とを用いて前記第１回転子を直接的または間接的に回転させる段階と
をさらに備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記デトネーションチャンバはシリンダとシリンダヘッドとを有し、
前記シリンダヘッドは前記第１開口および前記第２開口を内部に含み、
前記燃料に点火すること、または前記燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを、機械的エネルギーに変換する段階は、前記シリンダ内でピストンをスライド式に動かす段階を有し、
前記ピストンは、前記少なくとも１つのロッドに取り付けられている、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
ａ）呼気チャンバの燃料呼気ポートを通じて前記燃料を提供する段階と、
ｂ）前記呼気チャンバの排気ポートを通じて前記１または複数のデトネーションガスを排気する段階と
をさらに備え、
前記燃料呼気ポートは、前記第１開口と間欠的に連通し、
前記排気ポートは、前記第２開口と間欠的に連通し、
前記呼気チャンバと前記第１固定子とは、前記第１回転子を封止して収容し、前記呼気チャンバと前記第１固定子との間で前記第１回転子を回転させる、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１回転子と前記第１固定子との間の摩擦を低減すべく前記第１回転子の表面を潤滑にする段階をさらに備える、請求項１２から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記デトネーションチャンバは第２固定子を含み、
前記第２開口は前記第２固定子の内部にあり、
前記方法は、前記第２固定子に隣接する第２回転子を回転させる段階をさらに備え、
前記第２回転子は、１または複数の第４開口を内部に有し、
前記１または複数の第４開口は、前記第２回転子が回転する場合に前記第２開口と重なり、そうではなく、前記１または複数の第４開口のうちどれも前記第２開口に重ならない場合には、前記第２開口を封止する、請求項１２から１５、および１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記機械的エネルギーを用いて、シャフトに回転可能に固定された１または複数のタービンファンを回転させることにより、前記デトネーションチャンバの、前記１または複数のタービンファンとは反対側で前記シャフトに回転可能に固定された１または複数のロータリーファンを回転させ、前記デトネーションチャンバ内に空気が取り込まれる前に前記回転子において前記空気を圧縮する段階をさらに備える、請求項１２から１５、１８、および１９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１２年７月２４日に提出された米国仮特許出願第６１／７４１，６６１号、および２０１２年１１月３０日に提出された米国仮特許出願第６１／７９７，１６１号の便益を主張する。これら米国仮特許出願のそれぞれは、本明細書に完全に明記されているかのように、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本願発明は概してガスタービン技術の分野に関する。より詳細には、本願発明の複数の実施形態は、新規の内部デトネーションエンジン、同内部デトネーションエンジンを含む複数のハイブリッドエンジン（例えば、複数のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン）、並びに、同内部デトネーションエンジンおよびハイブリッドエンジンを製造し、用いる複数の方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
複数のタービンエンジンが、複数のジェット機などの複数の車両を推進し、産業的な集中方式の動力生成のために電力を生成するために用いられている。典型的には、ガスタービンは、順次配置された圧縮機と、燃焼器と、タービンとから成る。流入空気は圧縮機において高圧力となるよう圧縮され、高速かつ高圧力で燃焼器内に供給される。燃焼器では空気が燃料と混合され、高温であり圧縮された気体流を生成すべく燃やされる。同気体流は、タービン部内に渡され、気体はタービン部で膨張し、タービンを駆動する。タービンは気体のエネルギー（例えば、エンタルピー）を、圧縮機、および任意で、ガスタービンに連結された他の複数のデバイスを駆動するのに用いられる機械的作用へと変換する。
【０００４】
最近の技術進歩により、殆どの車に用いられる複数のガソリン燃焼エンジンより軽量かつより安価である小型の複数のガスタービンエンジンの製造が可能となった。またそのような複数のタービンエンジンは、生じさせる公害が少ない。図１および２には、２つの従来のガスタービンエンジンの図が示されている。
【０００５】
図１は、典型的には動力生成において用いられる従来のガスタービンエンジン１０を示す。図１のガスタービン１０は、（複数のステージを有し得る）圧縮部１４と、燃焼部またはチャンバ１６と、タービン部１８とを含む。圧縮部１４は、（例えば、空気吸入口１２において）流入空気の圧力および温度を高めるためのものである。燃焼部またはチャンバ１６はエンジンの周辺に位置する複数の燃焼室を有し、燃焼部またはチャンバ１６では、流入空気の温度および圧力をさらに高めるべく燃料が点火される。タービン部１８では、タービンの中心回転軸を回転させ動力を生成するようタービンの回転子を駆動すべく、および機械的エネルギーを生成すべく高温である圧縮空気または排気２０が供給される。
【０００６】
図２は、航空機の推進のために用いられ得る従来のターボファンタービンエンジン５０を示す。従来のターボファンエンジン５０は、エンジン５０の前方において大きなファン５２を含む。ファン５２は、流入空気を加速させ、低圧圧縮機６０および／または高圧圧縮機６２内に渡し、エンジン５０の外側に沿って延びるファンダクト８０内に渡す。ターボファンエンジン５０の、圧縮機６０および６２と、燃焼室７０と、高圧および低圧タービン部７２、７４とは、図１のガスタービンエンジン１０と同様のやり方で動作する。ターボファンエンジン５０の動作は、「バイパス流」（ファン５２により加速させられファンダクト８０を通過させられる空気）が、エンジンにより生成される合計の推力に寄与する点でガスタービンエンジン１０と異なる。
【０００７】
ほぼ全ての従来のジェットエンジンおよび殆どのロケットエンジンは、燃料の爆燃、つまり燃料の急速ではあるが音速以下である燃焼によって動作する。従来の複数のガスタービンおよびターボファンエンジンの燃焼室内での燃料の燃焼は、複数のタービンブレードに対して力を加え、機械的動力を生成する。そのような複数のエンジンにおいて、燃焼室は開放されたシステムであり、燃料の燃焼は継続的である。燃焼室における複数の点火源（複数の点火器）は、エンジンが始動されたときに点火するが、エンジンが動作している間は燃料および圧縮機からの圧縮空気が絶えず１または複数の燃焼室内に供給され、これにより燃料の点火が維持されるので、複数の点火源はその後遮断される。
【０００８】
最近の技術進歩は、他の複数のタイプのエンジン（例えば、複数の燃焼エンジン）より小さく、より軽量で、より効率的であり、かつ公害が少ない複数のガスタービンの利用を可能としたが、複数のガスタービンの効率性は向上され得る。例えば、従来の天然ガス燃焼型の複数のタービンジェネレータは、天然ガスの発熱量の２５から３５パーセントだけしか利用可能な電気へ変換しない。したがって、車両を推進するための、および電気を生成するためのより効率的なガスタービン技術に関する必要性がある。
【０００９】
この「背景技術」のセクションは、背景情報を提供するためだけに提供されている。この「背景技術」内に記載されているからといって、この「背景技術」のセクションに開示されている主題が本開示の先行技術を構成すると認めたことにはならず、この「背景技術」のセクションのいずれの部分も、この「背景技術」のセクションを含む本願の何らかの部分が本開示の先行技術を構成することの根拠として用いられ得ない。
【発明の概要】
【００１０】
本願発明は、新規の内部デトネーションエンジン、デトネーションまたはパルスエンジン技術（例えば、同内部デトネーションエンジン）をさらに組み込んだ新規の複数のハイブリッドガスタービンエンジン、並びに、同内部デトネーションエンジンおよびハイブリッドガスタービンエンジンを製造し、用いる複数の方法に関する。したがって、本願発明は、ガスタービン（ターボファン）推進力およびパルスエンジン推進力の２つの推進源（ｍ／ｓまたはｍ／ｓ２で測定される）を利用し得るハイブリッドガスタービンエンジンシステムを提供する。ハイブリッドガスタービンエンジンは、航空機、船舶、および地上用の車両のための推進システムとして適合させられ得る。ハイブリッドガスタービン技術は、電気の効率的な生成または機械的駆動システムなど他の適用例にも適合させられ得る。
【００１１】
一態様において、本願発明は、燃料点火器を内部に有するデトネーションチャンバと、デトネーションチャンバの端部における固定子と、固定子に隣接する回転子と、燃料に点火する、または燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを機械的エネルギーに伝達するよう構成されたエネルギー伝達メカニズムとを備える内部デトネーションエンジンに関する。デトネーションチャンバと燃料点火器とは、デトネーションチャンバ内で燃料に点火し、または燃料を爆発させるよう構成される。第１固定子は、燃料を受ける第１開口を少なくとも有する。固定子とデトネーションチャンバとのうちいずれかは、デトネーションガスを排気する第２開口を有する。回転子は、回転子が回転すると少なくとも第１開口と重なるよう構成された１または複数の第３開口を内部に有する。
【００１２】
本願発明に係る内部デトネーションエンジンの様々な実施形態は、呼気チャンバをさらに備え、呼気チャンバは、（ｉ）第１開口と間欠的に連通する燃料呼気ポートと、（ｉｉ）第２開口と間欠的に連通する排気ポートとを有する。呼気チャンバと固定子とは、回転子を封止して収容し、呼気チャンバと固定子との間で回転子を回転させ得る。加えて、本願発明に係る内部デトネーションエンジンは、機械的エネルギーを受けるよう構成された駆動メカニズムをさらに備え得る。駆動メカニズムは、例えば、（１）エネルギー伝達メカニズムに接続された１または複数のロッドと、（２）１または複数のロッドのうち少なくとも１つから機械的エネルギーを受けるクランクシャフトとを有し得る。クランクシャフトはギヤまたは車輪を駆動し得、ギヤまたは車輪は今度は、１または複数のシャフトまたはベルトを駆動する。本願発明に係る内部デトネーションエンジンの更なる実施形態は、（ｉ）駆動メカニズムから機械的エネルギーを受け、（ｉｉ）回転子を直接的または間接的に回転させるよう構成されたタイミングギヤをさらに備え得る。
【００１３】
いくつかの実施形態において、デトネーションチャンバはシリンダとシリンダヘッドとを有し得、エネルギー伝達メカニズムは、ロッドに取り付けられたピストンを有し、ピストンは、シリンダ内にスライド式に嵌まるよう構成されている。シリンダヘッドは、第１開口および第２開口を内部に含み得る。好ましくは、回転子とその筐体（例えば、呼気チャンバおよび固定子）との間に、例えば回転子の表面上に潤滑剤および／または表面コーティングがあり得る。表面コーティングおよび／または潤滑剤は概して、回転子と固定子との間の摩擦を低減する。例えば、表面コーティングは、窒化ケイ素を含む、または窒化ケイ素から成り得、窒化ケイ素はさらに、回転子を機械的に保護するよう機能し得る。
【００１４】
いくつかの実施形態において、本願発明に係る内部デトネーションエンジンは、第２固定子と第２回転子とをさらに備える。第２開口は第２固定子の内部にあり得、第２固定子は、デトネーションチャンバの反対の端部にあり得る。第２回転子は概して、第２開口と重なるよう構成された１または複数の第４開口を内部に有する。
【００１５】
本願発明の更なる態様は、内部デトネーションエンジンと、シャフトと、シャフトに回転可能に固定された、第１固定子および第１回転子の上流の１または複数のロータリーファンと、シャフトに回転可能に固定された、内部デトネーションエンジンの下流の１または複数のタービンファンとを備えるハイブリッド内部デトネーションタービンエンジンに関する。１または複数のタービンファンおよびシャフトは概して、１または複数のロータリーファンの空気圧縮機能を駆動するよう構成されている。
【００１６】
更なる態様において本願発明は、デトネーションチャンバの端部における固定子の第１開口を少なくとも通じてデトネーションチャンバ内に燃料を導入する段階と、デトネーションチャンバ内で燃料に点火する、または燃料を爆発させる段階と、固定子とデトネーションチャンバとのうちいずれかの第２開口を通じてデトネーションガスを排気する段階と、燃料に点火すること、または燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを、１または複数のシャフト、車輪、またはギヤにおいて機械的エネルギーに変換する段階と、固定子に隣接する回転子を回転させる段階とを備える、エネルギーを変換する方法にも関する。回転子は１または複数の第３開口を内部に有し、１または複数の第３開口は回転子が回転すると少なくとも第１開口と重なり、そうではなく、１または複数の第３開口が第１開口と重ならない場合には、第１開口を封止するよう構成されている。
【００１７】
本願発明は、パルスデトネーションの要素を一般的なタービンエンジン設計と一体化させ新規のハイブリッドガスタービンエンジンとすることにより既存の複数のターボファンおよびガスタービンエンジンの性能を向上させる。新規のハイブリッドガスタービンエンジンは既存のガスタービン技術と比較して、効率性を向上させ得、したがって、燃料消費を低下させ得、および／または動力生成を増加させ得る。パルスデトネーションエンジンにおいて、デトネーションチャンバにおける空気と燃料との可燃性の混合物が、超音速デトネーションにおいて点火される。デトネーションはチャンバ内の気体圧力を、約５０ａｔｍから約１５０ａｔｍの範囲まで高め得る。高温である圧縮ガスはその後、ノズルを通じて放出され、複数のタービン回転子を駆動し、および／または推力を生成し得る。本願発明の新規のハイブリッドガスタービンエンジンは、エンジンのデトネーション部内にパルスデトネーションチャンバを含む。新規のガスタービンは追加的に、従来の複数のガスタービン燃焼室を含み得る。
【００１８】
ガスタービン設計に組み込まれたパルスデトネーションチャンバの新規の組み合わせは、化石燃料またはバイオ燃料の単位当たりで動力化され得る機械的エネルギーおよび推力の量を増加させる。より詳細には、パルスデトネーションチャンバを追加することにより、従来の複数のガスタービンおよびターボファンエンジンと比較して、タービン部へ伝達される力および推進力（および比推力）が高められる。したがって、本願発明に係るハイブリッドガスタービンは、同じまたはより少ない燃料量で、従来のガスタービンよりも多くの出力量を生成し得る。本願発明に係る技術は、天然ガス、合成ガス、石炭系Ｈ２、石油燃料製品（例えば、ガソリン、灯油、ジェット燃料、ディーゼル燃料、その他）、硝酸アンモニウム、亜酸化窒素、ニトロメタン、エタノール、バイオ燃料、および他の燃料を含む数多くの燃料源に用いられ得る。本願発明に係るハイブリッドガスタービンを生成するのに用いられ得る他の複数の物質源は、火薬、おがくず、藁、紙（例えば、地紙、細断紙、切断紙、その他）、および／または他の複数の安価な再生可能な燃料源を含む。いくつかの実施形態において、性能を最適化するために複数の燃料の組み合わせがハイブリッドガスタービンエンジンにおいて用いられ得る。例えば、エンジンを始動させるためにガソリンが用いられ得、続いて、エンジンが動作速度となった場合に、天然ガスまたはジェット燃料がガソリンの代わりに用いられ得る。
【００１９】
複数の更なる実施形態において、新規のガスタービンエンジンは、動力生成または他の機械的駆動の適用（例えば、複数の地上車両）に適合させられ得る。例えば、本願発明は、従来の電力生成に用いられ得るハイブリッドガスタービンエンジンを有利に提供する。タービンの回転するシャフトが発電機を駆動するのに用いられ得る。したがって、新規のガスタービンは、特別な複数の設計の変更または過度のコストなしで、従来の複数の電力生成システムと一体化され得る。
【００２０】
追加的に、新規のハイブリッドガスタービンは、従来のガスタービンに用いられる物質および部品と同様のものを用いて製造され得、したがって、製造コストは従来の複数のガスタービンの製造コストと実質的に同じであり得る。本願発明のこれら、および他の利点は、以下の好ましい複数の実施形態の詳細な説明から容易に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のガスタービンエンジンの断面図である。
【００２２】
【図２】従来のターボファンガスタービンエンジンの断面図である。
【００２３】
【図３】一実施形態に係るハイブリッドガスターボファンタービンエンジンの断面図である。
【００２４】
【図４】本願発明の一実施形態に係る、固定子極板および対応する回転子を示す図である。
【００２５】
【図５】本願発明に係る、半分にされた固定子の前面像および側面像を提供する図である。
【００２６】
【図６Ａ】本願発明の一実施形態に係る、ペアにされた固定子および回転子の前面像を提供する図である。
【００２７】
【図６Ｂ】本願発明の他の実施形態に係る、代替的な、ペアにされた固定子および回転子の前面像を提供する図である。
【００２８】
【図７】４ステップのデトネーションプロセスの間の前方ドアアセンブリおよび後方ドアアセンブリの複数の回転子位置を示す図である。
【００２９】
【図８】４ステップのデトネーションプロセスの間の、代替的な前方ドアアセンブリおよび後方ドアアセンブリの複数の回転子位置を示す図である。
【００３０】
【図９】本願発明の一実施形態に係るデトネーションチャンバの図である。
【００３１】
【図１０】本願発明で用いられるのに適したデトネーションチャンバのための固定子および回転子の４つの配置を示す図である。
【００３２】
【図１１】本願発明の一実施形態に係るさらに他のデトネーションチャンバを示す複数の図を提供する。
【００３３】
【図１２】本願発明の一実施形態に係るクランクシャフトアセンブリの図である。
【００３４】
【図１３】本願発明の一実施形態に係るハイブリッドターボファンガスタービンエンジンの断面図である。
【００３５】
【図１４】本願発明の他の実施形態に係るハイブリッドターボファンガスタービンエンジンの断面図である。
【００３６】
【図１５】本願発明の一実施形態に係るデュアルジェネレータ発電装置の図である。
【００３７】
【図１６】本願発明の一実施形態に係る、回転バルブを内部に有する例示的な内部デトネーションエンジンの図である。
【００３８】
【図１７】図１６の例示的な内部デトネーションエンジンの断面図である。
【００３９】
【図１８Ａ】本願発明の一実施形態に係る、回転バルブ、およびバネが搭載された封止アセンブリの図である。
【図１８Ｂ】本願発明の一実施形態に係る、回転バルブ、およびバネが搭載された封止アセンブリの図である。
【図１８Ｃ】本願発明の一実施形態に係る、回転バルブ、およびバネが搭載された封止アセンブリの図である。
【００４０】
【図１９Ａ】例示的な内部デトネーションエンジンの動作ステージの間の回転バルブの位置の図である。
【図１９Ｂ】例示的な内部デトネーションエンジンの動作ステージの間の回転バルブの位置の図である。
【図１９Ｃ】例示的な内部デトネーションエンジンの動作ステージの間の回転バルブの位置の図である。
【図１９Ｄ】例示的な内部デトネーションエンジンの動作ステージの間の回転バルブの位置の図である。
【図１９Ｅ】例示的な内部デトネーションエンジンの動作ステージの間の回転バルブの位置の図である。
【図１９Ｆ】例示的な内部デトネーションエンジンの動作ステージの間の回転バルブの位置の図である。
【図１９Ｇ】例示的な内部デトネーションエンジンの動作ステージの間の回転バルブの位置の図である。
【図１９Ｈ】例示的な内部デトネーションエンジンの動作ステージの間の回転バルブの位置の図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
これより本願発明の様々な実施形態を詳細に参照する。それら実施形態の例は添付の図面に示されている。以下の複数の実施形態に関して本願発明について説明するが、そのような説明は、本願発明をこれらの実施形態に限定することを意図されていないことを理解されたい。反対に本願発明は、本願発明の思想および態様に含まれ得る複数の代替例、複数の変形例、およぶ複数の同等物を網羅することが意図されている。さらに以下の詳細な説明において、本願発明を深く理解いただけるように多くの特定的な詳細が明記される。しかし、本願発明がこれらの特定的な詳細なしで実施され得ることは当業者には容易に明らかとなろう。他の複数の例においては、本願発明の複数の態様を不必要に不明瞭にすることがないよう周知の複数の方法、複数の手順、複数の構成要素、および複数の物質が詳細には説明されていない。
【００４２】
したがって、本願発明の複数の実施形態の１または複数の技術的な提案は、以下の複数の実施形態において図面に関して完全かつ明確に説明される。説明は、本願発明をこれらの実施形態に限定するよう意図されていないことが理解されよう。本願発明の説明される複数の実施形態に基づき、他の複数の実施形態が創造的な貢献なしで当業者により得られ得、それら他の複数の実施形態は、本願発明の法的保護の範囲に含まれる。
【００４３】
さらに、本文書に開示される全ての特徴、手段、または処理は、互いに排他的な特徴および／または処理を除いて、可能な何らかのやり方および組み合わせで組み合わせられ得る。本明細書、請求項、要約、および図面に開示されるあらゆる特徴は、異なるように特定されていない限り、他の複数の同等の特徴、若しくは、同様の複数の目標、複数の目的、および／または複数の機能を有する複数の特徴により置き換えられ得る。各特徴は概して単に、本明細書に開示される本願発明の実施形態である。
【００４４】
本願発明の複数の実施形態は、複数のハイブリッドガスタービンエンジンおよび同複数のハイブリッドガスタービンエンジンを製造し、用いる複数の方法に関する。ハイブリッドガスタービンエンジンは、デトネーション反応の間に閉じられ得、これによりタービンを駆動するための、および／または推力を生成するための追加的な力を提供する１または複数のパルスデトネーションチャンバを組み込んだガスタービン設計を含む。
【００４５】
内部デトネーションエンジン
図３に示されるように、ハイブリッド内部デトネーションガスタービン１００は概して、（１）圧縮機または圧縮部１２０、（２）１または複数のパルスデトネーションチャンバ１３５を有するデトネーション部１３０、（３）タービン部１４０、および（４）排気部１５０からなる４つのセクションを備える。航空機での複数の適用において推力を増加させるべく、アフターバーナーがハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンに任意で含まれ得る。ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは増加した力、推進力、および／または比推力を複数のタービンブレードに提供し得、これにより、エンジンの効率性および動力出力を高める。
【００４６】
図３を参照すると、本願発明の例示的な実施形態における、航空機および他の複数の車両のための推進システムとして用いられ得る新規のハイブリッドターボファンガスタービンエンジン１００が示されている。ハイブリッドガスタービン設計は、幅広い範囲のサイズで構築され得る（例えば、約３インチ（約７．６２センチメートル）から約１５フィート（約４．５７２メートル）の範囲の、若しくはこの範囲に含まれる何らかの値または値域の直径を有する複数のエンジン）加えて、ハイブリッドターボファンガスタービンエンジン１００の適用例は数多い。そのような適用例には、モデル車両（例えば、飛行用、水用、地上用の無人車両）、飛行用、水用、地上用の旅客車両（例えば、事業用航空機）が含まれる。
【００４７】
本願発明の様々な実施形態において、エンジン１００は、エンジン１００の前方（前部）においてファン１０５を含み得る。エンジン１００は、ファン１０５において流入空気を受ける。ファン１０５は、流入空気の速度を高めるように構成されている。流入空気はファン１０５により、ファン、ファンダクト１１０、および圧縮機または圧縮部１２０の後方または後部にある２つの別個の構造体へ渡される。ファン１０５、ファンダクト１１０、および圧縮機１２０は、流入空気の約５から９５％（例えば、約１０から７５％、１５から５０％、２０から４０％、またはこの範囲に含まれる何らかの値または値域）がエンジン１００の圧縮部１２０内に渡されるように構成され得る。流入空気の残りは、ファンダクト１１０内に渡され得る。ファン１０５は、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン１００の全体的なサイズに応じて、約２インチ（約５．０８センチメートル）から約１４フィート（約４．２６７２メートル）の範囲（例えば、約１フィート（約０．３０４８メートル）から１０フィート（３．０４８メートル）、２から８フィート（０．６０９６から２．４３８４メートル）、３から６フィート（０．９１４４から１．８２８８メートル）、またはこの範囲に含まれる何らかの値または値域）の直径を有し得る。ファン１０５は、約５００から約７５００ｒｐｍ（例えば、約１０００から約５０００ｒｐｍ、約１５００から約３５００ｒｐｍ、またはこの範囲に含まれる何らかの値または値域）で回転し、これにより、ファンダクト１１０および圧縮機１２０へと通過する流入空気の速度を約５０ｍｐｈから約１５００ｍｐｈ（例えば好ましくは、約２００ｍｐｈから約７００ｍｐｈ、若しくはこの範囲に含まれる何らかの値または値域）の速さまで高めるよう構成され得る。
【００４８】
ファンダクト１１０はファン１０５から流入空気を受け、この流入空気を、圧縮機１２０およびデトネーションチャンバ１３５へ順に回し、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン１００の排気部１５０へと渡す。排気部１５０においてハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン１００は、ノズル１５５を介し、推力を提供する。ファンダクト１１０は、空気が排気部１５０内に放出される際に推力を最大化するよう、その長さに沿って変化する断面積を有し得る。
【００４９】
いくつかの実施形態において、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン１００は前部ファンを含まないかもしれない。例えば、動力生成のために設計された複数のハイブリッドガスタービンはそのようなファン構造を含まないかもしれない。そのような複数の実施形態において、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン１００のデトネーション部１３０により生成され得る力および推進力を最大化するために、デトネーション部１３０におけるハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンの直径は、１または複数のデトネーションチャンバ１３５、および任意で、１または複数の従来の燃焼室（図示せず）により占有され得る。
【００５０】
圧縮部１２０は、ファン１０５からの流入空気も受け、流入空気の圧力および温度を高めるべく１または複数の圧縮機回転子１２４を通じてそれを渡す。流入空気はファン１０５から、圧縮部１２０が内部に位置する軸方向ダクト１１５内に渡され得る。圧縮機または圧縮部１２０は、１から１５のステージを有し得る。各ステージは圧縮機回転子１２４およびスペーサ（図示せず）を含み得る。各回転子１２４は、動作の間に高速で回転し、圧縮機１２０を通過する流入空気を加速させる半径方向に方向づけられた複数の金属ブレード（例えば、ステンレス鋼、チタン、その他）からなるセットを含む。各ステージは、スペーサに加えて、またはその代わりに、任意で固定子１３６ａまたは１３６ｂを有し得る。固定子１３６ａまたは１３６ｂは、流入空気の流れを誘導するための複数のブレードまたは複数のダクトを有し得る。
【００５１】
圧縮機１２０は、低圧圧縮部を構成する１または複数のステージ（例えば、圧縮機ブレード１２２および１２４により特徴付けられ、および／または画定される）、並びに、高圧圧縮部を構成する１または複数のステージ（例えば、複数の圧縮機ブレード１２６により特徴付けられ、および／または画定される）を含み得る。低圧圧縮部の複数のステージは、エンジン１００のタービン部１４０において複数の低圧力ステージ１４４にも接続され得る第１（例えば、「低圧力」））シャフト１３２に接続され得る。ファン１０５は低圧シャフト１３２にも接続され得る。ファン１０５と、圧縮部１２０における低圧圧縮機と、低圧タービン部と、低圧シャフト１３２との組み合わせが、低圧力スプールを構成する。圧縮機１２０は、第２（例えば、「高圧力」）シャフト１３４、およびタービンの高圧力部（例えば、タービンブレード１４２により特徴付けられる、および／または画定される）へと連結され得る高圧圧縮部１２０を構成し、高圧力スプールを構成する１または複数のステージも含み得る。低圧圧縮部の回転は、低圧タービンにより駆動され得、高圧圧縮部の回転は、高圧タービン部により駆動され得る。
【００５２】
圧縮機１２０は、圧縮機１２０を通過する流入空気の圧力および温度の両方を高めるよう構成され得る。圧縮機１２０の回転している回転子１２２から１２６は、ファン１０５により圧縮機１２０内に導入される空気の速さを高める。圧縮機回転子１２２から１２６の複数の金属ブレードは、圧縮機回転子１２２から１２６が回転するときに、エンジンのデトネーション部１３０へと空気を押す。軸方向ダクト１１５は、エンジンのデトネーション部１３０に近づくにつれダクトの直径が減少し、空気の圧縮にも寄与し得る。しかし、デトネーションチャンバ１３５の体積よりも数倍大きな体積を有し得る圧縮空気容器（図示せず）が、圧縮部１２０において、デトネーション部１３０に隣接してあり得る。これにより、性能およびエンジンの安定性が向上し得る（例えば、振動を低減し得る）。
【００５３】
圧縮機１２０によりデトネーションチャンバ１３５（および、いくつかの実施形態において、複数の燃焼室）へと供給される圧縮空気の圧力は約２ａｔｍから５０ａｔｍの範囲（例えば、約１０ａｔｍから約３５ａｔｍ、約１５ａｔｍから約２５ａｔｍ、若しくはこの範囲に含まれる何らかの値または値域）まで高められ得る。燃焼室へ供給される圧縮空気の温度は、約２５０℃から約１２５０℃の範囲（例えば、約５００℃から約１０００℃、またはこの範囲に含まれる何らかの値または値域）であり得る。圧縮空気は、図３に示されるように、軸方向ダクト１１５によりエンジンの燃焼部１３０内に供給され得る。代替的な複数の実施形態（例えば、燃焼部が複数のパルスデトネーションチャンバ１３５または複数のパルスデトネーションチャンバ１３５と複数の燃焼室との組み合わせを有する複数の実施形態）において、圧縮空気はディフーザマニフォールドを介して供給され得る。ディフーザマニフォールドは複数のダクトを有し得る。各ダクトは、別個のパルスデトネーションチャンバ１３５または燃焼室に対応する。
【００５４】
図３に示されるように、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン１００は、パルスデトネーションチャンバ１３５を内部に有するデトネーション部を含む。しかし、本願発明に係る複数の実施形態は図３に示されるハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジン１００に限定されず、１または複数のパルスデトネーションチャンバ１３５を含み得る。各パルスデトネーションチャンバ１３５は、燃料源１３７をパルスデトネーションチャンバ１３５内に導入するための１または複数の燃料噴射器を含み得る。複数の燃料噴射器がパルスデトネーションチャンバ１３５に存在する場合、各燃料噴射器は、同じまたは異なる種類の燃料を導入し得る（例えば、第１燃料噴射器はガソリンを噴射し得、第２噴射器はジェット燃料を噴射し得、第３噴射器は天然ガスを噴射し得る、など）。１または複数の点火器１３７（例えば、複数のスパークプラグ）が、空気／燃料混合物に点火するために各パルスデトネーションチャンバ１３５に存在し得る。また、各パルスデトネーションチャンバ１３５は前方ドアアセンブリおよび後方ドアアセンブリを有する。各アセンブリは、チャンバ（例えば、デトネーションチャンバ１３５）における気体の流入および排出を制御するためのペアにされた第１の固定子１３６ａおよび回転子１３８ａ、並びにペアにされた第２の固定子１３６ｂおよび回転子１３８ｂを含む。
【００５５】
図４は、固定子極板１３６'および対応する回転子１３８を示す。したがって、例示的な固定子１３６'と回転子１３８'とのペアまたはセットが図４に示されている。前方ドアアセンブリにおいて、固定子２０１は、圧縮機からデトネーションチャンバ（例えば、図３のデトネーションチャンバ１３５）内への圧縮空気の流れを可能とし得る１または複数の開口または回転子隙間２０３を有する。回転子２０２が回転するときに、回転位置にある回転子隙間２０３を回転子２０２が完全に覆い、回転サイクルの特定の部分の間の圧縮空気の通過を防ぐように、回転子２０２の形状は回転子隙間２０３の形状に対応して製作される。したがって、前方ドア回転子の回転によって、圧縮機（例えば、図３の圧縮機１２０）からの圧縮空気の流れが制御される。後方ドアアセンブリにおいて、回転子１３８'および固定子１３６'は同じやり方で構築される。後方ドア回転子１３８'の回転により、１または複数のデトネーションチャンバ（例えば、図３のデトネーションチャンバ１３５）から、エンジン（例えば、図３のエンジン１００）のタービン部（例えば、図３のタービン部１４０）への高温である圧縮ガスの流れが制御される。
【００５６】
前方ドアアセンブリおよび後方ドアアセンブリはそれぞれ、固定子２０１と回転子２０２との間の密封を生成すべく、隙間回転子２０３の縁部の周りにリングまたはガスケット２０４を含み得る。リングまたはガスケット２０４は、固定子２０１（若しくは、リングまたはガスケット２０４）と回転子２０２との間の封止を向上すべく潤滑にされ得る。また、複数の固定子１３６'および複数の回転子１３８'は、耐熱性および耐圧性材料（例えば、ステンレス鋼、チタン、その他）など同じ物質から構成され得る。代替的に、複数の固定子１３６'および複数の回転子１３８'はそれぞれ、異なる耐熱性および耐圧性材料を含み得る。
【００５７】
図５に示されるように、複数の固定子はキャニスターのような構造を有し得る。図５は、半分にされた固定子２３６'の前面像および半分にされた固定子２３６'の側面図の両方を提供する。固定子２３６は複数の隙間スペース２０３が形成されたベースプレート２０４を有し得、固体シリンダがベースプレート２０４に取り付けられ、または形成され得、リングが、シリンダの上側縁に取り付けられ、または形成され得、ベースプレート２０４と平行な面にあり得る。リングは、固定子２３６と、ガスタービンエンジンの他の複数の構造体との間の取り付け点として用いられ得る（例えば、１つの固定子のリングは、他の固定子のリングにボルト留めされ得る。例えば図９を参照）。固定子２３６のベースプレート２０４は、約１インチ（約２．５４センチメートル）から約１０フィート（約３．０４８メートル）（例えば、約１フィート（約０．３０４８メートル）から約６フィート（約１．８２８８メートル）、若しくは、この範囲に含まれる何らかの値または値域）の半径を有し得る。
【００５８】
固定子２３６の回転子隙間２０４の数は異なり得る。様々な実施形態において、固定子２３６は、ハイブリッドタービンエンジンのサイズ、およびエンジンの特定の適用に応じて１から１００（例えば、４から２０、若しくは、この範囲に含まれる何らかの値または値域）の回転子隙間２０３を有し得る。回転子隙間２０３のサイズおよび数は異なり得る。回転子隙間２０３の数が多い場合、エンジンの振動が少なくなり、エンジンの安定性がより高くなる。各固定子２３６は、タービンエンジン（例えば、図３のハイブリッドエンジン１００）の軸方向シャフト（例えば、軸方向シャフト１３２および／または１３４。図３）のための中央の丸い隙間も有し得る。
【００５９】
戻って図４を参照すると、複数の回転子隙間２０３は楔形を有し得る（例えば図５を参照）。回転子隙間の長さ（つまり、軸方向シャフトからの半径方向の長さ）は、ベースプレート２０４のほぼ周囲まで延び、回転子隙間２０３の幅は、軸方向シャフト（例えば、軸方向シャフト１３２および／または１３４。図３）からの距離に応じて異なり得る。複数の回転子隙間の幅は、ベースプレート２０４の平面上の隙間２０３により占有される弧度により、より良好に特徴付けられ得る。複数の回転子隙間２０３は、回転子隙間２０３の数、およびベースプレート２０４の半径に応じて、約１°から２７０°の弧度（例えば、５°から９０°、若しくはこの範囲に含まれる何らかの弧度）を占有し得る。代替的に、複数の回転子隙間２０３は、円形、楕円形、ルーローの多角形、その他など他の適切な形状を有し得る。
【００６０】
複数の回転子２３６は軸方向シャフト（例えば、軸方向シャフト１３２および／または１３４。図３）または高圧スプールに取り付けられ得、軸方向シャフトまたは高圧スプールから半径方向に延びる１または複数のブレードを含み得る。複数の回転子ブレード２０２（図４）の数（例えば、１から１００、またはこの範囲に含まれる何らかの数）、形状（例えば、楔形、丸形、楕円形、その他）、および間隔は、ペアにされた固定子１３６'の複数の回転子隙間２０３に対応し得る。したがって、複数の回転子ブレード２０２が複数の回転子隙間２０３と位置合わせされた場合に回転子１３８'は、固定子２３６の複数の回転子隙間２０３を完全に覆い得る。いくつかの実施形態において、複数の回転子ブレード２０２は、複数の回転子隙間２０３より大きな弧度を占有し得る。
【００６１】
デトネーションチャンバ（例えば、図３のデトネーションチャンバ１３５）の連続的な動作を促すために、（１）複数の回転子ブレード２０２（図４）と回転子隙間２０３との間のサイズ差、および（２）閉鎖されたデトネーションチャンバ内の空気／燃料混合物のデトネーション、およびそれに続く、高温である圧縮された空気／燃料混合物の排出を可能とする開放と閉鎖とのシーケンスに対応するために、前方ドアアセンブリおよび後方ドアアセンブリの回転子の動作間の位相シフト（ずらした配置）があり得る。
【００６２】
図６Ａはペアにされた固定子２３６ａおよび回転子２３８ａを示す。図６Ａに示されるように、固定子２３６ａは、１°から２２．５°の弧度（例えば、２２．５°、若しくは、この範囲に含まれる何らかの弧度または弧度範囲）を有する４つの回転子隙間（例えば、図５の複数の隙間２０３）を有し得、回転子２３８ａは、複数の回転子隙間と等しい、またはそれよりも大きい弧度（例えば、１°超から８９°、３０°から６０°、４５°、若しくはこの範囲に含まれる何らかの角度または角度範囲）を有する４つの回転子ブレードを有し得る。前方回転子および後方回転子（例えば、それぞれ、図３の回転子１３８ａおよび１３８ｂ）は、約１°から約４５°の弧度（例えば、２２．５°）でずらされ得る。
【００６３】
図６Ｂに示される他の実施形態において、ペアにされた固定子２３６ｂは、１°から１８０°の弧度（例えば、９０°、若しくは、この範囲に含まれる何らかの弧度または弧度範囲）を有する１つの回転子隙間２０３'を有し得、回転子２３８ｂは、回転子隙間２０３'と等しい、またはそれよりも大きい弧度（例えば、１°超から３５９°、９０°から２７０°、１８０°、若しくはこの範囲に含まれる何らかの角度または角度範囲）を有する単一のブレードを有し得る。前方回転子および後方回転子（例えば、図３の回転子１３８ａおよび１３８ｂを参照）は、約１°から約９０°の弧度（例えば、９０°）でずらされ得る。
【００６４】
前方回転子および後方回転子（例えば、回転子１３８ａおよび１３８ｂ）は、軸方向シャフト（または、図３のシャフト１３２および／または１３４などの高圧スプール）に直接的に取り付けられ得、したがって、軸方向シャフト（または高圧スプール）と同じ方向（例えば、時計回り）に同じ速さで回転し得る。しかし、代替的な複数の実施形態において、複数の回転子は、同複数の回転子と軸方向シャフト（または高圧スプール）との間に介在するギヤシステムまたは他の複数の機械的デバイスを介して軸方向シャフト（または高圧スプール）に間接的に連結され得る。例えば、リバースアイドラギヤ（図示せず）が、軸方向シャフト（または高圧スプール）と回転子との間に介在して、軸方向シャフトと相対的な回転子の回転の方向を変更し得る。また、回転子に取り付けられ、軸方向シャフト（またはその間の遊び歯車）と連結されるギヤのサイズは、回転子に対する軸方向シャフトの所望されるギヤ比（例えば、出力ギヤの角速度に対する入力ギヤの角速度の比）を生成すべく調整され得、これにより、回転子が回転する速さが調整され得る。
【００６５】
さらに代替的な複数の実施形態において、回転子２３８ａおよび／または２３８ｂ（図６Ａから６Ｂ）のうち一方または両方は、軸方向シャフト（例えば、図３のシャフトおよび／または回転軸１３２および／または１３４）とは独立して回転し得る。そのような複数の実施形態において、図６Ａから６Ｂの回転子２３８ａおよび／または２３８ｂは、別個の機械的な駆動メカニズムにより制御され得る。したがって、回転子２３８ａおよび／または２３８ｂは、互いに独立して閉位置から開位置へ動き得る。例えば、図６Ａに示されるように回転子２３８ａは閉位置において開始して、その後、所定の角度（例えば、対応する隙間２０３'の角度に等しい）だけ開位置まで１つの方向（例えば、時計回り）に回転し得る。続いて、図６Ａの回転子２３８ａは、同じ角度だけ反対方向（例えば、反時計回り）に回転させられ、回転子２３８ａを閉位置に戻し得る。
【００６６】
図７は、４ステップのデトネーションプロセスの間の前方ドアアセンブリおよび後方ドアアセンブリの複数の回転子位置を示す。回転子２３８ａおよび２３８ｂのずらし、並びに／若しくは回転子２３８ａおよび／または２３８ｂの独立した回転が、前方ドアアセンブリおよび後方ドアアセンブリが所定の順番で開放される、または閉鎖されるよう計画された複数のステージのデトネーションサイクルを生成するために利用され得る。前方回転子および後方回転子２３８ａおよび２３８ｂの位置（閉鎖および開放）は、デトネーションにより生成されタービン回転子２３８ａおよび２３８ｂへ適用される力が最適化され、これによりエンジンの推力および／またはトルクが向上するよう制御され得る。いくつかの実施形態において、回転子２３８ａおよび２３８ｂ並びに／若しくは固定子２３６ａおよび２３６ｂのずらした配置により、回転子２３８ａおよび２３８ｂがタービンシャフト（例えば、図３のシャフトおよび／または回転軸１３２および／または１３４）と共に回転するときの４つの連続する動作ステップが可能となる。４ストロークの内燃エンジンと同様に、図７の回転子２３８ａおよび２３８ｂの回転により、回転子２３８ａおよび２３８ｂが回転すると繰り返される４つの基本的なステップが生成される。デトネーションプロセスの４ステップは以下の表に要約されている。
【００６７】
【表１】
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ステップ１において、圧縮空気は圧縮機からデトネーションチャンバ（例えば、図３のデトネーションチャンバ１３５）内へと通過する。ステップ２の間、デトネーションチャンバ内での空気／燃料混合物の点火により、超音速デトネーションパルスが生じ、その後超音速デトネーションパルスはステップ３においてデトネーションチャンバから排気される。ステップ３の間に排気される急速に爆発した気体は、複数のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンのタービン部においてかなりの力を複数のタービン回転子（例えば、図３の回転子１４２および／または１４４）に伝え、複数のタービン回転子の急速な回転を駆動する。超音速デトネーションは、従来のターボファンエンジンにおける従来の燃焼室より、単位燃料当たりでかなり大きな力（向上させられた比推力）を提供し得る。ステップ４の間、前方ドアアセンブリおよび後方ドアアセンブリの両方は、デトネーションからの残留した気体を一掃するべく開放される。
【００６８】
デトネーションプロセスの間の固定子２３６ａ、２３６ｂに関連した回転子２３８ａ、２３８ｂの動きは、上述したステップ１から４の間の回転子２３８ａ、２３８ｂおよび固定子２３６ａ、２３６ｂの位置合わせを示す図７および８に例示されている。図７は、図６Ａに示されるような回転子２３８ａ、２３８ｂおよび固定子２３６ａ、２３６ｂを示す。ここでは各回転子２３８ａ、２３８ｂには４つの回転子ブレード（例えば、それぞれが弧度４５°を有する）、および各固定子２３６ａ、２３６ｂには４つの回転子隙間２０３'、２０３"（例えば、それぞれが弧度２２．５°を有する）がある。図８は、図６Ｂのような複数の回転子および複数の固定子を示す。ここでは１つの回転子隙間（例えば、弧度９０°を有する）、および１つの回転子ブレード（例えば、弧度１８０°を有する）がある。
【００６９】
図７および８は、前方回転子および後方回転子２３８ａ、２３８ｂが同じ方向に回転する複数の例を示す（例えば、エンジンの前方から見た場合に、回転子２３８ａ、２３８ｂの両方が反時計回りに回転する）。上記にて説明したように、回転子２３８ａ、２３８ｂは、回転子２３８ａ、２３８ｂが反対方向および／または異なる速さで回転する異なる複数の配置を有し得る。
【００７０】
回転子／固定子の他の複数の配置が本願発明には含まれる。例えば、各回転子２３８ａまたは２３８ｂは、独立して１から１００の回転子ブレードを有し得、対応する各固定子２３６ａまたは２３６ｂは、対応する数の回転子隙間２０３'または２０３"を有し得る。したがって、各回転子／固定子ペアは、異なる配置および数の回転子ブレードおよび回転子隙間２０３'または２０３"を有し得る。追加的に、回転子２３８ａおよび２３８ｂ、並びに回転子隙間２０３'および２０３"の形状は、同じエンジン内の異なる複数の回転子／固定子ペア間で異なり得る。複数の回転子ブレードおよび複数の回転子隙間の複数の配置、複数の数、および複数の形状は、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンの力および推進力を最大化させるために各回転子／固定子ペアで最適化され得る。複数の回転子および複数の固定子は、ハイブリッドタービンエンジンの中央の部分、概して、従来の複数の燃焼室が位置付けされるであろう位置、またはその近くに位置付けされ得る（例えば図３を参照）。複数の固定子および複数の回転子の配置は、タービン回転軸の長さに関連して一定であり得る。
【００７１】
例えば、図９は、前方固定子９０３および後方固定子９０４を示す。前方固定子９０３および後方固定子９０４は、デトネーションチャンバ９０２の複数の端部において据え付けられた状態であり得、複数の取り付け点９０７においてハイブリッドタービンエンジンの本体に連結され得るが、固定子９０３、９０４は軸方向シャフト９０１に連結されていない。固定子９０３、９０４は、デトネーションチャンバ９０２を封止すべく互いに取り付けられ得る（例えば、その間の「Ｏ」リングと共にボルト留めされ得る）。回転子９０５、９０６がハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンの動作の間にタービン（例えば、高圧タービン）により駆動される（回転させられる）ように前方回転子９０５および後方回転子９０６は、軸方向シャフト９０１（または高圧スプール）に取り付けられ得る。前方回転子９０５および後方回転子９０６は複数の取り付け点９０８において軸方向シャフト９０１に取り付けられる（例えば、溶接される）。各デトネーションチャンバ９０２は、燃料噴射／点火器９０９を含み得る。
【００７２】
図１０に示されるように、固定子９０３、９０４および回転子９０５、９０６は複数の配置を有し得る。図１０の４つの例が示すように、前方回転子９０５および後方回転子９０６は、デトネーションチャンバ９０２の内部または外部のいずれかであり得る。
【００７３】
デトネーションシーケンスのステップ１の間、前方回転子９０５は前方固定子９０３の複数の回転子隙間とは位置合わせされていない状態であり得、後方回転子９０６は、後方固定子９０４と位置合わせされた状態であり得、これにより、圧縮機からデトネーションチャンバ９０２内に圧縮空気を入れることが可能となる。ステップ２（デトネーションフェーズ）の間、前方回転子９０５は前方固定子９０３の複数の回転子隙間と位置合わせされた状態であり得、後方回転子９０６は、後方固定子９０４と位置合わせされた状態であり得、これによりデトネーションチャンバ９０２が閉鎖される。ステップ１および／またはステップ２の間に、複数の点火源９０９（例えば、複数のスパークプラグ）による圧縮空気および燃料の空気／燃料混合物の点火の前に、デトネーションチャンバ９０２内に燃料が導入され得る。空気／燃料混合物の点火によりデトネーションが生じ、得られる高温である圧縮ガスの混合物がデトネーションチャンバ９０２において得られる。ステップ３の間、前方回転子９０５は前方固定子９０３の複数の回転子隙間と位置合わせされた状態であり得、後方回転子９０６は後方固定子９０４と位置合わせされていない状態であり得、これにより、デトネーションにより生成される高温である圧縮ガスを、後方固定子９０４の複数の回転子隙間を通じてハイブリッドタービンエンジンのタービン部内に排気することが可能となる（例えば、図３および９を参照）。ステップ４の間に、回転子９０５、９０６の両方はそれぞれの固定子９０３、９０４と位置合わせされていない状態であり、デトネーションチャンバ９０２の残留した気体が一掃されるようになる。
【００７４】
代替的な実施形態において、前方ドアアセンブリは上述したもののようで有り得るが、しかし、後方ドアアセンブリは、空気／燃料混合物のデトネーションの間（ステップ２）にピストンのような動作を可能とするよう構築され得る。後方ドアアセンブリがピストンのような動作を可能とするように構築され得る複数の実施形態において、後方固定子１１０４は、軸方向シャフト１１０１、並びに／若しくは他の機械的な複数の処理、複数のデバイス、または複数の装置を駆動するためのメカニズムに連結され得る。
【００７５】
図１１に示されるように、前方回転子１１０５は、デトネーションチャンバ１１０２の前方において軸方向シャフト１１０１に取り付けられる。前方固定子１１０３が、デトネーションチャンバ１１０２の前方端部においてハイブリッドタービンエンジンの本体に取り付けされる。しかし、後方ドアアセンブリは、図９の実施形態とは異なる。後方固定子１１０４は、ハイブリッドタービンエンジン（または前方固定子１１０３）の本体にスライド手段１１０７（例えば、１または複数のリニア軸受）により取り付けられ、軸方向シャフト１１０１に沿ってスライドが可能となる。後方固定子は据え付けられた状態ではないが、前方固定子１１０３と後方固定子１１０４との間は密封され得る。また、後方回転子１１０６は、軸方向シャフト１１０１へスライド手段１１０８（例えば、１または複数のリニア軸受）により取り付けられ、後方回転子１１０６の、軸方向シャフト１１０１に沿ったスライドが可能となる。この配置により、後方固定子１１０４および後方回転子１１０６は、エンジンを動作させるデトネーションフェーズの間にピストンのように軸方向シャフトに沿って動くことが可能となる。デトネーションチャンバ内の空気／燃料混合物が点火されたとき、デトネーションはエンジンの後方に向けて、シャフト１１０１に沿って後方ドアアセンブリ（後方固定子１１０４および後方回転子１１０６）を押し得る。軸方向シャフト１１０１は、後方回転子１１０６が軸方向シャフトに沿って動く際に後方回転子１１０６を誘導するために、軸方向シャフト１１０１に沿って軸方向シャフト１１０１の軸と平行に延びるバー１１０９または溝１１１０を有し得る。後方固定子１１０４および後方回転子１１０６の両方は、後方固定子１１０４および後方回転子１１０６を軸方向シャフト１１０１の上方に、それぞれのデトネーション前の位置（例えば、バネシステム、耐水圧システム、その他）へ戻す戻しメカニズム（図示せず）を有し得る。後方回転子１１０６がデトネーションチャンバ内にある複数の実施形態において、後方固定子１１０４は戻しメカニズムを有し得、後方回転子１１０６は、後方固定子１１０４によりデトネーション前の位置へ押し戻され得る。
【００７６】
図１２は、後方ドアアセンブリ（例えば、後方固定子１１０４）に取り付けられ、ハイブリッドタービンエンジンのタービン部（例えば、図３のタービン部１４０）において、またはその近くに位置付けられるクランクアセンブリ１１１１を示す。後方ドアアセンブリは、後方ドアアセンブリが軸方向シャフト１１０１に沿って前後に動く際に複数のクランクシャフト１１１３を回転させる複数の接続ロッド１１１２（図１２）に接続され得る。複数のクランクシャフト１１１３が回転するときに、複数のクランクシャフト１１１３に取り付けられた駆動ギヤ１１１４および１１１８は、軸方向シャフト１１０１上の従動ギヤ１１１６を駆動し、これにより軸方向シャフト１１０１を回転させる。駆動ギヤ１１１４の回転を補い、軸方向シャフト１１０１がスムーズに、かつ継続的に回転することを可能とするために、リバースアイドラギヤ１１１７が駆動ギヤ１１１８と従動ギヤ１１１６との間に介在し得る。例えば、従動ギヤ１１１６が駆動ギヤ１１１４により時計回り方向に回転するよう駆動されている場合、リバースアイドラギヤ１１１７は駆動ギヤ１１１８により反時計回りに回転させられ、これにより今度は、従動ギヤ１１１６が時計回り方向に駆動される。（１）駆動ギヤ１１１４および１１１８と（２）従動ギヤ１１１６との間の複数のギヤ比は、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンの動作を最適化するよう（例えば、軸方向シャフトが回転する速さを最大化するよう、タービンおよびピストンシステムのスムーズかつ調整された動作を提供するよう、その他）調整され得る。例えば、従動ギヤ１１１６に対する駆動ギヤ１１１４および１１１８のギヤ比は、約０．１から約２０（例えば、約０．５から約１０、約１から５、またはこの範囲に含まれる何らかの比または比の範囲）であり得る。代替的に、複数のクランクシャフト１１１３は軸方向シャフト１１０１を駆動することになる、ギヤボックス（図示せず）内のより複雑なギヤシステムを駆動し得る。クランクシャフト１１１３は、他の機械的な複数のプロセス、複数のデバイス、または複数の装置１１１５にも連結され得、これにより複数の機械的な利用が提供されることになる。いくつかの実施形態において、および従来の内燃エンジンと幾分同様に、複数のエンジンが単一のクランクシャフトを駆動し得る。
【００７７】
軸方向シャフト１１０１はさらに、低圧スプールシャフト１１１９（例えば、低圧タービン、低圧圧縮機、およびファンに接続される）、および高圧スプールシャフト１１２０（例えば、高圧タービンおよび高圧圧縮機、並びに、前方回転子および後方回転子に接続される）へ連結され得る。代替的に軸方向シャフト１１０１は、低圧スプールシャフトとして機能し得、高圧スプールシャフトに連結され得る。追加的に、軸方向シャフト１１０１と、低圧スプールおよび高圧スプールシャフト１１１９および１１２０との間のギヤ比を調整するよう複数のギヤが、軸方向シャフト１１０１と、低圧スプールおよび高圧スプールシャフト１１１９および１１２０との間にそれぞれ介在し得る。例えば、軸方向シャフト１１０１と低圧スプールシャフト１１１９との間のギヤ比は０．１から２０（例えば、約０．１から約１５、約１から約１０、若しくはこの範囲に含まれる何らかの比または比の範囲）であり得、軸方向シャフト１１０１と高圧スプールシャフト１１２０との間のギヤ比は、０．０１から２０（例えば、約０．５から約５、約０．１から約２、若しくはこの範囲に含まれる何らかの比または比の範囲）であり得る。代替的に、低圧スプールシャフト１１１９が別途、１または複数のギヤにより低圧スプールシャフト１１１９および高圧スプールシャフト１１２０の両方に連結され得る。そのような複数の実施形態において、高圧スプールシャフト１１２０に対する低圧スプールシャフト１１１９のギヤ比は、約０．０１から約１０（例えば、約０．０５から約１、約０．１から約２、若しくは、この範囲に含まれる何らかの比または比の範囲）であり得る。
【００７８】
また、従動ギヤ１１１６に対する駆動ギヤ１１１４および１１１８のギヤ比、並びに低圧および高圧スプールシャフト１１１９および１１２０に対する軸方向シャフト１１０１のギヤ比はそれぞれ、ハイブリッドタービンエンジンのこれら異なる回転部品間（例えば、後方回転子［例えば、図１１の回転子１１０６］と、高圧スプールシャフト１１２０との間）の特定の複数の角速度関係を得るべく調整され得る。高圧スプールシャフト１１２０および後方回転子（例えば、後方回転子１１０６）の複数の角速度の調整により、デトネーションサイクルがスムーズに進行することが可能となる。
【００７９】
（デトネーションサイクルおよび固定子／回転子配置が図７に示されるものと同様である）一実施形態において、図１２の従動ギヤ１１１６に対する駆動ギヤ１１１４および１１１８のギヤ比は１であり、低圧スプールシャフト１１１９に対する軸方向シャフト１１０１のギヤ比は１０であり、高圧スプールシャフト１１２０に対する低圧スプールシャフト１１１９のギヤ比は０．１であり、これにより、後方回転子に対する高圧スプールシャフト１１２０の角速度比は１となる（これにより、高圧スプールおよび後方回転子の９０°の回転毎に１つのデトネーションサイクルとなる）。（例えば、デトネーションサイクルおよび固定子／回転子配置が図８に示されるものと同様である）更なる実施形態において、従動ギヤ１１１６に対する駆動ギヤ１１１４および１１１８のギヤ比は１０であり、低圧スプールシャフト１１１９に対する軸方向シャフト１１０１のギヤ比は２であり、高圧スプールシャフト１１２０に対する低圧スプールシャフト１１１９のギヤ比は５であり、これにより、複数の固定子に対する高圧スプールシャフト１１２０の角速度比は１となる。本実施形態によると、高圧スプールおよび後方回転子（例えば図７を参照）の完全な旋回毎に１つのデトネーションサイクルが生じる。
【００８０】
追加的に、図１２の実施形態（および、後方ドアアセンブリがピストンのような動作を可能とするよう構築され得る同様の複数の実施形態）において、複数の接続ロッド１１１２は後方ドアアセンブリのための戻しメカニズムとして機能し得る。上記にて説明したバネまたは耐水圧システムに加えて、若しくはこれらの代わりに、複数の接続ロッド１１１２は、複数のクランクシャフト１１１３が回転するときに後方ドアアセンブリをその元の位置（デトネーション前の位置）まで押し戻し得る。より詳細には、複数の接続ロッドジャーナル１１２１がデトネーションチャンバに最も近い位置に向かって回転するときに、複数の接続ロッドジャーナル１１２１は複数の接続ロッド１１１２を押し、これにより今度は、後方ドアアセンブリ（固定子１１０４を含む）がそのデトネーション前の位置に押し戻される。
【００８１】
図１３は、デトネーションフェーズの間の、ピストンのような動作を含むターボファンのようなハイブリッドガスタービンエンジン１３００の例を提供する。図１３のハイブリッドガスタービンエンジンのデトネーションチャンバ１３３５は、図１１に示されるものと同様である。空気１３１２は、ターボファンのようなハイブリッドガスタービンエンジン１３００への呼気内に噴射される。ファン１３０５、低圧および高圧圧縮機１３２２および１３２６、前方ドアアセンブリ１３３０、並びに、低圧および高圧タービン１３７１および１３７２は、図３の、それぞれに対応する複数の構成要素と同様である。図１３のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは、圧縮空気容器１３３８および冷却ファン１３４０を含み得る。デトネーションチャンバ１３３５において、燃料噴射／点火器１３３７により空気／燃料混合物に点火されると、後方ドアアセンブリ１３３１は、矢印で示されるようにハイブリッドタービンエンジンの後方に押される。後方ドアアセンブリ１３３１が後ろ側に動くと、複数の接続ロッド１３７５は複数のクランクシャフト１３３２および複数の駆動ギヤ１３１７を回転させ、これにより今度は、軸方向シャフト１３１５が駆動される。
【００８２】
上述したように、本開示の複数のハイブリッドタービンエンジンは、複数の地上車両（例えば、複数のトラック、車、複数の戦車）を含む複数の車両を進ませるのに用いられ得る。複数のエンジンにより生成される雑音を低減させるために、雑音抑制システム（例えば、マフラー）がハイブリッドタービンエンジンに組み込まれ得、または連結され得る。例えば、図１３に示されるハイブリッドターボファンガスタービンエンジンは、マフラーまたは他の雑音抑制システムを含み得る。
【００８３】
図１４は、新規のハイブリッドターボファンガスタービンエンジン１４００の更なる実施形態を示す。ハイブリッドターボファンガスタービンは、図３に示されるハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンと同様の設計を有しており、ファン１４０５、ファンダクト１４１０、低圧および高圧圧縮機１４２２および１４２６、低圧および高圧シャフト１４３２および１４３４、燃料源／点火器１４３７、回転子１４３８ａおよび１４３８ｂ、固定子１４３６ａおよび１４３６ｂ、デトネーションチャンバ１４３５、高圧タービン１４７２、並びに、複数のファンダクト１４１０の後ろ側に位置付けられる追加的な低圧タービン部１４７４を含む。低圧タービン部１４７４は、複数のファンダクト１４１０から通過する高圧の空気、および／またはデトネーションチャンバ１４３５からの高温である圧縮された排気により駆動され得る。ハイブリッドガスタービン設計は、飛行用、水用、および地上用の車両、並びに、動力生成を含む数多くの適用が可能であり得る。
【００８４】
上述したように、ここで説明される新規の複数のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは、複数の動力生成の適用ために用いられ得る。そのような複数の適用において、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは、ファン構造を含んでも含まなくてもよい。例えば、いくつかの動力生成の実施形態において、新規のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは据え付けられた状態であり得、回転軸が発電機に連結されて発電機を駆動する。そのような複数の実施形態において、デトネーション部のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンの直径は、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンのデトネーション部により生成され得る力および推進力を最大化するために、１または複数のデトネーションチャンバ、および任意で、１または複数の従来の燃焼室（ファンダクトなしの）により占有され得る。追加的に、ハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンにより生成される熱は、水を熱し、別個の、または一体化された蒸気生成器を動作させる蒸気を生成するのに用いられ得る。
【００８５】
他の動力生成の複数の実施形態において、ハイブリッドガスタービンエンジン（ファンあり、またはなし）は、ジェネレータを機械的に駆動するシャフトの回転を駆動するのに用いられ得る。図１５の上面図および側面図に示されるように、ハイブリッドガスタービンエンジン１５００は、他端部では中央ジェネレータ１５７７に取り付けられる駆動アーム１５７６に取り付けられ得る。ハイブリッドガスタービン１５７２は、推力を生成するとき、前方へ動き、駆動アーム１５７６の回転を駆動する。今度は駆動アーム１５７６は、中央ジェネレータ１５７７の発電機のモータの回転を駆動する。追加的に、ハイブリッドガスタービンエンジンの軸方向シャフトは、ハイブリッドガスタービンエンジンに隣接する追加的なジェネレータに連結され得、この隣接するジェネレータの発電機のモータの回転を駆動し得る。図１５の実施形態は、デュアル電力生成システムを提供する。
【００８６】
実施例
図１６は、本願発明の一態様に係る回転（または回転式）バルブ１６１０を有する例示的な内部デトネーションエンジン１６００の図である。内部デトネーションエンジン１６００（構築され、燃料としてガソリンを用いて動作させたところ成功した）は、本願発明に係る内部デトネーションエンジンおよび本願発明に係るハイブリッド内部デトネーションタービンエンジンの構築および動作が成功となり得ることを実証している。例示的な内部デトネーションエンジン１６００は、図１９Ａから１９Ｆに関連してより詳細に説明されるように、４ストロークエンジンである。
【００８７】
概して、回転バルブエンジン１６００は、呼気チャンバ（例えば、上側吸気チャンバ１６２０、および上側吸気チャンバ１６２０より下方の、および／またはこれに隣接する下側呼気チャンバ１６２５）を含む。上側吸気チャンバ１６２０は、下側呼気チャンバ１６２５において、それぞれ開口１６２６および１６２８と気体または流体連通している呼気ポート１６２２および排気ポート１６２４を有する。上側吸気チャンバ１６２０は、呼気ポート１６２２内に燃料を噴射するよう構成された燃料噴射器アウトレット１６２３も含む。したがって、上側吸気チャンバ１６２０はさらに、燃料を格納するためのタンク、コンテナ、または容器、並びに、燃料を呼気ポート１６２２内に噴射するためのポンプおよび／または噴射器を含み得る。開口１６２６を通じた呼気ポート１６２２内への、および燃焼室内への空気の自然な流れにより、燃料が燃焼室内に運ばれる。一例（例えば、燃料が硝酸アンモニウムまたはおがくずを含む）において、噴射器は粉末噴射ガンを備える。他の例において、燃料は硝酸アンモニウム溶液（例えば、水溶液）を含み得、噴射器は、噴霧器、気化器、または霧状のミストに溶液を噴霧する他の噴霧デバイスを含み、これにより、溶剤（例えば、水）の急速な気化、および、微細な硝酸アンモニウムパウダーを含む懸濁液の燃焼室内への移動が可能となる。しかし、エンジン１６００はさらに、圧縮空気を呼気ポート１６２２内に噴射する空気圧縮機（図示せず）を備え得る。
【００８８】
例示的な内部デトネーションエンジン１６００はさらに、ピストン１６４２と共にデトネーションチャンバ１６４５を画定するシリンダヘッド１６３０およびシリンダ１６４０を含む。シリンダヘッド１６３０はさらに、燃料／空気インレット１６３２および排気アウトレット１６３４を含む。回転バルブ１６１０は下側呼気チャンバ１６２５とシリンダヘッド１６３０との間にある。回転バルブ１６１０の開口１６１２が開口１６２６と燃料／空気インレット１６３２との間にある場合、燃料および空気はデトネーションチャンバ１６４５内に噴射され、回転バルブ１６１０の開口１６１２が開口１６２８と排気アウトレット１６３４との間にある場合、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、および場合によっては、窒素および／または酸化窒素などの気体などのデトネーションガスがデトネーションチャンバ１６４５から排出される。
【００８９】
デトネーションチャンバ１６４５における燃料のデトネーションは、ピストン１６４２および接続ロッド１６４６を下方へ駆動する。ピストン１６４２はさらに、ピストン１６４２とシリンダ１６４０との間の何らかの間隙を通じたデトネーションエネルギーの損失を低減する、または防ぐ１または複数の封止リング１６４４を含み得る。したがって接続ロッド１６４６は、ピストン１６４２に回転可能に取り付けられた第１端部と、クランクシャフト１６５０に回転可能に取り付けられた第２端部とを有する。２つの平行なディスク１６５４に対して直角に貫通して、中央のクランクシャフト回転軸１６５２からずらされたピン１６５６において接続された接続ロッド１６４６の第２端部は、クランクシャフト１６５０の複数の回転を駆動し、これにより今度は、ベルトまたはチェーン１６６０を駆動するギヤ１６５８が回転させられる。クランクシャフト１６５０は、シリンダ１６４０に対してシール止めされ得る、または実質的に結合され得るクランクケース１６５５内に、および／またはその上にある。この場合、クランクケース１６５５はさらに、モータオイルなど潤滑剤を含み得る。
【００９０】
ベルトまたはチェーン１６６０は、上側タイミングギヤ１６６２を駆動し、これにより今度は、直角ギヤアセンブリ（例えば、ねじ山のついた回転軸またはシャフト１６６４［ねじ山は図示せず］、および垂直ギヤ１６６６）が駆動される。ギヤ１６５８および１６６２、並びにベルトまたはチェーン１６６０を含む駆動システムは、複数の車輪およびベルトまたは滑車と置き換えられ得る。垂直ギヤ１６６６は中央で、回転子１６１０を回転させるシャフトまたは回転軸１６６８と接続されている。
【００９１】
例示的なエンジン１６００において、クランクシャフト１６５０と回転子１６１０とは、２：１の回転比を有する（つまり、回転子１６１０が１°回転する毎にクランクシャフト１６５０が２°回転する）。しかしこの比は、ギヤ１６５８、１６６２および１６６６の複数の相対的なサイズに応じて変わり得、これによって異なる回転比となり得る。クランクシャフト１６５０と回転子１６１０との間の所望される回転比はさらに、シリンダヘッド１６３０における燃料／空気インレット１６３２および排気アウトレット１６３４のサイズおよび角距離、並びに、回転子１６１０における開口１６１２のサイズおよび数に応じ得る。
【００９２】
典型的には、回転子１６１０、回転子回転軸またはシャフト１６６８、呼気チャンバ１６２０／１６２５、シリンダヘッド１６３０、シリンダ１６４０、ピストン１６４２、接続ロッド１６４６、クランクシャフト１６５０、クランクケース１６５５、タイミングギヤ１６６２、および直角ギヤアセンブリ１６６４／１６６６は、金属または合金（例えば、アルミニウム）により形成される。しかし、いくつかの構成要素は、異なる、または追加的な物質から形成され得、またはそれらを含み得る。例えば、回転子１６１０および回転子回転軸またはシャフト１６６８は、低摩擦の物質またはコーディングによりコーディングされ、および／または、高度にストレス耐性であり、耐熱性であるセラミック材料を含み得、またはこれらから形成され得る。クランクシャフト１６５０は、アルミニウムよりも硬性が高く、および／または熱伝導性がより高い金属または合金（例えば、チタン合金または鋼）を含み、若しくはこれらから形成され得、クランクケース１６５５は、アルミニウムよりも硬性が高く、および／または耐衝撃性がより高い金属または合金（例えば、鋼）を含み、若しくはこれらから形成され得る。
【００９３】
排気ポートをデトネーションチャンバ１６４５のクランクシャフト１６５０と同じ側に配置すると、所望される効率性および低保守性のレベルの観点からみてクランクシャフト１６５０内／上の汚れが過度になるので、概して、排気ポートはデトネーションチャンバ１６４５の呼気ポートと同じ側にある。しかし、エンジンの維持および／または効率性がそれ程大きな問題ではない場合には、またはデトネーションチャンバ１６４５の下流側において排気ガスを放出することにより提供される追加的な推力が有用である場合には、シリンダ１６４０上の半環状（例えば、「ドーナツ形状」）のリングが、デトネーションガスを集め、クランクケースの方向に延びる１または複数のアウトレット管またはパイプを通じて追加的な推力を提供し得る例示的なエンジン１６００の２ストロークバージョンを形成することも出来る。半環状のリングの底部は有利には、ピストン１６４２のストロークの底部において（つまり、接続ロッドの第２端部がクランクシャフト１６５０のサイクルの最下点にある場合に）、ピストン１６４２の最上面の最下点の真上となるよう位置付けられる。
【００９４】
図１７は、図１６の例示的な内部デトネーションエンジン１６００の呼気チャンバ１６２０／１６２５、シリンダヘッド１６３０、および回転子１６１０の斜視図である１７００である。斜視図である１７００は、上側吸気チャンバ１６２０の側面部分にある呼気インレット１６２２、および、上側吸気チャンバ１６２０の底部表面の呼気通路１７２２を示す。加えて、斜視図である１７００は、呼気マニフォールド（例えば、下側呼気チャンバ１６２５）内の２つの封止リング１７１０および１７１２を示す。戻って図１６を参照すると、同様の複数の封止リングが、燃料／空気インレット１６３２および排気アウトレット１６３４の最上面を囲む。示されている４つの封止リングは、回転子（回転バルブ）１６１０周りに気体の実質的に気密である封止を提供する。複数の封止リング（例えば、図１７のリング１７１０および１７１２）は、金属、セラミック、若しくは、耐摩耗性および耐熱性であり、比較的低い摩擦係数を有する他の物質（例えば、真鍮のブッシング）を含み得、またはこれらにより形成され得る。追加的に、また代替的に、回転子１６１０の外周が、そのようなシールまたは封止リングを有し得る。
【００９５】
加えて、斜視図である１７００に示されるように、シリンダヘッド１６３０はその下面（例えば、シリンダ１６４０に接触する表面）に凹んだへこみ１７３０を有する。凹んだへこみ１７３０は燃焼室の最上部を形成する（図１６の燃焼室１６４５を参照）。戻って図１７を参照すると、シリンダヘッド１６３０の凹んだへこみ１７３０に位置付けされているのは、デトネーションまたは点火デバイス１７３０（例えば、スパークプラグ）である。したがって、シリンダヘッド１６３０にはさらに、デトネーションまたは点火デバイス１７３０にデトネーションチャンバ内で燃料のデトネーションまたは点火を開始させるための手段が装着されている（例えば、計時メカニズムにより提供される電子パルスを運ぶ、デトネーションまたは点火デバイス１７３０へのワイヤ、またはマルチシリンダエンジンの場合にはさらに分配器を備える）また、呼気チャンバ１６２０／１６２５とシリンダヘッド１６３０とのうちいずれかには、燃料噴射システム（例えば、化石燃料またはエタノールのなどの複数の液体燃料の場合には従来の燃料噴射器、若しくは硝酸アンモニウムまたはおがくずが燃料として用いられる場合には、粉末噴射ガン）が装着され得る。
【００９６】
図１８Ａから１８Ｃは、図１６の例示的な内部デトネーションエンジン１６００における、回転バルブ（例えば、回転子１６１０）およびバネが搭載された封止アセンブリの図である。図１８Ａは、下側呼気チャンバ１６２０およびシリンダヘッド１６２５に亘るＣ−Ｃ線に沿った、呼気チャンバ開口１６２８および排気ポート１６３４のための回転子１６１０および封止アセンブリ１８１０から１８１２の断面図を示す。図１８Ｂは、下側呼気チャンバ１６２０およびシリンダヘッド１６２５のＤ−Ｄ線に沿った、呼気チャンバ開口１６２６および呼気ポート１６３２のための回転子１６１０および封止アセンブリ１８２０から１８２２の断面図を示す。図１８Ｃは、下側呼気チャンバ１６２０およびシリンダヘッド１６２５における呼気チャンバ開口１６２６および呼気ポート１６３２のための回転子１６１０および封止リングアセンブリ１８１０から１８１２の近景である。
【００９７】
図１８Ａを参照すると、回転子（例えば、回転バルブ）１６１０は、下側呼気チャンバ１６２５の浅い円筒状の窪みまたは切り欠きにある。スパークプラグ１７２０は、シリンダヘッド１６３０の底面の凸状の窪み１７３０の最頂部に見られる。回転子１６１０は下側呼気チャンバ１６２５内の窪みまたは切り欠き内で回転しなければならないので、非常に小さな間隙が、回転子１６１０と下側呼気チャンバ１６２５および／またはシリンダヘッド１６３０との間に存在し得る。この間隙からの、排気デトネーションガスの所望されない放出を防ぐべく、第１封止リング１８１０が下側呼気チャンバ１６２５（上側吸気チャンバ１６２０の排気ポート１６２４に接続される［図１６］）の開口１６２８に配置され、第２封止リング１８１２が、シリンダヘッドの排気ポート１６３４に配置される。開口１６２８および排気ポート１６３４は、封止リング１８１０および１８１２を収容すべく回転子１６１０との接点において僅かに大きな開口が形成されるように加工され得る。図１７の封止リング１７１０および１７１２と同様に、封止リング１８１０および１８１２は、金属、セラミック、若しくは、耐摩耗性および耐熱性であり、比較的低い摩擦係数を有する他の物質（例えば、真鍮のブッシング）を含み得、またはこれらにより形成され得る。
【００９８】
図１８Ａから１８Ｂの図において、開口１６１２は、呼気チャンバ開口１６２６および１６２８の間にある。したがって、回転子／バルブ開口１６１２は図１８Ｂでは見えるが、図１８Ａでは見えない。図１８Ｂは、下側呼気チャンバ１６２５の開口１６２６およびシリンダヘッド１６３０の呼気ポート１６３２に重なり始めている回転子１６１０の開口１６１２を示す。図１８Ａの配置と同様に、回転子１６１０と下側呼気チャンバ１６２５および／またはシリンダヘッド１６３０との間の間隙からの燃料の所望されない放出を防ぐべく、第３封止リング１８２０が下側呼気チャンバ１６２５（上側吸気チャンバ１６２０の呼気ポート１６２２に接続される［図１６］）の開口１６２６に位置付けおよび配置され、第４封止リング１８２２が、シリンダヘッドの呼気ポート１６３４に配置される。したがって、開口１６２６および呼気ポート１６３２も、封止リング１８２０および１８２２を収容すべく回転子１６１０との接点において僅かに大きな開口が形成されるように加工され得る。封止リング１８２０および１８２２は、封止リング１８１０および１８１２と１または複数の同じ物質を含み得、またはそれらにより形成され得る。
【００９９】
図１８Ｃは、図１８Ａの回転子および封止リングアセンブリを僅かにより詳細に示す。例えば、下側呼気チャンバ１６２５の開口１６２８およびシリンダヘッド１６３０の排気ポート１６３４は、ワッシャ１８３４および１８３６を受け、封止リング１８１０とワッシャ１８３４との間、および封止リング１８１２とワッシャ１８３６との間にそれぞれバネ１８３０および１８３２をさらに受けるよう製造（例えば、加工）され得る。封止リング１８１０および１８１２が摩耗するにつれバネ１８３０および１８３２は、封止リング１８１０および１８１２が回転子１６１０と継続的に接触したままでいるように、封止リング１８１０および１８１２に力および／または圧力を加える。また、封止リング１８２０および１８２２が摩耗した場合に封止リング１８２０および１８２２が回転子１６１０と継続的に接触したままでいるように、封止リング１８２０および１８２２の後方には、封止リング１８２０および１８２２に力および／または圧力を加える同一または同様の複数のバネおよび複数のワッシャも配置され得る。回転子シャフト／回転軸１６５８および／または下側呼気チャンバ１６２０は、（ｉ）回転子シャフト／回転軸１６５８と下側呼気チャンバ１６２０との間の摩擦を低減し、および／または（ｉｉ）回転子シャフト／回転軸１６５８に対する圧力および／または引っ張りを低減または最小化するよう構成されたスリーブ１８４０と嵌め合わせられ得る。
【０１００】
図１９Ａから１９Ｈは、図１６の例示的な内部デトネーションエンジン１６００の特定の動作ステージの間の回転バルブ（例えば、回転子１６１０）の様々な位置の上面図である。回転子１６１０は、回転子１６１０の回転速度に基づく時間の間、呼気および排気ポート１６３２および１６３４の完全な開口を可能とする長い開口１６１２を有する。呼気および排気ポート１６３２および１６３４（並びに、下側呼気チャンバまたは呼気マニフォールド１６２５の開口１６２６および１６２８。図１６）は円形であり、回転子の開口１６１２の幅とおよそ同じか、またはそれより僅かに小さい直径を有する。呼気および排気ポート１６３２および１６３４は回転子１６１０の回転により開放および閉鎖され、これにより、空気／燃料混合物が燃焼室内に入り、排気ガスを出させることを可能とする。複数のポートは、回転子１６１０に接触し、これを封止する、バネが装着された封止リング１８１２および１８２２のために座ぐりされ、またこれらに嵌め合わせされている。ポートのタイミングは従来のエンジンのバルブのタイミングと同様であり、図１９Ａから１９Ｈ、およびピストンおよびクランクシャフト（図１９Ａから１９Ｈには図示せず。図１６のピストン１６４２およびクランクシャフト１６５０を参照）の対応する複数の位置に関連して説明する。回転子１６１０の中央には回転軸１６６８がある。
【０１０１】
図１９Ａを参照すると、最初の点（クランクシャフトおよび回転子１６１０の０°回転として定義される）において、回転子／バルブ開口１６１２は、呼気ポート１６３２と排気ポート１６３４とに分かれて重なるよう位置付けられ、両方のバルブが僅かに開放されている。この位置において、ピストンは上死点に位置付けられている。
【０１０２】
ここで図１９Ｂを参照すると、クランクシャフトにおける９０°の回転は、回転子１６１０の開口１６１２における４５°の回転となる。ピストンは下方に移動しており、回転バルブ１６１０／１６１２は完全に排気ポート１６３４を閉鎖し、呼気ポート１６３２を完全に露出させている。この時点で空気／燃料混合物は、少なくとも部分的にピストンの下方への動きにより燃焼室内に引き込まれている。
【０１０３】
図１９Ｃに示されるように、クランクシャフトが１８０°の位置に位置付けされている場合、回転子１６１０は９０°回転しており、ピストンはシリンダの下死点にあり、回転バルブ１６１０／１６１２はほぼ呼気ポート１６３２を閉じてしまっている。回転子１６１０の開口１６１２と呼気ポート１６３２との間の重なりの完全な閉鎖（つまり、バルブの閉鎖）は遅れさせられ、呼気マニフォールド１６２５の開口１６２６内で動く空気／燃料混合物の慣性が継続して燃焼室を充填することが可能となる。
【０１０４】
図１９Ｄにおいて、クランクシャフト位置は２７０°の位置にあり、回転バルブ１６１０／１６１２は呼気ポート１６３２を閉鎖している。ピストンは空気／燃料混合物を圧縮しながら上方に移動している。複数の特定の実施形態（例えば、おがくず、硝酸アンモニウム、または他の固相の複数の燃料を用いる）において、高濃度の酸素（数気圧から数十または数百の大気圧である空気圧で提供されるものなど）が重要であり、場合によっては燃料の十分に完全なデトネーションのために必要である。したがって、燃焼室内への噴射の前に呼気インレットにおいて（または、そうではなく、回転子において）空気を圧縮するよう構成された圧縮機が有利である。
【０１０５】
ここで図１９Ｅを参照すると、クランクシャフト位置は３６０°の位置にあり、回転子は１８０°回転しており、ピストンは上死点に戻っている。スパークプラグは空気／燃料混合物に点火し、デトネーション（または燃焼）プロセスが開始する。代替的なタイミングプロセスにおいて、スパークプラグは、クランクシャフト位置が３６０°（例えば、３５０°から３５９°）に到達する少し前に空気／燃料混合物に点火し、デトネーションプロセスは回転子が１８０°に到達する時点で既に開始している。呼気および排気ポート１６３２および１６３４は、回転子１６１０に接触する封止リングにより閉鎖され、封止される。
【０１０６】
図１９Ｆを参照すると、クランクシャフト位置は４５０°であり、回転子は２２５°回転しており、ピストンはデトネーションの間に生成される膨張する気体の力により再び下方に移動している。図１９Ｇに示されるようにクランクシャフトが５４０°の位置にある場合、回転子は２７０°回転しており、ピストンはこの時、下死点にある。回転子１６１０の開口１６１２は、排気ポート１６３４を露出させ始めており、排気デトネーションガスの放出を可能としている。デトネーションガスはデトネーション、起こり得る複数の燃料分子の相変化（例えば、固相から気相への）の間に生成された追加的な複数の気体分子からの、および／または発熱デトネーション反応により引き起こされる熱膨張からの圧力を受け得る。
【０１０７】
ここで図１９Ｈを参照すると、クランクシャフト位置は６３０°の位置にあり、回転子１６１０は３１５°回転している。回転子１６１０の開口１６１２は完全に排気ポート１６３４を露出させており、ピストンは上方に移動して燃焼室から排気デトネーションガスを押し出している。回転子が０°の位置に戻ると（図１９Ａ）、サイクルは完了し、また繰り返されることとなる。
【０１０８】
内部デトネーションエンジンを用いた、エネルギーを変換する例示的な複数の方法
本願発明の更なる態様は、エネルギーを変換する方法に関し、同方法は、
ａ）デトネーションチャンバの第１端部における第１固定子の第１開口を少なくとも通じてデトネーションチャンバ内に燃料を導入する段階と、
ｂ）デトネーションチャンバ内で燃料に点火する、または燃料を爆発させる段階と、
ｃ）第１固定子とデトネーションチャンバとのうちいずれかの第２開口を通じてデトネーションガスを排気する段階と、
ｄ）燃料に点火すること、または燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを、１または複数のシャフト、車輪、またはギヤにおいて機械的エネルギーに変換する段階と、
ｅ）  第１固定子に隣接する第１回転子を回転させる段階と
を備え、
第１回転子は１または複数の第３開口を内部に有し、
（ｉ）１または複数の第３開口は回転子が回転すると少なくとも第１開口と重なり、（ｉｉ）そうではなく、１または複数の第３開口が第１開口に重ならない場合には、第１開口を封止するよう構成されている。
【０１０９】
燃料に点火すること、または燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを、機械的エネルギーに変換する段階は、１または複数のロッドのうち少なくとも１つから機械的エネルギーを受けるクランクシャフトに接続された１または複数のロッドを駆動する段階を有する。クランクシャフトはギヤまたは車輪を駆動し、ギヤまたは車輪は今度は、１または複数のシャフトまたはベルトを駆動する。
【０１１０】
好ましくは、１または複数のシャフトまたはベルトのうち少なくとも１つから機械的エネルギーを受けるタイミングギヤを駆動する段階と、タイミングギヤと、タイミングギヤに取り付けられた回転軸とを用いて第１回転子を直接的または間接的に回転させる段階とをさらに備える。デトネーションチャンバはシリンダとシリンダヘッドとを有し、シリンダヘッドは第１開口および第２開口を内部に含み、燃料に点火すること、または燃料を爆発させることにより得られるエネルギーを、機械的エネルギーに変換する段階は、シリンダ内でピストンをスライド式に動かす段階を有し、ピストンは、ロッドに取り付けられている。
【０１１１】
好ましくは本願発明は、呼気チャンバの燃料呼気ポートを通じて燃料を提供する段階と、ｂ）呼気チャンバの排気ポートを通じてデトネーションガスを排気する段階とをさらに備え、燃料呼気ポートは、第１開口と間欠的に連通し、排気ポートは、第２開口と間欠的に連通し、呼気チャンバと第１固定子とは、第１回転子を封止して収容し、呼気チャンバと固定子との間で第１回転子を回転させる。概して、第１回転子と第１固定子との間の摩擦を低減すべく第１回転子の表面は潤滑にされる。
【０１１２】
代替的に、デトネーションチャンバは第２固定子を含み、
第２開口は第２固定子の内部にあり、
方法は、第２固定子に隣接する第２回転子を回転させる段階をさらに備え、
第２回転子は、１または複数の第４開口を内部に有し、
１または複数の第４開口は、第２回転子が回転する場合に第２開口と重なり、そうではなく、１または複数の第４開口のうちどれも第２開口と重ならない場合には、第２開口を封止するよう構成される。本願発明の様々な実施形態において、機械的エネルギーを用いて、シャフトに回転可能に固定された１または複数のタービンファンを回転させる段階をさらに備える。
【０１１３】
追加的に、または代替的に、本願発明に係る方法は、シャフトに回転可能に固定された１または複数のロータリーファンを回転させる段階をさらに備え、１または複数のロータリーファンのうち少なくとも１つは、デトネーションチャンバの、１または複数のタービンファンとは反対側にある。概して、１または複数のロータリーファンは圧縮機の一部であり、単独で、または１または複数の追加的なロータリーファンと共に、圧縮機ステージを画定する。１または複数のロータリーファンは、回転子において（燃焼室内に取り込まれる、および／または噴射される前に）空気を数気圧だけ、数十から数百気圧まで圧縮するそのような高い空気圧により、液相燃料、並びに特に、おがくず、地紙、切断紙、硝酸アンモニウム、これらの組み合わせ、その他などの固相燃料が実質的に完全にデトネーションを起こす可能性が大幅に高くなる。
【０１１４】
内部デトネーションチャンバの設計を含む新規の複数のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは、高められた比推力と共に追加的な力および推進力を複数のタービンブレードに対して生成し、したがって、追加的な資本費を殆ど生じさせることなく、エンジンの全体的な効率性を向上させることが予期される。本願発明に係るハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは概して、天然ガス、石油燃料、硝酸アンモニウム、エタノール、およびバイオ燃料を含むほぼあらゆる燃料での動作が可能である。本願発明に係るハイブリッド内部デトネーションガスタービンを用いて動力および／または機械的エネルギーを生成するのに用いられ得る他の燃料源は、火薬、おがくず、藁、紙（例えば、地紙、細断紙、切断紙）、並びに／若しくは、他の安価な再生可能なエネルギー源を含む。したがって、ここで説明された複数のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは、減少しつつある石油埋蔵量に依存せず、代替的な複数の燃料で動作し得る。
【０１１５】
結論／まとめ
本願発明は、飛行用、水用、地上用の車両を推進するために、または動力生成のために用いられ得る新規の複数のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンを提供する。本願発明は、パルスデトネーションの要素を一般的なタービンエンジン設計と一体化させることにより既存の複数のターボファンおよびガスタービンエンジンの性能を向上させる。新規のハイブリッド内部デトネーションガスタービンエンジンは、既存のガスタービンおよびターボファン技術と比較して向上した推進力、効率性、低下した燃料消費を有し得る。
【０１１６】
本願発明の複数の特定の実施形態に関する前述した複数の説明は、例示および説明を目的として提示されている。それらは網羅的であること、または本願発明を開示される形態に正確に限定することを意図されておらず、明らかに、多くの修正および変形が上記の教示を考慮すれば可能である。複数の実施形態は、本願発明の複数の原理およびその実際的な適用を最良に説明するために選択および説明された。本願発明の範囲は、添付の請求項およびそれら複数の同等物によって規定されることが意図されている。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｆ】
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【図１９Ｇ】
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【図１９Ｈ】
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【国際調査報告】
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