(57)【要約】【課題】  本発明は、二段パルスデトネーションシステムを提供する。【解決手段】  二段パルスデトネーションシステム（１００）は、予燃焼器（１０２）と、収束−発散ノズル（１０４）を介して予燃焼器（１０２）に結合された形状レゾネータ（１０６）とを含み、レゾネータの内部に高温かつ高圧状態を形成してデトネーション開始のための最適状態を作り出す。燃料及びガスの混合気は、予燃焼器（１０２）内で燃焼し、ノズル（１０４）を通って形状レゾネータ（１０６）内に流れ、形状レゾネータにおいて燃焼済み混合気がデトネーションする。デトネーションは、レゾネータ出口ノズル（７８）を通して伝播し、このようにして推力を発生する。【選択図】      図１
2005171984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料及びガスの混合気を燃焼させるように構成された少なくとも１つの予燃焼器（１０２）と、
前記少なくとも１つの予燃焼器（１０２）に結合され、前記燃焼済み混合気の少なくとも幾らかがそれを通って流れるように構成された少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）と、
前記少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）に結合され、前記燃焼済み混合気の少なくとも幾らかを受入れかつ該受入れ燃焼済み混合気の少なくとも一部をデトネーションさせるように構成された少なくとも１つの形状レゾネータ（１０６）と、
を含む二段パルスデトネーションシステム（１００）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの予燃焼器（１０２）が、前記混合気を一定圧力で燃焼させるように構成されている、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項３】
前記ガスが空気であり、前記混合気が約２〜約３の範囲内の燃空比を有する、請求項２記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの形状レゾネータ（１０６）に結合された少なくとも１つのレゾネータ出口ノズル（１１０）をさらに含み、前記少なくとも１つのレゾネータ出口ノズル（１１０）が、前記デトネーションされた燃焼済み混合気の少なくとも幾らかを該レゾネータ出口ノズル（１１０）の出口に向けるように構成されている、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）が、前記少なくとも１つの形状レゾネータ（１０６）の周囲に沿って連続環状空間として構成されている、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項６】
複数の前記収束−発散ノズル（１０４）が、前記少なくとも１つの形状レゾネータ（１０６）の周囲に沿って配置され、前記収束−発散ノズル（１０４）の少なくとも幾つかが、前記燃料−空気混合気を前記少なくとも１つの形状レゾネータ（１０６）内に供給するように構成されている、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）が、該収束−発散ノズル（１０４）を通って流れる前記燃焼済み混合気の部分内に二次ガスを噴射するように構成された複数のポート（２１２）を有する少なくとも１つの面（２１４、２１６）を含み、前記二次ガスが空気であり、前記少なくとも１つの面（２１４）が、前記少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）の収束面及び発散面の１つであり、前記複数のポート（２１２）の少なくとも幾つかが、前記面（２１４、２１６）への垂線に対して約０°〜約９０°の範囲内の角度で前記二次ガスを噴射する、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項８】
前記ポート（２１２）の少なくとも幾つかが、前記収束−発散ノズル（１０４）を通って流れる前記燃焼済み混合気内に上流方向に前記二次ガスを向けるようにし、前記ポート（２１２）が、前記面（２１４、２１６）に沿って互いに等間隔に配置され、前記ポート（２１２）が、前記少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）を通って流れる前記燃焼済み混合気が該ポート（２１２）内に流入するのを防止するような圧力で前記二次ガスを噴射するように構成され、隣り合うポート（２１２）の端縁間の間隔が、該ポート（２１２）の幅に等しくなっている、請求項７記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項９】
前記二次ガスが、前記少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）を通って流れる前記燃焼済み混合気内に噴射されるのに先立って加熱される、請求項７記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項１０】
前記形状レゾネータ（１０６）が、少なくとも幾らかの反射圧力波をその焦点（Ｆ）に向けるように構成された圧力波反射面（１０８）を有する、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項１１】
前記形状レゾネータ（１０６）が、上面（３０６）及び下面（３０８）を備えた楔形状をもつ圧力波反射面（１０８）を有し、前記上面（３０６）及び下面（３０８）間の角度が、約４５°〜約１２０°の範囲内である、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項１２】
前記形状レゾネータ（１０６）が、円錐形、円筒形、球形、平坦形、放物線形及び切子面形を含む群から選ばれた形状をもつ圧力波反射面（１０８）を有する、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項１３】
前記形状レゾネータ（１０６）が、複数の部分を含む圧力波反射面（１０８）を有し、前記部分の少なくとも１つの形状が、放物線形、円筒形、平坦形、球形及び切子面形を含む群から選ばれている、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項１４】
前記形状レゾネータ（１０６）が、前記少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）の端縁部に対応する点において始まる圧力波反射面（１０８）を有する、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【請求項１５】
前記形状レゾネータ（１０６）が、前記少なくとも１つの収束−発散ノズル（１０４）から出る前記受入れ燃焼済み混合気の少なくとも幾らかによって形成された圧力よどみ領域に一致する焦点（Ｆ）に、少なくとも幾らかの圧力波を向けるように構成された圧力波反射面（１０８）を有する、請求項１記載の二段パルスデトネーションシステム。
【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、より具体的には、二段パルスデトネーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
可変サイクルターボファン・ラムジェットエンジンを使用して、低亜音速マッハ数から約マッハ６の高超音速マッハ数までの航空機飛行速度を得ることができる。公知のエンジンは、コアエンジンシステム及びデュアルモードオーグメンタを含む。デュアルモードオーグメンタは、コアエンジンシステムから出る排出空気流に付加的な熱を与えてエンジン推力を増大させる。コアエンジンシステムは、ファン組立体を駆動するための動力を提供し、典型的には直列の軸流関係になった、圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。デュアルモードオーグメンタは、コアエンジンの下流に配置され、コアエンジン及び該コアエンジンを囲むバイパスダクトからの空気を受入れる。
【０００３】
公知のエンジンは、幾つかの異なる燃焼システムを利用している場合には、広範囲の飛行速度運転にわたって作動できる。離陸からほぼマッハ３までの飛行速度運転時には、コアエンジン及びエンジンファンシステムにより、オーグメンタが使用する圧力及び量の空気流を供給してエンジンの推力を発生する。マッハ３とマッハ６との間の飛行速度運転を維持するためには、コアエンジンシステムを停止し、ファンシステムを空転させるか又は補助ラムダクトを利用するかのいずれかによって、ラム空気流をデュアルモードオーグメンタ内に導入する。マッハ６以上の飛行速度運転を維持するためには、別個の超音速燃焼システムすなわちスクラムジェットを使用するか又は別個のロケットベースの推力発生システムを使用するかのいずれかである。宇宙空間における飛行速度運転を達成するためには、ロケットベースの推力発生システムを使用する。その結果、広範囲の運転飛行速度にわたって効率的に作動するエンジンにおいては、幾つかの異なる燃焼システムが使用されることになる。
【０００４】
広範囲の飛行速度を得るためには燃焼システムの組合せを必要とするという欠点を解決する努力により、燃焼システムの組合せに対する必要性を低減しながら利用可能な飛行速度範囲を増大させるのを助けるパルスデトネーション（間欠爆轟燃焼）エンジンが開発されてきた。
【０００５】
パルスデトネーションシステムを備えたエンジン用に提案された１つの設計例は、少なくとも１つのチューブパルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）を含む。ＰＤＥは、オーグメンタとして又は主燃焼器として又はこれら両方として配置することができる。しかしながら、チューブパルスデトネーションシステムは、幾つかの欠点を有する。これらのシステムは、デトネーション（爆轟燃焼）の制御を助けるために機械式弁を使用しており、このことが複雑さとコストを増大させると共に、達成できるデトネーション頻度を制限する。低いデトネーション頻度はまた、デトネーションによって生じる衝撃及び振動によって、エンジンシステム内の構成部品に悪影響を与えるおそれがある。さらに、チューブＰＤＥシステムは、一般に使用されている航空燃料では効率的に作動しない。
【特許文献１】米国特許第６，３４９，５３８号公報
【特許文献２】米国特許第６，４７７，８２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明において説明する二段ＰＤＥは、航空燃料の使用及び高頻度作動の要求を満たす。デトネーション可能な任意の燃料−空気混合気からエネルギーを取り出す最も効率的な方法であることが立証されているデトネーションを使用して、推力を発生させる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態では、ターボファン・エンジンは、エンジンが広範囲の飛行速度にわたって効率的かつ有効に作動するのを可能にする二段パルスデトネーションシステムを含む。二段パルスデトネーションエンジンは、機械式制御弁又はその他のターボ機械装置によって生じる物理的制約なしに、エンジンの作動デトネーション頻度を増大させる。このことは、全エンジン推力を増大させかつ構成部品の期待寿命を延長する。二段パルスデトネーションシステムは、予燃焼器と、エンジンに付加的な推力を与える１つ又は複数の形状レゾネータとを含む。予燃焼器は、燃料／酸化性物質混合気をよりデトネーションし易くする任意のシステムとすることができる。予燃焼器の例としては、定圧燃焼器、熱分解システム及び触媒システムがある。
【０００８】
作動時、予燃焼器内でリッチな燃料空気混合気を一定圧力下で燃焼させて、ＣＯ及びＨ２のようなデトネーション可能成分の混合気を生成する。予燃焼器に続いて、得られた混合気は、次ぎに付加的な空気と共に二次元又は三次元形状レゾネータのいずれか内に導かれてデトネーション条件を作り出し、形状レゾネータ内で混合気のデトネーションを引き起こす。幾つかの場合には、デトネーションを促進するために、レゾネータ内の混合気に対して点火源も加えられる。この点火源は、スパーク、外的ショックなどとすることができる。形状レゾネータ内における燃料／空気混合気のデトネーションは、高い温度及び圧力を有する高温燃焼ガスを発生させる。この高温燃焼ガスが、エンジンから外向きに向けられて推力を発生することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の利点、性質及び様々な付加的特徴は、図面に概略的に示した本発明の例示的な実施形態を考察することにより一層明らかになるであろう。
【００１０】
添付図面を参照して本発明をさらに詳細に説明するが、この説明は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１１】
図１は、少なくとも１つの形状レゾネータを備えた二段パルスデトネーションシステム１２を含むターボファン・エンジン１０の側面断面図である。この場合、ＰＤＥシステムは、オーグメンタとして、つまりエンジンタービンの後方に配置される。図２は、線２−２に沿って取った、図１に示す二段パルスデトネーションオーグメンタ１３の断面図である。１つの実施形態では、ターボファン・エンジン１０は、オハイオ州シンシナティ所在のゼネラル・エレクトリック社から入手可能なＦ１１０／１２９型エンジンである。エンジン１０は、ほぼ長手方向に延びる軸線すなわち中心線１４を有し、この中心線は、前方向１６及び後方向１８に延びる。エンジン１０は、全てが直列の軸流関係で配列された、高圧圧縮機３４、燃焼器３６、高圧タービン３８及び出力タービンすなわち低圧タービン３９を備えたコアエンジン３０を含む。別の実施形態では、エンジン１０は、コアファン組立体（図示せず）を含む。
【００１２】
さらに別の実施形態では、二段システムはまた、圧縮機とタービンとの間に配置することもできる。この場合、二段ＰＤＥ１２が、図１の燃焼器３６と置き代わることになる。さらに別の実施形態は、主燃焼器３６として働きかつオーグメンタとしても働く二段ＰＤＥシステムを備えたエンジンを含む。
【００１３】
二段パルスデトネーションシステム１２は、コアエンジン３０及びエンジンファンシステムの両方の下流に配置されて、該エンジンファンシステムからのバイパス空気を受入れる。二段パルスデトネーションシステム１２は、燃料／空気混合気の高頻度デトネーションを生じさせて高温かつ高圧ガスを発生させ、このガスをエンジンから噴出させて推力を発生する。二段パルスデトネーションシステムの作動については、後で一層詳細に述べる。二段パルスデトネーションシステム１２は、予燃焼器６０を有する入口側７０、少なくとも１つの形状レゾネータ６２の群、出口側７２及びショック集束サブシステム７４を含む。１つの実施形態では、１つの予燃焼器６０が、１つ以上の形状レゾネータ６２に対してデトネーション可能な混合気を供給する。入口側７０は、出口側７２の上流に位置し、エンジン中央本体７６を円周方向に囲む。
【００１４】
本明細書において使用する場合、「パルスデトネーションエンジン」というのは、その装置内における一連の繰り返しデトネーション又は擬似デトネーションにより圧力上昇及び速度増大の両方を生じさせる任意の装置又はシステムを意味するものと理解されたい。「擬似デトネーション」というのは、デフラグレーション波によって生じ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過程である。パルスデトネーションエンジンの典型的な実施形態は、例えば燃料／空気混合気のような燃料／酸化性物質混合気に点火する手段と、その中で点火過程によって始まる圧力波面が合体してデトネーション（爆轟）波を発生するデトネーションチャンバとを含む。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ーパルスのような外的点火によってか或いはショック集束、自己点火のようなガスダイナミック過程によってか或いは別のデトネーション（クロスファイア）によってかのいずれかで開始（起爆）する。デトネーションチャンバのジオメトリは、デトネーション波の圧力上昇によりパルスデトネーションエンジン排気口から燃焼生成物が放出されて推力を発生するようにされる。当業者には公知なように、パルスデトネーションは、デトネーションチューブ、ショックチューブ、共振デトネーション空洞及び環状デトネーションチャンバを含む多くのタイプのデトネーションチャンバ内で達成することができる。
【００１５】
ショック集束サブシステム７４は、形状レゾネータ６２から延びる少なくとも１つのノズル７８とシステム出口側７２とを含む。ノズル７８は、形状レゾネータ６２内でデトネーションされる燃料及び空気混合気が出口側７２に流れて付加的な推力を発生することを可能にする。１つの実施形態では、各ノズル７８は、円形断面を有し、またショック集束サブシステム７４は、円形の断面輪郭を有する。他の実施形態では、ショック集束サブシステム７４は、非円形の断面輪郭を有する。別の実施形態では、ノズル７８は、例えば多角形又は矩形断面をもつ非円形断面を有する。ノズル７８は、形状レゾネータ６２から排気ノズル８４まで延びる。排気ノズル８４は、二段パルスデトネーションシステム１２及びノズル７８の下流に配置される。
【００１６】
作動時に、空気流がエンジン１０に流入し、燃料がコアエンジン３０に導入される。空気及び燃料は、コアエンジン３０内で混合されかつ点火されて、高温の燃焼ガスを発生する。具体的には、高圧圧縮機３４からの加圧空気が、燃焼器３６内で燃料と混合されて点火され、それによって燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、高圧タービン３８を駆動し、高圧タービン３８が高圧圧縮機３４を駆動する。燃焼ガスは、高圧タービン３８から低圧タービン３９内に吐出される。コア空気流は、低圧タービン３９から吐出される。
【００１７】
バイパス空気流の小部分が予燃焼器６０内に流され、そこで付加的な燃料が空気流に加えられる。エンジン全体にわたって使用する燃料は、航空エンジン用途に使用可能な、例えばＪＰ−４、Ｊｅｔ−Ａ及びＪＰ−８を含む任意の公知の炭化水素燃料である。予燃焼器６０内に噴射される燃料の量は、リッチな燃空比が得られるような量である。１つの実施形態では、このリッチな混合気の燃空比は、２〜３の範囲内である。別の実施形態では、酸素のような付加的なガスが、予燃焼器６０の混合気内で使用される。
【００１８】
リッチな燃料／空気混合気を混合した後に、得られた混合気を予燃焼器６０内で定圧燃焼法で燃焼させる。定圧燃焼過程中に、炭化水素燃料の幾らかが燃焼されるが、他の幾らかは部分的に酸化され、この部分的酸化は、燃料の幾らかを化学的に変化させて、ＣＯ及びＨ２のような付加的なデトネーション可能成分を生成する。
【００１９】
１つの実施形態では、燃料／空気混合気を燃焼させる予燃焼器内の圧力は、およそ３ａｔｍである。リッチな燃料−空気混合気は、少なくとも１つのデュアル予混合スワーラを使用して予混合乱流ジェット火炎を形成することによって得られる。
【００２０】
燃焼済み燃料混合気とデトネーション可能成分とは、予混合器６０から音速又は音速近くの速度で収束−発散ノズル６４を通して形状レゾネータ６２内に導かれる。形状レゾネータ６２に流入するのに先立って、燃焼済み燃料混合気は、ノズル６４を通って流れる流れ内に噴射される二次ガスとさらに混合される。新たに形成された混合気は、収束−発散ノズル６４から出て、高圧で形状レゾネータ６２内に流入する。１つの実施形態では、この二次ガスは空気である。
【００２１】
１つの実施形態では、燃焼済み予燃焼器流に加えられる二次空気の量は、得られる燃空比が１となるような量である。形状レゾネータに流入する燃料／空気混合気を最終燃空比１にすることにより、その燃料／空気混合気が形状レゾネータ６２内でデトネーションされる時に、最大燃料消費量にすることが可能になる。燃焼済み予燃焼器流に加えられる二次空気の量は、予燃焼器及びレゾネータ内で使用される全空気量に関して燃空比１が得られるような量である。
【００２２】
新たな燃料／空気混合気が収束−発散ノズル６４から出る時、この流出する流れは、形状レゾネータ６２の対称軸線に向かって半径方向に方向付けられる。ノズル６４からの流れは、形状レゾネータ６２の対称軸線において衝突して、高い圧力及び温度を有するよどみ状態領域を形成する。生じた形状レゾネータ６２内における圧力上昇は、ノズル６４から出る流れを閉塞する圧力波を作り出す。１つの実施形態では、形成された高圧高温領域は、燃料／空気混合気をデトネーションさせる開始（起爆）部として働く。発生したデトネーションは、レゾネータ出口ノズル７８を下流に伝播し、出口側７２においてノズル７８から流出して、付加的な推力を発生する。
【００２３】
形状レゾネータ６２内における燃料／空気混合気のデトネーションの頻度及び強度は、燃料／空気混合気がノズル６４から出て形状レゾネータ６２に流入する時のジオメトリ、組成、温度及び圧力によって決まる。これらのパラメータの全ては、高頻度のデトネーション、形状レゾネータ６２内における効率的な燃料消費量及びデトネーションのための十分な発火待時間が得られるように最適化される。
【００２４】
レゾネータ内で流れがデトネーションする前に、ノズル６４から放出される流れは、ノズル前後の圧力比のために閉塞される。このことにより、形状レゾネータ６２に流入する流れが制限される。さらに、この流れの閉塞が、形状レゾネータ６２内での燃料／空気混合気のデトネーションを可能にするのを助ける。デトネーションが生じると、デトネーションによりノズル６４の下流に高圧が発生し、この高圧によりこれらのノズルを通る流れを大きく減少させるか或いは流れの方向を逆転させることすらある。形状レゾネータ６２内で燃料／空気混合気がデトネーションすると、デトネーションした燃料／空気混合気は、形状レゾネータ６２から流出して、レゾネータ出口ノズル７８に沿って進む。デトネーションした燃料／空気混合気が形状レゾネータから流出すると、形状レゾネータ６２内で圧力降下が起こる。この圧力降下により、ノズル流れが形状レゾネータ６２内に流入しかつ再び閉塞されることが可能になり、サイクルの反復を可能にする。
【００２５】
１つの実施形態では、ノズル６４から形状レゾネータ６２内への燃料／空気混合気の流入により発生する圧力波の幾らかが、形状レゾネータ６２の反射面６８に向けても放射される。反射面６８に向けられた圧力波は、反射面６８の形状により反射されて、高圧高温の焦点に向けられる。焦点において作り出された高圧高温は、ノズル６４から放出される燃料／空気混合気のデトネーションを助ける。このデトネーションは、レゾネータ出口ノズル７８に沿って伝播し、出口側７２において外に出る。
【００２６】
１つの実施形態では、反射面６８から反射した圧力波の焦点は、収束−発散ノズル６４からの燃料／空気混合気の流れによって形成されたよどみ状態領域に一致する。反射した圧力波の収束とノズル６４から流入する流れのよどみ領域とは、収束点において高圧高温領域を作り出して、燃料／空気混合気のデトネーションを起こさせる。デトネーションは、次にレゾネータ出口ノズル７８に沿って導かれ、出口側７２においてノズル７２から出て、付加的な推力を発生させる。
【００２７】
図１及び図２に示すエンジン１０は、複数の形状レゾネータ６２及びレゾネータ出口ノズル７８を有することに注目されたい。しかしながら、１つの実施形態では、単一の形状レゾネータ６２とレゾネータ出口ノズル７８との組合せが使用される。
【００２８】
図３は、二段パルスデトネーションシステム１００の一部の断面図である。上に述べたように、炭化水素燃料は空気と混合されて、燃料リッチな混合気となり、これが予燃焼器１０２内で定圧で燃焼される。部分的に燃焼した燃料の混合気と燃焼後に残留している成分とは、収束−発散ノズル１０４を通って流れ、収束−発散ノズル１０４において、ポート１１２から出る二次空気とさらに混合されて、等量燃空比を作り出す。得られた混合気は、円筒形の圧力波反射面１０８を有する形状レゾネータ１０６内に流入する。この二段パルスデトネーションエンジンはさらに、デトネーションした燃料／空気混合気をレゾネータ出口ノズル及びエンジン（図示せず）の出口に送るためのレゾネータ出口ノズル１１０を含む。圧力波反射面１０８の形状は、形状レゾネータ１０６内の反射圧力波が集束される焦点Ｆをもつ二次元湾曲面を有する。この形状は、焦点Ｆを通るその長い軸線を有する円筒体の一部の形状である。
【００２９】
１つの実施形態では、圧力波反射面１０８の湾曲は、三次元になっている。この実施形態では、表面の形状は、焦点Ｆを有する球の一部である。
【００３０】
形状レゾネータ１０６、反射面１０８及びレゾネータ出口ノズル１１０は、形状レゾネータ１０６内における燃料／空気混合気の反復的なデトネーションの結果生じるような高圧かつ高温条件に耐える耐熱航空宇宙材料で作られる。
【００３１】
収束−発散ノズル１０４は、形状レゾネータ１０６の周囲を囲む半径方向に形成した環状空間として構成される。燃料／空気混合気は、形状レゾネータ１０６の中心に向けてノズル１０４から半径方向に流出して、そこで起爆及びデトネーションが発生する高圧高温よどみ領域を形成する。別の実施形態では、ノズル１０４は、複数の個別チャネル開口として構成され、この場合、少なくとも1つのチャネル開口が形状レゾネータ１０６の上面上に設置され、少なくとも1つの他のチャネル開口が形状レゾネータ１０６の底面上に設置される。
【００３２】
１つの実施形態では、複数の個々の個別ノズル１０４が、形状レゾネータ１０６の周囲の周りに半径方向に分散配置される。ノズルの各々は、予燃焼器１０２からの燃料／空気混合気を形状レゾネータ１０６の中心領域に向ける。別の実施形態では、多数の個別ノズル１０４が、予燃焼器１０２からの燃料／空気混合気を形状レゾネータ１０６の中心に向け、他方、残りのノズル１０４が、二次空気を形状レゾネータ１０６の中心に向ける。
【００３３】
図４は、形状レゾネータ２０２の周囲を囲む収束−発散ノズル２００の断面図である。この収束−発散ノズル２００は、予燃焼器２０４から形状レゾネータ２０２への超音速又は超音速に近い流れを可能にするように構成される。ノズル２００は、耐熱航空宇宙材料で作られる。１つの実施形態では、ノズル２００の内表面は、断熱皮膜で被覆される。
【００３４】
１つの実施形態では、ノズルの入口２０６、スロート部２０８及び出口２１０の寸法並びにそれらの間の寸法関係は、予燃焼器２０４から形状レゾネータ２０２内への流れ内に生じる圧力降下の量を制限するように最適化される。そのような半径方向内向きの収束−発散ノズルの典型的な幾何学的パラメータは、壁の形状輪郭を含み、その形状輪郭には、壁角度、収束−発散部分の長さ、スロート部の幅及びその半径方向位置が含まれる。
【００３５】
これらの幾何学的寸法を最適化することにより、ノズル２００の入口２０６及び出口２１０間で生じる圧力損失が減少する。圧力損失の減少は、二段パルスデトネーションシステムがより低い全圧力で作動することを可能にし、かつ二段ＰＤＥシステムの全体性能を増大させる。ノズル２００におけるより低い圧力損失により、予燃焼器２０４内でのより低い作動圧力の使用を可能にし、その結果サイクル効率が改善する。さらに、ノズルにおける圧力損失の減少は、形状レゾネータ２０２内におけるデトネーション開始に先立つ点火遅れを減少させる。
【００３６】
前述したように、形状レゾネータ２０２内における燃料／空気混合気のデトネーション頻度及びデトネーション前の時間は、レゾネータの幾何学形状と、燃料／空気混合気の組成、温度及び圧力とに関係している。形状レゾネータ２０２内で圧力が上昇する速度、つまり所定のレベルに到達する速度が増大するにつれて、順次起こるデトネーション間の遅延は減少する。従って、二段パルスデトネーションシステムが作動できる頻度は、収束−発散ノズル２００内における圧力損失が減少した分だけ増大する。さらに、予混合器２０４内の圧力は、レゾネータ２０２内でのデトネーションに悪影響を与えずに一層低い全圧力に維持されるので、システム全体効率は増大する。
【００３７】
収束−発散ノズル２００内に設置した複数の二次空気ポート２１２は、予燃焼器２０４から形状レゾネータ２０２に流れる燃料／空気混合気内に二次空気を噴射するように配置される。１つの実施形態では、最適なデトネーション効率及び頻度を達成するために、形状レゾネータ２０２内の燃空比１が使用される。これは、予燃焼器２０４から出て形状レゾネータ２０２に入る燃焼済み燃料リッチ混合気内に、空気ポート２１２から適量の二次空気を噴射することにより達成される。通常の大気が空気ポート２１２から噴射される。１つの実施形態では、コアエンジン３０からの高圧空気流が二次空気として使用される。別の実施形態では、これらのポートの少なくとも１つは、空気の代わりに燃料を供給することができる。
【００３８】
空気ポート２１２は、収束−発散ノズル２００の収束側に配置されて、燃料／空気混合気内に上流側で二次空気を噴射する。空気ポート２１２は、ノズル２００に沿って互いに等間隔に設置される。空気ポートから出る二次空気流の圧力は、燃料／空気混合気の空気ポート２１２内に逆流するのを防止しかつ空気ポート２１２の近傍でノズル２００内に再循環域が形成されるのを防止するように調整される。
【００３９】
さらに、予燃焼器２０４からの燃料／空気混合気内への二次空気の混合を最適化するのを保証するために、空気ポート２１２は、燃料／空気混合気の流れ内に上流方向に傾斜している。１つの実施形態では、二次空気をノズル流内に噴射する角度Ａは、ノズル２００の面２１４への垂線Ｎに対して０°〜４５°の範囲内である。
【００４０】
１つの実施形態では、二次空気は、ノズル２００の面２１４への垂線Ｎに対して４５°で上流方向にノズル流内に噴射される。
【００４１】
ノズル２００に沿った空気ポート２１２の間隔、大きさ及び数により、ノズル２００内における二次空気と予燃焼器２０４からの燃料／空気混合気との混合が最適化される。１つの実施形態では、空気ポート２１２の端縁間の間隔は、空気ポート２１２の直径に等しい。
【００４２】
さらに、１つの実施形態では、空気ポート２１２をノズル２００の収束側に設けるのではなく、空気ポート２１２は、ノズル２００の発散側の発散面２１６上に配置される。この実施形態では、二次空気流に必要な圧力は、空気ポート２１２がノズル２００の収束側にある構成において必要な圧力よりも低い。収束−発散ノズル２００の発散側に配置した場合、二次空気流は、該二次空気流と燃料／空気混合気との混合を最大にするような角度及び圧力で空気ポート２１２から出る。１つの実施形態では、二次空気流は、ノズルの発散部分の面の垂線に対して０°〜９０°の角度でノズル２００の発散側の空気ポートから出て、燃料／空気混合気の流れ内に入る。二次空気をノズル２００の発散側で燃料／空気混合気内に送り込むことは、二次空気システム（図示せず）がより低い全作動圧力で作動することを可能にする。
【００４３】
１つの実施形態では、二次空気は、ノズル２００に流入するのに先立って予熱される。二次空気を予熱することは、予燃焼器２０４からの燃料／空気混合気が高温を維持すること又は高温になることを助け、このことは形状レゾネータ２０２内におけるデトネーションの開始を助ける。
【００４４】
別の実施形態では、二次空気ポート２１２は、収束−発散ノズル２００の１つ以上の面上に設置される。ノズルの収束面２１４上に一連の空気ポート２１２が設けられ、ノズルの発散面２１６上に第２の一連の空気ポートが設けられる。さらに別の実施形態では、ノズル２００の収束側に配置した空気ポートは、発散側の空気ポート２１２を配置した側に対してノズルの対向する側に配置される。このことは、燃料／空気混合気内への二次空気の最適混合を達成することを助ける。
【００４５】
さらに、１つの実施形態では、空気ポート２１２は、収束−発散ノズル２００の収束側の対向する両面上に配置されるか又はノズル２００の発散側の対向する両面上に配置されるか、或いはその両方に配置される。
【００４６】
図５は、二段パルスデトネーションエンジン内で使用する形状レゾネータ３００の１つの実施形態の断面図である。この図には、予燃焼器３０２及び収束−発散ノズル３０４も示されている。形状レゾネータ３００の圧力波反射面３０６、３０８は、これらの面から反射される圧力波の最高の圧力回収を達成するために、角度αを有する楔形状を形成する。反射された圧力波の最適の圧力回収を達成することは、形状レゾネータ３００内における燃料／空気混合気のデトネーションを最大にするのを助ける。１つの実施形態では、面３０６、３０８間の角度αは、４５°〜９０°の範囲内である。別の実施形態では、反射面３０６、３０８間の角度αは５５°である。
【００４７】
面３０６、３０８から反射した圧力波の焦点を、ノズル３０４から出る燃料／空気混合気によって形成される高温高圧よどみ領域と一致させるために、反射面３０６、３０８は、収束−発散ノズル３０４の開口から距離Ｄに配置される。１つの実施形態では、反射面３０６、３０８は、ノズル３０４の開口から始まり、距離Ｄが０となる。
【００４８】
別の実施形態では、形状レゾネータ３００は、三次元円錐形状を有する。
【００４９】
図６は、放物線形状をもつ圧力波反射面４０２を有する別の形状レゾネータ４００の断面図である。１つの実施形態では、反射面４０２は、湾曲した反射放物面４０２を形状レゾネータ４００の中心線の半径方向周りで回転させたような三次元構成を有する。反射面の形状と距離Ｄとは、反射面４０２から反射した圧力波の最高の圧力回収を達成するように、また反射した圧力波を形状レゾネータ４００内の燃料／空気混合気よどみ領域と整合させるように、最適化される。
【００５０】
図７は、別の放物線形状をもつ圧力波反射面５０２を有する別の形状レゾネータ５００の断面図である。１つの実施形態では、反射面５０２は、湾曲した反射面５０２を形状レゾネータ５００の中心線の半径方向周りで回転させたような三次元構成を有する。反射面の形状と距離Ｄとは、反射面５０２から反射した圧力波の最高の圧力回収を達成するように、また反射した圧力波を形状レゾネータ５００内の燃料／空気混合気よどみ領域と整合させるように、最適化される。
【００５１】
図８は、平坦面をもつ圧力波反射面６０２を有する別の形状レゾネータ６００の断面図である。距離Ｄは、反射面６０２から反射した圧力波の最高の圧力回収を達成するように、また反射した圧力波を形状レゾネータ６００内の燃料／空気混合気よどみ領域と整合させるように、最適化される。
【００５２】
図９は、複数の切子面をもつ圧力波反射面７０２を有する別の形状レゾネータ７００の断面図である。１つの実施形態では、反射面７０２は、切子面形反射面７０２を形状レゾネータ７００の中心線の半径方向周りで回転させたような三次元構成を有する。反射面７００の形状と距離Ｄとは、反射面７０２から反射した圧力波の最高の圧力回収を達成するように、また反射した圧力波を形状レゾネータ７００内の燃料／空気混合気よどみ領域と整合させるように、最適化される。
【００５３】
図１０は、円筒形状をもつ複数の圧力波反射面８０２を有する別の形状レゾネータ８００の断面図である。１つの実施形態では、反射面８０２、８０４は、該反射面８０２、８０４が球状に形成されかつ形状レゾネータ８００の中心線の周りで半径方向に配置されたような三次元構成を有する。反射面８０２、８０４の形状と距離Ｄとは、反射面８０２、８０４から反射した圧力波の最高の圧力回収を達成するように、また反射した圧力波を形状レゾネータ８００内の燃料／空気混合気よどみ領域と整合させるように、最適化される。
【００５４】
別の実施形態では、反射面８０２、８０４は、放物線形状を有する。さらに別の実施形態では、これらの反射面は平坦であるか又は切子面を有する。
【００５５】
上に述べたレゾネータ構成（図５〜図１０）の実施形態では、二次ポートは、収束ノズル部分内、発散ノズル部分内、ノズルの両部分内及びノズルのいずれかの側内に付加される。
【００５６】
上記の二段パルスデトネーションシステムは、少なくとも１つの予燃焼器と、機械式弁又はその他のターボ機械装置を必要とせずに付加的なエンジン推力を発生する形状レゾネータとを含む。その結果、本二段パルスデトネーションシステムを使用するエンジンは、標準的な航空炭化水素燃料を使用しながら一層高いデトネーション頻度を達成し、従って、より低い作動頻度によって生じる悪影響なしにかつ異なる燃料を必要とすることなく一層高い推力を得ることができる。その結果、広範囲の運転飛行速度にわたってエンジンを高い効率及び性能で作動させることを可能にする全体エンジンシステムが得られる。さらに、上記の二段パルスデトネーションエンジンシステムは、ターボファン、ターボジェット及びラムジェット・エンジン構造において使用することができる。
【００５７】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】二段パルスデトネーションシステムを含むターボファン・エンジンの側面断面図。
【図２】線２−２に沿って取った、図１に示す二段パルスデトネーションシステムで使用するパルスデトネーションオーグメンタの断面図。
【図３】二段パルスデトネーションシステムの一部の断面図。
【図４】二段パルスデトネーションシステム内で使用する収束−発散ノズルの断面図。
【図５】二段パルスデトネーションシステム内で使用する別の形状レゾネータの断面図。
【図６】二段パルスデトネーションシステム内で使用するさらに別の形状レゾネータの断面図。
【図７】二段パルスデトネーションシステム内で使用するさらに別の形状レゾネータの断面図。
【図８】二段パルスデトネーションシステム内で使用するさらに別の形状レゾネータの断面図。
【図９】二段パルスデトネーションシステム内で使用するさらに別の形状レゾネータの断面図。
【図１０】二段パルスデトネーションシステム内で使用するさらに別の形状レゾネータの断面図。
【符号の説明】
【００５９】
１０  ターボファン・エンジン
１２  二段パルスデトネーションシステム
１３  二段パルスデトネーションオーグメンタ
３０  コアエンジン
３４  高圧圧縮機
３６  燃焼器
３８  高圧タービン
３９  低圧タービン
６０  予燃焼器
６２  形状レゾネータ
６４  収束−発散ノズル
６８  圧力波反射面
７４  ショック集束サブシステム
７６  エンジン中央本体
７８  レゾネータ出口ノズル
８４  排気ノズル
【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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【図１０】
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