(57)【要約】【課題】  パルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、タービンを効率良く回転駆動する。【解決手段】  衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジン３と、このパルスデトネーションエンジン３での燃焼により排出される流体によって駆動するタービン７とを備えたタービンシステム１において、上記パルスデトネーションエンジン３と上記タービン７との間に、上記パルスデトネーションエンジン３での燃焼によって排出される流体の流速を、この流体が上記タービン７にとどくまでに亜音速にするショックトラップ９が設けられているタービンシステムである。【選択図】図５
2005155573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼により排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、
上記パルスデトネーションエンジンと上記タービンとの間に、上記パルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体の流速を、この流体が上記タービンにとどくまでに亜音速にするショックトラップが設けられていることを特徴とするタービンシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のタービンシステムにおいて、
上記ショックトラップは、出口側が開口している筒状のデトネーション管の出口に、ディフューザを設けた構成であることを特徴とするタービンシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のタービンシステムにおいて、
上記ショックトラップは、上記デトネーション管の出口と上記ディフューザとの間に、ノズルを設けた構成であることを特徴とするタービンシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のタービンシステムにおいて、
上記ショックトラップは、上記デトネーション管の出口と上記ディフューザとの間に、上記デトネーション管の内径よりも大きな内径を具備したキャビティを設けた構成であることを特徴とするタービンシステム。
【請求項５】
請求項２に記載のタービンシステムにおいて、
上記ショックトラップは、出口側が開口している筒状のデトネーション管の出口にノズルを設け、このノズルの出口に上記デトネーション管の内径よりも大きな内径を具備したキャビティを設け、このキャビティの出口にディフューザを設けた構成であることを特徴とするタービンシステム。
【請求項６】
衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体によってタービンを駆動するタービンの駆動方法において、
上記パルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体の流速を、この流体が上記タービンにとどくまでにショックトラップを用いて亜音速にし、この亜音速になった流体によって上記タービンを駆動することを特徴とするタービンの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンシステムおよびタービンの駆動方法に係り、特に、パルスデトネーションエンジンによってタービンを駆動するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パルスデトネーションエンジンを用いて推力を得るガスタービンエンジンとして、たとえば、特許文献１に記載されたものが知られている。
【特許文献１】特開２００１−３５５５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、高効率なパルスデトネーションエンジンを用いて、図１に示すようにタービンを回転駆動しこのタービンの回転駆動力によって発電するシステムの需要が今後見込まれる。
【０００４】
しかし、パルスデトネーションエンジンから排出される燃焼ガス等の流体の流速は音速を超えているため、タービンの作動には適さず、効率良くタービンを回転駆動し発電することができないという問題がある。
【０００５】
上記問題は、上記タービンの回転駆動力で発電する場合のみならず、回転部材を回転することによって動作する機械の上記回転部材を、上記タービンの回転力で直接回転駆動する場合にも発生する問題である。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、パルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、タービンを効率良く回転駆動することができるタービンシステムおよびタービンの駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼により排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、上記パルスデトネーションエンジンと上記タービンとの間に、上記パルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体の流速を、この流体が上記タービンにとどくまでに亜音速にするショックトラップが設けられているタービンシステムである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のタービンシステムにおいて、上記ショックトラップは、出口側が開口している筒状のデトネーション管の出口に、ディフューザを設けた構成であるタービンシステムである。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のタービンシステムにおいて、上記ショックトラップは、上記デトネーション管の出口と上記ディフューザとの間に、ノズルを設けた構成であるタービンシステムである。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のタービンシステムにおいて、上記ショックトラップは、上記デトネーション管の出口と上記ディフューザとの間に、上記デトネーション管の内径よりも大きな内径を具備したキャビティを設けた構成であるタービンシステムである。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載のタービンシステムにおいて、上記ショックトラップは、出口側が開口している筒状のデトネーション管の出口にノズルを設け、このノズルの出口に上記デトネーション管の内径よりも大きな内径を具備したキャビティを設け、このキャビティの出口にディフューザを設けた構成であるタービンシステムである。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体によってタービンを駆動するタービンの駆動方法において、上記パルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体の流速を、この流体が上記タービンにとどくまでにショックトラップを用いて亜音速にし、この亜音速になった流体によって上記タービンを駆動するタービンの駆動方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、パルスデトネーションエンジンと、このパルスデトネーションエンジンでの燃焼によって排出される流体によって駆動するタービンとを備えたタービンシステムにおいて、タービンを効率良く回転駆動することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係るタービンシステム１の概略構成を示す図である。
【００１５】
タービンシステム１は、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生可能なパルスデトネーションエンジン３を備え、このパルスデトネーションエンジン３での燃焼により上記パルスデトネーションエンジン３のデトネーション管５から排出される流体によって、タービン７を回転駆動するシステムである。
【００１６】
そして、回転駆動されるタービン７の回転力によって、たとえば、発電機（図示せず）を回転して発電を行うようになっている。
【００１７】
ここで、パルスデトネーションエンジン３について説明する。
【００１８】
図２は、パルスデトネーションエンジン３の概略を示す図である。
【００１９】
パルスデトネーションエンジン３は、図２に示すように、一端部側が閉じられ他端部側が開放されている筒状のデトネーション管５を具備し、このデトネーション管５の閉端側に溜められた燃料に着火すると、この着火された燃料が開口端に向けて燃焼しデトネーションに発展するものである。
【００２０】
図３は、上記デトネーション管５で発生したデトネーション波が、管長の０．８の位置に達した瞬間の圧力、比体積、温度状態を示す図である。
【００２１】
たとえばデトネーション管５の長手方向の長さを１メートルとした場合、図３に示すように、閉口端から０．８メートル付近ＳＷでデトネーションの衝撃波等による圧力は突出している（ノイマンスパイクという。）。一方、デトネーション管５の閉口端から０．８メートル付近〜開口端である１メートル付近は初期状態Ａを保っている。また、閉口端〜閉口端から０．４メートル付近の管内膨張後の状態Ｂでは、管内の温度、圧力等は一定の値になる。
【００２２】
図４は、上述の状態でのデトネーション管５の圧力、比体積、温度等の変化を示している。
【００２３】
デトネーション波が超音速で伝播する性質から、通常の燃焼に比べて非常に高い圧力と温度を発生できる。
【００２４】
なお、パルスデトネーションエンジン３は、上記燃焼後にデトネーション管５内に残っている燃焼ガスをエアーパージして取り除き、続いて、水素等の燃料ガスと空気との混合気体を上記デトネーション管５内に供給して再び燃焼させる動作を繰り返して、衝撃波を伴う爆発的燃焼のデトネーションを間歇的に発生することができるようになっている。
【００２５】
図５は、第１の実施形態に係るタービンシステム１の概略構成を示す図であり、図１のＶ部に対応する図である。
【００２６】
タービンシステム１では、上記パルスデトネーションエンジン３と上記タービン７との間に、上記パルスデトネーションエンジンで３の燃焼によって排出される流体の流速を、この流体が上記タービン７にとどくまでに、亜音速にするショックトラップ９が設けられている。
【００２７】
上記ショックトラップ９は、上記パルスデトネーションエンジン３のデトネーション管５を延長するよりも短い距離で、上記流体の流速を亜音速にするものである。また、上記ショックトラップ９は、上記パルスデトネーションエンジン３のデトネーション管５とは異なる形状に形成されている。
【００２８】
より詳しく説明すると、上記ショックトラップ９は、出口５Ａ側が開口している筒状のデトネーション管（内部でデトネーションを発生させるデトネーション管）５の出口５Ａに、上記デトネーション管５の内径よりも大きな内径を具備したキャビティ１１を設け、このキャビティ１１の出口１１Ａに、ディフューザ１３を設けて構成されている。
【００２９】
換言すれば、上記ショックトラップ９は、上記デトネーション管５の出口５Ａと上記ディフューザ１３との間に、キャビティ１１を設けた構成であり、キャビティ１１の入口１１Ｂが、上記デトネーション管５の出口５Ａに接続され、ディフューザ１３の入口（内径の小さいほうの開口部）１３Ａが、上記キャビティ１１の出口１１Ａに接続され、上記各接続部からは流体が外部に漏れないようになっている。
【００３０】
そして、キャビティ１１とディフューザ１３とを設けたことによって、デトネーション管５とキャビティ１１とディフューザ１３とで構成されるものの内壁の形状は、たとえば、上記デトネーション管５では、内壁５Ｂが円柱側面形状に形成されており、上記キャビティ１１では、内周壁１１Ｃが上記デトネーション管５の内径よりも大きな内径を具備した円柱側面形状に形成されており、上記ディフューザ１３では、入口１３Ａの内径が上記デトネーション管５の内径と同一で出口１３Ｂ側（キャビティ１１とは反対側）に向かうにしたがって徐々に大きくなっている円錐台側面形状に、内壁１３Ｃが形成されている。なお、上記ディフューザ１３の出口１３Ｂには、タービン７が設けられている。
【００３１】
また、上記ディフューザ１３の入口１３Ａの内径は、上記デトネーション管５の内径と必ずしも同一でなくてよく、上記キャビティ１１の内径よりも小さく形成されていればよい。
【００３２】
上記デトネーション管５側の上記キャビティ１１の部位には、流体の漏れを防ぐために、円盤状でリング状に形成された壁部材１１Ｄが設けられており、上記ディフューザ１３側の上記キャビティ１１の部位にも同様な壁部材１１Ｅが設けられている。
【００３３】
また、上記デトネーション管５の延伸方向の中心軸ＣＬ１と上記キャビティ１１の延伸方向の中心軸ＣＬ３と上記ディフューザ１３の延伸方向の中心軸ＣＬ５とは、互いに一致している。
【００３４】
なお、上記キャビティ１１の内周壁１１Ｃは、円柱側面形状をしているが、他の形状であってもよい。
【００３５】
次に、タービンシステム１の動作について説明する。
【００３６】
パルスデトネーションエンジン３が稼動し、このパルスデトネーションエンジン３での燃焼により上記デトネーション管５から排出される燃焼ガス等の流体によって、タービン７が回転駆動しているものとする。
【００３７】
このときに、上記デトネーション管５の出口５Ａから燃焼ガス等の超音速の流体が間歇的に、たとえば２０Ｈｚで排出され、タービン７に向かって流れており、キャビティ１１の内周壁１１Ｃに上記流体がぶつかって反射し、上記ディフューザ１３の入口１３Ａから上記ディフューザ１３の延伸方向の中間部に向かって円錐側面形状の衝撃波１５が形成される。
【００３８】
なお、上記円錐側面形状の衝撃波１５の底面１５Ａ側が上記キャビティ１１側に形成され、上記円錐側面形状の衝撃波１５の頂点１５Ｂが上記タービン７側を向いている。
【００３９】
そして、上記衝撃波１５を境にして、上記デトネーション管５側では超音速であった流体の速度が、上記タービン７側では亜音速（たとえばマッハ０．３〜マッハ０．７）まで急激に低下する。したがって、上記パルスデトネーションエンジン３での燃焼によって排出される流体の流速が、この流体が上記タービン７にとどくまでに亜音速になり、この亜音速になった流体によって上記タービン７が回転駆動し、上記発電機（図示せず）で発電を行う。
【００４０】
タービンシステム１によれば、パルスデトネーションエンジン３とタービン７との間に、上記パルスデトネーションエンジン３での燃焼によって排出される流体の流速を、この流体が上記タービン７にとどくまでに亜音速にするショックトラップ９が設けられているので、亜音速の流体でタービン７を効率良く回転駆動することができる。
【００４１】
すなわち、流体の速度が亜音速になることによって、タービン７の翼の前縁で、ショックが発生することによる吸い込み不良（タービン不始動）が回避され、タービン７を効率良く回転駆動することができる。
【００４２】
また、流体の速度を亜音速にすることによって、タービン７に衝撃力がかかることを抑制することができ、タービン７の耐久性を向上させることができる。
【００４３】
なお、上記パルスデトネーションエンジン３のデトネーション管５をそのままの形状で（上記デトネーション管５の延伸方向に垂直な平面による断面の形状をそのままにして）長く延長しても、上記デトネーション管５の内壁５Ｂと流体との間の摩擦抵抗等によって、上記タービン７にとどくまでに流体の速度を亜音速にすることができるが、上述したように、キャビティ１１やディフューザ１３を用いたショックトラップ９が設けられているので、上記パルスデトネーションエンジン３のデトネーション管５をそのままの形状で長く延長するよりも短い距離で、上記流体を亜音速にすることができ、タービンシステム１が大きくなることを抑えることができる。
【００４４】
［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係るタービンシステム１ａの概略構成を示す図である。
【００４５】
第２の実施形態に係るタービンシステム１ａは、ショックトラップ９ａとして、デトネーション管５とキャビティ１１との間にノズル１７を設けた点が、第１の実施形態に係るタービンシステム１とは異なり、その他の点は、第１の実施形態に係るタービンシステム１と同様に構成され、ほぼ同様に動作する。
【００４６】
すなわち、第２の実施形態に係るタービンシステム１ａのショックトラップ９ａは、出口５Ａ側が開口している筒状のデトネーション管５の出口５Ａにノズル１７を設け、このノズル１７の出口１７Ａに上記デトネーション管５の内径よりも大きな内径を具備したキャビティ１１を設け、このキャビティ１１の出口１１Ａにディフューザ１３を設けた構成である。
【００４７】
より、詳しく説明すると、上記ノズル１７の入口（内径の大きいほうの開口部）１７Ｂが、上記デトネーション管５の出口５Ａに接続され、上記ノズル１７の出口１７Ａが上記キャビティ１１の入口１１Ｂに接続され、上記ディフューザ１３の入口（内径の小さいほうの開口部）１３Ａが、上記キャビティ１１の出口１１Ａに接続され、上記各接続部から流体が外部に漏れないようになっている。
【００４８】
そして、上記ノズル１７と上記キャビティ１１と上記ディフューザ１３とを設けたことによって、デトネーション管５とノズル１７とキャビティ１１とディフューザ１３とで構成されるものの内壁の形状は、たとえば、上記デトネーション管５では、内壁５Ｂが円柱側面形状に形成されており、上記ノズル１７では、入口１７Ｂの内径が上記デトネーション管５の内径と同一でノズル１７の出口１７Ａ側（キャビティ１１側）に向かうにしたがって徐々に緩やかに小さくなっている円錐台側面形状に、内壁１７Ｃが形成されており、上記キャビティ１１では、上記デトネーション管５の内径よりも大きな内径を具備した、またはノズル１７の出口１７Ａの内径よりも大きな内径を具備した円柱側面形状に、内周壁１１Ｃが形成されており、上記ディフューザ１３では、入口１３Ａの内径が上記ノズル１７の出口１７Ａの内径と同一で出口１７Ａ側（キャビティ１１とは反対側）に向かうにしたがって徐々に緩やかに大きくなっている円錐台側面形状に、内壁１３Ｃが形成されている。
【００４９】
また、上記デトネーション管５の延伸方向の中心軸ＣＬ１と上記ノズル１７の延伸方向の中心軸と上記キャビティ１１の延伸方向の中心軸ＣＬ３と上記ディフューザ１３の延伸方向の中心軸ＣＬ５とは、互いに一致している。
【００５０】
なお、上記ディフューザ１３の入口（キャビティ１１に接続される部分）１３Ａの内径は、上記ノズル１７の出口１７Ａの内径と同一に形成されているが、上記ノズル１７の出口１７Ａの内径と必ずしも同一でなくてもよく、上記キャビティ１１の内径よりも小さく形成されていればよい。
【００５１】
タービンシステム１ａによれば、上記ノズル１７と上記キャビティ１１と上記ディフューザ１３とによって、図６に示すように、円錐形状の衝撃波１９が一層確実に形成され、流体の速度を、流体がタービン７に達するまでに一層確実に亜音速にすることができる。
【００５２】
［第３の実施形態］
第３の実施形態に係るタービンシステムは、第２の実施形態に係るタービンシステム１ａからキャビティ１１を削除した構成であり、その他の点は、第２の実施形態に係るタービンシステム１ａと同様に構成され、ほぼ同様に動作する。
【００５３】
すなわち、第３の実施形態に係るタービンシステムでは、上記ショックトラップが、上記デトネーション管の出口に設けたノズルと、このノズルの出口に設けたディフューザとによって構成されている。
【００５４】
第３の実施形態に係るタービンシステムによれば、ノズルを設けたことにより流体が絞られ、円錐状の衝撃波が発生すると共に、ディフューザを設けたことによって、流体の流路が広くなり、上記各実施形態と同様に流体の速度を亜音速にまで低下させることができる。
【００５５】
［第４の実施形態］
第４の実施形態に係るタービンシステムは、第３の実施形態に係るタービンシステムからノズルを削除した構成であり、その他の点は、第３の実施形態に係るタービンシステムと同様に構成され、ほぼ同様に動作する。
【００５６】
すなわち、第４の実施形態に係るタービンシステムでは、上記ショックトラップが、上記デトネーション管の出口に設けたディフューザによって構成されている。
【００５７】
第４の実施形態に係るタービンシステムによれば、ディフューザを設けたことによって、流体の流路が広くなり、上記各実施形態と同様に流体の速度を亜音速にまで低下させることができる。
【００５８】
なお、上記各実施形態では、タービン７の回転駆動力で発電することにしてあるが、発電する場合のみならず、回転部材を回転することによって動作する機械の上記回転部材を、上記タービン７の回転力で直接回転駆動するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係るタービンシステムの概略構成を示す図である。
【図２】パルスデトネーションエンジンの概略を示す図である。
【図３】デトネーション管で発生したデトネーション波が、管長の０．８の位置に達した瞬間の圧力、比体積、温度状態を示す図である。
【図４】図３の状態でのデトネーション管の圧力、比体積、温度等の変化を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係るタービンシステムの概略構成を示す図であり、図１のＶ部に対応する図である。
【図６】第２の実施形態に係るタービンシステムの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１ａ  タービンシテム
３  パルスデトネーションエンジン
５  パルスデトネーション管
７  タービン
９  ショックトラップ
１１  キャビティ
１３  ディフューザ
１７  ノズル
【図１】
2005155573.tif 000003
【図２】
2005155573.tif 000004
【図３】
2005155573.tif 000005
【図４】
2005155573.tif 000006
【図５】
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【図６】
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