(57)【要約】【課題】局所的な屈曲波修正機構を利用することによるパルスデトネーション管の耐久性の向上を提供すること。【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管（１０）は、実質的に均一な壁厚（５６）を有する連続ベース管（１２）を含む。パルスデトネーション管（１０）はまた、前記パルスデトネーション管（１０）を通る屈曲波速度が期待される屈曲波速度とは異なるように該屈曲波速度を局所的に変化させ、及び／又は屈曲波エネルギーを局所的に発散させるよう構成された局所的な屈曲波修正機構を含む。【選択図】      図１
2012078083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスデトネーション管（１０）であって、
実質的に均一な壁厚（５６）を有する連続ベース管（１２）と、
前記パルスデトネーション管（１０）を通る屈曲波速度が期待される屈曲波速度とは異なるように該屈曲波速度を局所的に変化させ、又は屈曲波エネルギーを局所的に発散させ、或いはこれらの組み合わせを行うように構成された局所的な屈曲波修正機構と、
を備えるパルスデトネーション管（１０）。
【請求項２】
前記局所的な屈曲波修正機構が、前記連続ベース管（１２）の壁厚の局所的変動を含む、請求項１に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【請求項３】
前記連続ベース管（１２）に結合され且つ壁厚の局所的変動を確立するよう構成された外側管（５４）を含む、請求項２に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【請求項４】
前記壁厚の局所的変動が、下流側方向（２４）に沿って周期的に増減する、請求項２に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【請求項５】
前記局所的な屈曲波修正機構が、前記連続ベース管（１２）の外部表面（６６）から延びる複数のナブ（７２）を含む、請求項１に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【請求項６】
各ナブ（７２）が実質的に半球形である、請求項５に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【請求項７】
前記局所的な屈曲波修正機構が、前記パルスデトネーション管（１０）に隣接する空気流に前記パルスデトネーション管（１０）から熱を伝達するよう構成される、請求項１に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【請求項８】
前記局所的な屈曲波修正機構が、前記連続ベース管（１２）の周りに配置され且つ前記連続ベース管（１２）の外部表面（６６）に結合された複数のリング（６４）を含む、請求項１に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【請求項９】
前記複数のリング（６４）の少なくとも一部が、複数の半径方向スリット（６８）、複数のキャビティ（７０）、又はこれらの組み合わせを含む、請求項８に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【請求項１０】
前記局所的な屈曲波修正機構が、前記連続ベース管（１２）の内部表面（８８）上に配置された複数のリッジ（８６）を含む、請求項１に記載のパルスデトネーション管（１０）。
【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、パルスデトネーション管に関し、より具体的には、局所的な屈曲波修正機構を利用することによる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、様々な実用的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１つの実施例は、高温のデトネーション生成物が出口ノズルを通って配向されて航空宇宙推進用の推力を生成す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「複数管」構成と呼ばれることがある。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及びパルスデトネーション（ＰＤ）技術の両方を用いた、「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、或いは地上ベースの発電システムにおける電力の生成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プロセスの効率が向上する。具体的には、空気及び燃料は、通常、離散パルスでパルスデトネーション管に噴射される。次いで、燃料空気混合気は、点火源により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し、これを用いて推力を発生させ、或いは、タービンにおいて仕事に変換することができる。
【０００４】
理解されるように、パルスデトネーション管の材料特性及び幾何形状は、力学的な波が管構造を通って移動する速度を少なくとも部分的に定める。この速度は屈曲波速度として知られ、呼吸モード成分と膨張成分とを含むことができる。デトネーション波２２が管体を通って移動すると、デトネーション波面に付随する急激な圧力上昇が、管体の長さに沿った各離散的位置において力学的な波を発生させる。これらの力学的な波は、屈曲波速度で管構造を通って伝播する。デトネーション波の速度が管の屈曲波速度と実質的に同様である場合、デトネーション波は、共振時にパルスデトネーション管を励振させることになる。そのため、デトネーション波から結果として生じる歪みは、デトネーション波圧力での静圧荷重に伴う歪みよりも有意に大きくなる。このような歪み増幅は、複数の併合屈曲波の付加的作用に起因して、管長に沿って増大する可能性がある。例えば、特定の管構成において、歪みは、静圧荷重と比べて、２、３、４、５、６倍、又はそれ以上に増幅される場合がある。結果として、パルスデトネーション管の寿命が大きく短縮される可能性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＣＨＡＯ  ｅｔ  ａｌ．，”Ｏｎｅ  ｔｈｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ，”ＧＡＬＣＩＴ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＦＭ  ００−７，  Ｊａｎｕａｒｙ  １５，  ２００１
【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一部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簡潔な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】
１つの実施形態において、パルスデトネーション管は、実質的に均一な壁厚を有する連続ベース管を含む。パルスデトネーション管はまた、パルスデトネーション管を通る屈曲波速度が期待される屈曲波速度とは異なるように該屈曲波速度を局所的に変化させ、及び／又は屈曲波エネルギーを局所的に発散させるよう構成された局所的な屈曲波修正機構を含む。
【０００８】
別の実施形態において、パルスデトネーション管は、実質的に均一な壁厚を有する連続ベース管を含む。パルスデトネーション管はまた、パルスデトネーション管の上流側端部に配置され且つ下流側方向に空気パルスを放射するよう構成された空気バルブを含む。パルスデトネーション管は更に、各空気パルスに燃料を噴射して混合燃料−空気領域を確立するよう構成された燃料噴射器と、空気バルブから下流側に配置され且つ混合燃料−空気領域を点火させることによりデトネーション波を引き起こすよう構成された点火源とを含む。加えて、パルスデトネーション管は、点火源から下流側に位置付けられた局所的な屈曲波修正機構を含む。局所的な屈曲波修正機構は、パルスデトネーション管を通る屈曲波速度が期待される屈曲波速度とは異なるように該屈曲波速度を局所的に変化させ、及び／又は屈曲波エネルギーを局所的に発散させるように構成されている。
【０００９】
更なる実施形態において、パルスデトネーション管は、実質的に均一な壁厚を有する連続ベース管を含む。連続ベース管は、該連続ベース管の下流側領域を通るデトネーション波の伝播を促進するよう構成される。パルスデトネーション管はまた、下流側領域に近接した局所的な屈曲波修正機構を含む。局所的な屈曲波修正機構は、パルスデトネーション管を通る屈曲波速度が期待される屈曲波速度とは異なるように該屈曲波速度を局所的に変化させ、及び／又は屈曲波エネルギーを局所的に発散させるように構成されている。
【００１０】
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】
【００１１】
【図１】パルスデトネーション管の１つの実施形態の概略図。
【図２】実質的に均一な壁厚を有するパルスデトネーション管及び局所的な屈曲波修正機構を有するパルスデトネーション管についてのデトネーション波速度に対する歪み増幅の例示的なグラフ。
【図３】連続ベース管に結合された外側管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４】下流側方向に沿って周期的に増減する壁厚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５】連続ベース管の周りに配置され且つベース管の外部表面に結合された複数のリングを有する、パルスデトネーション管の１つの実施形態の概略図。
【図６】複数の半径方向スリットを有するリングを示す、線６-６から見た図５のパルスデトネーション管の断面図。
【図７】複数のキャビティを有するリングを示す、線７−７に沿って見た図５のパルスデトネーション管の断面図。
【図８】ベース管の外部表面から延びる複数のナブを有するパルスデトネーション管の１つの実施形態の切り欠き斜視図。
【図９】支持構造体への複数のカップリング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１０】ベース管の内部表面上に配置された複数のリッジを有するパルスデトネーション管の１つの実施形態の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。これらの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。
【００１３】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」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。
【００１４】
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又は擬似デトネーション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。
【００１５】
本明細書で開示される実施形態は、管を通る屈曲波伝播を局所的に変化させ、デトネーション波が共振周波数（例えば、呼吸モード共振周波数）にて管を励起しないようにすることによって、パルスデトネーション管内の歪みを実質的に低減することができる。例えば、１つの実施形態において、パルスデトネーション管は、実質的に均一な壁厚を有する連続ベース管を含む。連続ベース管は、該連続ベース管の下流側領域を通るデトネーション波の伝播を可能にするよう構成される。パルスデトネーション管はまた、下流側領域に近接した連続ベース管に結合される局所的な屈曲波修正機構を含む。局所的な屈曲波修正機構は、パルスデトネーション管の屈曲波速度がデトネーション波の期待速度と異なるように屈曲波速度を局所的に変化させ、及び／又は屈曲波エネルギーを局所的に発散させるように構成される。このようにして、デトネーション波と屈曲波との間の相互作用は、共振周波数にてパルスデトネーション管を励起させることはなく、これにより管内の歪みを実質的に低減する。結果として、パルスデトネーション管の寿命が有意に向上し、及び／又はパルスデトネーション管をより軽量な及び／又はより安価な材料で構成することができる。
【００１６】
図１は、推力を生成し及び／又はタービンを駆動するのに用いることができるパルスデトネーション管１０の１つの実施形態の概略図である。本実施形態において、パルスデトネーション管１０は、実質的に均一な壁厚を有する連続ベース管１２を含む。パルスデトネーション管１０はまた、少なくとも１つの燃料噴射器１４（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上）を含み、該燃料噴射器は、パルスデトネーション管１０内に位置付けられた燃焼ゾーンに燃料を送給する。更に、パルスデトネーション管１０は、管１０の上流側領域１８に配置される空気バルブ１６を含む。空気バルブ１６は、パルスデトネーション管１０に離散的空気パルスを噴射するよう構成される。燃料噴射器１４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構築するよう構成される。次いで、点火源２０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１０を通って下流側方向２４に伝播するデトネーション波２２を形成する。具体的には、デトネーション波２２は、管１０の下流側領域２６、例えば、点火源２０から下流側の領域を通過する。デトネーション反応による排出ガス２８は、下流側方向２４でパルスデトネーション管１０から流出し、例えば、推力を生成又はタービンを駆動するのに利用することができる。
【００１７】
以下で詳細に検討するように、パルスデトネーション管１０は、下流側領域２６に近接した連続ベース管１２に結合される局所的な屈曲波修正機構を含む。局所的な屈曲波修正機構は、パルスデトネーション管の屈曲波速度がデトネーション波２２の期待速度と異なるように屈曲波速度を局所的に変化させ、及び／又は屈曲波エネルギーを局所的に発散させるように構成される。理解されるように、パルスデトネーション管１０の材料特性及び幾何形状は、力学的な波が管１０の構造を通って移動する速度を少なくとも部分的に定める。この速度は屈曲波速度として知られ、呼吸モード成分と膨張成分とを含むことができる。デトネーション波２２が管１０を通って下流側方向２４に移動すると、デトネーション波面に付随する急激な圧力上昇が、管１０の長さに沿った各離散的位置において力学的な波を発生させる。これらの力学的な波は、屈曲波速度で管構造を通って伝播する。デトネーション波２２の速度が管の屈曲波速度と実質的に同様である場合、デトネーション波２２は、共振時にパルスデトネーション管１０を励振させることになる。そのため、デトネーション波２２から結果として生じる歪みは、デトネーション波圧力での静圧荷重に伴う歪みよりも有意に大きくなる。このような歪み増幅は、複数の併合屈曲波の付加的作用に起因して、管１０の長さに沿って増大する可能性がある。例えば、特定の管構成において、歪みは、静圧荷重と比べて、２、３、４、５、６倍、又はそれ以上に増幅される場合がある。局所的な屈曲波修正機構は、パルスデトネーション管１０の屈曲波速度がデトネーション波２２の速度と異なるように屈曲波速度を局所的に変化させ、及び／又は屈曲波エネルギーを局所的に発散させるように構成されるので、デトネーション波２２は、共振周波数（例えば、呼吸モード共振周波数）ではパルスデトネーション管を駆動せず、これにより管構造内の歪みが実質的に低減される。結果として、パルスデトネーション管１０の寿命を有意に向上させることができ、及び／又はパルスデトネーション管をより軽量な及び／又はより安価な材料で構成することができる。
【００１８】
理解されるように、パルスデトネーション管１０は、ガスタービンエンジンのパルスデトネーション燃焼器内で利用することができる。このような構成において、パルスデトネーション管１０からの排出ガスを利用して、タービンを回転駆動することができる。或いは、パルスデトネーション管１０は、「純粋な」パルスデトネーションエンジン内で利用でき、ここでは排出ガスが縮小拡大ノズルを通って大気に直接的に配向されて生の推力を生成する。その上、本発明の実施形態は、燃料及び空気を伴う燃焼反応を記述しているが、代替の実施形態は、燃料と他の酸化剤（例えば、酸素、窒素酸化物、その他）とを反応させて燃焼反応を生じさせることができる点は理解されたい。
【００１９】
図２は、実質的に均一な壁厚を有するパルスデトネーション管及び局所的な屈曲波修正機構を有するパルスデトネーション管についてのデトネーション波速度に対する歪み増幅の例示的なグラフである。図示のように、横軸３０はデトネーション波速度を表し、縦軸３２は歪み増幅を表し、曲線３４は、連続ベース管１２のような実質的に均一な壁圧を有するパルスデトネーション管に沿った離散的位置でのデトネーション波速度の関数としての歪み増幅を表している。歪み増幅は、デトネーション波圧力における静圧荷重に伴う期待歪みに対して、デトネーション波２２により誘起される歪みの比として定義することができる。図示のように、歪み増幅曲線３４は、亜臨界領域３６、臨界領域３８、及び超臨界領域４０を含む。歪み増幅曲線３４は、臨界領域３８にて最大値に達し、ここでデトネーション波速度は、パルスデトネーション管１０の屈曲波速度に実質的に等しい。この速度は、臨界波速度４２として知られている。図示のように、臨界波速度４２でのパルスデトネーション管１０の作動は、約４の歪み増幅をもたらすことができる。しかしながら、代替の管構成においては、最大歪み増幅はより大きく又はより小さくなる場合がある点は理解されたい。例えば、特定の実施形態において、最大歪み増幅は、約２、３、４、５、６、又はそれ以上よりも大きくなることができる。
【００２０】
図示のように、歪み増幅は、デトネーション波速度が臨界波速度４２を下回ると急激に減少する。そのため、亜臨界領域３６内の歪み増幅は約１とすることができる。しかしながら、代替の実施形態では、亜臨界領域内の歪み増幅が約１．２、１．４、１．６、１．８、又はそれ以上であってもよい点は理解されたい。同様に、デトネーション波速度が臨界波速度４２を上回ると、歪み増幅は約２まで減少し、超臨界領域４０全体を通じて実質的に一定のままとなる。本発明の実施形態の超臨界領域４０では歪み増幅は約２であるが、代替の管構成は、超臨界領域４０内でより高い又は低い増幅係数をもたらすことができる点は理解されたい。加えて、超臨界領域４０を過ぎてデトネーション波速度が増大すると、歪み増幅はゼロに向かって減少し始める場合がある点を理解されたい。
【００２１】
グラフはまた、局所的な屈曲波修正機構を有するパルスデトネーション管１０に沿って離散的位置でデトネーション波速度の関数として歪み増幅を表す曲線４４を含む。曲線３４と同様に、曲線４４は、亜臨界領域４６、臨界領域４８、及び超臨界領域５０を含む。しかしながら、臨界領域４８の位置によって示されるように、局所的な屈曲波修正機構を有するパルスデトネーション管の臨界波速度５２は、実質的に均一な壁厚を有する管の臨界波速度４２よりも有意に大きい。換言すると、力学的な波は、局所的な屈曲波修正機構を有する管の構造体を通って、実質的に均一な壁厚を有する管よりも迅速に移動することができる。結果として、期待されるデトネーション波速度が臨界波速度４２に相当する場合、実質的に均一な壁厚を有する管内の歪み増幅は約４になる。しかしながら、臨界波速度４２は、局所的な屈曲波修正機構を有する管の亜臨界領域４６の範囲内では低下するので、歪み増幅は約１になる。そのため、局所的な屈曲波修正機構を有するパルスデトネーション管の寿命は、実質的に均一な壁厚を有する管の寿命よりも有意に長くなることができる。
【００２２】
加えて、グラフは、代替の局所的な屈曲波修正機構を有するパルスデトネーション管１０に沿って離散的位置でデトネーション波速度の関数として歪み増幅を表す別の曲線４５を含む。曲線４５は、亜臨界領域４７、臨界領域４９、及び超臨界領域５１を含み、これらは、曲線３４のそれぞれの領域に関連するデトネーション波速度に実質的に相当する。しかしながら、曲線４５の臨界領域４９に関連する歪み増幅は、曲線３４の臨界領域３８に関連する歪み増幅よりも実質的に小さい。具体的には、曲線４５に関連するパルスデトネーション管は、屈曲波エネルギーを局所的に発散するよう構成された局所的な屈曲波修正機構を含み、これにより最大歪み増幅を約２．２５にまで低減する。例えば、局所的な屈曲波修正機構は、管を通って下流側方向に伝播する屈曲波に干渉し、これによりデトネーション波と管との間に共振結合が確立される可能性を実質的に低減又は排除することができる。そのため、曲線４５の臨界波速度４２が曲線３４の臨界波速度と実質的に同様のままであっても、歪み増幅が実質的に低下され、これによりパルスデトネーション管の寿命が延長される結果となる。曲線４５の最大歪み増幅は約２．２５であるが、代替の局所的な屈曲波修正機構では、より高い又はより低い最大歪み増幅をもたらす場合がある点は理解されたい。
【００２３】
上記で検討したように、グラフは、パルスデトネーション管１０の長さに沿ったある離散的位置におけるデトネーション波速度の関数としての歪み増幅を表している。理解されるように、歪み増幅は、複数の併合屈曲波の付加的作用に起因して、管の長さに沿って増大する可能性がある。そのため、パルスデトネーション管１０の下流側領域２６内の歪みは、上流側領域１８内の歪みよりも有意に大きくなる場合がある。結果として、局所的な屈曲波修正機構は、下流側領域２６に近接した管１０に結合することができ、これにより歪みが低減され、パルスデトネーション管をより軽量及び／又は安価な材料から構成できるようになる。
【００２４】
パルスデトネーション管１０の屈曲波速度は、管の寸法及び／又は材料特性に少なくとも部分的に依存することができる点を理解されたい。例えば、屈曲波速度は、以下の式によって近似することができる。
【００２５】
【数１】
2012078083.tif 000003
ここで、ｄは管の直径、ｔは管の壁厚、Ｅは管材料のヤング係数、ρは管材料の密度、及びνは管材料のポアソン比である。ヤング係数、密度、及びポアソン比は管１０の材料特性であるので、これらのパラメータの局所的な変動は、管１０の長さに沿った管壁の組成又は構造の変化を生じることになる。加えて、管１０の直径の変動は、デトネーション波２２の流動特性に影響を及ぼす可能性がある。そのため、管壁の厚みを局所的に変えてパルスデトネーション管１０の屈曲波速度を調整することが望ましいとすることができる。
【００２６】
図３は、連続ベース管１２に結合された外側管５４を有するパルスデトネーション管１０の１つの実施形態の概略図である。上記で検討したように、屈曲波速度は、管壁厚に少なくとも部分的に依存する。具体的には、管壁の厚みが増大すると、屈曲波がパルスデトネーション管１０を通って移動する速度が上昇する。図示の実施形態において、連続ベース管１２は、実質的に均一な壁厚５６を有し、これにより特定の屈曲波速度が得られる。デトネーション波２２の速度が屈曲波速度に実質的に同様である場合、パルスデトネーション管１０内部で共振が確立されることになり、デトネーション波圧力での静圧荷重と比べて歪みが有意に増大する。下流側領域２６においてパルスデトネーション管１０の厚み５８を局所的に増大させることによって、デトネーション波２２が共振周波数（例えば、呼吸モード共振周波数）で管１０を駆動しないように屈曲波速度を増大させ、これによりパルスデトネーション管１０内の歪みが実質的に低減される。
【００２７】
例証として、デトネーション波２２は、約１７００ｍ／ｓでパルスデトネーション管を通って伝播することができる。また、連続ベース管１２の屈曲波速度が約１７００ｍ／ｓである場合、デトネーション波２２は、パルスデトネーション管１０内に共振を誘起し、デトネーション波圧力での静圧荷重と比べて歪みが有意に増大する。その上、複数の併合屈曲波の付加的作用に起因して、管１０の長さに沿って増大する可能性がある。そのため、外側管５４を下流側領域２６に近接して連続ベース管１２に結合することにより、パルスデトネーション管１０の厚み５８が増大することになり、これにより屈曲波速度がデトネーション波速度を上回って上昇する。例えば、屈曲波速度は、約２０００ｍ／ｓまで上昇することができる。結果として、管１０の下流側部分２６が亜臨界領域になり、これにより歪みが低減され且つ管寿命が延びる結果となる。
【００２８】
本実施形態では外側管５４は連続ベース管１２に結合されているが、代替の実施形態は、下流側方向２４に沿って増大する壁厚を有する管１２を利用してもよい点は理解されたい。更に、壁厚は、下流側領域２６内で減少してもよく、これによりパルスデトネーション管１０が超臨界領域内で動作することが可能になる点は理解されたい。超臨界領域内の歪みは、亜臨界領域内の歪みよりも大きい可能性があるが、臨界領域内の歪みよりも小さい。加えて、管壁が薄いほど、パルスデトネーション管１０の重量及び／又は製造コストを有意に低減することができる。
【００２９】
図４は、下流側方向２４に沿って周期的に増減する壁厚を有するパルスデトネーション管１０の１つの実施形態の概略図である。図示のように、パルスデトネーション管１０は、波形又は起伏のある表面仕上げを含み、頂部６０と谷部６２とを有する。この構成の結果として、パルスデトネーション管１０の屈曲波速度は、局所的な管壁厚に基づき周期的に増減することになる。屈曲波速度が管１０の下流側領域２６全体にわたって変化するので、デトネーション波２２と管１０との間の共振結合が確立される可能性が有意に低減又は排される。そのため、管１０内の歪みは、実質的に均一な壁厚を有する管よりも有意に小さくなる。本実施形態は、２つの頂部６０と１つの谷部６２とを含むが、代替の実施形態は、より多くの又はより少ない頂部６０及び／又は谷部６２を含むことができる点は理解されたい。加えて、代替の実施形態では、波形表面の振幅及び頻度は変えることができる点は理解されたい。
【００３０】
図５は、連続ベース管１２の周りに配置され且つ下流側領域２６に近接したベース管１２の外部表面６６に結合された複数のリング６４を有する、パルスデトネーション管１０の１つの実施形態の概略図である。本実施形態において、リング６４は、屈曲波エネルギーを局所的に発散するよう構成される。具体的には、リング６４は、管１０を通って下流側方向２４に伝播する屈曲波に干渉し、これによりデトネーション波２２と管１０との間に共振結合が確立される可能性が実質的に低減又は排除される。加えて、リング６４は、屈曲波を（例えば、反対方向に）反射し、これにより反射波が入射屈曲波と干渉するときに波エネルギーを発散することができる。そのため、管１０内の歪みは、屈曲波修正機構のない管よりも有意に小さくなる。本実施形態では４つのリング６４が利用されているが、代替の実施形態ではより多く又はより少ないリング６４を利用してもよい点は理解されたい。例えば、特定の実施形態において、１，２、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上のリング６４を連続ベース管１２の周りに配置し、外部表面６６に結合することができる。
【００３１】
図６は、複数の半径方向スリット６８を有するリング６４を示す、線６-６から見た図５のパルスデトネーション管１０の断面図である。上記で検討したように、リング６４は、パルスデトネーション管１０を通る屈曲波伝播を干渉することにより、屈曲波エネルギーを発散することができる。スリット６８は、冷却空気がリング６４を流れることを可能にし、これによりパルスデトネーション管１０と冷却空気との間の熱伝達を向上させることができる。例えば、特定の実施形態において、空気は、空気バルブ１６を通って管１０に流入する前に上流側方向でパルスデトネーション管の長さに沿って配向することができる。或いは、空気は、下流側方向に管１０に沿って配向することができ、及び／又は管の外側表面に衝突させることができる。空気がリング６４を通過すると、熱が空気に伝達され、これにより管１０が冷却される。結果として、管１０は、放熱が向上することに起因して、より薄く及び／又はより軽量の材料から構成することができる。
【００３２】
図７は、複数のキャビティ７０を有するリング６４を示す、線７−７に沿って見た図５のパルスデトネーション管１０の断面図である。スリット構成と同様に、キャビティ７０は、冷却空気が管１０の長さに沿って流れる経路を提供することができる。別の実施形態において、リング６４は、管１０と冷却空気との間の熱伝達を向上させるための他の機構を含むことができ、或いは、リング６４は、実質的に固体とすることができる。更に別の実施形態において、単一のリング６４が下流側領域２６の長さ全体に沿って延びることができる。このような実施形態において、延長リング６４は、図６を参照して上記で説明したようなスリット６８又はキャビティ７０を含むことができる。
【００３３】
図８は、連続ベース管１２の外部表面６６から延びる複数のナブ７２を有するパルスデトネーション管１０の１つの実施形態の切り欠き斜視図である。ナブ７２は、外部表面６６に結合され、及び／又は外部表面６６と一体化することができる。リング６４と同様に、ナブ７２は、パルスデトネーション管１０の下流側領域２６を通過する屈曲波エネルギーを局所的に発散させるよう構成される。具体的には、ナブ７２は、下流側方向２４に管１０を通って伝播する屈曲波と干渉し、これによりデトネーション波２２と管１０との間の共振結合が確立される可能性が実質的に低減又は排除される。そのため、管１０内の歪みは、屈曲波修正機構のない管よりも有意に小さくなる。本実施形態ではナブ７２が実質的に半球状であるが、代替の実施形態ではナブ７２は他の形状を成すこともできる点は理解されたい。更に、本実施形態では３列のナブ７２が連続ベース管１２に結合されているが、代替の実施形態では、より多く又はより少ないナブ７２を含むことができる点は理解されたい。加えて、ナブ７２は、パルスデトネーション管１０に隣接した空気流にパルスデトネーション管から熱を伝達し、これにより追加の冷却を提供することができる。
【００３４】
図９は、支持構造体７４への複数のカップリングを有するパルスデトネーション管１０の１つの実施形態の概略図である。理解されるように、複数のパルスデトネーション管１０は、パルスデトネーション燃焼器システム内に支持することができる。このような構成において、各管１０は、燃焼器システムの本体に管１０からの荷重を伝達する共通の支持構造体に固定することができる。特定の実施形態において、管１０と支持構造体７４との間のカップリングは、屈曲波エネルギーを局所的に発散させる働きをすることができる。例えば、連続ベース管１２と支持構造体７４との間のカップリングは、固定カップリング７６を含むことができる。理解されるように、固定カップリング７６は、支持構造体７４に対する連続ベース管１２の移動を実質的に阻止する。加えて、固定カップリング７６は、パルスデトネーション管１０からの屈曲波エネルギーを支持構造体７４に伝達し、これにより下流側方向２４に管１０を通って伝播する力学的な波と干渉し、デトネーション波２２と管１０との間の共振結合が確立される可能性が実質的に低減又は排除することができる。
【００３５】
固定カップリング７６に加えて、パルスデトネーション管１０は、ローラカップリング７８を利用して連続ベース管１２を支持構造体７４に固定することができる。ローラカップリング７８は、支持構造体７４に対する管１０の側方移動を実質的に阻止すると同時に、管１２の長手方向拡大及び縮小を可能にする。固定カップリング７６と同様に、ローラカップリング７８は、屈曲波エネルギーの一部を支持構造体７４に伝達し、これによりデトネーション波２２とパルスデトネーション管１０との間の共振結合と干渉することができる。図示の実施形態はまた、支持構造体７４に対して連続ベース管１２の移動を減衰するよう構成された減衰カップリング８０を含む。図示のように、減衰カップリング８０は、バネ８２及び緩衝器８４を含む。減衰カップリング８０は、振動エネルギーを吸収するよう構成されているので、カップリング８０は、屈曲波エネルギーを発散することによってデトネーション波２２とパルスデトネーション管１０との間の共振結合と干渉することができる。そのため、管１０内の歪みは、減衰機能を持たない管よりも有意に小さくなることができる。
【００３６】
図示の実施形態は、単一の固定カップリング７６、単一のローラカップリング７８及び単一の減衰カップリング８０を含むが、代替の実施形態は、連続ベース管１２の下流側領域２６に固定された他のカップリングを含むことができる点を理解されたい。例えば、特定の実施形態は、管１０の下流側端部に固定された単一の固定カップリング７６、ローラカップリング７８、又は減衰カップリング８０を含むことができる。或いは、パルスデトネーション管は、連続ベース管１２の長さに沿った様々な位置に固定された、同じタイプ又は異なるタイプの複数のカップリングを含むことができる。
【００３７】
図１０は、下流側領域２６に近接した連続ベース管１２の内部表面８８上に配置された複数のリッジ８６を有するパルスデトネーション管１０の１つの実施形態の断面図である。連続ベース管１２の外部表面６６に結合されたリング６４及びナブ７２と同様に、リッジ８６は、屈曲波エネルギーを局所的に発散させるよう構成される。具体的には、リッジ８６は、下流側方向２４で管１０を通って伝播する屈曲波と干渉し、これによりデトネーション波２２と管１０との間の共振結合が確立される可能性が実質的に低減又は排除される。そのため、管１０内の歪みは、実質的に滑らかな内部表面を有する管よりも有意に低くなる。本実施形態において、リッジ８６は、連続ベース管１２と一体化される。しかしながら、代替の実施形態では、連続ベース管１２の内部８８に結合されたリッジを含むことができる点は理解されたい。加えて、代替の実施形態においては、所望の程度の屈曲波発散を達成するためにリッジの数、向き、高さ、及び／又は形状が変わる可能性がある。
【００３８】
特定のパルスデトネーション管１０は、管１０を通る流れを加速し、これによりデフラグレーションからデトネーションへの移行（ＤＤＴ）を誘起するよう構成された内部特徴要素を含む。特定の実施形態において、リッジ８６は、流れを加速させてＤＤＴを誘起することに加え、屈曲波エネルギーを局所的に発散させるよう構成することができる。このような実施形態において、リッジ８６は、上流側領域１８に延びて、ＤＤＴを容易にすることができる。
【００３９】
様々な内部及び外部の局所的な屈曲波修正機構について上記で説明してきたが、代替の実施形態は、屈曲波速度を変化させ、及び／又は屈曲波エネルギーを発散させるよう構成された他の特徴要素を含むことができる点は理解されたい。例えば、特定の実施形態は、螺旋パターンで管の内部表面又は外部表面の周りに延びる局所的な屈曲波修正機構を含むことができる。更に別の実施形態は、管の軸方向又は半径方向に沿って延びる特徴要素を含むことができる。また、各屈曲波修正機構は、連続ベース管と一体化されるか、或いは、連続ベース管に結合することができる点は理解されたい。
【００４０】
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】
【００４１】
１０  パルスデトネーション管
１２  連続ベース管
１４  燃料噴射器
１６  空気バルブ
１８  上流側領域
２０  点火源
２２  デトネーション波
２４  下流側方向
２６  下流側領域
２８  排出ガス
３０  横軸
３２  縦軸
３４  歪み増幅曲線
３６  亜臨界領域
３８  超臨界領域
４０  超臨界領域
４２  臨界波速度
４４  歪み増幅曲線
４５  歪み増幅曲線
４６  亜臨界領域
４７  亜臨界領域
４８  臨界領域
４９  臨界領域
５０  超臨界領域
５１  超臨界領域
５２  臨界波速度
５４  外側管
５６  連続ベース管壁厚
５８  パルスデトネーション管の厚み
６０  頂部
６２  谷部
６４  リング
６６  連続ベース管外部表面
６８  半径方向スリット
７０  キャビティ
７２  ナブ
７４  支持構造体
７６  固定カップリング
７８  ローラカップリング
８０  減衰カップリング
８２  バネ
８４  緩衝器
８６  リッジ
８８  連続ベース管外部表面
【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】
2012078083.tif 000013
【外国語明細書】
2012078083000001.pdf