(57)【要約】      （修正有）【課題】改良されたパルスデトネーションタービンエンジンを提供する。【解決手段】パルスデトネーションタービンエンジン２００の軸２５０周りに配置された、いくつかの燃焼管１４０を有するパルスデトネーション燃焼器１００のための軸速度監視システム２４０を提供する。この軸速度監視システム２４０は、軸２５０周りに配置された１つまたは複数の軸センサ２６０と、軸センサ２６０と通信し、燃焼管１４０のそれぞれに関係しているいくつかの軸速度変動２７５を判定する制御装置２７０とを備えることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスデトネーションタービンエンジン（２００）の軸（２５０）周りに配置された、いくつかの燃焼管（１４０）を有するパルスデトネーション燃焼器（１００）のための軸速度監視システム（２４０）であって、
前記軸（２５０）周りに配置された１つまたは複数の軸センサ（２６０）と、
前記１つまたは複数の軸センサ（２６０）と通信し、前記いくつかの燃焼管（１４０）のそれぞれに関係している複数の軸速度変動（２７５）を判定する制御装置（２７０）と
を備える、軸速度監視システム（２４０）。
【請求項２】
前記１つまたは複数の軸センサ（２６０）が、前記軸（２５０）の速度および／または加速度を判定する、請求項１記載の軸速度監視システム（２４０）。
【請求項３】
前記いくつかの燃焼管（１４０）のそれぞれが脈動され、前記１つまたは複数の軸センサ（２５０）がそれによって生じる軸速度変動（２７５）を検出する、請求項１記載の軸速度監視システム（２４０）。
【請求項４】
前記制御装置（２７０）が、経時的な前記軸速度変動（２７５）の複数のサイクル群（２８０、３００）を監視する、請求項１記載の軸速度監視システム（２４０）。
【請求項５】
前記制御装置（２７０）が、複数の窓（２９０、３１０）内で前記複数のサイクル群（２８０、３００）を監視する、請求項４記載の軸速度監視システム（２４０）。
【請求項６】
前記制御装置（２７０）が、前記パルスデトネーション燃焼器（１００）にフィードバック信号（３５０）を与える、請求項１記載の軸速度監視システム（２４０）。
【請求項７】
前記いくつかの燃焼管（１４０）のそれぞれが、その中に燃焼帯（１５０）を含む、請求項１記載の軸速度監視システム（２４０）。
【請求項８】
前記１つまたは複数の軸センサ（２６０）が、前記パルスデトネーションタービンエンジン（２００）の元々の機器を含む、請求項１記載の軸速度監視システム（２４０）。
【請求項９】
パルスデトネーションタービンエンジン（２００）の軸速度を介していくつかのパルスデトネーション燃焼管（１４０）の動作を監視する方法であって、
前記軸（２５０）の速度または加速度を検知するステップと、
経時的な軸速度に基づいて速度変動（２７５）の複数のサイクル群（２８０、３００）を決定するステップと、
前記複数のサイクル群（２８０、３００）を比較して、その中の変化を判定するステップと
を含む、方法。
【請求項１０】
前記複数のサイクル群（２８０、３００）が、複数の窓（２９０、３１０）の範囲内で比較される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
あるサイクル群（２８０、３００）の範囲内のそれぞれの速度変動が、前記いくつかのパルスデトネーション燃焼管（１４０）のうちの１つに対応する、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
あるサイクル群（２８０、３００）の１つの速度変動の変化が、対応する前記パルスデトネーション燃焼管（１４０）が他の前記燃焼管（１４０）とは異なる動作をしていることを示す、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
複数の窓（２９０、３１０）におけるあるサイクル群（２８０、３００）の１つの速度変動の変化が、対応する前記パルスデトネーション燃焼管（１４０）が他の前記燃焼管（１４０）とは異なる動作をしていることを示す、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記パルスデトネーションタービンエンジン（２００）に対して１つまたは複数のフィードバック信号（３５０）を生成するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１５】
判定された変化に基づいて、１つまたは複数のパルスデトネーション燃焼管の動作パラメータを変更するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は一般に、パルスデトネーションタービンエンジンに関し、より詳細には、パルスデトネーション燃焼器およびその中の個々の燃焼管の故障予測および監視をするためにタービン軸速度を使用する、パルスデトネーションタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスデトネーション燃焼器およびパルスデトネーションエンジンに関する近年の開発は、航空エンジン用にさらにスラスト／推進力を発生させることや、地上設置型発電システムの全体的な性能の向上など、実際的な用途に重点が置かれている。知られているパルスデトネーション燃焼器およびパルスデトネーションエンジンは一般に、定圧デフラグレーションで動作する従来のエンジンと比較して圧力上昇を有するデトネーションプロセスで動作する。具体的には、空気および燃料が、パルスデトネーションチャンバ内で混合され、点火されて燃焼圧力波を生み出す。燃焼圧力波は、デトネーション波に移行し、その後に、エンジンから排気されるときスラストを生み出す燃焼ガスが続く。したがって、パルスデトネーション燃焼器およびパルスデトネーションエンジンは、従来のデフラグレーションに基づくエンジンで一般に達成され得る熱力学的効率よりも高い熱力学的効率で動作する潜在力を有する。
【０００３】
パルスデトネーション燃焼器およびその中の個々の燃焼管の状態を監視することが、パルスデトネーションタービンエンジンの負荷平衡、およびパルスデトネーション燃焼器の全体的な健全性の判定にとって重要である。現在のところ、パルスデトネーション燃焼器の個々の燃焼管の状態にアクセスするための唯一の手段は、燃焼管内に計測器を直接配置することである。しかし、その中の極度の温度、圧力、および振動のため、燃焼管内のそのような計測器は、一般的なパルスデトネーションタービンエンジンの商業的な利用に必要とされ得るものより寿命が著しく短い。
【発明の概要】
【０００４】
したがって、改良されたパルスデトネーションタービンエンジンの設計が望まれている。そのような改良された設計は、正確な読取りを維持すると同時に動作不能時間を抑えたより長い運用寿命を実現するために、燃焼管内に通常存在する極度の温度、圧力、および振動に計測器をさらすことなしに、個々の燃焼管およびパルスデトネーション燃焼器を全体として監視できることが好ましい。
【０００５】
したがって、本願は、パルスデトネーションタービンエンジンの軸周りに配置された、いくつかの燃焼管を有するパルスデトネーション燃焼器のための軸速度監視システムを提供する。この軸速度監視システムは、軸周りに配置された１つまたは複数の軸センサと、軸センサと通信し、燃焼管のそれぞれに関係しているいくつかの軸速度変動を判定する制御装置とを備えることができる。
【０００６】
本願はさらに、パルスデトネーションタービンエンジンの軸速度を介していくつかのパルスデトネーション燃焼管の動作を監視する方法を提供する。この方法は、軸の速度または加速度を検知するステップ、経時的な軸速度に基づく速度変動のいくつかのサイクル群を決定するステップ、およびサイクル群を比較してその中の変動を判定するステップを含むことができる。
【０００７】
本願はさらに、パルスデトネーションタービンエンジンの軸周りに配置された、いくつかの燃焼管を有するパルスデトネーション燃焼器のための軸速度監視システムを提供する。この軸速度監視システムは、軸の速度および／または加速度を判定するために軸周りに配置された１つまたは複数の軸センサと、軸センサと通信し、燃焼管のそれぞれに関係している経時的な軸速度変動のいくつかのサイクル群を判定し、かつパルスデトネーション燃焼器へのフィードバック信号を供給する制御装置を備えることができる。
【０００８】
本願の上記その他の特徴および改良は、以下の詳細な説明をいくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せ読めば、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】知られているパルスデトネーション燃焼器の側方横断面図である。
【図２】いくつかのパルスデトネーション燃焼器を有する、知られているパルスデトネーションタービンエンジンの概略図である。
【図３】軸速度および時間の一つの指標として軸速度変動を示すグラフである。
【図４】軸速度および時間の一つの指標として軸速度変動を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書では、「パルスデトネーション燃焼器」という用語は、燃料および酸化剤のデトネーションまたは疑似デトネーションから圧力上昇および速度増加の両方を生み出す装置またはシステムを意味する。パルスデトネーション燃焼器は、装置内で多重のデトネーションまたは疑似デトネーションを生み出すために、繰り返しモードで動作され得る。「デトネーション」は、衝撃波が燃焼帯に結合される超音波燃焼とすることができる。衝撃は、燃焼生成物が燃焼反応物よりも高圧になるようにするために、燃焼帯からのエネルギー放出によって維持され得る。「疑似デトネーション」は、亜音速のデフラグレーション波によって生み出される圧力上昇および速度増加よりも高い圧力上昇および速度増加を生み出す、超音速乱流燃焼過程とすることができる。わかりやすくするために、本明細書では、「デトネーション」または「デトネーション波」には、デトネーションも疑似デトネーションも含まれる。
【００１１】
いくつかを下記でより詳細に説明する例示的なパルスデトネーション燃焼器は、デトネーション波を生み出すために、燃料／酸化剤混合物の燃焼に点火するための点火装置、および圧力波面が燃焼合体によって開始されるデトネーションチャンバを含む。それぞれのデトネーションまたは疑似デトネーションは、火花放電、レーザーパルス、熱源、またはプラズマ点火器などの外部点火源によって、あるいは衝撃集束（ｓｈｏｃｋ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ）、自己点火、または別の発生源からの既存のデトネーション波（クロスファイア点火）などの気体力学過程のいずれかによって開始され得る。デトネーションチャンバの幾何学的形状により、デトネーション波の後の圧力上昇は、デトネーション波を動かし、また燃焼生成物自体をパルスデトネーション燃焼器の排気口から噴出させることが可能になり得る。他の構成部品および他の形状を、本明細書で使用することができる。
【００１２】
様々な燃焼チャンバの幾何学的形状が、円形チャンバ、管、共振性空洞、反射領域、および環状チャンバを含めて、デトネーション形成をサポートし得る。そのような燃焼チャンバの設計は、面積および形状の両方において、一定断面または偏断面であってよい。例示的な燃焼チャンバには、円筒形の管、および、例えば六角形の管などの、多角形の断面を有する管が含まれる。本明細書では、「下流」は、燃料または酸化剤のうちの少なくとも１つの流れの方向を意味する。
【００１３】
ここで、いくつかの図面を通して同じ番号が同じ要素を意味している各図面を参照すると、図１は、本明細書で説明および使用されるパルスデトネーション燃焼器１００の一般化された実施例を示している。パルスデトネーション燃焼器１００は、空気入口１１０、および１つまたは複数の燃料入口１２０を備える上流先端部１１５から、対向した下流端部１３５にある出口ノズル１３０まで延在していてもよい。燃焼管１４０は、先端部１１５から、下流端部１３５にあるノズル１３０まで延在していてもよい。燃焼管１４０は、その中に燃焼帯１５０を画定する。外筒１６０が、燃焼管１４０を囲んでいてもよい。外筒１６０は、先端部１１５にある空気入口１１０と連通していてもよく、下流端部１３５にあるノズル１３０まで、またはノズル１３０を越えて延在していてもよい。外筒１６０および燃焼管１４０は、それらの間にバイパス導管１７０を画定していてもよい。１つの燃焼管１４０のみが示されているが、任意の数を使用することができる。他の構成部品および他の形状を、本明細書で使用することができる。
【００１４】
空気入口１１０は、空気圧縮機などの加圧空気の供給源に接続されていてもよい。加圧空気は、燃焼チャンバ１５０の充填およびパージに使用することができ、また燃料の燃焼のための酸化剤として働くことができる。空気入口１１０は、空気弁１８０および燃焼帯１５０と連通していてもよい。同様に、燃料入口１２０は、燃焼帯１５０内で燃焼される供給燃料に接続されていてもよい。燃料は、空気流と混合されるように燃焼帯１５０内に噴射されてもよい。
【００１５】
点火装置１９０は、空気入口１１０および燃料入口１２０の下流に配置されていてもよい。点火装置１９０は、所望の時間および作用順序で点火装置１９０を動作させるため、ならびに動作を監視するためのフィードバック信号を供給するために、制御装置に接続されていてもよい。上記のように、いかなるタイプの点火装置１９０も、本明細書で使用することができる。燃料および空気は、点火装置１９０によって点火されて燃焼流に変化し、結果として得られるデトネーション波を生み出すことができる。空気流の一部はまた、バイパス導管１７０を通過してもよい。この空気流の一部は、燃焼管１４０、燃焼帯１５０、およびノズル１３０を冷却する働きをすることができる。他の構成部品および他の形状を、本明細書で使用することができる。いかなるタイプのパルスデトネーション燃焼器１００も、本明細書で使用することができる。
【００１６】
図２は、パルスデトネーション燃焼器１００を使用するパルスデトネーションタービンエンジン２００の一般化された実施例を示している。大まかに説明すると、パルスデトネーションタービンエンジン２００は、流入してくる空気を圧縮するための空気圧縮機２１０を備えていてもよい。空気圧縮機２１０は、いくつかの空気弁１８０を有する吸気系統２２０と連通していてもよい。それぞれの吸気弁は、圧縮された空気の流れを、燃焼管１４０内で燃焼する圧縮された燃料の流れと混合するように、上記のように燃焼管１４０と連通していてもよい。パルスデトネーション燃焼器１００は、ノズル１３０または他のタイプのプレナムを介してタービン２３０と連通していてもよい。パルスデトネーション燃焼器１００からの熱い燃焼ガスが、タービン２３０を駆動させて機械的な仕事を生じさせる。他の形状および他の構成部品を、本明細書で使用することができる。いかなるタイプのパルスデトネーションタービンエンジン２００も、いかなるタイプのパルスデトネーション燃焼器１００とともに、本明細書で使用することができる。
【００１７】
図２はまた、軸速度監視システム２４０を示している。タービン２３０で生じた機械的な仕事は、軸２５０を介して空気圧縮機２１０を駆動させる。軸２５０はまた、発電機などの外的負荷を駆動させることができる。軸速度監視システム２４０は、軸２５０の速度、したがって空気圧縮機２１０およびタービン２３０の速度を監視するために、軸２５０周りに配置されたいくつかのセンサ２６０を備えていてもよい。センサ２６０は、軸の速度および／または加速度を監視することができる。センサ２６０は、従来の設計のセンサであってよく、管の燃焼サイクルに起因する軸の速度または加速度の変動を分解するのに充分な時間分解能を有していてもよい。センサ２６０は、パルスデトネーションタービンエンジン２００上の元々の機器であってもよい。
【００１８】
センサ２６０は、制御装置２７０と通信することができる。制御装置２７０は、センサ２６０の出力、ならびにパルスデトネーションタービンエンジン２００全体およびその個々の構成部品の状態を監視することができる。制御装置２７０は、従来の設計の制御装置であってよく、いかなるタイプのプログラム可能論理制御装置などであってもよい。複数の制御装置２７０を本明細書で使用することができる。他のタイプの制御装置を本明細書で使用することができる。軸速度監視システム２４０には、他の構成部品および他の形状を使用することができる。
【００１９】
パルスデトネーションタービンエンジン２００全体内のパルスデトネーション燃焼器１００の個々の燃焼管１４０は一般に、千鳥状に脈動する。例えば、パルスデトネーション燃焼器１００は、１２本の燃焼管１４０を有することができるが、いかなる数の燃焼管１４０も使用することができる。本明細書での目的は、燃焼管１４０のそれぞれが一貫した形で動作することを確実にすることである。したがって、軸２５０の速度は、いくつかの速度変動２７５の変化と相関する燃焼管に対して、適切なアルゴリズムを介して軸速度監視システム２４０によって監視され得る。
【００２０】
例えば、図３は、秒単位での時間に対する毎分回転数での軸２５０の速度に関する、軸２５０の速度変動２７５の例を示している。１２本の燃焼管１４０を有するパルスデトネーション燃焼器１００が使用されるとすれば、いくつかの１２速変動サイクルを評価することができる。図のように、第１のサイクル群２８０は、第１の窓２９０で評価することができ、いくつかのさらなるサイクル群３００は、いくつかのさらなる窓３１０で評価することができる。この例において、さらなるサイクル群３００は、サイクル群６，０９７とすることができ、第２の窓３２０で評価することができる。同様に、さらなるサイクル群３００は、サイクル２８，９２６とすることができ、第３の窓３３０で評価することができる。任意の数のさらなる窓３１０における任意のサイクル数での任意の数のさらなるサイクル群を、本明細書で使用することができる。
【００２１】
図３の例に示されているように、第４の燃焼管１４０は、異なる速度変動３４０で示されるように、残りの燃焼管１４０とは異なる動作をしている可能性がある。この情報は、例えば、パルスデトネーション燃焼器１００、またはパルスデトネーションタービンエンジン２００内の他の場所などへの、軸速度監視システム２４０の制御装置２７０によるフィードバック信号３５０として使用することができる。フィードバック信号３５０は、例えば、第４の管１４０の時間、燃料圧力、および／または流入空気流量を調整することによって、タービン負荷の平衡化を促進することができる。流入空気流量の変更は、空気流路の有効面積などを変化させるように、調整可能なリストリクタ板または幾何学的配置を介して行うことができる。そのような変化は、充填率（燃焼管が燃料−空気混合気で充填される割合）、パージ率（燃焼管が燃料を含まない空気でパージされる割合）、燃料／空気当量比などの、任意の数の動作パラメータに影響を与え得る。したがって、リアルタイムでの監視およびフィードバックが、本明細書で実現され得る。
【００２２】
図４は、速度対時間で表した速度変動２７５の同様のグラフを示している。この例において、第４の燃焼管１４０の速度変動３４０は、第４の燃焼管１４０の動作が残りの燃焼管１４０と比較して経時的に低下していることを示している。具体的には、速度変動２７５は、第１の窓２９０内の第１のサイクル群２８０、およびさらなる窓３１０内のさらなるサイクル群３００と比較して、経時的に変化している。この情報は、管の故障がいつ起こり得るかを軸速度監視システム２４０が推定できるように、またそのような故障の前にメンテナンスを予定するために、予測的健全性監視システムの一部として使用することができる。さらに、この情報は、メンテナンスが行われる時まで、他の燃焼管１４０と同じタービン負荷を与えるように燃焼管１４０の動作を変更するために使用することができる。他の構成部品および他の形状を、本明細書で使用することができる。
【００２３】
軸速度監視システム２４０の制御装置２７０はしたがって、パルスデトネーション燃焼器１００およびその中の個々の燃焼管１４０の動作性を推定または判定するために、センサ２６０によって判定された軸２５０の速度および加速度を適切なアルゴリズムとともに使用することができる。この情報は、予測的健全性監視に対し故障モードの予測をするため、および全体的な制御装置２７０にフィードバックを提供するために使用することができる。さらに、軸の速度はすでに検知された速さなので、この監視手法には複雑性や追加の計測器は付け加えられない。同様に、燃焼管１４０自体内での計測器の使用を避けることができる。したがって、本明細書では、極めて正確な監視を維持しながら、それらの短寿命を避けることができる。
【００２４】
上記は本願のある実施形態にのみ関し、また以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義された本発明の全般的な精神および範囲から逸脱することなしに、多くの変更および修正形態が当業者により本明細書において行われ得ることは明らかであるはずである。
【符号の説明】
【００２５】
１００  パルスデトネーション燃焼器
１１０  空気入口
１１５  先端部
１２０  燃料入口
１３０  出口ノズル
１３５  下流端部
１４０  燃焼管
１５０  燃焼帯
１６０  外筒
１７０  バイパス導管
１８０  空気弁
１９０  点火装置
２００  パルスデトネーションタービンエンジン
２１０  空気圧縮機
２２０  吸気系統
２３０  タービン
２４０  軸速度監視システム
２５０  軸
２６０  軸センサ
２７０  制御装置
２７５  速度変動
２８０  第１のサイクル群
２９０  第１の窓
３００  さらなるサイクル群
３１０  さらなる窓
３２０  第２の窓
３３０  第３の窓
３４０  異なる速度変動
３５０  フィードバック信号
【図１】
2012159078.tif 000003
【図２】
2012159078.tif 000004
【図３】
2012159078.tif 000005
【図４】
2012159078.tif 000006
【外国語明細書】
2012159078000001.pdf