(57)【要約】  圧力ゲイン燃焼器は、デトネーションチャンバと、予燃焼チャンバと、酸化剤渦流発生器と、膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルと、点火源とを含む。デトネーションチャンバは、上流吸入端部と下流放出端部を有し、超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成される。予燃焼チャンバは、デトネーションチャンバ吸入端部と流体連通している下流端と、燃料送出経路と連通している上流端と、上流端と下流端の間にあり、かつ環状酸化剤送出経路と連通している環状開口部を有する円周周囲とを有する。酸化剤渦流発生器は、酸化剤送出経路に位置付けられ、かつベーンを含み、ベーンは、それを過ぎて流れる酸化剤が、予燃焼チャンバ内に接線方向に流れ込むようにし、それによって予燃焼チャンバの環状開口部の周りに高渦流速度ゾーン及び中心部分内に低渦流速度ゾーンを生成する。膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルは、予燃焼チャンバとデトネーションチャンバの間に位置決めされ、これらの間に拡散流路を与える。点火源は、予燃焼チャンバの低渦流速度ゾーンと連通している。この構成は、比較的短い全ランアップＤＤＴ距離及び時間を有し、それによって高い作動周波数及び相応に高い燃焼器性能を可能にする。【選択図】      図５
2016503482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流吸入端部と下流放出端部を有し、超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成されたデトネーションチャンバと、
前記デトネーションチャンバ吸入端部と流体連通している下流端と、燃料送出経路と連通している上流端と、該上流端と該下流端の間にあり、かつ環状酸化剤送出経路と連通している環状開口部を有する外周周囲とを有する予燃焼チャンバと、
前記酸化剤送出経路にあり、かつベーンを含む酸化剤渦流発生器であって、該ベーンが、該ベーンを過ぎて流れる酸化剤が前記予燃焼チャンバ内に接線方向に乱流状態で流れ込むようにし、それによって該予燃焼チャンバの前記環状開口部の周りに高渦流速度ゾーン及び中心部分に低渦流速度ゾーンを生成するように構成される前記酸化剤渦流発生器と、
前記予燃焼チャンバ及びデトネーションチャンバの間にあり、かつこれらの間に拡散流路を与える膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルと、
前記予燃焼チャンバの前記低渦流速度ゾーンと連通している点火源と、
を含むことを特徴とする圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２】
前記燃料送出経路は、前記予燃焼チャンバ内に放出される燃料を霧化するようにサイズが決定された開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項３】
前記燃料送出経路開口部は、前記予燃焼チャンバの前記高渦流速度ゾーンと連通していることを特徴とする請求項２に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項４】
前記渦流発生器の前記ベーンは、前記環状酸化剤送出経路に螺旋状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項５】
前記Ｅ−Ｄノズルは、
内部ボアを有するほぼ円筒形の本体であって、前記デトネーションチャンバと流体連通している下流端と、上流端と、該ボアと流体連通している該本体内の少なくとも１つの周方向に配置されたポートとを有する前記円筒形の本体と、
前記本体から外向きに延び、かつ前記デトネーションチャンバの吸入端部の外側リムと接触する環状リムと、
カウルと前記円筒体の間に環状空間が定められるように、前記環状リムから該円筒体の上流端を過ぎて延びるほぼ円筒形のカウリングと、
前記ボアの前記上流端の端板であって、該板を通って延びて該ボアと前記予燃焼チャンバの間の流体連通を与える少なくとも１つの拡散器チャネルを有する前記端板と、
を含み、
前記拡散器チャネル及びポートは、前記予燃焼チャンバと前記デトネーションチャンバの間に拡散経路を与える、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項６】
前記カウリングは、部分トロイダル形態を有し、かつ前記予燃焼チャンバ内にかつその前記環状開口部に十分に近い場所内に延びて接線方向に流れる酸化剤を前記予燃焼チャンバの中心に向けて半径方向内向きに偏向するコアンダ効果を生成するマントルを有することを特徴とする請求項６に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項７】
前記端板は、複数の拡散器チャネルを含み、その各々は、各チャネルが前記予燃焼チャンバではなく前記カウリングの内面に向けて方向付けされるような角度で前記ボアから外向きに延びることを特徴とする請求項６に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項８】
前記予燃焼チャンバの前記上流端を定め、かつ前記燃料送出経路と該予燃焼チャンバの中心部分の中に開いて前記点火源と連通している点火ポートとを含むエンドキャップを更に含むことを特徴とする請求項７に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項９】
前記点火源は、電気スパーク放電源、プラズマパルス源、及びレーザパルス源から構成される群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１０】
クォールと酸化剤入口の間で前記酸化剤送出経路と流体連通している膨張チャンバを更に含み、
前記膨張チャンバは、該膨張チャンバ内への逆流の逆圧を前記酸化剤入口での酸化剤圧力よりも低い望ましい静圧まで低下させるように選択された容積を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１１】
前記デトネーションチャンバに熱的かつ流体的に結合された予熱チャンバと、該予熱チャンバ及び前記酸化剤入口と流体連通している酸化剤プレナムチャンバとを更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１２】
前記酸化剤プレナムチャンバは、該酸化剤プレナムチャンバ内側に蛇行酸化剤送出経路を定めるとともに、デトネーション衝撃波によって引き起こされる燃焼生成物の逆流及び逆圧を阻害するように機能する切頭円錐偏向器シェルを含むことを特徴とする請求項１１に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１３】
圧力ゲイン燃焼器を作動させる方法であって、
予燃焼チャンバの外側部分に高渦流速度ゾーンを形成し該予燃焼チャンバの内側部分に低渦流速度ゾーンを形成するように、酸化剤を該予燃焼チャンバ内に接線方向に乱流状態で流し込む段階と、
燃料を前記予燃焼チャンバの前記高渦流速度ゾーン内に注入する段階と、
前記燃料及び酸化剤の混合物を前記予燃焼チャンバと流体連通しているデトネーションチャンバ内に流し込む段階と、
選択された滞留期間の後に、火炎カーネルを形成するために前記予燃焼チャンバの低速渦流ゾーン内の前記燃料及び酸化剤を点火する段階と、
前記デトネーションチャンバ内の酸化剤と燃料が爆発し、火炎前面が衝撃波に結合された状態になって該デトネーションチャンバを通って音速で伝播する超音速燃焼事象を引き起こすように、前記火炎カーネルから形成された該火炎前面を膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルを通して該デトネーションチャンバ内に差し向ける段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
上流吸入端部と下流放出端部を有し、超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成されたデトネーションチャンバと、
前記デトネーションチャンバ吸入端部と流体連通し、かつ燃料送出経路及び酸化剤送出経路と流体連通している予燃焼チャンバと、
前記予燃焼チャンバと連通しており、かつその中にある燃料／酸化剤混合物を点火するように位置決めされた点火源と、
前記予燃焼チャンバ及びデトネーションチャンバの間にあり、かつ流体流れに対して上流方向よりも下流方向に限流性が低いように構成された拡散流路を含む膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルと、
を含むことを特徴とする圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１５】
前記Ｅ−Ｄノズルは、
内部ボアを有するほぼ円筒形の本体であって、前記デトネーションチャンバと流体連通している下流端と、上流端と、該ボアと流体連通している該本体内の少なくとも１つの周方向に配置されたポートとを有する前記円筒形の本体と、
前記本体から外向きに延び、かつ前記デトネーションチャンバの吸入端部の外側リムと接触する環状リムと、
前記本体から離間されたほぼ円筒形のカウリングであって、該カウリングと該円筒体の間に環状空間が定められるように、前記環状リムから延び、該円筒体の上流端を過ぎ、半径方向かつ内向きに湾曲したマントルで終端する前記カウリングと、
前記ボアの前記上流端の端板であって、該端板が、該端板を通って延びる少なくとも１つの拡散器チャネルを有し、該少なくとも１つの拡散器チャネルが、該チャネルが該ボアに結合されて前記カウリングに向けられるような角度で延びる前記端板と、
を含み、
前記カウリングが前記チャネルからの上流流体流れの少なくとも一部分を前記環状空間内に差し向け、それによって前記ポートを経て該環状空間内に流れ込む上流流体流れを妨害することに起因して、上流流体流れが下流流体流れよりも限流性が高い、
ことを特徴とする請求項１４に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１６】
前記マントルは、部分トロイダル形態を有するとともに、前記予燃焼チャンバ内に前記酸化剤送出経路と十分に近い場所内に延びて、該予燃焼チャンバの外側領域内の接線方向に流れる酸化剤を該予燃焼チャンバの中心領域に向けて半径方向内向きに偏向するコアンダ効果を生成することを特徴とする請求項１４に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１７】
上流吸入端部と下流放出端部を有し、超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成されたデトネーションチャンバと、
前記デトネーションチャンバ吸入端部と流体連通し、かつ燃料送出経路及び酸化剤送出経路と流体連通している予燃焼チャンバと、
前記予燃焼チャンバと連通しており、その中にある燃料／酸化剤混合物に点火するように位置決めされた点火源と、
前記予燃焼チャンバ及びデトネーションチャンバの間にあり、かつこれらの間の拡散流路を含む膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルと、
酸化剤入口及び前記予燃焼チャンバと流体連通している膨張チャンバであって、前記デトネーションチャンバ内のデトネーションによって引き起こされる逆圧を該膨張チャンバ内側の望ましい静圧まで低下させるように選択された容積を含む前記膨張チャンバと、
を含むことを特徴とする圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１８】
前記選択膨張チャンバ容積は、前記膨張チャンバ内の選択圧力、前記デトネーションチャンバの容積、及び該デトネーションチャンバ内のデトネーション圧力の関数であることを特徴とする請求項１７に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項１９】
前記膨張チャンバは、圧力除去設定値を有する圧力除去バルブを含み、該膨張チャンバ内の前記選択圧力は、該圧力除去設定値であることを特徴とする請求項１８に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２０】
前記膨張チャンバは、前記デトネーションチャンバと熱連通し且つ前記予燃焼チャンバと流体連通している予熱チャンバと、該予熱チャンバ及び前記酸化剤入口と流体連通しているプレナムチャンバとを含むことを特徴とする請求項１８に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２１】
前記プレナムチャンバ内側に位置決めされてその中に蛇行酸化剤流経路を形成する偏向器シェルを更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２２】
前記偏向器シェルは、切頭円錐形状を有することを特徴とする請求項２２に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２３】
前記膨張チャンバは、前記デトネーションチャンバと熱連通している予熱チャンバを含むことを特徴とする請求項１８に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２４】
前記膨張チャンバは、予熱チャンバ及び前記酸化剤入口と流体連通しているプレナムチャンバを含むことを特徴とする請求項１８に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２５】
上流吸入端部と下流放出端部を有し、超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成されたデトネーションチャンバと、
前記デトネーションチャンバ吸入端部と流体連通し、かつ燃料送出経路及び酸化剤送出経路と流体連通している燃料−酸化剤混合チャンバと、
前記デトネーションチャンバと連通し、かつその中にある燃料／酸化剤混合物に点火するように位置決めされた点火源と、
前記混合チャンバ及びデトネーションチャンバの間にあり、かつ該混合チャンバからの下流流体流れを該デトネーションチャンバまで拡散するための拡散流路を含む拡散器と、
下流方向に向く切頭円錐ノズルを形成するように、半径方向内向きに先細であるボアを有し、それによって上流方向よりも下流方向に限流性が低いように構成された酸化剤送出経路を定める、少なくとも１つの環状リングセグメントを含む該酸化剤送出経路内の空力バルブサブアセンブリと、
を含むことを特徴とする圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２６】
酸化剤入口及び前記混合チャンバと流体連通している膨張チャンバであって、前記デトネーションチャンバ内のデトネーションによって引き起こされる逆圧を、該膨張チャンバ内側の望ましい静圧まで低下させるように選択された容積を含む、前記膨張チャンバを更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２７】
前記膨張チャンバ及び混合チャンバに流体的に結合された少なくとも１つの酸化剤ダクトを更に含み、
前記空力バルブサブアセンブリは、前記ダクトに位置付けられる、
ことを特徴とする請求項２６に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【請求項２８】
前記膨張チャンバは、前記デトネーションチャンバと熱連通しており、それによって予熱チャンバとして機能し、それを通って流れる酸化剤を加熱することを特徴とする請求項２６に記載の圧力ゲイン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
説明する本発明は、一般的に圧力ゲイン燃焼に関し、特に、パルスデトネーションエンジンのような圧力ゲイン燃焼装置及びそれを作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力ゲイン燃焼は、燃焼チャンバにわたって圧力を増大させ、それによって定容過程を熱力学的に近似し、従来の定圧燃焼エンジンよりも高い効率のエンジンをもたらす。圧力ゲイン燃焼を達成する１つの方法は、パルスデトネーション燃焼を実施するパルスジェット又はパルスデトネーションエンジン（別途「パルスデトネーション燃焼器」）のような振動燃焼装置を使用することである。
【０００３】
パルスデトネーション燃焼は、点火源によってトリガされるデトネーションの合間に燃焼チャンバ内の可燃性混合物をパージして入れ替えることを可能にするようにエンジンがパルス駆動されるタイプの圧力ゲイン燃焼過程である。デトネーションは、火炎前面が衝撃波に結合された状態になり、かつ音速で反応性混合物を通って伝播する超音速燃焼事象である。その結果、その熱力学的挙動は、定圧又は定常爆燃過程と比較してより高い圧力、より高い熱効率、及びより低い燃料消費率を与える定容燃焼過程のものに実質的に接近する。パルスデトネーション燃焼器は、それらが標準定圧燃焼器内での定圧爆燃過程ではなく超音速衝撃誘起燃焼波からの圧力増大を拠り所とするので、潜在的に熱力学的効率がより高い。パルスデトネーションにおける火炎速度は、従来の定圧燃焼器における２０〜７０ｆｐｓと比較して６０００ｆｐｓで進むことができる。
【０００４】
単一デトネーションサイクルの作動サイクルは、デトネーションチューブを燃料と酸化剤の可燃性混合物で充填する段階と、混合物を点火する段階と、デトネーション波をチューブの放出端部に向けて伝播させる段階と、燃焼生成物を放出する段階とで構成される。開口端部燃焼チューブでは、生成物は、デトネーション波が開口端部を出る時の大気圧への急激な膨張によって生成される希薄波によってチューブから放出される。このサイクルは、１秒間に数回繰り返すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，６２１，１１８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５０５，４６２号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１０／０３１１７３号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ｍ．Ｂｅｅｒ及びＮ．Ａ．Ｃｈｉｇｉｅｒ著「燃焼空気力学（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）」、Ｒ．Ｅ．Ｋｒｉｅｇｅｒ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ、１９８３年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高い作動周波数を達成してより高いパワー出力をもたらすためには、デトネーションへの急激な移行が望ましい。爆燃からデトネーションへの移行（ＤＤＴ）は、低エネルギ始動を用いて生成された亜音速爆燃が超音速デトネーションに移行する場合である。この過程は、（ｉ）混合物点火、（ｉｉ）燃焼波加速、（ｉｉｉ）爆心の形成、及び（ｉｖ）デトネーション前面の発達という４つの局面に分解することができる。デトネーションへの移行に必要な距離及び時間は、それぞれランアップ距離及びランアップ時間と呼ばれる。ステージ（ｉ）から（ｉｉｉ）は、全ランアップＤＤＴ距離及び時間の大部分を占める。ＤＤＴのための時間の大部分は、殆ど層流から乱流への火炎移行によって消費される。ＤＤＴのための距離は、乱流火炎の加速度により敏感である。Ｓｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体のような流路に沿った障害は、ステージ（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）のための距離及び時間を短縮することによってＤＤＴを短縮することが公知である。従って、より高い効率及び性能に向けて高い作動周波数を達成するパルスデトネーション燃焼器を提供することが望ましい。特に、全ランアップＤＤＴ距離及び時間を低減し、それによって高い作動周波数と相応に改善された燃焼器性能及びより高いパワー密度とを可能にするパルスデトネーション燃焼器を提供することが望ましい。
【０００８】
パルスデトネーション燃焼器の効率的かつ有効な作動に対する別の課題は、デトネーション衝撃波によって引き起こされる燃焼生成物逆流及び逆圧を制御することである。逆流を防止する１つの公知の手法は、機械的バルブシステムを使用することである。そのようなバルブシステムを有するパルスデトネーション燃焼器では、機械的バルブは、開いてデトネーションチャンバを可燃性混合物で充填し、その後にデトネーション開始及び伝播ステージ、並びに排出ステージ中に閉じる。例示的なバルブ機構は、米国特許第７，６２１，１１８号明細書及び米国特許第６，５０５，４６２号明細書に記載されている。これらのバルブ機構は、機械的複雑さを課し、限られた稼働寿命及び追加の保守要件を招く機械的及び熱的な疲労問題が頻出する傾向を有する。装置の作動周波数も、機械的バルブシステムによって制限される可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様により、デトネーションチャンバと、予燃焼チャンバと、酸化剤渦流発生器と、膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルと、点火源とを含む圧力ゲイン燃焼器を提供する。デトネーションチャンバは、上流吸入端部と下流放出端部を有し、かつ超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成される。予燃焼チャンバは、デトネーションチャンバ吸入端部と流体連通している下流端と、燃料送出経路と連通している上流端と、上流端と下流端の間にあって環状酸化剤送出経路と連通している環状開口部を有する円周周囲とを有する。酸化剤渦流発生器は、酸化剤送出経路に位置付けられ、かつベーンを含み、ベーンは、ベーンを過ぎて流れる酸化剤が、予燃焼チャンバ内に接線方向に乱流状態で流れ込むようにし、それによって予燃焼チャンバの環状開口部の周りに高渦流速度ゾーン及び中心部分内に低渦流速度ゾーンを生成する。膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルは、予燃焼チャンバとデトネーションチャンバの間に位置決めされ、これらの間に拡散流路を与える。点火源は、予燃焼チャンバの低渦流速度ゾーンと連通しており、電気スパーク放電源、プラズマパルス源、及びレーザパルス源から構成される群から選択することができる。この構成は、比較的短い全ランアップＤＤＴ距離及び時間を有し、それによって高い作動周波数及び相応に高い燃焼器性能を可能にする燃焼器を提供することが予想される。
【００１０】
Ｅ−Ｄノズルは、ほぼ円筒形の本体であって、デトネーションチャンバと流体連通している下流端を有する内部ボアと、ボアと流体連通している円筒体内の少なくとも１つの周方向に配置されたポートとを有する上記円筒体と、円筒体から外向きに延び、かつデトネーションチャンバの吸入端部の外側リムと接触する環状リムと、カウルと円筒体の間に環状空間が定められるように環状リムから円筒体の上流端を過ぎて延びるほぼ円筒形のカウリングと、ボアの上流端にある端板であって、この板を通って延び、かつボアと予燃焼チャンバの間の流体連通を与える少なくとも１つの拡散器チャネルを有する上記端板とを含むことができる。拡散器チャネル及びポートは、予燃焼チャンバとデトネーションチャンバの間に拡散経路を与える。カウリングは、部分トロイダル形態を有し、かつ予燃焼チャンバ内にかつその環状開口部と十分に近い場所内に延びて接線方向に流れる酸化剤を予燃焼チャンバの中心に向けて半径方向内向きに偏向するコアンダ効果を生成するマントルを有することができる。端板は、各チャンネルが予燃焼チャンバではなくカウリングの内面に向けて誘導されるようなボアから外向きの角度で各々が延びる複数の拡散器チャネルを含むことができる。
【００１１】
本発明の別の態様により、予燃焼チャンバの外側部分に高渦流速度ゾーン及び予燃焼チャンバの内側部分に低渦流速度ゾーンを形成するように酸化剤を予燃焼チャンバ内に接線方向に乱流状態で流し込む段階と、燃料を予燃焼チャンバの高渦流速度ゾーン内に注入する段階と、燃料と酸化剤の混合物を予燃焼チャンバと流体連通しているデトネーションチャンバ内に流し込む段階と、選択された滞留期間の後に火炎カーネルを形成するために予燃焼チャンバの低速渦流ゾーン内で燃料と酸化剤を点火する段階と、デトネーションチャンバ内の酸化剤と燃料が爆発し、火炎前面が衝撃波に結合された状態になってデトネーションチャンバを通って音速で伝播する超音速燃焼事象を引き起こすように火炎カーネルから形成された火炎前面をＥ−Ｄノズルを通してデトネーションチャンバ内に誘導する段階とを含む圧力ゲイン燃焼器を作動させる方法を提供する。そのような方式で燃焼器を作動させることは、比較的短い全ランアップＤＤＴ距離及び時間を提供し、それによって高い作動周波数及び相応に高い燃焼器性能を可能にすることが予想される。
【００１２】
本発明の更に別の態様により、上流吸入端部と下流放出端部を有し、超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成されたデトネーションチャンバと、デトネーションチャンバ吸入端部と流体連通し、かつ燃料送出経路及び酸化剤送出経路と流体連通している予燃焼チャンバと、予燃焼チャンバと連通しており、かつそこにある燃料／酸化剤混合物を点火するように位置決めされた点火源と、予燃焼チャンバとデトネーションチャンバの間にあり、かつ流体流れに対して上流方向よりも下流方向に限流性が低いように構成された拡散流路を含むＥ−Ｄノズルとを含む圧力ゲイン燃焼器を提供する。この構成は、燃焼器内側のデトネーション衝撃波によって引き起こされる燃焼生成物逆流及び逆圧を実質的に制御することが予想される。
【００１３】
Ｅ−Ｄノズルは、上述の方式で構成することができる。このＥ−Ｄノズルを使用すると、カウリングが、チャネルからの上流流体流れの少なくとも一部分を環状空間内に誘導し、それによってポートを経て環状空間内に流れ込む上流流体流れを妨害することに起因して、上流流体流れは、下流流体流れよりも限流性が高い。
【００１４】
本発明の別の態様により、上流吸入端部と下流放出端部を有し、超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成されたデトネーションチャンバと、デトネーションチャンバ吸入端部と流体連通し、かつ燃料送出経路及び酸化剤送出経路と流体連通している予燃焼チャンバと、予燃焼チャンバと連通しており、かつそこにある燃料／酸化剤混合物を点火するように位置決めされた点火源と、予燃焼チャンバとデトネーションチャンバの間にあり、かつこれらの間の拡散流路を含むＥ−Ｄノズルと、酸化剤入口及び予燃焼チャンバと流体連通している膨張チャンバであって、デトネーションチャンバ内のデトネーションによって引き起こされる逆圧を膨張チャンバ内側の望ましい静圧まで低下させるように選択された容積を含む上記膨張チャンバとを含む圧力ゲイン燃焼器を提供する。望ましい静圧は、酸化剤入口での酸化剤圧力よりも低い圧力とすることができる。この構成は、デトネーション衝撃波によって引き起こされる燃焼生成物逆流及び逆圧を実質的に制御することが予想される。
【００１５】
膨張チャンバは、デトネーションチャンバと熱連通し、かつ予燃焼チャンバと流体連通している予熱チャンバと、予熱チャンバ及び酸化剤入口と流体連通しているプレナムチャンバとを含むことができる。偏向器シェルは、切頭円錐形状を有し、かつプレナムチャンバ内側にそこに蛇行酸化剤流経路を形成するように位置決めすることができる。
【００１６】
本発明の更に別の態様により、上流吸入端部と下流放出端部を有し、超音速燃焼事象がそれを通って伝播することを可能にするように構成されたデトネーションチャンバと、デトネーションチャンバの吸入端部と流体連通し、かつ燃料送出経路及び酸化剤送出経路と流体連通している燃料−酸化剤混合チャンバと、デトネーションチャンバと連通しており、かつそこにある燃料／酸化剤混合物を点火するように位置決めされた点火源と、混合チャンバとデトネーションチャンバの間にあり、かつ混合チャンバからの下流流体流れをデトネーションチャンバまで拡散するための拡散流路を含む拡散器と、下流方向に向く切頭円錐ノズルを形成する半径方向内向きに先細のボアを有し、それによって上流方向よりも下流方向に限流性が低いように構成された酸化剤送出経路を定める少なくとも１つの環状リングセグメントを含む酸化剤送出経路内の空力バルブサブアセンブリとを含む圧力ゲイン燃焼器を提供する。圧力ゲイン燃焼器は、膨張チャンバ及び混合チャンバに流体的に結合された少なくとも１つの酸化剤ダクトを更に含むことができ、この場合に、空力バルブサブアセンブリは、ダクト内に位置付けられる。この構成は、燃焼器内のデトネーション衝撃波によって引き起こされる燃焼生成物逆流及び逆圧を実質的に制御することが予想される。
【００１７】
圧力ゲイン燃焼器は、酸化剤入口及び混合チャンバと流体連通している膨張チャンバを更に含むことができ、この膨張チャンバは、デトネーションチャンバ内のデトネーションによって引き起こされる逆圧を膨張チャンバ内側の望ましい静圧まで低下させるように選択された容積を含む。膨張チャンバは、デトネーションチャンバと熱連通することができ、それによって予熱チャンバとして機能し、それを通って流れる酸化剤を加熱する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の正面斜視図である。
【図２】パルスデトネーション燃焼器の背面斜視図である。
【図３】（ａ）は燃焼器のエンドキャップサブアセンブリの立断面斜視図、（ｂ）は燃焼器のエンドキャップサブアセンブリの正断面斜視図、（ｃ）は燃焼器のエンドキャップサブアセンブリの上断面斜視図である。
【図４】予燃焼チャンバ（クォール）を含むパルスデトネーション燃焼器の一部の側立断面図である。
【図５】パルスデトネーション燃焼器の正断面斜視図である。
【図６】プレナムサブアセンブリと燃焼器チャンバサブアセンブリとエンドキャップサブアセンブリとを含む燃焼器のある一定のサブアセンブリ構成要素を示す燃焼器の分解斜視図である。
【図７】プレナムサブアセンブリの切り欠き斜視図である。
【図８】燃焼チャンバサブアセンブリの切り欠き斜視図である。
【図９】燃焼チャンバサブアセンブリの渦流発生器の斜視図である。
【図１０】（ａ）は燃焼チャンバサブアセンブリ内側の場所のための膨張−偏向（ＥＤ）ノズルの斜視図、（ｂ）は燃焼チャンバサブアセンブリ内側の場所のための膨張−偏向（ＥＤ）ノズルの切り欠き図である。
【図１１】第２の実施形態によるパルスデトネーション燃焼器の背面斜視図である。
【図１２】パルスデトネーション燃焼器の第２の実施形態の切り欠き背面斜視図である。
【図１３】燃焼器の第２の実施形態の混合チャンバの詳細断面図である。
【図１４】燃焼器の第２の実施形態の空力バルブの切り欠き斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に続く説明では、相対的な参照を提供する目的だけのために「前面」、「背面」、「後面」のような方向用語を用い、使用中にいずれかの装置を如何に位置決めするか、又は装置をアセンブリ内に又は環境に対して如何に装着するかに関するいずれの限定も示唆するように意図したものではい。例えば、本明細書では、パルスデトネーション燃焼器の実施形態は、可燃性混合物が点火される「後端」と燃焼生成物が放出される「前端」とを有するように説明される。同様に、「順流」は、燃焼器の吸入ポートから放出ノズルに進む燃料−酸化剤及び燃焼生成物の流れとして定められ、「逆流」は、その反対方向に進む流れとして定められ、「上流」及び「下流」は、燃焼器を貫く流れ方向に対する方向用語である。
【００２０】
第１の実施形態
本明細書に説明するものは、燃料と酸化剤（例えば、空気）の混合物を効率良く燃焼させて、燃料中の化学エネルギを熱用途に使用するための有利な熱エネルギに変換するか又は推力の形態にある運動エネルギに変換するか又は回転容積式タービンのような膨張デバイスにかかわる機械パワーを生成するための圧力ゲインパルスデトネーションに向けて構成された燃焼装置（「燃焼器」）の実施形態である。燃焼器は、燃焼からの逃げ熱を利用して、流入する酸化剤がデトネーションチューブの長さを流れ過ぎる時にそれを加熱する予熱チャンバを特徴として含む。逃げ熱は、そうでなければ伝導又は対流に失われることになるが、この場合は流入する空気又は他の酸化剤を予熱するのに利用される熱を意味する。予熱後に、酸化剤は、予燃焼チャンバ（クォール）内への酸化剤の接線方向乱流を発生させるように構成された渦流発生器（渦流器）を貫流する。クォール及び渦流器は、燃料と酸化剤の混合を促進し、それによって局所燃焼強度を高める高速渦流ゾーンを生成する。点火源は、小さい火炎カーネルが成長するのを可能にする比較的低い渦流速度を有するクォール内の領域に配置される。
【００２１】
クォールは、膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズルのような限流部を通る急膨張又は通過によってデトネーションチャンバ内に膨張して入り込むことが許される高乱流火炎を最初に生成するための手段を与える。この予燃焼チャンバは、乱流火炎を急速に作り出し、それによってスパークプラグ点火を使用する燃焼器と比較してＤＤＴに必要とされる時間を有意に短縮することができ、高周波作動及び相応に改善された燃焼器性能が可能になる。更に、この燃焼器には、燃焼器を通じた燃焼生成物逆流及び逆圧を阻害又は阻止するための静止逆圧逆流抑止手段が設けられ、特に、Ｅ−Ｄノズルは、逆流及び逆圧を阻害するように構成することができ、予熱チャンバは、単体で又は酸化剤プレナムチャンバとの組合せで逆圧を酸化剤供給圧力よりも低く低下させる膨張チャンバとして機能するように構成することができる。
【００２２】
次いで、図１から図１０を参照すると、パルスデトネーション燃焼器１（別途、圧力ゲイン燃焼器として公知）は、ほぼ円筒形の外側シェル２と、燃焼器１の後端に取り付けられたエンドキャップ３と、エンドキャップ３に対して遠位に位置付けられ、かつ燃焼器１の前端に取り付けられた放出ノズル１５とを含む。この実施形態におけるノズル１５は、本出願人の国際公開第２０１０／０３１１７３号に開示すもののような回転容積式デバイス（図示せず）をもたらすように構成されるか、又は示していないがノズル１５を推力最適化ノズル（図示せず）で置換することにより、燃焼器１の放出前端は、推力を生成するように構成することができる。空気のような酸化剤は、雰囲気圧又は正圧のいずれかで燃焼器シェル２を通って延びる吸入ポート３１を通って燃焼器１内に導入される。酸化剤は、圧縮器（図示せず）による圧力下で供給される。
【００２３】
図３（ａ）から図３（ｃ）は、エンドキャップ３をより詳細に示しており、このエンドキャップ３は、エンドキャップ３を通って延び、本明細書では燃焼器１内に位置付けられた「クォール」として定める予燃焼チャンバ１３内に燃料を注入する燃料注入器２４（図４を参照されたい）が内部に装着された注入ポート４を含む。点火源２５は、クォール１３内の燃料−酸化剤混合物を点火するほど十分な強度を与えるように構成され、電気スパーク、プラズマパルス、又はフォーカスされた高強度レーザビームを発生させることができる。燃料注入器２４によってクォール１３内に循環的に導入される気体燃料又は液体燃料を燃料ポート６が注入ポート４に供給する。燃焼器制御システム（図示せず）によって使用される圧力及び温度のモニタセンサ（図示せず）のためのセンサポート３９及び４０が設けられる。通常は正圧下にある燃料は、直径が１ｍｍから２ｍｍの間にあって注入器ポート４との流体連通を有する複数の円筒形通路４１からなる燃料送出経路によってクォール１３内に導入される。これらの通路は、燃料がクォール１３内に放出される時に燃料を霧化するようにサイズが決定される。
【００２４】
エンドキャップ３は、フランジ３２において燃焼器１の後端にボルト締めされ、フランジ３２は、それ自体が燃焼器１内への後部開口部１２を定める。高温耐性材料から製造される密封要素３３が、エンドキャップ３とフランジ３２の間に液密シールを形成する。燃焼器１の端部は楕円体形状を有し、液密シールを形成するように装着フランジ３２及び３０と一体的である。
【００２５】
図４及び図５を参照すると、燃焼器１の内側は、そこで流体相互接続した一連のチャンバ、すなわち、シェル２と予熱チャンバシェル２７の間にあって吸入ポート３１と流体連通しているほぼ環状の酸化剤プレナムチャンバ７と、プレナムチャンバ７内で予熱チャンバシェル２７とデトネーションチャンバシェル２８の間にあってプレナムチャンバ７と流体連通しているほぼ環状の酸化剤予熱チャンバ８と、予熱チャンバ８内でデトネーションチャンバシェル２８内にあって予熱チャンバ８と流体連通しているほぼ円筒形のデトネーションチャンバ１０とを定める一連のほぼ円筒形のシェル２、２６、２７、２８を含む。クォール１３は、予熱チャンバ８と流体連通しており、かつ予熱チャンバシェル２７内でエンドキャップ３の内面と膨張−偏向（Ｅ−Ｄ）ノズル１４の後端の間に位置付けられる。Ｅ−Ｄノズル１４は、デトネーションチャンバシェル２８内でその後端に位置付けられ、先に上述したように、放出ノズル１５は、燃焼器１の前端に位置付けられた装着フランジ３０（図６を参照されたい）に装着され、デトネーションチャンバ１０と流体連通している。以下に詳細に解説するように、Ｅ−Ｄノズル１４は、燃焼生成物の上流方向の逆流、並びに上流方向のデトネーション逆圧を抑止するための逆流抑止手段として機能するように構成される。
【００２６】
図７で最も明瞭に分るように、膨張プレナムチャンバ７と予熱チャンバ８は、環状予熱チャンバシェル２７内で周方向に配置された一連の開口部２９によって流体相互接続される。プレナムチャンバ７内には切頭円錐偏向器シェル２６が位置付けられ、この切頭円錐偏向器シェル２６は、プレナムチャンバ７の後端にある最も幅広の端部と、予熱チャンバシェル開口部２９の直後で終端する最も幅狭の端部とを有し、環状予熱チャンバシェル２７に機械的に取り付けられたノズルを形成する。偏向器シェル２６は、逆方向に進むデトネーション圧力波、すなわち、予熱チャンバ８からプレナム７に進む流れ方向のデトネーション圧力波を減衰させる偏向器として機能する。以下に詳細に解説するように、プレナムチャンバ７及び予熱チャンバ８の容積は、これらのチャンバ７、８が、逆圧を許容可能なレベルまで低下させるための膨張チャンバとして機能し、それによって逆圧及び逆流の抑止手段として機能することを可能にする。
【００２７】
プレナムチャンバ７と予熱チャンバ８、クォール１３、及びデトネーションチャンバ１０は、以下のポートと開口部とによって流体接続される。吸入ポート３１が、プレナムチャンバ７の前部の中に開き、環状シェル２７の前端の近くに位置付けられた予熱チャンバシェル開口部２９が、プレナムチャンバ７と予熱チャンバ８の間の流体連通を与え、環状シェル２７と２８の間のデトネーションチャンバ１０の後端に形成された環状開口部１２が、予熱チャンバ８とクォール１３の間の流体連通を与え、クォール１３とデトネーションチャンバ１０後端の間に位置付けられたＥ−Ｄノズル１４が、これら２つのチャンバ１０と１３の間の流体連通を与える。デトネーションシェル２８の後端は、内向きに湾曲し、準トロイダル形態を有してＥ−Ｄノズル１４内への開口部を定めるノーズカウリング９を定める。
【００２８】
燃焼器１内の環状シェル２、２７、２８及び切頭円錐ノズル２６は、酸化剤が吸入ポート３１からクォール１３に進むための連続した蛇行流路（酸化剤送出経路）を定め、より具体的には、酸化剤は、吸入ポート３１を通り、プレナムチャンバ７を通り、予熱シェル開口部２９を通って予熱チャンバ８を通り、予熱チャンバ８内の渦流器１１を通ってかつ環状開口部１２を通ってクォール１３内に流れ込む。燃焼経路は、燃料−酸化剤の点火が開始されるクォール１３で始まり、デトネーションが発生するデトネーションチャンバ１０内に流れ込み、次いで、燃焼生成物は、ノズル１５を通って放出される燃焼器の前部から流れ出る。予熱チャンバ８を通って流れる酸化剤を加熱するために、デトネーションチャンバ１０は、予熱チャンバ８と熱連通しており、燃焼からの熱がデトネーションチャンバシェル２８を通って予熱チャンバ８内に伝達されるように構成される。
【００２９】
プレナムチャンバ７は、シェル２と予熱チャンバシェル２７の間に封入される容積によって形成される。受容器として機能することで、プレナムチャンバ７は、流入酸化剤流体（例えば、空気）を送風器又は圧縮器（図示せず）から正圧で送出することを容易にする。切頭円錐偏向器シェル２６と併せて、プレナムチャンバ７も、逆方向に進むパルス駆動デトネーションからの圧力波を吸収するように設計される。切頭円錐偏向器シェル２６は、予熱チャンバシェル２７の前端に接続した小さい直径を有する円錐切頭部分（「前端」）をこの相互接続部において流体密シールが確立されるように有する。反対にある偏向器シェル２６の後端は、環状シェル２の内壁と予熱チャンバシェル２７の間に離間され、シェル２の後端の直前で終端して限流を受けない流体流れに向けて十分な間隙を残す。切頭円錐シェル２６の後端は、シェル２の内面に装着された有孔バッフルリング２２によって固定され、バッフルリング２２内の穿孔は、バッフルリング２２を通る流体流れを可能にする。図５で分るように、逆方向に進むデトネーション圧力波は、クォール１３を通り、渦流器１１を通って予熱チャンバ８を通り、プレナムチャンバ７内の切頭円錐シェル２６によって膨張するデトネーションチャンバ１０からの蛇行流路を辿ることになり、これらの要素は全て、パルスデトネーションからもたらされる高強度圧力波を相殺するか又は少なくとも大きく減衰させることに寄与する。実際において、プレナムチャンバ７は、吸入ポート３１に取り付けられた送風器又は圧縮器のような上流の構成要素に対するいずれかの逆圧効果を大きく低減するための逆圧抑止手段又は「衝撃吸収器」として機能する。
【００３０】
プレナムチャンバ７、切頭円錐シェル２６、及び蛇行流れ経路のような逆圧抑止手段の目的は、上流方向に進む衝撃波の強度を有意に低減することである。デトネーションからの圧力増大は、逆圧抑止手段によって低減することはできないが、上流への流れをある程度阻害することが予想される。デトネーションから上流方向に進む圧力波は、上流のチャンバ内に既に存在する流体を更に圧縮することになり、これは望ましい。デトネーションからの上流の圧力波は、機械的バルブの作用と同様に、燃焼チャンバ内への順流を一時的に阻害することになる。
【００３１】
予熱チャンバ８は、予熱チャンバシェル２７とデトネーションチャンバシェル２８の間に生成される環状空間によって形成され、予熱チャンバ８の前端は、ノズル１５のフランジ付き部分によって閉蓋されて流体密封される。
【００３２】
プレナムチャンバ７と予熱チャンバ８を合わせて、デトネーションチャンバ１０からの逆圧を低減するほど十分な容積を有する膨張チャンバであると考えることができる。より具体的には、プレナムチャンバ７と予熱チャンバ８の組合せ容積は、プレナムチャンバ７内の静圧が、選択された程度だけデトネーションチャンバ１０内のデトネーション圧から低減されるように、デトネーションチャンバ１０よりも大きいように構成される。（逆圧）ガスの膨張は、非常に短い期間にわたってしか発生しないので、断熱過程として近似することができる。断熱過程に関する圧力と容積の関係は、次式で与えられる。
Ｐ・Ｖγ＝一定
【００３３】
従って、膨張チャンバＶeの容積は、次式によって導出することができる。
Ｐd・Ｖdγ＝Ｐe・Ｖeγ
ここで、Ｐ及びＶは、それぞれチャンバの圧力及び容積であり、下付き文字「ｄ」は、デトネーションチャンバを表し、「ｅ」は、膨張チャンバを表している。指数「γ」をガスの特性である断熱指数と呼ぶ。デトネーションチャンバの容積値及び圧力値Ｖd、Ｐdは、通常、燃焼器の作動仕様によって指定され、膨張チャンバの圧力Ｐeは、膨張チャンバ壁の応力限界のような膨張チャンバのある一定の設計制約によって指定することができる。膨張チャンバが、圧力除去バルブ（図示せず）を特徴として含む場合に、膨張チャンバ圧Ｐeは、圧力除去バルブの圧力設定値であるように選択することができる。
【００３４】
これに代えて、プレナムチャンバ７及び予熱チャンバの一方は、このチャンバが単体で膨張チャンバとして機能することを可能にする容積を有するように構成することができる。
【００３５】
製造を容易にし、更に保守目的でのアクセスを与えるために、燃焼器１は、図６に示すように、３つのサブアセンブリ、すなわち、エンドキャップサブアセンブリ３と、プレナムサブアセンブリ３５と、燃焼チャンバサブアセンブリ３６とに分割される。密封要素３３及び３４は、燃焼器が発達させる正圧を抑制するように設計された金属密封要素である。
【００３６】
図７を参照すると、プレナムサブアセンブリ３５は、シェル２と、予熱チャンバシェル２７と、切頭円錐偏向器シェル２６と、バッフル板２２と、吸入ポート３１と、ノズル１５がボルト締めされる装着フランジ３０と、エンドキャップ３が取り付けられる装着フランジ３２とから構成される。
【００３７】
図８を参照すると、燃焼チャンバサブアセンブリ３６は、デトネーションチャンバシェル２８と、デトネーションチャンバシェル２８の前端に装着されたノズル１５と、デトネーションチャンバシェル２８の後端の近くでその外面に装着された渦流器１１と、デトネーションチャンバシェル２８の内面上に装着された一連のＳｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体８２と、デトネーションチャンバシェル２８の後端にノーズカウリング９のちょうど内側かつＳｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体８２の上流に位置付けられたＥ−Ｄノズル１４とを含む。ノーズカウリング９は、酸化剤の流れをクォール１３内に半径方向内向きに移行させるように機能する。渦流器１１は、ノーズカウリング９及びＥ−Ｄノズル１４の上で滑らされ、デトネーションチャンバシェル２８に機械的に取り付けられる。
【００３８】
Ｓｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体８２は、デトネーションチャンバシェル２８の内面に沿って設けられ、螺旋状の向きにあり、一形態では、デトネーションチャンバシェル２８に挿入されて固定的に取り付けられた螺旋状部材のようなインサートとすることができる。Ｓｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体の螺旋状部分の回転と回転の間の距離は、燃焼器の作動設計に従って周波数を高めることができ、又はそうでなければ螺旋体の間のピッチを短縮する（又は、一部の形態ではガスの膨張に依存して増大する）ことができる。
【００３９】
渦流器１１は、予混合渦流発生器であり、開口部１２及びクォール１３内に至る予熱チャンバ８の後端内に位置付けられる。図９を参照すると、渦流器１１は、クォール１３内で燃料と酸化剤を急速に混合するのを促進するために酸化剤流の中に乱流を発生させるように構成される。渦流器１１は、中空チューブ又はハブの円周の周りに離間され、撚り構成を有するいくつかの螺旋ベーンからなり、軸線方向からのベーン面の発散は、半径と共に増大する。渦流器１１のスワール数は、燃料と酸化剤の混合を最適化するのに適する渦流速度を決定することに依存する。スワール数は、直線ベーンアセンブリに適用されるものと同じ式を用いて計算することができる。Ｊ．Ｍ．Ｂｅｅｒ及びＮ．Ａ．Ｃｈｉｇｉｅｒ著「燃焼空気力学（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）」、Ｒ．Ｅ．Ｋｒｉｅｇｅｒ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ、１９８３年を参照すると、軸ベーン渦流器のスワール数Ｓは、次式で与えられる。
2016503482.tif 000003
ここで、以下の通りである。
ｄｏ＝ベーン外径、
ｄｈ＝ハブ径又はベーン内径、
Ｑ＝ベーンの軸線方向とベーンの接線方向の間の偏角。
【００４０】
適切なスワール数は、０．３と０．６の間にある。渦流器１１は、一実施形態では、０．５１のスワール数をもたらす３０℃の偏角を特徴として有する。渦流器１１は、クォール１３内で酸化剤の接線方向流を与える。渦流器１１は、低い圧力降下しか生成せず、クォール１３内での急速な燃料混合を容易にするほど十分な乱流を流れに与えるように設計される。
【００４１】
乱流は、燃料と酸化剤の混合を有意に促進し、それによって局所燃焼強度を高める効果を有する。図４を参照すると、開口部１２は、ノーズカウリング９とエンドキャップフランジ３２の内面によって円筒形に境界が定められ、ノーズカウリング９は、クォール１３内に内向きかつ後ろ向きに湾曲するマントルを形成する。ノーズカウリング９の存在は、クォール１３の中心に向うコアンダ効果に起因して接線方向の流れ場を更に偏向する。コアンダ効果及び渦流器１１によって発生させる渦流空気流中への燃料の分配注入は、クォール１３内の急速かつ有効な混合をもたらすことが予想される。
【００４２】
クォール１３の容積は、クォールの上流端を定めるエンドキャップ３の内面と、クォール１３の下流端を定めるＥ−Ｄノズル１４の端板と、クォール１３の円周周囲を定める予熱チャンバシェル２７の内面とによって定められる。ノーズカウリング９と予熱チャンバシェル２７の内面との交差部は、予熱チャンバ８の環状放出端部と連通する環状開口部１２を定める。上述したように、環状開口部と、カウリングマントルと、渦流器１１との組合せは、クォール内に流れる酸化剤が接線方向乱流方式で流れるようにし、それによって予燃焼チャンバの中心ゾーン（低渦流速度ゾーン）内よりも比較的高い流体速度を有する外側ゾーン（高渦流速度ゾーン）を予燃焼チャンバ内に生成する。取りわけ、燃料送出経路の放出開口部４１は、この高渦流速度ゾーン内で燃料が酸化剤と効率良く混合することを可能にするために高渦流速度ゾーン内に位置付けられ、点火源は、このゾーン内での燃料−酸化剤混合物の効率的で有効な点火を可能にするために低渦流速度ゾーン内に位置付けられる。
【００４３】
燃料は、クォール１３内に循環的に注入され、酸化剤流が高乱流下でクォール１３に流入するので、燃料は、デトネーションチャンバ１０に流入する前に酸化剤と急速に混合する。クォール１３内の乱流は、Ｅ−Ｄノズル１４に成形されたポート２０及びチャネル２１を通って流され、デトネーションチャンバ１０が可燃性混合物で充填される（図１０を参照されたい）。
【００４４】
Ｅ−Ｄノズル１４は、燃料／空気混合物がデトネーションチャンバ１０内に流れ込む時に、この混合物を層状にする拡散器として機能する。更に、Ｅ−Ｄノズル１４は、単体で又はこの実施形態ではノーズカウリング９との併用で、逆流を阻害するだけでなく衝撃波を抑止することになる逆流抑止手段として機能する。これらの目的を実現するために、Ｅ−Ｄノズル１４は、内部を通って延びるボアを有するほぼ円筒形の円筒体と、円筒体から外向きに延び、デトネーションチャンバシェル２８の外側リムに接触する環状リムと、円筒体の上流端にある端板とを有する。Ｅ−Ｄノズル１４には、複数の開口部、すなわち、円筒体内の周方向ポート２０と端板内のチャネル２１とが設けられ、これらの開口部は、流体がデトネーションチャンバ１０に向けて比較的小さい抵抗しか受けずに流れることを可能にするが、単体で又は図４に示すノーズカウリング９との併用で逆流を大きく限流し、デトネーション衝撃波が逆方向にクォール１３内に逆進するのを抑止する。より具体的には、Ｅ−Ｄノズル円筒体は、環状空間が定められ、周方向ポート２０がこの環状空間内に開くようにデトネーションチャンバシェルから離間され、それによって流体流れは、下流方向にボアの主開口部を通るだけではなく周方向ポート２０を経てボア内に自由に流れ込むことになる。
【００４５】
チャネル２１は、ボアの軸線方向と角度をつけて位置合わせされ、かつ未燃焼燃料及び酸化剤、並びにデトネーションチャンバ１０からの燃焼生成物（全称して「排出物」）の逆流又は逆流を引き起こして開口部２０から環状空間内に流出する排出物の逆流を妨害させ、従って、クォール１３に流入する排出物の逆流のうちのかなりの部分を相殺し、更に予熱チャンバ８への逆流を限流するようなノーズカウリング９の向きに向けられる。言い換えれば、これらの特徴は、排出物の逆流の一部を１８０度方向転換させて排出物の逆流のうちの残りの部分と反対の方向に移動し、この特徴は、ガスの動的圧力を用いて逆流に対抗し、排出物の逆流が、更に予熱チャンバ８内に移動しないように引き留める。
【００４６】
上記に具陳したように、燃焼器１、Ｅ−Ｄノズル１４、膨張チャンバ７、８、及び切頭円錐偏向器シェル２６の各々は、燃焼器１内の静止逆流及び逆圧抑止構成要素として機能し、合わさって、燃焼反応からの逆圧によって引き起こされる逆流を抑止又は吸収するように機能する。取りわけ、燃焼器１は、逆流を阻止するのに機械的吸入バルブを特徴として有しない。吸入バルブは、従来のパルスデトネーション燃焼器内では急速に機能不良を起こす傾向を示してきたので、静止逆流抑止構成要素７、８、１４、及び２６は、吸入バルブ又は他の可動逆流抑止手段よりもよりロバストになり、従って、有効になることが予想される。
【００４７】
作動
次いで、燃焼器１の作動を単一デトネーションサイクルに関して解説する。燃焼器１は、実質的に連続するパワー出力を生成するのに、１秒当たり数十回又は数百回のサイクルを発生させる。最初に、空気のような酸化剤が、吸入ポート３１、外側プレナムチャンバ７を通って予熱チャンバ８内に供給され、そこで、デトネーションチャンバ１０内の以前のデトネーションからの熱によって予熱され、加熱された空気は、次いで、環状開口部１２を通ってクォール１３内に流れ込む。充填ステージ中に、予熱された酸化剤は、渦流器１１を通され、渦流器１１は、この酸化剤がクォール１３に流入するときに乱流接線方向流れ場を与える。次いで、燃料が、予燃焼チャンバの高渦流速度ゾーンの方向に向けられたエンドキャップ３内の複数のオリフィス４１を通って燃料注入器によってクォール１３内に注入される。燃料は、圧力下でこれらの小さい穴を通って押圧され、霧化された噴霧としてクォール１３に流入する。霧化された燃料は、次いで、クォール１３内で乱流酸化剤流れ場に遭遇し、燃料と酸化剤の良好な混合をもたらす。クォール１３内の温度は、燃焼事象が発生する前に燃料を蒸発させるのに十分である傾向を有し、これは燃焼器に多燃料機能を与える。
【００４８】
次いで、燃料−酸化剤装荷物は、開口部２０、２１を通り、Ｅ−Ｄノズル１４を通ってデトネーションチャンバ１０内に流れ込む。燃料注入は、制御ユニットによって指定された選択継続時間にわたって続行される。
【００４９】
燃料注入器２４が閉じられる時点と点火源２４が点火されて燃焼過程が始まる時点の間には滞留期間が設けられる。デトネーションチャンバ１０が可燃性燃料／酸化剤混合物で完全に充填された後に、スパーク放電、プラズマパルス、又はレーザパルスからのものとすることができる点火源２５によってデトネーションシーケンスが開始される。この過程は、クォール１３内での可燃性燃料−酸化剤混合物の点火で始まり、クォール１３に存在する接線方向流れ場は、チャンバの外側領域（霧化された燃料が導入される場所）に沿って最も高い流速を有し、中心において最も低い流速を有することになる。点火源２５は、渦流速度が比較的低いクォール１３の中心領域内に位置付けられるので、比較的小さい火炎カーネルを作り出して成長させることができる。
【００５０】
クォール１３内での点火は、膨張する爆燃をもたらし、その後のクォール１３内の過圧力は、火炎前面を膨張させてＥ−Ｄノズル１４をデトネーションチャンバ１０内に通過させ、この火炎前面は、デトネーションチャンバ１０内の残りの可燃性混合物に点火する。火炎前面の乱流膨張及びそれがＥ−Ｄノズル１４をデトネーションチャンバ１０内に流出するときの合体圧力波は、疑似デトネーションをもたらし、この疑似デトネーションが、デトネーションチャンバ１０内での可燃性混合のデトネーションを開始する。高温の燃焼されたガスと低温の未燃焼ガスとの密度の差は、火炎前面内の膨張流をもたらす。この膨張流は、障害物と相互作用すると非常に乱れた流れになる。Ｅ−Ｄノズル１４の下流にあるＳｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体８２のような乱流発生器は、更なる乱流をもたらし、この乱流は、理想デトネーション速度として公知のＣｈａｐｍａｎ−Ｊｏｕｇｕｅｔ条件に達するまで火炎前面を昇速及び加速し、火炎前面は、それがデトネーションチャンバ１０内の残りの可燃性混合物を通って放出ノズル１５に向けて掃引される時に衝撃波に取り付けられた状態になる。
【００５１】
大きい渦は、有効火炎前面を増大させる傾向を有し、それによって火炎の加速がもたらされる。小規模の渦は、火炎の予熱ゾーン内での熱及び質量の伝達を増大させ、それによって反応ゾーンの濃厚化及び反応速度の増大がもたらされる。
【００５２】
この燃焼器１では、クォール１３のような予燃焼チャンバは、デトネーションチャンバ内に膨張することが許される高乱流火炎をＥ−Ｄノズルのような限流部を通じた急膨張又は通過によって最初に生成するための手段として使用される。この予燃焼チャンバは、乱流火炎を迅速に作り出し、それによってスパークプラグ点火を使用する燃焼器と比較して、ＤＤＴに必要とされる時間を有意に短縮することができる。
【００５３】
第２の実施形態
次いで、図１１から図１４を参照すると、第２の実施形態による圧力ゲイン燃焼器１０１は、予熱チャンバ１２１と、内部にＳｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体１３２を有する燃焼チューブ１１９を含むデトネーションチャンバ１１０と、混合チャンバ１１３から遠位にあり、燃焼器１０１の前端に取り付けられた放出ノズル１２０とを有することで第１の実施形態の燃焼器１と作動的に似ている。この実施形態における燃焼器１０１のノズル１２０は、回転容積式デバイス（図示せず）に接続されるように構成されるか、又はこれに代えて、同じく示していないが、放出端部を先細−末広ノズル（図示せず）で置換することによって推力を生成するように構成することができる。
【００５４】
第１の実施形態とは異なり、この第２の実施形態の圧力ゲイン燃焼器１０１は、燃料と酸化剤が混合されて点火される予燃焼チャンバ１３も、Ｅ−Ｄノズル１４も特徴として備えない。これに代えて、第２の実施形態は、酸化剤と燃料が乱流状態で混合される燃料／酸化剤混合チャンバ１１３と、混合チャンバ１１３からデトネーションチャンバ１１０内に流れ込む燃料−酸化剤混合物を平静にして層状にする拡散器１１４と、拡散器１１４の下流に位置付けられた点火源１２５とを特徴として含む。言い換えれば、燃料−酸化剤混合物の点火は、第１の実施形態によって教示したように予燃焼チャンバ１０内で発生するのではなく、デトネーションチャンバ１１０内で発生する。発散ノズル１１５が、小さい直径の混合チャンバ１１３を大きい直径のデトネーションチャンバ１１０と相互接続し、拡散器１１４は、この発散ノズル１１５の直ぐ下流に位置付けられる。
【００５５】
図１２を参照すると、酸化剤は、吸入ポート１０６で始まり、予熱チャンバ１２１を通り、酸化剤供給ダクト１２２を通って混合チャンバ１１３内に至るものとして定められた酸化剤送出経路を経て混合チャンバ１１３に供給される。混合チャンバ内に流れ込む酸化剤は乱流である傾向を有する。酸化剤供給ダクト１２２は、以下により詳しく解説するように、酸化剤送出経路を通る逆流を抑止するように機能する一連の空力バルブを含む空力バルブサブアセンブリ１３９を含む。
【００５６】
給油ポート１３５からの燃料は、燃料注入器１２４によって混合チャンバ１１３内に注入され、混合チャンバ１１３内で酸化剤と混合され、燃料−酸化剤混合物が生成される。次いで、この燃料−酸化剤混合物は、拡散器１１４を通ってデトネーションチャンバ１１０内に流れ込む。点火源１２５は、燃料／酸化剤装荷物の爆燃を開始し、この爆燃は、火炎前面が、燃焼器１０１の前端に前進すると即時にデトネーションに変化し、この前端において、排出物がノズル１２０を通って放出される。
【００５７】
装荷物が点火された後に、火炎前面がデトネーションチャンバ１１０の長さをランアップすると、爆燃は、デトネーションに急激に変形する。ランアップ距離（デトネーションチューブ１１９内の爆燃からデトネーションへの移行（ＤＤＴ）ゾーンを指す）は、装荷物が点火される点と出口ノズル１２０に流入する前との間で発生する。Ｓｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体１３２は、経路に沿った螺旋コイルによって引き起こされる火炎乱流を高めることによって移行を促進して加速する。これに代えて、デトネーション経路に沿って置かれた溝路又は障害物のような他の特徴部をＳｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体１３２の代わりに使用することができる。有効であるためには、ＤＤＴ経路に置かれるＳｈｃｈｅｌｋｉｎ螺旋体１３２又は障害物の長さは、デトネーションチューブ１１９の内径の少なくとも１０倍でなければならず、３３％よりも高いが６５％よりも低い閉塞率を有すべきである。
【００５８】
点火源１２５は、デトネーションチャンバ１１０内の拡散器１１４の若干下流に半径方向に装着された複数の点火器を含む。燃焼からの熱を放散させるのを促進するために、点火器の点火ポート上に冷却フィン１３４が設けられる。点火器は、各サイクル内で同時にトリガするか又は順次点火することができる。点火ポートは、拡散器１１４の前面の中心から点火源１２５の中心まで測定した場合に、デトネーションチューブ１１９の内径の少なくとも０．５倍であるが、１．５倍を超えない場所にある。点火器は、可燃性混合物を点火するほど十分な強度を与えるように構成され、自動車のスパークプラグのような電気スパークからのもの又はこれに代えて、図示していないが、パルス駆動レーザ誘起点火システム又は高エネルギプラズマ源からのものとすることができる。
【００５９】
第２の実施形態における予熱チャンバ１２１は、第１の実施形態と作動的に似ており、デトネーションチューブ１１９と予熱チャンバ１２１の熱連通は、デトネーション反応から予熱チャンバ１２１を通って流れる酸化剤に熱が伝達することを可能にする。熱伝達の効率は、予熱チャンバ１２１内で均等に離間された複数のバッフル１１８の存在によって更に高められ、各バッフル１１８内には、酸化剤が内部を通過することを許す開口部が設けられる。第１の実施形態と同様に、入口から出る逆流を阻止するために、予熱チャンバ１２１は、吸入圧よりも低いとすることができる望ましい値まで静圧を低下させるように選択された容積を有する膨張チャンバとして機能することができる。
【００６０】
各デトネーションサイクルの後に、逆圧波は、第１に、衝撃波の大部分を排除する拡散器１１４と類似の逆圧抑止手段に遭遇することによって減衰し、これらの衝撃波を減衰させる段階は、逆流を低減する効果も有する。逆流は、各酸化剤供給ダクト１２２内の空力バルブサブアセンブリ１３９によって更に食止められる。空力バルブサブアセンブリ１３９は、移動部分を持たない静止逆流抑止構成要素である。図１３に示すように、空力バルブサブアセンブリ１３９の形状は、逆方向に進むガスの流れを逆流の一部分を酸化剤の順流に誘導することによって阻害するように構成される。
【００６１】
図１４の空力バルブサブアセンブリ１３９は、サブアセンブリ１３９をダクト１２２に結合する取り付け部品と、サブアセンブリ１３９を形成するように互いにねじ込まれた複数個の環状リングセグメント１３８とから構成され、最後のセグメントは、混合チャンバ円筒体の吸入ポート１１６内にねじ込まれる。各環状リングセグメント１３８は、隣接するリングセグメント１３８の遠位端上の雄ネジ山に適合するように構成された雌ネジ山を一端（近位端）上に有する。更に、各環状リングセグメントは、半径方向内向きに先細であり、下流を向く切頭円錐ノズルを形成する内部ボアを有する。ノズルの内肩部内に穿孔された複数のバイパス穴が、流れの一部分を経路変更して主流に戻すのを促進する（図示せず）。
【００６２】
空力バルブサブアセンブリ１３８を通過するいずれの逆流も、次に、予熱チャンバ１２１内に流れ込むことになり、予熱チャンバが膨張チャンバとして機能するように構成されていた場合に、逆流は膨張することになり、圧力は、望ましい静圧まで降下する。第１の実施形態と同様に、入口から出る逆流を阻止するために、膨張チャンバの容積は、吸入圧よりも低いとすることができる望ましい値まで静圧を低下させるように選択することができる。
【００６３】
任意的に（示していないが）、予熱／プレナムチャンバ１２１は、第１の実施形態に見られるような切頭円錐偏向器を含むことができる。そのような偏向器は、より蛇行した酸化剤経路を作り出し、従って、逆流及び逆圧に対するチャンバ１２１の抑止効果を高めるように機能する。バッフル１１８の設計は、偏向器と嵌合するように修正されることになる。
【００６４】
上記では特定の実施形態を記述したが、他の実施形態も可能であり、本出願に含まれるように意図することは理解されるものとする。当業者には、図示していないが上述の実施形態の修正及びそれに対する調整が可能であることは明らかであろう。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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