JP2003286900A

JP2003286900A - スクラムジェット燃焼器およびその制御法

Info

Publication number: JP2003286900A
Application number: JP2002093647A
Authority: JP
Inventors: Tetsuharu Sunami; 徹治須浪; Junro Murakami; 淳郎村上; Kenji Kudo; 賢司工藤; Masatoshi Kodera; 正敏小寺; Michio Nishioka; 通男西岡
Original assignee: National Aerospace Laboratory of Japan; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: National Aerospace Laboratory of Japan; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-10
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP3932329B2

Abstract

(57)【要約】【目的】超音速燃焼モ−ドの実現と超音速燃焼モ−ド・
亜音速燃焼モ−ドの選択制御性の向上、インレット不始
動の回避、大規模境界層剥離の発生を抑えつつ平行噴射
および噴射形態での混合燃焼性能の改善等を図る目的と
する。【構成】縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料噴射
ストラットを用いたエンジンで、燃料噴射ストラットに
よる燃料噴射と主流中での混合燃焼を適切に制御する。
そして、この燃焼域と燃焼器壁面間の流れを徐々に圧縮
してマッハ数を制御し、これにより燃焼器壁面境界層の
耐剥離性能制御と燃焼器壁面境界層の剥離規模と位置と
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に超音速飛行体
への使用が期待されるエンジンとその燃焼器と燃焼器制
御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】宇宙往還機など超音速飛行体用のエンジ
ンとしてスクラムジェットエンジン等の研究開発が進め
られている。スクラムジェットエンジンでは、超音速気
流をエンジンに取り込み、燃焼器においても気流を超音
速に保ちつつ燃料と混合燃焼させることで、広い飛行マ
ッハ数域において高いエンジン性能を実現することが期
待されている。

【０００３】スクラムジェットエンジン等のデュアルモ
−ド燃焼器では、燃焼器壁面境界層の耐剥離性能（剥離
限界圧）や剥離域の規模と位置を制御することが、燃焼
器の超音速燃焼モ−ド、亜音速燃焼モ−ドを効率よく適
切に制御するために必須となっているが、従来、そのよ
うな燃焼器内の超音速境界層剥離制御は困難であった。

【０００４】デュアルモ−ド燃焼器では、壁面燃料噴射
器によるエンジン壁面からの燃料噴射形態あるいは燃料
噴射ストラットによるエンジン主流内での燃料噴射形
態、および両者を組み合わせた形態が用いられている。
一般に、超音速燃焼器の一部に壁面設置型燃料噴射器を
用いた場合、燃料は境界層内およびその近傍において燃
焼しやすく、この燃焼による圧力上昇は境界層内および
その近傍から生じる。このことと、上述のように適切な
境界層制御方法の欠如から、燃焼器境界層は容易に大規
模剥離を起こす。その結果、以下の多くの重大な問題が
あった。１）境界層剥離に伴う強い衝撃波により大きな
総圧損失を起こす、２）境界層剥離泡に壁面設置型燃料
噴射器が埋没することにより燃料噴射器本来（設計意図
どおり）の空力性能（渦生成性能、混合燃焼性能）を引
き出せない、３）主燃焼は剥離泡内およびその近傍にお
ける亜音速燃焼となる傾向があり、超音速燃焼を得にく
い、４）このため、超音速燃焼モ−ドと亜音速燃焼モ−
ド作動の選択制御が困難である、５）燃料流量の増加に
伴い、境界層剥離域の更なる増大を招きインレット不始
動に陥りやすい。

【０００５】スクラムジェットエンジン等の高速域用エ
ンジンでは、マッハ数４から１２以上の広い飛行マッハ
数範囲での作動が望まれるが、特に高マッハ数域では、
燃料を極力主流方向へ噴射（斜め噴射あるいは平行噴
射）して、噴射燃料の運動量を推力として利用すると共
に、燃料噴射に伴う衝撃波による損失を極力抑制する必
要がある。しかし、一般に、平行噴射（斜め噴射を含
む）を用いた場合、混合・着火・保炎性能が極めて低い
こと（特に低マッハ数において着火・保炎性能が低い）
が問題であった。平行噴射の混合・着火・保炎性能の有
効な向上策として、これまでに縦渦の利用が提案されて
おり、その具体例として壁面設置型スウェプトランプや
ＡＷストラットなどが提案試験され、格段の改善を見て
いる。（特開平６−２４９０６８号参照）しかし、壁面
設置型スウェプトランプの場合でも他の壁面設置型の燃
料噴射器と同様に大規模境界層剥離を起こし、上記〔０
００４〕のように、燃焼器がこの大規模剥離泡に埋没す
るため燃料噴射器設計時本来の空力性能（渦生成性能、
混合燃焼性能）が引き出せないという問題が生じる。ま
た、ＡＷストラットの場合には、超音速燃焼モ−ドにお
ける混合・燃焼効率がまだ不十分であった。したがっ
て、上記〔０００４〕に示した問題の解決と共に、縦渦
導入型のストラットの燃料平行噴射・斜角噴射形態での
比推力（単位燃料流量あたりの燃焼器圧）をさらに増大
する技術が必要である。

【０００６】従来、超音速燃焼器においてその主流中に
ストラットを設置した場合、特に低飛行マッハ数時の低
気流総温時や、燃料平行噴射・斜め噴射時に、ストラッ
ト燃料への着火・保炎が困難であり、その技術開発が必
要であった。

【０００７】また、マッハ数４から１２以上の広い飛行
マッハ数範囲での作動においてエンジン流入空気を十分
に圧縮するには、飛行マッハ数に応じてエンジンインレ
ット（分離部を含む）の収縮比を広い範囲で制御する必
要がある。一般にインレットでの圧縮（収縮比）をエン
ジン壁面形状（形状による衝撃波および圧縮波）により
制御する場合、エンジン形状の可変機構を用いるが、可
変機構のみで対処する場合、可変装置の大型化（スケ−
ル、重量の増大）が問題になる。また、エンジン壁面で
の圧縮によることから、その壁面による圧力抗力の増大
が問題である。また、一般に、エンジン壁面形状による
圧縮ではエンジン壁面の角度を不連続に段階的に変化さ
せて圧縮を行うが（連続的に壁面角度を変化させる場合
には製作費用が高くなる等の問題があるため）、その際
には比較的強い衝撃波が発生するから、圧力波により連
続的に圧縮する場合に比べて総圧損失が大きくなるとと
もに境界層剥離を誘発しやすいことが問題であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにスクラム
ジェットエンジン等の高速域用エンジンの燃焼器では、
飛行状態に応じて燃焼モ−ド（超音速燃焼モ−ドおよび
亜音速燃焼モ−ド）を適切に制御する必要がある。しか
し、これらのエンジン燃焼器壁面境界層剥離の適切な制
御技術の欠如から、容易に大規模境界層剥離を起こしや
すい。その結果、壁面燃料噴射器がこの境界層剥離域に
埋没して本来の空力性能（渦生成性能、混合燃焼性能）
を出せないだけでなく、高マッハ数域においても亜音速
燃焼モ−ドに陥る傾向があり、このためインレット不始
動にも陥りやすいなどの問題がある。

【０００９】また、特に高飛行マッハ数域においては燃
料の平行噴射あるいは斜め噴射により、燃料の運動量を
直接エンジン推力に利用する必要があるが、平行（斜
め）噴射の場合には、縦渦導入型燃料噴射器を用いた場
合でさえもまだ混合、着火、保炎、燃焼性能は十分でな
い点が問題であった。一般に、大規模境界層剥離の発生
によりその剥離域内で燃料の混合燃焼が促進されるが、
大規模剥離の発生については上記の問題が存在するか
ら、大規模剥離を抑制した状態で平行（斜め）噴射によ
る混合燃焼性能を向上する手段が必要である。

【００１０】また、一般に燃焼器の主流中に設置された
ストラットから噴射される燃料に対する着火、保炎は、
特に低飛行マッハ数時等の低い気流総温下において困難
であり、着火保炎技術の開発が必要である。

【００１１】また、エンジンを広いマッハ数域で使用す
る場合、エンジン流入気流の圧縮比を広い範囲で制御す
る必要がある。そのような圧縮比の制御をエンジン壁面
形状のみで行う場合には、壁面の可変機構の大型化・重
量化を伴うと共に、エンジン壁面抗力の増加、強い衝撃
波の発生による総圧損失と境界層剥離を誘発しやすい等
の問題がある。

【００１２】本発明は、上記課題を解決すべく広い飛行
マッハ数域において、飛行状態に応じた適切な混合燃焼
と境界層剥離抑制制御の実施により、壁面燃料噴射器の
正常作動化と超音速燃焼モ−ドの実現と超音速燃焼モ−
ド・亜音速燃焼モ−ドの選択制御性の向上、インレット
不始動の回避、大規模境界層剥離の発生を抑えつつ平行
噴射および噴射形態での混合燃焼性能の改善、エンジン
流入空気圧縮比制御に必要な可変形状装置の小型化・軽
量化、圧縮過程の高効率化を目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用
した課題解決手段として、手段１は、エンジン内の超音
速主流中に燃料噴射ストラットを設置し、このストラッ
トを人為的に縦渦あるいは斜め渦を生成する機能を有す
る縦渦導入型の燃料噴射ストラットとすることでストラ
ットから噴射される燃料と空気流の混合燃焼量の分布を
十分に制御可能とし、この制御により、ストラット燃料
の混合燃焼域と燃焼器壁面との間に挟まれた流れ（超音
速主流および境界層）を徐々に圧縮してその流れのマッ
ハ数制御（圧縮制御）をおこなうことで、壁面境界層の
耐剥離性能（剥離限界圧力）、剥離規模と位置を制御す
るものである（手段１は、超音速境界層の剥離制御対象
となる壁面近傍の超音速流中に燃料噴射ストラットを設
置し、このストラットを人為的に縦渦あるいは斜め渦を
生成する機能を有する縦渦導入型の燃料噴射ストラット
とすることでストラットから噴射される燃料と空気流の
混合燃焼量の分布を十分に制御可能とし、この制御によ
り、ストラット燃料の混合燃焼域と燃焼壁面との間に挟
まれた流れ（超音速流および境界層）を徐々に圧縮して
その流れのマッハ数制御を行なうことで、壁面境界層の
耐剥離性能（剥離限界圧力）、剥離規模と位置の制御す
るものである。）手段２はエンジン内の超音速流中に縦
渦導入型の燃料噴射ストラットを設置し、さらに、その
下流側に壁面燃料噴射器を設置する燃焼器であって、飛
行条件、必要なエンジン作動状態および下流側の壁面噴
射器の燃料燃焼を含む燃焼器圧力上昇に応じて、上流側
ストラット燃料の混合燃焼制御とこれによる上記手段１
の燃焼器壁面境界層の剥離制御を行なうことにより、燃
焼器最大圧の制御とともに超音速燃焼、亜音速燃焼の各
モ−ドでの作動を制御するものである。手段３は、上流
側に縦渦導入型燃料噴射ストラットを配し下流側に壁面
燃料噴射器を配する燃焼器形態における着火保炎方法の
提案であり、壁面燃料噴射器から噴射される燃料の燃焼
によって、上流側のストラットから噴射される燃料に着
火する。そして、一旦着火した後は壁面噴射器燃料の燃
焼の有無にかかわらず、ストラット燃料の保炎を維持す
るものである。手段４は、エンジンへ流入する超音速気
流の圧縮に際し、その超音速流中に縦渦導入タイプの燃
料噴射ストラットを設置し、このストラット燃料の混合
燃焼制御によって、上記手段１の壁面境界層の剥離制御
をおこなうとともに、燃焼ガスエンジン壁面とに挟まれ
た領域の気流（超音速気流と境界層）の圧力制御を行な
うもので、これにより、従来のような壁面形状の変化に
より流路断面積を下流方向へ収縮していくことによるエ
ンジン流入気流の圧縮方法において、それによる圧縮の
一部または全部に取って代えるものである。

【００１４】〔作用１〕上記手段１では、境界層剥離制
御対象となる壁面近傍の超音速気流中に縦渦導入型の燃
焼噴射ストラットを設置して燃料噴射と混合燃焼を行な
うことで、ストラット後流にはこの混合燃焼ガス領域が
形成されて、制御対象となる境界層は、壁面と混合燃焼
ガス領域の間に挟まれた状態になる。この状態で下流方
向に行くにしたがって混合と燃焼が進行していくが、こ
れにともない混合燃焼ガス領域が膨張拡大するから、こ
の混合燃焼ガス領域と壁面に挟まれている領域の流れ
（超音速流および境界層）の流路断面積が減少して徐々
に圧縮されてマッハ数が低下する。このマッハ数の制御
は縦渦導入型のストラットから燃料噴射流量およびスト
ラットにより生成する渦の制御により燃料の混合燃焼量
分布を制御して実現するものである。境界層の剥離限界
圧は境界層外縁部気流のマッハ数によりほぼ支配されて
いるから、上記のマッハ数制御により、境界層の耐剥離
性能の制御が可能となる。

【００１５】〔作用２〕上記手段２では、エンジン内の
超音速流中に縦渦導入型の燃料噴射ストラットを設置
し、さらにその下流側に壁面燃料噴射器を配置する燃焼
器であって、このストラット燃料の混合燃焼制御により
上記手段１の作用によって燃焼器壁面境界層の耐剥離性
能を制御する。その上で、下流において壁面燃料噴射器
を設けてこれによる燃料噴射と混合燃焼を行なう。スト
ラットによる手段１の作用で境界層の剥離限界圧力を十
分に高めた場合には、従来問題であった壁面噴射器の燃
料燃焼による大規模境界層剥離の発生と壁面噴射器の大
規模剥離域への埋没を回避し、壁面噴射器本来の空力性
能（渦生成性能、混合燃焼性能）を引き出すことが出来
る（たとえば、超音速気流中で渦を生成するタイプの壁
面噴射器の場合、大規模剥離泡に埋没すると、設計で意
図した渦生成、混合燃焼性能の実現が困難となるが、こ
れは大規模剥離の抑制により回避出来る。）更に、燃焼
器内の気流をほぼ超音速に保ちそこでの主燃焼をおこな
うことで、超音速燃焼モ−ドでの作動を実現できる。ま
た、境界層が剥離する場合にも、手段１は主流中での燃
焼により主流側から境界層を圧縮する利点により、その
剥離域の成長、特に剥離泡の高さの成長を極力抑制でき
る。ここで、剥離域の高さ方向への成長は、容易に起こ
りえるから、上記の剥離域の成長抑制制御の追加により
剥離域の規模の制御が容易となる。したがって、飛行条
件、必要なエンジン作動状態および壁面噴射器燃料の燃
焼を含む燃焼器圧力上昇に応じて、ストラット燃料の混
合燃焼制御とこれによる境界層制御および壁面噴射器に
よる燃料の混合燃焼制御とを適切におこなうことで、超
音速燃焼モ−ド、亜音速燃焼モ−ドの選択制御が容易に
なるとともに、これら各モ−ドで作動特性を効率よく制
御できるようになる。さらにまた、ストラットと壁面噴
射器の両方から燃料噴射、燃焼させている場合には、燃
料の平行噴射（斜め噴射）形態であっても、ストラット
のみあるいは壁面噴射器のみから燃料噴射を行なう場合
に比べて高い比推力を得るものである。上記の特性か
ら、広い飛行マッハ数範囲における燃焼器作動が可能と
なる。

【００１６】〔作用３〕上記手段３では、燃焼器の上流
側に縦渦導入型燃料噴射ストラットを設置し、その下流
側に壁面燃料噴射器を設置した燃焼器形態において、壁
面燃焼噴射から噴射された燃料の着火燃焼を行い、この
燃焼により、上流側のストラットから噴射される燃料に
着火する。これにより、ストラットに特別な着火装置を
設置せずとも、低飛行マッハ数時等の低い気流総温下で
主流中での燃料の自発着火が不可能な場合であっても、
ストラットおよび壁面噴射器相互の燃料噴射のタイミン
グに関係なく、壁面噴射器から上流のストラットへの着
火と保炎が可能となる。また、一旦、ストラット燃料に
着火した後は、壁面燃料噴射器の燃焼を停止してもスト
ラット燃料の保炎の維持を可能とする。

【００１７】〔作用４〕エンジンへ流入する超音速気流
の圧縮に際し、その超音速流中に縦渦導入タイプの燃料
噴射ストラットを設置し、このストラット燃料の混合燃
焼制御によって上記手段１の壁面境界層の剥離制御を行
なうとともに、燃焼ガスエンジン壁面とに挟まれた領域
の気流（超音速気流と境界層）の圧縮制御を行なうもの
であるが、燃焼による圧力波を利用して連続的に圧縮す
ることで、境界層の耐剥離性能を向上するとともに、強
い衝撃波の発生を抑制できる。その結果、衝撃波による
総圧損失および衝撃波と境界層干渉による境界層剥離を
抑制できる。また、エンジン壁面による圧縮でなく燃焼
ガスの膨張による主流に対する排除厚を利用した圧縮で
あるから、従来の壁面での圧縮に伴う圧力抗力（エンジ
ン抗力）の一部は、本方法の場合には燃焼ガスへの圧力
増分（燃焼ガスに対する推力）として働くことになるの
で、エンジン圧力抗力を低下させることが可能となる。
また、エンジン流路収縮比を制御するために必要な壁面
の可変装置の小型化を可能にする。

【００１８】すなわち、本発明は、縦渦または斜め渦を
導入するタイプの燃料噴射ストラットを用いたエンジン
で、前記燃料噴射ストラットによる燃料噴射と主流中で
の混合燃焼を適切に制御することでこの燃焼域と燃焼器
壁面間の流れを徐々に圧縮してマッハ数を制御し、これ
により燃焼器壁面境界層の耐剥離性能制御と燃焼器壁面
境界層の剥離規模と位置の制御とする燃焼器としたこと
である。また、前記燃料噴射ストラットを、境界層剥離
制御対象の壁面近傍に設置した燃焼器としたことであ
る。また、縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料噴
射ストラットと壁面設置型燃料噴射器を有するエンジン
において、前記燃料噴射ストラットによる燃料噴射と主
流中での混合燃焼を適切に制御することでこの燃焼域と
燃焼器壁面間の流れを徐々に圧縮してマッハ数を制御
し、燃焼器壁面境界層の耐剥離性と燃焼器壁面境界層の
剥離規模および位置を制御する燃焼器としたことであ
る。また、縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料噴
射ストラットと、該燃料噴射ストラットより下流に設置
された壁面設置型燃料噴射器を有する燃焼器としたこと
である。また、前記燃料噴射ストラットによる燃料噴射
と主流中での混合燃焼を適切に制御することでこの燃焼
域と燃焼器壁面間の流れを徐々に圧縮してマッハ数を制
御し、そして、燃焼器壁面境界層の耐剥離性能を十分に
高めた上で、これら燃料噴射ストラットおよび壁面噴射
器による混合燃焼量を適切に制御することで壁面設置型
燃料噴射器が燃焼器壁面境界層の大規模剥離泡内へ埋没
することを抑制する制御法としたことである。また、飛
行マッハ数の変化等に起因して必要となるエンジン作動
性能に応じて、前記燃料噴射ストラットによる燃料噴射
と主流中での混合燃焼を適切に制御することでこの燃焼
域と燃焼器壁面間の流れを徐々に圧縮してマッハ数を制
御し、これによる境界層制御と、燃料噴射ストラットお
よび壁面燃料噴射器による混合燃焼量の制御を適切に行
なうことで、インレット不始動を抑制しつつ燃焼器圧を
制御することで燃焼器の最適作動を得る制御法としたこ
とである。また、壁面設置型燃料噴射器による燃焼によ
って、これより上流に位置する燃料噴射ストラットから
の噴射燃料への着火保炎を行なう制御法としたことであ
る。また、縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料噴
射ストラットを燃焼器より上流に設けたエンジンとした
ことであるまた、縦渦または斜め渦を導入するタイプの
燃料噴射ストラットを燃焼器より上流の空気取入口等に
設けたエンジンとしたことである。また、エンジン流入
気流空気圧縮過程において、エンジンよる壁面形状によ
る圧縮と、このストラット燃料の燃焼による圧力波を利
用した圧縮を併用し、これにより壁面境界層の耐剥離性
能を向上して境界層剥離抑制制御と強い衝撃波の発生の
抑制を行なうとともに、圧縮過程に伴うエンジン壁面抗
力を低下させるエンジン制御法としたことである。

【００１９】

【発明の実施形態】図１は、手段１に示した縦渦導入型
燃料噴射ストラットによる、超音速境界層の耐剥離性能
制御の実施例である。境界層制御をおこなおうとする壁
面付近の超音速中に縦渦導入型燃料噴射ストラット１を
設置し、この縦渦導入型燃料噴射ストラット１により渦
導入と燃料噴射をおこない、ストラット後流において混
合燃焼を行なう。このときストラット後流の混合燃焼ガ
ス領域は燃焼のため下流方向へ膨張して厚みを増してい
く。これにともない、ストラット燃料と壁面に挟まれた
領域の流れ（超音速主流および境界層）は、下流方向へ
圧縮されてマッハ数が低下していく。そして、本発明で
は、このマッハ数制御を、ストラットにより導入される
縦渦による混合燃焼制御と燃料流量制御により、柔軟に
制御することを可能している。超音速境界層の剥離限界
圧力はマッハ数と密接な関係があるが、このマッハ数制
御により、剥離限界圧力の制御を行なうものである。ま
た、本方法では、境界層に対し、境界層の外側の主流に
於ける燃焼を利用して、境界層の外側から圧縮波を入射
する方法であるから、境界層が剥離したとしてもその剥
離域の高さの成長を極力抑制することができる。このた
め、本方法による剥離制御能力は、制御対象の境界層が
剥離することによる影響を受けにくいという利点もあ
る。

【００２０】図２は手段１を燃焼器へ応用した場合の手
段２の実施例であり、その実験結果を以下に示す。本燃
焼器は、一定断面の燃焼器平行部と、その下流に続く燃
焼器拡大部からなる。上流側の燃焼器平行部の超音速主
流中に縦渦導入型燃料噴射ストラット１を設置する。ま
た、その下流の燃焼器拡大部壁面上（上壁および下壁）
に壁面燃料噴射器２を設けている。縦渦導入型燃料噴射
ストラット１からの燃料は主流と平行に噴射され、噴射
燃料の運動量を推力として確保している。縦渦導入型燃
料噴射ストラット１により導入された縦渦によって超音
速主流中での混合燃焼が制御される。この縦渦導入型燃
料噴射ストラット１による混合燃焼により燃焼器壁面境
界層の剥離制御を行なう。下流側の壁面燃料噴射器２か
らは主流に対し約１５度で斜め噴射される。ストラット
と壁面噴射器の燃料はガス水素を用いている。本実験例
における燃焼器の流入気流はマッハ数２．５の超音速気
流であり、気流総温は約９００〜２２５０Ｋである。図
３（ａ）、（ｂ）は燃焼時の可視化写真である。図４は
気流総温は２２５０Ｋ時の壁面圧力分布である。ここで
壁面圧力は主流総圧で無次元化された値である。

【００２１】図３（ａ）、（ｂ）は気流総温は約９５０
Ｋ（飛行マッハ数４相当）および２２５０Ｋ（飛行マッ
ハ数８相当）において、縦渦導入型燃料噴射ストラット
１と壁面燃料噴射器２から燃料噴射・燃焼をおこなって
いる時の火炎の直接撮影写真である。いずれの場合も、
ストラット燃料の混合燃焼ガス（明るい部分）は燃焼に
よる膨張のため、流下するにつれてその厚さを増してい
く。これにより、その燃焼ガス領域の外縁と燃焼器壁面
に挟まれた流れの領域の幅（高さ）は、縦渦導入型燃料
噴射ストラット１下流から壁面燃料噴射器２壁面噴射器
までの区間で、下流に行くに連れて次第に狭められてい
く。図３の可視化写真および図４の屁気圧分布からわか
るように、この区間において壁面境界層の大規模剥離は
起きておらず、上記の燃焼ガス領域と壁面に挟まれた領
域の流れは超音速を維持している。このように、ストラ
ット燃料の燃焼ガスの膨張により、燃焼器壁面に沿う超
音速流れを徐々に圧縮してマッハ数を徐々に低下させる
ことで、壁面境界層の耐剥離性能（剥離限界圧）を徐々
に高めていく。その際の下流方向圧力勾配、マッハ数お
よび境界層耐剥離性能の制御は、ストラットにより導入
される燃料流量と縦渦の制御によりストラット後流での
混合燃焼量分布を制御することで実現される。したがっ
て、本制御を効率よくおこなうには、ストラットが燃料
の混合燃焼量分布の十分な制御能力を有することが必須
であり、縦渦や斜め渦を導入できるいわゆる縦渦導入型
ストラットを用いる必要がある。このような制御によ
り、例えば、超音速燃焼モ−ドを得るには、下流の壁面
噴射器からの燃料噴射・燃焼による大規模境界層剥離を
抑制するのに必要な剥離限界圧を得るようなマッハ数ま
で低下させる。（超音速燃焼モ−ドを得る場合には、上
記マッハ数の低下過程で、境界層大規模剥離を誘発しな
い程度の圧力勾配を保つように燃焼量分布を制御するの
は当然である。）

【００２２】このように、ストラット後流における混合
燃焼制御により燃焼器境界層の耐剥離性能を十分に制御
した上で、その下流において壁面噴射器からの燃料供給
を燃焼をおこさせる。その際、図３に見られるように、
壁面噴射器上流の境界層では大規模剥離が抑制されて、
壁面噴射器の大規模剥離泡への埋没が抑制される。上記
のストラットによる境界層制御手法が実際に境界層剥離
抑制に働く様子を図４で確認する。図４において、＃２
００は燃料噴射無しの状態、＃２０７はストラットだけ
から噴射、当量比０．５の場合、＃２０８はストラット
だけから噴射、当量比１．０の場合、＃２３１はストラ
ット（当量比０．３）と壁面噴射器（当量比０．２）の
組合せの場合、＃２５５はストラット（当量比０．５）
と壁面噴射器（当量比０．５）の組合せの場合を示す。
噴射燃料当量比が同じ場合、ストラットのみからの噴射
に比べ、ストラットと壁面噴射器を組み合わせた場合に
格段に高い燃焼圧力を得ていることがわかる。（＃２０
７と＃２３１を比較、＃２０８と＃２５５を比較）ま
た、ストラットおよび壁面燃焼噴射器から燃料供給を行
なわず燃焼がない場合には、壁面噴射器のすぐ上流のｘ
＝５５０ｍｍ位置での主流マッハ数は約２．７となる。
この時、壁面境界層の剥離限界圧力はおおよそＰｓ／Ｐ
Ｏ＝０．１である。一方、ストラットおよび壁面噴射器
から噴射する燃料の当量比をそれぞれ０．５とした場合
（図４）、壁面噴射器直前の壁圧Ｐｗ／ＰＯ＝０．２２
５であるから、ストラットによる燃料の燃焼が無い場合
には、壁面噴射器の上流側の壁面境界層は明らかに大規
模な剥離を起こすことになる。しかし、ストラット燃料
の燃焼を行なった場合には、図３および図４のように壁
面噴射器上流の壁面近傍の流れは超音速を維持してお
り、ストラットの燃焼による剥離抑制効果が実現されて
いる。以上により、ストラットによる燃焼により燃焼器
壁面境界層の耐剥離性能を制御することで、壁面噴射器
からの燃料噴射・燃焼による大規模境界層剥離域の形成
・成長と上流伝播を抑制制御できるとともに、壁面噴射
器を大規模境界層剥離泡内に埋没させることなく作動さ
せることができる。したがって、壁面燃料噴射器も、設
計意図に近い空力性能（渦生成性能、混合燃焼性能）で
作動させることが可能となる。また、本手法により、燃
焼器壁面境界層の大規模剥離を抑えて超音速主流中を含
めた燃焼器ほぼ全域での超音速燃焼を実現している。一
方、亜音速燃焼モ−ドは、ストラットによる燃料燃焼を
減少させ、壁面境界層の耐剥離性能を低下させることで
容易に実現できる。このように、本手法により燃焼器の
超音速燃焼モ−ドおよび亜音速燃焼モ−ドの選択制御が
容易となる。

【００２３】飛行マッハ数に応じて壁面境界層の剥離特
性（剥離限界圧）が変化するが、本燃焼器ではストラッ
トと壁面噴射器の燃料配分を制御することで境界層剥離
制御と燃焼器圧の制御をおこない、燃料器の最適作動を
える。ストラット・壁面噴射器の併用によりストラット
単独、あるいは壁面噴射器単独の場合に比べ比推力（単
位流量当たりの燃焼器拡大部壁面圧力）は約１．５倍に
増加している。（図４）

【００２４】ストラットの燃料への着火方法であるが、
総温が９５０Ｋと低く主流中での燃料の自発着火が不可
能な場合においても、本手法では、ストラットと壁面噴
射器相互の燃料噴射のタイミングに関係なく、壁面噴射
器の燃料の燃焼により上流のストラットの燃料への着火
と保炎が可能であることを確認している。また、本手法
によりストラットの燃料に着火後、壁面噴射器の燃料供
給を止めても、ストラットによる主流中での燃焼は維持
される（保炎される）ことを確認している。この様に、
本発明の燃焼器では、燃料の平行噴射および斜め噴射形
態でも、総温９５０Ｋ〜２２５０Ｋの範囲において、良
好な着火・保炎性能を有し、境界層耐剥離性能の制御に
より境界層剥離を制御することで超音速燃焼モ−ドと亜
音速燃焼モ−ドを効率的に制御可能とするとともに高い
推力を生むことを実証しており、広い飛行マッハ数範囲
で良好な作動をえることができる。

【発明の効果】本発明の燃焼器によって、マッハ数４程
度の低速から８以上のマッハ数範囲において良好に作動
できるものである。すなわち、エンジン内の超音速主流
中に縦渦導入型のスラット（平行噴射および斜噴射）を
設置し、その下流に壁面燃料噴射器（平行噴射および斜
噴射）を設け、このスラットからの燃料噴射と混合燃焼
制御により燃焼ガスの膨張を制御し、燃焼ガスと燃焼器
壁面の流れを圧縮してマッハ数を制御することにより、
壁面境界層の耐剥離性能（剥離限界圧力）制御する。そ
の上で、その下流に壁面燃料噴射器を設ける。これによ
り、壁面噴射器からの燃料燃焼による背圧上昇に対して
燃焼器境界層の大規模剥離を抑制できる。このような燃
焼ガスを利用した境界層制御により、従来困難であった
燃焼器のほぼ全域での超音速燃焼を実現できる。しか
も、従来、平行噴射あるい斜噴射形態は、燃料空気の混
合・着火・保炎性能が極めて低いことが問題であった
が、本発明の燃焼器の燃焼試験結果によると、飛行マッ
ハ数４および８相当の総温（９００Ｋ、２２５０Ｋ）の
いずれの場合も、良好な混合・着火・保炎性能を有する
ことが示されている。例えば、スラットと壁面噴射器両
方による燃焼をおこなう場合はストラットあるいは壁面
噴射器を単独で用いた場合に対して、壁面圧力に基づく
比推力は５０％以上増加するとともに、壁面からの垂直
噴射の比推力を上げ回る性能を実現している。壁面燃料
噴射器を用いた場合は、燃焼器壁面境界層の大規模剥離
の形成とその剥離域での燃焼により亜音速燃焼モ−ドを
実現することは容易であるから、超音速燃焼モ−ドを実
現できる本燃焼器では、ストラット燃料と壁面噴射器燃
料の混合燃焼制御により、境界層の剥離位置と規模を制
御することで、飛行マッハ数および必要とされるエンジ
ン作動形態に合わせて、エンジンの超音速燃焼モ−ドお
よび亜音速燃焼モ−ドをより効率的に制御できる。ま
た、これにより、従来問題であったインレット不始動遷
移の抑制にも効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、縦渦導入型燃料噴射ストラットによ
る超音速境界層の耐剥離性能制御の実施例である。

【図２】（ａ）本発明の、燃焼器の概略図である。（ｂ）本発明の、燃焼器の概略図拡大図である。

【図３】（ａ）気流総温９５０Ｋ（飛行マッハ数４相
当）において、縦渦導入型ストラットと壁面噴射器から
燃料噴射・燃焼を行なっている時の直接撮影写真であ
る。（ｂ）気流総温２２５０Ｋ（飛行マッハ数８相当）にお
いて、縦渦導入型ストラットと壁面噴射器から燃料噴射
・燃焼を行なっている時の直接撮影写真である。

【図４】燃焼器壁面圧力分布図である。

【符号の説明】

１縦渦導入型燃料噴射ストラット２壁面燃料噴射器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者工藤賢司宮城県柴田郡柴田町大字船岡字並松33−３ (72)発明者小寺正敏宮城県仙台市太白区長町７−18−13 サニ −コ−ト長町203 (72)発明者西岡通男大阪府大阪市東住吉区田辺４−９−17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料
噴射ストラットを用いたエンジンで、前記燃料噴射スト
ラットによる燃料噴射と主流中での混合燃焼を適切に制
御することでこの燃焼域と燃焼器壁面間の流れを徐々に
圧縮してマッハ数を制御し、これにより燃焼器壁面境界
層の耐剥離性能制御と燃焼器壁面境界層の剥離規模と位
置の制御することを特徴とする燃焼器。
【請求項２】前記燃料噴射ストラットを、境界層剥離制
御対称の壁面近傍に設置したことを特徴とする請求項１
記載の燃焼器。
【請求項３】縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料
噴射ストラットと壁面設置型燃料噴射器を有するエンジ
ンにおいて、前記燃料噴射ストラットによる燃料噴射と
主流中での混合燃焼を適切に制御することでこの燃焼域
と燃焼器壁面間の流れを徐々に圧縮してマッハ数を制御
し、燃焼器壁面境界層の耐剥離性と燃焼器壁面境界層の
剥離規模および位置を制御することことを特徴とする燃
焼器。
【請求項４】縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料
噴射ストラットと、該燃料噴射ストラットより下流に設
置された壁面設置型燃料噴射器を有することを特徴とす
る請求項３記載の燃焼器。
【請求項５】請求項３〜４記載の燃焼器において、前記
燃料噴射ストラットによる燃料噴射と主流中での混合燃
焼を適切に制御することでこの燃焼域と燃焼器壁面間の
流れを徐々に圧縮してマッハ数を制御し、そして、燃焼
器壁面境界層の耐剥離性能を十分に高めた上で、これら
燃料噴射ストラットおよび壁面噴射器による混合燃焼量
を適切に制御することで壁面設置型燃料噴射器が燃焼器
壁面境界層の大規模剥離泡内へ埋没することを抑制する
ことを特徴とする制御法。
【請求項６】請求項３〜４記載の燃焼器において、飛行
マッハ数の変化等に起因して必要となるエンジン作動性
能に応じて、前記燃料噴射ストラットによる燃料噴射と
主流中での混合燃焼を適切に制御することでこの燃焼域
と燃焼器壁面間の流れを徐々に圧縮してマッハ数を制御
し、これによる境界層制御と、燃料噴射ストラットおよ
び壁面燃料噴射器による混合燃焼量の制御を適切に行な
うことで、インレット不始動を抑制しつつ燃焼器圧を制
御することで燃焼器の最適作動を得ること特徴とする制
御法。
【請求項７】請求項４〜６において、壁面設置型燃料噴
射器による燃焼によって、これより上流に位置する燃料
噴射ストラットからの噴射燃料への着火保炎を行なうこ
とを特徴とする制御法。
【請求項８】縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料
噴射ストラットを燃焼器より上流に設けたことを特徴と
するエンジン。
【請求項９】縦渦または斜め渦を導入するタイプの燃料
噴射ストラットを燃焼器より上流の空気取入口等に設け
たことを特徴とする請求項８記載のエンジン。
【請求項１０】請求項４〜６に記載されたエンジンで、
エンジン流入気流空気圧縮過程において、エンジンよる
壁面形状による圧縮と、このストラット燃料の燃焼によ
る圧力波を利用した圧縮を併用し、これにより壁面境界
層の耐剥離性能を向上して境界層剥離抑制制御と強い衝
撃波の発生の抑制を行なうとともに、圧縮過程に伴うエ
ンジン壁面抗力を低下刺せることを特徴とするエンジン
制御法。