JP2004520514A - 同軸ジェット噴射装置 - Google Patents

Abstract

本発明は動力装置、特に燃料成分の混合またはスパッタリング用装置に関するものであり、スプレーノズルインジェクターの設計と液体燃料ロケットエンジンの混合ユニットに使用することができるものである。本発明は、接触表面の領域を増加させることによって、成分の燃焼効率を増加させることができる。本発明のスプレーノズルインジェクターは、１つの燃焼成分キャビティを燃焼域に接続している中空突出部（１）と、円形の空間（４）を有し、突出部を取り囲み、別の成分キャビティを燃焼域に接続しているスリーブ（５）とを含んでいる。突出部の排出口部は、放射状の溝（３）を有している。スリーブの内面の排気口部は、突出部の溝の外面に対して等間隔である。突出部出力の断面と、スリーブの表面と等間隔にある突出部の溝の間の断面が、Ｆ_１＝（０．６〜２．２）Ｆ_０である。Ｆ_０は突出部出力における断面積である。

Description

（工学技術の分野）
本発明は、動力装置に関するものであり、特に推進剤成分を混合またはアトマイジングするための装置に関するものである。また、開発の噴射装置や液体燃料式ロケットエンジン（ＬＲＥ）のインジェクター先端部に使用することができるものである。
【０００１】
（発明の背景）
推進剤を混合またはアトマイゼーションするための装置の開発における主な課題の１つは、推進剤の燃焼効率を最大まで到達させることである。これは、推進剤接触面の領域を増加させ、推進剤の１つに対する噴射特性断面サイズを減少させることにより実現することができる。
【０００２】
既知のインジェクター装置のデザインに関しては、上記要望を実現するために、かなり複雑なデザインとなっている。
【０００３】
液体酸化剤キャビティを燃焼域（燃焼室内部）に接続している中空シリンダにて形成されたチップを備え、さらに、空間を有し、気体燃料キャビティを燃焼域に接続している上記チップを取り囲んでいる円筒状内壁面を有しているスリーブを備えている同軸ジェット噴射装置が知られている（Ｖ．Ｅ．アレマソフなど、「ロケットエンジン理論」−大学教育において機械建築の専門を習得する学生のための教科書、モスクワ、出版社「マシノストロジェニィ」、１９８０、図１８．２、２２５〜２２６頁）。
【０００４】
この噴射装置の酸化剤は、チップ内部の軸管を通じて燃焼域に供給され、燃料は、上記スリーブと上記チップとの間の環状の隙間を通じて供給される。噴射装置排気口にある酸化剤噴出口は、頂点が噴射装置チップ方向を向いた中空でない円錐体の形状をしており、燃料噴出口は、中空の円錐体の形状をしている。燃料−酸化剤接触は、中空でない円錐体の表面で起こる。このような供給機構は、推進剤噴霧の正当な質を提供するものではない。これは推進剤の燃焼効率の係数を低下させ、推力当たりの推進力値を損失する原因となる。
【０００５】
外面に噴射ポートを有する本体から構成される粉末石炭バーナーが知られている。粉末石炭バーナーは、上記ポートの前部に配置された円錐形の挿入部をさらに有しており、この円錐形の挿入部は、円錐形の波形が付けられた延長部分を有している。延長部分は、上記延長部分と上記延長部分の軸方向に変位した上記円錐形の挿入部との間にある環状の隙間に設けられている。また、上記延長部分の波の数は、本体のポートの数と同じである。波の頂点は、上記本体の中心線方向に向かってそれぞれのポートの前部に位置している（発明証、ＳＵ１３２０５９３）。
【０００６】
気体源に接続された管を有するバーナーが知られている。上記管は、壁に放射状に縦長の溝がある排気口ノズルを有しており、上記壁は上記溝を形成する縦方向の波を有している。波の前端部面はノズル内部に４５〜１８０°の角度を有する線を発生する円錐体にある（発明証、ＳＵＮｏ．９０９４３２）。
【０００７】
管と、壁に放射状の溝を有する排気口ノズルとを有するバーナーが知られている（ＳＵ４９７６５０）。
【０００８】
内部燃焼エンジン用の開口型インジェクターが知られており、上記インジェクターは、推進剤の供給流速に依存する推進剤噴射形状に影響するスプレー排気口の形状が改良されている。上記インジェクターは、インジェクター開口部を排気口溝方向に拡張し、上記開口部の形状を望ましくは直線または出口断面が非対称な曲線とすることによって、動作混合ガスの確実な燃焼と完全燃焼とをもたらす。
【０００９】
上記開口部は、断面が楕円形、長方形、または円形をしているか、あるいは連続する２つの円周形状をしている（１６．０３．７８の特許明細書ＦＲＮｏ．２４２００３８）。
【００１０】
上述した装置の主な不都合は、完全な混合気形成の値が低いということである。これは、推進剤の不完全な燃焼と、効率の低下の原因となる。
【００１１】
（発明の開示）
発明の目的は、チップ排気口部に設けられた放射状溝を減らして、推進剤接触領域を増加させることによって推進剤の燃焼効率を増加させることである。溝の形成は、推進剤の１つの噴射形状を変えることができるようになり、円形の噴射形状を不変のチップ断面積に数個の放射状プラムを有する星型形状断面の噴射形状に変える。これは、プラム表面の付加的な接触を減らして推進剤接触領域を増加させ、推進剤の１つの噴射特性断面サイズを減少させ、これにより燃焼効率を増加させる。発明の目的は、燃焼領域にある１つの推進剤キャビティに接続している上記中空チップを備えた同軸ジェット噴射装置に関するチップの排気口部に放射状溝を形成することによって達成される。さらに、上記噴射装置は、上記チップを囲んでいるスリーブを備えており、これらの間には空間を有している。上記空間は、燃焼領域にあるもう１つの推進剤キャビティと接続しており、上記スリーブの内面とチップ溝の外面とが等間隔になっている。
【００１２】
噴射装置排気口における推進剤接触領域の増加および霧状化されていない液体噴射の長さの減少は、円形の噴射形状を数個の放射状プラムを有する星型の噴射形状へ変えることを犠牲にしてもたらされる。
【００１３】
チップ排気口部の放射状溝と円筒状スリーブとで形成された噴射装置の実験のために実行された、段階的燃焼（燃料過剰機構）エンジンにおけるサブスケールＬＯＸ−ＬＨ_２燃焼室の実験の結果に基づいて、我々は、円筒状チップおよび円筒状スリーブを有する参照用の噴射装置の参照値φ_Ｋ＝０．９９４±０．０００９を超える、混合効率φ_Ｋ＝０．９９７±０．００１６を得た。実験の間に、酸化剤（酸素）をチップ内部に供給し、燃料をチップとスリーブとの間の環状の隙間に供給した。
【００１４】
高い混合効率は、プレバーナー気体流速値が通常の同軸噴射装置（ＷΓΓ＝３００〜３５０ ｍ／ｓ）と比較して同じに保持される条件において本噴射装置の設計を用いることにより得ることができることに注目すべきである。この条件は、燃料の出口断面がＦΓ＝（１．２〜２．２）Ｆ_０の場合に実現される。ここで、Ｆ_０は酸化剤の出口断面である。
【００１５】
しかしながら、拡張サイクルエンジン（液体酸化剤、例えば酸素、および気体燃料、例えば水素が噴射装置に供給される）に関しては、以下の式、ＦΓ＝（０．６〜１．０）Ｆ_０があてはまる。比較分析により、この場合の気体成分用の開口流動領域が≒５０％減少することを示されている。拡張サイクルエンジンにおいて、比ＦΓ＝（１．２〜２．２）Ｆ_０である噴射装置の使用は、気体流速を約５０％減少させ、推進剤燃焼効率の減少の原因となる。これは、モデルＬＯＸ−ＬＨ_２拡張サイクル燃焼室を組み込んだ、このような設計の噴射装置の高温効力実験にて証明される。これらの実験における燃焼効率は、φ_Ｋ＝０．９９０２（φ_Ｋ＝０．９９４の代わりに）であった。
【００１６】
噴射装置排気口における気体の流速減少と推進剤流速比（ＷΓ／Ｗ_０）の相対的減少とが、不安定な燃焼工程の原因となることに注目すべきである。Ｆ_０をチップ出口断面積として、出口断面積がＦΓ＝（０．６〜２．２）Ｆ_０であるときに、スリーブ表面とチップ表面とを等間隔の空間とする場合に、スリーブ排気口内面とチップ溝（リブ）の外面との間に同じ間隔を設けることによって、低燃料流速において必要とする気体推進剤の速度を得ることができる。
【００１７】
言及した比の低い値は、さらに低下すると、気体推進剤の速度が増加し、その結果、必要不可欠な圧力が急降下し、エンジン稼動強度が増加するという事実に基づいて選択される。
【００１８】
言及した比の高い値は、さらに増加すると、気体推進剤の速度が減少し、その結果、混合条件の猛烈な悪化や燃焼工程が最終的に不安定になるという事実に基づいて選択される。
【００１９】
チップ排気口部に放射状溝を有し、またスリーブの内面に等間隔に配置された放射状溝を有する提案の同軸ジェット噴射装置が、サブスケールＬＯＸ−ＬＨ_２燃焼室を組み込んでテストしたときに、得られた完全な混合気形成は、φ_Ｋ＝０．９９４±０．００１６である。この値は参照の噴射装置混合効率φ_Ｋ＝０．９９１８±０．００１を上回る。実験において、酸化剤、つまり酸素がチップ内部に供給され、燃料がチップとスリーブとの間の環状の隙間に供給される。
【００２０】
提案した発明が説明されている図面を簡単に説明する。図１は、提案した噴射装置の長軸方向断面を示し、図２は、円筒形内面を有するスリーブの上記同軸ジェット噴射装置出口の断面を示し、図３は、スリーブの内面とチップ溝の表面とが等間隔となっている上記同軸ジェット噴射装置の排気口部の断面を示している。
【００２１】
図１から分かるように、同軸ジェット噴射装置は、内部に軸管２を有する中空チップ１を備えている。上記管は、酸化剤キャビティを燃焼室内部キャビティに接続している。チップ排気口部分は放射状溝３を有している。スリーブ５は、環状の隙間４が設けられたチップ１上に配置され、燃焼室内部の燃料キャビティに接続している。第１のデザインオプションでは、スリーブ５内面が円筒形である（図２）。第２のデザインオプションでは（図３）、スリーブ内面は、チップ溝の外面と等間隔になっており、スリーブリブとチップ溝との間の空間の出口断面積がＦΓ＝（０．６〜２．２）Ｆ_０となっている。Ｆ_０は、チップ排気口の断面積である。
【００２２】
提案した噴射装置は以下のとおり機能する。
【００２３】
酸化剤は、酸化剤キャビティからチップ１内部の管２を通じて燃焼室に供給される。放射状溝３が位置する場所において、酸化剤噴射がチップ出口部の形状を変化させる。すなわち、放射状溝３の形状、したがって噴射断面形状は、一定の断面積における接触の周囲長が増加することによって変化する。酸化剤円形噴射形状を出口断面の接触領域にて星型形状へ変形させることは、噴射分散の条件を改善し、噴射形状の特性断面パラメータとアトマイズされていない経路長とを減少させることができる。その結果、チップ出口での酸化剤噴射形状は、その完全性を損失しやすくなり、アトマイゼーションのための時間をより少なくする。噴射形状のこのような効果は、全ての運転モードにおける推進剤混合条件を改善することができる。
【００２４】
燃料は、燃料キャビティからチップ１とスリーブ５との間の空間を通じて燃焼領域に供給される。第１のデザインオプションでは、スリーブ内面と噴射装置外面とが円筒形状をしている。第２のデザインオプションでは、管５の配置場所において、燃料噴射形状がチップ１とスリーブ５との間の環状に描かれた隙間の形状に変形する。すなわち、燃料噴射形状は酸化剤噴射形状と同じ空間になる。
【００２５】
（発明のデザインオプション）
特許出願人は、提案した噴射装置のパイロットモデルを製造し、それにＬＯＸ−ＬＨ_２燃焼室を組み込んで実験した。
【００２６】
幾何学パラメータと推進剤供給モデルとがエンジン推力によって定義される。
【００２７】
チップ排気口部と円筒形スリーブとに放射状溝を有する同軸ジェット噴射装置は、エンジンに２５ｋＮ ＬＯＸ−ＬＨ_２燃焼室のモデルを用いて、段階的燃焼（燃料過剰）サイクル運転によって実験した。実験の間に、混合効率φ_Ｋ＝０．９９７±０．００１６が得られ、これは円筒状チップと円筒状スリーブとを有する参照の噴射装置に記された係数値φ_Ｋ＝０．９９４±０．０００９を上回っている。
【００２８】
チップ排気口部に放射状溝と、スリーブとを有し、内面が等間隔である同軸ジェット噴射装置が、２５ｋＮ ＬＯＸ−ＬＨ_２サブスケール燃焼室を用いて実験された。実験の間に、混合効率φ_Ｋ＝０．９９４±０．００１６が得られ、これは円筒状チップと円筒状スリーブとを有する参照の噴射装置に記された同等の係数値φ_Ｋ＝０．９９１８±０．００１を上回っている。
【００２９】
（産業上の利用可能性）
排気口部に円筒面を有する噴射装置の変わりに、開発されたＬＲＥに上記噴射装置を使用することが、比推力値をおよそ（０．３〜０．５）％増加させることを可能とし、段階的燃焼サイクルを稼動するエンジンの混合効率を最大まで到達させることを可能とする。これにより、チップ排気口部に放射状溝を有する同軸ジェット噴射装置の使用と、内面に等間隔に配置されたスリーブの使用とを実現することができる。
【００３０】
ＬＯＸ−メタンＬＲＥｓにて上記噴射装置を使用することもまた合理的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の噴射装置の長軸方向の断面図である。
【図２】
円筒形内面を有するスリーブの上記同軸ジェット噴射装置出口の断面図である。
【図３】
スリーブの内面とチップ溝の表面とが等間隔となっている上記同軸ジェット噴射装置の排気口部の断面図である。

Claims (3)

1. １つの推進剤キャビティを燃焼域に接続している中空チップと、空間を有する上記チップを取り囲んでいるスリーブとを備え、別の推進剤キャビティを燃焼域に接続している同軸ジェット噴射装置であって、
   上記チップの排気口部に放射状溝を有していることを特徴とする同軸ジェット噴射装置。
2. 上記排気口部のスリーブ内面は、チップ溝の外面に対して相対的に等距離であることを特徴とする請求項１に記載の同軸ジェット噴射装置。
3. 上記スリーブとチップ溝との表面が等距離である排気口断面積は、Ｆ_０をチップ排気口における溝断面積として、ＦΓ＝（０．６〜２．２）Ｆ_０であることを特徴とする請求項２に記載の同軸ジェット噴射装置。