JP2008298075A - 燃焼器用点火システム、燃焼器および燃焼器点火方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高く、複雑なアッセンブリへの組込みが容易で、バッフル付き噴射器のような多数の点火点を有する噴射器用途にも容易に拡張できる、簡単でかつ軽量の点火システムを提供する。
【解決手段】燃焼装置用の点火システム４０は、共鳴システム３６内の振動圧力を利用して、共鳴駆動グロープラグ５２内に熱エネルギーを生じさせる。共鳴駆動グロープラグ５２は、トーチアッセンブリ４６内の点火可能推進剤配合物、従って、燃焼室内の点火可能推進剤配合物に伝達される熱エネルギーを貯蔵する。
【選択図】図１Ｃ

Description

本発明は、ロケットエンジン、あるいは推進用途、電力用途や工業的処理用途における他の燃焼装置を点火する点火器システムに関し、さらに詳細には、圧力エネルギーを用いて熱エネルギーを生成し、該熱エネルギーをグロープラグ本体内に伝達させ、トーチアッセンブリ内の点火可能な推進剤配合物に伝達させるために、該熱エネルギーをグロープラグ内に貯蔵する方法に関する。

ロケットエンジンの燃焼室における点火可能な推進剤混合物を点火するために、種々の従来型の点火システムが用いられている。いくつかの点火システムでは、電流によって誘発される火花が利用されている。他の点火システムでは、電気的に加熱されるグロープラグが利用されている。これら従来のシステムは、効果的であるが、電気ケーブル、コネクタ、電源および制御システムを必要とするため、複雑でかつ重量が嵩む傾向がある。

従って、信頼性が高く、複雑なアッセンブリへの組込みが容易で、バッフル付き噴射器などの複数の点火点を有する噴射器用途にも容易に拡張可能であり、簡単かつ軽量な点火システムを提供することが望ましい。

本発明による点火システムは、一般的に、振動圧力を生成するために、推進剤システムまたはパージガスシステムと連通する共鳴システムを備える。さらに、点火システムは、共鳴システムと連通するガス共鳴管部分を有する共鳴駆動グロープラグを備える。ガス共鳴管部分内の反射衝撃波が、共鳴空洞内の離脱衝撃波と結合し、この離脱襲撃波を増強する。その結果、衝撃波の連続サイクルによって、一連の高圧振動域がガス共鳴管部分内に生じ、これによって、ガス共鳴管部分内のガスを加熱し、次いで、ガス共鳴管部分の壁を加熱する。共鳴駆動グロープラグは、トーチアッセンブリ内の点火可能推進剤配合物に伝達される熱エネルギーを貯蔵する。

従って、本発明は、信頼性が高く、複雑なアッセンブリへの組込みが容易で、マルチコンパートメント燃焼器におけるような複数の点火点を有する噴射器用途にも容易に拡張可能であり、簡単かつ軽量な点火システムを提供するものである。

本発明の種々の特徴および利点は、以下の発明を実施するための最良の形態および添付の図面から当業者に明らかになるだろう。

図１Ａは、燃焼器１０の概略図を示している。この例示的な実施形態では、ロケットエンジン燃焼器が用いられている。燃焼器１０は、概して、燃焼室アッセンブリ１２、燃料システム１４、酸化剤システム１６および点火システム１８を備える。燃料システム１４および酸化剤システム１６は、ガス状の点火可能な推進剤配合物を燃焼器１０に供給する。しかし、液体など他の推進剤システムを用いてもよい。

燃焼室アッセンブリ１２は、中心軸Ａを中心とする流体冷却壁２０によって画定される。流体冷却壁２０は、ノズル部分２２と、ノズル部分２２の上流に位置する燃焼室部分２４と、ノズル部分２２と燃焼室部分２４との間の燃焼室喉部２６と、を画定する。燃焼室アッセンブリ１２は、複数の燃料／酸化剤噴射器エレメント３０（概略的に示す）を有する噴射器面２８を含んだ噴射器システム部分１２Ａを備える。燃料／酸化剤噴射器エレメント３０は、燃料システム１４の燃料供給ライン１４Ａを介して送給され燃料冷却燃焼室壁２０を通過する燃料を受けると共に、酸化剤システム１６の酸化剤供給ライン１６Ａを通る気体酸素（ＧＯｘ）などの酸化剤を受ける。

図１Ｂを参照すると、点火システム１８は、概して、点火器４０に動力を供給するために、燃料システム１４、酸化剤システム１６またはパージガスシステム３８の１つと連通する共鳴システム３６を備える。点火器４０は、燃料／酸化剤噴射器エレメント３０から燃料／酸化剤の点火可能な推進剤配合物の流れを点火するように、噴射器部分１２Ａに取り付けられる。燃料／酸化剤噴射器エレメント３０からの燃料／酸化剤の点火可能推進剤配合物の流れの点火は、点火器４０によってなされる。本発明の例示的な実施形態は、ロケット燃焼器の点火を対象としているが、発電の用途および他の燃焼形態に基づく装置の点火に対しても同じように適していることを理解されたい。

酸化剤は、この実施形態では、専用ライン１６Ｂを介して点火器４０に送給され、燃料は、専用ライン１４Ｂを介して点火器４０に送給される。しかし、種々の推進剤流路を用いてもよいことを理解されたい。共鳴空洞４４内に生じた圧力エネルギーが、共鳴駆動グロープラグアッセンブリ４２内に伝達される熱エネルギーを生成するように、パージガスシステム３８からヘリウムなどのパージガスを点火器４０に導いてもよい。共鳴駆動グロープラグアッセンブリ４２は、生じた熱エネルギーを貯蔵し、この熱エネルギーが、トーチアッセンブリ４６（図１Ｃに図示）内の点火可能推進剤配合物に伝達され、燃焼室２４内における点火をもたらす。開示された実施形態に示されるパージガスは、始動シーケンス（図２）中の噴射器部分１２Ａのパージを容易にする。ここでは、共鳴媒体として、不活性パージガスを用いているが、代替的に、水素、酸素、またはメタンなどの点火可能推進剤配合物の推進剤が、点火器４０を駆動するのに利用されてもよいことを理解されたい。共鳴媒体として利用された推進剤は、後で燃焼用の推進剤流サイクルに再び戻されるとよい。

図１Ｃを参照すると、点火器４０は、共鳴空洞４４を画定するハウジング４５を備える。入口４８は、共鳴媒体（例えば、パージガスまたは推進剤）を受ける音速または超音速入口ノズル４８Ｎを含む。共鳴空洞４４の出口５０は、共鳴空洞４４内の圧力を所定レベルに保持する出口ノズル５０Ｎを備える。例示的実施形態に開示されているような共鳴プロセスは、本質的に「独立した」点火をもたらすために、システム内にすでに存在している供給源を用いて、噴射器パージガスによって駆動される。共鳴空洞４４の排出流は、噴射器をパージするために、噴射器に放出される。不活性パージガスを利用し、かつ燃焼プロセスを共鳴プロセスから完全に隔離することによって、点火システム１８に著しく高い信頼性をもたらすことができる。

共鳴駆動グロープラグアッセンブリ４２は、入口ノズル４８Ｎの略反対側に位置する共鳴空洞４４の開口５４と連通する共鳴駆動グロープラグ（ＲＤＧＰ）５２を備える。共鳴駆動グロープラグ５２は、一般的に、流れを受ける中空部材を備える。不足膨張流（ｕｎｄｅｒｅｘｐａｄｅｄ ｆｌｏｗ）として入口ノズル４８Ｎを通して共鳴空洞４４に進入するガス流は、共鳴駆動グロープラグ５２に導かれ、振動する離脱衝撃波（ｄｅｔａｃｈｅｄ ｓｈｏｃｋ）５６（図３）を共鳴駆動グロープラグ５２の入口５２Ｎの上流に生じさせる。共鳴駆動グロープラグ５２内の反射衝撃波が、離脱衝撃波５６と結合し、この離脱衝撃波５６を増強し、共鳴空洞４４内の流れと相互に作用する。その結果、衝撃波の連続サイクルによって、一連の高圧振動域が共鳴駆動グロープラグ５２内に生じ、共鳴管内のガスを加熱し、次いで、共鳴駆動グロープラグ５２の壁を加熱する。

相互作用に関連する物理的基準は、以下のように定義される。すなわち、「ｄ」は、超音波入口ノズル４８Ｎの直径であり、「Ｇ」は、入口ノズル４８Ｎの喉と共鳴駆動グロープラグ５２の入口５２Ｎとの間の距離であり、「Ｄ_tube」は、共鳴駆動グロープラグ５２の内径であり、「ＤＭＣ」は、出口ノズル５０Ｎの喉の直径である。図面では、段付き内径を有する共鳴駆動グロープラグ５２が描かれているが、円筒、円錐または他の形状の共鳴管部分が、代替的に本発明と共に利用されてもよいことを理解されたい。

共鳴駆動グロープラグ５２は、入口５２Ｎの反対側の端部で密封され、共鳴加熱グロープラグチップ５８を形成する。共鳴駆動グロープラグ５２内の圧力エネルギーによって、熱エネルギーが共鳴加熱グロープラグチップ５８内に生じる。共鳴加熱グロープラグチップ５８は、この熱エネルギーを、トーチアッセンブリ４６内の点火可能な推進剤配合物に伝達させるように貯蔵する。共鳴駆動グロープラグ５２は、モリブデン、プラチナまたはイリジウムなｄの高温材料から作製され、セラミックまたは他の高温絶縁材料から作製された絶縁シリンダー６０内に配置される。共鳴駆動グロープラグ５２は、少なくとも部分的な長さにわたって、環状空隙６２によって絶縁シリンダー６０から離間される。

トーチアッセンブリ４６は、トーチハウジング６２を備え、このトーチハウジング６２は、少なくとも１つのトーチ酸化剤入口ポート６４および少なくとも１つのトーチ燃料入口ポート６６を画定するように、共鳴駆動グロープラグ５２に隣接して配置される。酸化剤は、酸化剤マニホールド（図１Ｂ）から少なくとも１つのトーチ酸化剤入口ポート６４に送られ、燃料は、燃料マニホールドから共鳴加熱グロープラグチップ５８に隣接する少なくとも１つのトーチ燃料入口ポート６６に送られる。酸化剤および燃料は、２０００°Ｆ（約１０９３℃）を超える温度に加熱される共鳴加熱グロープラグチップ５８の付近に噴射され、これによって、トーチアッセンブリ４６内の点火可能推進剤配合物を点火する。次いで、得られた高温ガス流は、トーチアッセンブリから流出し、燃焼室２４内の点火可能推進剤配合物を点火する。

熱エネルギーは、熱容量として共鳴駆動グロープラグ５２内に貯蔵され、これによって、比較的小さいエネルギー生成源によって、点火に対して十分な正味のエネルギーをもたらすことができる。何故なら、高温が、常に同じ共鳴流パラメータによって得られ、次いで、高速度で抽出され、トーチアッセンブリ４６内の推進剤の点火に用いられるからである。共鳴駆動グロープラグアッセンブリ４２は、移動部品、電気ケーブルまたは電気コネクタ、および搭載電源または制御装置を必要としないので、複雑ではない。これらの特性によって、信頼性が高く、複雑なアッセンブリ内への組込みが容易であり、バッフル付き噴射器のような多数の点火点を有する噴射器用途に容易に拡張できるシステムが得られる。さらに、共鳴駆動グロープラグアッセンブリ４２は、汚染または損傷に対して良好な耐性を示すと共に、点火圧によって比較的影響されないという利点も有する。

図４を参照すると、他の点火システム１８Ａが示されている。共鳴駆動グロープラグアッセンブリ４２Ａは、共鳴加熱グロープラグチップ５８Ａを形成するように、一定の外径６８を有する、段付き内径共鳴駆動グロープラグ５２を備える。共鳴駆動グロープラグ５２は、空隙６２Ａによって、その長さの少なくとも一部にわたって、絶縁体７２から離間される。

相対的な位置に関する用語、例えば、「前方」、「後方」、「上側」、「下側」、「上方」、「下方」などは、乗物の通常の運転姿勢を基準にすると理解されるべきであり、それ以外に限定すると考えられるべきではない。

特定の構成要素の配置が例示的実施形態に開示されているが、他の配置であっても本発明から利得が得られることを理解されたい。

特定のステップシーケンスが、図示され、記述され、かつ特許請求の範囲に規定されているが、これらのステップは、特段の規定がない限り、どのような順番でなされてもよいし、別々になされてもよいし、または組合せてなされてもよく、そのような場合でも、本発明から利得が得られることを理解されたい。

以上の説明は、単なる例であって、本発明は、それらの説明における制限事項によって限定されるものではない。前述の示唆に照らして、本発明の多くの修正および変更が可能である。本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者であれば、修正が本発明の範囲内に含まれることを認めるだろう。従って、特許請求の範囲内において、本発明は、ここに具体的に述べた以外に実施されてもよいことを理解されたい。この理由から、本発明の真の範囲および内容を決定するには、特許請求の範囲を検討されたい。

本発明と共に用いられる例示的ロケットエンジン実施形態の概略的な一般図である。 本発明の点火システムの概略図である。 図１Ｂに示される点火器の拡大図である 概念的な始動シーケンスの概略図である。 高温を生じさせる因子を示す、点火システムの概略図である。 他の点火器の概略図である。

Claims (20)

1. 共鳴システムと、
   前記共鳴システムによって加熱される共鳴駆動グロープラグと、
   を備えることを特徴とする燃焼器用の点火システム。
2. 前記共鳴駆動グロープラグが、前記共鳴システムと連通する略中空部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の点火システム。
3. 前記共鳴システムへの作動流体入口をさらに備え、前記作動流体入口が、ガス共鳴管部分の略反対側に位置することを特徴とする請求項２に記載の点火システム。
4. 前記共鳴駆動グロープラグが、段付き内径を有することを特徴とする請求項１に記載の点火システム。
5. 前記共鳴駆動グロープラグが、段付き外径を有することを特徴とする請求項４に記載の点火システム。
6. 前記共鳴駆動グロープラグが、一定の外径を有することを特徴とする請求項４に記載の点火システム。
7. 前記共鳴駆動グロープラグが、共鳴加熱グロープラグチップを画定することを特徴とする請求項４に記載の点火システム。
8. 前記共鳴駆動グロープラグから環状空隙によって分離された絶縁物をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の点火システム。
9. 噴射器システムと、
   前記噴射器システムと流体連通する共鳴媒体と、
   前記共鳴媒体と連通する共鳴システムと、
   点火可能推進剤配合物を点火するために、前記共鳴システムによって加熱される共鳴駆動グロープラグと、
   を備えることを特徴とする燃焼器。
10. 前記共鳴媒体が、ガスであることを特徴とする請求項９に記載の燃焼器。
11. 前記共鳴媒体が、不活性加圧ガスであることを特徴とする請求項９に記載の燃焼器。
12. 前記共鳴媒体が、酸化剤であることを特徴とする請求項９に記載の燃焼器。
13. 前記共鳴媒体が、燃料であることを特徴とする請求項９に記載の燃焼器。
14. 燃焼器を点火する方法であって、
    （Ａ）共鳴を生じさせるために、共鳴媒体を共鳴システムに送るステップと、
    （Ｂ）前記ステップ（Ａ）において生じた共鳴によって、共鳴駆動グロープラグを加熱するステップと、
    （Ｃ）前記共鳴駆動グロープラグによって、点火可能推進剤配合物を点火するステップと、
    を含むことを特徴とする燃焼器点火方法。
15. 前記ステップ（Ｂ）が、
    （ａ）前記共鳴駆動グロープラグのガス共鳴管部分の入口の上流に、振動する離脱衝撃波を生じさせるステップであって、衝撃波の連続するサイクルによって、一連の高圧振動域を前記共鳴駆動グロープラグ内に生じさせ、これにより、前記共鳴管内のガスを加熱し、次いで、前記共鳴駆動グロープラグの壁を加熱する、離脱衝撃波を生じさせるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃焼器点火方法。
16. 前記ステップ（Ａ）が、（ａ）前記共鳴媒体として、不活性加圧ガスを送るステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃焼器点火方法。
17. 前記ステップ（ａ）が、（ａ）前記不活性加圧ガスを、パージガスとして噴射器部分を通して、排出させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃焼器点火方法。
18. 前記ステップ（Ａ）が、（ａ）前記共鳴媒体として、点火可能推進剤を送るステップをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃焼器点火方法。
19. 前記ステップ（Ｃ）が、点火トーチアッセンブリを点火することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃焼器点火方法。
20. 前記ステップ（Ｃ）が、ロケットエンジンを点火することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の燃焼器点火方法。

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