JP2010510441A - 複合サイクル一体化燃焼器・ノズルシステム - Google Patents

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Abstract

マッハ4未満で動作しかつ総輸送手段所要推力を発生させるエンジン(20)は、輸送手段およびエンジンの開発コストを節減するので極超音速複合サイクル輸送手段に有用である。このようなエンジン(20)の1つが、ブースタ(30)および二重モードラムジェット(DMRJ)の両方を有する複合サイクルエンジンである。ブースタ(30)およびDMRJは、マッハ0からマッハ4を超えて有効推力を提供するように一体化される。ブースタ(30)が輸送手段をマッハ0からマッハ4を超えて加速すると、マッハ0から約マッハ2までは、DMRJに供給される流入空気(28)は、機上酸化剤タンク(31)またはブースタ(30)圧縮器排出空気のいずれかから酸化剤を受け取ることができる主要エゼクタ推進機(34)によって加速される。複合サイクルエンジンが輸送手段を約マッハ0からマッハ4を超えてさらに加速すると、ブースタ(30)からの排気およびDMRJからの排気は、前記DMRJの燃焼器部分(32)の下流に配置された共通ノズル(42)において結合され、空力チョークとして機能する。
【選択図】図2

Description

本発明は、ターボジェットまたは他のブースタエンジンと二重モードラムジェット(DMRJ)とを組み合わせて離陸から極超音速、より詳細には、海水面におけるマッハ0から高高度におけるマッハ5+までの効率的な動作を可能にする複合サイクルエンジンシステムに関する。
従来のDMRJは、それ自身を超音速に加速させる推力を発生させることはできない。DMRJは、ターボジェットエンジン(TJ)といった他の何らかの推進要素によって推進されなければならない。ブースタエンジンがターボジェット(タービン)エンジンである場合、複合サイクルエンジンは、タービンによる複合サイクルつまりTBCCエンジンと呼ばれる。ブースタがロケットエンジンであれば、ロケットによる複合サイクルつまりRBCCエンジンと呼ばれる。先行技術の再使用可能な極超音速輸送手段の概念において、TBCCエンジンのタービンエンジンは、亜音速および低超音速における推力のすべてを発生させるものであると期待されている。一部のより高い速度では、DMRJは所要推力を発生させるためにオンにされ、TJはそのほぼ同じ速度でオフにされて流れから外される。加速の大部分の間の単一の推進手段としてのTJエンジンの推力が、TJ技術に対して大きな要求となっている。先行技術の複合サイクルエンジンは、マッハ3から4未満の速度においてDMRJの推力をほとんどまたは全くもたらさない。これらの輸送手段では、亜音速から超音速への加速中に最も高い推力が必要である。このいわゆる「遷音」速に、克服しなければならない最も大きな抵抗がある。以上から分かるように、加速中にDMRJからもたらされる推力が大きいほど、タービンエンジンへの要求が少なくなる。
現在のタービンエンジン技術は、マッハ2.5までの速度に適している。この速度を超えると、空気温度が高くなり過ぎ、高い圧縮器圧力比は、タービン入口温度の限界を超えずには実現できなくなる。この結果、エンジン気流および推力が低下する。ロッキード社製SR−71高速・高高度偵察機は、プラット・アンド・ホイットニー社製J−58エンジンの最終圧縮器段の周囲の空気の一部を迂回させることによって約マッハ3.25で飛行することが可能であった。これにより、圧縮器の負荷が軽減され、タービン上流で必要となる燃焼熱の付加が低減される。高マッハ推力の大部分がタービン下流のアフターバーナにおいて発生されるため、このような機関サイクルはターボ−ラムジェットと呼ばれる。この機関サイクルは、DMRJの動作のために第3のダクトを必要とするであろうことからTBCCシステムにとって好ましいサイクルではない。DMRJのダクトはTJが耐え得る速度を超える速度で動作しなければないないため、DMRJの気流は、TJを完全に迂回しなければならない。先行技術のTBCCエンジンに関する1つの重要な問題は、マッハ4以上に動作することがタービンエンジンに対して要求されるということである。このことは、マッハ4以上において高推力で動作することが可能である純粋なターボジェットを開発するにあたって大きな技術的障害となる。TJが発生させることが可能なマッハ数に応じた推力は、適用される技術に依存する。高推力においてマッハ4で動作するためには、現在入手が不可能な最新の高強度・高温度材料が必要である。
非動作時、DMRJの流路は、空気がダクトまたはその周囲を流れる場合、輸送手段の抵抗を増加させる。典型的にはマッハ5未満の速度において、TBCCのノズルは、過大膨張となり(大きすぎ)、これにより、正味の推力が低下する。輸送手段および非動作中のDMRJエンジンの抵抗に打ち勝つのに十分な推力を発生させるべくブースタのサイズを大きくすると、輸送手段の自重が大きくなり、利用可能な燃料容量が低下するので、ミッションにおいて重大な結果を招く。ブルマンら(Bulman et al.)による米国特許出願公開第2006/0107648号にはブースタおよびDMRJ要素の両方への空気の流れを扱う一体化インレットを有するTBCCが開示されている。
低速でのDMRJにおける推力は、低ラム圧および燃焼器の早期熱チョーキング(premature thermal choking)によって制限されることが知られている。低マッハTBCC推力の制限要因のそれぞれについて述べる。
亜音速から低超音速での推力
ラム圧縮サイクルとして、DMRJは、低速において推進力の可能性をほとんど有しない。複合サイクルエンジンを動力源とする典型的な極超音速輸送手段の場合、遷音速(マッハ0.8〜1.3)での抵抗は、通常、タービンエンジンが発生させることが可能なものよりも大きい。さらなる推力が必要であるが、より大きいターボジェットエンジンを単に設置することは、重量および容量の影響を受けやすい極超音速輸送手段において好ましくない。
低超音速からマッハ4での推力
先行技術のDMRJは、熱の喉部を用いた動作を可能にするスクラムジェット分流燃焼器およびアイソレータを有する。これらのエンジンは、通常、約マッハ4を大きく下回ると有用な推力を発生させることはできない。第1の要因は、低速での低いインレット/アイソレータ圧力上昇能力である。第2の要因は、低速および典型的な燃焼器面積比では、所与の燃料当量比に対する圧力上昇は低超音速において増加することである。図1は、DMRJを熱的にチョーキングするための温度上昇を速度と燃焼器面積比(AR)との関数として示している。典型的な先行技術のDMRJは、より高い速度に適した約2(基準線10)の小さいARを有する。エンジン推力は、温度上昇に直接関係する。低AR燃焼器にあまりにも大きな熱が付加されると、燃焼器の圧力はインレットの能力を超え、インレットは不始動となる。利用可能な圧力と燃焼器背圧とのこのような不整合により、先行技術のDMRJから実用的な推力を得ることはできない。マッハ4未満では、高面積比燃焼器によって、この状態が改善される(基準線12)が、高速動作には不十分である。なぜなら、高面積比燃焼器は高速・高エンタルピー流にさらされる濡れ面積を増加させ、エンジン重量および熱負荷が増加し、高速推力が低下するからである。
複合サイクルエンジンの結合推力
先行技術の典型的な極超音速巡航輸送手段は、可能な限り大きいノズル出口面積を有する。なぜなら、巡航速度において、排気は過小膨張となり、推力およびIsp(比推力)はノズルが大きくなるにつれて増加するからである。低速において、排気は今度は過大膨張となり、推力およびIspはノズルが小さくなるにつれてあるべき値よりも低くなる。この問題に対する一つの解決方法、すなわち、より大量のガスを生成してノズルの充填および加圧を促進することが、ブルマン(Bulman)の米国特許第6,568,171号に開示されている。
したがって、本発明の目的は、マッハ4未満で動作しかつ総所要輸送手段推力を発生させるエンジンを提供することである。
この目的の特徴は、極超音速複合サイクル輸送手段がより早期に実現され、これにより、さらなる輸送手段およびエンジンの開発コストが節減されることである。このようなエンジンの1つが、タービンおよび二重モードラムジェット(DMRJ)の両方を有する、タービンによる複合サイクル(TBCC)エンジンである。マッハ0からマッハ4を超えて有効推力を得るためにタービンとDMRJとは一体化されている。
TBCCが輸送手段をマッハ0からマッハ4を超えて加速させると、マッハ0から約マッハ2までは、DMRJに供給される流入空気は、機上酸化剤タンクまたはタービン圧縮器の排出空気のいずれかから酸化剤を受け取り得る主要エゼクタ推進機によって加速される。TBCCが輸送手段を約マッハ0からマッハ4を超えてさらに加速させると、タービンからの排気およびDMRJからの排気は、空気力学的チョーク(aerodynamic choke)として機能する、DMRJの燃焼器部分の下流に配置された共通ノズルにおいて結合される。
図1は、飛行マッハ数および燃焼器面積比の両方の関数として燃焼器の許容温度上昇を示している。 図2は、静止から低超音速への加速用に構成された本発明に係るTBCCエンジンを示している。 図3は、ERJの増大の関数として推力およびIspにおける改良を示している。 図4は、低超音速から約マッハ4への加速用に構成されたTBCCエンジンを示している。 図5は、過小膨張プルームがその理想的な流れ面積を超える様子を示している。
本発明の1つ以上の実施形態の詳細が添付の図面および以下の説明に記載されている。本発明のその他の特徴、目的および利点はこれらの説明および図面ならびに請求項から明らかとなるであろう。
各図面における同様の参照符号および名称は同様の要素を示している。
本発明は、離陸からラムジェットテークオーバー(takeover)への重要な加速中の複合サイクルエンジンの性能を改善するものであり、また、並行動作時(マッハ0〜3+)に、ブースタとDMRJ構成要素との結合推力を著しく増加させる2つの要素を含む。通常ラムジェットが動作可能な速度より低い速度において、タービン圧縮器のブリード空気または機上酸化剤を用いて、小型の主要エゼクタ推進機を駆動して、気流を二重モードラムジェット流路内に誘導し、周知のエゼクタラムジェット(ERJ)と同様の推力を発生させる。さらに、DMRJ流とブースタ流とを相乗的に一体化して、総合エンジン推力を増加させる。この一体化において、両方のエンジンの排気は共通ノズル中に合流させる。過小膨張タービン排気を用いて、DMRJ用の空力チョーク(aerodynamic choke)を形成する。この技術は、より大きい燃焼器面積を提供することによって低速DMRJに関する重大な問題を解決し、インレットの不始動を起こすことなく推力を増加させる。これにより、DMRJ流においてより高い燃焼温度が可能となり、ノズルにおける気体の容量が増加し、圧力および推力が増加するとともに過大膨張による損失が低減される。本開示においては、燃焼器およびノズルの一体化について検討する。高マッハターボジェットエンジン推力および技術要件は、低速において高推力を実現して総輸送手段推力に寄与するDMRJエンジンの一体化によって低減され得る。
本発明は、ブースタおよび二重モードラムジェットエンジンの動作をより完全かつ効率的に組み合わせる改良された複合サイクル推進システムである。DMRJのブースタエンジンとの並行動作は、ブースタ排気を用いた空力チョーキングによって、低速でのエゼクタによる空気吸引(ejector pumping)と中間速度での高いDMRJ燃焼器面積比とを採用することによって向上する。結合ノズル流は、別々のノズルよりも効率的である。
亜音速から低超音速推力への移行中、推力を、それが最も必要とされるときにもたらすために、DMRJをエゼクタラムジェット(ERJ)に変換する。図2を参照すると、エゼクタ主要推進機34には、2つの酸化剤源のうち1つからの酸化剤が供給される。機上酸化剤タンク31は1つの酸化剤源である。このような複合サイクル構成は、タービン/ロケットによる複合サイクル(T/RBCC)エンジンと呼ばれる。もう一つの酸化剤源は、ターボジェット30から少量の圧縮器排出空気(圧縮器ブリード)(約10%)を得ることによるものである。酸化剤は、供給ライン30aおよび31aによって供給される。主要エゼクタは、DMRJにおいて支柱36の後縁に配置されている。図2は両方の概念を示している。
TBCCエンジン20は、流入空気を第1の気流部分26と残りの気流部分28とに分割する内部流線24を有する前方に向いた空気入口22を有する。低速において空気量の80%を名目上含む第1の気流部分は、タービンエンジン30に供給される。残りの気流部分28は、低速(約マッハ2未満)においてエゼクタ/混合器として用いられるDMRJ燃焼器32に流入する。誘導された二次空気は、複数の主要エゼクタ34によって加速される。主要エゼクタは、一次空気流と二次空気流との粘性結合によるエゼクタによる空気吸引の周知の原理によって作用する。
主要エゼクタ34は、支柱36の後縁に配置されている。燃料噴射器(不図示)が、エゼクタ混合領域38付近においてDMJR内に燃料を噴射するために配置されている。典型的には、これらの燃料噴射器もまた、支柱36の後縁上にまたはエゼクタ混合領域38の壁40に沿って配置されている。燃料/空気混合物は、適したパイロット(不図示)によって発火され、エゼクタ燃焼器42において燃焼される。
タービンエンジン30からブリード空気を取り出すとタービンエンジン推力に損失が生じるが、エゼクタによる空気吸引プロセスにより、低速において、その約3倍の追加の気流がDMRJ流路中に誘導される。この追加の空気をその後燃焼させると正味のエンジン推力が10〜20%増加する。DMRJにおける低圧によりIspは若干減少するが、正味の有効Isp(Ieff)は増加する。Ieff=(F−D)/(燃料流量)。図3は、推力およびIspがERJの増大に伴ってどのように変化すると予測されるかを示している。
低超音速(約マッハ2)から約マッハ4への加速中、割り当てられた気流を考慮してDMRJ推力を増加させるためには、インレットの不始動を起こすことなくより多くの燃料を燃焼させる必要がある。これには、上述したような早期熱チョーキングを防止するためにより大きい燃焼器面積が必要となる。図4に示すように、我々の一体化エンジンの概念においては、ブースタ排気プルームを用いるノズル設計を採用して、DMRJノズル内の低ARのDMRJ燃焼器32の出口下流に空力閉塞(aerodynamic blockage)または二次喉部を形成する。共通ノズル42において十分に後方に配置されたこの空力チョークにより、さらなる燃焼器流れ面積(および距離)が生じ、インレットの不始動を起こすことなくより多くの燃料を燃焼させることが可能となる。この技術を用いない場合に比べてより多くの燃料を燃焼させることができるので、高速において悪影響を及ぼすことなく、非常に高い低速DMRJ推力が得られる。
図4は、低超音速(マッハ約2)から約マッハ4への連続加速用に構成されたTBCCエンジン20を示している。DMRJ燃焼器32の下流には、共通ノズル42がある。ブースタエンジン30からの排気46は、共通ノズル42の外壁に沿ってブースタエンジン喉部44を通じて導かれる。ノズルフラップ48は、ミッションのこの段階中は開放し、空力チョーク50を形成する共通ノズル42に排気46が流入することが可能となる。
ブースタ排気46が共通ノズル42内に噴射されるため、DMRJ流のための残存流れ面積は少なくなる。ブースタエンジンノズルの位置およびその拡大度合を選択することにより、空力喉部50を、このような排気相互作用を利用しない場合に可能なものよりも大きい面積で形成することができる。より大きい喉部面積により、低速においてより大きい温度上昇が可能となる。過小膨張ブースタノズルの出口圧力の使用がこの効果に寄与している。ブースタノズル流が過小膨張である場合、その出口圧力は、DMRJノズル42の一般の圧力よりも大きい。ブースタ流がそのノズルを出ると、ブースタ流はその理想的な平衡流れ面積よりもさらに拡大する。この過程は、エゼクタラムジェットエンジンにおいて見られるファブリ閉塞(Fabri blockage)に類似している。図5は、過小膨張プルームがその理想的な流れ面積を超過する様子を示している。このプルームの超過により、ブースタエンジンノズルをDMRJノズルにおいてさらに後方に配置することが可能となり、有効なDMRJ燃焼器面積比および推力がさらに増加する。この技術は、同様の効果を実現するのに大型で複雑かつ重量のある可変形状ノズルを使用することを改良したものである。
図5において、
=ブースタノズル出口面積
=実際のブースタ排気プルーム面積
pi=理想的なブースタ排気プルーム面積(P=P
K=プルーム超過係数
=ブースタ排気総圧力
=ブースタノズル出口圧力
=有効プルーム圧力
γ=ブースタ排気比熱比
である。
超音速(マッハ5未満)時、大きい熱付加によるDMRJ燃焼器の並行動作によってより大量のガスが発生し、これにより共通ノズル42の充填および加圧が促進される。マッハ2.5の典型的な場合において、ノズル出口圧力は、DMRJ流を付加することにより、雰囲気の約1/3から雰囲気圧の約76%に増加する。米国特許第6,568,171号に開示されているように、両方の流れの推力が増加する。結合推力は、ブースタ単独に比べて(使用されるブースタがロケットをオフにしたエゼクタラムジェットである場合)、ブースタがそれ自体のみでノズルを充填しなければならない場合には最大約100%高い。
本発明の1つ以上の実施形態について説明してきた。しかし、本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の変形が可能であることが理解される。例えば、本発明の原理を逸脱することなく、ロケットまたは他の低速加速器をタービンエンジンの代わりに用いることができる。したがって、以下の請求項の範囲には他の実施形態が含まれる。

Claims (26)

  1. 1つ以上のブースタ(30)と、
    二重モードラムジェット(DMRJ)とを含み、
    前記ブースタ(30)および前記DMRJは、マッハ0からマッハ4を超えて有効推力を提供するように一体化されている、複合サイクルエンジン(20)。
  2. 前記ブースタ(30)はタービンであり、前記タービン(30)およびDMRJは、共通の空気入口(22)を有する、請求項1に記載のエンジン(20)。
  3. 前記共通の空気入口(22)は、流入空気の一部28を前記DMRJに分流し、前記流入空気の残りの部分(26)を前記タービン(30)に分流するのに有効である流線(24)を含む、請求項2に記載のエンジン(20)。
  4. 前記DMRJは、その後縁に主要エゼクタ推進機(34)が固定された複数の支柱(36)を含む、請求項3に記載のエンジン(20)。
  5. 前記主要エゼクタ推進機(34)に連結された機上酸化剤タンク(31)をさらに含む、請求項4に記載のエンジン(20)。
  6. 前記ブースタ(30)の排気部分(46)は、タービン圧縮器の排出空気を前記主要エゼクタ推進機(34)に提供するように前記DMRJに有効に連結されている、請求項4に記載のエンジン(20)。
  7. 前記ブースタ(30)からの排気(46)および前記DMRJからの排気は、DMRJ燃焼器(32)の下流に配置された共通ノズル(42)において選択的に結合される、請求項4に記載のエンジン(20)。
  8. 前記共通ノズル(42)は、前記DMRJ燃焼器(32)よりも大きい断面積を有する、請求項7に記載のエンジン(20)。
  9. ノズルフラップ(48)が、前記ブースタ排気(46)と前記DMRJ排気との結合を制御するのに有効である、請求項8に記載のエンジン(20)。
  10. 前記DMRJは、その後縁に主要エゼクタ推進機(34)が固定された複数の支柱(36)を含む、請求項1に記載のエンジン(20)。
  11. 前記主要エゼクタ推進機(34)に連結された機上酸化剤タンク(31)をさらに含む、請求項10に記載のエンジン(20)。
  12. 前記ブースタ(30)の排気部分(46)は、タービン圧縮器の排出空気を前記主要エゼクタ推進機(34)に提供するように前記DMRJに有効に連結されている、請求項10に記載のエンジン(20)。
  13. 前記ブースタ(30)からの排気(46)および前記DMRJからの排気は、DMRJ燃焼器(32)の下流に配置された共通ノズル(42)において選択的に結合される、請求項10に記載のエンジン(20)。
  14. 前記共通ノズル(42)は、前記DMRJ燃焼器(32)よりも大きい断面積を有する、請求項13に記載のエンジン(20)。
  15. ノズルフラップ(48)が、前記ブースタ排気(46)と前記DMRJ排気との結合を制御するのに有効である、請求項14に記載のエンジン(20)。
  16. 前記ブースタ(30)からの排気(46)および前記DMRJからの排気は、DMRJ燃焼器(32)の下流に配置された共通ノズル(42)において選択的に結合される、請求項1に記載のエンジン(20)。
  17. 前記共通ノズル(42)は、前記DMRJ燃焼器(32)よりも大きい断面積を有する、請求項16に記載のエンジン(20)。
  18. ノズルフラップ(48)が、前記タービン排気(46)と前記DMRJ排気との結合を制御するのに有効である、請求項17に記載のエンジン(20)。
  19. 輸送手段をマッハ0からマッハ4を超えて加速するための方法であって、
    a)二重モードラムジェット(DMRJ)と一体化した空気流を有するブースタ(30)を含む複合サイクルエンジン(20)を前記輸送手段に設ける工程であって、前記タービン(30)および前記DMRJは共通の空気入口(22)を有し、前記共通の空気入口(22)は、流入空気の第1の部分(26)を前記DMRJに分流し、前記流入空気の残りの部分(28)を前記ブースタ(30)に分流するのに有効である流線(24)を含み、前記DMRJは、主要エゼクタ推進機(34)がその後縁に固定された複数の支柱(36)を有する、工程と、
    b)マッハ0から約マッハ2までは、流入空気の前記第1の部分(26)を前記主要エゼクタ推進機(34)において加速する工程と、
    c)約マッハ0からマッハ4を超えては、前記DMRJの燃焼器部分(32)下流に配置された共通ノズル(42)において、前記ブースタ(30)からの排気(46)と前記DMRJからの排気とを結合する工程と、を含む方法。
  20. 工程(b)において、前記主要エゼクタ推進機(34)の動力源となる酸化剤が機上酸化剤タンク(31)またはタービンエンジン(30)の圧縮器排出空気(46)のいずれかから供給される、請求項19に記載の方法。
  21. 前記圧縮器排出空気(46)の体積比の約10%が前記主要エゼクタ推進機(34)に供給される、請求項20に記載の方法。
  22. 前記DMRJの前記燃焼器部分(32)より大きい断面積および空力チョーク(aerodynamic choke)(50)の両方を前記共通ノズル(42)に付与する工程を含む、請求項21に記載の方法。
  23. 前記空力チョーク(50)は、前記タービン(30)からの排気(46)を前記DMRJの前記燃焼器部分(32)からの排気と結合することによって作動され、前記チョーク(50)は、前記タービン(30)からの排気(46)を前記DMRJの前記燃焼器部分(32)からの排気から分離することによって無効にされる、請求項22に記載の方法。
  24. 前記DMRJの前記燃焼器部分(32)より大きい断面積および空力チョーク(50)の両方を前記共通ノズル(42)に付与する工程を含む、請求項19に記載の方法。
  25. 前記空力チョーク(50)は、前記ブースタ(30)からの排気(46)を前記DMRJの前記燃焼器部分(32)からの排気と結合することによって作動され、前記チョーク(50)は、前記DMRJの前記燃焼器部分(32)からの排気と結合される前記ブースタ(30)からの排気(46)の量を減少させることによって無効にされる、請求項24に記載の方法。
  26. 前記空力チョーク(50)を作動させるためにノズルフラップ(48)が解放され、前記ノズルフラップ(48)は、前記空力チョーク(50)を無効にするために閉鎖される、請求項25に記載の方法。
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