JP2012189014A

JP2012189014A - ガス発生器

Info

Publication number: JP2012189014A
Application number: JP2011053808A
Authority: JP
Inventors: Yasuji Kano; 康仁加納; Masahiro Ishii; 雅博石井; Masahiro Sasaki; 正裕笹木; Yoshihiro Torii; 義弘鳥井
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-10-04

Abstract

【課題】従来のガス発生器にあっては、燃料と酸化剤を等量比よりも極度に低い混合比で燃焼させると、その燃焼が安定して持続せず、間欠的に消炎する虞があるので、燃焼を安定させるための改善が要望されていた。
【解決手段】燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させるガス発生器ＧＧであって、燃料及び酸化剤の噴射器１と、噴射器１から噴射した燃料及び酸化剤を混合燃焼させる燃焼器２を備え、噴射器１が、複数の燃料噴射部１１及び複数の酸化剤噴射部１２を同一面状に配置した構造を有しており、燃焼器２において、中央部に燃料及び酸化剤が等量である高混合比燃焼域Ａを形成すると共に、高混合比燃焼域Ａの外周部に、希釈用の燃料を含むことで燃料過多である低混合比燃焼域Ｂを形成することにより、消炎を生じることなく、安定した燃焼を持続的に行うものとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させるのに用いるガス発生器に関するものである。

この種のガス発生器としては、液体ロケットエンジンを構成するものがある。すなわち、液体ロケットエンジンでは、燃料及び酸化剤を夫々のターボポンプにより加圧して主燃焼室に導入するのであるが、この系とは別に、燃料及び酸化剤の一部を導入するガス発生器を備えて、ガス発生器で発生させた燃焼ガスをターボポンプの駆動流体として用いるようにしている。

また、上記のガス発生器では、燃焼ガスの流通にステンレス製の配管を使用しており、その配管の熱保護などのために、燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させることにより、発生する燃焼ガスの温度を低くしている。

上記のようなガス発生器は、燃料と酸化剤を等量比よりも極度に低い混合比で燃焼させると、その燃焼が安定して持続せず、間欠的に消炎することがある。このため、ガス発生器の出力が低下して液体ロケットエンジンの出力が変化する虞があるので、ガス発生器の燃焼を安定させる必要がある。そこで、従来にあっては、例えば非特許文献１に記載されているように、燃焼室の中央にホットコアを形成し、然るのちに燃焼ガスを燃料で希釈する方法を採用していた。

NASA SP-8081 『LIQUID PROPELLANT GAS GENERATORS』p.8-12

しかしながら、上記したような従来のガス発生器にあっては、燃焼ガスが一様に希釈されずにホットスポットが残ったり、希釈するための燃料が燃焼ガスと混合されずに冷たいまま残ったりすることがあるという課題があった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させるガス発生器において、安定した燃焼を持続的に行い且つ混合の一様化を促進することができるガス発生器を提供することを目的としている。

本発明のガス発生器は、燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させるガス発生器であって、燃料及び酸化剤の噴射器と、噴射器から噴射した燃料及び酸化剤を混合燃焼させる燃焼器を備えている。そして、ガス発生器は、噴射器が、複数の燃料噴射部及び複数の酸化剤噴射部を同一面状に配置した構造を有しており、燃焼器において、中央部に燃料及び酸化剤が等量である高混合比燃焼域を形成すると共に、高混合比燃焼域の外周部に、燃料過多である低混合比燃焼域を形成し、前記低混合比燃焼域が、同種衝突型の複数の燃料噴射部からの燃料噴霧により形成される構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明のガス発生器は、より好ましい実施形態として、噴射器が、内側から順に直径が増大する第１〜第３の円周において、第１円周上に所定数の燃料噴射部を配置すると共に、第２円周上に第１円周上の燃料噴射部と同数の酸化剤噴射部を配置し、第３円周上に酸化剤噴射部の数以上の燃料噴射部を配置したことを特徴としている。

本発明のガス発生器は、燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させるガス発生器において、燃焼器にて、中央部に燃料及び酸化剤が等量である高混合比燃焼域を形成すると共に、高混合比燃焼域の外周部に燃料過多である低混合比燃焼域を形成することにより、消炎を生じることなく、安定した燃焼を持続的に行い且つ混合の一様化を促進させることができる。また、低混合比燃焼域では、希釈のための燃料同士を同種衝突させて噴霧化しているので、その後流における高混合比燃焼域との混合を円滑に行うことができる。

本発明のガス発生器の一実施形態を説明する水平断面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。ガス発生器の噴射器の正面図（Ａ）、燃料噴射部の正面図（Ｂ）及び断面図（Ｃ）、並びに酸化剤噴射部の正面図（Ｄ）及び断面図（Ｅ）である。図１に示すガス発生器が適用される液体ロケットエンジンを説明するブロック図である。

以下、図面に基づいて、本発明のガス発生器の一実施形態を説明する。図１及び図２に示すガス発生器は、図３に示す液体ロケットエンジンの一部を構成するものである。

図３に示す液体ロケットエンジンは、主噴射器Ｉを有する主燃焼室Ｃと、主燃焼室Ｃに連続するノズルＮを備えると共に、主噴射器Ｉに燃料を加圧供給するためのターボポンプＴＰ１と、同主噴射器Ｉに酸化剤を加圧供給するためのターボポンプＴＰ２を備えている。なお、燃料としては、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ：液化メタン）を用いることができ、酸化剤としては、例えば液体酸素（ＬＯＸ）を用いることができる。

また、液体ロケットエンジンは、主噴射器Ｉに導入される燃料及び酸化剤の一部を取り入れて混合燃焼させるガス発生器ＧＧを備え、このガス発生器ＧＧで発生させた燃焼ガスを各ターボポンプＴＰ１，ＴＰ２の駆動流体として用いるようになっている。

このとき、ガス発生器ＧＧでは、配管類の熱保護だけでなく、強度低下の観点からリスク無く運用するために、燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させて、発生する燃焼ガスの温度を低く（５００℃程度）している。なお、ターボポンプＴＰ１，ＴＰ２を駆動した燃焼ガスは、３００℃程度に低下し、ノズルＮの内部に導入してノズルＮのフィルム冷却に使用することができる。

ガス発生器ＧＧは、図１に示すように、燃料及び酸化剤の噴射器１と、噴射器１から噴射した燃料及び酸化剤を混合燃焼させる筒状の燃焼器２を備えており、燃焼器２には、燃焼ガスをターボポンプＴＰ１，ＴＰ２に導くための配管接続部４が連続して設けてある。

ガス発生器ＧＧにおける噴射器１は、図２（Ａ）に示すように、基板１０に、複数の燃料噴射部１１及び複数の酸化剤噴射部１２を同一面状に配置した構造を有している。そして、図１（Ａ）に示すように、燃焼器２において、中央部に燃料及び酸化剤が等量である高混合比燃焼域Ａを形成すると共に、高混合比燃焼域Ａの外周部燃料過多である低混合比燃焼域Ｂを形成する。なお、低混合比燃焼域Ｂは、希釈用の燃料を含むことで燃料過多となる領域である。また、希釈用の燃料には、液体ロケットエンジンの推進用の燃料を使用する。

換言すれば、上記噴射器１は、燃焼器２の中央部に燃料及び酸化剤が等量である高混合比燃焼域Ａを形成し且つ高混合比燃焼域Ａの外周部に希釈用燃料を含む低混合比燃焼域Ｂを形成するように、複数の燃料噴射部１１及び複数の酸化剤噴射部１２を同一面状に配置した構造になっている。

燃焼器２において、中央部に高混合比燃焼域Ａを形成し且つ外周部に低混合比燃焼域Ｂを形成するには、噴射器１において、夫々の噴射部１１，１２の数、各噴射部１１，１２における噴射孔の口径や数、若しくは燃料及び酸化剤の夫々の加圧力などの様々な条件を設定すれば良い。その具体例を以下に説明する。

すなわち、噴射器１は、図２（Ａ）に示すように、内側から順に直径が増大する第１〜第３の円周Ｒ１〜Ｒ３において、第１円周Ｒ１上に所定数（図示例では８個）の燃料噴射部１１を配置すると共に、第２円周Ｒ２上に第１円周Ｒ１上の燃料噴射部１１と同数（８個）の酸化剤噴射部１２を配置し、第３円周Ｒ３上に酸化剤噴射部１２の数以上（１６個）の燃料噴射部１１を配置した構造になっている。

ここで、燃料噴射部１１及び酸化剤噴射部１２は、基板１０上に同心円状に配列した円周Ｒ１〜Ｒ３上に、図２（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように形成してある。図示例の燃料噴射部１１は、同種衝突型の噴射器であって、とくに、傾斜した二つの噴射孔１１ａ，１１ａを有する二点衝突型である。

他方、酸化剤噴射部１２は、同じく同種衝突型であって、とくに、中心の噴射孔１２ａと、その両側において傾斜した二つの噴射孔１２ａ，１２ａとを有する三点衝突型である。このように、同種衝突型の噴射部を採用することにより、燃料及び酸化剤が充分に噴霧され、その後の混合燃焼が効率良く行われる。

さらに、ガス発生器ＧＧは、燃焼器２の中間部分における内面に、低混合比燃焼域Ｂの下流側に延出するタービュランスリング１５を備えた構造になっている。

上記構成を備えたガス発生器ＧＧは、噴射器１において、図２（Ａ）中に点線楕円で示すように、燃料噴射部１１及び酸化剤噴射部１２から燃料及び酸化剤を夫々噴射する。また、噴射器１では、外周側の燃料と酸化剤が混合する範囲（点線楕円の重複範囲）と、中心側の燃料と酸化剤が混合する範囲が生じる。

そして、ガス発生器ＧＧは、第１円周Ｒ１上の燃料噴射部１１の数と、第２円周Ｒ２上の酸化剤噴射部１２の数とが同数であるので、夫々の噴射孔径を最適な値にすることによって、図１（Ａ）に示すように、燃焼器２内において、中央部に、燃料及び酸化剤が等量である高混合比燃焼域Ａを形成し、燃料と酸化剤を確実に混合燃焼させることができる。

また、ガス発生器ＧＧは、第３円周Ｒ３上に酸化剤噴射部１２よりも多くの燃料噴射部１１を有するので、高混合比燃焼域Ａの外周に、燃料及び酸化剤が燃料過多の状態で混合燃焼する低混合比燃焼域を形成する。さらに、第３円周Ｒ３上における燃料噴射部１１のうち、その噴霧範囲（点線楕円）が、第２円周Ｒ２上の酸化剤噴射部１２の噴霧範囲（点線楕円）と重複しないものは、希釈用の燃料噴霧を行うこととなる。

ここで、ガス発生器ＧＧは、当該ガス発生器ＧＧが供給する燃焼ガス（排気ガス）よりも、高混合比燃焼域Ａの燃焼ガスが高温になるが、希釈用の燃料を含む低混合比燃焼域Ｂの低温のガスがタービュランスリング１５に衝突して、同リング１５の下流側で渦乱流を生じさせ、高混合比燃焼域Ａの高温燃焼ガスと希釈用の燃料を含む低混合比燃焼域Ｂの低温ガスを混合する。これにより、ガス発生器ＧＧは、均一な低温の燃焼ガス（排気ガス）を供給することができる。

このように、上記のガス発生器ＧＧは、燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させるものとして、燃焼器２にて、中央部に高混合比燃焼域Ａを形成し且つその外周部に希釈用の燃料を含む低混合比燃焼域Ｂを形成することにより、消炎を生じることなく、安定した燃焼を持続的に行うことができる。

さらに、低混合比燃焼域Ｂに含まれる希釈用の燃料は、同種衝突により噴霧化されているので、混合過程において効率良く燃焼ガスを希釈することができ、ホットスポットや低温ガスが残ったりすることは無い。

上記実施形態のガス発生器ＧＧを液体ロケットエンジンシステムに組み込んで、６００秒の燃焼試験を実施したところ、ガス発生器ＧＧにおいて消炎が生じることもなく、低温の燃焼ガスを安定して供給できることを確認した。また、試験後に分解して点検したところ、噴射器や燃焼器にホットスポットの痕跡等が無いことを確認した。

なお、本発明のガス発生器は、その構成が上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、例えば燃料及び酸化剤の噴射部の形態などの構成の細部を適宜変更することが可能である。

１噴射器
２燃焼器
１１燃料噴射部
１２酸化剤噴射部
１５タービュランスリング
Ａ高混合比燃焼域
Ｂ低混合比燃焼域
ＧＧガス発生器
ＴＰ１燃料供給用ターボポンプ
ＴＰ２酸化剤供給用ターボポンプ
Ｉ主燃焼室
Ｃ主燃焼室
Ｎノズル

Claims

燃料及び酸化剤を燃料過多の状態で混合燃焼させるガス発生器であって、燃料及び酸化剤の噴射器と、噴射器から噴射した燃料及び酸化剤を混合燃焼させる燃焼器を備え、
噴射器が、複数の燃料噴射部及び複数の酸化剤噴射部を同一面状に配置した構造を有しており、燃焼器において、中央部に燃料及び酸化剤が等量である高混合比燃焼域を形成すると共に、高混合比燃焼域の外周部に燃料過多である低混合比燃焼域を形成し、
前記低混合比燃焼域が、同種衝突型の複数の燃料噴射部からの燃料噴霧により形成されることを特徴とするガス発生器。
噴射器が、内側から順に直径が増大する第１〜第３の円周において、第１円周上に所定数の燃料噴射部を配置すると共に、第２円周上に第１円周上の燃料噴射部と同数の酸化剤噴射部を配置し、第３円周上に酸化剤噴射部の数以上の燃料噴射部を配置したことを特徴とする請求項１に記載のガス発生器。
燃焼器が、その内面から低混合比燃焼域の下流側に延出するタービュランスリングを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス発生器。
ガス発生器が、液体ロケットエンジンにおける燃料供給用及び酸化剤供給用の各ターボポンプの駆動流体としての燃焼ガスを発生させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス発生器。