JP2013520607A - 反動エンジン用試験台 - Google Patents

Abstract

本発明は、末広がり部（２６）を備えたノズル（２４）を有する反動エンジン（１６）用の試験台に関する。試験台は、末広がり部を定位置に保持する手段を有し、この定位置では、かかる保持手段は、末広がり部をその軸線が垂直になるよう保持することができると共に末広がり部の下流側半部に位置する下流側部分と相互作用してこの下流側部分の変形及び／又は運動を制限することができる。かくして、試験台は、試験中に横力が末広がり部に加わった場合であっても末広がり部の損傷を阻止する。
【選択図】図５

Description

本発明は、反動エンジン、特にロケットエンジンのための試験台に関する。

この種の試験台１０が図１に示されている。試験台１０は、試験を受ける反動エンジン１６、特にそのノズル２４の末広がり部２６を定位置に保持する手段１４を備えたエンクロージャ１２を有する。エンクロージャ１２は、水平フロア１８によって２つの部分に分離されている。上側部分は、エンジン１６の本体２２及びそのノズル２４の僅かな部分が収納されたエンジンチャンバ２０を形成している。

エンジン１６及びそのノズル２４がこれらの通常の作動条件に類似した形態で配置されるようにするために、これらは、垂直軸線に沿って位置決めされ、加うるに、ノズル２４は、通常作動状態の場合と同様エンジンに取り付けられる。

ノズル２４は、実質的に円錐形であり且つ垂直軸線Ｚを備えた末広がり部２６に合体する上流側の実質的に円筒形の小径部分から成る。末広がり部は、通常のガス流れ方向において、ノズルの小径部分の下流側に配置されたノズルの部分である。末広がり部２６の大部分は、上側チャンバ２０の下に配置された下側チャンバ２８内に収納され、チャンバ２０，２８は、エンクロージャ１２を構成している。

作動試験中、エンジン１６は、図示されていない燃焼チャンバ内における燃料と酸化剤の燃焼を可能にしてそのノズル２４を通して燃焼ガスを放出する。燃焼ガスは、末広がり部２６内におけるかかるガスの通過中、膨張すると共に加速する。

エンジン１６及びそのノズル２４は、特に、チャンバ１２内で垂直方向に位置決めされている。エンジン又はモータが、フロア１８に設けられた開口部を貫通している。

さらに、下側チャンバ２８の下側壁に大きな開口部が設けられている。この開口部により、末広がり部２６の端部の通過及びガス排出チャネル３０への燃焼ガスの排出が可能になる。

このチャネル３０は、末広がり部２６と一線をなして配置された第１の垂直部分を有し、エンジン１６によって放出されたガスは、エンジンの作動試験中、かかる第１の垂直部分内に吸い込まれる。これらガスは、まず最初に、チャネル３０内に配置されたジェットスプリッタ３２によって減速され、このジェットスプリッタは、上流側円錐形先端部延長部を備えた円筒形要素の形をしている。

このチャネルは、ジェットスプリッタ３２の下流側に、直角形エルボ３４を形成し、このチャネルは、直角形エルボ３４を超えて水平区分３６に続いている。

ガス排出が水平区分３６の下流側に配置された排出開口部３８で起こる。

本発明は、特に、姿勢シミュレーション試験台、例えば図１に示されている試験台を改良することを目的としている。この試験台では、エンジン１６の本体を収容するよう設計されたエンクロージャ１２は、２００ｍｂａｒ未満、又はそれどころか５０ｍｂａｒ未満の圧力を試験中、エンジン１６の本体周りに生じさせることができるほど十分気密に作られている。

大気圧よりも低いこの圧力は、吸引ポンプ系統と関連してエンジン１６により放出されたまさに燃焼ガスジェットによってエンクロージャ１２内に公知の仕方で作られる。

かかる試験台でのエンジン試験中、エンジンノズル、これらの燃焼チャンバ及び末広がり部を定位置に保持する手段の破裂に通じるエンジンの劣化が作動試験を受けたエンジンに関して観察できた。

本発明の目的は、末広がり部を備えたノズルを有する反動エンジンのための試験台であって、末広がり部が末広がり部の軸線が垂直になるよう保持することができる位置に末広がり部を保持する手段を有し、エンジンの損傷又は破壊の恐れを減少させ又はそれどころかなくす試験台を提案することにある。

この目的は、かかる手段が末広がり部の下流側半部に配置された末広がり部の下流側部分の変形及び／又は変位を制限するよう下流側部分と相互作用することができるようになっていることによって達成される。これら手段は、特に末広がり部の軸線Ｚに対して横の方向における変形及び／又は変位を阻止するようになっている。

或る特定の実施形態では、末広がり部を定位置に保持する手段は、より正確に言えば、最も遠くの下流側に位置する末広がり部の１／３又はそれどころか１／４内に位置する末広がり部の部分と相互作用することができる。

当然のことながら、末広がり部の下流側半部内に位置する末広がり部の下流側部分と相互作用することができる位置に末広がり部を保持する手段に加えて、試験台は、末広がり部を定位置に保持する他の手段であって、これらの一部が末広がり部の上流側部分と相互作用することができる他の手段を有するのが良い。

確かに、試験中、特に試験下におけるエンジンの損傷をもたらす状況を分析することによって、この損傷は、試験が終わるまさにその瞬間に、即ち、試験を受けているエンジンへの燃料供給を停止させた直後に起こる場合があると考えられた。

試験中、定常流状態がエンジンのノズル及びガス排出チャネル内で生じる。この流れは、末広がり部２６及びチャンバ１２内の圧力を極めて低い値（典型的には、２５ｍｂａｒ台）まで低下させ、エンクロージャ１２のこの減圧は、燃焼ガスの放出によって公知の仕方で生じる。

エンジン１６への燃料供給を遮断すると、分析結果の示すところによれば、圧力回収が圧力上昇又はガス流と逆の方向に伝搬すると共に放出チャネル３０の出口から末広がり部２６の内部に放出チャネル３０に沿って昇る再圧縮波によって起こる。

今や、特に、末広がり部に関する放出チャネルの僅かな非対称であっても、これによりこれ又非対称である末広がり部内に圧力回収が生じることが判明した。これが非対称を示す限り、再圧縮波がエンジン１６の作動試験の停止時に末広がり部に加わる横方向力を生じさせる。この場合、上述のエンジンの損傷及び破壊の原因となっているのはこれら横方向力であり、末広がり部の下流側部分は、その表面積がかなり大きいこと及びエンジンの本体からのその距離がかなり長いことに起因して、末広がり部に加わる横方向力によって特に損傷を受けやすいという仮説が立てられた。

確かに、試験を受けた反動エンジンを保持するために用いられる通常の手段は、ノズルの上流側部分、より正確に言えば、末広がり部の最初の上流側の１／４を占める上流側部分に配置されている。したがって、これら手段は、横方向力が末広がり部の下流側部分に加わった場合に末広がり部の下流側部分を効果的に保持することができない。

これとは逆に、本発明によれば、定位置保持手段は、末広がり部の下流側部分と相互作用することができるよう試験台内に配置される。したがって、これら手段は、試験の停止時に末広がり部の変形及び／又は変位を阻止する効果的な支持手段となる。したがって、再圧縮波により生じる横方向力の大部分に耐えるのは、かかる横方向力に耐えるよう寸法決めされていないエンジンそれ自体の構造ではなく、これら定位置保持手段である。

一実施形態では、定位置保持手段は、末広がり部の周りに円の状態に配置されると共に末広がり部の楕円化を阻止するよう末広がり部に接触することができる例えばリングの形をした楕円化防止構造体を含む。かかる構造体は、この場合、一般的な場合である円形断面の末広がり部向きに構成されているが、その原理を非円形断面の末広がり部に拡張することができる。理解されるように、かかる楕円化防止構造体は、末広がり部の変形を制限することができると共に円の形（少なくとも末広がり部と楕円化防止構造体との間の接触箇所のところにおいて）を保持するよう末広がり部を拘束することができる剛性構造体でなければならない。

楕円化防止構造体の作用は次の通りであり、即ち、再圧縮波の第１の作用効果は、末広がり部の下流側部分を非円形形状に変形させることである。この実施形態では、保持手段は、末広がり部の真円度又は丸さを維持することができるよう設計されている。末広がり部（楕円化防止構造体と一線をなして位置している）がその円の形状を失うよう変形した場合、末広がり部は、楕円化防止構造体に接触し、この楕円化防止構造体は、末広がり部の変形を阻止し又は少なくとも制限し、かくして末広がり部の変形を阻止し又はこれを少なくとも許容可能な値に制限する。

この作用が効果的であるようするためには、楕円化防止構造体は、末広がり部の外径にほぼ等しい外径を有することが好ましい。この場合、試験中、末広がり部は、一方向又は別の方向における末広がり部の変位を生じさせる振動か熱膨張かのいずれかに起因してその軸線に垂直な平面内で動くよう構成されるのが良い。

かかる変位を可能にするため、一実施形態では、楕円化防止構造体は、所与の間隔の範囲内で試験台の固定部分に対して末広がり部の軸線に垂直に自由に動くことができ、楕円化防止構造体は、試験中、末広がり部の振幅の小さな変位を止めないでこの振幅の小さな変位に追従するようになっている。この場合、理解されるように、横方向運動は、かかる横方向運動が上述の間隔の範囲内で起こる場合、小さな振幅のものである。この間隔は、変位制限手段（停止部等）によって制限される。

本発明は、有利には、単独で又は組み合わせ状態で以下の種々の改良例から恩恵を受けることができる。
‐定位置保持手段は、末広がり部の横方向の、即ち、末広がり部の軸線に垂直な方向の変位を制限することができる少なくとも１つの横方向変位制限装置を含むのが良い。
‐少なくとも１つの横方向変位制限装置は、末広がり部の横方向変位を制限するよう楕円化防止構造体に接触することができる。
‐少なくとも１つの側方変位制限装置は、末広がり部の横方向変位の運動エネルギーを散逸させる減衰システムを有し、減衰システムは、場合によっては、例えば摩擦要素又はシリンダを含む。

本発明の第２の目的は、試験台と、試験を受けるべきエンジンとを含む組立体であって、エンジンが末広がり部を備えたノズルを有する反動モータであり、エンジンの損傷又はそれどころか破壊の恐れを減少させ又はなくす組立体を提案することにある。この目的は、試験台が上述の試験台そのものであるということによって達成される。

かかる組立体の一実施形態では、エンジンを停止させると、末広がり部の下流側半部は、末広がり部の下流側半部内に位置した末広がり部の下流側部分と相互作用することができる位置に末広がり部を保持する手段と接触関係をなしていない。当然のことながら、末広がり部は又、定位置に保持するが末広がり部の上流側半部とのみ相互作用する他の手段によって保持されるのが良い。

本発明は、非限定的な例として示された実施形態についての以下の詳細な説明を読むと十分に理解されると共にその利点が良好に明らかになろう。本明細書においては、添付の図面が参照されている。

公知の実施形態としての試験台の概略軸方向断面図である。 試験用エンジンの末広がり部の半径方向に沿って取った本発明の試験台の断面図である。 図２の試験台の定位置保持手段の作用及び構造を示す略図である。 図２の試験台の定位置保持手段の作用及び構造を示す略図である。 図１の試験台の概略部分斜視図である。 末広がり部の軸線に垂直に取った本発明の第２の実施形態としてのエンジン試験台の断面図である。

本発明は、例えば図１に示された試験台で実施されるのが良い。この目的のため、末広がり部を定位置に保持する補足的手段が設けられなければならない。

かかる手段は、図２及び図５に示されている。これらの手段は、主として、末広がり部２６と同一の軸線を備えた浮動リング５０と、リング５０及びかくして末広がり部２６の変位を制限する変位制限装置５２とを含む。末広がり部の軸線が垂直方向に差し向けられている状態では、末広がり部２６の横方向変位は、水平方向の変位である。

リング５０は、全体として円の形をしている。リング５０は、末広がり部に向いて配置された壁がその外壁に平行である中空断面を備えている。好ましくは、リングは、末広がり部の補強リブ５４と一線をなして配置されている。冷却用液体がリング内を循環し、この冷却用液体は、リングをその材料に関する許容可能な温度に維持するために用いられる。

リング（楕円防止構造体としてのリング）と末広がり部との間の接触面は、末広がり部の外面の形状に適合するよう実質的に切頭されている。

補剛リブ５６がリングの半径方向外壁に取り付けられている。この補剛リブは、大きなサイズのワッシャと同様に平板状の部品であり、かかる補剛リブは、末広がり部に非円形変形を生じさせ、その結果その材料内での応力の発生を生じさせる可能性のある水平面内におけるリングの変形を阻止するために用いられる。リブ５６は、各々がＺ軸に関して子午面内に配置された１組の山形ブラケット５８によってリング５０に取り付けられている。かくして、リング５０、リブ５６及びブラケット５８は、楕円化防止構造体５５を構成している。

リング５０は、変位制限装置５２によって定位置に保持され、変位制限装置は、垂直変位制限装置と横方向変位制限装置の両方として用いられる。

これら制限装置５２は、１つの制限装置につき１０°毎の間隔でリブ５６の周囲全体にわたって一定の角度分布状態を有する。

リング５０は、これが末広がり部２６の下流側半部内に位置する末広がり部２６の下流側部分２６１と相互作用し、かくして末広がり部のこの下流側部分の変形及び／又は変位を制限することができるようにする高さ位置に保持されている。

リング５０を垂直方向に支持するため、変位制限装置５２の各々は、リブ５６の下に配置されたボール６０を有している。リブ５６及びこれと共にリング５０は、かくして、１組のボール６０全体によって垂直方向に機械的に支持されている。

さらに、リブ５６の上方変位は、可調式カウンターねじ６２によって抑えられ、変位制限装置の一部は、この可調式カウンターねじ６２を備えている（リングの重量が当然のことながらリングをボール６０に押し付けた状態に保持しがちであることに起因して制限装置５２全てに装備することは不要である）。

したがって、リブ５６及びそれ故に浮動リング５０は、水平面内でのみ動くよう拘束されている。ボール６０は、実質的に自由に回転でき、それにより、リング５０及びリブ５６は、或る特定の限度内で水平方向に自由に動くことができる。

ボール６０並びにカウンターねじ６２は、変位制限装置５２の本体６４に直接的に又は中間部品を介して固定される。これら制限装置５２は、試験台の下側チャンバ２８内に固定されたアーク溶接支持構造体６６に固定されている。

他方、浮動リング５０の水平変位は、役割が横方向変位制限装置としての変位制限装置５２によって制限される。これら変位制限装置の各々は、弾性材料で作られていて、リブ５６と一線をなして水平に配置された停止部６８を有する。

停止部６８は、全体として円筒形の形をしている。停止部６８は、末広がり部２６に対して半径方向に制限装置５２内で自由に摺動することができる状態で取り付けられている。

停止部６８の保持を可能にするため、変位制限装置５２は、４つの半径方向に間隔を置いて設けられた部分を有する。

本体６４の第１（半径方向内側）の部分６４１は、ボール６０及びカウンターねじ（もし設けられていれば）６２を保持することができる（直接的に又はそうではない状態で）。第１の部分６４１は、ボア６１を更に有し、停止部６８は、このボア内において僅かな隙間をもって摺動し、かかるボアにより、半径方向における停止部の変位を案内することができる。

本体６４の第２の部分６４２は、チャンバ６３を有し、停止部６８は、このチャンバ内を接触しないで通過する。このチャンバの内寸は、１組の皿ワッシャ７０をこのチャンバ内で停止部６８の周りに配置することができるほどのものである。

停止部６８は、上述のチャンバの半径方向内側に、肩６８１を有し、この肩は、ワッシャ７０の内方変位を阻止する。

第３の部分６４３において、停止部６８は、本体６４の半径方向に垂直に壁７２に形成された通路を通過すると共に停止部６８の半径方向変位中、停止部６８の案内に寄与する通路を通過する。

第４の部分６４４は、停止部６８の端のところに半径方向に配置され、この第４の部分は、外側停止部７８を保持するために用いられ、その作用については後で説明する。

しかしながら、その前に、変位制限装置５２の停止部６８の作用について説明すべきである。

停止部６８の半径方向外端部は、ナット７４が螺着される雄ねじを有する。ワッシャ７０は、壁７２と停止部６８の肩６８１との間で圧縮される。かくして、通常、これらワッシャは、ナット７４を壁７２に接触させるまで、停止部６８を末広がり部の軸線に向かって内方に動かす傾向がある。

これとは逆に、エンジン試験中、末広がり部２６がリブ５６を停止部６８に接触させる方向に横方向に（水平に）動いた場合、リブ５６は、停止部の半径方向内端部に圧接し、この停止部を外方に動かす傾向があり、かくしてワッシャ７０が圧縮される。停止部６８及びより一般的に言えば制限装置５２は、リング５０及び末広がり部２６の変位を制動すると共に阻止する。

皿ワッシャ７０は、運動エネルギーの一部を弾性的に蓄えるがワッシャ相互間の相互作用の際にその一部を散逸させる減衰システムを構成している。当然のことながら、本発明の範囲内に依然として属する状態で他の減衰システムを使用することができる。

末広がり部のスラストが特に強力である場合、停止部６８の変位は、第２の外側停止部（固定停止部）７８によって制限され、この停止部６８は、ワッシャ７０がもしその変位を抑えることができなかった場合に固定停止部７８に当たる。この固定停止部７８は、半径方向ロッドの形態をしており、この固定停止部は、制限装置５２と同様、支持体８０によって支持構造体６６にしっかりと固定されている。その半径方向位置は、支持体８０に対して調節可能である。

制限装置５２の本体６４の半径方向外側部分６４４は、外側停止部７８を通過させる通路を備えた垂直壁７５を有している。この通路により、外側停止部７８を案内すると共に停止部６８がリング５０及びリブ５６によって外方に押された時点で、停止部６８が実際に外側停止部７８に接触するようにすることができる。

図３及び図４は、上述した定位置保持手段、即ち、本質的に楕円化防止構造体５５及び変位制限装置５２の機械的挙動を明示している。

末広がり部は、楕円化防止構造体５５内に半径方向隙間Ａをもって設けられ、この半径方向隙間Ａは、好ましくは、比較的小さい。この隙間は、特に、熱膨張／熱収縮に起因した試験中における末広がり部のサイズの変化を可能にする。

楕円化防止構造体５５は、ボール６０上で浮動状態に設けられており、このことは、楕円化防止構造体５５が当然のことながら或る特定の限度内で、水平面内において実質的に自由に動くことができるということを意味している。この目的のため、楕円化防止構造体と変位制限装置５２との間には隙間Ｂが設けられている。かくして、末広がり部が試験中、熱膨張差に起因して横方向に動いたとき（又は場合）、楕円化防止構造体５５は、末広がり部内で機械的力を生じさせることなく末広がり部と共に動く。変位は、当然のことながら、隙間Ａと隙間Ｂの合計に制限される。

最後に、減衰装置（ワッシャ７０）を備えた制限装置５２の使用により、末広がり部及び楕円化防止構造体の変位は、比較的弾性的に抑制可能であり、これは、衝撃を回避すること及び末広がり部２６又は実際にはエンジン自体を損傷させないことを目的としている。したがって、変位制限装置は、半径方向における補足的変位Ｃを可能にし、変位は、上述の外側停止部７８によってこの補足的変位Ｃを超えると、確実に止められる。

実際には、末広がり部直径が２メートル台の場合、隙間Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、５ｍｍの値を有する。

図６は、変位制限装置の別の実施形態を示しており、この場合、
‐垂直変位は、上述したのと同一のボール６０及びカウンターねじ６２（図示せず）によって抑えられ、
‐横方向変位は、複動シリンダ１００、この場合、「ダッシュポット（Dashpot）」型の油制動シリンダによって抑えられる。

この場合、これらシリンダの各々は、その半径方向外端部が試験台の固定部分（この例では、支持構造体６６）に固定されると共にその半径方向内端部が楕円化防止構造体５５（リブ５６に又はリング５０に直接的に）固定される。

これらシリンダは、半径方向に又は実質的に同一の結果を提供する状態で図６において理解できるように半径方向に対して斜めである横方向に沿って配置されるのが良い。この後者の配置例は、有利には、末広がり部、かくして試験台の定位置保持手段の嵩全体の減少を可能にする。

Claims (11)

1. 末広がり部（２６）を備えたノズル（２４）を有する反動エンジン（１６）のための試験台であって、前記試験台は、前記末広がり部が前記末広がり部の軸線が垂直になるよう保持することができる定位置に前記末広がり部を保持する手段を有する、試験台において、前記手段（５５，５２，６６）は、前記末広がり部の下流側半部内に位置する前記末広がり部の下流側部分（２６１）の変形及び／又は変位を制限するよう前記下流側部分（２６１）と相互作用することができる、試験台。
2. 前記定位置保持手段は、前記末広がり部（２６）の周りに円の状態に配置されると共に前記末広がり部の楕円化を阻止するよう前記末広がり部に接触することができる例えばリング（５０）の形をした楕円化防止構造体（５５）を含む、請求項１記載の試験台。
3. 前記楕円化防止構造体（５５）は、所与の間隔の範囲内で前記試験台の固定部分（６６）に対して前記末広がり部の軸線に垂直に自由に動くことができ、前記楕円化防止構造体（５５）は、試験中、前記末広がり部（２６）の振幅の小さな変位を止めないで該振幅の小さな変位に追従するようになっている、請求項２記載の試験台。
4. 前記楕円化防止構造体は、前記楕円化防止構造体（５５）と前記末広がり部（２６）との間に位置していて、前記末広がり部の外面の形状に適合するようほぼ切頭形状の接触面を有する、請求項２又は３記載の試験台。
5. 前記定位置保持手段は、前記末広がり部（２６）の横方向変位を制限することができる少なくとも１つの横方向変位制限装置（５２）を含む、請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の試験台。
6. 前記少なくとも１つの横方向変位制限装置（５２）は、前記末広がり部の前記横方向変位を制限するよう前記楕円化防止構造体（５５）に接触することができる、請求項２〜４のうちいずれか１項に従属する請求項５記載の試験台。
7. 前記少なくとも１つの側方変位制限装置は、前記末広がり部の横方向変位の運動エネルギーを散逸させる減衰システム（７０）を有し、前記減衰システムは、例えば、摩擦要素（７０）又はシリンダ（１００）を含む、請求項５又は６記載の試験台。
8. 試験中、２００ｍＢａｒ未満又はそれどころか５０ｍＢａｒ未満の圧力をエンジン（１６）の本体の周りに生じさせることができるよう構成されている、請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の試験台。
9. 前記エンジン（１６）の本体を受け入れることができるエンクロージャ（１２）を有し、前記エンクロージャは、試験中、２００ｍＢａｒ未満又はそれどころか５０ｍＢａｒ未満の圧力を前記エンジン（１６）の前記本体の周りに生じさせることができるのに十分気密に作られている、請求項１〜８のうちいずれか１項に記載の試験台。
10. 請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の試験台と、試験を受けるべきエンジン（１６）とを含む組立体であって、前記エンジンは、末広がり部（２６）を備えたノズル（２４）を有する反動モータ（１６）である、組立体。
11. 前記エンジンを停止させると、前記末広がり部の前記下流側半部は、前記末広がり部の下流側半部内に位置した前記末広がり部の下流側部分と相互作用することができる位置に前記末広がり部を保持する前記手段と接触関係をなしていない、請求項１０記載の組立体。

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