JP2014507604A - ３部同軸構造を有する少なくとも１つの噴射要素を備えている２つの推進剤の混合用のインジェクタ - Google Patents

Abstract

インジェクタは、燃焼室の上流で２つの推進剤を混合するためのインジェクタであって、同軸ダクトからなる３部同軸構造を有し、間に空間（６５）を画定している２枚のプレート（１２、１３）の間に設置される少なくとも１つの噴射要素（１４）を備え、内側同軸ダクト（２３）および外側同軸ダクト（２４）は、例えば空間（６５）を介して同じ推進剤を並列に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばロケットエンジンの燃焼室などの燃焼室の上流で２つの推進剤を混合するためのインジェクタに関する。インジェクタとは、１つ以上の噴射要素と、支持体を形成し、該当の噴射要素に推進剤を供給するための手段を有する構造体と、で構成される集合体を指す。

米国特許第６，５０２，３８５号明細書は、上述の形式のインジェクタを記載しており、すなわち、少なくとも１つの噴射要素を互いに間隔を空けて位置する２枚の固定されたプレートの間に取り付けられるインジェクタを開示している。インジェクタを構成している集合体は、「噴射ヘッド」とも呼ばれる。噴射要素または各々の噴射要素は、２枚のプレートに堅固に固定され、２枚のプレートに組み付けられている。この先行技術に具体的に示されている実施の形態によれば、噴射要素は、上流側のベースプレートにねじ込まれ、燃焼室の上方に位置する下流側のプレートに留められている。噴射要素は、３部同軸形式であり、すなわち、第１の推進剤のための環状の中央同軸ダクトと、第２の推進剤のための２つの同軸ダクト、すなわち、環状の内側同軸ダクトおよび外側同軸ダクトとを備えている。これら３つのダクトの下流端は、２つの推進剤の混合物が燃焼室に向かって放出されるように、下流側のプレートの穴を過ぎて開いている。外側同軸ダクトを画定している外側の管状の囲いは、下流側のプレートに留められている。噴射要素は、上流側のプレートに対する自身の位置の安定化および上流側のプレートの変形の防止に貢献している。

さらに、上述の噴射要素は、内側同軸ダクトおよび（前記第２の推進剤が流れる）外側同軸ダクトが、径方向に形成されて第１の推進剤が流れる中央の同軸ダクトを通過している通路により連絡する、ようである。したがって、内側および外側同軸ダクトのそれぞれの前記第２の推進剤の流量を、校正することが困難である。さらに、噴射要素を構成する部品の噛み合いは、中央同軸ダクトを通過するこれらの通路の存在ゆえに相当に複雑であり、繊細かつ高価な組み立て技術の実行を必要とする。

本発明は、これらの問題の解決を可能にする。

より詳しくは、本発明は、３部同軸構造を有し、２枚のプレート、すなわち、間に空間を画定する上流側プレートおよび下流側プレート、または、同様の部材の間に設置され、そして、前記２枚のプレートに堅固に取り付けられる少なくとも１つの噴射要素を備え、３つの同軸ダクト、すなわち、第１の推進剤のための環状の中央同軸ダクトと、第２の推進剤のための２つの同軸ダクト、すなわち、環状の内側同軸ダクトおよび外側同軸ダクトとは、前記噴射要素により定められる形式の２つの推進剤の混合のためのインジェクタであって、前記内側同軸ダクトおよび前記外側同軸ダクトは、第２の推進剤を並列に供給されることを特徴とするインジェクタに関する。

一実施の形態によれば、前記上流側および下流側の２枚のプレートの間の空間は、前記第２の推進剤を導入するための空間を形成し、前記噴射要素又は各噴射要素は、独立しかつ校正された通路、すなわち、前記導入空間を前記内側同軸ダクトに直接接続する少なくとも１つの第１の通路および前記導入空間を前記外側同軸ダクトに直接接続する少なくとも１つの第２の通路を、備える。

１つの好都合な実施の形態によれば、前記噴射要素または各々の噴射要素は、前記上流側プレートに取り付けられ、前記内側同軸ダクトが内に形成されている第１の部分と、前記第１の部分に取り付けられ、該第１の部分とで前記環状の中央同軸ダクトを画定する第２の部分と、前記第２の部分に取り付けられ、該第２の部分とで前記環状の外側同軸ダクトを画定する第３の部分と、を備える。

前記第１の部分は、単純に、前記内側同軸ダクトと前記プレートの間に画定された空間との間を延びる穴を備える。これらの穴は、径方向に対して斜めに形成されてもよい。

同様に、前記第３の部分は、好都合には、前記外側同軸ダクトと前記プレートの間に画定された空間との間を延びる穴を備える。これらの穴は、径方向に対して斜めに形成されてもよい。

１つの好都合な手段の組み合わせによれば、前記第１の部分は、前記内側同軸ダクトが周囲に形成される中央本体を備え、前記内側同軸ダクトは、環状の構成を有する。

あくまでも例として提示され、添付の図面を参照して行われる本発明の原理によるいくつかのインジェクタの以下の説明に照らして、本発明がより良く理解され、本発明の他の利点がより明瞭に見えてくるであろう。

２つの推進剤の混合のためのインジェクタの概略の側面断面図である。 １つの代案を示している図１と同様の図である。 別の代案を示している図１と同様の図である。 らせん状の斜めリブが設けられた管状要素の壁を示す詳細図である。 本発明による噴射要素の端部の第１の実施の形態の概略の縦断面図である。 １つの代案を示している図５と同様の図である。 別の代案を示している図５と同様の図である。 また別の代案を示している図５と同様の図である。

図１をさらに詳しく参照すると、上流側プレート１２または同様の部材と、下流側プレート１３または同様の部材と、２枚のプレートに堅固に取り付けられた少なくとも１つの噴射要素１４とを備える形式のインジェクタ１１が示されている。好ましくは、インジェクタは、軸対称の構成（図示せず）にて２枚のプレートの間に配置された複数のこのような噴射要素を備えている。２枚のプレートと噴射要素とからなる組は、インジェクタまたは噴射ヘッドを構成している。

噴射要素は、それぞれの軸方向における端部の付近において、上側および下側の２枚のプレート１２および１３に固定され、例えば溶接され、ろう付けされ、あるいはねじ込まれる。したがって、各々の噴射要素は、機械的な観点から見ると、プレートの変形を抑え、とくには、大きな温度勾配に曝されるプレート１３の変形を抑える一種のスペーサを構成する。

各々の噴射要素は、プレート１２および１３に対して垂直な対称軸Ｘを可能にし、この軸に対して横方向に円形の外形を有している。

上述の例（ただし、これらに限られない）によれば、３部同軸構造を有する各々の噴射要素は、２つの推進剤が流れる３つの同軸ダクト２１、２３、および２４を形成するように組み合わせられた３つの管状部分１５、１７、１９を備えている。

例えば、図１に、中央同軸ダクト２１、内側同軸ダクト２３、および外側同軸ダクト２４が示されている。第１の推進剤が、中央同軸ダクト２１を流れ、第２の推進剤が、内側同軸ダクト２３および外側同軸ダクト２４の両方を流れ、２つの推進剤が、プレート１３の下流の３つの同軸ダクトの出口で混ざり合う。次いで、この混合物が、燃焼室（図示されていない）に導入される。

３つの同軸部分１５、１７、１９は、溶接またはろう付け、あるいは随意によるねじ込みにより互いに組み立てられる。

第１の部分１５は、金属ブロック２９に定められ、上流側プレート１２に密封の様相で取り付けられる。それは、第１の推進剤を受け取る上流側ボウル３３が形成された第１の部位３１を備えている。第１の推進剤は、プレート１２の上流側から導入される。ボウル３３から、複数の穿孔３５が、ここでは噴射要素１４の対称の軸Ｘに平行に延びており、段部３７に現れている。すべての実施の形態に共有する図示されていない１つの代案によれば、穿孔３５の出口において第１の推進剤の回転運動がもたらされるよう、穿孔３５を斜めの方向に形成することができ、すなわち、軸Ｘに平行にではなく、傾けて形成することができる。

段部３７は、第１の部位３１を、より小さい直径を有する第２の中央円筒部３９から隔てている。この第２の部位３９において、第１の部位３１の一部にまで続く内側同軸ダクト２３は、軸方向の行き止まり穴２８によって具現化されている。行き止まり穴２８は、金属ブロック２９の単純な軸方向の穿孔によって得られている。穴４１は、第１の部分の外周１５と内側同軸ダクトとの間を延びている。穴４１は、外側において、２枚のプレート１２、１３の間に画定された空間に現れている。それらは、内側同軸ダクト２３の第２の推進剤に回転運動を付与するために、径方向に対して何らかの角度を形成してもよい。

第２の管状部分１７は、直径の異なる２つの部位を含んでいる。大径の部位４５の端部は、第１の部分１５の段部３７の外縁に取り付けられている（ここでは、溶接またはろう付け）。小径の第２の部位４６は、第１の部分の外壁と協働して中央同軸ダクト２１を画定するように、第１の部分の外壁と向かい合って延びている。

したがって、環状の分配チャンバ４８は、段部３７と第２の部分の２つの部位４５、４６を接続している平坦な環状の壁５０との間に定められている。この分配チャンバ４８は、中央同軸ダクト２１に連絡している。穿孔３５は、分配チャンバ４８に現れている。

第３の管状部分１９は、第２の部分１７とおおむね同様である。該部分の大径の部位５１の一端は、第２の部分１７の平坦な環状の壁５０の外縁に、ここでは溶接またはろう付けされて固定されている。該部分の小径の部位５４は、前記第２の部分の部位４６の外面に向かい合って延び、部位４６の外面と協働して外側同軸ダクト２４を画定している。部位５４は、ここではろう付けまたは溶接により、プレート１３を貫く穴５５の縁に密封の様相で取り付けられている。

環状の分配チャネル５７は、第２の部分１７の前記平坦な壁５０と、第３の部分１９の２つの部位５１、５４をつないでいる平坦な環状の壁５９との間に定められている。この壁５９は、プレート１３の内面に当接している。

分配チャンバ５７は、環状の外側同軸ダクト２４に連絡している。径方向の穴６１は、大径の部位５１に形成され、一方では分配チャンバ５７に現れ、他方では空間６５に現れている。

第２の推進剤は、噴射要素１４のための空間６５を介して供給される。

穴６１は、分配チャンバ５７および外側同軸ダクト２４の第２の推進剤に回転運動を付与するために、径方向に対して何らかの角度を形成してもよい。

このようにして、プレート１２、１３の間に定められる空間６５は、噴射要素のための第２の推進剤を導入するための空間を構成し、前記構成は、内側同軸ダクト２３および外側同軸ダクト２４に穴４１および６１をそれぞれ通って、第２の推進剤を並列に供給されるような構成である。

これらの穴は、独立し且つ校正された通路を構成する。少なくとも１つの第１の通路（穴４１）は、前記導入の空間６５を内側同軸ダクト２３に直接接続し、少なくとも１つの第２の通路（穴６１）は、導入の空間６５を外側同軸ダクトに直接接続する。したがって、内側および外側同軸ダクトの間の流量の調節が、容易になる。さらに、各々の噴射要素の構造は、きわめて単純であり、高価でない。

図２の実施の形態は、中央本体２７を備えている第１の部分の構造を除き、図１の実施の形態と同様である。残りの類似の構成要素には、同じ参照番号が付されており、さらに詳しい説明は省略する。この中央本体は、内側同軸ダクト２３に、推進剤の種々の流れについて混合の直前に流量および流速の要請をより良好に調整できるようにする環状の構造をもたらしている。換言すると、第１の部分が円柱形の中央本体を備えており、その周囲に環状の内側同軸ダクト２３が形成されている。図２の例では、中央本体２７と第１の部分１５とが単一のブロック（金属ブロック２９）を形成しており、内側同軸ダクトが、このブロックにおいて中央本体２７を独立させるような深さで環状に凹ませている。内側同軸ダクト２３は、ＥＤＭによって製作することができ、この技術そのものは、公知である。

さらに、好都合には、穴４１は、金属ブロック２９の厚みに取り付けられるチップ４２に形成される。したがって、穴４１は、より容易に校正される。この代案は、すべての実施の形態に適用できる。

図３の実施の形態においては、中央本体２７は、ボウル３３から噴射要素の下流端まで延びている前記第１の部分の軸方向の凹みに取り付けられている。換言すると、第１の部分は、溶接された２つの同軸な部品、すなわち、管状の外側部品１２９と、中央本体を形成する中央の部品２７とで形成されている。したがって、これが噴射要素の軸方向の穿孔１４０に溶接またはろう付けされた付加要素である。ここでは、この付加要素は、上流側においてフランジを形成している大径の端部１４１で終わる円柱形の形状を有しており、このフランジは、段部を形成している前記噴射要素の該当の（上流側の）端部の環状の凹所１４２に溶接またはろう付けされている。ひとたび中央本体が溶接されると、第１の推進剤を受け入れるボウル３３が、上述の例と同様に復元される。この例では、中央本体２７は、下流側の端部に開いた凹所３０を備えている。この凹所は、中央本体の下流に乱流再循環ゾーンを定める。また、中央本体の質量も軽減する。この凹所は、流れと中央本体の一次の固有振動モードとの間の空力弾性結合の恐れを減らすことも可能にする。この凹所は、随意であり、図２の実施の形態にも適合する。

図４は、らせん状のフィン１４３（あるいは、溝）が同軸ダクト２１、１３、２４のうちの１つを画定している壁の少なくとも１つの面に形成されている１つの好都合な代案を記載している。図４においては、そのようなフィン（または、溝）が中央同軸ダクト２１の内側を延びるように壁１７の内壁に設けられるものとして示されている。このようにして、いわゆる「渦」流が、このダクト２１に得られる。同じ構成は、管状要素１５または１９の１つの壁または中央本体２７の外壁に設けてもよい。その場合には、フィン１４３または溝が、内側および／または外側同軸ダクトにおいて延び、内側および／または外側同軸ダクトに同じ種類の「渦」流を生じさせる。

このような噴射要素１４の他の好都合な特徴を、図５〜７を参照して説明する。これらの図には、２つの推進剤の混合のための３部同軸構造を有する噴射要素１４の端部が示されている。噴射要素は、対称の軸Ｘを可能にしている。この噴射要素の種々の構成部品をお互いに対して配置し、すべてを推進剤の２つの供給回路に接続しながらそれぞれの位置を保つやり方は、図示されていない。したがって、複数の噴射要素を軸対称の構成を使用して互いに並列に設置してインジェクタを形成できることを、思い起こすべきである。

上述のように、噴射要素１４は、２つの推進剤を混ぜ合わせなければならない端部において、環状の同軸ダクトを定めるいくつかの管状部分１５、１７、１９を備えている。第１の推進剤Ｅ１が流れる環状の中央同軸ダクト２１を見て取ることができ、この中央同軸ダクトが、第２の推進剤Ｅ２が流れる２つの同軸ダクト２３、２４に隣接している。したがって、環状である内側同軸ダクト２３および外側同軸ダクト２４をそれぞれ見て取ることができる。

噴射要素は、第２の推進剤Ｅ２の一部が流れる内側同軸ダクト２３の内側に軸Ｘに沿って軸方向に配置された内側中央本体２７をさらに備えている。換言すると、この内側中央本体２７は、内側同軸ダクト２３に環状の構成を与えている。

図５の実施の形態によれば、内側同軸ダクト２３の外壁の端部は、中央本体２７の端部に対して第１の軸方向の引っ込みＲＩ１を有している。また、外側同軸ダクト２４の内壁の端部は、中央本体２７の端部に対して第２の引っ込みＲＩ２を有することも特徴である。

これら２つの引っ込みＲＩ１およびＲＩ２は、「内側引っ込み（inner indentations）」と呼ばれる。他方のダクトの壁の端部は、中央本体の端部の径方向の平面と同じ径方向の平面に位置する場合には、噴射要素が、上述の内側引っ込みを１つだけしか備えなくてもよいことは、明らかである。

図５の実施の形態においては、２つの内側引っ込みＲＩ１、ＲＩ２が示されており、前記第１の引っ込みＲＩ１が前記第２の引っ込みＲＩ２よりも大きい。対照的に、図６によれば、第１の引っ込みＲＩ１が第２の引っ込みＲＩ２よりも小さいことに注意すべきである。

最後に、図７の実施の形態によれば、第１および第２の引っ込みＲＩ１、ＲＩ２が等しいことに注意すべきである。

さらに、図７の実施の形態においては、開いた凹所３０が、中央本体２７の下流端に形成されている。

これらの実施の形態のすべては、２つの推進剤の混合物の品質に構造的に作用するように利用可能である追加のパラメータの組を示すために例示されている。

中央本体２７の直径（より一般的には、体積）が、内側同軸ダクト２３の断面（環状になる）の調節を可能にし、したがって、第２の推進剤のうちのこのダクトを流れる部分の速度を調節することにより、環状の中央同軸ダクト２１から現れる第１の推進剤の所望の内側せん断を得ることが可能になる。第２に、中央本体の端部の開いた凹所３０の存在が、中央本体の下流の再循環領域への作用を可能にする。この凹所の形状および寸法が、この再循環領域の構成およびサイズの調節を可能にする。最後に、存在しうる１つ以上の内側引っ込みへの作用により、推進剤の混合を最適にするために、せん断領域において生じる乱流に作用を及ぼすことも可能である。

対照的に、下流の再循環領域を減らすことが望まれる場合には、上述のように中央本体の端部に凹所を形成する代わりに、中央本体の先端を延ばすことが可能である。この状況が、図８に示されている。この例では、先端２７ａが、外側引っ込みと呼ばれ、外側の囲い（管状部分１９）の端部と上述の少なくとも１つの同軸ダクト２１、２３、２４の端部との間に定められる引っ込みＲＥの空間の内側を延びている。

Claims (19)

1. ３部同軸構造を有し、２枚のプレート（１２、１３）、すなわち、間に空間（６５）を画定する上流側プレートおよび下流側プレート、または、同様の部材の間に設置され、そして、前記２枚のプレートに堅固に取り付けられる少なくとも１つの噴射要素（１４）を備え、
   ３つの同軸ダクト、すなわち、第１の推進剤のための環状の中央同軸ダクト（２１）と、第２の推進剤のための２つの同軸ダクト、すなわち、環状の内側同軸ダクト（２３）および外側同軸ダクト（２４）とは、前記噴射要素により定められる形式の２つの推進剤の混合のためのインジェクタであって、
   前記内側同軸ダクト（２３）および前記外側同軸ダクト（２４）は、第２の推進剤を並列に供給されることを特徴とするインジェクタ。
2. 前記上流側および下流側の２枚のプレートの間の空間（６５）は、前記第２の推進剤を導入するための空間を形成し、
   前記少なくとも１つの噴射要素は、独立しかつ校正された通路、すなわち、前記導入空間を前記内側同軸ダクトに直接接続する少なくとも１つの第１の通路（４１）および前記導入空間を前記外側同軸ダクトに直接接続する少なくとも１つの第２の通路（６１）を、備えることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
3. 複数の噴射要素（１４）は、前記２枚のプレートの間に設置され、該２枚のプレートに堅固に取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載のインジェクタ。
4. 前記噴射要素または各々の噴射要素は、
   前記上流側プレートに取り付けられ、前記内側同軸ダクトが内に形成されている第１の部分（１５）と、
   前記第１の部分に取り付けられ、該第１の部分とで前記環状の中央同軸ダクトを画定する第２の部分（１７）と、
   前記第２の部分に取り付けられ、該第２の部分とで前記環状の外側同軸ダクトを画定する第３の部分（１９）と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のインジェクタ。
5. 前記第１の部分（１５）は、前記内側同軸ダクトと前記プレートの間に画定された空間との間を延びる穴（４１）を備えることを特徴とする請求項４に記載のインジェクタ。
6. 前記第１の部分の穴は、径方向に対して斜めに形成されることを特徴とする請求項５に記載のインジェクタ。
7. 前記第３の部分は、前記外側同軸ダクトと前記プレートの間に画定された空間との間を延びる穴（６１）を備えることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のインジェクタ。
8. 前記第３の部分の穴は、径方向に対して斜めに形成されることを特徴とする請求項７に記載のインジェクタ。
9. 前記第１の部分は、前記環状の内側同軸ダクトが周囲に形成される中央本体（２７）を備えることを特徴とする請求項４〜８のいずれか一項に記載のインジェクタ。
10. 前記中央本体（２７）と前記第１の部分（１５）とは、単一のブロックを形成し、
    前記内側同軸ダクトは、前記中央本体を独立させるような深さで環状に凹ませることを特徴とする請求項９に記載のインジェクタ。
11. 前記中央本体（２７）が、前記第１の部分（１５）の軸方向の凹みに取り付けられることを特徴とする請求項９に記載のインジェクタ。
12. フィン（１４３）またはらせん溝は、前記同軸ダクト（２１、２３、２４）のうちの１つを画定する少なくとも１つの壁の面に形成されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のインジェクタ。
13. １つの前記噴射要素（１４）は、前記内側同軸ダクト（２３）を環状の構成にするために、該内側同軸ダクトの内側に軸方向に配置された内側中央本体（２７）をさらに備え、
    前記内側同軸ダクトの外壁の端部は、前記中央本体の端部に対して第１の軸方向の引っ込み（ＲＩ１）を有し、および／または、前記外側同軸ダクトの内壁の端部は、前記中央本体の端部に対して第２の軸方向の引っ込み（ＲＩ２）を有することを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
14. 前記中央本体の下流端は、開いた凹み（３０）を備えることを特徴とする請求項１３に記載のインジェクタ。
15. 前記第１および第２の引っ込みが存在し、かつ等しいことを特徴とする請求項１３に記載のインジェクタ。
16. 前記第１および第２の引っ込みが存在し、かつ等しくないことを特徴とする請求項１３に記載のインジェクタ。
17. 前記第１の引っ込みは、前記第２の引っ込みよりも大きいことを特徴とする請求項１６に記載のインジェクタ。
18. 前記第１の引っ込みは、前記第２の引っ込みよりも小さいことを特徴とする請求項１６に記載のインジェクタ。
19. 前記中央本体が、先端（２７ａ）を備えることを特徴とする請求項１３または１５〜１８のいずれか一項に記載のインジェクタ。
    

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