JP2015075071A

JP2015075071A - ガス発生器

Info

Publication number: JP2015075071A
Application number: JP2013213725A
Authority: JP
Inventors: 公平多屋; Kohei Taya; 石川　康弘; Yasuhiro Ishikawa; 康弘石川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: EP3026249A1; EP3026249B1; EP3026249A4; EP3816426B1; EP3816426A1; US10072611B2; US20160153400A1; WO2015052992A1; JP6287034B2

Abstract

【課題】高温燃焼域と低温燃焼域の燃焼状態の評価を簡便に行うこと。
【解決手段】噴射器１の基板１０に複数配置した各噴射エレメント１１に、基板１０の前方の燃焼箇所ＣＰに燃料及び酸化剤を噴射する異種衝突型の燃焼用酸化剤噴射ノズル１３及び燃焼用燃料噴射ノズル１５と、燃焼箇所ＣＰよりもさらに前方の希釈箇所ＤＰに希釈用の燃料を噴出する希釈用噴射ノズル１７とを設けた。そして、燃焼箇所ＣＰの近傍の高温燃焼域ＨＡにおいて燃料と酸化剤を、着火性や保炎性が担保される適切な範囲内の混合比で燃焼させ、これにより発生した燃焼ガスを希釈用燃料又は希釈用酸化剤で希釈して、配管接続部４の近傍の低温燃焼域ＬＡにおいて燃焼ガスを低混合比（燃料リッチ）又は超高混合比（酸素リッチ）の状態で燃焼させて低温化及び均一化させる構成とした。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料及び酸化剤を混合し燃焼させるガス発生器に関する。

例えばロケットエンジンにおいては、燃料と酸化剤をそれぞれのターボポンプにより加圧して主燃焼室に供給する。その際、燃料と酸化剤の一部をガス発生器に導入して燃焼させ、その燃焼ガスを燃料と酸化剤の各ターボポンプのタービン駆動流体として供給するようにしている。

ターボポンプに供給するガス発生器の燃焼ガスは、ターボポンプのタービンの耐久性の観点から低温とする必要がある。そこで、ガス発生器では、燃料と酸化剤を燃料過多の低い混合比で燃焼させて燃焼ガスの温度を抑えている。

ここで、燃料と酸化剤の混合比とは、酸化剤の質量流量を燃料の質量流量で除した値のことである。適切な範囲を外れて燃料過多とした場合は低混合比（燃料リッチ）となり、適切な範囲を外れて酸化剤過多とした場合は超高混合比（酸素リッチ）となる。

なお、燃料過多の状態では可燃限界が近く着火性や保炎性が悪いので、不着火や消炎による燃焼ガスの出力不足を避けるために、適切な範囲内の混合比で燃焼させた燃料と酸化剤の燃焼ガスを燃料で希釈し混合比を下げることで、燃焼ガスの温度を下げている（例えば、非特許文献１）。

また、適切な範囲内の混合比で燃焼させた燃料と酸化剤の燃焼ガスを燃料で希釈するガス発生器として、同種衝突型の燃料噴射ノズルを有する複数の噴射エレメントを燃焼器の中央部と外周部に同心円上に配置し、その間に、同種衝突型の酸化剤噴射ノズルを有する複数の噴射エレメントを同心円上に配置したものが提案されている（例えば、特許文献１）。

この提案では、燃焼器の中央部に燃料及び酸化剤が等量噴射される高温燃焼域が形成され、燃焼器の外周部に燃料及び酸化剤が燃料過多の状態で噴射される低温燃焼域が形成される。

特開２０１２−１８９０１４号公報

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

上述した従来のガス発生器によれば、高温燃焼域において保炎性を担保しつつ、その燃焼ガスを低温燃焼域において燃料で希釈し混合比を下げることで、燃焼ガスの温度を下げることができ、保炎性と燃焼ガスの低温化とを両立して駆動流体としての燃焼ガスをターボポンプに安定供給することができる。

本発明は、上述した従来のガス発生器をさらに改良し、着火性や保炎性が担保される適切な範囲内の混合比の高温燃焼域における燃焼状態と、適切な範囲を外れた低混合比（燃料リッチ）や超高混合比（酸素リッチ）の低温燃焼域における燃焼状態とをより均一化し、かつ、その評価を簡便に行って開発コストを低減することができるガス発生器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載した本発明のガス発生器は、
噴射器から噴射した燃料及び酸化剤を燃焼器において混合燃焼させるガス発生器であって、
前記噴射器は同一面上に配置した複数の噴射エレメントを備えており、
前記各噴射エレメントは、
前記燃焼器における前記面の前方の燃焼箇所において、燃料及び酸化剤の各噴流を混合燃焼させる１又は複数の燃焼用燃料噴射ノズル及び１又は複数の燃焼用酸化剤噴射ノズルと、
前記燃焼器における前記燃焼箇所よりもさらに前記面の前方の希釈箇所に向けて噴射した希釈用の燃料又は酸化剤を、前記燃焼箇所で発生した燃焼ガスに混合させる１又は複数の希釈用噴射ノズルと、
をそれぞれ有している、
ことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明のガス発生器によれば、各噴射エレメントにおいて、燃焼箇所において燃焼用燃料噴射ノズルからの燃料と燃焼用酸化剤噴射ノズルからの酸化剤とが、着火性や保炎性が担保される適切な範囲内の混合比で混合されて、高温で燃焼する。これにより発生した高温の燃焼ガスは、燃焼箇所よりも前方の希釈箇所において希釈用噴射ノズルからの燃料又は酸化剤により希釈され、低温の燃焼ガスとなる。

つまり、燃焼箇所で適切な混合比で混合された燃料と酸化剤の高温燃焼と、それにより発生した高温の燃焼ガスを希釈箇所で燃料又は酸化剤により希釈して燃料過多（燃料リッチ）又は酸化剤過多（酸素リッチ）とした燃焼ガスの低温燃焼とが、各噴射エレメントにおいて完結して行われることになる。このため、高温燃焼域での燃焼状態と低温燃焼域での燃焼状態とを、燃焼器単位でなく噴射エレメント単位で個別に均一化し、さらに、評価することができる。

よって、１つの噴射エレメントの燃焼状態を評価することで燃焼器全体の燃焼状態を評価することができ、高温燃焼域と低温燃焼域の燃焼状態をより均一化し、かつ、その評価を簡便に行って開発コストを低減することができる。

また、請求項２に記載した本発明のガス発生器は、請求項１に記載した本発明のガス発生器において、前記１又は複数の燃焼用燃料噴射ノズル及び１又は複数の燃焼用酸化剤噴射ノズルは、前記燃焼箇所において燃料及び酸化剤の各噴流を衝突させ異種衝突型の噴射ノズルであり、前記希釈用噴射ノズルは、前記燃焼箇所における前記燃料及び酸化剤の各噴流が衝突して発生した衝突噴流の飛翔方向の延長線上に存在する混合点に向けて、前記希釈用の燃料又は酸化剤を噴出することを特徴とする。

請求項２に記載した本発明のガス発生器によれば、請求項１に記載した本発明のガス発生器において、異種衝突型の燃焼用燃料噴射ノズル及び燃焼用酸化剤噴射ノズルからの燃料及び酸化剤は、燃焼箇所において衝突混合して衝突噴流となる。燃焼箇所から飛翔する衝突噴流の向きは、燃焼用燃料噴射ノズル及び燃焼用酸化剤噴射ノズルからの燃料及び酸化剤の噴射方向や噴射速度によって定まる。

そして、衝突噴流の飛翔方向の延長線上に存在する混合点において、希釈用噴射ノズルからの希釈用の燃料又は酸化剤が衝突噴流の燃焼ガスと衝突し、燃焼ガスが燃料又は酸化剤により希釈されて低混合比（燃料リッチ）化又は超高混合比（酸素リッチ）化される。これにより、高温の燃焼ガスの希釈とそれによる燃焼ガスの低温化が効率よく行われる。

このため、高温燃焼域における着火性及び保炎性の確保と、低温燃焼域における燃焼ガスの低温化及び均一化とを効率よく両立させ、タービン駆動流体として適した状態の燃焼ガスをターボポンプに安定供給することができる。

本発明によれば、着火性や保炎性が担保される適切な範囲内の混合比の高温燃焼域と、適切な範囲を外れた低混合比（燃料リッチ）や超高混合比（酸素リッチ）の低温燃焼域の燃焼状態とをより均一化し、かつ、その評価を簡便に行って開発コストを低減することができる。

本発明が適用される液体ロケットエンジンの概略構成を示す説明図である。図１の液体ロケットエンジンに適用される本発明の一実施形態に係るガス発生器の説明図である。図２の噴射器の正面図である。（ａ）は図３の噴射エレメントの拡大正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。（ａ）〜（ｃ）は図４（ａ）の燃焼箇所で衝突した燃料及び酸化剤の噴流の飛翔状態を燃焼用酸化剤噴射ノズルの数及び配置別に示す説明図である。図２の燃焼器における燃料及び酸化剤の衝突噴流と希釈用燃料の噴流との位置関係を示す説明図である。本発明の他の実施形態に係るガス発生器の噴射器に用いられる噴射エレメントを示すもので、（ａ）は拡大正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用される液体ロケットエンジンの概略構成を示す説明図である。

図１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。ターボポンプには、燃料用と酸化剤用とが一体となった１軸形式ものを用いることもできる。

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、ターボポンプＴＰ１，ＴＰ２のタービンの熱保護だけでなく、強度や寿命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（燃料リッチ）とした低混合比の状態、又は、酸化剤過多（酸素リッチ）とした超高混合比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（例えば５００℃程度）している。

ガス発生器ＧＧは、図２の説明図に示すように、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３の正面図に示すように、同一の構造を有する複数の噴射エレメント１１を円形の基板１０の表面１０ａ上（同一面上）に設けた構造を有している。各噴射エレメント１１は、本実施形態では、基板１０の表面１０ａの中央を中心とする同心円の各円周上に間隔をおいて配置されている。運用によっては、各噴射エレメント１１を必ずしも同心円の各円周上に配置しなくてもよい。

図４（ａ）の説明図に示す例では、各噴射エレメント１１に、１つの燃焼用酸化剤噴射ノズル１３と３つの燃焼用燃料噴射ノズル１５とを設けている。燃焼用酸化剤噴射ノズル１３は同心円の中心に配置され、３つの燃焼用燃料噴射ノズル１５は同心円のうち小径の円周上に等間隔で配置されている。

また、図４（ａ）に示す例では、各噴射エレメント１１に３つの希釈用噴射ノズル１７をさらに設けている。３つの希釈用噴射ノズル１７は、同心円のうち大径の円周上に等間隔で配置されている。

図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図である図４（ｂ）に示すように、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３は、基板１０の前方に向けて酸化剤を噴射する。各燃焼用燃料噴射ノズル１５は、燃焼器２の燃焼箇所ＣＰに向けて燃料を噴射する。燃焼箇所ＣＰは、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３からの燃料の噴射軸線上に位置している。

このため、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３からの酸化剤と各燃焼用燃料噴射ノズル１５からの燃料は、燃焼器２の燃焼箇所ＣＰにおいて衝突する。即ち、本実施形態の噴射エレメント１１は、異種衝突型の噴射器を構成している。

また、各希釈用噴射ノズル１７は、燃焼器２の希釈箇所ＤＰに向けて希釈用の燃料又は酸化剤を噴射する。希釈箇所ＤＰは、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３からの燃料の噴射軸線上にあり、燃焼箇所ＣＰよりもさらに基板１０の前方に位置している。

ここで、図５（ａ）〜（ｃ）の説明図に示すように、燃焼箇所ＣＰにおいて衝突した燃焼用酸化剤噴射ノズル１３からの酸化剤と各燃焼用燃料噴射ノズル１５からの燃料は、混合されて衝突噴流ＣＪとなる。燃焼箇所ＣＰから飛翔する衝突噴流ＣＪの向きは、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３及び燃焼用燃料噴射ノズル１５からの酸化剤及び燃料の噴射方向や噴射速度によって定まる。

衝突噴流ＣＪは、燃料と酸化剤とが全体の混合比よりも高い比で混合された高混合比のガスであり、着火されて燃焼ガスとなる。これにより、燃焼箇所ＣＰの近傍に、衝突噴流ＣＪを囲む高温燃焼域ＨＡ（図４（ｂ）参照）が形成される。

なお、図５（ａ）は、各噴射エレメント１１に燃焼用燃料噴射ノズル１５を２つ設けた場合、（ｂ）は３つ設けた場合、（ｃ）は４つ設けた場合をそれぞれ示している。いずれの場合も、各燃焼用燃料噴射ノズル１５は周方向に等間隔で配置される。

図５（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、衝突噴流ＣＪは、燃焼用燃料噴射ノズル１５が配置される円周の径方向において、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３から、円周上における隣り合う２つの燃焼用燃料噴射ノズル１５の中間位置に向かう方向に、強い指向性を有している。つまり、衝突噴流ＣＪの指向性が強い方向（数）は、燃焼用燃料噴射ノズル１５の数（配置）に応じて変わる。

そこで、各噴射エレメント１１には、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、各燃焼用燃料噴射ノズル１５に対応して希釈用噴射ノズル１７が設けられ、衝突噴流ＣＪの指向性が強い方向の延長線上にそれぞれ配置される。なお、図５（ａ）〜（ｃ）では、１つの燃焼用燃料噴射ノズル１５に対応して１つの希釈用噴射ノズル１７を設けた場合を示しているが、１つの燃焼用燃料噴射ノズル１５に対応して複数）の希釈用噴射ノズル１７を設けてもよい。

そして、図４（ｂ）に示す希釈箇所ＤＰに向けて噴射された各希釈用噴射ノズル１７からの希釈用の燃料又は酸化剤は、図６の説明図に示すように、衝突噴流ＣＪの飛翔方向の延長線上に存在する混合点ＭＰにおいて衝突噴流ＣＪと衝突する。この衝突により、燃焼ガスが希釈用燃料又は希釈用酸化剤により希釈されて低混合比（燃料リッチ）化又は超高混合比（酸素リッチ）化され、配管接続部４の近傍に低温燃焼域ＬＡ（図４（ｂ）参照）が形成される。

このように、本実施形態では、噴射器１の基板１０に複数配置した各噴射エレメント１１に、基板１０の前方の燃焼箇所ＣＰに酸化剤及び燃料を噴射する異種衝突型の燃焼用酸化剤噴射ノズル１３及び燃焼用燃料噴射ノズル１５と、燃焼箇所ＣＰよりもさらに前方の希釈箇所ＤＰに希釈用の燃料又は酸化剤を噴出する希釈用噴射ノズル１７とを設けた。

そして、燃焼箇所ＣＰの近傍の高温燃焼域ＨＡにおいて燃料と酸化剤を、着火性や保炎性が担保される適切な範囲内の混合比で燃焼させ、これにより発生した高温の燃焼ガスを希釈用燃料又は希釈用酸化剤で希釈して、配管接続部４の近傍の低温燃焼域ＬＡにおいて燃焼ガスを低混合比（燃料リッチ）又は超高混合比（酸素リッチ）の状態で燃焼させて低温化させる構成とした。

このため、高温燃焼域ＨＡにおける燃焼状態と低温燃焼域ＬＡにおける燃焼状態とを、全ての噴射エレメント１１の評価結果を総合した燃焼器２単位ではなく、各噴射エレメント１１の単位で個別に評価することができる。換言すると、１つの噴射エレメント１１の燃焼状態を評価することで燃焼器２全体としての燃焼状態を評価することができる。よって、燃焼器２における高温燃焼域と低温燃焼域の燃焼状態の評価を簡便に行うことができる。

なお、同種衝突型の燃料噴射ノズルと酸化剤噴射ノズルとの組み合わせで噴射器を構成すると、燃料と酸化剤とを混合した燃焼ガスに、ノズルから噴射して同種衝突させた希釈用の燃料又は酸化剤を混合することになるので、燃焼ガスを希釈する箇所が噴射器の比較的近傍に設定されることになる。

これに対し、本実施形態では、各噴射エレメント１１が異種衝突型の噴射器を構成するものとした。そして、各噴射エレメント１１にそれぞれ設けた希釈用噴射ノズル１７が、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３からの酸化剤と各燃焼用燃料噴射ノズル１５からの燃料とが衝突して燃焼する燃焼箇所ＣＰよりも遠方の希釈箇所ＤＰに、希釈用の燃料又は酸化剤を噴射する構成とした。

このため、希釈用の燃料又は酸化剤が燃焼ガスと混合されて低混合比（燃料リッチ）化又は超高混合比（酸素リッチ）化される希釈箇所ＤＰを、各噴射エレメント１１単位で、燃料と酸化剤とが混合されて燃焼する燃焼箇所ＣＰの遠方に配置することができる。よって、燃焼器２の燃焼空間の広い範囲で燃焼ガスを希釈用の燃料又は酸化剤で希釈する構成を実現することができる。

しかも、希釈用の燃料又は酸化剤による燃焼ガスの希釈を、噴射器１の遠方で各噴射エレメント１１単位に分散して個別に行うので、噴射器１付近での着火性を確保しつつ噴射器１全体での燃焼ガスの希釈をより確実に行えるようにすることができる。

また、本実施形態では、燃焼箇所ＣＰで衝突した燃料及び酸化剤の衝突噴流ＣＪの飛翔方向の延長線上に存在する混合点ＭＰに向けて希釈用燃料又は希釈用酸化剤を噴射する構成とした。このため、燃焼箇所ＣＰにおける衝突で拡散して飛翔する衝突噴流ＣＪの強い指向性の方向成分に、希釈用噴射ノズル１７からの希釈用燃料又は希釈用酸化剤を効率よく衝突させて、燃焼ガスの低混合比（燃料リッチ）化又は超高混合比（酸素リッチ）化とそれによる燃焼ガスの低温化を、より均一的に、かつ、効率的に実現することができる。

このため、高温燃焼域ＨＡにおける着火性及び保炎性の確保と、低温燃焼域ＬＡにおける燃焼ガスの低温化及び均一化とを効率よく両立させ、駆動流体として適した低温の燃焼ガスをターボポンプＴＰ１，ＴＰ２に安定供給することができる。

なお、上述した実施形態では、各噴射エレメント１１に設ける燃焼用酸化剤噴射ノズル１３及び燃焼用燃料噴射ノズル１５を異種衝突型とした。しかし、例えば、図７（ａ）の正面図とそのＢ−Ｂ線断面図である図７（ｂ）に示すように、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３及び燃焼用燃料噴射ノズル１５を同軸型としてもよい。同軸型とする場合は、燃焼用燃料噴射ノズル１５を、燃焼用酸化剤噴射ノズル１３を中心とする円環状に形成する。

この場合、図７（ａ）中では図示を省略しているが、希釈用噴射ノズル１７は、燃焼用燃料噴射ノズル１５と同じく円環状に形成してその外側に配置してもよく、図４（ａ）に示す先の実施形態の噴射エレメント１１と同様に、燃焼用燃料噴射ノズル１５の円周の外側に位置する同心円の円周上に複数配置してもよい。

また、本実施形態では、液体ロケットエンジンのガス発生器ＧＧを例に取って説明したが、本発明は、燃料及び酸化剤を燃料過多（燃料リッチ）とした低混合比の状態、又は、酸化剤過多（酸素リッチ）とした超高混合比の状態で混合し燃焼させるガス発生器に広く適用可能である。

１噴射器
２燃焼器
４配管接続部
１０基板
１０ａ表面
１１噴射エレメント
１３燃焼用酸化剤噴射ノズル
１５燃焼用燃料噴射ノズル
１７希釈用噴射ノズル
Ｃ主燃焼室
ＣＪ衝突噴流
ＣＰ燃焼箇所
ＤＰ希釈箇所
ＧＧガス発生器
ＨＡ高温燃焼域
Ｉ主噴射器
ＬＡ低温燃焼域
ＭＰ混合点
Ｎノズル
ＴＰ１，ＴＰ２ターボポンプ

Claims

噴射器から噴射した燃料及び酸化剤を燃焼器において混合燃焼させるガス発生器であって、
前記噴射器は同一面上に配置した複数の噴射エレメントを備えており、
前記各噴射エレメントは、
前記燃焼器における前記面の前方の燃焼箇所において、燃料及び酸化剤の各噴流を混合燃焼させる１又は複数の燃焼用燃料噴射ノズル及び１又は複数の燃焼用酸化剤噴射ノズルと、
前記燃焼器における前記燃焼箇所よりもさらに前記面の前方の希釈箇所に向けて噴射した希釈用の燃料又は酸化剤を、前記燃焼箇所で発生した燃焼ガスに混合させる１又は複数の希釈用噴射ノズルと、
をそれぞれ有している、
ことを特徴とするガス発生器。
前記１又は複数の燃焼用燃料噴射ノズル及び１又は複数の燃焼用酸化剤噴射ノズルは、前記燃焼箇所において燃料及び酸化剤の各噴流を衝突させ異種衝突型の噴射ノズルであり、前記希釈用噴射ノズルは、前記燃焼箇所における前記燃料及び酸化剤の各噴流が衝突して発生した衝突噴流の飛翔方向の延長線上に存在する混合点に向けて、前記希釈用の燃料又は酸化剤を噴出することを特徴とする請求項１記載のガス発生器。