JP2015536412A - 噴射要素 - Google Patents

Abstract

本発明は、噴射器の分野、特に、少なくとも一つの第一螺旋経路２０４と少なくとも一つの第二螺旋経路２０５とを具備し、これら螺旋経路２０４，２０５のそれぞれは、噴射要素２０１の中心軸線Ｘを中心とする各螺旋形状２０４ａ，２０５ａに従う、噴射要素２０１に関する。少なくとも一つの第二螺旋経路２０５の螺旋形状２０５ａは、少なくとも一つの第一螺旋経路２０４の螺旋形状２０４ａの内側に位置させられる。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、噴射器の分野、特に、例えばロケットエンジンの燃焼室等の燃焼室内へ少なくとも二つの推進剤の混合物を噴射するための要素に関する。

ある特許文献では、ロケットエンジンの燃焼室内への噴射のための二つの推進剤の噴射器であって、噴射器の一部を形成する円形噴射板構造の表面上に軸対称形状に互いに平行に配置された複数の噴射要素へ二つの推進剤を供給する供給構造を有する、噴射器を開示しています（例えば、特許文献１参照。）。このような噴射板は、さらに、実際に多数の例えば百以上のように多くの噴射要素に関連しても良く、これら噴射要素の個々の流量は、エンジンのための全流量を供給するために組み合わせられる。

先行技術の噴射器において、各噴射要素は、第一推進剤を噴射するための第一経路と第二推進剤を噴射するための第二経路とを有し、第二経路は、環状であり、第一経路の外側回りに同軸に隣接する。

この状況において、用語「環状経路」は、環状流れ断面を示す半径方向断面を有する経路を意味するのに使用され、一方、「筒状」経路は、連続した断面を有する経路を意味するのに使用される。さらに、用語「上流」及び「下流」は、推進剤の流れ方向に関して定められる。

こうして、推進剤は、特許文献１の噴射器の噴射要素の同軸経路を介して燃焼室内へ噴射され、前述の同軸に隣接する流れの間の境界層において発生する乱流は、それらの流れの剪断によって二つの推進剤の均一混合を確保するのに役立つことができる。

それにもかかわらずに、この基本概念に原因して、噴射及び燃焼の質を落とすことなく各噴射要素の個々の能力を増大するための幾何学因子の変更において、困難性に遭遇する。流量をより増加すると、混合はより均一でなくなり、燃焼の質は低下する。

混合の質を改善するために提案されている一つの技術は、複数の推進剤の中の少なくとも一つへ旋回動作を与えることである。このために、ある特許文献に開示された噴射要素において、ねじれ板が、推進剤の一つにこのような旋回動作を発生するのに使用される（例えば、特許文献２参照。）。また別の特許文献に開示されたもう一つの解決方法において、噴射要素は、推進剤の一つを噴射するための螺旋経路を有する（例えば、特許文献３参照。）。それにもかかわらずに、先行技術のこれらの装置によって提供される上述の混合の均一性を改善することが望まれる。

仏国特許出願公開第２７１２０３０号明細書 欧州特許出願公開第３４４４６３号明細書 欧州特許出願公開第１８７３３９０号明細書

本発明は、燃焼室内へ少なくとも二つの推進剤を噴射するための噴射要素を提案することを探り、この噴射要素は、少なくとも一つの第一螺旋経路と少なくとも一つの第二螺旋経路とを具備し、前記螺旋経路のそれぞれは、噴射要素の中心軸線を中心とする各螺旋形状に従う中心線を有し、推進剤のより均一な混合を得ることを可能とする。

この目的は、少なくとも一つの実施形態において、少なくとも一つの第二経路の螺旋形状が少なくとも一つの第一経路の螺旋形状の内側に位置させられることによって達成される。こうして、少なくとも一つの第二螺旋経路の中心線と前述の中心軸線に垂直な平面との交点が、少なくとも一つの第一螺旋経路の中心線とこの同平面との交点より中心軸線により近い。同軸の螺旋形状に従うこれらの螺旋経路は、推進剤のより良好な混合を促進する。

もし、噴射要素がこのような複数の第一螺旋経路とこのような複数の第二螺旋経路とを有するならば、これらの経路は共に、中心軸線回りに同軸の環体を形成する。

各螺旋経路の螺旋形状は、円螺旋形状、すなわち、円形に含まれる螺旋形状であっても良く、又は、選択的に、円錐螺旋形状であっても良い。このような円錐螺旋形状は、得られる経路を収束することを可能とし、それにより、推進剤のより良好な混合を促進する。それにもかかわらずに、円螺旋形状又は円錐螺旋形状以外の螺旋形状も要求に応じて考えられる。

さらに、噴射要素から下流側での推進剤の混合を改善するために、前述の複数の螺旋経路の中の少なくとも一つは、螺旋形状回りにねじられる非円形断面をもたらしても良い。こうして、このようにねじられた各螺旋経路において流線のねじれを得ることを可能とし、それにより、下流側での推進剤の混合を容易にする。

噴射要素から下流側での乱流を増大するために、さらに、噴射要素から下流側での推進剤の混合を改善するために、第一及び第二螺旋経路の螺旋形状は、反対方向に旋回しても良い。これは、もし、第一螺旋経路が第一推進剤のための入口へ接続されて、第二螺旋経路が第一推進剤のための入口とは別の第二推進剤のための入口へ接続されるならば、特に効果的であるかもしれず、こうして、二つの推進剤の間の乱流が増大させられる。

それにもかかわらずに、前述の第一及び第二螺旋経路が同じ推進剤の入口へ接続されることも考えることが可能である。特に、この状況においてだけでなく、噴射要素は、少なくとも一つの第三経路を有しても良く、この第三経路も噴射要素の中心軸線を同様に中心とする螺旋形状に従う螺旋状であっても良く、しかしながら、例えば、環形状又は真っ直ぐな筒形状等の選択的な幾つかの他の形状をもたらすことも可能である。この第三経路は、第一螺旋経路の螺旋形状の外側に、第二螺旋経路の螺旋形状の内側に、又は、第一及び第二螺旋経路の螺旋形状の間に、配置されても良い。

第一及び第二経路の中の少なくとも一つは、単一部材内に形成されても良い。これらの準備によって、低減された損失水頭を有してより良好な混合を得るために螺旋経路の断面を最適化することを可能とする。加えて、噴射要素は、こうして、より強固とされるかもしれない。前述の単一部材は、特に、積層成形によって製作されても良い。

混合を容易にするために、第二推進剤の流線を分けると同時に、噴射要素は、第二推進剤を噴射するための複数の螺旋経路を有しても良く、複数の螺旋経路のそれぞれは、中心軸線を中心とする各螺旋形状に従う。

本発明は、非限定の表示として与えられる実施形態の以下の詳細な記述を読むことにおいて良く理解されることができ、その利点がより明らかとなる。この記述は以下の添付図面を参照する。

液体推進剤ロケットエンジンの概略図である。 第一実施形態における噴射要素の切り取り側面図である。 図２Ａの噴射要素の螺旋経路の概略図である。 第二実施形態における噴射要素の切り取り側面図である。 図３Ａの噴射要素の螺旋経路の概略図である。 第三実施形態における噴射要素の切り取り側面図である。 図４Ａの噴射要素の線ＩＶＢ−ＩＶＢ上の断面図である。 第四実施形態における噴射要素の断面図である。 第五実施形態における噴射要素の三つの螺旋経路の概略図である。 図６Ａの噴射要素の断面図である。 本発明の変形における螺旋経路の概略側面図である。 図７Ａの経路の平面ＶＩＣ上の断面図である。

図１は、液体推進剤、特に、低温液体推進剤を有するロケットエンジン１を示す図である。ロケットエンジン１は、第一推進剤のためのタンク２と、第二推進剤のためのタンク３と、第一及び第二推進剤が供給される気体発生器４と、気体発生器４から到来する燃焼気体によって作動させられるターボポンプ５と、ターボポンプ５によって推進剤が供給される主燃焼室６と、主燃焼室６において発生させられた燃焼気体の噴出推力のための収束発散ノズル７と、を有する。

気体発生器４と主燃焼室６との両方において効率的な燃焼を得るために、これらの要素は、推進剤を噴射するための噴射部材を有し、この噴射部材は、推進剤の均一な混合と分配とを得ることを可能とする。一般的に、これらの噴射部材は、噴射板を具備する噴射器の形状であり、噴射板は、それに配置された二つの推進剤のための複数の噴射要素を有する。

図２Ａ及び２Ｂは、二つの推進剤Ｅ１及びＥ２を混合して噴射するための噴射要素２０１を示す。噴射要素２０１は、中心軸線Ｘをもたらし、この中心軸線は、推進剤Ｅ１及びＥ２の主流れ軸線でもある。

噴射要素２０１は、第二推進剤Ｅ２を噴射するための一組の第二螺旋経路２０５回りに配置された第一推進剤Ｅ１を噴射するための一組の第一螺旋経路２０４を具備する。この第一実施形態において、第一経路２０４の中心線を形成する螺旋形状２０４ａは、第一方向に旋回する円螺旋形状であり、第二経路２０５の中心線を形成する螺旋形状２０５ａは、同様に円形であるが、同じ中心軸線Ｘ回りに第一方向とは反対の第二方向に旋回する。

噴射要素２０１は、一つの単一部材として、この単一部材の大きさ内に形成される螺旋経路２０４及び２０５を有して形成される。

第一螺旋経路２０４は、第一推進剤Ｅ１のための入口へ接続され、この第一推進剤Ｅ１を噴射するように形成され、一方、第二螺旋経路２０５は、第一螺旋経路２０４の螺旋形状２０４ａ内に位置させられ、第二推進剤Ｅ２のための入口へ接続され、この第二推進剤Ｅ２を噴射するように形成される。噴射要素２０１が作動状態にある間において、螺旋経路２０４及び２０５は、推進剤Ｅ１及びＥ２のそれぞれの流線を分離させ、推進剤のそれぞれへ反対方向の旋回動作を与える。第一推進剤Ｅ１の流れに関する第二推進剤Ｅ２の流れの傾斜角度は、それらの流れの間の剪断をもたらし、噴射要素２０１からの下流側において二つの推進剤Ｅ１及びＥ２の均一な混合を得るのに役立つ乱流を発生する。

この第一実施形態における螺旋経路２０４及び２０５は円螺旋形状に従うけれども、他の選択的な形状を考えることが可能である。こうして、図３Ａ及び３Ｂに示される実施形態において、各要素は、第一実施形態における等価要素と同じ参照番号を受け、螺旋経路２０４及び２０５は、下流方向において中心軸線Ｘ上に収束する円錐螺旋形状２０５ａの中心線に従う。こうして、この噴射要素２０１の作動中において、推進剤Ｅ１及びＥ２の得られる流れは、旋回するだけでなく収束する。この収束は、こうして、噴射要素２０１から下流側での二つの推進剤Ｅ１及びＥ２の混合を促進する。他の実施形態のために他の螺旋形状を考えることが可能である。こうして、この状況において、用語「螺旋形状」は、広義で使用され、中心軸線Ｘに関して可変角度をもたらして、螺旋の間の可変ピッチをもたらす線を含むことですら可能である。

図４Ａ及び４Ｂに示されたさらにもう一つの実施形態において、同軸の第一及び第二螺旋経路２０４及び２０５は、全て、第二推進剤Ｅ２の入口へ接続される。こうして、螺旋経路２０４，２０５の複数の同軸リング２１０を介して第二推進剤Ｅ２を噴射することが可能とされ、それにより、第二推進剤Ｅ２のための所望の流量へのより良好な適合を得る。第一推進剤Ｅ１のための入口へ接続される環状断面の第三経路２０６は、第一推進剤Ｅ１を噴射するのに役立つ。この第三経路２０６は、第一及び第二螺旋経路２０４，２０５の螺旋形状２０４ａ，２０５ａの外側に位置させられる。図４Ａ及び４Ｂに示された噴射要素２０１の残りの要素は、前述の図面の対応要素と同じ参照番号が与えられる。

それにもかかわらずに、選択として、第三経路２０６は、図５に示された実施形態のように第一及び第二螺旋経路２０４及び２０５の同軸リング２１０の内側に位置させられても良い。この実施形態において、第三経路２０６は、真っ直ぐな筒状経路である。前述の実施形態におけるように、同軸の第一及び第二螺旋経路２０４及び２０５は、全て、第二推進剤Ｅ２のための入口へ接続され、一方、第三経路２０６は、第一推進剤Ｅ１のための入口へ接続される。図５Ａ及び５Ｂに示された噴射要素２０１の残りの要素は、前述の図面の対応要素と同じ参照番号が与えられる。

少なくとも一つの第三経路２０６も、図６Ａ及び６Ｂに示された実施形態にように螺旋形状であっても良い。この実施形態において、噴射要素２０１は、第一螺旋経路２０４と第二螺旋経路２０５との間に配置された複数の第三螺旋経路２０６を有する。経路２０４の一つ、経路２０５の一つ、及び、経路２０６の一つの図である図６Ａに見られることができるように、下流側での推進剤Ｅ１及びＥ２の混合を最適化するために、第三螺旋経路２０６は、中心軸線Ｘ回りに第一及び第二螺旋経路２０４及び２０５と反対方向に旋回する。前述の実施形態におけるように、同軸の第一及び第二螺旋経路２０４及び２０５は、全て、第二推進剤Ｅ２のための入口へ接続され、一方、第三経路２０６は、第一推進剤Ｅ１のための入口へ接続される。

前述の実施形態のそれぞれにおいて、螺旋経路は、単一部材に形成され、それにより、特に、螺旋経路が特定断面を与えられることを可能とする。例えば、図７Ａ及び７Ｂに示されるように、各螺旋経路２０５は、螺旋形状２０５ａに関して横断方向に非円形断面をもたらしても良く、この非円形断面は、螺旋形状２０５ａ回りに旋回する流線を生じさせるために螺旋形状２０５ａ回りにねじられている。作動において、これは、噴射要素から下流側での推進剤のさらなる効果的な混合を提供する。

幾つかの方法が、この複雑な形状の単一部材の成形のために使用されても良い。特に、いわゆる積層成形方法が、このような部材の成形のために使用されても良い。この状況において、用語「積層成形」は、三次元（３Ｄ）モデルを確定するデータから部材を成形するように、一般的には層状に材料が集合される成形方法を意味するのに使用される。このような単一部材の成形に使用されるために適当な積層成形方法の中には、特に、選択的なレーザー溶解及び選択的なレーザー焼結が存在し、これらの方法の両方は、部材を金属又はセラミック材料から形成するための積層成形を使用することを可能とする。それにもかかわらずに、鋳造（特にロストモデル鋳造）及び機械加工（特に放電加工）等の他の成形方法が考えられても良い。選択的に、噴射要素は、さらに、複数の部材を組み立てることによってもたらされても良い。

本詳細な記述は気体発生器からの燃焼気体によって作動させられるターボポンプを有するロケットエンジンを参照するが、同じ種類の噴射器は、例えば、いわゆる「エキスパンダー」サイクルの種類のロケットエンジン、又は、加圧推進剤を有するロケットエンジン等の他の種類の流体推進剤ロケットエンジンに、当然に使用されることができる。

本発明は特定の実施形態を参照して述べられるが、様々な変形及び変更が、特許請求の範囲によって確定されたような本発明の全体範囲を超えることなく、これらの実施形態になされることができることは明らかである。加えて、述べられた様々な実施形態の個々の特徴は、さらなる実施形態に組み合わされても良い。結果的に、記述及び図面は、限定よりむしろ例示である感覚で考えられるべきである。

Claims (11)

1. 燃焼室（６）内へ少なくとも二つの推進剤（Ｅ１，Ｅ２）を噴射するための噴射要素（２０１）であって、少なくとも一つの第一螺旋経路（２０４）と少なくとも一つの第二螺旋経路（２０５）とを具備し、前記螺旋経路（２０４，２０５）のそれぞれは、前記噴射要素（２０１）の中心軸線（Ｘ）を中心とする各螺旋形状（２０４ａ，２０５ａ）に従う中心線を有する噴射要素において、
   少なくとも一つの前記第二螺旋経路（２０５）の螺旋形状（２０５ａ）が少なくとも一つの前記第一螺旋経路（２０４）の螺旋形状（２０４ａ）の内側に位置させられることを特徴とする噴射要素。
2. 前記第一螺旋経路（２０４）及び前記第二螺旋経路（２０５）の中の少なくとも一つの螺旋形状（２０４ａ，２０５ａ）は円螺旋形状である請求項１に記載の噴射要素（２０１）。
3. 前記第一螺旋経路（２０４）及び前記第二螺旋経路（２０５）の中の少なくとも一つの螺旋形状（２０４ａ，２０５ａ）は円錐螺旋形状である請求項１又は２に記載の噴射要素（２０１）。
4. 前記第一螺旋経路（２０４）及び前記第二螺旋経路（２０５）の中の少なくとも一つは対応する螺旋形状（２０４ａ，２０５ａ）回りにねじられる非円形断面をもたらす請求項１〜３のいずれか一項に記載の噴射要素（２０１）。
5. 前記第一螺旋経路（２０４）及び前記第二螺旋経路（２０５）の前記螺旋形状（２０４ａ，２０５ａ）は反対方向に旋回する請求項１〜４のいずれか一項に記載の噴射要素（２０１）。
6. 前記第一螺旋経路は第一推進剤（Ｅ１）のための入口へ接続され、前記第二螺旋経路は前記第一推進剤（Ｅ１）のための前記入口とは別の第二推進剤（Ｅ２）のための入口へ接続される請求項１〜５のいずれか一項に記載の噴射要素。
7. 少なくとも一つの第三経路をさらに有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の噴射要素（２０１）。
8. 前記第三経路も、前記噴射要素（２０１）の前記中心軸線（Ｘ）を中心とする螺旋形状に従う螺旋状である請求項７に記載の噴射要素（２０１）。
9. 前記第三経路は環状である請求項７に記載の噴射要素（２０１）。
10. 少なくとも前記第一経路及び前記第二経路は単一部材内に形成される請求項１〜９のいずれか一項に記載の噴射要素（２０１）。
11. 前記単一部材は積層成形によって製作される請求項１０に記載の噴射要素（２０１）。

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