JP2017089397A - 燃焼器及びロケットエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器及びロケットエンジンにおいて、燃焼振動の発生を抑制しながら大型化や重量増の抑制を図る。【解決手段】噴射面２３から酸化剤及び燃料を噴射する噴射装置１１と、噴射装置１１から噴射される酸化剤及び燃料を燃焼することで燃焼ガスを発生させる燃焼室１２と、燃焼室１２に連通路３５を介して連通されるレゾネータ３１と、連通路３５に設けられる多孔板４１とを設ける。【選択図】図３

Description

本発明は、酸化剤と燃料とを混合して燃焼させることで、推力を得るロケットエンジンに用いられる燃焼器、並びに、この燃焼器が適用されるロケットエンジンに関するものである。

ロケットエンジンに搭載されるロケット用燃焼器は、多数の噴射器（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ）、ノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）などから構成され、推進剤である燃料の化学反応によるエネルギを排気運動に変換することで推力を得るものである。即ち、ロケット用燃焼器は、噴射器から燃料（例えば、水素ガス：ＧＨ_２）と酸化剤（例えば、液体酸素：ＬＯｘ）が燃焼室に噴射注入され、着火された後に燃焼室の内部で発生した燃焼ガスがノズルにより拡大され、燃焼ガス排出方向へ排出されて推力が生じる。

このようなロケット用燃焼器としては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。

特開２００８−２０２５４２号公報 特開２０１４−０３７８３８号公報

ところで、ロケットエンジンは、燃焼室の長さ及び径に応じた気柱の固有振動数を有しており、燃焼時に圧力変動（気柱振動）が発生する。そのため、この燃焼時の圧力振動を抑制するためにレゾネータ（共振器）が設けられている。このレゾネータは、共鳴周波数付近の周波数を持つ音波が入口に入射すると、内部で大きな振動が発生することで、入口部で摩擦を生じ、これによるエネルギ損失により、その圧力振動を緩和することができる。しかし、ロケットエンジンは、重量やスペースの制約上、レゾネータを搭載することのできるスペースが制限される。そのため、圧力振動が発生する領域に対して、レゾネータの容積や入口長さなどを調整することが困難となってしまう。

本発明は上述した課題を解決するものであり、燃焼振動の発生を抑制しながら大型化や重量増の抑制を図る燃焼器及びロケットエンジンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の燃焼器は、噴射面から酸化剤及び燃料を噴射する噴射装置と、前記噴射装置から噴射される酸化剤及び燃料を燃焼することで燃焼ガスを発生させる燃焼室と、前記燃焼室に連通路を介して連通されるレゾネータと、前記連通路に設けられる多孔板と、を有することを特徴とするものである。

従って、噴射装置が酸化剤及び燃料を燃焼室に噴射すると、この燃焼室で酸化剤と燃料を燃焼することで燃焼ガスが発生する。このとき、燃焼室は、長さ及び径に応じた気柱の固有振動数を有しており、燃焼時に所定の周波数の圧力変動が発生するが、この圧力変動は、レゾネータにより緩和される。この場合、レゾネータの連通路に多孔板が設けられることで、レゾネータの容積を変更することなく、多孔板の開口率を調整することでレゾネータが吸音可能な周波数帯域を調整することができる。その結果、燃焼振動の発生を抑制しながらレゾネータの大型化や重量増の抑制を図ることができる。

本発明の燃焼器では、前記多孔板は、前記連通路における前記燃焼室側で、且つ、前記燃焼室に面して配置されることを特徴としている。

従って、多孔板により燃焼室から連通路を通したレゾネータ内への燃焼ガスの流入を抑制することができ、レゾネータの損傷を防止することができる。

本発明の燃焼器では、前記レゾネータは、周方向に所定間隔を空けて複数配置され、前記複数のレゾネータにおける前記連通路に前記多孔板が設けられることを特徴としている。

従って、燃焼室で発生する圧力変動を複数のレゾネータにより適正に吸収することができる。

本発明の燃焼器では、前記複数の多孔板は、開口率が異なることを特徴としている。

従って、複数の多孔板の開口率が異なることで、レゾネータが吸音可能な周波数帯域を複数確保することができ、レゾネータの性能を向上することができる。

本発明の燃焼器では、前記複数のレゾネータは、外形が同形状をなし、容積が異なることを特徴としている。

従って、複数のレゾネータの容積が異なることで、レゾネータが吸音可能な周波数帯域を複数確保することができ、レゾネータの性能を向上することができる。

本発明の燃焼器では、前記多孔板は、段付き孔が形成されることを特徴としている。

従って、多孔板に段付き孔が形成されることで、レゾネータが吸音可能な周波数帯域を広くすることができ、レゾネータの性能を向上することができる。

本発明の燃焼器では、前記多孔板は、前記連通路における連通方向に所定間隔を空けて複数配置されることを特徴としている。

従って、複数の多孔板を連通路に配置することで、レゾネータが吸音可能な周波数帯域を高精度に調整することができ、レゾネータの性能を向上することができる。

また、本発明のロケットエンジンは、前記燃焼器と、前記燃焼器に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給装置と、を有することを特徴とするものである。

従って、レゾネータの容積を変更することなく、多孔板の開口率を調整することでレゾネータが吸音可能な周波数帯域を調整することができ、燃焼振動の発生を抑制しながらレゾネータの大型化や重量増の抑制を図ることができ、その結果、性能を向上することができる。

本発明の燃焼器及びロケットエンジンによれば、燃焼室に連通路を介してレゾネータを連通すると共に、連通路に多孔板を設けるので、多孔板の開口率を調整することでレゾネータが吸音可能な周波数帯域を調整することができ、燃焼振動の発生を抑制しながらレゾネータの大型化や重量増の抑制を図ることができる。

図１は、第１実施形態の燃焼器を表す概略図である。 図２は、燃焼器に装着されたレゾネータの配置図である。 図３は、燃焼器に装着されたレゾネータの断面図である。 図４は、レゾネータの正面図である。 図５は、複数の開口率における周波数に対する吸音率を表すグラフである。 図６は、第２実施形態の燃焼器に装着されたレゾネータの断面図である。 図７は、第３実施形態の燃焼器に装着されたレゾネータの断面図である。 図８−１は、第４実施形態の燃焼器に装着されたレゾネータの断面図である。 図８−２は、燃焼器に装着された別のレゾネータの断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る燃焼器及びロケットエンジンの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の燃焼器を表す概略図である。

第１実施形態において、図１に示すように、燃焼器１０は、噴射装置１１と、燃焼室１２と、ノズル１３とを有しており、推進剤である燃料の化学反応によるエネルギを排気運動に変換することで推力を得るものである。即ち、噴射装置１１から燃焼室１２に向けて噴射される液体酸素と水素ガスとが燃焼室１２内で混合されて燃焼し、これにより燃焼ガスを発生させ、ノズル１３により燃焼室１２から噴射される燃焼ガスを噴射することで、推力を得ることができる。

噴射装置１１は、噴射装置本体２１に複数の噴射器２２が配列されて構成されており、各噴射器２２は、噴射面２３から燃焼室１２内に向けて燃料及び酸化剤を噴射することができる。この噴射器２２は、図示しないが、内筒と外筒とを有し、内筒は、内部に酸化剤流路が形成され、酸化剤供給ライン１０２から供給される酸化剤を燃焼室１２に向けて噴射する。一方、外筒は、内筒の外周面を覆うことで、内筒と外筒との間に燃料流路が形成され、燃料供給ライン１０１から供給される燃料を燃焼室１２に向けて噴射する。

燃焼室１２は、多数の噴射器２２から噴射された液体酸素と水素ガスを燃焼するためのものである。噴射器２２から噴射された液体酸素と水素ガスは、燃焼室１２の内部で微粒化され、且つ、混合されて燃焼する。この燃焼室１２は、円筒形状をなす周壁部２４を有しており、この周壁部２４は、内周面が噴射面２３と直交することで、燃焼室１２の内部を画成している。

噴射面２３は、液体酸素と水素ガスとを燃焼室１２内に噴射する面であり、円形状に形成され、その表面に噴射器２２の噴出口が露出している。複数の噴射器２２（噴出口）は、噴射面２３に対し同心円状に配置され、噴射面２３の径方向に列設されている。周壁部２４は、軸方向（長手方向）の一端部に噴射面２３が設けられ、他端部にノズル１３が設けられる。また、燃焼室１２は、周壁部２４に冷却通路（図示略）が設けられている。

燃焼室１２は、内径がほぼ一定である。ノズル１３は、燃焼室１２の周壁部２４に連続して形成されると共に内部が燃焼室１２と連通する。ノズル１３は、燃焼室１２で発生する燃焼ガスを噴射することにより推力を得る。

そして、燃焼器１０は、燃焼振動を抑制するレゾネータ３１が設けられている。図２は、燃焼器に装着されたレゾネータの配置図、図３は、燃焼器に装着されたレゾネータの断面図、図４は、レゾネータの正面図である。

レゾネータ３１は、図１及び図２に示すように、噴射装置本体２１における燃焼室１２の外側に配置され、且つ、噴射装置本体２１の周方向に所定間隔を空けて複数（本実施形態では、８個）配置されている。即ち、レゾネータ３１は、図３及び図４に示すように、フレーム３２により形成された空間部３３であり、ガイド板３４により連通路３５が形成されている。ガイド板３４は、フレーム３２の平面部３２ａから所定距離離間し、且つ、平面部３２ａと平行をなして配置されている。そのため、連通路３５は、フレーム３２と同じ幅Ｗと、所定長さＬを有し、連通方向に沿って同じ通路断面積となっている。そして、レゾネータ３１の空間部３３は、連通路３５を通して燃焼室１２に連通している。

また、レゾネータ３１は、連通路３５に多孔板４１が設けられている。この多孔板４１は、複数の連通孔４２が形成されている。多孔板４１は、連通路３５における燃焼室１２側で、且つ、燃焼室１２に面して配置されている。即ち、多孔板４１の外面と、燃焼室１２の周壁部２４の内周面が段差なく連続する面となっている。

なお、このレゾネータ３１は、前述したように、噴射装置１１の周方向に沿って複数設けられており、各レゾネータ３１における連通路３５にそれぞれ多孔板４１が設けられている。

この場合、多孔板４１の開口率は、多孔板４１の板厚、各連通孔４２の数や内径で調整するが、この開口率は、燃焼器１０における燃焼室１２で発生する燃焼振動の周波数に応じて設定される。図５は、複数の開口率における周波数に対する吸音率を表すグラフである。この図５のグラフは、燃焼振動の周波数に対する吸音率を表すグラフであり、Ａ−開口率３０％、Ｂ−開口率２０％、Ｃ−開口率１０％、Ｄ−開口率６％、Ｅ−開口率２．５％となっている。このグラフからわかるように、多孔板４１の開口率が小さくなるほど、吸音可能な周波数帯域が狭くなるものの、吸音率が上昇する。そのため、多孔板４１の開口率を燃焼室１２で発生する燃焼振動の周波数に合わせて設定することで、レゾネータ３１により燃焼室１２で発生する燃焼振動を適正に抑制できる。

このように第１実施形態の燃焼器にあっては、噴射面２３から酸化剤及び燃料を噴射する噴射装置１１と、噴射装置１１から噴射される酸化剤及び燃料を燃焼することで燃焼ガスを発生させる燃焼室１２と、燃焼室１２に連通路３５を介して連通されるレゾネータ３１と、連通路３５に設けられる多孔板４１とを設けている。

従って、噴射装置１１が酸化剤及び燃料を燃焼室１２に噴射すると、この燃焼室１２で酸化剤と燃料を燃焼することで燃焼ガスが発生する。このとき、燃焼室１２は、長さ及び径に応じた気柱の固有振動数を有しており、燃焼時に所定の周波数の圧力変動が発生するが、この圧力変動は、レゾネータ３１により緩和される。この場合、レゾネータ３１の連通路３５に多孔板４１が設けられることで、レゾネータ３１の容積を変更することなく、多孔板４１の開口率を調整することでレゾネータ３１が吸音可能な周波数帯域を調整することができる。その結果、燃焼振動の発生を抑制しながらレゾネータ３１の大型化や重量増の抑制を図ることができる。

第１実施形態の燃焼器では、多孔板４１を連通路３５における燃焼室１２側で、且つ、燃焼室１２に面して配置している。従って、多孔板４１により燃焼室１２から連通路３５を通したレゾネータ３１内への燃焼ガスの流入を抑制することができ、レゾネータ３１の損傷を防止することができる。

第１実施形態の燃焼器では、レゾネータ３１を噴射装置１１の周方向に所定間隔を空けて複数配置し、複数のレゾネータ３１における連通路３５にそれぞれ多孔板４１を設けている。従って、燃焼室１２で発生する圧力変動を複数のレゾネータ３１により適正に吸収することができる。

また、第１実施形態のロケットエンジンにあっては、この燃焼器１０を適用することで、レゾネータ３１の容積を変更することなく、多孔板４１の開口率を調整することでレゾネータ３１が吸音可能な周波数帯域を調整することができ、燃焼振動の発生を抑制しながらレゾネータ３１の大型化や重量増の抑制を図ることができ、その結果、性能を向上することができる。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態の燃焼器に装着されたレゾネータの断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態において、図６に示すように、噴射装置１１に燃焼振動を抑制するレゾネータ５１が設けられている。このレゾネータ５１は、連通路５２を通して燃焼室１２に連通している。そして、レゾネータ５１は、連通路５２に多孔板５３が設けられている。この多孔板５３は、複数の連通孔５４が形成されており、この連通孔５４は、段付き孔となっている。即ち、連通孔５４は、同心状に形成された大径孔５４ａ及び小径孔５４ｂが連続して形成されたものとなっている。この場合、大径孔５４ａが燃焼室１２側に位置している。

このように第２実施形態の燃焼器では、レゾネータ５１における連通路５２に多孔板５３を設け、この多孔板５３に複数の連通孔５４を形成し、この連通孔５４を段付き孔としている。従って、レゾネータ５１が吸音可能な周波数帯域を広くすることができ、レゾネータ５１の性能を向上することができる。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態の燃焼器に装着されたレゾネータの断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第３実施形態において、図７に示すように、噴射装置１１に燃焼振動を抑制するレゾネータ６１が設けられている。このレゾネータ６１は、連通路６２を通して燃焼室１２に連通している。そして、レゾネータ６１は、連通路６２に複数（本実施形態では、２個）の多孔板６３，６４が設けられている。この多孔板６３，６４は、連通路６２における連通方向に所定間隔を空けて配置されている。そして、多孔板６３，６４は、それぞれ連通孔６５，６６が形成されており、連通孔６５，６６は、内径、個数、位置が相違しており、結果として、多孔板６３，６４の開口率が相違している。

このように第３実施形態の燃焼器では、レゾネータ６１における連通路６２に複数の多孔板６３，６４を設け、この多孔板６３，６４を連通路６２における連通方向に所定間隔を空けて配置している。従って、レゾネータ６１が吸音可能な周波数帯域を広くすることができ、レゾネータ６１の性能を向上することができる。

［第４実施形態］
図８−１は、第４実施形態の燃焼器に装着されたレゾネータの断面図、図８−２は、燃焼器に装着された別のレゾネータの断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第４実施形態において、図８−１及び図８−２に示すように、噴射装置１１に燃焼振動を抑制するレゾネータ７１，８１が周方向に複数（例えば、図２のように８個）設けられている。このレゾネータ７１，８１は、噴射装置１１の周方向に交互に配置されており、外形が同形状をなすものの、容積が異なるものとなっている。

即ち、図９−１に示すように、レゾネータ７１は、大きい容積を有する空間部７２であり、連通路７３を通して燃焼室１２に連通している。そして、レゾネータ７１は、連通路７３に多孔板７４が設けられ、多孔板７４に複数の連通孔７５が形成されている。一方、図９−２に示すように、レゾネータ８１は、小さい容積を有する空間部８２であり、連通路８３を通して燃焼室１２に連通している。そして、レゾネータ８１は、連通路８３に多孔板８４が設けられ、多孔板８４に複数の連通孔８５が形成されている。

図９−１及び図９−２に示すように、レゾネータ７１，８１は、空間部８２の容積が相違することで、吸音可能な燃焼振動の周波数帯域が相違する。そのため、複数の周波数帯域の燃焼振動を抑制することができる。この場合、異なるレゾネータ７１，８１の数は、２個に限るものではなく、３個以上設けてもよい。

このように第４実施形態の燃焼器にあっては、複数のレゾネータ７１，８１の外径を同形状とし、空間部７２，８２の容積が異なるようにしている。従って、レゾネータ７１，８１が吸音可能な周波数帯域を複数確保することができ、レゾネータ７１，８１の性能を向上することができる。

なお、上述の説明では、容積の異なる複数のレゾネータ７１，８１を設けることで、吸音可能な周波数帯域を複数確保するように構成したが、この構成に限定されるものではない。例えば、複数のレゾネータの空間部の容積を同じとし、各連通路に設けられる多孔板の開口率が異なるようにしている。この場合であっても、レゾネータが吸音可能な周波数帯域を複数確保することができ、レゾネータの性能を向上することができる。

１０ 燃焼器
１１ 噴射装置
１２ 燃焼室
１３ ノズル
２１ 噴射装置本体
２２ 噴射器
２３ 噴射面
２４ 周壁部
２５ 冷却通路
３１，５１，６１，７１，８１ レゾネータ
３２ フレーム
３３，７２，８２ 空間部
３４ ガイド板
３５，５２，６２，７３，８３ 連通路
４１，５３，６３，６４，７４，８４ 多孔板
４２，５４，６５，６６，７５，８５ 連通孔
１０１ 燃料供給ライン
１０２ 酸化剤供給ライン

Claims (8)

1. 噴射面から酸化剤及び燃料を噴射する噴射装置と、
   前記噴射装置から噴射される酸化剤及び燃料を燃焼することで燃焼ガスを発生させる燃焼室と、
   前記燃焼室に連通路を介して連通されるレゾネータと、
   前記連通路に設けられる多孔板と、
   を有することを特徴とする燃焼器。
2. 前記多孔板は、前記連通路における前記燃焼室側で、且つ、前記燃焼室に面して配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記レゾネータは、周方向に所定間隔を空けて複数配置され、前記複数のレゾネータにおける前記連通路に前記多孔板が設けられることを特徴とする請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記複数の多孔板は、開口率が異なることを特徴とする請求項３に記載の燃焼器。
5. 前記複数のレゾネータは、外形が同形状をなし、容積が異なることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記多孔板は、段付き孔が形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃焼器。
7. 前記多孔板は、前記連通路における連通方向に所定間隔を空けて複数配置されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃焼器。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項の燃焼器と、
   前記燃焼器に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
   前記燃焼器に燃料を供給する燃料供給装置と、
   を有することを特徴とするロケットエンジン。

Images