JP2018109378A - Flame stabilizing cavity of scram-jet engine - Google Patents

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正昭 松▲浜▼
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flame stabilizing cavity of a scram-jet engine, the cavity that is small and reduced in pressure loss compared with a conventional one, is compatible with high speed, can realize stable combustion in a wide operating range, can avoid thermal choking, is low in failure by mechanical moving parts, and eliminates the need for a large-scale mechanical mechanism.SOLUTION: A cavity is used for flame stabilization in the internal supersonic flow of a scram-jet engine for use in a wide area from a supersonic speed to a hypersonic speed. A mechanism is employed for heating an induction heating element installed in a flame stabilizing cavity and generating heat by an induced current in accordance with the operating conditions of the scram-jet engine by the induction coil installed in the outside of the cavity, and thereby the certainty of the flame stabilization is improved and the thermal choking is avoided.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スクラムジェットエンジンの保炎用キャビティに関するものである。   The present invention relates to a flame holding cavity of a scramjet engine.

着火された未燃燃料を含む燃焼ガスの火炎を確実に保炎するため、スクラムジェットエンジンでは保炎用キャビティが用いられている。
広い作動範囲で確実に保炎し、また、熱閉塞を回避するためには、作動条件に応じて該燃焼ガスの流れ方向に該保炎用キャビティを移動させる必要が有った。
In order to reliably hold the flame of the combustion gas containing the unburned fuel that has been ignited, a flame holding cavity is used in the scramjet engine.
In order to reliably hold the flame over a wide operating range and to avoid thermal blockage, it is necessary to move the flame holding cavity in the flow direction of the combustion gas according to the operating conditions.

しかし、従来のスクラムジェットエンジンでは、保炎用キャビティを移動させるために、大型の機械的な機構が必要となり、機構重量の抑制を図ることおよび高速度での応答が困難であった。   However, in the conventional scramjet engine, a large mechanical mechanism is required to move the flame holding cavity, and it is difficult to suppress the weight of the mechanism and to respond at a high speed.

特開平02−275051号公報Japanese Patent Laid-Open No. 02-275051 特開2012−207610号公報JP 2012-207610 A

解決しようとする問題点は、保炎用キャビティを移動させるために、大型の機械的な機構が必要となり、これにより、装置重量の抑制を図ることおよび高速度での応答が困難な点である。   The problem to be solved is that a large mechanical mechanism is required to move the flame holding cavity, which makes it difficult to control the weight of the apparatus and to respond at high speed. .

本発明は、保炎用キャビティを移動させることなく、該保炎用キャビティの保炎性能を可変とする機構を有することにより、従来と比較して小型で圧力損失が少なく、高速に応答可能な、広い作動範囲で安定燃焼を実現することができ、熱閉塞を回避することができる、機械的可動部分による故障リスクの低い、大型の機械的な機構が不要なスクラムジェットエンジンの保炎用キャビティを提供することを最も主要な特徴とする。   The present invention has a mechanism that makes the flame holding performance of the flame holding cavity variable without moving the flame holding cavity, so that it is smaller in size and less in pressure loss and can respond at high speed. A flame holding cavity for a scramjet engine that can achieve stable combustion over a wide operating range, avoid thermal blockages, has a low risk of failure due to mechanically moving parts, and does not require a large mechanical mechanism Providing the most important feature.

本発明の保炎用キャビティは、スクラムジェットエンジンの作動条件に応じて該保炎用キャビティ内で循環するガスである循環渦の温度を変えることにより、従来と比較して小型で圧力損失が少なく、高速に応答可能な、広い作動範囲で安定燃焼を実現することができ、熱閉塞を回避することができ、機械的可動部分による故障リスクを低減でき、大型の機械的な機構が不要となるという利点がある。   The flame-holding cavity of the present invention is smaller and has a lower pressure loss than the conventional one by changing the temperature of the circulating vortex, which is a gas circulating in the flame-holding cavity, according to the operating conditions of the scramjet engine. Responsible for high speed, stable combustion can be realized in a wide operating range, thermal blockage can be avoided, the risk of failure due to mechanically moving parts can be reduced, and no large mechanical mechanism is required There is an advantage.

図1はスクラムジェットエンジンの保炎用キャビティ設置部の断面模式図である。(実施例1)FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a flame holding cavity installation portion of a scramjet engine. Example 1 図2はスクラムジェットエンジンの保炎用キャビティ設置部の断面模式図である。(実施例2)FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a flame holding cavity installation portion of a scramjet engine. (Example 2)

スクラムジェットエンジンの広い作動範囲で安定燃焼を実現し、熱閉塞を回避するという目的を、保炎用キャビティ内で循環するガスである循環渦の温度を変えることにより、従来と比較して小型で圧力損失が少なく、高速に応答可能な、広い作動範囲で安定燃焼を実現することができ、熱閉塞を回避することができ、機械的可動部分による故障リスクを低減でき、大型の機械的な機構が不要となる機構により実現した。   The purpose of realizing stable combustion in a wide operating range of the scramjet engine and avoiding thermal blockage is to reduce the size of the circulating vortex, which is the gas circulating in the flame-holding cavity, by reducing the temperature. Stable combustion can be realized in a wide operating range with low pressure loss and high speed response, thermal blockage can be avoided, failure risk due to mechanical moving parts can be reduced, and large mechanical mechanism Realized by a mechanism that eliminates the need for

図1は、スクラムジェットエンジンの保炎用キャビティ設置部2の断面模式図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a flame holding cavity installation portion 2 of a scramjet engine.

実施例1に係るスクラムジェットエンジンの保炎用キャビティ1は、該保炎用キャビティ1内に誘導電流により発熱する筒状の誘導発熱体7を備え、非磁性体からなる保炎用キャビティ底面9に対して対称の位置に設置した誘導加熱コイル8により、スクラムジェットエンジンの作動条件に合わせて該誘導発熱体7を発熱させることにより、広い作動範囲で燃焼を迅速に安定させるものである。誘導電流により生じるジュール熱によって該誘導発熱体7を加熱する直接加熱であり、原理的に急速に加熱量を変化させることが可能である。   The flame holding cavity 1 of the scramjet engine according to the first embodiment includes a cylindrical induction heating element 7 that generates heat by an induced current in the flame holding cavity 1, and a flame holding cavity bottom face 9 made of a nonmagnetic material. With the induction heating coil 8 installed at a symmetrical position, the induction heating element 7 generates heat in accordance with the operating conditions of the scramjet engine, thereby quickly stabilizing the combustion in a wide operating range. This is direct heating in which the induction heating element 7 is heated by Joule heat generated by the induction current, and in principle, the amount of heating can be changed rapidly.

図の左側から保炎用キャビティ設置部壁面3と保炎用キャビティ設置部上流側壁面4で形成される流路に矢印で示す右方向に超音速で流入する未燃燃料を含む燃焼ガス6中には既に図示しない燃料ノズルから燃料が混入されており、同じく図示しない着火装置により着火され、保炎用キャビティ1には燃焼ガスの循環渦が生成される。この循環渦が熱源となり、保炎用キャビティ1は保炎器としての役割を果たす。   In the combustion gas 6 containing unburned fuel flowing at supersonic speed in the right direction indicated by an arrow into the flow path formed by the flame holding cavity installation wall surface 3 and the flame holding cavity installation wall upstream wall surface 4 from the left side of the figure The fuel is already mixed from a fuel nozzle (not shown) and is ignited by an ignition device (not shown), and a circulation vortex of combustion gas is generated in the flame holding cavity 1. The circulation vortex serves as a heat source, and the flame holding cavity 1 serves as a flame holder.

誘導加熱コイル8が、図示しない制御装置により制御された高周波電源により所定の磁束を発生させることにより誘導発熱体7がジュール熱を発生し、該誘導発熱体7から循環渦に熱が伝わり、循環渦の温度が上昇する。それにより、保炎用キャビティ1の開放部10を通じて循環渦から未燃燃料を含む燃焼ガス6により多くの熱が伝わり、該燃焼ガスの燃焼が促進し、火炎がより安定する。   The induction heating coil 8 generates a predetermined magnetic flux by a high-frequency power source controlled by a control device (not shown), whereby the induction heating element 7 generates Joule heat, and heat is transferred from the induction heating element 7 to the circulation vortex to circulate. The temperature of the vortex increases. As a result, more heat is transferred from the circulation vortex to the combustion gas 6 including unburned fuel through the opening 10 of the flame holding cavity 1, and the combustion of the combustion gas is promoted to make the flame more stable.

このように制御することによって、保炎用キャビティ1の開口部10から未燃燃料を含む燃焼ガス6に伝わる熱量を制御することができる。したがって、誘導加熱コイル8に所定の磁束を発生させることにより、保炎用キャビティ1の開放部10から未燃燃料を含む燃焼ガス6へ伝わる熱量を急速に増減制御し、従来と比較して高速に応答可能な、広い作動範囲での安定燃焼を実現することができ、機械的可動部分による故障リスクを低減できる。誘導加熱コイル8に発生する磁束を急速に減少させることにより、保炎用キャビティ1の開放部10から未燃燃料を含む燃焼ガス6へ伝わる熱量を急速に減少させることができ、保炎用キャビティ1の下流の保炎用キャビティ設置部壁面3と保炎用キャビティ設置部下流側壁面5とで形成される流路の下流で熱閉塞が発生するのを回避することができる。また、循環渦の温度を高く設定する分、当初から保炎用キャビティ1の開放部10の面積を小さく抑えておくことにより、キャビティに起因する圧力損失を低く抑えることができ、エンジン性能を向上させることができる。   By controlling in this way, the amount of heat transferred from the opening 10 of the flame holding cavity 1 to the combustion gas 6 containing unburned fuel can be controlled. Therefore, by generating a predetermined magnetic flux in the induction heating coil 8, the amount of heat transferred from the open portion 10 of the flame holding cavity 1 to the combustion gas 6 containing unburned fuel is rapidly increased and decreased, and compared with the conventional method. It is possible to realize stable combustion in a wide operating range that can respond to the above, and to reduce the risk of failure due to mechanically movable parts. By rapidly reducing the magnetic flux generated in the induction heating coil 8, the amount of heat transferred from the open portion 10 of the flame holding cavity 1 to the combustion gas 6 containing unburned fuel can be rapidly reduced, and the flame holding cavity It is possible to avoid the occurrence of thermal blockage downstream of the flow path formed by the flame holding cavity installation wall surface 3 and the flame holding cavity installation wall downstream wall surface 5 downstream of 1. In addition, by setting the temperature of the circulating vortex higher, by keeping the area of the opening 10 of the flame holding cavity 1 small from the beginning, the pressure loss caused by the cavity can be kept low, improving the engine performance. Can be made.

ここで、誘導発熱体7は誘導加熱コイル8から生じる磁束中に一つに限られるものではなく、複数設置しても良く、筒の形状も、円筒に限られるものではない。また、誘導加熱コイル8も一つに限られるものではない。 Here, the induction heating element 7 is not limited to one in the magnetic flux generated from the induction heating coil 8, and a plurality of induction heating elements 7 may be installed, and the shape of the cylinder is not limited to the cylinder. Further, the induction heating coil 8 is not limited to one.

図2は、スクラムジェットエンジンの保炎用キャビティ設置部2の断面模式図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the flame holding cavity installation portion 2 of the scramjet engine.

実施例2に係るスクラムジェットエンジンの保炎用キャビティ1は、該保炎用キャビティ1の内面に、遮熱コーティング11を施すことにより、熱閉塞をより確実に回避するものである。   In the flame holding cavity 1 of the scramjet engine according to the second embodiment, the thermal blocking is more reliably avoided by applying the thermal barrier coating 11 to the inner surface of the flame holding cavity 1.

保炎用キャビティ1の下流の保炎用キャビティ設置部壁面3と保炎用キャビティ設置部下流側壁面5とで形成される流路の下流で熱閉塞が発生するのを回避するため、誘導加熱コイル8は図示しない制御装置が発信する制御信号に基づいて該誘導加熱コイル8に発生する磁束を急速に減少させるように制御される。   In order to avoid the occurrence of thermal blockage downstream of the flow path formed by the flame holding cavity installation wall surface 3 and the flame holding cavity installation downstream wall surface 5 downstream of the flame holding cavity 1, induction heating is performed. The coil 8 is controlled so as to rapidly reduce the magnetic flux generated in the induction heating coil 8 based on a control signal transmitted by a control device (not shown).

このように制御することによって、誘導発熱体7が発生するジュール熱は急速に減少し、該誘導発熱体7から保炎用キャビティ1に生成される燃焼ガスの循環渦に伝わる熱量が急減する。その結果保炎用キャビティ1の開口部10から未燃燃料を含む燃焼ガス6への伝熱量を急減させることができ、遮熱コーティング11を施さない場合と比較して、より高速に保炎用キャビティ1の下流の保炎用キャビティ設置部壁面3と保炎用キャビティ設置部下流側壁面5とで形成される流路の下流で熱閉塞が発生するのを回避することができる。誘導発熱体7が発生するジュール熱が減少する場合に限らず、増加する場合においても、保炎用キャビティ1の内面に、遮熱コーティング11を施すことにより、該保炎用キャビティ1と循環渦との間の熱の授受が減り、より高速に循環渦の温度を制御することができ、広い作動範囲でより高速に燃焼を安定させることができる。 By controlling in this way, the Joule heat generated by the induction heating element 7 is rapidly reduced, and the amount of heat transmitted from the induction heating element 7 to the circulation vortex of the combustion gas generated in the flame holding cavity 1 is rapidly reduced. As a result, the amount of heat transferred from the opening 10 of the flame-holding cavity 1 to the combustion gas 6 containing unburned fuel can be rapidly reduced, and the flame-holding speed can be increased faster than when the thermal barrier coating 11 is not applied. It is possible to avoid the occurrence of thermal blockage downstream of the flow path formed by the flame holding cavity installation wall surface 3 and the flame holding cavity installation downstream wall surface 5 downstream of the cavity 1. Not only when the Joule heat generated by the induction heating element 7 decreases, but also when it increases, by applying a thermal barrier coating 11 to the inner surface of the flame holding cavity 1, the flame holding cavity 1 and the circulating vortex Heat exchange between the two and the temperature of the circulating vortex can be controlled at a higher speed, and combustion can be stabilized at a higher speed in a wide operating range.

1 保炎用キャビティ
2 スクラムジェットエンジンの保炎用キャビティ設置部
3 保炎用キャビティ設置部壁面
4 保炎用キャビティ設置部上流側壁面
5 保炎用キャビティ設置部下流側壁面
6 未燃燃料を含む燃焼ガス
7 誘導発熱体
8 誘導加熱コイル
9 保炎用キャビティ底面
10 開口部
11 遮熱コーティング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flame holding cavity 2 Flame holding cavity installation part of scramjet engine 3 Flame holding cavity installation part wall surface 4 Flame holding cavity installation part upstream side wall surface 5 Flame holding cavity installation part downstream side wall surface 6 Including unburned fuel Combustion gas 7 Induction heating element 8 Induction heating coil 9 Flame holding cavity bottom
10 Opening 11 Thermal barrier coating

Claims (2)

スクラムジェットエンジンの保炎用キャビティにおいて、該保炎用キャビティ内に誘導電流により発熱する誘導発熱体を備えたことを特徴とする保炎用キャビティ。   A flame holding cavity of a scramjet engine comprising an induction heating element that generates heat by an induced current in the flame holding cavity. スクラムジェットエンジンの保炎用キャビティの内面に遮熱コーティングを施したことを特徴とする請求項1に記載の保炎用キャビティ。   The flame holding cavity according to claim 1, wherein a thermal barrier coating is applied to an inner surface of the flame holding cavity of the scramjet engine.
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