JP4225556B2 - Regenerative cooling system for combined cycle engine - Google Patents
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Description
本発明は、複合サイクルエンジンの再生冷却システム、特に、飛行条件に最適な冷却剤としての燃料を供給することが可能な複合サイクルエンジンの再生冷却システムに関するものである。 The present invention relates to a regenerative cooling system for a combined cycle engine, and more particularly to a regenerative cooling system for a combined cycle engine capable of supplying fuel as a coolant optimal for flight conditions.
離陸時からマッハ3の飛行速度においてはエジェクタージェットエンジンとして作動し、またマッハ3から6の飛行速度においてはラムジェットエンジンとして作動し、更にマッハ6以上の飛行速度においてはスクラムジェットエンジンとして作動する単段式の複合サイクルエンジンが知られている(例えば、非特許文献1を参照。)。このような単段式の複合サイクルエンジンでは、単一のエンジンが離陸速度から地球周回速度までの広範囲な飛行速度をカバーするため、エンジンに対する空力加熱量は飛行速度に応じて絶えず変動することになる。特に、高速時の空力加熱が厳しいことから、これらの複合サイクルエンジンでは、燃料である水素を冷却剤として併用する再生冷却機構が採用されている。
水素による再生冷却機構では、燃料である水素がエンジン壁およびノズル壁の内部を流れることによりエンジン壁およびノズル壁を冷却しながら、水素自身はエンジン壁およびノズル壁から受熱して昇温した後に、空気と混合されて燃焼に供されることになる。また、水素のエンジン壁等からの受熱量は、水素が流れる流路の受熱面積と水素の質量流量とに比例する。
It operates as an ejector jet engine at the flight speed of Mach 3 from takeoff, operates as a ramjet engine at flight speeds of Mach 3 to 6, and operates as a scramjet engine at flight speeds of Mach 6 and higher. A multistage combined cycle engine is known (see, for example, Non-Patent Document 1). In such a single-stage combined cycle engine, a single engine covers a wide range of flight speeds from takeoff speed to earth orbit speed, so the aerodynamic heating amount for the engine constantly fluctuates according to the flight speed. Become. In particular, due to severe aerodynamic heating at high speed, these combined cycle engines employ a regenerative cooling mechanism that uses hydrogen as a fuel as a coolant.
In the regenerative cooling mechanism using hydrogen, hydrogen itself is heated from the engine wall and the nozzle wall while the engine wall and the nozzle wall are cooled by flowing through the inside of the engine wall and the nozzle wall. It is mixed with air and used for combustion. The amount of heat received from the engine wall or the like of hydrogen is proportional to the heat receiving area of the flow path through which hydrogen flows and the mass flow rate of hydrogen.
前述した通り、エンジンに対する空力加熱量は飛行速度に応じて絶えず変動することになるため、冷却剤としての水素がエンジン壁等から受ける受熱量も絶えず変動することになる。そのため、水素の温度が変動し、それに応じて水素の密度が変動し、結果として燃料の質量流量が変動することになる。例えば、エンジン壁等から受ける受熱量が増大すると、水素の温度が上昇し、それに応じて水素の密度が低下し、結果として水素の質量流量が低下するという問題が起こる。このように、水素の質量流量が減ると、冷却性能が低下するばかりでなく、燃焼に供される燃料が減ることになるので、エンジンの推力が低下することにもなる。ところで、このような受熱量変動による燃料の質量流量の低下を防止するために、予め高い受熱量に合わせて再生冷却機構を設計することが考えられる。
しかし、受熱量が低い場合、水素の温度が上がらないため、水素の密度が増加し、水素の質量流量が増大し、冷却に必要以上の水素が流れてしまう。その結果、エンジンが過冷却されると共に、過剰の水素が燃料として燃焼に供給されることになってしまい、燃料消費率が悪化するという問題が起こり得る。特に燃料が水素の場合、極低温の液体状態で使用されるため、密度の変化が激しく、質量流量に与える影響は非常に大きい。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、飛行条件に最適な冷却剤としての燃料を供給することが可能な複合サイクルエンジンの再生冷却システムを提供することを目的とする。
As described above, the amount of aerodynamic heating with respect to the engine constantly fluctuates in accordance with the flight speed, so that the amount of heat received by the hydrogen as the coolant from the engine wall also fluctuates constantly. For this reason, the temperature of hydrogen fluctuates, and the density of hydrogen fluctuates accordingly. As a result, the mass flow rate of the fuel fluctuates. For example, when the amount of heat received from an engine wall or the like increases, the temperature of hydrogen rises, and the density of hydrogen decreases accordingly, resulting in a problem that the mass flow rate of hydrogen decreases. As described above, when the mass flow rate of hydrogen is reduced, not only the cooling performance is lowered, but also the fuel provided for combustion is reduced, so that the thrust of the engine is also lowered. By the way, in order to prevent such a decrease in the mass flow rate of the fuel due to the variation in the amount of heat received, it is conceivable to design the regeneration cooling mechanism in advance according to the high amount of heat received.
However, when the amount of heat received is low, the temperature of hydrogen does not rise, so the density of hydrogen increases, the mass flow rate of hydrogen increases, and more hydrogen flows than necessary for cooling. As a result, the engine is supercooled and excess hydrogen is supplied to the combustion as fuel, which may cause a problem that the fuel consumption rate deteriorates. In particular, when the fuel is hydrogen, it is used in a liquid state at a very low temperature, and therefore the density changes drastically and the influence on the mass flow rate is very large.
Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a regenerative cooling system for a combined cycle engine that can supply fuel as a coolant optimal for flight conditions. .
前記目的を達成するため、請求項1に記載の複合サイクルエンジンの再生冷却システムは、低温の燃料がエンジン壁の内部を通り受熱した後に燃焼室に導入される複合サイクルエンジンの再生冷却システムであって、前記燃料が流れる燃料供給ラインは、前記エンジン壁から前記燃料供給ライン壁に伝熱する予測熱量が最大となる条件において、所定の質量流量の燃料が流れるように設計され且つ、前記燃料供給ラインを流れる燃料の温度を上げる温度調整手段を具備していることを特徴とする。
一般に、流体の質量流量m[kg/s]は、管路の流量係数をCと、流路の断面積をAと、流体の密度をρと、流路の入口圧(例えば、ポンプ吐出圧)と出口圧(例えば、燃焼室の圧力)との差をΔPとすると、m=C×A×(2×ρ×ΔP)1/2となる。この式を実験式などを使って整理すると、結局、質量流量は、主に流路の形状、流体の密度ρ、および差圧に大きく依存している。この中で、流体の温度に依存するのは流体の密度ρのみである。つまり、流体の温度が下がると→密度ρは上がり→質量流量mは上がることになり、逆に、流体の温度が上がると→密度ρは下がり→質量流量mは下がることとなる。
そこで、上記請求項1に記載の複合サイクルエンジンの再生冷却システムでは、燃料供給ラインを予めエンジン壁から受ける受熱量が高い条件で所定の質量流量の燃料が流れるように設計しておき、受熱量が低い場合は、密度ρが増加して質量流量が増大するようになるが、温度調整手段によって燃料の温度を上昇させることにより、密度ρを低下させて質量流量の増大を抑制し所定の質量流量の燃料が流れるようにする。なお、受熱量が高い場合は、所定の質量流量が流れるので、特に問題は起こらない。また、これとは逆に、燃料供給ラインを予め受熱量が低い条件で所定の質量流量の燃料が流れるように設計したとすると、受熱量が高い場合、密度ρが低下し燃料の質量流量は減少するようになるが、それを防ぐには燃料の温度を下げて密度ρを上げるか、或いは流路の断面積Aを拡げるか、又は差圧ΔPを大きくしなければならないが、何れも現実的ではなく、やはり、燃料供給ラインを予め受熱量が高い条件で設計しておいて、受熱量が低い場合は、燃料の温度を上げ密度ρを下げて質量流量を下げる方がより現実的である。
In order to achieve the above object, the regenerative cooling system for a combined cycle engine according to
In general, the mass flow rate m [kg / s] of the fluid is C, the flow coefficient of the pipe, A, the cross-sectional area of the flow path, ρ, the fluid density, and the inlet pressure of the flow path (for example, pump discharge pressure). ) And the outlet pressure (for example, the pressure in the combustion chamber) is ΔP, m = C × A × (2 × ρ × ΔP) 1/2 . If this equation is rearranged using empirical equations, the mass flow rate is ultimately largely dependent on the shape of the flow path, the fluid density ρ, and the differential pressure. Of these, only the density ρ of the fluid depends on the temperature of the fluid. That is, when the temperature of the fluid decreases, the density ρ increases → the mass flow rate m increases, and conversely, when the temperature of the fluid increases, the density ρ decreases → the mass flow rate m decreases.
Therefore, in the regenerative cooling system for the combined cycle engine according to
請求項2に記載の複合サイクルエンジンの再生冷却システムでは、前記温度調整手段は、ヒータであることとした。
上記請求項2に記載の複合サイクルエンジンの再生冷却システムでは、温度調整手段としてヒータを用いることにより、受熱量が低い場合に燃料の温度を好適に上げることができる。
In the regenerative cooling system for the combined cycle engine according to
In the regenerative cooling system for the combined cycle engine according to the second aspect, by using the heater as the temperature adjusting means, the temperature of the fuel can be suitably raised when the amount of heat received is low.
請求項3に記載の複合サイクルエンジンの再生冷却システムでは、前記温度調整手段は、昇温した燃料の一部を上流側に加圧しながら戻し、該戻された燃料を低温の燃料と混合する帰還手段を備えた。
上記請求項3に記載の複合サイクルエンジンの再生冷却システムでは、エンジンを冷却した燃料は、エンジンから受熱し温度が上昇しているため、この昇温した燃料を上流側に加圧しながら戻し低温の燃料と混合することにより燃料の温度を上げ、燃料の密度を下げることができる。また、戻された燃料は、エンジンから熱エネルギーを回収し再び利用されるため、エンジン全体の熱効率が向上するようになる。
4. The regenerative cooling system for a combined cycle engine according to
In the regenerative cooling system for the combined cycle engine according to
請求項4に記載の複合サイクルエンジンの再生冷却システムでは、前記帰還手段は、帰還する燃料の流量を制御する流量調整手段を備えた。
上記請求項4に記載の複合サイクルエンジンの再生冷却システムでは、燃料の流量を制御する流量調整手段によって、低温の燃料と昇温した燃料との混合比を好適に変えることができ、その結果、燃料の温度を任意の値に設定することが出来るようになる。
In the regenerative cooling system for the combined cycle engine according to
In the regenerative cooling system for the combined cycle engine according to
本発明の複合サイクルエンジンの再生冷却システムによれば、予め燃料供給ラインをエンジン壁等からの受熱量が高いという条件の下で、所定の質量流量の燃料が流れるように設計しておくことにより、例えば飛行条件が変わり、受熱量が低くなる場合であっても、温度調整手段によって燃料の温度を上昇させることにより、密度を低下させて燃料の質量流量の増大を抑制し所定の質量流量の燃料が流れるように制御することができる。特に、温度調整手段がヒータである場合は、好適に燃料の温度を上げることが出来る。また、温度調整手段が、エンジンを冷却した燃料を上流側に加圧しながら戻して低温の燃料と混合する帰還手段である場合は、帰還される燃料は、エンジンから熱エネルギーを回収した後再び利用されるため、エンジン全体の熱効率が向上するようになる。更に、帰還手段が帰還される燃料の流量を制御する手段を備える場合は、低温の燃料と昇温した燃料との混合比を好適に変えることにより、燃料の温度を任意の値に設定することが出来るようになる。 According to the regenerative cooling system for a combined cycle engine of the present invention, the fuel supply line is designed in advance so that fuel with a predetermined mass flow rate flows under the condition that the amount of heat received from the engine wall or the like is high. For example, even if the flight conditions change and the amount of heat received decreases, by increasing the temperature of the fuel by the temperature adjusting means, the density is decreased and the increase in the mass flow rate of the fuel is suppressed, and the predetermined mass flow rate is reduced. The fuel can be controlled to flow. In particular, when the temperature adjusting means is a heater, the temperature of the fuel can be suitably increased. In addition, when the temperature adjusting means is a feedback means that returns the fuel that has cooled the engine while pressurizing it upstream and mixes it with the low-temperature fuel, the returned fuel is reused after recovering thermal energy from the engine. Therefore, the thermal efficiency of the entire engine is improved. Further, when the feedback means includes means for controlling the flow rate of the returned fuel, the temperature of the fuel can be set to an arbitrary value by suitably changing the mixing ratio of the low temperature fuel and the heated fuel. Will be able to.
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. Note that the present invention is not limited thereby.
図1は、本発明の一の実施形態に係る複合サイクルエンジンの再生冷却システム100を示す要部構成説明図である。
この複合サイクルエンジンの再生冷却システム100は、燃料を極低温で貯蔵する燃料タンク1と、燃料を下記複合サイクルエンジンCEへ移送する燃料供給ライン2と、燃料を圧送する第1ポンプ3と、燃料と複合サイクルエンジン壁との間で熱の授受を行わしめる熱交換器4と、第1ポンプおよび第2ポンプを駆動するタービン5と、タービン5を駆動するための燃料を移送するタービン駆動ライン6と、タービン5を駆動した燃料と熱交換を終えた燃料とを回収するバッファタンク7と、燃料供給ライン2を流れる燃料の流量を調整する第1流量調整弁8と、熱交換を終えた燃料の一部を上流側に戻す帰還ライン9と、帰還ライン9を流れる燃料の流量を調整する第2流量調整弁10と、帰還ライン9の燃料を圧送する第2ポンプ11と、低温の燃料と昇温した燃料とが混合しながら熱交換を行う混合器12とを具備して構成される。
FIG. 1 is an explanatory view of the main configuration of a regenerative cooling system 100 for a combined cycle engine according to an embodiment of the present invention.
This combined cycle engine regenerative cooling system 100 includes a
燃料としては、例えば、液体水素を使用する。液体水素は、燃料タンク1によって例えば−253℃の極低温で貯蔵されている。
For example, liquid hydrogen is used as the fuel. Liquid hydrogen is stored in the
燃料供給ライン2は、熱交換器4における複合サイクルエンジンCEからの受熱量が最大となる時に、所定の質量流量mの水素が流れるように設計されている。一例を挙げると、先ず、使用する配管での燃料タンク1からエンジンの第1噴射器I1および第2噴射器I2までのルーティングを行う。次に、水素の密度ρおよび粘度μ等の物性値を受熱量が最大となる温度での値を使用して、質量流量mが流れる場合の流速vおよびレイノルズ数Reを求め、そして配管の流路抵抗係数CRを求める。次いで、配管の流路抵抗係数CRを使用して、水素が燃料供給ライン2を流れた時の圧力損失ΔPを求める。次いで、その圧力損失ΔPを補填し且つ所定の質量流量mを流すことができる揚程を有する第1ポンプ3を選定することにより設計を行うこととなる。
しかし、燃料供給ライン2を上記のように設計した場合、受熱量が最大とならない時は、水素の温度が予測値よりも低くなり、その結果、水素の密度が予測値よりも高くなり、これとは逆に配管を流れる水素の流速vは予測値よりも小さくなり、その結果、配管の流路抵抗係数CRが予測値よりも見かけ上小さくなり、結果として質量流量mが設計値よりも増大することになる。
そこで、熱交換器4にて複合サイクルエンジンCEから受熱し昇温した水素の一部を帰還ライン9によって上流側の混合器12へ第2ポンプ11で加圧しながら戻して低温の水素と混合させることにより、燃料供給ライン2を流れる水素の温度を上昇させ、その結果、水素の密度を低下させ、質量流量mの増大を抑制することが出来る。
The
However, when the
Accordingly, a part of the hydrogen that has received heat from the combined cycle engine CE in the
また、第2流量調整弁10により、帰還ライン9を流れる水素の質量流量を変えることができる。これにより、混合器12において低温の水素と昇温した水素との混合比を変えることが可能となり、燃料供給ライン2を流れる水素の温度を任意の値に設定することができるようになる。
Further, the mass flow rate of hydrogen flowing through the feedback line 9 can be changed by the second flow rate adjusting valve 10. As a result, the mixing ratio of the low temperature hydrogen and the heated hydrogen can be changed in the
また、上記再生冷却システム100が適用されるエンジンとしては、例えば複合サイクルエンジンCEが挙げられる。この複合サイクルエンジンCEは、圧縮機およびタービンは備えておらず、離陸からマッハ3の飛行速度では、ロケットエンジンREから排気される噴流のエゼクター効果を利用してエアーインテークAIから空気を吸い込みながら、ロケットエンジンREの下流に衝撃波を発生させて吸い込んだ空気を圧縮し、その圧縮空気に対して第2噴射器から燃料を噴射して主燃焼室CHにおいて燃焼させ、その燃焼ガスを外部ノズル(図示せず)から排気することにより推力を発生させている。
他方、マッハ3から6の飛行速度では、ロケットエンジンREでの燃焼を抑え、ラム圧を使用して空気を圧縮して、同様に圧縮空気に燃料を混合させながら燃焼させて推力を発生させている。
それに対し、マッハ6から10の飛行速度では、空気をあまり圧縮せずに超音速のまま主燃焼室CHに導入して、燃料を混合させながら燃焼させて推力を発生させている。
An example of the engine to which the regenerative cooling system 100 is applied is a combined cycle engine CE. This combined cycle engine CE is not equipped with a compressor and turbine, and at the flight speed from takeoff to
On the other hand, at the flight speeds of
On the other hand, at the flight speeds of Mach 6 to 10, air is not compressed so much but introduced into the main combustion chamber CH at supersonic speed and burned while mixing the fuel to generate thrust.
次に、この上記再生冷却システム100の動作について説明する。
先ず、燃料タンク1で極低温、例えば−253℃にて貯蔵された液体水素が、第1ポンプ3が回転することにより、燃料供給ライン2を通り、熱交換器4へ導入される。導入された水素は、熱交換器4において、ロケットエンジンREの燃焼室壁および主燃焼室壁から熱エネルギーを回収した後、大部分はバッファタンク7に導入されるが、一部の昇温した水素は分岐されてタービン駆動ライン6を流れる。そして、そのタービン駆動ライン6を流れる水素は、タービン5を駆動した後に、バッファタンク7へ導入される。バッファタンク7では、燃料供給ライン2を流れる水素とタービン駆動ライン6を流れた水素とが合流し、その後、大部分の水素は第1噴射器I1および第2噴射器I2へ移送され、ロケットエンジンREおよび主燃焼室CHにて空気と混合されながら燃焼に供されるが、一部は、帰還ライン9を流れ、第2ポンプ11で加圧されながら混合器12に導入される。そして、帰還された水素は、燃料タンク1を流れる低温の水素と混合し熱交換を行いながら燃料供給ライン2を流れる水素の温度を上昇させる。これにより、例えば、冷却剤としての水素がロケットエンジンREの燃焼室壁、ノズル壁、主燃焼室壁および外部ノズル壁から受ける受熱量が小さい場合であっても、水素の質量流量が増大することを抑止することが可能となる。
Next, the operation of the regeneration cooling system 100 will be described.
First, liquid hydrogen stored in the
上記再生冷却システム100によれば、予め燃料供給ライン2をエンジン壁等からの受熱量が高いという条件の下で、所定の質量流量の燃料が流れるように設計しておくことにより、飛行条件が変わり、受熱量が低くなる場合であっても、複合サイクルエンジンCEを冷却して昇温した水素の一部を、帰還ライン9を介して第2ポンプ11で加圧しながら混合器12に戻して低温の水素と混合させることにより、水素の密度を低下させて水素の質量流量の増大を抑制することができる。特に、帰還される昇温した水素は、エンジンから熱エネルギーを回収した後再び利用されるため、エンジン全体の熱効率が向上するようになる。更に、帰還される昇温した水素の流量を第2流量調整弁10によって制御することにより、低温の水素と昇温した水素との混合比を好適に変えることが可能となり、その結果、燃料供給ライン2を流れる水素の温度を任意の値に設定することが出来るようになる。
According to the above regenerative cooling system 100, the flight condition can be controlled by designing the
図2は、本発明の他の実施形態に係る複合サイクルエンジンの再生冷却システム200を示す要部構成説明図である。
この複合サイクルエンジンの再生冷却システム200は、燃料を極低温で貯蔵する燃料タンク1と、燃料を下記複合サイクルエンジンCEへ移送する燃料供給ライン2と、燃料を圧送する第1ポンプ3と、燃料と複合サイクルエンジン壁との間で熱の授受を行わしめる熱交換器4と、第1ポンプを駆動するタービン5と、タービン5を駆動する燃料を移送するタービン駆動ライン6と、タービン5を駆動した燃料を回収するバッファタンク7と、燃料供給ライン2を流れる燃料の流量を調整する第1流量調整弁8と、燃料供給ライン2を流れる水素を加熱する温度調整手段としてのヒータ13とを具備して構成される。
上記再生冷却システム100では、熱交換器4を流出し昇温した水素の一部を帰還ライン9によって上流側に戻すことにより、燃料供給ライン2を流れる水素の温度を上昇させて水素の質量流量の増大を抑制していたが、本再生冷却システム200では、ヒータ13によって直接に燃料供給ライン2を流れる水素を加熱して液温を上昇させて、水素の密度を低下させて水素の質量流量の増大を抑制することにしている。これにより、帰還ライン9、第2流量調整弁10、第2ポンプ11および混合器12等が不要となり、システムが簡素となる。
FIG. 2 is an explanatory view of the main configuration of a regenerative cooling system 200 for a combined cycle engine according to another embodiment of the present invention.
The combined cycle engine regeneration cooling system 200 includes a
In the regenerative cooling system 100, a part of the hydrogen that has flowed out of the
本発明の複合サイクルエンジンの再生冷却システムは、複合サイクルエンジンに限らず、大きな密度変化を伴う冷却剤を使用したロケットエンジン又はジェットエンジンなどに対しても適用可能である。 The regenerative cooling system for the combined cycle engine of the present invention is not limited to the combined cycle engine, but can be applied to a rocket engine or a jet engine using a coolant with a large density change.
1 燃料タンク
2 燃料供給ライン
3 第1ポンプ
4 熱交換器
5 タービン
6 タービン駆動ライン
7 バッファタンク
8 第1流量調整弁
9 帰還ライン
10 第2流量調整弁
11 第2ポンプ
12 混合器
13 ヒータ
100,200 複合サイクルエンジンの再生冷却システム
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料が流れる燃料供給ラインは、前記エンジン壁から前記燃料供給ライン壁に伝熱する予測熱量が最大となる条件において所定の質量流量の燃料が流れるように設計され且つ、前記燃料供給ラインを流れる燃料の温度を上げる温度調整手段を具備し、前記エンジン壁から実際に伝熱する熱量が低い場合は、該温度調整手段によって前記燃料の温度を上昇させることを特徴とする複合サイクルエンジンの再生冷却システム。 A regenerative cooling system for a combined cycle engine, in which low-temperature fuel is introduced into the combustion chamber after receiving heat through the inside of the engine wall,
Fuel supply line which the fuel flows, the transfer heat predicted heat from engine walls to the fuel supply line wall is designed to flow the fuel in a given mass flow rate Te conditions odors becomes maximum and, the fuel supply line Regeneration of a combined cycle engine comprising temperature adjusting means for raising the temperature of flowing fuel, and when the amount of heat actually transferred from the engine wall is low, the temperature of the fuel is raised by the temperature adjusting means. Cooling system.
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