JP4602346B2 - インジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１及び請求項６の前提部分に記載した種類の、例えばロケットエンジンなどに用いるインジェクタに関する。

ロケットエンジンにおけるインジェクタの機能は、推進剤を混合すること、そして、そのロケットエンジンの燃焼室内の燃焼状態を、確実に最適な状態にすることにある。

例えば、ドイツ特許第ＤＥ ４３ ０５ １５４ Ｃ１号公報(特許文献１)によって、自燃性の２種類の推進剤を混合するための同軸形のインジェクタが公知となっている。同公報のインジェクタは、単独で燃焼室へ供給される燃料の流れを、複数の孔を有する分流器によって分割して、燃料供給管の周方向に分散させた、複数の流れにするようにしている。これによって、圧力変動を発生することのない、安定した燃焼状態が得られるようにしている。

また、ドイツ特許出願公開第ＤＥ １０１３０ ３５５ Ａ１号公報(特許文献２)によって、以下のようなインジェクタが公知となっており、そのインジェクタは、燃焼室へ供給する推進剤の流れを分割して２つの部分流を作り出し、それら２つの部分流を個別に燃焼室内へ噴射するようにしたものである。また、それら２つの部分流を噴射する際に、互いに同軸的な位置関係にある２つの中空円錐形噴流が形成されるようにしている。これによって、２つの中空円錐形噴流の内部において、互いに粒径の異なる液滴が好適に形成されるようにし、もって、互いに燃焼特性の異なる２つの燃焼ゾーンを形成できるようにしており、即ち、推進剤の段階的燃焼を可能にしている。

また、ドイツ特許第ＤＥ １９５１５ ８７９ Ｃ１号公報(特許文献３)によって、二部材同軸形のインジェクタが公知となっており、そのインジェクタは、酸化剤の円錐形噴流を形成するための第１吐出口を有する内側部材と、この内側部材に対して同軸形の配置とされた外側部材とを備えており、外側部材は、複数の貫通流路の形態とした、燃料噴流を形成するための複数の第２吐出口を有している。

多くの場合、燃焼室の壁面近傍部分を冷却するための、冷却ゾーンを設けることが必要とされている。この目的を達成するための手段として、冷却用のインジェクタを追加するという方策が用いられることがある。冷却用のインジェクタは、冷却用液体に旋回運動を付与するようにしたインジェクタとして構成されることもあり、また、単に孔を設けただけの簡単なインジェクタとして構成されることもある。
ドイツ特許第ＤＥ ４３ ０５ １５４ Ｃ１号公報 ドイツ特許出願公開第ＤＥ １０１ ３０ ３５５ Ａ１号公報 ドイツ特許第ＤＥ １９５１５ ８７９ Ｃ１号公報

本発明の課題は、推進剤を燃焼室内へ噴射することに加えて、更に、冷却用液体膜を形成することも合わせてできるようにした、例えばロケットエンジンなどに用いるインジェクタを提供することにある。

この課題は、特許請求の範囲の請求項１ないしは請求項６に記載した特徴を備えたインジェクタによって達成される。従属請求項は、かかるインジェクタの好適な構成例に関する特徴を記載したものである。

本発明の重要な概念は、インジェクタの内側部材または外側部材に複数の孔を設け、それら複数の孔を介して、冷却用液体膜を形成するために必要とされる分の推進剤を取出すというものである。かかるインジェクタによって得られる利点は、在来のインジェクタに既に装備されている構成要素を利用して、高燃料濃度ゾーンと高酸化剤濃度ゾーンとを作り出せるということにある。更に、ただ１つだけのインジェクタを用いて、冷却用液体膜の形成領域を作り出すことができ、冷却用のインジェクタを追加する必要がないということもある。更に加えて、本発明に係るインジェクタを使用することで、燃焼室内に２つの燃焼ゾーンを作り出すことも可能である。更に、本発明によれば、段階的反応（燃焼）を行わせることも可能である。そして、本発明によれば、推進剤の混合比に関する広範な動作領域に亘る動作にも適合することができる。

本発明は以下のようなインジェクタに関するものであり、そのインジェクタは、第１吐出口を有する内側部材と、前記第１吐出口に対して同軸形の配置とされた少なくとも１つの第２吐出口を有し前記内側部材に対して同軸形の配置とされた外側部材とを備えた、流入してくる推進剤を燃焼室内へ噴射するための、例えばロケットエンジンなどに用いるインジェクタである。そして、本発明によれば、前記外側部材が更に、冷却用液体膜を形成するための、複数の孔の形態とした複数の第３吐出口を有しており、それら複数の孔は、前記第１吐出口及び前記第２吐出口に対して同軸形の配置とされている。

また特に、前記外側部材が、供給する推進剤の流れに旋回運動を付与するためのスワール室を備え、該スワール室に前記複数の孔が設けられているようにするのもよい。そうすることにより、前記複数の孔を介して取出される、冷却用液体膜を形成するための推進剤が、スワール室から取出されるようになる。スワール室は、例えば本明細書の冒頭部で言及したドイツ特許出願公開第ＤＥ１０１ ３０ ３５５ Ａ１号公報(特許文献２)にも記載されており、同公報においては、旋回運動発生部と呼ばれている。

また、前記複数の孔が、前記スワール室のテーパ部に設けられているようにすることが望ましい。そうすることにより、前記複数の孔に、推進剤を効率的に流入させることが可能になる。

前記外側部材上における前記複数の孔の配置は、前記複数の孔によって形成される前記冷却用液体膜が、前記燃焼室内へ噴射される推進剤へ及ぼす影響が最小となるような配置とするのがよい。換言するならば、前記複数の孔の配列は、前記冷却用液体膜と、前記燃焼室内へ噴射される推進剤とが、前記燃焼室内へ吐出された直後に互いに接触して混合することのないような配列とするのがよい。

前記複数の孔が、旋回運動を発生させるための１つの環状空間へ移行しているようにするのもよい。そうすることによって、旋回運動をする冷却用液体膜が形成されるため、燃焼室内において最適な混合体を形成し得るという効果が得られる。

本発明は更に、以下のようなインジェクタに関するものであり、そのインジェクタは、第１吐出口を有する内側部材と、前記第１吐出口に対して同軸形の配置とされた少なくとも１つの第２吐出口を有し前記内側部材に対して同軸形の配置とされた外側部材とを備えた、流入してくる推進剤を燃焼室内へ噴射するための、例えばロケットエンジンなどに用いるインジェクタであって、本発明によれば、前記内側部材が、冷却用液体膜を形成するための、複数の孔の形態とした複数の第３吐出口を有しており、それら複数の孔は、前記第１吐出口及び前記第２吐出口に対して同軸形の配置とされている。

かかるインジェクタによれば、部分的な予混合が行われる。この部分的な予混合は、特に、推進剤が噴射されることによって形成される中空円錐形噴流どうしが、互いに交わらないように構成されているインジェクタにおいて、最適な燃焼状態を得る上で非常に重要である。

上述した２種類の本発明に係るインジェクタのいずれにおいても、特に、前記複数の孔が、前記外側部材または前記内側部材の全周に亘って、均一に分散配置されているようにすることができる。そうすることによって、円錐形の冷却用の液体膜が形成される。このようにしたものは、特に、インジェクタを１つだけ用いたロケットエンジン（単一インジェクタ形燃焼室を備えたロケットエンジン）に適している。そのようなロケットエンジンでは、その円錐形の液体膜によって燃焼室の内壁面が冷却され、しかも、燃焼フェーズの期間中に、燃焼室内の内壁面近傍領域における推進剤の濃度が、過剰な推進剤により増大してしまうという事態が回避される。このことは特に、短時間燃焼動作を行わせる場合に重要な意味を持つものであり、また更に、燃焼室の内壁面に煤などの残渣物質が大量に堆積するおそれを大幅に低減し得るものである。また何よりも、既述のごとく、１つのインジェクタを使用するだけで、２ゾーン燃焼を行わせることが可能である。

また特に、複数のインジェクタを装備するような場合には、前記複数の孔が、前記外側部材または前記内側部材の全周のうちの一部分だけに、均一に分散配置されているようにすると有利である。また、その場合には、前記複数の孔が、全周のうちの前記燃焼室の内壁面に近接した部分だけに配置されているようにして、前記複数の孔から吐出される液体膜が、内壁面の方向へ噴射されるようにするのがよい。

単純な形状の複数の成分供給孔を備えた好適な実施の形態においては、前記複数の孔の配列は、それら複数の孔から吐出される液体噴流が、複数の成分供給孔から吐出される液体噴流と混合するような配列としておくことが好ましい。そうしておくことによって、推進剤と成分との予混合が行われて、液滴形成が早期に行われるようになる。そして、これによって、スワール生成部の中空円錐形噴流との主混合において好適な効果が得られる。

最後に、本発明は、燃焼室を備えたロケットエンジンに用いるという使用に関するものである。かかるロケットエンジンは、少なくとも１つの本発明に係るインジェクタを備えたことを特徴とするものである。

特に、前記ロケットエンジン上における前記少なくとも１つの本発明に係るインジェクタの配置は、該インジェクタから吐出される前記冷却用液体膜が少なくとも部分的に前記燃焼室の内壁面へ向けて吐出されるような配置とするのがよい。

本発明の更なる利点及び利用可能性については、図面に示した具体的な実施の形態に関する以下の説明を通して明らかにして行く。

以下の詳細な説明、特許請求の範囲、要約書、及び図面には、符号の説明に列挙した参照符号が使用されている。また、以下の詳細な説明においては、互いに同一の構成要素、ないしは互いに機能的に同一の構成要素には、同一の参照符号を用いて説明している。

図１Ａに断面図で示したインジェクタ１０は、内側部材１２と外側部材１４とを備えている。内側部材１２と外側部材１４とは、互いに同軸形の配置とされている。それら部材には、高圧の推進剤が流入し、流入した推進剤は、各部材により中空円錐形の噴流の形とされて、ロケットエンジンの燃焼室（不図示）内へ噴射される。内側部材１２へ供給される推進剤は、供給孔６０を介して内側部材１２の中へ流入し、また、外側部材１４へ供給される推進剤は、供給孔６２を介して外側部材１４の中へ流入する。更に、外側部材１４は、推進剤に旋回運動を付与するためのスワール室１８を備えている。

図２Ａは、図１Ａのインジェクタ１０を断面斜視図で示した図である。図２Ａには、インジェクタ１０の端面３０が明瞭に示されており、推進剤は、この端面３０から吐出されて燃焼室内へ噴射される。

外側部材１４は、その外周壁部２８に、複数の孔１６が形成されており、それら孔１６の始端はスワール室１８のテーパ部２０に開口しており、それら孔１６の末端は燃焼室内を向いた端面３０に開口している。スワール室１８内の推進剤はそれら複数の孔１６へ流入し、流入した推進剤はそれら複数の孔１６によって、更なる中空円錐形の噴流とされて燃焼室内へ噴射される。また、それら複数の孔１６の配列は、それら複数の孔１６から燃焼室内へ噴射された推進剤の噴流の形状が、燃焼室内において、この燃焼室の内壁面へ向かって開いた中空円錐形となるように、そして、その噴流によって内壁面の冷却が行われるようにすることのできる配列とされている。

図１Ｂは、別のインジェクタ１１を断面図で示した図であり、このインジェクタ１１は図１Ａのインジェクタ１０と基本的に同一構造であるが、ただし、外側部材１５に形成されている複数の傾斜した孔２４の末端が、外側部材１５の環状空間２２の中に開口している点が異なっている。この実施の形態では、推進剤は、旋回運動を付与された状態で、環状空間２２を介して燃焼室内へ噴射される。また、そのようにするために、複数の孔２４は、２つの平面内において傾斜させてある。図２Ａは、この実施の形態を断面斜視図で示した図である。複数の孔２４を傾斜させることで、推進剤が、環状空間２２の中へ噴射された時点で、既に旋回運動を付与された状態にあるようにしている。

図２Ｃは、図１Ａ及び図２Ａに示した実施の形態のインジェクタ１０の端面３０を示した図であり、図２Ｄは、図１Ｂ及び図２Ｂに示した実施の形態のインジェクタ１１の端面３２を示した図である。図２Ｃに示した第１の実施の形態の１０では、合計８個の孔１６が端面３０の周方向に均一に分散配置されており、即ち、等間隔で配置されている。図２Ｄに示した第２の実施の形態の１１では、端面３２の周方向に均一に分散配置された４個の孔１６の端部が環状空間２２の中に開口している。インジェクタ１０及び１１はいずれも、１つの燃焼室ないし燃焼チャンバに、インジェクタを１つだけ装備するという用途に適したものである。

図３は、ロケットエンジンの１つの燃焼チャンバに複数のインジェクタ２８及び３４を装備する場合の、それらインジェクタの配列を示した図である。参照符号３４を付したインジェクタは、燃焼室内へ推進剤を噴射する機能しか備えていない、従来のインジェクタである。本発明に係るインジェクタ２８は、推進剤を噴射する機能を備えると共に、燃焼室の内壁面２６を冷却するための液体膜を形成する機能をも備えたものである。ただし、インジェクタ２８には、上で説明したインジェクタ１０及び１１とは異なり、複数の孔１６が、このインジェクタ２８の端面の全周のうちの、燃焼室の内壁面２６に近接した部分だけ、即ち、燃焼室の内壁面２６の壁際部分だけに設けられている。この構成によれば、複数の孔１６から噴射される推進剤は、燃焼室の内壁面の方向へ噴射されて、内壁面を冷却する。この実施の形態は、図示したごとく、複数のインジェクタを装備するロケットエンジンに用いるのに適したものである。また、スワール室の残余流動方向長さを適当に定めることによって、噴射の形状的非均一性及び方向性を調節することができる。

図４に断面図で示したのは、更に別の実施の形態のインジェクタ３６であり、このインジェクタ３６は、内側部材３８と、この内側部材３８に対して同軸形に配置された外側部材４０とを備えている。この実施の形態では、内側部材３８に、複数の孔４２が形成されており、それら複数の孔４２の末端は端面４３に開口している。複数の孔４２は、内側部材３８の中を流れる推進剤の一部を取出して、その取出した推進剤を、外側部材４０から燃焼室内へ噴射される推進剤（中空円錐形の推進剤噴流４６）に混合することを目的として設けられている。これによって、図示した実施の形態のように、２つの中空円錐形の推進剤噴流４４と４６が互いに交差しないように形成されたインジェクタにおいて、好適な効果をもたらす部分的な予混合が行われる。

最後に、図５及び図６に示したインジェクタ４８及び５０は、成分供給構造を備えており、より厳密にいうならば、成分を供給するための複数の孔５２及び５４を備えている。図５に示したのは、３本の液体噴流が（参照符号５６で示した交点で）交わるようにした「アンライク・トリプレット」である。一方、図６に示したのは、２本の液体噴流が（参照番号５８で示した交点で）交わるようにした「アンライク・ダブレット」である。噴流が「交わる」ことによって、予混合及び液滴形成が行われ、それによって、スワール発生部の中空円錐形噴流との主混合において好適な効果が得られるようになっている。

本発明の第１の実施の形態に係るインジェクタの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るインジェクタの断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るインジェクタの断面斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係るインジェクタの断面斜視図である。 図２Ａに示したインジェクタの端面を示した平面図である。 図２Ｂに示したインジェクタの端面を示した平面図である。 ロケットエンジンの燃焼室に装備した多数のインジェクタの配列を示した図である。 本発明の第５の実施の形態に係るインジェクタの断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係るインジェクタの断面斜視図である。 本発明の第７の実施の形態に係るインジェクタの断面斜視図である。

符号の説明

１０ インジェクタ
１１ インジェクタ
１２ 内側部材
１４ 外側部材
１５ 外側部材
１６ 孔
１８ スワール室
２０ スワール室１８のテーパ部
２２ 環状空間
２４ 傾斜孔
２６ 燃焼室の内壁面
２８ インジェクタ
３０ インジェクタ１０の端面
３２ インジェクタ１１の端面
３４ インジェクタ
３６ インジェクタ
３８ 内側部材
４０ 外側部材
４２ 孔
４４ 内側の中空円錐形の推進剤噴流
４６ 外側の中空円錐形の推進剤噴流
４８ インジェクタ
５０ インジェクタ
５２ 成分を供給するための孔
５４ 成分を供給するための孔
５６ ３本の液体噴流の交点
５８ ２本の液体噴流の交点
６０ 推進剤の供給孔
６２ 推進剤の供給孔

Claims (11)

1. 第１吐出口を有する内側部材（１２）と、前記第１吐出口に対して同軸形の配置とされた少なくとも１つの第２吐出口を有し前記内側部材に対して同軸形の配置とされた外側部材（１４）とを備えた、流入してくる推進剤を燃焼室内へ噴射するための、インジェクタ（１０）において、
   前記外側部材（１４）が更に、スワール室（１８）を有するとともに、冷却用液体膜を形成するための、複数の孔（１６）の形態とした複数の第３吐出口を該スワール室（１８）に有しており、それら複数の孔（１６）は、前記第１吐出口及び前記第２吐出口に対して同軸形の配置とされている、
   ことを特徴とするインジェクタ。
2. 第１吐出口を有する内側部材（１２）と、前記第１吐出口に対して同軸形の配置とされた少なくとも１つの第２吐出口を有し前記内側部材に対して同軸形の配置とされた外側部材（１４）とを備えた、流入してくる推進剤を燃焼室内へ噴射するための、インジェクタ（１０）において、
   前記外側部材（１４）が更に、冷却用液体膜を形成するための、複数の孔（１６）の形態とした複数の第３吐出口を有しており、それら複数の孔（１６）は、前記第１吐出口及び前記第２吐出口に対して同軸形の配置とされており、
   前記複数の孔（１６）が、旋回運動を発生させるための１つの環状空間（２２）へ移行していることを特徴とするインジェクタ。
3. 前記外側部材（１４）が更に、スワール室（１８）を備えており、該スワール室（１８）に前記複数の孔（１６）が設けられていることを特徴とする請求項２記載のインジェクタ。
4. 前記複数の孔（１６）が前記スワール室（１８）のテーパ部（２０）に設けられていることを特徴とする請求項１または３記載のインジェクタ。
5. 前記外側部材（１４）上における前記複数の孔（１６）の配置及び配列は、前記冷却用液体膜と、前記燃焼室内へ噴射される推進剤とが、前記燃焼室内へ吐出された直後に互いに接触して混合することのないような配置及び配列であることを特徴とする請求項１または３記載のインジェクタ。
6. 第１吐出口を有する内側部材（１２）と、前記第１吐出口に対して同軸形の配置とされた少なくとも１つの第２吐出口を有し前記内側部材に対して同軸形の配置とされた外側部材（１４）とを備えた、流入してくる推進剤を燃焼室内へ噴射するための、インジェクタ（１０）において、
   前記内側部材（１２）が、冷却用液体膜を形成するための、複数の孔（１６）の形態とした複数の第３吐出口を有しており、それら複数の孔（１６）は、前記第１吐出口及び前記第２吐出口に対して同軸形の配置とされていて、
   前記複数の孔（１６）は、前記内側部材（１２）と前記外側部材（１４）の軸に対して傾斜している、
   ことを特徴とするインジェクタ。
7. 前記複数の孔（１６）が、前記外側部材または前記内側部材（１４）の全周に亘って、均一に分散配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載のインジェクタ。
8. 前記複数の孔（１６）が、前記外側部材または前記内側部材（１４）の全周のうちの一部分だけに、均一に分散配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載のインジェクタ。
9. 前記複数の孔（１６）の配列は、それら複数の孔（１６）から吐出される液体噴流が、成分供給孔（５２、５４）から吐出される液体噴流と混合するような配列であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載のインジェクタ。
10. 燃焼室を備えたロケットエンジンであって、請求項１乃至９の何れか１項記載のインジェクタ（１０）を少なくとも１つ備えたロケットエンジン。
11. 少なくとも１つのインジェクタ（１０）を、該インジェクタから吐出される前記冷却用液体膜が少なくとも部分的に前記燃焼室の内壁面（２６）へ向けて吐出されるように配置することを特徴とする請求項１０記載のロケットエンジン。

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