JP6155447B2 - Nitrous oxide / ethanol injector and combustion apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、例えばロケットの最終段液体ステージや空気吸い込みエンジン等に用いられる酸化二窒素／エタノール噴射器とこれを用いた燃焼装置に関する。 The present invention relates to a nitrous oxide / ethanol injector used in, for example, a final stage liquid stage of a rocket or an air suction engine and a combustion apparatus using the same.
この種の関連技術として、非特許文献１に「Ｎ２Ｏ／エタノール推進系の実証研究について」と題された講演会資料がある。
非特許文献１によれば、酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）／エタノールともに常温の液状態で噴射器に供給され、また、一般的な液‐液同種衝突型噴射器を採用している。
As this type of related technology, Non-Patent Document 1 includes a lecture material entitled “On Verification Study of N 2 O / Ethanol Propulsion System”.
According to Non-Patent Document 1, both dinitrogen oxide (N 2 O) / ethanol are supplied to the injector in a liquid state at room temperature, and a general liquid-liquid homogeneous collision type injector is employed.
ところが、酸化二窒素は、常温５ＭＰａでは液状態であるが、２ＭＰａでは気体となる。従って、上記液‐液同種衝突型噴射器内では液状態であるが、燃焼装置内に噴射される途中において沸騰し、燃焼装置内には気液混合状態で噴射されることになる。 However, dinitrogen oxide is in a liquid state at a normal temperature of 5 MPa, but becomes a gas at 2 MPa. Therefore, although it is in a liquid state in the liquid-liquid homogeneous collision type injector, it boils in the middle of being injected into the combustion apparatus, and is injected into the combustion apparatus in a gas-liquid mixed state.
すなわち、上記した酸化二窒素の沸騰は噴射オリフィス内で始まるため、流量係数が安定せず、そのことが原因で酸化二窒素の流量が不安定になり、燃焼圧力を安定させられないという課題が未解決のままである。 That is, since the boiling of nitrous oxide described above starts in the injection orifice, the flow coefficient is not stable, which causes the problem that the flow of nitrous oxide becomes unstable and the combustion pressure cannot be stabilized. It remains unresolved.
そこで本発明は、流量係数を安定させて、酸化二窒素の流量を一定にし、これにより燃焼圧力を安定させられる酸化二窒素／エタノール噴射器とこれを用いた燃焼装置の提供を目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitrous oxide / ethanol injector and a combustion apparatus using the same, in which the flow coefficient is stabilized and the flow rate of nitrous oxide is made constant, thereby stabilizing the combustion pressure.
上記課題を解決するための本発明に係る酸化二窒素／エタノール噴射器は、エタノールを噴射するための複数のエタノール噴射孔と、酸化二窒素を噴射するための複数の酸化二窒素噴射孔を形成したものである。
本発明においては、上記各酸化二窒素噴射孔の開口断面積を、その流入口側から噴出口に向けて次第に増大させて形成している。
In order to solve the above problems, a nitrous oxide / ethanol injector according to the present invention includes a plurality of ethanol injection holes for injecting ethanol and a plurality of nitrous oxide injection holes for injecting nitrous oxide. It is a thing.
In the present invention, the opening cross-sectional area of each of the nitrous oxide injection holes is gradually increased from the inlet side toward the outlet.
この構成によれば、各酸化二窒素噴射孔から噴射された酸化二窒素は、エタノール噴射孔内において気化されて噴射されるので、流量係数を安定させて酸化二窒素の流量を一定にし、これにより燃焼圧力を安定させられる。 According to this configuration, since the nitrous oxide injected from each nitrous oxide injection hole is vaporized and injected in the ethanol injection hole, the flow coefficient of the nitrous oxide is made constant by stabilizing the flow coefficient. This stabilizes the combustion pressure.
上記課題を解決するための本発明に係る燃焼装置は、上記した酸化二窒素／エタノール噴射器を用いたものである。 A combustion apparatus according to the present invention for solving the above-described problems uses the above-described nitrous oxide / ethanol injector.
本発明によれば、酸化二窒素噴射孔の開口断面積を、その流入口側から噴出口に向けて次第に増大させて形成しているので、酸化二窒素を酸化二窒素噴射孔内で気化させることができ、これにより、流量係数を安定させて酸化二窒素の流量を一定にし、また、燃焼圧力を安定させることができる。 According to the present invention, since the opening cross-sectional area of the nitrous oxide injection hole is gradually increased from the inlet side toward the jet outlet, the nitrous oxide is vaporized in the nitrous oxide injection hole. Thus, the flow coefficient can be stabilized, the flow rate of nitrous oxide can be made constant, and the combustion pressure can be stabilized.
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る酸化二窒素／エタノール噴射器を適用した燃焼装置の概略断面図、図２は、図１に包囲線Ｉで示す部分の断面斜視図である。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated with reference to drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a combustion apparatus to which a nitrous oxide / ethanol injector according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is a cross-sectional perspective view of a portion indicated by an encircling line I in FIG.
燃焼装置Ａは、本発明の一実施形態に係る酸化二窒素／エタノール噴射器（以下、単に「噴射器」という。）１０、点火器２０及び燃焼器３０を有して構成されている。
燃焼器３０は、軸線Ｏを中心とした円筒形にした燃焼部３１と、この燃焼部３１に連続するノズル部３２を備えており、本実施形態においては、繊維強化セラミックス（ＳｉＣ／ＳｉＣ）によって形成している。
The combustion apparatus A includes a dinitrogen oxide / ethanol injector (hereinafter simply referred to as “injector”) 10, an
The
燃焼部３１の開口３１ａには、上記した噴射器１０が固定されている。
この噴射器１０は、上記燃焼部３１を閉じる大きさの略円柱形に形成されており、その開口３１ａよりもやや大きな外径にして形成されている。
The above-described
The
噴射器１０の周壁１０ａには、液状のエタノールを供給するためのエタノール供給パイプ１１が連結され、また、外壁面１０ｂには、軸線Ｏから外方に偏らせて液状の酸化二窒素を供給するための酸化二窒素供給パイプ１２が連結されているとともに、その軸心Ｏに一致して上記点火器２０が連結されている。
なお、上記したエタノール供給パイプ１１や酸化二窒素供給パイプ１２には、エタノールや酸化二窒素を加圧供給するための例えばターボポンプ（図示しない）がそれぞれ連結されている。
An
The
図３は、噴射器の噴射面の拡大図、図４（Ａ）は、噴射孔形成板に形成されている一対のエタノール噴射孔と酸化二窒素噴射孔を示すものであり、半径線と平行な部分断面図、（Ｂ）は、噴射孔形成板に形成されているエタノール噴射孔のみを示すものであり、半径線と直交する部分断面図、（Ｃ）は、噴射孔形成板に形成されている酸化二窒素噴射孔のみを示す部分断面図である。 FIG. 3 is an enlarged view of the injection surface of the injector, and FIG. 4A shows a pair of ethanol injection holes and nitrous oxide injection holes formed in the injection hole forming plate, which are parallel to the radial line. (B) shows only the ethanol injection holes formed in the injection hole forming plate, and (C) is a partial cross sectional view orthogonal to the radial line. It is a fragmentary sectional view showing only the nitrous oxide injection hole which is.
噴射器１０の燃焼室３１に臨む噴射面（内壁面）１０ｃには、５つのリング状の溝１３ａ〜１３ｅが軸心Ｏを中心とした同心円状に凹陥形成されているとともに、それらの溝１３ａ〜１３ｅには、これらの開口に対応する同じくリング形の噴射孔形成板１４〜１８が嵌合固定されている。
On the injection surface (inner wall surface) 10c facing the
噴射器１０内には、上記の溝１３ａ〜１３ｅのうち、溝１３ａ，１３ｃ，１３ｅに、エタノールが送給されるように、また、溝１３ｂ，１３ｄに酸化二窒素がそれぞれ送給されるように図示しない流路が形成されている。
In the
噴射孔形成板１４，１６，１８には、エタノールを噴射するための複数対のエタノール噴射孔１４ａ，１４ａ、１６ａ，１６ａ、１８ａ，１８ａがそれぞれ所要の角度間隔にして配列形成されている。
A plurality of pairs of
本実施形態においては、隣り合う二つのエタノール噴射孔１４ａ，１４ａ（１６ａ，１６ａ、１８ａ，１８ａ）によって対をなしている。
エタノール噴射孔１４ａ、１６ａ、１８ａは、これの流入口１４ａ′から噴出口１４ａ″にかけて一定の内径にしたものであるが、必ずしも一定の内径にする必要はない。
In the present embodiment, a pair is formed by two adjacent
The
図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、各一対のエタノール噴射孔１４ａ，１４ａ（１６ａ，１６ａ、１８ａ，１８ａ）は、互いのエタノール噴射孔１４ａ，１４ａ（１６ａ，１６ａ、１８ａ，１８ａ）から噴射したエタノールどうしを、噴射直後に衝突させる角度にして形成されている。これにより、微粒化とともに混合を促進させることができる。
As shown in FIGS. 4A and 4B, each pair of
また、図４（Ａ），（Ｃ）に示すように、噴射孔形成板１５，１７には、酸化二窒素を噴射するための酸化二窒素噴射孔１５ａ、１７ａが形成されている。
本実施形態において示す酸化二窒素噴出孔１５ａ（１７ａ）は、これの流入口１５ａ′側から噴出口１５ａ″に向けて開口断面積を次第に増大させたラッパ形に形成している。
さらに、その流入口１５ａ′側近傍に、内径を小さくした絞り部１５ｂ（１７ｂ）を内方に突出させて形成している。
Further, as shown in FIGS. 4A and 4C, the injection
The nitrous
Further, a narrowed
上記した噴射器１０では、酸化二窒素噴射孔１５ａ（１７ａ）の開口断面積を、流入口１５ａ′側から噴出口１５ａ″に向けて次第に増大させたラッパ形に形成しているので、酸化二窒素は、酸化二窒素噴出孔１５ａ（１７ａ）内で気化されることになる。これにより、流量係数を安定させて、酸化二窒素の流量を一定にし、また、燃焼圧力を安定させている。
換言すると、酸化二窒素は、流入口１５ａ′側から噴出口１５ａ″に向けて次第に増大させた酸化二窒素噴出孔１５ａ（１７ａ）内において圧力降下によって気化され、また、酸化二窒素噴射孔１５ａ（１７ａ）内で沸騰するときにも、酸化二窒素噴射孔１５ａ（１７ａ）を閉塞することがない。
In the
In other words, nitrous oxide is vaporized by a pressure drop in the nitrous
また、絞り部１５ｂ（１７ｂ）を流入口１５ａ′側に形成しているので、流入口１５ａ′側における渦の発生を防ぐことができる。
点火器２０は、上記した燃焼室３１内に噴射混合された酸化二窒素とエタノールとを点火するためのものである。
Further, since the narrowed
The
上記した燃焼装置では、燃焼器３０内において気化された酸化二窒素とエタノールとが混合されて点火器２０によって点火されて燃焼する。
In the combustion apparatus described above, dinitrogen oxide and ethanol vaporized in the
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、繊維強化セラミックスにより燃焼器を形成した例について示したが、シリカ繊維強化プラスチックＳＦＲＰを採用することができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the following modifications can be made.
-In embodiment mentioned above, although the example which formed the combustor with fiber reinforced ceramics was shown, silica fiber reinforced plastic SFRP is employable.
・上述した実施形態においては、二つのエタノール噴射孔１４ａ，１４ａ（１６ａ，１６ａ、１８ａ，１８ａ）を対とした形態のものを例として説明したが、三つ又は四つ以上のエタノール噴射孔を一組とした形態にして使用することもできる。
In the embodiment described above, the configuration in which the two
１０ 酸化二窒素／エタノール噴射器
１４ａ，１６ａ，１８ａ エタノール噴射孔
１４ａ′，１５ａ′ 流入口
１４ａ″，１５ａ″ 噴出口
１５ａ，１７ａ 酸化二窒素噴射孔
１５ｂ，１７ｂ 絞り部
Ａ 燃焼装置
10 Nitrous oxide /
Claims (5)
上記各酸化二窒素噴射孔の開口断面積を、その流入口側から噴出口に向けて次第に増大させて形成していることを特徴とする酸化二窒素／エタノール噴射器。 In a nitrous oxide / ethanol injector in which a plurality of ethanol injection holes for injecting ethanol and a plurality of nitrous oxide injection holes for injecting nitrous oxide are arranged,
A dinitrogen oxide / ethanol injector characterized in that the opening cross-sectional area of each nitrous oxide injection hole is gradually increased from the inlet side toward the outlet.
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