JP7185776B2 - 反時計回りと時計回りとの渦の間で交互にされた周方向列にインジェクタ構成要素を有したインジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、米国空軍によって付与された契約番号ＦＡ９３００－０７－Ｃ－００１のもと、政府の支持によってなされた。政府は、本発明の特定の権利を有する。

液体推進剤ロケットエンジンが、燃料推進剤および酸化剤推進剤によって動力を供給され得る。燃料および酸化剤は、一般に、インジェクタに供給され、このインジェクタは、燃焼のための燃焼室に推進剤を導入する複数のインジェクタ構成要素を有している。そして、燃焼生成物が、燃焼室の下流のノズルを通して排出され、推力を生じさせる。

本開示の例に従う液体ロケットエンジンのインジェクタが、インジェクタ構成要素の配列を備える。各インジェクタ構成要素は、中心軸を画定する中央通路と、複数の周囲横断通路とを有する。中央通路は、軸方向の噴射流れを供給するように構成され、周囲横断通路は、軸方向の噴射流れの周りに渦噴射流れを供給するように構成される。インジェクタ構成要素の一部分は、時計回り方向に渦噴射流れを供給するように構成され、インジェクタ構成要素の他の部分は、反時計回り方向に渦噴射流れを供給するように構成される。インジェクタ構成要素は、複数の周方向列を形成するように配置される。周方向列の各周方向列のインジェクタ構成要素は、全てが時計回り方向であるか、または全てが反時計回り方向であり、時計回り方向の少なくとも１つの周方向列および反時計回り方向の少なくとも１つの周方向列がある。

上述の実施例のさらなる実施例では、インジェクタ構成要素の各々は、中央通路を提供する第１チューブと、該第１チューブとの間に環状の空間を設けるように第１チューブの端部に位置する外側の第２チューブとを有する。周囲横断通路は、第２チューブを通して延び、環状の空間に開口する。

上述の実施例のさらなる実施例では、周囲横断通路は、第２チューブの周囲で２つの周方向列に設けられている。

上述の実施例のさらなる実施例では、第２チューブは、第１チューブの端部と第２チューブの端部との間にカップ状の領域を画定するように第１チューブの端部を越えて延びる。

上述の実施例のさらなる実施例では、周方向列は、反時計回り方向と時計回り方向との間で交互にされている。

上述の実施例のさらなる実施例では、周方向列は、時計回り方向または反時計回り方向である少なくとも２つの連続した周方向列を有する。

上述の実施例のさらなる実施例では、周方向列は、反時計回り方向と時計回り方向との間で交互にされた周方向列の群と、時計回り方向または反時計回り方向である少なくとも２つの連続した周方向列とを有する。少なくとも２つの連続した周方向列は、交互にされた周方向列の群の径方向内側にある。

上述の実施例のさらなる実施例では、反時計回り方向と時計回り方向との間で交互にされた周方向列の群は、少なくとも４つの周方向列を有する。

上述の実施例のさらなる実施例では、周方向列は、反時計回り方向と時計回り方向との間で交互にされた周方向列の群と、時計回り方向または反時計回り方向である連続した周方向列の群とを有する。

上述の実施例のさらなる実施例では、インジェクタ構成要素の１つは、単一の中央インジェクタ構成要素として配置され、周方向列は、単一の中央インジェクタ構成要素の周りに同心円状に配置される。

本開示の例の液体ロケットエンジンが、燃焼室と、該燃焼室に取り付けられたノズルと、
燃焼室に取り付けられたインジェクタと、を備える。インジェクタは、インジェクタ構成要素の配列を備える。各インジェクタ構成要素は、中心軸を画定する中央通路と、複数の周囲横断通路とを有する。中央通路は、軸方向の噴射流れを供給するように構成され、周囲横断通路は、軸方向の噴射流れの周りに渦噴射流れを供給するように構成される。インジェクタ構成要素の一部分は、時計回り方向に渦噴射流れを供給するように構成され、インジェクタ構成要素の他の部分は、反時計回り方向に渦噴射流れを供給するように構成される。インジェクタ構成要素は、複数の周方向列を形成するように配置される。周方向列の各周方向列のインジェクタ構成要素は、全てが時計回り方向であるか、または全てが反時計回り方向であり、時計回り方向の少なくとも１つの周方向列および反時計回り方向の少なくとも１つの周方向列がある。

上述の実施例のさらなる実施例では、ノズルは、中細ノズルである。

上述の実施例のさらなる実施例は、燃料供給源および酸化剤供給源を有する。

上述の実施例のさらなる実施例では、インジェクタ構成要素の各々は、中央通路を提供する第１チューブと、該第１チューブとの間に環状の空間を設けるように第１チューブの端部に位置する外側の第２チューブとを有する。周囲横断通路は、第２チューブを通して延び、環状の空間に開口する。

上述の実施例のさらなる実施例では、周方向列は、反時計回り方向と時計回り方向との間で交互にされている。

上述の実施例のさらなる実施例では、周方向列は、時計回り方向または反時計回り方向である少なくとも２つの連続した周方向列を有する。

上述の実施例のさらなる実施例では、周方向列は、反時計回り方向と時計回り方向との間で交互にされた周方向列の群と、時計回り方向または反時計回り方向である少なくとも２つの連続した周方向列とを有する。少なくとも２つの連続した周方向列は、交互にされた周方向列の群の径方向内側にある。

上述の実施例のさらなる実施例では、反時計回り方向と時計回り方向との間で交互にされた周方向列の群は、少なくとも４つの周方向列を有する。

上述の実施例のさらなる実施例では、周方向列は、反時計回り方向と時計回り方向との間で交互にされた周方向列の群と、時計回り方向または反時計回り方向である連続した周方向列の群とを有する。

本開示の例に従うインジェクタが、インジェクタ構成要素の配列を備える。各インジェクタ構成要素は、中心軸を画定する中央通路と、複数の周囲横断通路とを有する。中央通路は、軸方向の噴射流れを供給するように構成され、周囲横断通路は、軸方向の噴射流れの周りに渦噴射流れを供給するように構成される。インジェクタ構成要素の一部分は、時計回り方向に渦噴射流れを供給するように構成され、インジェクタ構成要素の他の部分は、反時計回り方向に渦噴射流れを供給するように構成される。インジェクタ構成要素は、複数の列を形成するように配置される。列の各列のインジェクタ構成要素は、全てが時計回り方向であるか、または全てが反時計回り方向であり、時計回り方向の少なくとも１つの列および反時計回り方向の少なくとも１つの列がある。

本開示の種々の特徴および利点が、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面が、以下のように簡潔に説明されることができる。

例示的な液体ロケットエンジンを示す図である。 液体ロケットエンジンのインジェクタのインジェクタ構成要素の代表的な例を示す図である。 反時計回りの渦のための図２のインジェクタの断面図である。 時計回りの渦のためのインジェクタの断面図である。 図２のインジェクタ構成要素の他の断面図である。 軸方向から見たインジェクタの代表的なセクションを示す図である。 軸方向から見たインジェクタの代表的なセクションの他の例を示す図である。

図１は、液体推進剤ロケットエンジン２０の推力室を概略的に示している。理解されるように、本開示を適用し得る多くの異なる形式の液体推進剤ロケットエンジンがある。この点において、図示しないが、エンジン２０は、一般に、燃料推進剤および酸化剤推進剤を輸送する配管、および推進剤の輸送を制御するポンプおよびバルブを有することになる。

この例では、エンジン２０は、燃料供給源２２からインジェクタ２６へ燃料（例えば、液体水素または液体炭化水素）をポンプ輸送し、酸化剤供給源２４からインジェクタ２６へ酸化剤（例えば、酸化剤リッチタービン排出高温ガス）をポンプ輸送するように作動可能である。インジェクタ２６は、一般に、燃料および酸化剤を燃焼のための下流の燃焼室３２へ導入するように動作可能なインジェクタハウジング２８およびインジェクタ構成要素３０を有しても良い。例えば、燃焼室３２は、円筒状であり、金属合金により形成されている。そして、燃焼生成物が、ノズル３４を通して排出され、推力を生じさせる。図示した例では、ノズル３４は、中細ノズルであり、該中細ノズルは、収束部３４ａと、のど部３４ｂと、末広がり部３４ｃとを有している。ノズル３４は、燃焼室３２に取り付けられており、該燃焼室３２は、インジェクタ３０に取り付けられている。

図２は、インジェクタ２６のインジェクタ構成要素３０の代表的な１つを示している。各インジェクタ構成要素３０は、中心軸Ａを中心に配置されており、中央通路３８を提供するチューブ３６を備えている。中央通路３８は、４０で示される酸化剤ガスの軸方向の噴射流れを供給するように構成されている。この点では、チューブ３６は、該チューブ３６の１つの端部に入口３６ａを有しており、チューブ３６の反対の端部に出口３６ｂを有している。入口３６ａは、酸化剤供給源２４に接続されている。

最も一般的には第１チューブ３６と一体化される第２チューブ４２は、第１チューブ３６の第２端部に設けられており、第１チューブ３６と同軸となっている。第２チューブ４２は、チューブ３６よりもまさに大きく、したがって、第１チューブ３６の第２端部の外径面と第２チューブ４２の内径面との間に環状の空間４４を提供する。チューブが一体的または少なくとも取り付けられているので、環状の空間４４は、位置４３で終端している。第２チューブ４２は、第１チューブ３６の第２端部を越えて延びており、これにより、チューブ３６，４２の間にカップ状領域Ｒを画定する。

図３Ａおよび図４の断面図に示されるように、第２チューブ４２は、複数の周囲横断通路４６を有している。この例では、各通路４６は、直線状であり、第１チューブ３６と第２チューブ４２との間の環状の空間４４へ接線方向に延びている。各通路４６は、第２チューブ４２の外径面上またはその付近に入口４６ａを有しており、第２チューブ４２の内径面に環状の空間４４へ開口する出口４６ｂを有している。入口４６ａは、燃料供給源２２から入口４６ａへ燃料を輸送するチャネルまたはマニホールドと接続されても良い。

図３Ａおよび図４の断面で示すように、インジェクタ構成要素３０は、通路４６の２つの周方向列を備えている。この例では、通路４６の接線方向の向きは、燃料の流れを環状の空間４４へと接線方向に導入し、これにより環状の空間４４の周りに、結局は第１チューブ３６からのカップ状領域Ｒの酸化剤の軸方向噴射流れ４０の周りに燃料の渦噴射流れを生成するように構成されている。従って、通路４６の傾斜の向きに基づいて、４５で示される渦噴射流れが、インジェクタ構成要素３０を燃焼室３２の側から軸方向に見たときに、時計回り方向または反時計回り方向とすることができる。図３Ａおよび図４に示されるように、通路４６は、（独占的に）反時計方向に渦噴射流れを供給するように方向付けられており、したがって、反時計回り方向を有したインジェクタ構成要素３０を示している。

時計回り方向のためのインジェクタ構成要素３０は、通路４６が反対方向に向けられていること以外は、上述したものと同じ構成を有している。図３Ｂは、通路４６が、（独占的に）時計回り方向に渦噴射流れを供給するように反対方向に向けられた例を示している。

以下にさらに詳細に説明されるように、インジェクタ２６のインジェクタ構成要素３０の一部は、独占的に反時計回り方向に渦噴射流れを供給するように通路４６を備えて構成されることができ、他のインジェクタ構成要素３０は、独占的に時計周り方向に渦噴射流れを供給するように構成されることができる。

図５は、燃焼室３２の頂部から軸方向から見たインジェクタ２６の代表的なセクションを示している。この例では、インジェクタ構成要素３０の一部分が反時計回り方向（例えば、図３Ａ）に渦噴射流れを供給するように構成されており、インジェクタ構成要素３０の他の部分が、時計回り方向（例えば、図３Ｂ）に渦噴射流れを供給するように構成されている。例えば、各個別の列４８内のインジェクタ構成要素３０は、全てが時計回り方向または全てが反時計回り方向となっている。図示した例では、時計回り方向を有した列４８は、「ＣＷ」で示された円形矢印によって表され、反時計回り方向を有した列４８は、「ＣＣＷ」で示された円形矢印によって表される。

この例では、インジェクタ２６の６０°のくさび形が示されている。このくさび形は、６つの同一のくさび形が一緒に組み立てられてインジェクタ２６の完全な円形構成を形成するようにインジェクタ２６の繰り返しのユニットを示している。図示したように、インジェクタ構成要素３０は、インジェクタ２６の裏面に見られることができる。インジェクタ構成要素３０は、中央の１つの単一のインジェクタ構成要素３０ａと、列４８－１，４８－２，４８－３，４８－４，４８－５，４８－６，４８－７（集合的に「列４８」）として示されたインジェクタ構成要素３０の周方向列４８とを有した配列で配置されている。インジェクタ構成要素３０は、列４８内で概ね均一に離間しており、列４８は、中央のインジェクタ構成要素３０ａの周囲で同心となっている。

図５は、インジェクタ２６の隣接した周方向列の間の交互に反転された渦（ＡＲＳ）を有した例を示している。この例では、周方向列４８－１，４８－２，４８－３，４８－４，４８－５，４８－６，４８－７の全てが、隣接した列の間において時計回り方向と反時計回り方向との間で交互にされた構成を有している。考えられる他の構成は、２つの最外の周方向列のみを交互にし、続いて、全てが時計回り方向または反時計回り方向である連続した列がある。理解されるように、本明細書のいかなる例において、時計回り方向または反時計回り方向の逆のパターンも考えられる。

図６は、部分的なＡＲＳ（ＰＡＲＳ）を有した他の例を示している。この例では、中央のインジェクタ構成要素３０ａが時計回り方向を有しており、続いて、径方向外側へ移動するにつれて、少なくとも２つであるがこの例では３つである、時計回り方向を有する連続した周方向列１４８－１，１４８－２，１４８－３がある。最後の外側の４つの周方向列１４８－４，１４８－５，１４８－６，１４８－７は、隣接する列の間において反時計回り方向と時計回り方向との間で交互になっている。

インジェクタ構成要素の全てが同じ方向に渦巻く基本インジェクタとＡＲＳとの間の以下の比較例は、燃料および酸化剤の双方のための超臨界圧力条件下である、液体燃料および酸化剤リッチタービン排出高温ガスが供給される高圧力条件下（一般に約３０００ｐｓi）で推力室アッセンブリ（インジェクタ２６、室３２およびノズル３４の組み合わせ）の内側の内部流れのための安定状態反応流れ計算流体ダイナミクス（ＣＦＤ）解決策に基づいている。各インジェクタ構成要素から噴射された燃料流れは、酸化剤の中央の軸方向流れの周囲で渦巻く傾向がある。インジェクタ構成要素の隣接した周方向列の間では、基本インジェクタはせん断相互作用を有しており、ＡＲＳは引裂き相互作用を有している。せん断相互作用では、断面において、酸化剤がインジェクタから燃焼室へおよび該燃焼室に沿って発散するときに、酸化剤は、比較的円形の形状を維持する。しかし、引裂き相互作用では、酸化剤流れの断面が、インジェクタ構成要素３０の中心軸Ａを横切る方向に細長くなる傾向があり、これにより、より速い混合および燃焼のための表面積が増加し、したがって、酸化剤流れの軸方向長さを短くする。従って、最外の列では、基本インジェクタと比較して、ＡＲＳのより短い酸化剤流れが、室壁の燃料フィルム冷却層をそれほど貫通および損傷させず、したがって、燃焼室壁でのホットストリーク（ｈｏｔ ｓｔｒｅａｋｓ）の発生が著しく減少し得る。

ＡＲＳとＰＡＲＳとの間の以下の比較例が、同じ条件下の推力室アッセンブリの内側の内部流れのための安定状態反応流れＣＦＤ解決策に基づいている。部分的なＡＲＳ構成は、３つ、２つまたは１つの均一な数の列における逆の渦を有している。２つの列での反転が最良のエネルギ解放効率（ＥＲＥ）と、非常に厳密に比較された壁温度条件とを有することが分かった。各インジェクタ構成要素が流れチューブを生成し、この流れチューブでは、燃料流れおよび酸化剤流れが、最初に層状にされるが結局は混合および燃焼され、この流れチューブの外部の燃料と混合されることを考慮する。ＥＲＥの最適化が、内流れチューブ混合（ＩＳＴＭ）と間流れチューブ混合（ＢＳＴＭ）との間の競合作用のため生じる。ＡＲＳは、ＩＳＴＭ、したがって、流体粒子の軸方向の動きを加速させる熱膨張を促進し、ＢＳＴＭのための滞留時間を減少させる。

特徴部の組み合わせが図示の例に示されているが、全ての特徴部が本開示の種々の実施例の利益を実現するために組み合わされる必要はない。換言すれば、本開示の実施例に従って設計されたシステムが、図の１つに示された特徴部の全てまたは図に概略的に示された部分の全てを有する必要はない。さらに、１つの例示的な実施例の選択された特徴部が、他の例示的な実施例の選択された実施例と組み合わされても良い。

上述の説明は、本質的に、例示的なものであって、限定的なものではない。開示された例への変更および修正は、本開示を逸脱することなく、当業者に明らかになるであろう。本開示に与えられる法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによって決定されるのみであり得る。

Claims (9)

1. インジェクタ構成要素（３０）の配列であって、各インジェクタ構成要素（３０）は、中心軸（Ａ）を画定する中央通路（３８）と、複数の周囲横断通路（４６）とを備え、前記中央通路（３８）は、軸方向の噴射流れを供給するように構成され、前記周囲横断通路（４６）は、前記軸方向の噴射流れの周りに渦噴射流れを供給するように構成され、前記インジェクタ構成要素（３０）の一部分が時計回り方向への渦噴射流れを供給するように構成され、前記インジェクタ構成要素（３０）の他の部分が反時計回り方向への渦噴射流れを供給するように構成される、前記インジェクタ構成要素（３０）の配列を備え、
   前記インジェクタ構成要素（３０）は、複数の周方向列（１４８）を形成するように配置され、前記周方向列（１４８）の各周方向列のインジェクタ構成要素（３０）は、全てが前記時計回り方向であるか、または全てが前記反時計回り方向であり、前記時計回り方向の少なくとも１つの周方向列（１４８）および前記反時計回り方向の少なくとも１つの周方向列（１４８）があり、
   前記周方向列は、前記反時計回り方向と前記時計回り方向との間で交互にされた周方向列（１４８－４～１４８－７）の群と、前記時計回り方向または前記反時計回り方向である少なくとも２つの連続した周方向列（１４８－１～１４８－３）とを有し、前記少なくとも２つの連続した周方向列（１４８－１～１４８－３）は、交互にされた前記周方向列（１４８－４～１４８－７）の径方向内側にあることを特徴とする液体ロケットエンジン（２０）のインジェクタ（２６）。
2. 前記インジェクタ構成要素（３０）の各々は、前記中央通路（３８）を提供する第１チューブ（３６）と、該第１チューブ（３６）との間に環状の空間（４４）を設けるように前記第１チューブ（３６）の端部に位置する外側の第２チューブ（４２）とを有し、前記周囲横断通路（４６）は、前記第２チューブ（４２）を通して延び、前記環状の空間（４４）に開口することを特徴とする請求項１に記載の液体ロケットエンジン（２０）のインジェクタ（２６）。
3. 前記周囲横断通路（４６）は、前記第２チューブ（４２）の周囲で２つの周方向列に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の液体ロケットエンジン（２０）のインジェクタ（２６）。
4. 前記第２チューブ（４２）は、前記第１チューブ（３６）の端部と前記第２チューブ（４２）の端部との間にカップ状の領域（Ｒ）を画定するように前記第１チューブ（３６）の端部を越えて延びることを特徴とする請求項２または３に記載の液体ロケットエンジン（２０）のインジェクタ（２６）。
5. 前記反時計回り方向と前記時計回り方向との間で交互にされた前記周方向列（１４８－４～１４８－７）の群は、少なくとも４つの周方向列（１４８－４～１４８－７）を有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の液体ロケットエンジン（２０）のインジェクタ（２６）。
6. 前記インジェクタ構成要素（３０）の１つは、単一の中央インジェクタ構成要素（３０ａ）として配置され、前記周方向列（１４８）は、前記単一の中央インジェクタ構成要素（３０ａ）の周りに同心円状に配置されることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の液体ロケットエンジン（２０）のインジェクタ（２６）。
7. 燃焼室（３２）と、
   前記燃焼室（３２）に取り付けられたノズル（３４）と、
   前記燃焼室（３２）に取り付けられ、請求項１～６のいずれかに従うインジェクタ（２６）と、
   を備えた液体ロケットエンジン（２０）。
8. 前記ノズル（３４）は、中細ノズルであることを特徴とする請求項７に記載の液体ロケットエンジン（２０）。
9. 燃料供給源（２２）および酸化剤供給源（２４）をさらに備えることを特徴とする請求項７または８に記載の液体ロケットエンジン（２０）。

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