JPH0674772B2 - 超音速燃焼器の導点火燃料噴射装置 - Google Patents

超音速燃焼器の導点火燃料噴射装置

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JPH0674772B2
JPH0674772B2 JP63505275A JP50527588A JPH0674772B2 JP H0674772 B2 JPH0674772 B2 JP H0674772B2 JP 63505275 A JP63505275 A JP 63505275A JP 50527588 A JP50527588 A JP 50527588A JP H0674772 B2 JPH0674772 B2 JP H0674772B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超音速燃焼ラムジェットエンジンに関し、特
に超音速燃焼ラムジェットエンジンに用いる導点火（pi
loting）燃料噴射装置に関する。
従来の技術 液体炭化水素燃料を使用する超音速ラムジェットエンジ
ンを利用したミサイルの場合、十分なエンジン性能を要
求する。このミサイルの場合には、燃焼器の有効長を厳
しく制限する極めて厳しい体積規制が課されている。
従来の超音速燃焼器は、二つの分離した空気導入装置を
使用している。空気導入装置の一つは、超音速燃焼器に
空気を供給するためのもので、他の空気導入装置は、亜
音速燃焼器に空気を供給するためのものである。ラムジ
ェットエンジンに導入される空気量の25％は、亜音速燃
焼器に供給され、エンジン燃料と混合され燃焼し多燃料
燃焼生成物を生成する。この多燃料燃焼生成物は、更に
超音速燃焼器内の空気流と混合されて超音速燃焼反応を
起こす。
その他の従来技術の超音速燃焼器においては、超音速燃
焼に適合した燃料の点火特性を向上するために、取り扱
いが極めて難しい発火燃料添加剤を用いている。上述し
た超音速燃焼器の場合、追加された燃料装置系の重量増
加により、ラムジェットエンジン推進力を利用する飛行
機のエンジン性能の低下を来していた。
また、亜音速燃焼器は、超音速燃焼器よりも高い飛行速
度においては燃焼効率が悪いので、ラムジェットエンジ
ン内へ導入される空気量全体に対する亜音速燃焼器へ供
給される空気量の比をあまり大きくするとエンジン効率
の低下を来す。また、二つの分離した空気流路のために
空気導入口を複数形成することにより、二つの空気導入
装置が相互に干渉するといった可能性を有していた。
発明の詳細な説明 超音速ラムジェットエンジンの導点火（piloting）燃料
噴射装置は、超音速空気導入口からの空気を直接受ける
燃焼器入口の超音速空気流の中に配設されており、カウ
ル内に設けられた追加導点火燃料噴射装置への空気流を
規制している。下流に面して配設されたステップを規制
された空気流の中に配設し、空気流の循環帯域を形成す
る。この空気流循環帯域の上流に、パイロット（導点
火）燃料の化学量論に基づく理論量が噴射されるが、こ
の循環帯域は、燃料点火に必要な十分な滞留時間を供給
するように寸法が決定されている。
カウルは、下流に面するパイロット空気出口を有すると
共に、その上流縁部から主燃料が超音速空気流の中に噴
射される。この燃料の流れは加圧され、且つ加圧された
下で液体状態を保ちつつ、加熱され噴射される。オリフ
ィスとして機能する燃料噴射装置出口での燃料の流れを
規制することにより、燃料が低い周囲圧力の下でフラッ
シュ蒸発する。
循環帯域内でのパイロット空気流は超音速であり、カウ
ルの出口でチョーキングされる。従って、音速が周囲の
流速と比較して高圧の出口に存在する。この結果、周囲
の超音速流の温度圧力を上昇しながら周囲の超音速流の
中に衝撃波が形成されると共に、この温度の上昇したパ
イロット空気流と周囲の超音速流とが混合し、周囲の超
音速流内での燃料の点火を容易にする。
図面の簡単な説明 第１図は、超音速ラムジェットエンジンの一般的な構成
配列を示した断面図である。
第２図は、導点火（piloting）燃料噴射装置の断面図で
ある。
第３図は、導点火燃料噴射装置の等測図である。
第４図は、ラムジェットエンジン内の下流に配設された
フラッシュ蒸発燃料噴射装置の断面図である。
第５図は、ストラット支持されたパイロット燃料噴射装
置の変形例である。
好適実施例 第１図に、超音速空気流14を規制する壁部12を有する超
音速ラムジェットエンジン10を示す。液体炭化水素燃料
は、燃料タンク18からポンプ16により加圧され燃料噴射
装置に供給される。三つのパイロット燃料噴射装置20が
ラムジェットエンジン10の上流に内周壁に沿って等間隔
に配置されている。要求に応じて、追加燃料噴射装置22
をパイロット燃料噴射装置20の下流に配設するものとす
る。燃料の殆どがエンジンのチョーキングを避けるよう
に動作するパイロット燃料噴射装置20を介して噴射され
る。また、必要に応じて追加燃料が下流に設けられた追
加燃料噴射装置22を介して噴射される。下流の燃料噴射
装置22は、そこから噴射される燃料の点火を容易にする
ために、上流に設けられたパイロット燃料噴射装置20か
ら噴射された燃料が空気と混合し燃焼することにより生
ずる局部的な温度・圧力上昇領域に配設するものとす
る。
第２図は、パイロット空気流26を規制する半円形カウル
24を示す。下流に面して形成されたステップ28は、流れ
攪乱手段として機能し、空気流の循環帯域30が形成され
る。このステップ28は、先端が上流を向いた10度のコー
ン34のベースに形成されている。このコーン34は、衝撃
波36がカウル24上又はカウル24内に到達するように配設
されている。この実施例に代わって、カウルのその他の
形状やコーンのその他の形状が用いられてもよい。
三つの燃料噴射装置の各々のために全体の燃焼器用噴射
燃料の2.5％に相当するパイロット燃料が導管32を介し
て循環帯域の上流に導かれる。この燃料は、カウルの超
音速循環帯域内で化学量論的に空気と混合され燃焼され
る。このパイロット空気流領域は、超音速空気導入口を
使用しているので、パイロット空気流領域内の圧力はカ
ウルの排出口38にてパイロット空気流をチョークするの
に十分高い。この圧力の高いチョークされたパイロット
空気流は、主空気流へ向かって膨張するパイロットガス
を生ずる。この結果、主空気流の安定した局部的な温度
・圧力の上昇を来す。
このパイロット燃料は、オリフィス40を介してコーン34
の表面と半円形コーンベース28との交差する点で分離し
た入口空気流の中に導入され、循環帯域30の境界近傍の
下流に向かって延びる空気流のせん断層の発達を促す。
この空気循環帯域30の下流には、パイロット空気流の後
部よどみ点が存在し、循環帯域の長さ及び幅の計算によ
って、パイロット空気流の循環帯域滞留時間を決定する
ことができる。また、質量の交換がせん断層を介して生
じ、この結果、ステップ28の上流で循環帯域への燃料の
進入を来す。点火に基づいて、循環帯域への進入速度が
火炎伝播速度に等しいコーンベース近傍に定常乱流炎が
発生する。せん断層での速度勾配により、この定常乱流
炎は、下流域に引き伸ばされる。循環帯域での流れとそ
の外部の流れとの間における質量交換は、循環帯域近傍
の流速に関する平均速度で生ずる。安定した火炎伝播
は、乱流炎速度が質量交換速度以上の場合に達成され
る。
本実施例においては、燃料噴射装置の領域におけるラム
ジェットエンジンの内径が9.96cm（3.92インチ）であ
り、カウル内半径が入口で1.27cm（0.5インチ）であ
り、出口で1.78cm（0.7インチ）である。また、カウル
の捕獲面積に対するコーン前部胴体ベース部での流路面
積の比が0.54である。更に、コーンベースの半分の高さ
が0.94cm（0.37インチ）であり、追加された空洞部の高
さが0.38cm（0.15インチ）であるので、この結果高さ1.
32cm（0.52インチ）のステップが形成される。循環帯域
滞留時間は、ラムジェットが動作するのに必要なマッハ
領域で供給される燃料混合気に関する点火時間と比較さ
れ計算される。この滞留時間は、混合気の自動点火のた
めに計算された点火遅れを上回っていなければならな
い。
このことは、内部の超音速流の立上りに生じている状態
に基づいており、通常、岐点温度の85％である入口流の
回復温度まで温度低下するような燃焼を伴わない循環帯
域での静的な温度に依存する。また、循環帯域での適切
な滞留時間により、燃焼における燃料の自動点火を来
し、より高い温度を発生する。
カウル24の内部には、複数の燃料通路が配設されてい
る。主な燃料は、複数の通路42へ分配された入口44から
進入し、カウルの長手方向へと進行して、オリフィス46
を介して噴出するように流れる。燃料通路内で燃料は、
内部パイロット炎と外部の加熱ガスとによって加熱され
る。この結果、燃料の温度が上昇する。高圧燃料ポンプ
とオリフィスでの噴出により、燃料は、約900psiの圧力
から約１気圧の圧力を有する超音速流へと変化した後、
フラッシュ蒸発する。この結果、点火が容易となる。
このオリフィス46は、加熱された流路42内での燃料の蒸
気化を防ぐために十分な背圧を維持するように動作す
る。そこで、局部的な体積が増加し、並行する流路間の
相互に連関する不安定性が解消される。
燃料は、カウルの下流へ向かう超音速空気流と混合する
下流域主燃料ジェット48の中に流れる。この下流域で
は、パイロット空気流からの膨張ガスにより、主燃料ジ
ェット内に衝撃波を生ずる。この衝撃波が主空気流の局
部的な温度・圧力上昇を来すことにより、主空気流を予
め調整する。予め調整された主燃料ジェットは、パイロ
ット空気流からの加熱された燃焼生成物と混合されるの
で、主燃料ジェットの点火を生ずる。
第４図に示すように、下流に配設された燃料噴射装置22
は、燃料入口52と超音速流に噴射するためのオリフィス
56を介して燃料を伝達する燃料流路54とを有する。この
燃料流路54は、半円錐形部材の表面近傍に形成されてお
り、この部材表面を介する熱伝導により液体状態の燃料
を加熱する。一方、オリフィス56は、燃料を高圧状態に
保つ。この燃料は、比較的低圧な外気に噴射されるの
で、オリフィス56を介してフラッシュ蒸発し、その点火
が容易となる。
第５図に、パイロット燃料噴射装置の変形例を示す。円
筒形の空洞カウル70が壁部12から突出したストラット72
によって支持されている。円筒形の流れ攪乱手段74がコ
ーンの下流に配設された循環帯域76を伴ってカウル70内
の上流に支持されている。燃料供給部78がストラット72
を介し、カウルの縦方向に延びる流路80を介してカウル
の上流へと向かって形成されている。パイロット空気流
は、オリフィス82を介して空気流循環帯域76内で燃焼さ
れるパイロット空気流区域へと導かれる。燃料の残り
は、オリフィス84を介して主燃料として超音速流路内に
供給される。音速が出口86で生じ、これに伴って衝撃波
が生じる。この結果、主燃料の点火が容易になる。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃焼器壁面によって画成された超音速空気
    導入口から直接導入される超音速空気流の中に配設した
    超音速ラムジェットエンジンの導点火燃料噴射装置にお
    いて、この燃料噴射装置にパイロット燃料供給比を選択
    し供給する手段と、超音速空気流の中に配設し、直接上
    流を向いて開口し、その他の外部超音速空気流部分と平
    行に流れるパイロット空気流部分を受けて規制し、且つ
    その他の外部超音速空気流部分と平行に開口した下流域
    噴出口を有する不浸透性パイロット空気規制手段と、こ
    のパイロット空気規制手段により規制された空気流の中
    に配設され、流れ循環帯域を形成する下流に面して形成
    された流れ攪乱手段と、少なくとも一部の循環帯域の上
    流にパイロット燃料を導入する手段と、下流域噴出口の
    上流にて超音速空気流の中に第二の主燃料を供給する手
    段と、パイロット空気規制手段を通過する燃料流路と、
    燃料流路の一端に第二の主燃料を供給する手段と、燃料
    流路を介して通過するにつれ加熱された燃料が外部超音
    速空気流部分に噴出されるように燃料流路の他端に配設
    された複数の出口とから形成された導点火燃料噴射装
    置。
  2. 【請求項２】外部超音速空気流が第一圧力であり、パイ
    ロット空気規制手段内のパイロット空気流部分が第一圧
    力より高い圧力である請求項１記載の導点火燃料噴射装
    置。
  3. 【請求項３】燃料流路へ燃料を供給する高圧ポンプと、
    燃料が燃料流路の通過時に加熱され、高圧燃料流路から
    第一圧力の外部超音速空気流部分へと進入するとき減圧
    され蒸気化するために、各燃料流路の出口をオリフィス
    形成したオリフィス規制手段とから成る請求項２記載の
    導点火燃料噴射装置。
  4. 【請求項４】円錐形が少なくとも部分的にパイロット空
    気規制手段の入口に配設され、上流での円錐形の点及び
    円錐形のベースにより下流域に面した流れ攪乱手段を形
    成すると共に、この円錐形の上流端により形成される衝
    撃波がパイロット空気規制手段内に到達する請求項２記
    載の導点火燃料噴射装置。
  5. 【請求項５】複数の出口が超音速空気流に対してパイロ
    ット空気規制手段の上流に配設された請求項２記載の導
    点火燃料噴射装置。
  6. 【請求項６】パイロット空気規制手段が燃焼器壁部に固
    定された半円形カウルから形成された請求項１記載の導
    点火燃料噴射装置。
  7. 【請求項７】半円錐形が燃焼器壁部に固定され、上流で
    の半円錐形の点及び半円錐形のベースにより下流域に面
    した流れ攪乱手段を形成した請求項６記載の導点火燃料
    噴射装置。
  8. 【請求項８】半円錐形の上流端により形成される衝撃波
    がカウル内に到達する請求項７記載の導点火燃料噴射装
    置。
  9. 【請求項９】半円錐形がその半円錐形表面近傍に複数の
    パイロット通路と、このパイロット通路内にパイロット
    燃料を導入する手段を有すると共に、このパイロット通
    路が半円錐形のベース近傍に出口を有する請求項７記載
    の導点火燃料噴射装置。
  10. 【請求項１０】各パイロット通路が各通路の出口端部に
    てオリフィス形成された請求項９記載の導点火燃料噴射
    装置。
  11. 【請求項１１】半円錐形がその軸から略10度の角度傾斜
    した表面を有した請求項７記載の導点火燃料噴射装置。
  12. 【請求項１２】複数の出口が超音速空気流に対して上流
    に配設された請求項６記載の導点火燃料噴射装置。
  13. 【請求項１３】パイロット空気規制手段が円筒形空洞カ
    ウルと、燃焼器壁面からカウルを支持するストラットと
    から形成された請求項１記載の導点火燃料噴射装置。
  14. 【請求項１４】下流に面した流れ攪乱手段がカウルの入
    口で支持された円錐形部材から成る請求項13記載の導点
    火燃料噴射装置。
  15. 【請求項１５】パイロット燃料を導入する手段が燃料流
    路の一端にパイロット燃料を供給する手段と、パイロッ
    ト空気流部分と連通する燃料流路の他端に複数の追加出
    口とを有した請求項13記載の導点火燃料噴射装置。
  16. 【請求項１６】複数の出口及び複数の追加出口の両方が
    オリフィス形成された請求項15記載の導点火燃料噴射装
    置。
JP63505275A 1987-05-05 1988-05-03 超音速燃焼器の導点火燃料噴射装置 Expired - Fee Related JPH0674772B2 (ja)

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