JPH07509041A - 同心スリットを有する噴射システムとその噴射素子 - Google Patents

同心スリットを有する噴射システムとその噴射素子

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JPH07509041A
JPH07509041A JP6525047A JP52504794A JPH07509041A JP H07509041 A JPH07509041 A JP H07509041A JP 6525047 A JP6525047 A JP 6525047A JP 52504794 A JP52504794 A JP 52504794A JP H07509041 A JPH07509041 A JP H07509041A
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シオン、マルタン
ボーレン、アンドレ
デスクロ、ピエール
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ソシエテ・ナシオナル・デテユード・エ・ドウ・コンストリユクシオン・ドウ・モトール・ダヴイアシオン、“エス.エヌ.ウ.セ.エム.アー.”
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 同心スリットを有する噴射システムとその噴射素子本発明は、同心スリットを有 する噴射システムとその噴射素子とに関し、この噴射装置は、推進室それ自体な いしガスゼネレータの燃焼室の如くのロケットエンジン燃焼装置に用いるのを意 図したものである。
噴射装置は、一つかそれ以上の噴射素子からなり、その作動に必要な推進薬を燃 焼室に供給して急速混合を行って燃焼作用を安定よ(均一に行えるようにするも のである。
極低温推進薬を利用するエンジンの場合では、同軸ジェット噴射器を有する噴テ ムは、全ての稼働条件に適しているとは言えず、推進薬を高流量にて噴射するな どの高性能が要求されるような場合では、たちまち限度を超えて良好な結果が得 られなくなる。それ故、このようなシステムでは著しい費用節約を期待すること はできない。
それに対して、1974年5月に発行された機関誌rNASA CRJにおける アメリカ航空宇宙局の報告書rNoncircular 0rifices H o1es and Advanced FabricationTechniq ues For Liquid Rocket Injectors (液体ロ ケット噴射装置における非円形オリフィスと最新製造技術)」に記載されている 噴射装置の幾何学的構成では、高流量での稼働を意図して、性能と特性が噴射流 量の影響を受けない矩形ス’) −yトを備えたものとなっている。しかし、こ の幾何学的構成でも、製造が困難であ 、。
ること、即ち、噴射装置に素子を組み込むのが特に複雑であり、また、酸素量に  ′対する水素量が多くなる部分があることから矩形スリットの端部での燃料混 合が不完全になるので、性能が著しく減少してしまう。
米国特許第3.446.024号では、レクチリニア形ではなくて、円形の噴射 素子を備えた噴射装置を提供することにより前述の最終作用効果を抑制している 。しかし、この米国特許に開示されている幾何学的構成でも、単一噴射装置に複 数の噴射素子を配置するには限度があり、また、異なったソート状流れの推進薬 を供給する方法からして、推進薬ごとの同一流量を保証することはできない、即 ち、高品質の流れ、強いては、良好な燃焼作用を保証することはできない。
本発明は、流量が非常に大きくても高性能を確保できる、並列シート状流れを利 用した新規な噴射装置のアーキテクチャを利用することにより、従来の諸問題点 を解消するのを目的とするものである。また、構成部品の数を少なくして、従来 例に比べて製造コストを減少させた簡単な噴射装置を提供することも本発明の別 の目的である。更に、推進薬が所望通りに混合されなくなる流体損失を惹起する こともなく、燃焼室の劣化に至るホットスポットが形成される虞も少ない信頼性 のある噴射装置を提供することも、本発明のまた別の目的である。
これらの諸口的は、二つの環状噴射路により囲繞された環状中央噴射スリットを 有する少なくとも一つの環状噴射素子が同心配置で連結されている、対称軸を中 心とする回転対称形本体からなる並設シート状噴射装置において、前記環状中央 噴射スリットには、該中央噴射スリットと同一レベルにある噴射素子の頂部から 第2推進薬が供給されるようになっており、また、前記噴射路には第1推進薬が 供給されるようになっていて、前記中央噴射スリットの両側における噴射素子の 底部に流入すると共に、環状均質化室を介して、中央噴射スリットを囲繞する環 状噴射路へと流れるように構成したことを特徴とする並列シート状噴射装置を提 供することにより達成できる。
前記噴射素子には第1推進薬が、内室からと、噴射素子の入口であってその底部 に設けた少なくとも一方の環状室から供給されるようになっていると共に、対′  称軸芯とは平行であり、推進薬供給室から一つかそれ以上の同心環状体へと延 在する穴から供給されるようになっている。同様に、前記噴射素子には第2推進 薬が、噴射素子の入口であってその頂部に設けた少なくとも一方の環状空洞及び 、対称軸芯とは平行であり、推進薬供給円環体から放射状に延在する供給路から 供給されるようになっている。好ましくは、前記円環体は噴射装置本体に同心状 態で連結するのが望ましい。
前記供給路と前記穴の数と寸法とは、複数の噴射装置における噴射ス井ソトでの 推進薬の流速が同一になるように選定されている。
好ましくは、前記噴射装置は燃焼装置とは別体として、中心壁部材と少なくとも 一つの別の壁部材とを介して連結し、前記壁部材が噴射素子と噴射装置本体との 間に確固に保持させるのが望ましい。前記中央壁部材は、噴射素子の一端に螺合 により取り付けても良いし、又は、噴射素子の一体部分であってもよい。
好ましい実施例では、噴射装置は二つの同心配置の環状噴射素子で構成されてい る。この場合、中央隔壁の支持体が、噴射装置本体と一体化されて、その底端を 中心として等間装置きに配置されたカラムにより補強されている。
この構成により、推進薬は、複数の噴射点で落差損失が不均一とならないように 、同−低速度にて噴射スリットへと供給されることになるので、噴射スリットの 各噴射点での推進薬流量が一定になる利点がある。また、噴射装置を燃焼室から 区画する壁部材に沿う推進薬の流れで、当該壁部材の過熱を防ぐこともできる利 点がある。
好ましくは、本体が、壁部材の所で、燃焼装置に開口して、燃焼作用を安定化す る内蔵型共振装置を構成する環状空間を有するのが望ましい。
また、本発明の噴射装置に用いる各噴射素子は、互いに同心配置された外側リン グ体と内側リング体とからなり、両者間に、両者の蓋体を構成する上部体と一体 の外方にテーパーした環状体が形成されており、また、外側及び内側リング体と 上部体との間に環状内室が形成されていて、該環状内室において第1推進薬が均 質化されるように構成する。そして、前記環状内室が、第1推進薬の流量を制御 するのに必要な落差損失を醸し出すのに充分な寸法の隔壁により区画されるよう にする。
内側及び外側リング体としては、外方にテーパーした環状体に対面する収斂壁部 からなり、該収斂壁部のと環状体との間に、第1推進薬の環状噴射スリットを形 成する同一寸法の噴射路が形成されたものとする。また、前記外側及び内側リン グ体の収斂壁部がそれぞれ延長壁に連接して、推進薬が混合する噴射室を形成す る。
このように連接させることにより、水素(但し、液体水素と液体酸素とを燃料と する場合)の流れは一定となるので、推進薬の噴霧化が促進され、従って良好な 燃焼作用を得ることができる。同様に、収斂壁部の間での炎、特に炎の長さは、 どの噴射素子においても同じように発生するので、燃焼ガスをよりよく均質化す ることができる。
環状噴射スリブh 8218.219)と環状室との連通が、噴射素子の壁部を 形成する内側及び外側リング体に形成した規制オリフィスを介して行う。同様に 、中央噴射スリットと環状空洞との連通も、噴射素子の上部体に形成した規制オ リフィスと介して行うとし、好ましくは、前記規制オリフィスをほぼ矩形断面を 有するものとするのが望ましい。
本発明のこのほかの特徴や利点などについては、下記の添付図面に図示し、かつ 、単に一例として挙げた本発明の好ましい実施例の説明から明らかになるであろ う。
図1は、図2における断面線1−目二沿ってみた、本発明の噴射システムを示す 。
図2は、図1における断面線II−IIに沿ってみた図である。
図3は、本発明の同心スリット型噴射素子を示す。
図4と図5とは、図1に示したアーキテクチャの詳細構造のそれぞれ異なった変 形例を示す。
図6は、本発明のアーキテクチャを有する燃焼室の異なった変形例を示す外観図 である。
図1に、本発明の噴射システムの断面を示す。このシステムは、当該システムが 取り付けられる燃焼装置の回転軸芯ともなっている対称軸11を中心とする回転 対称形本体10からなる。この本体10は少なくとも一つの環状並列シート状噴 射素子を受承するようになっており、この環状並列シート状噴射素子は、本体に 対して同軸配置されるようになっていると共に、三つの環状噴射スリツトからな る。この内の一つの環状スリットには第1推進薬が供給されるようになっており 、残りの二つの環状スリットは第1を囲繞して第2推進薬が供給されるようにな っている。図示の好ましい実施例では、本体10は三つの成形部品からなり、互 いに同心配置された環状噴射素子12.14を備えている。本体101こは、第 1推進薬の均質化を行う第1室100が形成されている。第1推進薬は、対称軸 芯に臨む本体10の上端に形成されているオリフィス105から前記第1室10 0に供給されて、環状噴射素子12.14の間をとりまく環状W125.135 に形成されている中心垂直穴105と補助垂直穴120.130とを介して前記 第1室100から流出するようになっている。中心垂直穴110は、本体10の 中心であって、第1噴射素子12の最小直径の内側に形成されている。第1群の 補助垂直穴120は、二つの環状噴射素子の間にある第1環状壁125に形成さ れており、第2群の補助垂直穴130は、第1環状璧125よりも径が大きく、 第2噴射素子14の円形列の外側に臨む第2環状壁135に形成されている。中 心垂直穴110は、中心壁部材114により閉塞されている内室112に連通し 、また、補助垂直穴120.130は環状壁部材124.134により閉塞され ている環室122.132とそれぞれ連通していて(これによりトロイド形空洞 を形成している)、噴射装置の全周に亙ってこれらの室で推進薬が、噴射素子1 2.14に噴射されるに先立って均質化されると共に、噴射素子12.14から 流出する際は第2推進薬と混合されて燃焼室20へと流入する。
第2推進薬は、本体10に連結されて、噴射素子に第1推進薬を供給する補助垂 直穴120.130の間を貫通する同一直径の水平路150に連通する円環室1 40(この円環室には、図示しない供給路を介して供給される)から供給される ようになっている。これらの水平路150は、本体10において対称軸心とは直 交する方向に放射状に穿設されており、第2噴射素子14へと噴射するに先立っ て推進薬の流速を均質化する環状空洞160に先ず連なり、一部の水平路150 のみが、環状空洞160と同心配置ではあるが径の小さく、第1噴射素子12へ の噴射に先立って第1推進薬を急速均質化する別の環状空洞170へと連なって いる。
噴射装置と燃焼装置との間の連結は、本体10の下端から張り出したフランジ1 80を介して行われるようになっており、両者間のシールは、例えば当該フラン ジに取り付けたガスケット182により達せられる。尚、このように連結する場 合、両者間の壁部に燃焼室20から上流側へと開口して、燃焼作用を安定化する 内蔵型共振装置として作用する環状空間190が形成されるようにするべきであ る。同様に、中間隔壁124の支持体は、噴射装置の本体10と一体化されてい て、その下端において等間装置きに配置されているカラム185により、補強さ れている(この補強は、単一噴射装置の場合では不必要であるのは言うまでもな い)。
図2に、推進薬が噴射素子に供給される上で必要な垂直穴と水平路の回路網を詳 しく示す。図示の実施例では、第1推進薬の供給は、中心垂直穴110は針では な(て、第1環状壁125に等間装置きに形成されているほぼ長方形断面の8個 の補助垂直穴110と、第2環状壁135に等間装置きに形成されている円形断 面の24個の補助垂直穴130とによりなされるようになっている。全てのこれ らの穴においての推進薬の流速が同一となるようにするために、中心垂直穴の横 断面積は、第113i状壁における補助垂直穴の横断面積よりも大きく、また、 第1環状壁における補助垂直穴の横断面積は、第1環状壁のおける補助垂直穴の 横断面積よりも大きくなるようにすることが重要である。第2推進薬は、24本 の水平路150を介して噴射素子へと供給されるようになっているが、これらの 水平路150は中心垂直穴を中心として等間装置きに形成されていると共に、第 2噴射素子に供給するために環状空洞と連通しており、その内の8本の水平路は 、第1噴射素子に供給するために環状空洞170とも連通している。
図3は、第1外リング体201と、該第1外リング体201に囲繞された小径の 第2内リング体202と、これらのリング体201.202に被さって環状内室 203を形成する、蓋体となる環状上部体200とからなる環状噴射素子の縦断 面を示している。環状上部体200には、その幅の中心個所に対称軸芯と平行に 規制スリット(fentes de calibrage) 210が形成され ており、この規制スリット210は、第2推進薬の噴射スリットである環状中心 スリット212に連通している。この噴射スリットは環状壁214に形成されて おり、この環状壁214は、前記上部体200から外方にテーパーして環状内室 203を横切り、第1リング体の内壁216と第2リング体の外壁217との間 に形成されているた収斂部に部分的に突入している。この環状壁214と、該環 状壁214に対峙する内外壁216.217との間には、第1推進薬が流入する 同一寸法の噴射路が形成されている。互いに収斂している内外壁216.217 が狭まっている部分において、内外リング体201.202には互いに末広がり となって、両者間に推進薬が混合されて燃焼室20へと噴射される環状噴射室2 28を形成する延長壁220.221が設けられている。この延長壁220.2 21の両側における対応リング体201.202には、規制オリフィス222. 223がそれぞれ形成されており、これらの規制オリフィス222.223は、 第1推進薬を噴射スリット218.219に供給すべく環状内室203に連通し ている。また、推進薬の流れを制御するのに必要な落差損失を醸し出すために、 環状内室203を、リング体201.202にそれぞれ連結した隔壁224.2 25で区画している。これらの隔壁224.225は、収斂内壁216.217 の両側に配置されていて、環状内室203を区画することにより4つの環状室2 30.232.234.236を形成している。
本発明の噴射システムの作用を説明する。説明に当たってはわかりやすくするた めに、第1推進薬には液体水素(LH2)、第2推進薬には液体酸素(LOX) を用いずものとする。言うまでもないことではあるが、他の液体推進薬を利用す ることもあり得る。同様に、前述の構成は、水素ガスを用いる場合ではもっと簡 単にすることもできる。
液体水素は図示しない供給路から中心オリフィス105を介して本体10に供給 されて第1室100に流入する。この第1室100では推進薬の流速が均質化さ れ、その後第1室100から種々の穴を介して流出する。各垂直穴110.12 0.130は、液体水素が同速にて全ての垂直穴を流れるように、その寸法が定 められている。液体水素はこれらの垂直穴に沿って、垂直穴の底部において壁部 材114.124.134により形成されている室112.122.132へと 流れる。前述したように壁部材114.124.134は、噴射システムを燃焼 室20から隔離している。これらの室112.122.132においては、噴射 装置の全周に亙って液体水素が均質化され、その後リング体201.202にお いて噴射素子の底部に形成されている規制オリフィス222.223を介して噴 射素子へと供給される。この規制オリフィス222.223の数と寸法とは、所 望の推進薬流量が達成されるのに必要な落差損失が醸し出されるように、それぞ れ選定されている。これらの規制オリフィス222.223を貫流した液体水素 は、環状内室203に流入して環状室232〜236において再び均質化されて 環状噴射スリット212を囲繞する同一寸法の噴射路218.219へと導かれ る(隔壁224.225は所定の落差損失を確実にしている)。環状噴射スリッ ト212からは、後述の供給源からの液体酸素がシート状流れとなって流入して くる。
液体酸素は図示しない供給路を経て円環室140に供給された後、放射状水平路 150を流れて外側に近い環状空洞150に流入する。環状空洞160に流入し た液体酸素は、噴射装置の全周に亙って均質化されて、その後上部体120の頂 部に形成されている規制スリット210を経て外側噴射素子14に流入する。
規制スリット210の数と寸法とは、所定の推進薬流量に対応する落差損失が醸 し出されるように、それぞれ選定されている。前述したように、放射状水平路1 50の一部は最内側(従って、最小径の)環状空洞170と連通しているから、 この環状空洞170に流入した液体酸素は当該環状空洞170にて再び均質化さ れた後に、中央噴射素子12の上部に形成されている規制スリット210を経て 当該噴射素子12に流入する。この規制スリット210の数と寸法とは、他の噴 射素子におけるのと同様に、前の流量と同一の所定推進薬流量が得られるように それぞれ選定されている。尚、中央噴射素子12へと延在する放射状水平路15 0の数と寸法とは、これらの水平路150を流れている液体酸素の流速が前の水 平路150を流れている液体酸素の流速と同一になるように、それぞれ選定する のが重要である。規制スリット210を介して噴射素子に流入した液体酸素は、 それぞれの噴射素子の環状噴射スリット212へ供給され、その後、同心配置の ソート状流れとなって噴射素子から流出するが、その際、環状噴射スリット21 2を囲繞する噴射路218.219から流出してきた液体水素と衝突する。
図4は、中心壁部材114の所での変形例を示すものであって、この壁部材は中 央噴射素子12の環状リング体201と一体化されている。この構成であれば、 この噴射装置を製造するに当たって複数の機素類を組み立てるのに、溶接工程数 を減少させることができる利点がある。この変形例での環状リング体301と本 体10との連結は、中心垂直穴110の上流側の一個所に溶接305するだけで 達成できる。図1の実施例の場合では、このような連結を達成するのに二個所の 溶接が必要である。即ち、環状リング体と中央壁部材との間、及び、環状リング 体と本体との間に溶接がそれぞれ必要である。
図5は、中央壁部材114と環状リング体201との連結についての別の変形例 を示す。この構成では、中央壁部材に予めスクリュー頭部310を取り付けてお いて、中央壁部材114を螺合させることにより前記連結を達成しているが、こ の連結を済ませた後は前記スクリュー頭部310は除去するようになっている。
本体と環状リング体との連結は、図1に示したのと同様に中心垂直穴110の下 流側に溶接することによってこれを行っている。
図6は、本発明の噴射装置を取り付けた燃焼装置の外観を示すものであって、両 者の連結態様については二側示しである。一方の例Aは図1に示したものに対応 し、ここでは燃焼装置は、該燃焼装置20のフランジ250をフランジ180に 接合させることにより噴射装置と連結されている。他方の例Bでは、円環室14 0を噴射装置の上端に対して僅かだけへっこませて、噴射装置と燃焼装置との連 結を当該噴射装置の下流側で行っている。尚、例Aにおいては、噴射装置におい て連結されているが、例Bとは異なって、燃焼室内での高温に曝露されるような ことはない。
前述した構造であれば、本発明の噴射装置の動作がより信頼性のあるもとするこ とができる。内部で流体損失が発生して二種の推進薬が混合してしまう虞はない し、液体水素と液体酸素とを利用する場合では、液体酸素が液体水素に完全に囲 繞されるようにしていることから、高温酸素が燃焼室の隔壁と接触する虞もない 。また、このように構成された噴射装置は、その製造に要する部品の数が少な( 、それも従来の技法を用いて現に製造されている噴射装置の構成部品の数よりも 著しく少なく、その数は約100もあることがある。更に、必要な構成部品の大 部分は回転軸対称形を呈しているから、その製造も容易であり、それに伴って製 造コストを低減することができるなどの利点もある。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.二つの環状噴射路(218、219)により囲繞された環状中央噴射スリッ ト(212)を有する少なくとも一つの環状噴射素子(12、14)が同心配置 で連結されている、対称軸(11)を中心とする回転対称形本体(10)からな る並設シート状噴射装置において、前記環状中央噴射スリットには、該中央噴射 スリットと同一レベルにある噴射素子の頂部から第2推進薬が供給されるように なっており、また、前記噴射路には第1推進薬が供給されるようになっていて、 前記中央噴射スリットの両側における噴射素子の底部に流入すると共に、環状均 質化室(203)を介して、中央噴射スリットを囲繞する環状噴射路へと流れる ように構成したことを特徴とする並列シート状噴射装置。 2.請求項1に記載のものであって、前記噴射素子には第1推進薬が、内室(1 12)からと、噴射素子の入口であってその底部に設けた少なくとも一方の環状 室(122、132)から供給されるようになっていると共に、対称軸芯(11 )とは平行であり、推進薬供給室(100)から一つかそれ以上の同心環状体( 125、135)へと延在する穴(110、120、130)から供給されるよ うになっているのを特徴とする並列シート状噴射装置。 3.請求項1に記載のものであって、前記噴射素子には第2推進薬が、噴射素子 への入口であってその頂部に設けた少なくとも一方の環状空洞(160、170 )及び、対称軸芯(11)とは平行であり、推進薬供給円環体(140)から放 射状に延在する供給路(150)から供給されるようになっているのを特徴とす る並列シート状噴射装置。 4.請求項3に記載のものであって、前記円環体が噴射装置本体(10)と同心 状態で連結されていることを特徴とする並列シート状噴射装置。 5.請求項1から4までの何れか一項に記載のものであって、前記供給路と前記 穴の数と寸法とは、複数の噴射装置における噴射スリット(212、218、2 19)での推進薬の流速が同一になるように選定されていることを特徴とする並 列シート状噴射装置。 6.請求項1から5までの何れか一項に記載のものであって、前記噴射装置は燃 焼装置とは別体になっていて、中心壁部材(114)と少なくとも一つの別の壁 部材(124、134)とを介して連結されており、前記壁部材が噴射素子と噴 射装置本体との間に確固に保持されていることを特徴とする並列シート状噴射装 置。 7.請求項6に記載のものであって、前記中央壁部材が噴射素子(12)の一端 に螺合により取り付けられていることを特徴とする並列シート状噴射装置。 8.請求項6に記載のものであって、前記中央壁部材が噴射素子(12)の一体 部分であることを特徴とする並列シート状噴射装置。 9.請求項1から8までの何れか一項に記載のものであって、前記噴射装置は二 つの同心配置の環状噴射素子(12、14)からなることを特徴とする並列シー ト状噴射装置。 10.請求項9に記載のものであって、中央隔壁(124)の支持体が、噴射装 置本体と一体化されて、その底端を中心として等間隔置きに配置されたカラム( 185)により補強されていることを特徴とする並列シート状噴射装置。 11.請求項1から10までの何れか一項に記載のものであって、本体(10) が、壁部材(114、124、134)の所で、燃焼装置に開口して、燃焼作用 を安定化する内蔵型共振装置を構成する環状空間(190)を有していることを 特徴とする並列シート状噴射装置。 12.請求項1から11までの何れか一項に記載の噴射装置に用いる噴射素子で あって、互いに同心配置された外側リング体(201)と内側リング体(202 )とからなり、両者間に、両者の蓋体を構成する上部体(200)と一体の外方 にテーパーした環状体(214)が形成されており、また、外側及び内側リング 体と上部体との間に環状内室(203)が形成されていて、該環状内室(203 )において第1推進薬が均質化されることを特徴とする噴射素子。 13.請求項12に記載のものであって、前記環状内室が、第1推進薬の流量を 制御するのに必要な落差損失を醸し出すのに充分な寸法の隔壁(224、225 )により区画されていることを特徴とする噴射素子。 14.請求項12に記載のものであって、前記内側及び外側リング体がそれぞれ 、外方にテーパーした環状体(214)に対面する収斂壁部(216、217) からなり、該収斂壁部のと環状体との間に、第1推進薬の環状噴射スリットを形 成する同一寸法の噴射路(218.219)が形成されていることを特徴とする 噴射素子。 15.請求項14に記載のものであって、前記外側及び内側リング体の収斂壁部 がそれぞれ延長壁(220、221)に連接して、推進薬が混合する噴射室(2 28)を形成していることを特徴とする噴射素子。 16.請求項12から15までの何れか一項に記載のものであって、環状噴射ス リット8218.219)と環状室(112、122、132)との連通が、噴 射素子の壁部を形成する内側及び外側リング体(201、202)に形成した規 制オリフィス(222、223)を介して行われていることを特赦とする噴射素 子。 17.請求項12から15間での何れか一項に記載のものであって、中央噴射ス リット(212)と環状空洞(160、170)との連通が、噴射素子の上部体 (200)に形成した規制オリフィス(210)と介して行われていることを特 徴とする噴射素子。 18.請求項17に記載のものであって、前記規制オリフィス(210)がほぼ 矩形断面であることを特徴とする噴射素子。
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