JPH08334213A - 超音速燃焼器とその着火方法 - Google Patents

超音速燃焼器とその着火方法

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JPH08334213A
JPH08334213A JP14287795A JP14287795A JPH08334213A JP H08334213 A JPH08334213 A JP H08334213A JP 14287795 A JP14287795 A JP 14287795A JP 14287795 A JP14287795 A JP 14287795A JP H08334213 A JPH08334213 A JP H08334213A
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JP
Japan
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fuel
supersonic
auxiliary fuel
air flow
circulation region
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JP14287795A
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Shuji Suyama
修二 陶山
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IHI Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 重量の大きい着火装置を用いることなく、空
気温度が低い場合や希薄燃焼条件においても安定した着
火ができる超音速燃焼器とその着火方法を提供する。 【構成】 主燃料噴射ノズル12により、ガス状の主燃
料を超音速空気流2に対して垂直に高速噴射して空気流
中に斜め衝撃波16とその前面に循環領域17を発生さ
せる。次いで、補助燃料噴射ノズル14により、循環領
域の上流にガス状の補助燃料を噴射し、補助燃料を空気
流に沿って循環領域に供給し、これにより循環領域内の
燃料濃度を増加させ自己着火温度を低下させる。更に、
主燃料と補助燃料を壁面に沿ってそれぞれのノズルに供
給し、壁面からの伝熱により主燃料と補助燃料を加熱す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音速で飛行する機体
のエンジンに使用される超音速燃焼器とその着火方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】飛行マッハ数が5を越える超音速で飛行
する航空機のエンジンとして、超音速流のまま燃焼させ
る超音速燃焼ラムジェットエンジン(SCRAM-JET ENGIN
E、以下スクラムジェットエンジンという)が開発され
ている。図3は、空気取入口、燃料噴射部、燃焼部、及
びノズルからなる側壁と燃焼器からなるスクラムジェッ
トエンジンの模式図であり、超音速飛行時に流路内に高
速で流入する空気をラム圧で圧縮し、燃料噴射部で燃料
を噴射し着火・燃焼させ、燃焼ガスを後方に噴射して推
力を発生するようになっている。かかるスクラムジェッ
トエンジンは、通常のラムジェットにおいて燃焼室内の
流速を超音速に保つことにより、垂直衝撃波の発生に伴
う全圧損失や温度回復に伴う熱解離による損失を抑える
とともに、温度や圧力の上昇に伴うエンジン構造材への
応力と熱負荷を低減しようとするものである。また、こ
のスクラムジェットエンジンは、大気中の酸素を酸化剤
として利用するため、ロケットに比べて搭載酸素を大幅
に減少でき、比推力を大幅に改善することができる。
【0003】従来の超音速燃焼器の燃料噴射方式とし
て、流路内にステップを設けその下流から流れに垂直
に燃料を噴射するステップ後垂直噴射方式、ステップ
の後面から燃料を流れに平行に噴射するステップ平行噴
射方式、及び流路内にストラットと呼ぶ柱状部材を配
し、その後面から燃料を流れに平行に噴射するストラッ
ト平行噴射方式(図3)が知られている。しかし、と
の平行噴射方式では、着火/保炎性(超音速気流中に
おける着火と保炎)と混合/燃焼性(効率の良い混合と
燃焼)が悪い問題点があった。
【0004】これに対して、図4に模式的に示すのス
テップ後垂直噴射方式では、燃焼器1の流路内に超音速
空気流2が流れると、ステップ3の後流に超音速空気流
2が壁面1aから剥離した亜音速領域4が形成され、さ
らに、その内部に、空気が局部的に循環する再循環域5
が形成される。そして、この再循環域5に、燃料を噴射
して点火することにより、亜音速域4内において、燃焼
状態を保持することができるようになっている。かかる
ステップ後垂直噴射方式の超音速燃焼器は、との平
行噴射方式に比較し、着火/保炎性及び混合/燃焼性が
良い特徴がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、かかるステッ
プ後垂直噴射方式の超音速燃焼器であっても、飛行中に
超音速空気流2の温度が変動する(例えば900〜11
00℃)ため、空気温度が低い(例えば約900℃)場
合には、何らかの強制着火装置(例えば図4に示す点火
装置6)が必要であった。また、空気温度が十分高い
(例えば約1000℃)場合でも、燃料消費率を低減す
るために希薄燃焼させる場合には、強制着火装置が不可
欠であった。そのため、点火装置やその電源等により燃
焼器の重量が大きくなる問題点があった。
【0006】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、重量
の大きい着火装置を用いることなく、空気温度が低い場
合や希薄燃焼条件においても安定した着火ができる超音
速燃焼器とその着火方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ガス状
の主燃料を超音速空気流に対して垂直に高速噴射し、空
気流中に斜め衝撃波と該斜め衝撃波の前面に循環領域を
発生させる主燃料噴射ノズルと、前記循環領域の上流に
ガス状の補助燃料を噴射し、該補助燃料を空気流に沿っ
て循環領域に供給する補助燃料噴射ノズルと、を備え、
これにより循環領域内の燃料濃度を増加させ自己着火温
度を低下させる、ことを特徴とする超音速燃焼器が提供
される。
【0008】本発明の好ましい実施例によれば、壁面に
沿って主燃料と補助燃料をそれぞれのノズルに供給する
主燃料加熱ラインと補助燃料加熱ラインをそれぞれ備
え、壁面からの伝熱により主燃料と補助燃料を加熱す
る。また、本発明によれば、ガス状の主燃料を超音速空
気流に対して垂直に高速噴射して空気流中に斜め衝撃波
と該斜め衝撃波の前面に循環領域を発生させ、次いで、
前記循環領域の上流にガス状の補助燃料を噴射し、該補
助燃料を空気流に沿って循環領域に供給し、これにより
循環領域内の燃料濃度を増加させ自己着火温度を低下さ
せる、ことを特徴とする超音速燃焼器の着火方法が提供
される。
【0009】本発明の好ましい実施例によれば、主燃料
と補助燃料を壁面に沿ってそれぞれのノズルに供給し、
壁面からの伝熱により主燃料と補助燃料を加熱する。
【0010】
【作用】超音速空気流に対して垂直に燃料を高速(例え
ばM=1)で噴射すると、この噴流により燃料噴射位置
の上流に超音速流れ中に斜め衝撃波が発生し、かつその
前面の壁面近くに空気の循環領域が形成される。この循
環領域内は、全温度が一定に保たれる等エントロピー流
れにおいて、流速の低下により静温が上昇し超音速空気
流よりも高温になっている。従って、この循環領域内の
燃料濃度を何らかの手段で高めることができれば、循環
領域内で燃料を自己着火させることができ、循環領域で
火炎ができれば、この火炎を種火として燃料が希薄な希
薄燃焼を安定して行うことができる。本発明はかかる新
規の知見に基づくものである。
【0011】すなわち、上記本発明の装置及び方法によ
れば、主燃料噴射ノズルからの主燃料の垂直噴射によ
り、空気流中に斜め衝撃波とその前面に循環領域を発生
させることができる。次いで、循環領域の上流の補助燃
料噴射ノズルからの補助燃料の噴射により、補助燃料を
空気流に沿って循環領域に供給するので、補助燃料によ
り、循環領域内の燃料濃度を自由に高めることができ
る。また、この補助燃料は主流空気(超音速空気流)か
らの熱伝達により加熱されて循環領域内に入るので、補
助燃料を十分に加熱することができる。従って、燃料濃
度の上昇による自己着火温度の低下と循環領域の温度上
昇により、主流空気の温度が低い(例えば約900℃)
場合でも、循環領域の燃料を容易に自己着火させること
ができ、この火炎を種火として、主燃料噴射ノズルによ
る燃料が希薄な主燃料を安定燃焼させることができる。
【0012】更に、主燃料加熱ラインと補助燃料加熱ラ
インにより、主燃料と補助燃料を壁面に沿ってそれぞれ
のノズルに供給すれば、燃焼器の壁面を冷却できるとと
もに燃料を加熱することができ、主燃料及び補助燃料の
着火性を更に改善することができる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において共通する部分には同
一の符号を付して使用する。図1は、本発明による超音
速燃焼器の第1実施例の全体構成図である。この図にお
いて、本発明の超音速燃焼器10は、ガス状の主燃料を
超音速空気流2に対して垂直に高速噴射する主燃料噴射
ノズル12と、その上流側に設けられガス状の補助燃料
を噴射する補助燃料噴射ノズル14と、を備えている。
【0014】ガス状の主燃料及び補助燃料は、水素ガス
が好ましいが、その他のガス燃料(例えば、天然ガス、
メタン、エタン、プロパン、等)でもよく、或いは液体
燃料をガス化したものであってもよい。また、主燃料と
補助燃料は、同一燃料であっもよく、異なる燃料であっ
てもよい。
【0015】主燃料噴射ノズル12は、例えば先細ノズ
ルであり、主燃料をマッハ1の高速で噴射するようにな
っている。また、主燃料噴射ノズル12を先細末広ノズ
ルとし、主燃料を超音速で噴射するようにしてもよい。
一方、補助燃料噴射ノズル14は、主燃料噴射ノズル1
2と相違し、垂直噴射や高速噴射はかならずしも必要な
く、単に燃料を壁面に沿って噴射できればよい。従っ
て、補助燃料噴射ノズル14は、簡単な孔や先細ノズル
であってもよい。更に、補助燃料噴射ノズル14は、主
燃料噴射ノズル12から十分離れた位置に設置し、噴射
した補助燃料が超音速空気流2(主流空気)からの熱伝
達により十分温度上昇するようにするのがよい。
【0016】また、図1に示すように、本発明の超音速
燃焼器10は、更に、壁面に沿って主燃料と補助燃料を
それぞれのノズル12,14に供給する主燃料加熱ライ
ン13と補助燃料加熱ライン15をそれぞれ備えてい
る。この主燃料加熱ライン13及び補助燃料加熱ライン
15は、燃焼器の壁面に埋設するか、壁面に設けたマニ
ホールド孔により構成するのがよい。かかる構成によ
り、壁面を燃料自体で冷却すると共に、壁面からの伝熱
で燃料を加熱し、燃料の着火性を高めることができる。
【0017】上述した主燃料噴射ノズル12を用い、主
燃料を超音速空気流2に対して垂直に高速噴射すること
により、図1に示すように、主燃料噴射ノズル12の上
流側の空気流中に斜め衝撃波16を発生させることがで
き、更にその斜め衝撃波16の前面の壁面付近に循環領
域17が発生する。主燃料の量は、必ずしも大量には必
要なく、斜め衝撃波16と循環領域17を発生する範囲
で希薄燃焼が可能な量に設定するのがよい。
【0018】循環領域17の前面には、別の衝撃波が形
成され、循環領域17の内部の空気循環により、超音速
空気流2に比較して流速が低くなっている。従って、等
エントロピー流れにおいて、全温度が一定であるので、
循環内の温度は流速の低下により静温が上昇し超音速空
気流の静温よりも高温になっている。次いで、補助燃料
噴射ノズル14からからの補助燃料の噴射により、補助
燃料を空気流に沿って循環領域17に供給するので、補
助燃料により、循環領域17内の燃料濃度を自由に高め
ることができる。また、この補助燃料は主流空気(超音
速空気流2)からの熱伝達により加熱されて循環領域内
に入るので、補助燃料を十分に加熱することができる。
従って、燃料濃度の上昇による自己着火温度の低下と循
環領域の温度上昇により、主流空気の温度が低い(例え
ば約900℃)場合でも、循環領域の燃料を容易に自己
着火させることができ、この火炎を種火として、主燃料
噴射ノズルによる燃料が希薄な主燃料を安定燃焼させる
ことができる。
【0019】図2は、本発明による超音速燃焼器の別の
実施例を示す全体構成図である。この図において、燃焼
器の壁面にステップ18が設けられており、このステッ
プ18により膨張波19が発生している。その他の構成
は図1の実施例と同様であり、図1と同様に、補助燃料
噴射ノズル14からからの補助燃料の噴射により、循環
領域17内の燃料濃度を高め、燃料濃度の上昇による自
己着火温度の低下と循環領域の温度上昇により、循環領
域の燃料を容易に自己着火させることができ、この火炎
を種火として、主燃料噴射ノズルによる燃料が希薄な主
燃料を安定燃焼させることができる。
【0020】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
【0021】
【発明の効果】上述したように、本発明の超音速燃焼器
とその着火方法は、重量の大きい着火装置を用いること
なく、空気温度が低い場合や希薄燃焼条件においても安
定した着火ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による超音速燃焼器の第1実施例の全体
構成図である。
【図2】本発明による超音速燃焼器の第2実施例の全体
構成図である。
【図3】スクラムジェットエンジンの模式図である。
【図4】従来の超音速燃焼器の一例を示す図である。
【符号の説明】
1 超音速燃焼器 2 超音速空気流 3 ステップ 4 亜音速域 5 再循環域 6 点火装置 10 超音速燃焼器 12 主燃料噴射ノズル 13 主燃料加熱ライン 14 補助燃料噴射ノズル 15 補助燃料加熱ライン 16 斜め衝撃波 17 循環領域 18 ステップ 19 膨張波

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガス状の主燃料を超音速空気流に対して
    垂直に高速噴射し、空気流中に斜め衝撃波と該斜め衝撃
    波の前面に循環領域を発生させる主燃料噴射ノズルと、
    前記循環領域の上流にガス状の補助燃料を噴射し、該補
    助燃料を空気流に沿って循環領域に供給する補助燃料噴
    射ノズルと、を備え、これにより循環領域内の燃料濃度
    を増加させ自己着火温度を低下させる、ことを特徴とす
    る超音速燃焼器。
  2. 【請求項2】 壁面に沿って主燃料と補助燃料をそれぞ
    れのノズルに供給する主燃料加熱ラインと補助燃料加熱
    ラインをそれぞれ備え、壁面からの伝熱により主燃料と
    補助燃料を加熱する、ことを特徴とする請求項1に記載
    の超音速燃焼器。
  3. 【請求項3】 ガス状の主燃料を超音速空気流に対して
    垂直に高速噴射して空気流中に斜め衝撃波と該斜め衝撃
    波の前面に循環領域を発生させ、次いで、前記循環領域
    の上流にガス状の補助燃料を噴射し、該補助燃料を空気
    流に沿って循環領域に供給し、これにより循環領域内の
    燃料濃度を増加させ自己着火温度を低下させる、ことを
    特徴とする超音速燃焼器の着火方法。
  4. 【請求項4】 主燃料と補助燃料を壁面に沿ってそれぞ
    れのノズルに供給し、壁面からの伝熱により主燃料と補
    助燃料を加熱する、ことを特徴とする請求項3に記載の
    超音速燃焼器の着火方法。
JP14287795A 1995-06-09 1995-06-09 超音速燃焼器とその着火方法 Pending JPH08334213A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4522558B2 (ja) * 2000-08-11 2010-08-11 実 屋我 スクラムジェットエンジン用燃料混合促進方法並びに装置
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JP2019138219A (ja) * 2018-02-09 2019-08-22 三菱重工業株式会社 スクラムジェットエンジン及び飛翔体

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