KR20140042859A

KR20140042859A - 로터리 램제트 엔진을 위한 연소 시스템 및 연소 시스템 부품

Info

Publication number: KR20140042859A
Application number: KR1020147001113A
Authority: KR
Inventors: 장-세바스티안 플랑테; 메튜 피카르드; 데이빗 랑코트
Original assignee: 소크프라 시앙스 에 제니 에스.에.쎄.
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-04-07
Also published as: EP2721273A1; BR112013032010A2; EP2721273A4; US9702562B2; CN103703229A; CN103703229B; CA2839456C; RU2013157399A; US20140290259A1; CA2839456A1; WO2012171094A1

Abstract

본 개시는 로터리 램제트 엔진을 위한 연소 시스템 및 부품에 관한 것이다. 엔진 시동의 용이함을 위해 선택적으로 계층화된 분사 시스템이 공기 및 연료 혼합물을 연소실로 공급한다. 점화 시스템이 이 혼합물을 점화시킨다. 화염안정 시스템이 연소실과 소통되도록 위치하여, 공기 및 연료 혼합물의 점화 유동을 램제트 엔진 내부의 회전 중심을 향해 강제할 수 있다. 램제트 엔진은 배기 효율 개선을 위한 분기형 스테이터를 포함할 수 있다. 점화가 엔진 공기 흡입구에서 일어날 수 있다. 대안적으로, 점화는 이중-허브 전기적 대전 시스템을 이용하여 연소실 내부에서 일어날 수 있다. 임펄스 터빈이 주입된 연료의 재순환을 이용하여 림-로터를 냉각시키고/냉각시키거나 림-로터 상의 풍손을 감소시킬 수 있다. 밀봉 시스템이 연료 도관으로부터 엔진 공기 주입구로의 가스 누출을 감소시킬 수 있다.

Description

로터리 램제트 엔진을 위한 연소 시스템 및 연소 시스템 부품{COMBUSTION SYSTEMS AND COMBUSTION SYSTEM COMPONENTS FOR ROTARY RAMJET ENGINES}

본 개시는 로터리 램제트 엔진의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 로터리 램제트 엔진과 사용하기 위한 연소 시스템 및 연소 시스템 부품에 관한 것이다.

항공우주 응용에서 사용되는 램제트 엔진은 항공기 또는 미사일의 전진 운동에 의해 야기된 초음속으로 공기를 엔진 유입구로 빨아들인다. 공기는 중앙-몸체와 엔진 측벽 사이의 더 작은 개구로 빨려들어가서 일련의 충격파를 생성한다. 이러한 충격파는 공기를 압축하고 아음속으로 감속하는 동시에, 작업 유동 압력 및 온도를 급격히 상승시킨다. 램제트 효과는, 가속된 공기 유동을 로터 회전면의 림(rim)에 가공된 상승 구역들 위로 통과시킴으로써, 정지형 플랫폼에서 달성될 수도 있다. 로터의 높은 회전 속도와 결합될 때, 이는 로터 림에 대해 초음속 유동을 생성한다. 초음속으로 회전 중인 림의 상승 구역들 및 정지형 엔진 케이스 사이의 상호작용은 일련의 충격파를 생성하고, 이 충격파는 초음속 미사일 또는 항공기의 램제트 유입구와 유사한 방식으로 기류를 압축한다.

탄소 복합재 및 유사 재료의 출현은, 램제트 엔진의 회전형 부품들에 의해 생성된 원심력을 보상하기 위한, 림-로터(rim-rotor)라 불리는 보강벽의 도입을 가능하게 하였다. 림-로터 로터리 램제트 엔진(R4E)에서는, 흡기 블레이드들이 충격파로 공기 및 연료 혼합물을 압축하고, 연소가 일어나 유동 엔탈피를 증가시키며, 마지막으로 생성물이 높은 접선 속도로 배기 블레이드들에 의해 가속되어, 샤프트 동력을 생성한다.

보다 나은 연비 및 동력 출력을 달성하기 위해, 림-로터 로터리 램제트 엔진에 대한 개선이 여전히 요구된다.

제1 양상에서, 본 개시는 로터리 램제트 엔진을 위한 점화 시스템을 제공한다. 점화 시스템은 공기 흡입구, 연료 분사 시스템, 및 점화기를 포함한다. 점화기는 공기 및 연료가 연소실로 들어가기 전에 연료를 점화시킨다.

제2 양상에서, 본 개시는 로터리 램제트 엔진을 위한 연소 시스템을 제공한다. 연소 시스템은 연소실, 분사 시스템, 점화 시스템, 및 화염안정 시스템(flameholding system)을 포함한다. 분사 시스템은 공기 및 연료 혼합물을 연소실로 공급한다. 점화 시스템은 공기 및 연료 혼합물을 점화시킨다. 화염안정 시스템은 연소실과 소통되도록 위치하며, 공기 및 연료 혼합물의 점화 유동을 램제트 엔진 내부의 회전 중심을 향해 강제한다.

제3 양상에서, 본 개시는 로터리 램제트 엔진을 위한 점화 시스템을 제공한다. 점화 시스템은 2개의 자립형 허브, 전기 연결부들, 및 전극을 포함한다. 자립형 허브들은 연소실과 동축으로 위치한다. 전기 연결부들은 2개의 자립형 허브 사이로 전위차를 인가한다. 전극은 2개의 자립형 허브 중 하나의 허브에 위치하며, 연소실 내부의 연료를 점화시키기 위해 스파크를 생성한다.

제4 양상에서, 본 개시는 로터리 램제트 엔진을 위한 분사 시스템을 제공한다. 분사 시스템은 연료를 연소실의 외주 인근으로 전달하는 외부반경 분사기, 및 연료를 연소실의 내주 인근으로 전달하는 내부반경 분사기를 포함한다. 외부반경 분사기는 연료가 공기보다 더 무거운 경우 엔진 시동 중에 연료를 전달하도록 적응되며, 연료가 공기보다 더 가벼운 경우 엔진 시동 후에 연료를 전달하도록 적응된다. 내부반경 분사기는 연료가 공기보다 더 가벼운 경우 엔진 시동 중에 연료를 전달하도록 적응되며, 연료가 공기보다 더 무거운 경우 엔진 시동 후에 연료를 전달하도록 적응된다.

제5 양상에서, 본 개시는 로터, 로터 내부에 위치한 연소실, 분사 시스템, 점화 시스템, 및 로터의 하류에 위치한 스테이터를 포함하는 로터리 램제트 엔진을 제공한다. 분사 시스템은 공기 및 연료 혼합물을 연소실로 공급한다. 점화 시스템은 공기 및 연료 혼합물을 점화시킨다. 스테이터는 빠져나가는 가스의 압력을 감소시키기 위해 분기형 형상을 가진 배기 블레이드들을 포함한다.

제6 양상에서, 본 개시는 로터리 램제트 엔진을 위한 임펄스 터빈을 제공한다. 임펄스 터빈은 회전형 연소실, 회전형 연소실 주위에 인접하게 위치한 림-로터, 연료 주입구, 2개의 연료 도관, 및 분사기를 포함한다. 제1 연료 도관은 연료 주입구로부터 회전형 연소실의 외벽의 공동을 통해 림-로터의 내면을 따라 연료를 운반한다. 제2 연료 도관은 회전형 연소실 주위에서 림-로터의 외면을 따라 다시 연료 주입구를 향해 연료를 추가로 운반한다. 분사기는 연료를 제2 도관으로부터 받고, 연료를 회전형 연소실로 분사한다.

제7 양상에서, 본 개시는 연료 분사 시스템, 연소실, 공기 흡입구, 연료 도관, 및 밀봉 시스템을 포함하는 로터리 램제트 엔진을 제공한다. 공기 흡입구는 공기를 연소실로 들어가게 한다. 연료 도관은 연료 분사 시스템으로부터 연소실로 연료를 운반한다. 밀봉 시스템은 연료 도관으로부터 공기 흡입구로의 가스 누출을 감소시킨다.

전술한 특징들 및 다른 특징들은 첨부 도면을 참조하여 단지 예로써 주어진 예시적인 구현예들의 후술하는 비제한적 설명을 숙독함으로써 더 명확해질 것이다.

본 개시의 구현예들이 첨부 도면을 참조하여 단지 예로써 설명될 것이다.
도 1은 일 구현예에 따른 림-로터 로터리 램제트 엔진(R4E)의 부분 절개 측입면도이다.
도 2는 도 1의 R4E의 몇몇 부품들을 도시한 분해도이다.
도 3은 전방에서 바라본 도 1의 R4E의 부분 절개 사시도이다.
도 4는 후방에서 바라본 도 1의 R4E의 부분 절개 사시도이다.
도 5는 도 1의 R4E의 완전 절개 측입면도이다.
도 6은 후방에서 바라본 도 1의 R4E의 완전 절개 사시도이다.
도 7은 도 1의 R4E의 분사 시스템의 절개 측입면도이다.
도 8은 도 1의 R4E의 점화 시스템의 제1 실시예를 도시한다.
도 9a는 도 1의 R4E의 점화 시스템의 제2 실시예를 도시한다.
도 9b는 도 9a의 허브의 상세를 도시한다.
도 10은 도 1의 R4E의 화염안정 시스템의 절개 사시도이다.
도 11은 도 10의 화염안정 시스템을 포함하는 연소실 내의 가스 유동을 도시한 개략도이다.
도 12는 도 10의 화염안정 시스템을 포함하는 연소실 내의 온도 구배를 도시한 개략도이다.
도 13은 도 1의 R4E의 배기 블레이드들의 상세를 도시한다.
도 14는 R4E의 일 구현예의 임펄스 터빈을 도시한다.
도 15는 도 14의 임펄스 터빈 내의 연료 경로를 도시한다.
도 16은 일 구현예에 따른 R4E의 정적 및 동적 부품 사이의 가스 밀봉 시스템의 상세를 도시한다.
도 17은 도 16의 가스 밀봉 시스템의 배치를 도시한 R4E의 부분 절개 전면도이다.
도 18은 R4E 개념의 일 실시예를 도시한 부분 절개 사시도이다.
도 19는 R4E 시제품 설계의 분해 사시도이다.
도 20은 ㎜ 단위의 치수를 도시한, 도 19의 R4E 시제품의 단면 측입면도이다.
도 21은 스파크 위치를 도시한, 도 19의 R4E 시제품의 세부 사시도이다.
도 22는 도 19의 R4E 시제품 내부의 간소화된 로터의 개략도이다.
도 23은 일 구현예에 따른 플렉스 허브의 자유물체도이다.
도 24는 AS4/PEEK 튜브 제조를 도시한다.
도 25는 도 19의 시제품 R4A의 내부 부품들을 도시한다.
도 26은 실험대 유체 모듈의 횡단면도를 도시한다.

도면 설명에 있어서, 유사 도면부호들은 본 개시의 유사 구성요소들을 나타낸다.

로터리 램제트 엔진에서 사용하기 위한 연소 시스템 및 연소 시스템 부품의 개념

본 개시는 로터리 램제트 엔진을 위한 연소 시스템에 이루어진 개선들을 도입한다. 몇몇 개선들은, 림-로터 로터리 램제트 엔진(R4E)의 응용을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 유형의 램제트 엔진들에 적용 가능하다. 본원에 제시된 램제트 엔진의 다양한 구현예들은 연소 시스템 구성의 후술하는 양상들 중 하나 이상의 양상에 있어서 이전의 장치들과 구별된다.

시동 단계와 작동 단계 사이에서 수정 가능할 수 있는 분사 구성;

림-로터 드래그 감소 및 냉각을 제공하는 임펄스 터빈;

흡입구 점화 시스템 및 이중-허브 일체형 스파크 점화 시스템 중 적어도 하나를 포함하는 2개의 점화 시스템;

소통형 연소실에 적응된, 높은 중력장(g-field) 연소를 위한 화염안정 시스템;

소통형 연소실에 적응된 흡기 블레이드 구성;

엔진의 동력을 최대화하는 분기형 출구 스테이터; 및

냉각, 반응물, 및 연소 생성물을 분리하는 밀봉 시스템.

몇몇 램제트 엔진 구현예들은 앞서 기재된 개선들 중 하나, 여러 개, 또는 전부를 포함할 수 있다.

이제 도면을 참조하면, 도 1은 일 구현예에 따른 림-로터 로터리 램제트 엔진(R4E)의 부분 절개 측입면도이다. 도 2는 도 1의 R4E의 몇몇 부품들을 도시한 분해도이다. 일반적으로, R4E(100)는 입구로도 불리는 공기 흡입구(102), 로터(104), 스테이터(106), 출구(108), 및 출력 동력 샤프트(110)를 포함한다. 램제트 블레이드들(112) 및 임펄스 터빈 블레이드 어셈블리(다른 도면에 도시됨)는 회전 속도가 증가함에 따라 팽창이 가능하도록 섹션으로 구축된다. 전술한 바와 같이, 원심 하중이 림-로터(114)에 의해 지지된다. 부품들은 변형이 가능하도록 전극들(118) 상에 슬라이딩함으로써 허브(116)에 조립된다. 슬라이딩 조인트(120)가 플렉시블 조인트(미도시)로 대체될 수도 있다.

다른 R4E(100) 도면들이 도 3 내지 도 6에 제공된다. 도 3은 전방에서 바라본 도 1의 R4E의 부분 절개 사시도이다. 도 4는 후방에서 바라본 도 1의 R4E의 부분 절개 사시도이다. 도 5는 도 1의 R4E의 완전 절개 측입면도이다. 도 6은 후방에서 바라본 도 1의 R4E의 완전 절개 사시도이다. 도 1 내지 도 6에 나타난 몇몇 구성요소들이 이하에 소개된다.

분사

도 7은 도 1의 R4E의 분사 시스템의 절개 측입면도이다. 도 7은 도 5의 파선(A-A)으로 지시된 영역을 상세히 도시한다. 연료가 R4E(100)의 연소실(121)에 전달될 수 있는데, 이 연료는 이미 사전 혼합되어 있거나, 계층화된 분사를 형성하는 2개의 분사기(흡입구의 외부반경 상의 (상부) 분사기(122) 및 흡입구의 내부반경 상의 (하부) 분사기(124)) 내에 있다. 수소와 같은 가벼운 가스에 대해, 상부 외부반경 분사기(122)는 화살표(g)로 지시된 높은 원심력 중력장(g-field)의 효과를 이용하여 연료를 전달하고, 그에 따라 혼합을 최대화한다. 수소는 공기보다 더 가볍기 때문에, 부력이 수소를 화살표(126)로 지시된 방향으로 회전 중심을 향해 미는 경향이 있다. 한편, 하부 내부반경 분사기(124) 역시 중력장을 이용하여 화살표(128)로 지시된 방향으로 내부반경 상에 연료를 전달한다. 이러한 기법을 이용하여 연소실의 바닥에서 풍부한 혼합물을 얻어, 최소량의 연료를 이용한 점화에 기여한다.

프로판 또는 액체 연료와 같이 공기보다 더 무거운 연료에 대해서는, 상하부 분사의 사용이 반대가 된다: 하부 분사기(124)는 혼합을 최대화하며, 상부 분사기(122)는 외부반경 상에서 연료를 계층화하는 경향이 있다.

그러므로, 계층화된 분사는 엔진의 중력장의 효과를 이용하여 R4E(100)의 다양한 사용 단계들 중에 부력 효과로 인해 혼합을 최대화 또는 최소화한다.

점화

엔진 흡입구 내의 유동 점화 및 회전형 프레임 내의 점화를 위한 이중-허브 구성의 2가지 점화 기법이 전개된다.

흡입구 점화

본 개시는 흡입구 내에서 화염으로 로터리 램제트 엔진을 점화시키는 과정을 도입한다. 도 8은 도 1의 R4E의 점화 시스템의 제1 실시예를 도시한다. 흡입구 점화 개념은 연소실(121) 전에 엔진의 전방 구역에서 공기 및 연료 혼합물을 점화시키는 것이다. 도 1의 R4E(100)의 구성요소들이 도 8에 재현된다. 연소실(121)로 전파된 화염(132)을 점화시키는 점화기(구체적으로 도시되지 않음)를 구비한 점화점(130)이 도 8에 추가된다. 화염(132)은 공기 흡입구(102)에 위치한 점화점(130)에서 개시된다. 점화기는 흡입구(102)로 들어온 공기를 점화시키며, 이 공기는 분사기들(122, 124) 중 하나 또는 양자를 통해 들어온 연료와 혼합된다. 이후, 화염(132)은 엔진 내에서 전파되어 연소실(121)을 점화시킨다. 파일럿 화염용 연료가 점화기 전의 일 지점에서 분사될 수 있거나, 하나 또는 양 (상하부) 계층화 분사기(122, 124)로부터 유래될 수 있거나, 축류 속도가 화염 전파 속도보다 더 높은 경우에는, 완전히 사전 혼합될 수 있다. 점화점(130)에서의 점화기는 스파크 플러그, 글로우-플러그, 또는 스파클 공급원(용융된 금속)을 포함할 수 있다.

회전형 부품들이 존재하는 연소실(121)로부터 점화 부품들을 제거하면, 복잡도 및 사질량(dead mass)이 최소화되기 때문에, 흡입구 점화 개념은 작은 규모의 엔진 응용에서 적용될 수 있다.

이중-허브 스파크 점화

본 개시는 하나의 전기적 양극 허브 및 하나의 전기적 음극 허브를 구비한 이중 허브 구성을 도입한다. 도 9a는 도 1의 R4E의 점화 시스템의 제2 실시예를 도시한다. 도 9b는 도 9a의 허브의 상세를 도시한다. 도 9a 및 도 9b를 같이 참조하면, 이중-허브 구성은 2개의 허브(116A, 116B) 상에 전위차를 인가하기 위해 사용된다. 이러한 2개의 허브는 이전 도면들에 허브(116)로 도시되어 있다. 허브들(116A, 116B)은 연소실(121)과 동축으로 위치한다. 도시된 바와 같이, 하나의 허브(116A)는, 전극들(118)의 선단부들이 연소실 내로 돌출되도록, 다른 허브(116B)보다 약간 더 작은 직경을 가진다. 연소실(121)의 바람직한 형상에 따라, 그리고 허브들(116A, 116B)과 연소실(121)의 상대 배치에 따라, 다른 허브 구성들이 사용될 수 있다. 허브들(116A, 116B)은 전기 절연체(135)에 의해 서로 분리되며, 다른 전기 절연체(139)에 의해 연소실(121)로부터 분리된다. 허브들(116A, 116B)은 예컨대 볼-베어링(미도시) 또는 상응하는 지지구의 사용에 의해 R4E(100)의 회전축 상에서 자립하며(self-support), 림-로터(114)에 어떤 하중도 전달하지 않는다.

도 9a에 도시된 바와 같이, 허브(116A)는 음으로 대전되는 반면, 허브(116B)는 양으로 대전된다. 2개의 허브(116A, 116B) 사이의 전위차는 도 8에 “스파크 2”로 지시된 스파크를 생성한다; 이 스파크는, 허브(116A)가 허브(116B)보다 더 높은 전압 또는 전하 전위를 가진 경우, 연소실에서 생성될 수도 있다. 2개의 허브 중 하나가 양 또는 음으로 대전되는 동안, 다른 허브는 접지될 수 있다. 전위차는 예컨대 허브(116A)에 양전위를 인가함으로써 그리고 허브(116B)를 접지시킴으로써 얻어질 수 있다. 2개의 허브 상에 전위차 또는 전하차를 생성하는 다른 방식들이 당업자들에게 잘 알려져 있다. 전위차는 연소실(121)에 스파크 2를 생성하여 공기 및 연료 혼합물을 점화시킨다.

전기 연결부들은 2개의 허브(116A, 116B) 사이로 전위차를 인가한다. 일 구현예에서, 양극 허브(116B)는 고정 전극(136)과 허브(116B) 사이의 스파크(스파크 1), 또는 브러시(미도시)로 대전될 수 있다. 음극 허브(116A)는 허브(116A)와 전극(138) 사이의 스파크(스파크 3)에 의해, 브러시(미도시)에 의해, 또는 베어링 또는 유체역학 베어링(미도시)에 의해 직접 방전될 수 있다. 연소실(121) 내의 스파크 2는 연료를 점화시키도록 2개의 전극(118) 사이에서 생성될 수 있거나, 연소실(121) 내의 도체(미도시)와 전극(118) 사이에서 생성될 수 있다. 이러한 도체는 연소실(121)에 추가된 소형 부품이나 코팅재로서 구현될 수 있다.

복수의 전극(118)이 도 9b의 허브(116) 상에 도시되어 있지만, 구현예들은 각각의 허브(116) 상의 단일 전극(118)에 의존할 수도 있으며, 스파크 2는 한 쌍의 전극(118) 사이에서 생성된다. 또한, 전극들(108)이 허브들(116A, 116B)의 원주 상의 복수의 장소에 위치하여 복수 쌍의 전극(118)을 형성할 수 있지만, 허브들(116A, 116B)의 전하의 방출은 랜덤 방식으로 임의의 한 쌍의 전극(118)에서 임의의 주어진 시간에 스파크 2를 생성할 수 있다. 그러므로, 소통형 연소실의 단일 지점에서 로터리 램제트를 점화시키는 과정이 본원에 도입된다.

또한, 전극들 상에서 슬라이딩하는 블레이드들은 림-로터 신장을 가능하게 한다. 도 2의 슬라이딩 조인트(120)(또는 앞서 언급된 플렉시블 조인트)는 램제트 엔진(100)의 림-로터(114)와 자립형 허브들(116A, 116B) 사이에 위치할 수 있다.

연소

높은 중력장 연소를 이용한 로터리 램제트 엔진에 적응된 소통형 연소실의 구성이 본원에 도입된다. 흡기 블레이드들 상에 위치한 3개의 화염안정기를 포함하는 구성의 일 실시예가 로터리 램제트 엔진 내의 소통형 연소실에 적응된다. 상부 화염안정기가 양극 구성의 흡기 블레이드들에 부착될 수 있다. 수직 화염안정기가 하부에서 상부까지 배치된다. 하부 화염안정기가 또한 도입된다.

도 10은 도 1의 R4E의 화염안정 시스템의 절개 사시도이다. R4E(100) 주위에서 램제트들과 소통하기 위한 단일 연속 연소실(121)이 체적을 최대화하기 위해 그리고 단일 점화점으로 점화시키기 위해 사용된다. 화염안정기들이 연소 효율을 최대화하도록 배치된다. 일 구현예에서, 제1 화염안정기(140)는 화염이 외부에서 내부로 전파될 수 있게 하기 위해 연소실의 상부에 배치된다. 제2 화염안정기(142)는 단일 점화점과 함께 램제트들을 연결하기 위해 연소실의 하부에 추가될 수 있다. 제3 화염안정기(144)는 상부를 하부에 수직으로 연결할 수 있다. 화염안정기들(140, 142, 144)은 하나의 흡기 블레이드(146) 상에 배치될 수 있다. 몇몇 변형예들에서, 3개의 화염안정기(140, 142, 144) 중 일부 또는 전부를 포함하는 화염안정기 세트가 로터(104) 주위에 위치한 복수의 흡기 블레이드(146) 각각에, 또는 모든 흡기 블레이드(146)에 위치할 수 있다. 다른 변형들 및 조합들이 본 개시의 이점을 갖는 당업자들에게 쉽게 연상될 것이다.

상부 화염안정기(140)는 화염이 림-로터(114)의 일 측에서 지속될 수 있게 한다. 이전의 주지의 개념들과의 차이점은 양극 구성이다. 림-로터(114)의 재료를 제거하는 대신에, 유동이 회전 중심을 향해 진행되도록 강제하며, 화염 유지를 위한 영속도 영역을 최대화하는 재료를 추가한다. 이러한 양극 구성은 하부 화염안정기(144)를 이용하여 유동이 아래로 향하기에 충분한 공간을 남길 수 있다. 다른 차이점은 소통형 연소실(121)에 적합한 구성이다. 도시된 구현예에서, 하나의 화염안정기 세트가 각각의 흡기 블레이드(146)에 부가되며, 유동에 수직으로 배치된다.

도 11은 도 10의 화염안정 시스템을 포함하는 연소실 내의 가스 유동을 도시한 개략도이다. 도 12는 도 10의 화염안정 시스템을 포함하는 연소실 내의 온도 구배를 도시한 개략도이다. 공기 및 연료의 혼합물을 포함하는 반응물(150)이 연소실(121)로 들어간다. 반응물(150)은 상부 화염안정기(140) 하류의 점화점(152)에서 점화되며, 상부 화염안정기(140)에 의해 회전 중심(158)을 향해 하향으로 밀리게 된다. 로터가 원심력(0g)을 생성하지 않을 때, 이는 실질적으로 연소실(121)의 외부반경 인근에서, 상부 화염안정기(140)의 후미에 영속도 영역(160)을 생성한다. 낮은 원심력의 조건 하에서, 화염 전면은 일반적으로 거의 직선(162)을 따르며, 연소 생성물(156)은 배기 블레이드들(148)을 따라 토출된다. 로터(104)의 높은 속도에서, 무거운 원심력(예컨대, 400,000g) 하에서, 화염 전면은 일반적으로 선(164)을 따르며, 회전 중심(158)을 향해 추진되어, 실질적으로 연소실(121)의 내부반경 인근에서 화염 전단부(154)에 도달한다.

다시 도 10을 참조하면, 분사기들(122, 124) 중 하나 또는 양자를 포함하는 분사 시스템은 반응물(150)을 형성하는 공기 및 연료 혼합물을 연소실(121)로 공급한다. 전술한 점화 시스템들 중 하나가 공기 및 연료 혼합물을 점화시킨다. 연소실(121)과 소통된 화염안정 시스템은 공기 및 연료 혼합물의 최종 점화 유동을 램제트 엔진(100) 내의 회전 중심(158)을 향해 강제한다. 화염안정 시스템은 높은 원심력 중력장(g-field) 연소를 위해 적응될 수 있다. 다양한 구현예들에서, 화염안정 시스템은 상부 화염안정기(140), 수직 화염안정기(144), 및 하부 화염안정기(142) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 화염안정 시스템은 연소실(121)의 하나 이상의 흡기 블레이드(146) 상에 위치할 수 있다. 연소실(121)은 또한 초음속 토출 속도를 견딜 수 있는 만곡형 배기 블레이드들(148)을 포함할 수 있다.

이제 도 8을 참조하면, 앞서 도입된 흡입구 점화 개념은 도 10의 화염안정 시스템과 결합하여 사용될 수 있다. 하부 화염안정기들(142)의 기하형상은 점화된 공기 및 연료 혼합물로부터 얻어진 화염이 원심 가속으로부터 이점을 얻어, 연소실(121) 내에서 안정화될 수 있게 한다. 수직 화염안정기들(144)은 화염이 원심력 중력장 내에서 부력에 저항하여 전파될 수 있게 한다. 상부 화염안정기들(140)은 화염을 연소실 내에 유지한다. 전반적으로, 연소실(121)의 화염안정 시스템은, 공기 흡입구(102)로부터 화염을 포획하여 연소실(121)의 상부를 향해 전파시킴으로써, 극도의 원심력 중력장 내에서 점화를 가능하게 한다.

흡기 블레이드들

도 13은 도 1의 R4E의 배기 블레이드들의 상세를 도시한다. 모든 램제트들이 연소실(121)과 소통되는 구현예들에서는, 유동을 흡기 블레이드들(146)과 평행하게 유지하는 벽이 없다. 따라서, 유동은 연소 중에 축방향으로 향할 수 있고, 직선형 배기 블레이드들이 사용되지 않는다. 만곡형 블레이드들(148)은 유동을 가능한 한 접선방향으로 향하게 하는 초음속 터빈 스테이터와 유사하다. 먼저, 리딩 에지 반경(166)이 속도각에 적응하기 위해 사용된다. 이후, 유동은 스로트(throat; 168)까지 아음속으로 바뀐다. 유동은 스로트(168)에서 마하수 1에 도달하며, 초음속 노즐에서 팽창한다.

그러므로, 스로트(168) 및 노즐을 구비한 만곡형 배기 블레이드들(148)은 아음속에서 초음속으로 진행될 수 있다.

출구 스테이터

본원에 도입된 스테이터 구성은 로터(104) 후에 압력 감소를 가능하게 한다. 이는 출구 접선 속도를 증가시키며, 그에 따라 출력 동력을 증가시킨다. 이후, 로터(104)의 출구에서의 높은 속도는, 먼저 분기형에 의해, 다음으로 축방향을 향한 유동의 회전에 의해, 압력으로 변환된다. 마지막으로, 출구 압력은 대기압을 향해 감소한다. 스테이터(106)의 몇몇 구성들은 출력 동력을 증가시킬 수 있으며, 이러한 증가는 몇몇 구현예들에서 25%에 달한다.

다시 도 1을 참조하면, 도시된 바와 같은 스테이터(106)는 로터리 램제트 엔진(100)의 출구(108)의 방향으로 약 7°만큼 분기된 원주를 구비한 절두원추형 형상을 가진다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 스테이터(106)는 면적을 증가시키기 위해 추가로 만곡된 블레이드들(170)을 포함할 수 있다. 그러므로, 일 구현예에서, R4E(100)는 로터(104), 로터(104) 내부에 위치한 연소실(121), 공기 및 연료 혼합물을 연소실(121)로 공급하는 분사 시스템을 형성하는 분사기들(122, 124) 중 하나 또는 양자, 공기 및 연료 혼합물을 점화시키는 전술한 점화 시스템들 중 하나, 및 로터(104)의 하류에 위치하며, 토출 블레이드들을 빠져나가는 가스의 압력을 감소시키기 위한 분기형 형상을 가진 스테이터(106)를 포함한다. 스테이터(106)는 예컨대 7°의 분기를 가질 수 있다. 스테이터(106)는 내부 만곡형 블레이드들(170)을 더 포함할 수 있고, 이 블레이드들(170)은 엔진(100)의 회전축으로부터 예컨대 20° 내지 60°의 범위로 만곡된다(도 1에는 약 45°의 범위가 도시되어 있다). 블레이드들(170)은 엔진(100)의 회전축과 정렬하도록 추가로 극도로 만곡되어, 회전축으로부터 수직 연장될 수 있다.

임펄스 터빈

본 개시의 일 양상에 따르면, 임펄스 터빈이 램제트들과 림-로터(114) 사이에서 사용될 수 있다. 도 14는 R4E의 일 구현예의 임펄스 터빈을 도시한다. 가스 수소가 연료로 사용될 때, 연료로부터의 높은 압력이 임펄스 터빈(172)에 의해 샤프트 동력으로 변형되어, 림-로터(114) 냉각으로 사용될 수 있다. 수소는 먼저 입구 스테이터(174) 상의 노즐들에 의해 가속되고, 이는 높은 속도를 발생시키며 정적 온도를 감소시킨다. 이후, 운동 에너지가 임펄스 터빈(172)에 의해 복구되며, 수소의 낮은 온도 유동은 연소실(121)과 림-로터(114) 사이에 냉각을 제공한다. 이후, 수소는 풍손(windage loss)을 최소화하기 위해 그리고 허용 온도를 유지하기 위해 림-로터(114)의 외면으로 유도된다. 마지막으로, 수소는 연소실(121) 내에서 분사된다. 몇몇 구현예들에서, 입구 스테이터 구성(154)은 출력 동력을 5%까지 증가시킬 수 있다.

액체 수소가 사용되면, 매우 낮은 온도의 액체가 냉각 및 풍손 감소를 위해 림-로터(114) 주위로 직접 분사될 수 있다. 임펄스 터빈(172)은 낮은 온도의 가스 수소를 흡인하는 냉각 블레이드들(미도시)로 교체될 수 있다. 수소는 연소실(121) 내에서 최종 분사된다.

도 15는 도 14의 임펄스 터빈 내의 연료 경로를 도시한다. 임펄스 터빈(172)은 회전형 연소실(121)을 포함한다. 림-로터(114)는 회전형 연소실(114) 주위에 그리고 이에 인접하게 위치한다. 연료가 연료 주입구를 형성하는 높은 압력의 공동(176) 내에서 분사된다. 제1 연료 도관(178)이 임펄스 터빈(172) 및 입구 스테이터(174) 내의 유로들을 통해 형성되어, 연료 주입구로부터 회전형 연소실(121)의 외벽(180)의 공동(182)을 통해 림-로터(114)의 내면(184)을 따라 연료를 운반한다. 제2 연료 도관(186)이 회전형 연소실(121) 주위에서 림-로터(114)의 외면(188)을 따라 다시 연료 주입구(176)를 향해 연료를 추가로 운반한다. 연료는 제2 도관(186)으로부터 분사기(122)에 수용된다. 분사기(122)는 회전형 연소실(121)을 향하는 공기 흡입구(102)로 연료를 전달한다. 회전형 부품 내부로의 그리고 그 주위에서의 연료의 유동은 림-로터(114) 및 회전형 연소실(121)을 냉각시킨다.

몇몇 응용들에서, 연료는 제1 및 제2 도관을 통과함에 따라 압력이 감소하는 가스 연료이다. 그 결과로, 회전형 연소실(121) 내부로의 그리고 그 주위에서의 연료의 유동은 림-로터(114) 상의 풍손을 감소시킨다.

일 구현예에서, 임펄스 터빈(172)은 공동(182) 내에서 수소 또는 다른 가벼운 가스와 같은 극저온 연료와 사용하기 위해 적응될 수 있다. 엔진 주위를 통과하는 극저온 연료(H2, CH4)는 림-로터(114)의 외면(188)을 냉각시킬 수 있는 한편, 풍손을 최소화할 수 있다. 일 변형예에서, 극저온 연료는 림-로터(114), 및 림-로터(114)와 램제트들 사이에 위치한 자가-흡기 냉각 블레이드들(미도시) 주위로 분사될 수 있다.

밀봉 시스템

일 변형예에서, 래버린스 시일(labyrinth seal)이 로터리 램제트 엔진(100) 구성 내의 상이한 가스들의 교환을 최소화하고, 점성 펌프가 상이한 가스 구역들 사이에 존재한다. 도 16은 일 구현예에 따른 R4E의 정적 부품과 동적 부품 사이의 가스 밀봉 시스템의 상세를 도시한다. 도 17은 도 16의 가스 밀봉 시스템의 배치를 도시한 R4E의 부분 절개 전면도이다. 시일은 림-로터(114), 공기 흡입구(102) 내의 엔진 유동 경로, 및 허브(116)의 중심으로부터 연료, 예컨대 수소를 분리하기 위해 사용될 수 있다. 래버린스 시일(190) 및 점성 펌프(192)와 같은 2가지 유형의 시일이 R4E(100) 구성의 몇몇 구현예들에서 사용될 수 있다. 래버린스 시일(190)의 개념은 도 16에 도시된 바와 같이 유동 경로의 길이를 최대화하며 경로의 높이를 최소화하는 것이다. 점성 펌프(192)는 원심력과 압력의 차이를 균등화하기 위해 압력 구배를 형성하는 블레이드들을 구비한다.

따라서, R4E(100)의 일 구현예는 분사기들(122, 124)의 전술한 구현예들 중 하나 이상의 구현예에 따른 연료 분사 시스템, 연소실(121), 공기를 연소실(121)로 들어가게 하는 공기 흡입구(102), 연료 분사 시스템으로부터 연소실(121)로 연료를 운반하기 위한 연료 도관을 형성하는 도관들(178, 186)의 조합, 및 연료 도관(178, 186)으로부터 공기 흡입구(102)로의 가스 누출을 감소시키는 밀봉 시스템을 포함할 수 있다. 밀봉 시스템의 몇몇 구현예들은 하나 이상의 점성 펌프(192)를 포함할 수 있다. 다른 구현예들에서, 하나 이상의 래버린스 시일이 밀봉 시스템을 형성할 수 있다. 또 다른 구현예들에서, 점성 펌프(192)와 래버린스 시일(190)의 조합이 밀봉 시스템 내에 존재할 수 있다.

높은 동력 밀도 림-로터-로터리 램제트 엔진의 시제품

연소 시스템 및 그 부품의 개념에 대한 전술한 설명에 나타낸 바와 같이, 림-로터 로터리 램제트 엔진(R4E)은 동력 밀도를 개선하고 종래의 가스 터빈의 복잡도를 감소시킬 잠재력을 가진 추진 시스템 설계이며, 그에 따라 미래 수송 및 정지형 동력 시스템을 위한 흥미로운 대안이 된다. 이 섹션은 일체형 점화 시스템에 의해 개시되는 560m/s(200,000rpm)의 일시적 연소를 지탱할 수 있는 개념증명 시제품(proof-of-concept prototype)의 설계를 제시한다. 고강도 탄소 PEEK 복합재 배선이 높은 중력부하(g-load)를 지지하기 위해 램제트 블레이드들 주위에 사용되며, 화염안정기를 포함한다.

시제품 소개

새로운 유형의 저비용 고동력밀도 엔진(R4E)의 개념증명 설계가 R4E 개념을 도시한 부분 절개 사시도인 도 18에 도시되어 있다.

리니어 램제트 엔진은 통상의 압축기와 터빈 없이, 높은 마하수로, 가스들의 압축률 특성을 이용하여, 적절하게 형상화된 유동 채널 내에서 완전한 오픈 브레이튼 사이클(Brayton cycle)을 달성한다. 종래의 메가와트-크기의 가스 터빈의 4000개 이하의 회전형 부품들에 비해, 적은 수의 부품들이 설계 및 제조 비용을 절감한다. 로터리 램제트 엔진에서, 램제트 형상들은, 엔진 입구 내의 기류가 초음속이 되도록, 높은 각속도로 중심축 주위에서 회전한다. 이후, 완전한 열역학적 사이클이 단일 회전 어셈블리 내의 압축, 연소, 및 팽창을 포함하는 단일 단계로 달성된다. 시제품을 가능하게 하는 개념은, 초음속 림 속도로 발생하는 극도로 높은 원심 하중을 지탱하기 위해, 순응형 조인트에 더하여, 램제트 블레이드들 주위에 고강도 탄소-섬유 림-로터를 사용하는 것이다. R4E 설계의 간단함은, 500kW 공칭 전력의 단위에 대해 7.6kW/kg의 예측이 가능하다는 것을 고려하면, 동력 밀도 개선의 잠재력을 추가로 가져온다. 비슷한 규모의 가스 터빈에 상응하거나 그보다 약간 더 낮은 효율이 예상된다.

특성들을 고려할 때, R4E 기술의 일 용도는 짧은 기간 동안 높은 동력 밀도가 요구되는 경우이다. 대형 항공기는 제1 엔진을 시동하기 위해 그리고 기내 부속품들에 동력을 제공하기 위해 가스 터빈을 보조 동력 장치(APU)로 사용한다. 이러한 별도의 사질량을 운반하는 것은 높은 비용을 수반한다. 일례로, 보잉 747에서, Pratt & Whitney PW901a APU의 해당 샤프트 동력은, 발전기를 포함하여, 3.4kW/kg의 동력 밀도를 가진 1136kw(1543Hp)이다. 개인 항공기(PAV) 및 제트팩을 포함하는 응용들에 대해, 정규 가스 터빈의 고비용 없이, 높은 신뢰성을 겸비한 높은 동력 밀도를 갖는 것이 또한 바람직하다.

소형 가스 터빈이 또한 동력 트레인의 총 비용을 줄이기 위해 하이브리드 전기 자동차(HEV)에 사용될 수 있다. (화석 연료 엔진에 의해 동력을 공급받는) 범위 확장기(range extender)가 별도의 전지를 운반할 필요성 없이 차량의 범위를 확장하기 위해 사용될 수 있다. 많은 차량 및 가스 터빈 제조자들은, C-X75 하이브리드 스포츠카 시제품을 구비한 재규어처럼, 이러한 기술을 개발하기 위해 수백만 달러를 투자하였다.

시제품 설계

여러 구조적 개념이 평가되었고, 선택된 개념이 R4E 시제품 설계의 분해 사시도인 도 19에 도시되어 있다. 도 20은 ㎜ 단위의 치수를 도시한, 도 19의 R4E 시제품의 단면 측입면도이다. 탄소-PEEK 고강도 열가소성 복합재로 이루어진 림-로터가 램제트 블레이드들의 원심력을 부분적으로 지지한다. “V”자형 홈이 탄소 섬유의 안쪽 부분에 가공되어, 연소된 가스에 가해진 부력으로 인해 화염 전파를 개선하는 역전 화염안정기로 작용한다.

스파크 점화 시스템이 신뢰성 및 구현 용이성으로 인해 선택되었다. 레이저 점화 역시 시제품을 구축하기 위해 사용될 수 있지만, 통과하는 로터 블레이드들과의 점화 시간을 결정하는 복잡한 동기화로 인해 제외되었다.

램제트 엔진은 주로 일시적 고온 용도를 위해 설계되기 때문에, 램제트 엔진과 림-로터 사이에는 단열이 제공되지 않는다. 560m/s에서, 블레이드 온도는 유동의 전체 온도인 것으로 추정되며, 이는 연소 없이 458K이다. 따라서, 고성능 7075 T6 알루미늄이 허브에 적합하다. 전극들이 중앙 퍽(puck)에 도달할 수 있도록, 3개의 구멍이 연소실로부터 가공된다. 가공된 폴리이미드 부품이 허브로부터 중앙 퍽을 전기적으로 절연한다. 알루미늄 전극들이 중앙 퍽 내에 나사결합되어, 작동 중에 높은 중력장을 지탱할 수 있는 점화 공급원을 제공한다. 마지막으로, 직경 상의 0.2㎜의 억지 끼워맞춤에 의해, 림-로터가 허브 및 블레이드들 주위에 유지된다.

고전압을 3개의 전극들에 한정하는 폴리이미드 절연체(Dupont Vespel™ SCP-50094)가 Emerson & Cuming Eccobond™(104) 접착제를 이용하여 어셈블리에 부착된다. 고전압은 중앙 퍽에 압입된 강철 핀과 접촉하는 전기 브러시를 이용하여 엔진에 공급된다. 엔진은 동일한 기법을 이용하여 그 샤프트 상에 전기적으로 접지된다.

스파크 위치를 도시한, 도 19의 R4E 시제품의 세부 사시도인 도 21에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유 림-로터와의 접촉 없이, 약 1.5㎜의 공기갭을 통해, 스파크가 3개의 전극들과 램제트 블레이드들 사이에 랜덤 생성된다. 전극들은 하부에 1~64개의 나사산을 구비한 Al 7075 T6 알루미늄 합금으로 이루어진다. 실험에 의하면, 6개의 나사산이 910N의 인장 하중을 견딜 수 있고, 이는 200,000rpm에서 유한 요소 분석(finite element analysis, FEA)에 따른 3의 안전 계수(safety factor)를 가져온다. 실험 설정의 구동 샤프트를 배제하면, 로터 어셈블리의 총 중량은 79g이다.

구조적 원리

도 22는 도 19의 R4E 시제품 내부의 간소화된 로터의 개략도이다. 도 22에서, 도시된 치수들은 조립 전의 것이다. 이 도면은 4개의 별개의 부품들(허브, 플렉스 조인트, 램제트 블레이드들, 및 림-로터)을 구비한 간소화된 로터를 제시한다. 플렉스 조인트의 순응성(compliance)은 림-로터의 분리를 방지한다. 도 23은 일 구현예에 따른 플렉스 허브의 자유물체도이다. 플렉스 허브는 순수 굽힘 및 원주방향 응력을 조합한 빔을 모델로 제조된다.

시제품 제조

탄소 섬유 림-로터는 자동화 섬유 배치(automated fiber placement, AFP) 기법을 이용하여 제조되었다. 도 24는 AS4/PEEK 튜브 제조를 도시한다. 본 연구에 사용된 재료는 Cytec Engineered Materials에 의해 제공된 AS4/PEEK(APC-2) 열가소성 유니테이프(unitape)였다. 도 24에 도시된 바와 같이, 5.64㎜의 직경의 강철 맨드릴이 6.35㎜의 폭 및 0.18㎜의 두께의 테이프를 압연하기 위해 사용되었다.

AS4/PEEK 열가소성 튜브가 단일 섬유 배향(90°)으로 제조되었다. 2.5㎜의 오프셋이 섬유 배치 공정에서 각각의 가닥(ply)에 적용되어, 지그재그형(staggering)을 제공하였고, 가장자리 효과를 확산시켰다. 레이업이 시작되기 전에, 맨드릴이 적외선 가열관을 이용하여 약 80℃로 예열되었다. 제조 공정에서, 열가소성 유니테이프는 인-시츄 경화(in-situ consolidation)에 의해 맨드릴 상에 감겼다. 고온 가스(질소) 토치가 열가소성 테이프를 용해시키기 위해 물림점(nip-point) 히터로 사용되었다. 압축 롤러에 의해 압력이 물림점에 가해졌다. 표 1은 이전 실험들에 따라 선택되었던, 제조를 위한 AFP 가공 파라미터들을 기재한다.

[표 1] AS4/PEEK 튜브를 위한 AFP 가공 파라미터들

화염안정기 및 탄소-PEEK 튜브의 내경이 냉각수를 이용하여 낮은 속도로 컴퓨터 수치 제어(CNC) 선반 상에서 가공되었다. 마지막으로, 튜브가 연마 휠을 이용하여 적당한 길이로 절단되었다. 폴리이미드 절연체, 허브, 및 중앙 퍽이 CNC 밀링 기계로 가공되었다.

알루미늄 중앙 퍽이 폴리이미드 절연체에 삽입되었고, Eccobond 접착제로 제자리에 접착되었으며, 9시간 동안 100℃로 오븐에서 경화되었다. 이후, 이 어셈블리는 동일한 기법을 이용하여 허브 내에 접착되었다. 전극들이 어셈블리 내에 나사결합되었고, Loctite® Threadlocker Red 271™으로 고정되었다. 이 어셈블리는 9시간 동안 120℃로 경화되었다. 마지막으로, 엔진은 5분 동안 액체 질소 내에서 냉각되었고, 이후 최소 압력을 이용하여 탄소 섬유 림-로터 내에 도입되었다.

시제품

도 25에 도시된 바와 같이, 시제품은 화염안정기를 포함하는 탄소-PEEK 림-로터에 감겨있는, 알루미늄 허브 내의 CNC 가공된 램제트들을 포함한다. 스파크 점화 시스템이 단일 연소실 내의 사전 혼합된 공기-수소 유동을 점화시키기 위해 사용된다.

도 25는 도 19의 시제품 R4A의 내부 부품들을 도시한다. 도 26은 실험대 유체 모듈의 횡단면도를 도시한다.

시험된 시제품은 Garrett GT-15 자동차 터보차저에 의해 200,000RPM까지 가속된다. 가공된 알루미늄 매니폴드가 유동을 회전 램제트들로 유도한다(도 26). 일련의 센서가 엔진 전후에서 주요 유동 특성들을 모니터링한다: (1) 자동차 열선을 이용한 대량 유동, (2) 1.5㎜(1/16”’) 외경 튜브가 벽에 같은 높이로 장착된 상태에서 입구 및 출구의 정적 압력, (3) 소형 열전쌍을 구비한 입구 및 출구의 온도, (4) 파일럿 튜브가 접선 방향과 평행하게 향하는 상태에서 출구 접선 속도.

결론

당업자들은 연소 시스템 및 그 부품에 대한 전술한 설명이 단지 예시적인 것이며, 어떤 방식으로도 제한을 의도하지 않는다는 것을 인식할 것이다. 다른 구현예들이 본 개시의 이점을 갖는 당업자들에게 용이하게 제시될 것이다. 또한, 개시된 연소 시스템 및 부품은 램제트 엔진의 설계와 관련된 기존의 요구 및 문제에 대한 가치 있는 해결방안을 제공하도록 맞춤화될 수 있다.

명료함을 위해, 연소 시스템 및 그 부품의 구현예들의 일반적인 특징들 모두가 도시 및 설명되진 않았다. 연소 시스템 및 그 부품의 이러한 실제 구현의 전개에 있어서, 응용-관련 및 사업-관련 제약들의 준수와 같은, 개발자의 특정한 목적을 달성하기 위해 다수의 구현-특정 결정이 필요할 수 있다는 점과, 이러한 특정한 목적은 구현마다 그리고 개발자마다 상이할 수 있다는 점을 물론 이해할 것이다. 게다가, 전개 작업이 복잡하며 시간소모적일 수 있지만, 본 개시의 이점을 갖는 램제트 엔진 분야의 당업자들에게는 공학상의 일상적인 작업일 것이라는 점을 이해할 것이다.

본 개시는 비제한적이며 예시적인 구현예들을 통해 전술되었지만, 이러한 구현예들은 본 개시의 정신 및 본질을 벗어남 없이 첨부된 청구항들의 범위 내에서 수정될 수 있다.

Claims

로터리 램제트 엔진을 위한 점화 시스템에 있어서,
공기 흡입구;
연료 분사 시스템;
공기 및 연료가 연소실로 들어가기 전에 상기 연료를 점화시키는 점화기를 포함하는 점화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 점화기는 글로우-플러그, 스파크 플러그, 및 스파클 공급원으로 이루어진 군에서 선택되는, 점화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 점화기는 상기 공기 흡입구 내에서 상기 연료를 점화시키는, 점화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 공기 및 상기 연료는 상기 공기 흡입구 내에서 혼합되는, 점화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 공기 흡입구의 외부 반경 상의 분사기, 및 상기 공기 흡입구의 내부 반경 상의 분사기를 포함하는 점화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 분사 시스템은 파일럿 화염용 연료를 공급하는, 점화 시스템.
제1항의 점화 시스템;
연소실; 및
상기 연소실과 소통되도록 위치하며, 상기 연소실 내에서 점화된 공기 및 연료 혼합물을 안정화하도록 적응된 화염안정 시스템을 포함하는 조합.
로터리 램제트 엔진을 위한 연소 시스템에 있어서,
연소실;
공기 및 연료 혼합물을 상기 연소실로 공급하는 분사 시스템;
상기 공기 및 연료 혼합물을 점화시키는 점화 시스템; 및
상기 연소실과 소통되도록 위치하며, 상기 공기 및 연료 혼합물의 점화 유동을 상기 램제트 엔진 내부의 회전 중심을 향해 강제하도록 적응된 화염안정 시스템을 포함하는 연소 시스템.
제8항에 있어서, 상기 화염안정 시스템은 상기 연소실의 상부에 위치한 제1 화염안정기, 상기 연소실의 하부에서 상부까지 수직으로 배치된 제2 화염안정기, 및 상기 연소실의 하부에 위치한 제3 화염안정기를 포함하는, 연소 시스템.
제8항에 있어서, 상기 화염안정 시스템은 상기 연소실의 흡기 블레이드 상에 위치하는, 연소 시스템.
제8항에 있어서, 상기 화염안정 시스템은 상기 연소실의 복수의 흡기 블레이드 각각에 위치한 화염안정기를 포함하는, 연소 시스템.
제8항에 있어서, 상기 연소실은 초음속 토출 속도에서의 사용을 위해 적응된 만곡형 토출 블레이드들을 포함하는, 연소 시스템.
제8항에 있어서, 상기 화염안정 시스템은 높은 원심력 중력장(g-field) 연소를 위해 적응되는, 연소 시스템.
제8항에 있어서, 상기 점화 시스템은 상기 공기 및 연료 혼합물이 상기 연소실로 들어가기 전에 점화시키는, 연소 시스템.
로터리 램제트 엔진을 위한 점화 시스템에 있어서,
연소실과 동축으로 위치한 2개의 자립형 허브;
상기 2개의 자립형 허브 사이로 전위차를 인가하는 전기 연결부들;
상기 2개의 자립형 허브 중 제1 허브에 위치하여, 상기 연소실 내부의 연료를 점화시키기 위한 스파크를 생성하는 제1 전극을 포함하는 점화 시스템.
제15항에 있어서, 상기 스파크는 상기 제1 전극, 및 상기 2개의 자립형 허브 중 제2 허브에 위치한 제2 전극 사이에서 생성되는, 점화 시스템.
제15항에 있어서, 상기 스파크는 상기 제1 전극, 및 상기 연소실의 도체 사이에서 생성되는, 점화 시스템.
로터리 램제트 엔진을 위한 분사 시스템에 있어서,
연료를 연소실의 외주 인근으로 전달하는 외부반경 분사기; 및
연료를 상기 연소실의 내주 인근으로 전달하는 내부반경 분사기를 포함하며,
상기 외부반경 분사기는 상기 연료가 공기보다 더 무거운 경우 엔진 시동 중에 상기 연료를 전달하도록 적응되며, 상기 연료가 공기보다 더 가벼운 경우 엔진 시동 후에 상기 연료를 전달하도록 적응되고,
상기 내부반경 분사기는 상기 연료가 공기보다 더 가벼운 경우 엔진 시동 중에 연료를 전달하도록 적응되며, 상기 연료가 공기보다 더 무거운 경우 엔진 시동 후에 상기 연료를 전달하도록 적응되는, 분사 시스템.
제18항에 있어서, 상기 램제트 엔진의 높은 원심력 중력장(g-field)은 부력 효과로 인해 엔진 시동 후에 공기 및 연료 혼합을 최대화하는, 분사 시스템.
제18항에 있어서, 상기 램제트 엔진의 높은 원심력 중력장(g-field)은 부력 효과로 인해 엔진 시동 중에 공기 및 연료 혼합을 최소화하는, 분사 시스템.
로터;
상기 로터 내부에 위치한 연소실;
공기 및 연료 혼합물을 상기 연소실로 공급하는 분사 시스템;
상기 공기 및 연료 혼합물을 점화시키는 점화 시스템; 및
상기 로터의 하류에 위치하며, 빠져나가는 가스의 압력을 감소시키기 위해 분기형 형상을 가진 배기 블레이드들을 구비한 스테이터를 포함하는 로터리 램제트 엔진.
제21항에 있어서, 상기 스테이터는 7°의 분기를 가지는, 로터리 램제트 엔진.
제21항에 있어서, 상기 스테이터는 내부 만곡형 블레이드들을 포함하는, 로터리 램제트 엔진.
제23항에 있어서, 상기 블레이드들은 상기 엔진의 회전축으로부터 20° 내지 60°의 범위로 만곡되는, 로터리 램제트 엔진.
제24항에 있어서, 상기 블레이드들은 상기 엔진의 회전축과 정렬하도록 추가로 극도로 만곡되어, 상기 회전축으로부터 수직 연장되는, 로터리 램제트 엔진.
로터리 램제트 엔진을 위한 임펄스 터빈에 있어서,
회전형 연소실;
상기 회전형 연소실 주위에 인접하게 위치한 림-로터;
연료 주입구;
상기 연료 주입구로부터 상기 회전형 연소실의 외벽의 공동을 통해 상기 림-로터의 내면을 따라 연료를 운반하는 제1 연료 도관;
상기 회전형 연소실 주위에서 상기 림-로터의 외면을 따라 다시 상기 연료 주입구를 향해 연료를 추가로 운반하는 제2 연료 도관; 및
상기 연료를 상기 제2 도관으로부터 받고, 상기 연료를 상기 회전형 연소실로 분사하는 분사기를 포함하는 임펄스 터빈.
제26항에 있어서, 상기 회전형 부품 내부로의 그리고 그 주위에서의 상기 연료의 유동은 상기 림-로터를 냉각시키는, 임펄스 터빈.
제26항에 있어서, 상기 회전형 연소실 내부로의 그리고 그 주위에서의 상기 연료의 유동은 상기 회전형 연소실을 냉각시키는, 임펄스 터빈.
제26항에 있어서, 상기 연료는 상기 제1 및 제2 도관을 통과함에 따라 압력이 감소하는 가스 연료이며, 그에 의해 상기 회전형 연소실 내부로의 그리고 그 주위에서의 상기 연료의 유동은 상기 림-로터 상의 풍손을 감소시키는, 임펄스 터빈.
연료 분사 시스템;
연소실;
공기를 상기 연소실로 들어가게 하는 공기 흡입구;
상기 연료 분사 시스템으로부터 상기 연소실로 연료를 운반하는 연료 도관; 및
상기 연료 도관으로부터 상기 공기 흡입구로의 가스 누출을 감소시키는 밀봉 시스템을 포함하는 로터리 램제트 엔진.
제30항에 있어서, 상기 밀봉 시스템은 점성 펌프를 포함하는, 로터리 램제트 엔진.
제30항에 있어서, 상기 밀봉 시스템은 래버린스 시일을 포함하는, 로터리 램제트 엔진.