JP2012207610A - Scramjet engine - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology capable of improving reliability of flame stabilization over a wide working range.SOLUTION: A scramjet engine includes an air inlet, a center cavity to which the air taken through the air inlet is supplied, a fuel supply part for supplying fuel to the center hollow to generate combustion gas, a flame stabilizing hollow provided in the center hollow and capable of moving in a direction of the air flow, and a nozzle for exhausting the combustion gas. Reliability of the flame stabilization is improved by moving a flame stabilizer to a position suitable for operating conditions.

Description

本発明は、スクラムジェットエンジンの保炎に関する。   The present invention relates to flame holding of a scramjet engine.

スクラムジェットエンジンは、超音速の空気を取り入れてラム圧で圧縮し、超音速流の圧縮空気に燃料を噴射して燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスを排気することによって推力を得る。スクラムジェットエンジンにおいては、着火された燃焼ガスの火炎を確実に保炎することが一つの技術的課題である。   A scramjet engine takes supersonic air, compresses it with ram pressure, injects fuel into compressed air of supersonic flow to generate combustion gas, and obtains thrust by exhausting the combustion gas. In the scramjet engine, one technical problem is to reliably hold the flame of the ignited combustion gas.

特許文献１に、保炎のためにステップを設けたスクラムジェットエンジンの一例が記載されている。   Patent Document 1 describes an example of a scramjet engine provided with steps for flame holding.

特開平５−１８００７４号公報JP-A-5-180074

確実に保炎するためには、燃料の量に応じて、燃料噴射孔と保炎器の位置が適切であることが求められる。保炎の失敗を防ぐために以下の手段が考えられる。
（１）スクラムジェットエンジンの作動範囲を限定して、その範囲内で十分な保炎を確保できるように保炎器の位置を決定する。この手段の場合、着火及び保炎を確実にするための作動条件が限定されるという問題がある。
（２）保炎器の位置に応じて、着火に用いる燃料の噴射量を限定する。この手段の場合、着火の安定性に欠ける場合がある。 In order to reliably hold the flame, it is required that the positions of the fuel injection hole and the flame holder are appropriate in accordance with the amount of fuel. The following means can be considered to prevent flame holding failure.
(1) The operating range of the scramjet engine is limited, and the position of the flame holder is determined so that sufficient flame holding can be secured within that range. In the case of this means, there is a problem that operating conditions for ensuring ignition and flame holding are limited.
(2) The amount of fuel injection used for ignition is limited according to the position of the flame holder. In this case, ignition stability may be lacking.

広い作動範囲で保炎の確実性を向上する技術が望まれる。   A technique for improving the reliability of flame holding over a wide operating range is desired.

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。   Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers used in [DETAILED DESCRIPTION] in parentheses. These numbers are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Mode for Carrying Out the Invention]. However, these numbers should not be used to interpret the technical scope of the invention described in [Claims].

本発明の一側面において、スクラムジェットエンジン（１）は、空気取入口（２）と、空気取入口から取り入れた空気が供給される中央空洞部（３）と、中央空洞部に燃料を供給して燃焼ガスを生成する燃料供給部（５）と、中央空洞部に設けられ、空気の流れ方向に移動可能な保炎用のキャビティ（７）と、燃焼ガスを排気するノズル（４）とを備える。   In one aspect of the present invention, the scramjet engine (1) includes an air intake (2), a central cavity (3) to which air taken from the air intake is supplied, and fuel to the central cavity. A fuel supply unit (5) for generating combustion gas, a flame holding cavity (7) provided in the central cavity and movable in the air flow direction, and a nozzle (4) for exhausting the combustion gas Prepare.

本発明の他の側面において、燃料供給部（５−２）は、キャビティ（７−１）の移動に伴って移動する。   In another aspect of the present invention, the fuel supply unit (5-2) moves as the cavity (7-1) moves.

本発明の更に他の側面におけるスクラムジェットエンジンは更に、中央空洞部（３）に燃料を供給し、キャビティ（７−１）が移動した場合に移動しない第２の燃料供給部（５−１）を備える。   The scramjet engine according to still another aspect of the present invention further supplies fuel to the central cavity (3), and the second fuel supply (5-1) does not move when the cavity (7-1) moves. Is provided.

本発明の更に他の側面におけるスクラムジェットエンジンは更に、中央空洞部のキャビティ（７−１）と対向する側に設けられ、空気の流れ方向に移動可能な保炎用の第２のキャビティ（７−２）と、対向する側に設けられ、中央空洞部に燃料を供給する第３の燃料供給部（５−３、５−４）とを備える。   The scramjet engine according to still another aspect of the present invention is further provided on the side of the central cavity facing the cavity (7-1), and the second cavity (7) for flame holding that is movable in the air flow direction. -2) and a third fuel supply unit (5-3, 5-4) provided on the opposite side and supplying fuel to the central cavity.

本発明により、広い作動範囲で保炎の確実性の向上を可能とする技術が提供される。   According to the present invention, there is provided a technique capable of improving the reliability of flame holding over a wide operating range.

図１は、スクラムジェットエンジンの断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a scramjet engine. 図２Ａは、中央空洞部付近の断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view of the vicinity of the central cavity. 図２Ｂは、中央空洞部付近の断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view of the vicinity of the central cavity. 図３は、中央空洞部付近の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the vicinity of the central cavity.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態におけるスクラムジェットエンジンの断面図である。本実施形態におけるスクラムジェットエンジンは、飛翔体の下部に取り付けられる。図の手前側が鉛直方向下方を示す。図の左側が飛翔体の前方、すなわち進行方向である。スクラムジェットエンジン１は、空気取入口２と、中央空洞部３と、ノズル４とを備える。中央空洞部３には、燃料供給部５と、キャビティ７とが設けられる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view of a scramjet engine in a first embodiment of the present invention. The scramjet engine in the present embodiment is attached to the lower part of the flying object. The near side of the figure shows the vertically downward direction. The left side of the figure is the front of the flying object, that is, the traveling direction. The scramjet engine 1 includes an air intake port 2, a central cavity 3, and a nozzle 4. The central cavity 3 is provided with a fuel supply unit 5 and a cavity 7.

スクラムジェットエンジン１は、飛翔体が所定の速度以上の超音速まで加速した後に使用される。空気取入口２から取り入れられた空気８は、圧縮されて超音速の範囲内で減速され、ラム圧を発生する。圧縮された空気は、超音速を保ちつつ中央空洞部３の流路を通過する。中央空洞部３において、燃料供給部５は圧縮された空気に燃料を供給する。圧縮された空気と燃料の混合気体は、何らかの手段（燃料の自己発火や、火薬を用いた点火装置など）によって点火され、燃焼ガス６となる。膨張した燃焼ガス６はノズル４から排気ガス９として排出され、推進力を生む。中央空洞部３において、壁面に設けられた凹部であるキャビティ７によって、燃焼ガス６の流れに循環流が生成される。この循環流は、火炎を保持するために有利に働く。すなわちキャビティ７は、保炎器として機能する。   The scramjet engine 1 is used after the flying object has accelerated to a supersonic speed equal to or higher than a predetermined speed. The air 8 taken in from the air intake 2 is compressed and decelerated within the supersonic range to generate ram pressure. The compressed air passes through the flow path of the central cavity 3 while maintaining supersonic speed. In the central cavity 3, the fuel supply unit 5 supplies fuel to the compressed air. The compressed mixed gas of air and fuel is ignited by some means (fuel self-ignition, ignition device using explosives, etc.) to become combustion gas 6. The expanded combustion gas 6 is discharged from the nozzle 4 as exhaust gas 9, and generates a propulsive force. In the central cavity 3, a circulation flow is generated in the flow of the combustion gas 6 by the cavity 7 which is a recess provided in the wall surface. This circulating flow works favorably to hold the flame. That is, the cavity 7 functions as a flame holder.

図２Ａは、中央空洞部３付近の拡大図である。燃料供給部５−１、５−２は、図１の燃料供給部５に相当する。本実施形態では、複数の燃料供給部５−１、５−２が設けられる。キャビティ７は、中央空洞部３の燃焼ガス６の流れ方向（図２Ａに左右方向の矢印で示す方向）に所定範囲で可動である。図示しない制御装置が発信する制御信号に基づいてアクチュエータが駆動することにより、キャビティ７が移動して所定の位置を採るように制御される。   FIG. 2A is an enlarged view of the vicinity of the central cavity 3. The fuel supply units 5-1 and 5-2 correspond to the fuel supply unit 5 in FIG. 1. In the present embodiment, a plurality of fuel supply units 5-1 and 5-2 are provided. The cavity 7 is movable within a predetermined range in the flow direction of the combustion gas 6 in the central cavity 3 (the direction indicated by the left and right arrows in FIG. 2A). When the actuator is driven based on a control signal transmitted by a control device (not shown), the cavity 7 is controlled to move and take a predetermined position.

少なくとも一つの燃料供給部５−２（第１の燃料供給部）は、その燃料噴射孔がキャビティ７−２に取り付けられ、キャビティ７−２の動きに伴って移動する。他の少なくとも一つの燃料供給部５−１（第２の燃料供給部）は、キャビティ７の上流側に設けられ、キャビティ７の位置の動きと無関係に固定された燃料噴射孔から中央空洞部３に燃料を噴射する。図２Ｂでは、図２Ａに対してキャビティ７が中央空洞部３に対して後方に移動している。この移動に伴って、燃料供給部５−１と燃料供給部５−２との間の距離が大きくなっている。更に、燃料供給部５−１とキャビティ７との流れ方向の相対距離が大きくなっている。   At least one fuel supply unit 5-2 (first fuel supply unit) has a fuel injection hole attached to the cavity 7-2, and moves as the cavity 7-2 moves. The other at least one fuel supply unit 5-1 (second fuel supply unit) is provided on the upstream side of the cavity 7 and is fixed from the fuel injection hole fixed regardless of the movement of the position of the cavity 7 to the central cavity 3. Inject fuel into the tank. In FIG. 2B, the cavity 7 moves backward with respect to the central cavity 3 with respect to FIG. 2A. With this movement, the distance between the fuel supply unit 5-1 and the fuel supply unit 5-2 is increased. Furthermore, the relative distance in the flow direction between the fuel supply unit 5-1 and the cavity 7 is increased.

空気取入口８から取り入れられた空気はラム圧を受けて圧縮され、圧縮空気１０として中央空洞部３に流入する。燃料供給部５−１、５−２から圧縮空気に燃料（例示：水素）が供給され、点火されることによって、燃焼ガス６が生成される。キャビティ７によって燃焼ガス６の流れに循環渦が発生することによって保炎される。作動条件に応じて、より保炎が確実に行われるように、キャビティ７の位置が制御される。   Air taken in from the air intake 8 is compressed by receiving ram pressure and flows into the central cavity 3 as compressed air 10. Fuel (for example, hydrogen) is supplied to the compressed air from the fuel supply units 5-1 and 5-2 and ignited to generate the combustion gas 6. The cavity 7 holds the flame by generating a circulating vortex in the flow of the combustion gas 6. Depending on the operating conditions, the position of the cavity 7 is controlled so that flame holding is performed more reliably.

このようにキャビティ７の位置を流れ方向に可変とすることによって、着火時の飛行条件に合わせたキャビティ位置の選択が可能となる。このような作用及び効果は、本実施形態からキャビティ７内の燃料供給部５−２を除いた構成によっても得ることができる。   Thus, by making the position of the cavity 7 variable in the flow direction, the cavity position can be selected in accordance with the flight conditions at the time of ignition. Such an operation and effect can be obtained by a configuration in which the fuel supply unit 5-2 in the cavity 7 is removed from the present embodiment.

次に、本発明の第２実施形態を示す。本実施形態におけるスクラムジェットエンジンは、図１と同様の概略構成を示す。ただし中央空洞部３の燃料供給部５とキャビティ７の構成が第１実施形態と異なる。図３の断面図を参照してその違いを説明する。本実施形態他における中央空洞部３ａは、第１実施形態のキャビティ７に相当するキャビティ７−１に加えて、スクラムジェットエンジン１のキャビティ７−１と対向する側の壁面に、第２のキャビティ７−２と、複数の燃料供給部、すなわち燃料供給部５−３と、燃料供給部５−４とを備える。キャビティ７−２は、第１実施形態のキャビティ７と同様に壁面に設けられた窪みであり、保炎器として機能する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. The scramjet engine in the present embodiment has a schematic configuration similar to that shown in FIG. However, the configurations of the fuel supply unit 5 and the cavity 7 of the central cavity 3 are different from those of the first embodiment. The difference will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. In addition to the cavity 7-1 corresponding to the cavity 7 of the first embodiment, the central cavity 3a in the present embodiment and others has a second cavity on the wall surface facing the cavity 7-1 of the scramjet engine 1. 7-2, a plurality of fuel supply units, that is, a fuel supply unit 5-3 and a fuel supply unit 5-4. The cavity 7-2 is a depression provided on the wall surface in the same manner as the cavity 7 of the first embodiment, and functions as a flame holder.

第２のキャビティ７−２は、燃焼ガス６の流れ方向に沿って中央空洞部３ａに対して可動である。キャビティ７−２は、図示しない制御装置が発信する制御信号に基づいてアクチュエータが駆動することにより、キャビティ７−２が所定の位置を採るように制御される。キャビティ７−２の位置は、キャビティ７−１とは独立に制御することが可能である。すなわちキャビティ同士の相対位置は可変的である。図３の例では、キャビティ７−１の可動範囲とキャビティ７−２の可動範囲は流れ方向に同じである。   The second cavity 7-2 is movable with respect to the central cavity 3a along the flow direction of the combustion gas 6. The cavity 7-2 is controlled such that the cavity 7-2 takes a predetermined position by driving the actuator based on a control signal transmitted from a control device (not shown). The position of the cavity 7-2 can be controlled independently of the cavity 7-1. That is, the relative positions of the cavities are variable. In the example of FIG. 3, the movable range of the cavity 7-1 and the movable range of the cavity 7-2 are the same in the flow direction.

キャビティ７−２が設けられる側の面には、第３の燃料供給部（図３の燃料供給部５−３又は５−４）が設けられる。少なくとも一つの燃料供給部５−３は、キャビティ７−２の上流側に設けられ、キャビティ７−２の位置の動きと無関係に固定された燃料噴射孔から中央空洞部３ａに燃料を噴射する。他の少なくとも一つの燃料供給部５−４は、その燃料噴射孔がキャビティ７−２に取り付けられ、キャビティ７−２の動きに伴って移動する。   A third fuel supply unit (the fuel supply unit 5-3 or 5-4 in FIG. 3) is provided on the surface on which the cavity 7-2 is provided. At least one fuel supply unit 5-3 is provided on the upstream side of the cavity 7-2, and injects fuel into the central cavity 3a from a fixed fuel injection hole regardless of the movement of the position of the cavity 7-2. The fuel injection hole of the at least one other fuel supply unit 5-4 is attached to the cavity 7-2, and moves as the cavity 7-2 moves.

複数の保炎器であるキャビティ７−１、７−２により、保炎の確率が向上する。複数のキャビティ７−１、７−２の燃焼の相乗効果によって、燃焼効率の向上を期待することができる。更に、複数のキャビティの相対位置を制御することにより、飛行状態や燃焼状態に応じた保炎を行うことができる。キャビティ７−２は中央空洞部３ａの流路中心軸まわりの周方向に真上からずれた位置にあってもよいが、キャビティ７−１に対して対向し、周方向に最も離れた位置である最上部（飛翔体の水平飛行時に鉛直方向に最も高い位置となる箇所）に設けられると、高い保炎効果が期待できる。   The probability of flame holding is improved by the cavities 7-1 and 7-2 which are a plurality of flame holders. Improvement in combustion efficiency can be expected by the synergistic effect of combustion of the plurality of cavities 7-1 and 7-2. Further, by controlling the relative positions of the plurality of cavities, flame holding according to the flight state and the combustion state can be performed. The cavity 7-2 may be located at a position shifted from directly above in the circumferential direction around the flow path center axis of the central cavity 3a, but is opposed to the cavity 7-1 and is located at the position farthest in the circumferential direction. When it is provided at a certain uppermost portion (a location that is the highest position in the vertical direction during horizontal flight of the flying object), a high flame holding effect can be expected.

第２実施形態に対して、例えば燃料供給部５−１及び５−３を省略した構成や、あるいは燃料供給部５−２及び５−４を省略した構成によっても、ある程度の効果を得ることが期待できる。   In contrast to the second embodiment, for example, a configuration in which the fuel supply units 5-1 and 5-3 are omitted, or a configuration in which the fuel supply units 5-2 and 5-4 are omitted can achieve some effects. I can expect.

以上に説明した本発明の幾つかの実施形態は、互いに矛盾しない範囲で任意に組み合わせが可能であることは当業者には明らかである。   It will be apparent to those skilled in the art that the several embodiments of the present invention described above can be arbitrarily combined without departing from each other.

１ スクラムジェットエンジン
２ 空気取入口
３、３ａ 中央空洞部
４ ノズル
５、５−１、５−２、５−３、５−４ 燃料供給部
６ 燃焼ガス
７、７−１、７−２ キャビティ
８ 空気
９ 排気ガス
１０ 圧縮空気 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Scramjet engine 2 Air intake port 3, 3a Central cavity part 4 Nozzle 5, 5-1, 5-2, 5-3, 5-4 Fuel supply part 6 Combustion gas 7, 7-1, 7-2 Cavity 8 Air 9 Exhaust gas 10 Compressed air

Claims (4)

空気取入口と、
前記空気取入口から取り入れた空気が供給される中央空洞部と、
前記中央空洞部に燃料を供給して燃焼ガスを生成する燃料供給部と、
前記中央空洞部に設けられ、前記空気の流れ方向に移動可能な保炎用のキャビティと、
前記燃焼ガスを排気するノズル
とを具備するスクラムジェットエンジン。 An air intake;
A central cavity to which air taken from the air intake is supplied;
A fuel supply unit that supplies fuel to the central cavity to generate combustion gas;
A flame-holding cavity provided in the central cavity and movable in the air flow direction;
A scramjet engine comprising a nozzle for exhausting the combustion gas. 請求項１に記載のスクラムジェットエンジンであって、
前記燃料供給部は、前記キャビティの移動に伴って移動する
スクラムジェットエンジン。 The scramjet engine according to claim 1,
The fuel supply unit is a scramjet engine that moves as the cavity moves. 請求項２に記載のスクラムジェットエンジンであって、
更に、前記中央空洞部に燃料を供給し、前記キャビティが移動した場合に移動しない第２の燃料供給部
を具備するスクラムジェットエンジン。 A scramjet engine according to claim 2,
A scramjet engine comprising a second fuel supply unit that supplies fuel to the central cavity and does not move when the cavity moves. 請求項１から３のいずれかに記載のスクラムジェットエンジンであって、
更に、前記中央空洞部の前記キャビティと対向する側に設けられ、前記空気の流れ方向に移動可能な保炎用の第２のキャビティと、
前記対向する側に設けられ、前記中央空洞部に燃料を供給する第３の燃料供給部
を具備するスクラムジェットエンジン。 A scramjet engine according to any one of claims 1 to 3,
Furthermore, a second cavity for flame holding that is provided on the side of the central cavity facing the cavity and is movable in the air flow direction;
A scramjet engine comprising a third fuel supply section provided on the opposite side and configured to supply fuel to the central cavity.

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