JP2014520997A - 噴射エレメント - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの推進燃料Ｅ１，Ｅ２を燃焼室内に噴射する噴射エレメント２０１、より詳しくは、１つ以上の噴射エレメント２０１で構成されている噴射器を有する型式である少なくとも１つの燃焼室を有するロケットエンジン用に設計された噴射エレメント２０１の分野に関する。このような噴射エレメント２０１は、第１の推進燃料Ｅ１を噴射する第１の環状ダクト２０６と、第１のダクト２０６と同軸であり、第１のダクト２０６に外側で隣接し、第２の推進燃料Ｅ２を噴射する第２の環状ダクト２０７とを備え、そして、第２のダクト２０７と同軸であり、第２のダクト２０７に外側で隣接する第３の環状ダクト２０８を有する可能性がある。第１のダクト２０６は、噴射エレメント２０１の中心体２０５の周りを囲み、中心体２０５は、中心体２０５の外面２１２と連通し且つ少なくとも１つの所定の音響周波数ｆを減衰させるために構成されている空洞２０９を有する。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、２つの推進燃料を燃焼室内に噴射する噴射エレメントに関し、より詳しくは、１つ以上の噴射エレメントで構成されている噴射器を有する型式である少なくとも１つの燃焼室を有するロケットエンジン用に設計された噴射エレメントに関する。本発明は、より詳しくは、燃焼室内の音響ノイズを低減するために、２つの推進燃料が１つに混合する噴射エレメントの下流部分でこの噴射エレメントに適用される改良に関する。

特許文献仏国特許出願公開第２７１２０３０号は、２つの推進燃料が、「噴射プレート」と称される円形構造体の表面に軸対称配置で相互に平行に並べられ、噴射器の一部を形成する複数の噴射エレメントに送り込まれる供給構造体を備えるロケットエンジン燃焼室内の２つの推進燃料の噴射器を記載する。このような噴射プレートは、このようにして、非常に多数の、たとえば、１００またはそれ以上もの噴射エレメントと関連付けられることができ、全流量をエンジンに供給するためにこれらの個別の流量を組み合わせる。

従来技術の噴射器においては、各噴射エレメントは、各第１の推進燃料を噴射する第１のダクトと、環状であって、同軸状であり、かつ第１のダクトに外側で隣接し、第２の推進燃料を噴射する第２のダクトとを少なくとも備え、２つの推進燃料の混合物を燃焼室内に噴射する。

この文脈において、用語「環状ダクト」は、放射断面で、環状流れ断面を表すダクトを意味するために使用され、一方、用語「管状ダクト」は、完全な流れ断面を有しているダクトを意味するために使用される。さらに、用語「上流」および「下流」は、推進燃料の流れ方向と相対的に定義される。

このように、推進燃料が、仏国特許出願公開第２７１２０３０号の噴射器の噴射エレメントの同軸ダクトを介して、燃焼室に噴射されるので、中心流れと周辺流れとの間の境界層に発生させられた乱流は、これらの流れの間のせん断により２つの推進燃料の均一な混合をもたらすために役立つ可能性がある。

それにもかかわらず、第１のダクトが管状である基本概念を発端として、噴射および燃焼の質を劣化させることなく個々の噴射エレメントの個別のパワーを増加させるために幾何学的なパラメータを変える際に困難に直面する。

さらに、動作中に、このような燃焼室は、燃焼室の振動の共振モードとの強い音響カップリングに入ることさえある燃焼ノイズを発生することがある。このような音響振動は、このようにして共振を始め、回復不可能な損害を燃焼室および噴射器に引き起こすおそれがある振幅に達する可能性がある。

これまでも噴射プレートの周囲で減衰装置を使ってこのような燃焼室内の騒音レベルを低減する試みが行われている。最も一般的に使用される減衰装置は、「バッフル」としても知られているデフレクタと、音響空洞とである。それにもかかわらず、このような減衰装置は、燃焼室の重量、寸法、複雑さ、および、製造コストを増大させるかなりの欠点を示し、そして、余分な検認試験を必要とすると共に、これらの減衰装置は、とりわけ、特に過酷な環境において熱機械強度特性を有する必要もある。

本発明の目的は、その結果、これらの欠点が修正されることを可能にする噴射エレメントを提案することである。

前記第１のダクトも、環状であり、前記噴射エレメントの中心体の周りを囲み、前記中心体は、前記中心体の外面と連通し且つ少なくとも１つの所定の音響周波数ｆを減衰させるために構成されている少なくとも１つの空洞を備える、ことにより、この目的が達成される。

これらの対策によって、中心体の直径に作用することにより第１のダクト内を流れる第１の推進燃料の流れ断面を削減することが可能である。その結果として、全部のダクトの流れ断面がこのような噴射エレメントのパワーを増加させる目的のため増大される場合であっても、環状の第１のダクト内を流れる推進燃料の速度は、その他の状況が等しいままで、減少しないことを確実にすることが可能である。噴射および燃焼の質は、このようにして、噴射エレメントの寸法決めとは無関係に維持される可能性がある。さらに、音響減衰空洞を中心体に組み込むことは、この中心体が付加的な空間を占有することなく噴射器の内部に組み込まれることを可能にさせ、ノイズ源の直ぐ近くに減衰手段を置く。

ある特定の実施形態では、前記音響減衰空洞は、容積がＶであるヘルムホルツ共鳴器として構成され、断面積Ａおよび長さｌ_０を有するオリフィスを介して、前記中心体の前記外面と連通する。このようなヘルムホルツ共鳴器は、以下の式によって与えられる共振音響周波数を表す。

ｃは、空洞に収容された流体中の音の伝搬速度を表す。所定の励起周波数ｆに合わされたヘルムホルツ共鳴器は、この周波数での音響波エネルギーの少なくとも一部を散逸するために役立つ。

このような噴射器エレメントの特別な実施形態では、空洞を中心体の外面に接続する前記オリフィスは、前記第１および第２のダクトとほぼ同軸である。このようにして、オリフィスは、燃焼ノイズの主要な部分が聞こえてくる方向に向く。

代替的な実施形態では、前記空洞は、前記中心体の前記外面における側面に貫通される前記オリフィスを介して、前記第１のダクトと直接的に連通する。これは、第１のダクトを介して上流に伝搬する音響波を減衰させることを可能にする。

ヘルムホルツ共鳴器構成の代案として、その他の実施形態では、前記空洞は、前記中心体の内部に、前記所定の音響周波数ｆに対応する波長λの１／４にほぼ等しい深さｌ_ｐを有する軸方向の孔として構成される。この文脈において、「軸方向」が推進燃料流の方向性であるとき、方向性は「軸方向」であると言われる。空洞は、このようにして、周波数ｆの音響波を減衰させるために役立つ１／４波長管を形成する。

下流での２つの推進燃料の混合をさらに改良するために、ある特定の実施形態における噴射エレメントは、前記第１の推進燃料を噴射するために同様に適した第３のダクトをさらに含み、前記第３のダクトは、環状であって、前記第１および第２のダクトに対して同軸状であり、そして、前記第２のダクトに外側で隣接する。このようにして、第２の推進燃料の流れは、第１の推進燃料の内側の流れと外側の流れとの間のせん断に再び晒され、これは、より一層均一な混合をもたらすことができる。

本発明は、前述されたとおりの少なくとも１つの噴射エレメントを有する噴射器と、少なくとも１つの噴射器を含む燃焼室と、少なくとも１つの燃焼室を含むロケットエンジンとをさらに提供する。用語「燃焼室」は、ロケットエンジンの主シングルエレメント型燃焼室だけでなく、とりわけ、マルチエレメント型燃焼室の１つ以上のエレメント、段階燃焼機関の予備室、または、たとえば、推進燃料を送り込むターボポンプを駆動するガス発生器も同様に意味するためにこの文脈において使用される。

また、本発明は、燃焼室内の燃焼ノイズを減衰させる方法であって、所定の音響周波数ｆが、２つの推進燃料の混合物を前記燃焼室内に噴射する噴射エレメントの中心体の空洞内で減衰させられ、前記噴射エレメントは、前記中心体に外側で隣接して第１の推進燃料を噴射する少なくとも第１の環状ダクトと、第２の推進燃料を噴射する少なくとも第２の環状ダクトとを備え、前記第２ダクトは、前記第１のダクトと同軸であり、かつ、前記第１のダクトに外側で隣接する、方法も提供する。詳しくは、不可欠ではないが、この噴射エレメントは、第１の噴射燃料を噴射するために同様に適した第３のダクトをさらに有することがあり、前記第３のダクトは、環状であり、第１および第２のダクトと同軸状であり、そして、第２のダクトに外側で隣接している。

非限定的な実施例として与えられた３つの実施形態についての以下の詳細な説明を読むと、本発明が十分理解され、そして、本発明の利点が一層良く分かることができる。説明は添付図面を参照する。

図１は、液体推進燃料ロケットエンジンの概略図である。 図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃは、第１、第２、および第３の実施形態における噴射エレメントの縦断面図である。 図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、第４、第５、および第６の実施形態における噴射エレメントの縦断面図である。

液体推進燃料、特に、低温液体推進燃料を使用するロケットエンジン１が、図１に概略的に示される。ロケットエンジン１は、第１の推進燃料用のタンク２と、第２の推進燃料用のタンク３と、第１および第２の推進燃料が送り込まれるガス発生器４と、ガス発生器４から取り込まれる燃焼ガスにより駆動されるターボポンプ５と、ターボポンプ５によって推進燃料が送り込まれる主燃焼室６と、主燃焼室６内で発生された燃焼ガスの推進射出用の先細末広ノズル７とを有する。

ガス発生器４および主燃焼室６の両方で効率的な燃焼を達成するために、これらのコンポーネントは、推進燃料が均一に混合され、分布されることを可能にする推進燃料噴射エレメントを有する。典型的に、噴射エレメントは、噴射された推進燃料が送り込まれる噴射プレートに搭載される。

図２Ａでは、２つの推進燃料Ｅ１、Ｅ２を噴射し混合する３重同軸構造体からなる噴射エレメント２０１の終端部分を見ることができる。噴射エレメント２０１は、推進燃料Ｅ１、Ｅ２の主流軸でもある対称性の軸Ｘを有している。噴射エレメントの様々なコンポーネント部が互いに相対的に並べられ、推進燃料Ｅ１およびＥ２を送り込む２つの供給回路に接続されると共に、それぞれの位置に保持される方法は、図示されない。

噴射エレメント２０１は、これの終端部分において、環状かつ同軸状である第１、第２、および第３のダクト２０６，２０７，および２０８を形成するように、中心体２０５の周りに３つの同軸管状壁部２０２，２０３，および２０４を有している。セットバックＲＥは、外殻の端部、すなわち、最も外側の管状壁部２０４と、中間壁部２０２，２０３との間に画定される。外側壁部２０４は、噴射プレート自体の一部でもよく、中間壁部２０２，２０３は、上流で１つに結合されている単一体に組み込まれることがある。

第１および第３のダクト２０６，２０８は、第１の推進燃料Ｅ１を噴射するように構成され、第１のダクト２０６の外側および第３のダクト２０８の内側に半径方向に隣接して位置している第２のダクト２０７は、第２の推進燃料Ｅ２を噴射するように構成されている。噴射エレメント２０１が動作している間に、第１および第２の推進燃料Ｅ１およびＥ２は、異なる速度で噴射されるので、セットバックＲＥにおける第２の推進燃料Ｅ２の環状ストリームの内側および外側でのせん断は、２つの推進燃料Ｅ１，Ｅ２のストリーム中に乱流を引き起こし、それによって、２つの推進燃料Ｅ１，Ｅ２が均一に混合することを確実にする。さらに、３つのダクト２０６，２０７および２０８は、環状であるので、噴射エレメント２０１は、所要の全推進燃料流量に適合させるために容易に寸法を決めることができる。

この第１の実施形態では、中心体２０５は、噴射エレメントの中心軸Ｘとほぼ揃えられたオリフィス２１１により貫通されたプレート２１０によって形成された容積Ｖの空洞２０９を有している。オリフィス２１１は、断面積Ａおよび長さｌ_０を示し、空洞２０９は、燃焼室２０３と向かい合う中心体２０５の外面２１２と連通させられる。空洞２０９は、このようにしてオリフィス２１１と共に、以下の式によって与えられる共振周波数ｆを有するヘルムホルツ共鳴器を形成する。

このヘルムホルツ共鳴器は、燃焼がこの周波数ｆで放出する音響エネルギーの少なくとも一部を散逸させることを可能にする。適切に寸法が定められた空洞２０９およびオリフィス２１１を用いると、たとえば、燃焼室の構造体に共振効果をもたらすことができる周波数のような所定の周波数ｆで効果的に燃焼ノイズを減衰させることが可能である。

図２Ｂに示された第２の実施形態では、噴射エレメント２０１は、同様に、中心体２０５の周りに第１、第２、および第３の環状かつ同軸状ダクト２０６，２０７，および２０８を形成する管状壁部２０２，２０３，および２０４を有する３重同軸型エレメントである。第１の実施形態に関しては、セットバックＲＥは、外殻の端部、すなわち、最も外側の管状壁部２０４と、中間管状壁部２０２および２０３との間に画定される。第１および第３のダクト２０６および２０８は、同様に、第１の推進燃料Ｅ１を噴射するために構成され、第２のダクト２０７は、第１のダクト２０６の外側および第３のダクト２０８の内側に半径方向に隣接して位置し、第２の推進燃料Ｅ２を噴射するために構成されている。

対照的に、この第２の実施形態では、オリフィス２１１は、中心体２０５の空洞２０９を閉じるプレート２１０に貫通されていないが、セットバックＲＥおよび第１のダクト２０６で伝搬する音波を減衰させる目的のため、空洞２０９を第１のダクト２０６と直接連通させるために中心体２０５の外面２１２における側面に位置している。

図２Ｃに示された第３の実施形態では、噴射エレメント２０１は、同様に、中心体２０５の周りに第１、第２、および第３の環状かつ同軸状ダクト２０６，２０７，および２０８を形成する管状壁部２０２，２０３，および２０４を有する３重同軸型のエレメントである。第１および第２の実施形態の場合と同様に、セットバックＲＥは、外殻の端部、すなわち、最も外側の壁部２０４と、中間壁部２０２および２０３との間に画定される。第１および第３のダクト２０６および２０８は、同様に、第１の推進燃料Ｅ１を噴射するために構成され、第１のダクト２０６の外側および第３のダクト２０８の内側に半径方向に隣接して位置している第２のダクト２０７は、第２の推進燃料Ｅ２を噴射するために構成されている。

対照的に、この第３の実施形態では、空洞２０８は、プレートによって閉じられることはないが、中心体２０５に、燃焼室２１４に向かって開き、かつ、貫通することなく、減衰されるべき所定の音響周波数ｆに対応する波長λの１／４にほぼ等しい深さｌ_ｐを示す直径ｄの軸方向の孔として構成されている。このようにして、空洞２０９は、燃焼室２１４の動作中に燃焼ノイズを減衰させる１／４波長管としての機能を果たす。

第１、第２、および第３の実施形態は、３重同軸噴射エレメントに関するが、同じ概念は、単純な同軸噴射エレメントに同様に適用され得る。このようにして、図３Ａに示されるような第４の実施形態では、噴射エレメント２０１は、その終端部分において、第１および第２の環状かつ同軸状ダクト２０６および２０７を形成するために、中心体２０５の周りに２つの同軸管状壁部２０２および２０４を備える。セットバックＲＥは、外殻の端部、すなわち、外側の管状壁部２０４と、中間壁部２０２との間に画定される。壁部２０４は、噴射プレート自体に組み込まれることがある。

第１のダクト２０６は、第１の推進燃料Ｅ１を噴射するように構成され、第１のダクト２０６の外側に半径方向に隣接して位置している第２のダクト２０７は、第２の推進燃料Ｅ２を噴射するように構成されている。噴射エレメント２０１が動作している間に、第１および第２の推進燃料Ｅ１およびＥ２は、異なる速度で噴射されるので、セットバックＲＥにおける２つの推進燃料Ｅ１およびＥ２の環状ストリームの間のせん断は、２つの推進燃料Ｅ１およびＥ２が均一に混合されることを確実にする乱流を生成する。さらに、２つのダクト２０６および２０７は、環状であるので、噴射エレメント２０１の寸法決めを所要の全推進燃料流量に適合させることは容易である。

第１の実施形態の場合と同様に、中心体２０５は、噴射エレメントの中心軸Ｘとほぼ揃えられたオリフィス２１１により貫通されたプレート２１０によって閉じられた容積Ｖの空洞２０９を有している。オリフィス２１１は、断面積Ａおよび長さｌ_０を示し、このオリフィスは、空洞２０９を燃焼室２１３と向かい合う中心体２０５の外面２１２と連通させる。空洞２０９は、このようにしてオリフィス２１１と共に、共振周波数ｆを有するヘルムホルツ共鳴器を形成する。

図３Ｂに示された第５の実施形態では、噴射エレメント２０１は、同様に、その終端部分において、第１および第２の環状かつ同軸状ダクト２０６および２０７を形成するために、中心体２０５の周りで同軸状である２つの管状壁部２０２および２０４を備える。セットバックＲＥは、同様に、外殻の端部、すなわち、外側の管状壁部２０４と、中間壁部２０２との間に画定される。

前述の実施形態の場合と同様に、第１のダクト２０６は、第１の推進燃料Ｅ１を噴射するために構成され、第１のダクト２０６の外側で半径方向に隣接して位置している第２のダクト２０７は、第２の推進燃料Ｅ２を噴射するために構成されている。

第２の実施形態の場合と同様に、空洞２０９は、中心体２０５に軸方向の孔によって形成され、空洞２０９を第１のダクト２０６と直接連通させるために、中心体２０５の外面２１２において側面に形成されたオリフィス２１１を介して第１のダクト２０６と直接的に連通させられ、それによって、セットバックＲＥおよび第１のダクト２０６において伝搬する音響波を減衰させるために役立つヘルムホルツ共鳴器を形成する。

最後に、図３Ｃに示された第６の実施形態では、噴射エレメント２０１は、同様に、その終端部分において、第１および第２の推進燃料Ｅ１およびＥ２を噴射するためにそれぞれ構成されている第１および第２の環状かつ同軸状ダクト２０６および２０７を形成するために、中心体２０５の周りで同軸状である２つの管状壁部２０２および２０４を備える。セットバックＲＥは、同様に、外殻の端部、すなわち、外側の管状壁部２０４と、中間壁部２０２との間に画定される。

第３の実施形態の場合と同様に、空洞２０９は、プレートによって閉じられることはないが、中心体２０５に、燃焼室２１４に向かって開き、かつ、貫通することなく、減衰されるべき所定の音響周波数ｆに対応する波長λの１／４にほぼ等しい深さｌ_ｐを示す直径ｄの軸方向の孔として構成されている。

本発明は、特定の実施形態に関連して説明されているが、様々な変形および変更が請求項によって規定されるような発明の一般的範囲を超えることなくこれらの実施例に行われることがあることは、明らかである。たとえば、示された実施形態の１つずつにおける中心体は、唯一の音響減衰空洞を有しているが、その他の実施形態を構成する噴射器は、中心体に組み込まれることがある同じ型、および／または、異なった型の複数の音響減衰空洞を有することがあり得る。さらに、示された、および／または、説明された様々な実施形態の個別の特性は、さらなる実施形態を実現するために組み合わされることがある。その結果として、明細書および図面は、制限的ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。

Claims (10)

1. 第１の推進燃料（Ｅ１）を噴射する第１のダクト（２０６）と、環状であって、同軸状であり、かつ前記第１のダクト（２０６）に外側で隣接し、第２の推進燃料（Ｅ２）を噴射する第２のダクト（２０７）とを少なくとも備え、２つの推進燃料（Ｅ１、Ｅ２）の混合物を燃焼室（４、６）内に噴射する噴射エレメント（２０１）であって、
   前記第１のダクト（２０６）も、環状であり、前記噴射エレメント（２０１）の中心体（２０５）の周りを囲み、前記中心体（２０５）は、前記中心体（２０５）の外面（２１２）と連通し且つ少なくとも１つの所定の音響周波数ｆを減衰させるために構成されている少なくとも１つの空洞（２０９）を備えることを特徴とする噴射エレメント（２０１）。
2. 前記空洞（２０９）は、容積がＶであるヘルムホルツ共鳴器として構成され、断面積Ａおよび長さｌ_０を有するオリフィス（２１２）を介して、前記中心体（２０５）の前記外面（２１２）と連通する、請求項１に記載の噴射エレメント（２０１）。
3. 前記オリフィス（２１１）は、前記第１および第２のダクト（２０６，２０７）とほぼ同軸である、請求項２に記載の噴射エレメント（２０１）。
4. 前記空洞（２０９）は、前記外面（２１２）における側面に貫通される前記オリフィス（２１１）を介して、前記第１のダクト（２０６）と直接的に連通する、請求項２に記載の噴射エレメント（２０１）。
5. 前記空洞（２０９）は、前記中心体（２０５）の内部に、前記所定の音響周波数ｆに対応する波長λの１／４にほぼ等しい深さｌ_ｐを有する軸方向の孔として構成される、請求項１に記載の噴射エレメント（２０１）。
6. 前記第１の推進燃料（Ｅ１）を噴射するために構成される第３のダクト（２０８）をさらに含み、
   前記第３のダクト（２０８）は、環状であって、前記第１および第２のダクト（２０６，２０７）に対して同軸状であり、そして、前記第２のダクト（２０７）に外側で隣接する、請求項１〜５の何れか１項に記載の噴射エレメント（２０１）。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の噴射エレメント（２０１）を少なくとも一つ備える噴射器。
8. 請求項７に記載の噴射器を少なくとも一つ備える燃焼室（４，６）。
9. 請求項８に記載の燃焼室（４，６）を少なくとも一つ備えるロケットエンジン。
10. 燃焼室（４，６）内の燃焼ノイズを減衰させる方法であって、
    所定の音響周波数ｆが、２つの推進燃料（Ｅ１，Ｅ２）の混合物を前記燃焼室（４，６）内に噴射する噴射エレメント（２０１）の中心体（２０５）の空洞（２０９）内で減衰させられ、
    前記噴射エレメント（２０１）は、前記中心体（２０５）に外側で隣接して第１の推進燃料（Ｅ１）を噴射する少なくとも第１の環状ダクト（２０６）と、第２の推進燃料（Ｅ２）を噴射する少なくとも第２の環状ダクト（２０７）とを備え、
    前記第２ダクトは、前記第１のダクト（２０６）と同軸であり、前記第１のダクト（２０６）に外側で隣接する、方法。
    

Images