JPH079222B2 - 高温部のガスフィルム冷却方法および装置 - Google Patents
高温部のガスフィルム冷却方法および装置Info
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- JPH079222B2 JPH079222B2 JP5466793A JP5466793A JPH079222B2 JP H079222 B2 JPH079222 B2 JP H079222B2 JP 5466793 A JP5466793 A JP 5466793A JP 5466793 A JP5466793 A JP 5466793A JP H079222 B2 JPH079222 B2 JP H079222B2
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- Japan
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- cooling
- high temperature
- temperature
- gas
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Description
【００００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ラムジェット、ロケ
ットエンジン等の高温ガスを用いる装置の冷却効率の向
上に関する。
ットエンジン等の高温ガスを用いる装置の冷却効率の向
上に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、高温ガスを用いるロケットエンジ
ン等においては、高温ガスから壁材料を保護するため
に、壁面に沿って液体、あるいは常温または低温のガス
を噴射し、高温ガスが直接壁面に接触することを防ぐい
わゆるフィルム冷却が行なわれてきた。この方法では、
局所的に壁温を低下させることには効果があるが、冷却
効率が低く、エンジン全体を冷却するためには多量の冷
却剤が必要であった。
ン等においては、高温ガスから壁材料を保護するため
に、壁面に沿って液体、あるいは常温または低温のガス
を噴射し、高温ガスが直接壁面に接触することを防ぐい
わゆるフィルム冷却が行なわれてきた。この方法では、
局所的に壁温を低下させることには効果があるが、冷却
効率が低く、エンジン全体を冷却するためには多量の冷
却剤が必要であった。
【０００３】この冷却剤として燃料を用いる場合には、
燃焼器内部で燃料が過剰になり、燃焼にとっては不適切
な条件となる。冷却剤に燃焼とは関係ないガスを用いる
場合には推進剤が希釈され、やはり燃焼にとって不適切
な条件となる。またいずれの場合においても、燃焼に関
与しない冷却剤を大量に流すために、例えばロケットエ
ンジンでは、大幅な性能低下（比推力の低下）を招くと
いう問題があった。
燃焼器内部で燃料が過剰になり、燃焼にとっては不適切
な条件となる。冷却剤に燃焼とは関係ないガスを用いる
場合には推進剤が希釈され、やはり燃焼にとって不適切
な条件となる。またいずれの場合においても、燃焼に関
与しない冷却剤を大量に流すために、例えばロケットエ
ンジンでは、大幅な性能低下（比推力の低下）を招くと
いう問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、フィルム
冷却に用いる冷却剤の温度を高めることにより、冷却効
率を向上させ、冷却剤流量を減少させ、その結果、スク
ラムジェットやロケットエンジン等の噴流推進機関にお
いては、エンジン性能の低下を抑制することが出来るガ
スフィルム冷却方法とそのための装置を得ようとするも
のである。
冷却に用いる冷却剤の温度を高めることにより、冷却効
率を向上させ、冷却剤流量を減少させ、その結果、スク
ラムジェットやロケットエンジン等の噴流推進機関にお
いては、エンジン性能の低下を抑制することが出来るガ
スフィルム冷却方法とそのための装置を得ようとするも
のである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明のフィルム冷却
法は、ラムジェット、ロケットエンジン等の高温気流に
曝される部位を、加熱され高温になったガスを用いてフ
ィルム冷却を行なうことを特徴とする。
法は、ラムジェット、ロケットエンジン等の高温気流に
曝される部位を、加熱され高温になったガスを用いてフ
ィルム冷却を行なうことを特徴とする。
【０００６】また、そのための装置は、冷却剤タンク、
および該冷却剤を、機器の高温気流に曝される部位表面
にフィルム状に流すための噴射器を有する冷却装置にお
いて、該噴射器上流に、冷却剤の加熱装置を備えること
を特徴とする。
および該冷却剤を、機器の高温気流に曝される部位表面
にフィルム状に流すための噴射器を有する冷却装置にお
いて、該噴射器上流に、冷却剤の加熱装置を備えること
を特徴とする。
【０００７】
【作用】冷却のためには低温の冷却剤を用いるという常
識に反し、高温ガスを冷却剤として用いた場合、以下の
ような利点が生じる。 冷却剤を低温で噴射する場合に比べて冷却剤の噴射
速度が速まり、高温の主流ガスとの混合が抑制される結
果、フィルム冷却が有効である範囲が拡大する。 前記の効果とは別に、冷却効率は冷却剤の体積流量
に依存するが、高温にすることで密度が減少し、同一体
積流量における質量流量が減少し、必要な冷却剤流量を
更に減少させることができる。加熱源としては適当なも
のでよいが、高温ガスに曝される部位を再生冷却した後
のガスを利用することができる。また空気中の高速飛翔
体では、機体の空力加熱により加熱されたガスを利用す
ることができる。更に化学反応等の内部潜在エネルギ
ー、太陽熱、原子力エネルギー等の外部エネルギー等に
よって昇温させることも可能である。例えば化学反応等
の内部エネルギーの開放によって昇温、あるいは太陽熱
等の外部エネルギー源によって昇温させたガスを、噴流
推進機関のノズル部のフィルム冷却に用いる場合には、
推力の上昇が得られる。
識に反し、高温ガスを冷却剤として用いた場合、以下の
ような利点が生じる。 冷却剤を低温で噴射する場合に比べて冷却剤の噴射
速度が速まり、高温の主流ガスとの混合が抑制される結
果、フィルム冷却が有効である範囲が拡大する。 前記の効果とは別に、冷却効率は冷却剤の体積流量
に依存するが、高温にすることで密度が減少し、同一体
積流量における質量流量が減少し、必要な冷却剤流量を
更に減少させることができる。加熱源としては適当なも
のでよいが、高温ガスに曝される部位を再生冷却した後
のガスを利用することができる。また空気中の高速飛翔
体では、機体の空力加熱により加熱されたガスを利用す
ることができる。更に化学反応等の内部潜在エネルギ
ー、太陽熱、原子力エネルギー等の外部エネルギー等に
よって昇温させることも可能である。例えば化学反応等
の内部エネルギーの開放によって昇温、あるいは太陽熱
等の外部エネルギー源によって昇温させたガスを、噴流
推進機関のノズル部のフィルム冷却に用いる場合には、
推力の上昇が得られる。
【０００８】
【実施例】以下、図面を参照してこの発明を実施例によ
って詳細に説明する。この発明を実施した超音速ラムジ
ェット（スクラムジェット）のフィルム冷却サイクルの
例を図１（ａ）〜（ｄ）に示す。図１（ｅ）には、この
発明を実施したロケットエンジンのフィルム冷却サイク
ルの一例を示す。冷却剤Ａは例えば液体水素である。従
来の冷却方法によれば、冷却剤Ａは低温のまま、エンジ
ン壁面に沿って噴射される。この発明のフィルム冷却に
おいては、冷却剤Ａは、図中１で示される、流路途中に
設けられた熱交換器、あるいは化学反応、外部エネルギ
ー等による加熱装置によって昇温される。
って詳細に説明する。この発明を実施した超音速ラムジ
ェット（スクラムジェット）のフィルム冷却サイクルの
例を図１（ａ）〜（ｄ）に示す。図１（ｅ）には、この
発明を実施したロケットエンジンのフィルム冷却サイク
ルの一例を示す。冷却剤Ａは例えば液体水素である。従
来の冷却方法によれば、冷却剤Ａは低温のまま、エンジ
ン壁面に沿って噴射される。この発明のフィルム冷却に
おいては、冷却剤Ａは、図中１で示される、流路途中に
設けられた熱交換器、あるいは化学反応、外部エネルギ
ー等による加熱装置によって昇温される。
【０００９】図１（ａ）の実施例においては、液体水素
Ａの流路中に加熱装置１として再生冷却を利用した例で
あり、液体水素は燃焼室壁面を冷却する一方、加熱され
て気化し、燃料噴射器３から燃焼室内に噴射され、空気
取り入れ口からの空気と混合燃焼し、燃焼ガスＣを噴出
する。気化した高温水素の一部は、フィルム冷却剤噴射
器２から器壁に沿って噴射され、燃焼ガスと器壁との接
触を防止し、器壁の温度上昇を減ずる。図１（ｂ）に示
す実施例においては、加熱装置１は燃焼器であり、冷却
剤Ａは反応剤Ａ’と混合、燃焼し、冷却剤の温度を高め
る。Ｅは燃料である。図１（ｃ）の実施例においては、
加熱装置１は触媒または原子力等の熱発生源を含み、冷
却剤Ａを加熱する。図１（ｄ）の実施例においては、冷
却剤Ａの加熱装置は、空力加熱等で高温となっている機
体壁との熱交換器であり、機体の冷却装置としたもので
ある。
Ａの流路中に加熱装置１として再生冷却を利用した例で
あり、液体水素は燃焼室壁面を冷却する一方、加熱され
て気化し、燃料噴射器３から燃焼室内に噴射され、空気
取り入れ口からの空気と混合燃焼し、燃焼ガスＣを噴出
する。気化した高温水素の一部は、フィルム冷却剤噴射
器２から器壁に沿って噴射され、燃焼ガスと器壁との接
触を防止し、器壁の温度上昇を減ずる。図１（ｂ）に示
す実施例においては、加熱装置１は燃焼器であり、冷却
剤Ａは反応剤Ａ’と混合、燃焼し、冷却剤の温度を高め
る。Ｅは燃料である。図１（ｃ）の実施例においては、
加熱装置１は触媒または原子力等の熱発生源を含み、冷
却剤Ａを加熱する。図１（ｄ）の実施例においては、冷
却剤Ａの加熱装置は、空力加熱等で高温となっている機
体壁との熱交換器であり、機体の冷却装置としたもので
ある。
【００１０】スクラムジェットにおいて、冷却剤として
水素を用いた場合を考える。主流総温を６５００Ｋ、主
流マッハ数を４、エンジン長さを５ｍ、エンジン周長を
３．５ｍとし、許容壁材温度を１５００Ｋ、としたとき
の冷却流量を図２に示す。図中横軸は冷却剤水素の総温
を、縦軸は冷却用水素の当量比を表わす。このときの量
論混合比水素流量は１８ｋｇ・ｓ-1である。冷却剤総温
の上昇と共に、必要な冷却剤流量が減少することがわか
る。
水素を用いた場合を考える。主流総温を６５００Ｋ、主
流マッハ数を４、エンジン長さを５ｍ、エンジン周長を
３．５ｍとし、許容壁材温度を１５００Ｋ、としたとき
の冷却流量を図２に示す。図中横軸は冷却剤水素の総温
を、縦軸は冷却用水素の当量比を表わす。このときの量
論混合比水素流量は１８ｋｇ・ｓ-1である。冷却剤総温
の上昇と共に、必要な冷却剤流量が減少することがわか
る。
【００１１】図１（ｅ）はロケットエンジンにおける実
施例であり、液体水素等の燃料Ａは燃焼室壁の冷却のた
めの熱交換器１によって加熱され、反応剤Ｂと共に推進
剤噴射器３から燃焼室内に噴射される。燃料Ａの一部
は、冷却剤２として器壁に沿って噴射される。
施例であり、液体水素等の燃料Ａは燃焼室壁の冷却のた
めの熱交換器１によって加熱され、反応剤Ｂと共に推進
剤噴射器３から燃焼室内に噴射される。燃料Ａの一部
は、冷却剤２として器壁に沿って噴射される。
【００１２】図３には、ロケットエンジンにおける冷却
効果の上昇を示す。主流マッハ数は０．０１、主流総温
は３５００Ｋ、エンジン長さは０．４ｍ、エンジン半径
は０．２ｍである。やはり冷却剤温度の上昇と共に、必
要冷却剤流量が減少していることがわかる。スクラムジ
ェットの場合と異なり、主流速度が速くないために最適
な冷却剤温度が存在するが、液温よりもはるかに高い温
度であり、冷却剤を高温にする効果が現われている。
効果の上昇を示す。主流マッハ数は０．０１、主流総温
は３５００Ｋ、エンジン長さは０．４ｍ、エンジン半径
は０．２ｍである。やはり冷却剤温度の上昇と共に、必
要冷却剤流量が減少していることがわかる。スクラムジ
ェットの場合と異なり、主流速度が速くないために最適
な冷却剤温度が存在するが、液温よりもはるかに高い温
度であり、冷却剤を高温にする効果が現われている。
【００１３】図４には、図１（ａ）に示した、再生冷却
で加熱された冷却剤をフィルム冷却に用いる場合のスク
ラムジェットの水素流量を当量比の形で示す。再生冷却
との併用であるので、燃焼に用いる水素で冷却を行なっ
ており、当量比１を超過する水素流量が、冷却のために
必要な余分の水素流量である。低マッハ数域で当量比が
一定なのは、エンジンを量論混合比燃焼させるためであ
る。フィルム冷却単独の場合、あるいは再生冷却単独の
場合に比べ、再生冷却後の高温の水素を冷却に用いるフ
ィルム冷却では、必要な水素流量がはるかに少量である
ことがわかる。なお、図４中のフィルム冷却単独の場合
の水素流量は、図に示すように１０分の１の値を描いて
ある。例えば飛行マッハ数８では当量比は９である。
で加熱された冷却剤をフィルム冷却に用いる場合のスク
ラムジェットの水素流量を当量比の形で示す。再生冷却
との併用であるので、燃焼に用いる水素で冷却を行なっ
ており、当量比１を超過する水素流量が、冷却のために
必要な余分の水素流量である。低マッハ数域で当量比が
一定なのは、エンジンを量論混合比燃焼させるためであ
る。フィルム冷却単独の場合、あるいは再生冷却単独の
場合に比べ、再生冷却後の高温の水素を冷却に用いるフ
ィルム冷却では、必要な水素流量がはるかに少量である
ことがわかる。なお、図４中のフィルム冷却単独の場合
の水素流量は、図に示すように１０分の１の値を描いて
ある。例えば飛行マッハ数８では当量比は９である。
【００１４】このときの正味比推力を図５に示す。余分
な冷却剤流量が減ったために、フィルム冷却単独の場
合、あるいは再生冷却単独の場合に比べて、比推力が上
昇していることがわかる。図６にはこのときの冷却剤、
すなわち燃料供給圧力を示す。冷却剤流量が減少したた
めに、冷却剤供給圧力も低下している。これによって、
エンジンの軽量化を図ることができる。また冷却剤供給
系の動力も小さくてすみ、タービン排気などの比推力へ
の影響も小さくなる。
な冷却剤流量が減ったために、フィルム冷却単独の場
合、あるいは再生冷却単独の場合に比べて、比推力が上
昇していることがわかる。図６にはこのときの冷却剤、
すなわち燃料供給圧力を示す。冷却剤流量が減少したた
めに、冷却剤供給圧力も低下している。これによって、
エンジンの軽量化を図ることができる。また冷却剤供給
系の動力も小さくてすみ、タービン排気などの比推力へ
の影響も小さくなる。
【００１５】
【発明の効果】この発明のフィルム冷却では、上記のよ
うにフィルム冷却剤流路に加熱源を配置するという簡単
な構成によって、冷却剤流量を低減させることができ、
比推力等のエンジン性能を向上させるだけではなく、そ
の波及効果として、エンジン構造の軽量化にも寄与し得
るものである。なお、この技術はエンジンに限らず、高
温で流れるガスを用いる装置に応用可能である。
うにフィルム冷却剤流路に加熱源を配置するという簡単
な構成によって、冷却剤流量を低減させることができ、
比推力等のエンジン性能を向上させるだけではなく、そ
の波及効果として、エンジン構造の軽量化にも寄与し得
るものである。なお、この技術はエンジンに限らず、高
温で流れるガスを用いる装置に応用可能である。
【図１】この発明を実施したスクラムジェットエンジン
とロケットエンジンの、冷却剤サイクルの実施例を示す
作動概念図である。（ａ）は再生冷却を行なった例、
（ｂ）は冷却剤用燃焼器を用いて昇温した例、（ｃ）は
触媒あるいは原子力等の熱発生源を用いた例、（ｄ）は
空力加熱等の外部からのエネルギーによって昇温した
例、（ｅ）はロケットエンジンにおいて再生冷却後の燃
料である冷却剤を用いた例である。
とロケットエンジンの、冷却剤サイクルの実施例を示す
作動概念図である。（ａ）は再生冷却を行なった例、
（ｂ）は冷却剤用燃焼器を用いて昇温した例、（ｃ）は
触媒あるいは原子力等の熱発生源を用いた例、（ｄ）は
空力加熱等の外部からのエネルギーによって昇温した
例、（ｅ）はロケットエンジンにおいて再生冷却後の燃
料である冷却剤を用いた例である。
【図２】超音速における冷却剤温度と必要冷却剤流量と
の関係の１例を示すグラフである。
の関係の１例を示すグラフである。
【図３】亜音速における冷却剤温度と必要冷却剤流量と
の関係の１例を示すグラフである。
の関係の１例を示すグラフである。
【図４】図１（ａ）の実施例に示した冷却剤サイクルに
おける飛行速度と水素流量の関係の１例を示すグラフで
ある。
おける飛行速度と水素流量の関係の１例を示すグラフで
ある。
【図５】図４に示した場合における飛行速度と正味比推
力の関係の１例を示すグラフである。
力の関係の１例を示すグラフである。
【図６】図４に示した場合における飛行速度と水素供給
圧力の関係の１例を示すグラフである。
圧力の関係の１例を示すグラフである。
１ 加熱装置 ２ フィルム冷却剤噴射器 ３
燃料噴射器 Ａ 冷却剤 Ｂ 空気あるいは反応剤 Ｃ
燃焼ガス Ｅ 燃料
燃料噴射器 Ａ 冷却剤 Ｂ 空気あるいは反応剤 Ｃ
燃焼ガス Ｅ 燃料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鎮西 信夫 宮城県角田市君萱字小金沢１番地 科学技 術庁航空宇宙技術研究所角田支所内 (72)発明者 若松 義男 宮城県角田市君萱字小金沢１番地 科学技 術庁航空宇宙技術研究所角田支所内 (72)発明者 斎藤 俊仁 宮城県角田市君萱字小金沢１番地 科学技 術庁航空宇宙技術研究所角田支所内 (72)発明者 高橋 政浩 宮城県角田市君萱字小金沢１番地 科学技 術庁航空宇宙技術研究所角田支所内 (56)参考文献 特開 昭57−176309（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−309731（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−43824（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】 高温気流に曝される部位を、加熱され高
温になったガスを用いてフィルム冷却を行なうことを特
徴とするガスフィルム冷却方法。 - 【請求項２】 冷却剤タンク、および該冷却剤を、機器
の高温気流に曝される部位表面にフィルム状に流すため
の噴射器を有する冷却装置において、該噴射器上流に、
冷却剤の加熱装置を備えることを特徴とするガスフィル
ム冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5466793A JPH079222B2 (ja) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | 高温部のガスフィルム冷却方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5466793A JPH079222B2 (ja) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | 高温部のガスフィルム冷却方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06249070A JPH06249070A (ja) | 1994-09-06 |
| JPH079222B2 true JPH079222B2 (ja) | 1995-02-01 |
Family
ID=12977135
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5466793A Expired - Lifetime JPH079222B2 (ja) | 1993-02-22 | 1993-02-22 | 高温部のガスフィルム冷却方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH079222B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6287034B2 (ja) | 2013-10-11 | 2018-03-07 | 株式会社Ihi | ガス発生器 |
| CN104989550B (zh) * | 2015-07-22 | 2018-01-30 | 北京航空航天大学 | 超燃冲压发动机液氮冷却*** |
| CN111636966B (zh) * | 2020-05-28 | 2021-06-25 | 清华大学 | 发动机及其冷却*** |
-
1993
- 1993-02-22 JP JP5466793A patent/JPH079222B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06249070A (ja) | 1994-09-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19950718 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
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