JP2012202226A

JP2012202226A - ジェットエンジン

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Publication number: JP2012202226A
Application number: JP2011064665A
Authority: JP
Inventors: Shojiro Furuya; 正二郎古谷; Yoshihiro Kawamata; 善博川又
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: JP5758160B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃料噴射方向が可変なジェットエンジン及びジェットエンジンの運転方法を提供することである。
【解決手段】ジェットエンジンは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する空気圧縮部と、圧縮空気中に燃料を噴射する燃料噴射部３０と、燃料が燃焼する燃焼部とを具備する。燃料噴射部３０は、燃料を噴射する噴射口３２Ａ〜３２Ｄの向きを変化させる噴射角度制御部を備える。噴射角度制御部が噴射口３２Ａ〜３２Ｄの向きを変化させるため、燃料噴射方向が可変である。ジェットエンジンの運転中において、燃料噴射量の調節による燃焼制御に加え、燃料噴射方向の調節による燃焼制御を実現できる。
【選択図】図８

Description

本発明は、ジェットエンジン及びその運転方法に関し、特に、スクラムジェットエンジン及びその運転方法に関する。

超音速の気流中で燃焼が行われるスクラムジェットエンジンにおいては、燃料の噴射、燃料と空気との混合促進、及び保炎が重要である。燃料噴射、混合促進、及び保炎のための様々な方法が提案されている。

図１は、壁面１０１に設けられたランプ１０２から気流１０３中に燃料を噴射する方法を示している。この方法では、気流１０３の速度が遅いランプ１０２の下流側において火炎が保持される。図２は、壁面１１１に設けられたストラット１１２から気流１１３中に燃料を噴射する方法を示している。この方法では、気流１１３の速度が遅いストラット１１２の下流側において火炎が保持される。

図１に示す方法及び図２に示す方法では、気流の流れ場の中に障害物が設けられるため、流れの運動エネルギに損失が生じる。気流の流れ場の中に障害物を設けない方法として、図３に示す方法、図４に示す方法、及び図５に示す方法がある。

図３は、壁面１２１に設けられたステップ１２２から気流１２３中に燃料を噴射する方法を示している。この方法では、ステップ１２２によって生じる循環流により火炎を保持する。図４は、壁面１３１に設けられたキャビティ１３２の上流側から気流１３３中に燃料を噴射する方法を示している。この方法では、キャビティ１３２によって生じる循環流により火炎を保持する。図５は、壁面１４１に設けられた複数の噴射口１４２から気流１４３中に燃料を噴射して複数の燃料噴射流を形成し、複数の燃料噴射流を組み合わせる方法を示している。この方法では、ランプと同じような保炎効果を複数の燃料噴射流の組合せにより実現している。

図１乃至５に示す方法においては、燃料噴射口の位置、数、燃料噴射角度が固定されており、燃焼の制御は燃料噴射量を調節することにより行われている。

ランプから燃料を噴射する方法は、例えば、特許文献１に開示されている。ストラットから燃料を噴射する方法は、例えば、特許文献２に開示されている。ステップを設ける方法は、例えば、特許文献３に開示されている。

特開２００８−６４０８６号公報特開平６−１０１５７０号公報特開２００２−５４５０４号公報

本発明の目的は、燃料噴射方向が可変なジェットエンジン及びジェットエンジンの運転方法を提供することである。

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、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。

本発明によるジェットエンジンは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する空気圧縮部（２０）と、前記圧縮空気中に燃料を噴射する燃料噴射部（３０）と、前記燃料が燃焼する燃焼部（４０）とを具備する。前記燃料噴射部は、前記燃料を噴射する第１噴射口（３２Ａ）の向きを変化させる噴射角度制御部（３３）を備える。

前記燃料噴射部は、前記第１噴射口が設けられた第１燃料噴射器（３１Ａ）を備える。前記第１燃料噴射器は、前記圧縮空気が流れる領域に面した壁面（３７）に形成された第１開口（３８Ａ）から前記第１噴射口が露出するように設けられる。前記噴射角度制御部は、前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させる。

前記噴射角度制御部は、前記第１噴射口の向きを示す第１噴射方向ベクトル（６０）の前記壁面に対する仰角（θ）が変化するように前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させる。

前記噴射角度制御部は、前記第１噴射口の向きを示す第１噴射方向ベクトル（６０）を前記壁面に投影した第１投影ベクトル（６１）の向きが変化するように前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させる。

前記噴射角度制御部は、前記第１噴射口の向きを示す第１噴射方向ベクトル（６０）の前記壁面に対する仰角（θ）が変化するように前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させ、前記第１噴射方向ベクトルを前記壁面に投影した第１投影ベクトル（６１）の向きが変化するように前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させる。前記第１燃料噴射器は、前記第１噴射口が設けられた球面を備える。

前記制御角度制御部は、前記燃料を噴射する第２噴射口（３２Ｂ〜３２Ｄ）の向きと前記第１噴射口の向きとを独立に変化させる。

前記噴射角度制御部は、前記燃料の噴射量、前記燃焼部内の圧力、前記燃焼部内の温度、前記空気圧縮部に流入する空気の速度、又は前記ジェットエンジンが設けられた機体（１０）の加速度に基づいて、前記第１噴射口の向きを変化させる。

上記ジェットエンジンはスクラムジェットエンジン（１１）である。

本発明によるジェットエンジンの運転方法は、空気圧縮部（２０）と、燃料噴射部（３０）と、燃焼部（４０）とを備えるジェットエンジンの運転方法である。ジェットエンジンの運転方法は、前記空気圧縮部が空気を圧縮して圧縮空気を生成するステップと、前記燃料噴射部が前記圧縮空気中に燃料を噴射するステップと、前記燃焼部において前記燃料が燃焼するステップとを具備する。前記燃料を噴射する前記ステップは、前記燃料噴射部が備える第１噴射口（３２Ａ）が前記燃料を噴射するステップと、前記第１噴射口の向きを変化させるステップとを含む。

前記燃料を噴射する前記ステップは、前記燃料噴射部が備える第２噴射口（３２Ｂ〜３２Ｄ）が前記燃料を噴射するステップと、前記第１噴射口の向きと前記第２噴射口の向きとを独立に変化させるステップとを含む。

前記燃料を噴射する前記ステップは、前記燃料噴射部が備える第２噴射口（３２Ｂ、３２Ｃ）が前記燃料を噴射するステップと、前記第１噴射口が噴射する前記燃料の噴射流（８０Ａ）と前記第２噴射口が噴射する前記燃料の噴射流（８０Ｂ、８０Ｃ）とを衝突させるステップとを含む。

前記第１噴射口の向きを変化させる前記ステップにおいて、前記燃料の噴射量、前記燃焼部内の圧力、前記燃焼部内の温度、前記空気圧縮部に流入する空気の速度、又は前記ジェットエンジンが設けられた機体（１０）の加速度に基づいて前記第１噴射口の向きを変化させる。

本発明によれば、燃料噴射方向が可変なジェットエンジン及びジェットエンジンの運転方法が提供される。

図１は、壁面に設けられたランプから燃料を噴射する方法を示す斜視図である。図２は、壁面に設けられたストラットから燃料を噴射する方法を示す斜視図である。図３は、壁面に設けられたステップから燃料を噴射する方法を示す斜視図である。図４は、壁面に設けられたキャビティの上流側から燃料を噴射する方法を示す斜視図である。図５は、燃料の噴射流を組み合わせる方法を示す斜視図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係るスクラムジェットエンジンが設けられた機体の概略図である。図７は、第１の実施形態に係るスクラムジェットエンジンが備える燃料噴射部のブロック図である。図８は、燃料噴射器の配置を示す斜視図である。図９は、燃料噴射器の姿勢変化を説明するための概念図である。図１０は、燃料の渦を生成する方法を説明するための概念図である。図１１は、燃料の渦を生成する他の方法を説明するための概念図である。

添付図面を参照して、本発明によるジェットエンジン及びジェットエンジンの運転方法を実施するための形態を以下に説明する。

（第１の実施形態）
図６は、本発明の第１の実施形態によるスクラムジェットエンジン１１が設けられた機体１０を示す。機体１０は、航空機又は飛しょう体である。スクラムジェットエンジン１１は、外から取り込んだ空気を圧縮して圧縮空気を生成する空気圧縮部２０と、圧縮空気の気流７０中に燃料を噴射する燃料噴射部３０と、燃料が燃焼する燃焼部４０と、燃料の燃焼により生成した燃焼ガスを排出するノズル５０とを備える。

図７を参照して、燃料噴射部３０は、燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄと、噴射角度制御部３３とを備える。燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄには、それぞれ、噴射口３２Ａ〜３２Ｄが設けられている。燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄは、それぞれ、噴射口３２Ａ〜３２Ｄから圧縮空気の気流７０中に燃料を噴射する。噴射口３２Ａ〜３２Ｄは、それぞれ、燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄが備える球面に設けられている。噴射角度制御部３３は、コントローラ３４と、アクチュエータ３５Ａ〜３５Ｄとを備える。コントローラ３４は、燃料噴射量、燃焼部４０内の圧力、燃焼部４０内の温度、空気圧縮部２０に流入する空気の速度、及び、機体１０の加速度に基づいて、制御信号３６Ａを生成する。アクチュエータ３５Ａは、制御信号３６Ａに基づいて燃料噴射器３１Ａの姿勢を変化させる。燃料噴射器３１Ａの姿勢が変化することで、噴射口３２Ａの向きが変化する。コントローラ３４は、燃料噴射量、燃焼部４０内の圧力、燃焼部４０内の温度、空気圧縮部２０に流入する空気の速度、及び、機体１０の加速度に基づいて、制御信号３６Ｂを生成する。アクチュエータ３５Ｂは、制御信号３６Ｂに基づいて燃料噴射器３１Ｂの姿勢を変化させる。燃料噴射器３１Ｂの姿勢が変化することで、噴射口３２Ｂの向きが変化する。コントローラ３４は、燃料噴射量、燃焼部４０内の圧力、燃焼部４０内の温度、空気圧縮部２０に流入する空気の速度、及び、機体１０の加速度に基づいて、制御信号３６Ｃを生成する。アクチュエータ３５Ｃは、制御信号３６Ｃに基づいて燃料噴射器３１Ｃの姿勢を変化させる。燃料噴射器３１Ｃの姿勢が変化することで、噴射口３２Ｃの向きが変化する。コントローラ３４は、燃料噴射量、燃焼部４０内の圧力、燃焼部４０内の温度、空気圧縮部２０に流入する空気の速度、及び、機体１０の加速度に基づいて、制御信号３６Ｄを生成する。アクチュエータ３５Ｄは、制御信号３６Ｄに基づいて燃料噴射器３１Ｄの姿勢を変化させる。燃料噴射器３１Ｄの姿勢が変化することで、噴射口３２Ｄの向きが変化する。噴射角度制御部３３は、燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄのそれぞれの姿勢を互いに独立に変化させることができる。

ここで、制御信号の生成に用いられる燃料噴射量は、その制御信号に対応する燃料噴射器の燃料噴射量、又は、燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄの燃料噴射量の合計である。尚、コントローラ３４は、燃料噴射量、燃焼部４０内の圧力、燃焼部４０内の温度、空気圧縮部２０に流入する空気の速度、及び、機体１０の加速度の少なくとも一つに基づいて制御信号３６Ａ〜３６Ｄを生成してもよい。

図８を参照して、燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄの配置を説明する。燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄは、圧縮空気の気流７０が流れる領域に面した壁面３７に埋め込まれるように設けられる。気流７０は壁面３７に沿って流れる。互いに垂直なＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向が定義される。Ｙ方向は気流７０に平行である。Ｚ方向は壁面３７に垂直である。Ｘ方向は、例えば、機体１０の横方向である。壁面３７に開口３８Ａ〜３８Ｄが形成されている。開口３８Ａ及び開口３８Ｂは、気流７０の方向であるＹ方向にずれて配置される。開口３８Ｂは開口３８Ａの下流に配置される。開口３８Ｃ及び開口３８Ｄは、気流７０の方向であるＹ方向にずれて配置される。開口３８Ｄは開口３８Ｃの下流に配置される。開口３８Ａ及び開口３８Ｃは、気流７０の方向であるＹ方向に交差するＸ方向にずれて配置される。開口３８Ｂ及び開口３８Ｄは、気流７０の方向であるＹ方向に交差するＸ方向にずれて配置される。燃料噴射器３１Ａは、開口３８Ａから噴射口３２Ａが露出するように設けられる。燃料噴射器３１Ｂは、開口３８Ｂから噴射口３２Ｂが露出するように設けられる。燃料噴射器３１Ｃは、開口３８Ｃから噴射口３２Ｃが露出するように設けられる。燃料噴射器３１Ｄは、開口３８Ｄから噴射口３２Ｄが露出するように設けられる。噴射口３２Ａ〜３２Ｄから噴射された燃料は、それぞれ、噴射流８０Ａ〜８０Ｄを形成する。

図９を参照して、燃料噴射器３１Ａの姿勢変化を説明する。噴射方向ベクトル６０は、噴射口３２Ａの向きを示すベクトルである。投影ベクトル６１は、噴射方向ベクトル６０を壁面３７に投影したベクトルである。噴射方向ベクトル６１の壁面３７に対する仰角θは、噴射方向ベクトル６０と投影ベクトル６１とのなす角である。アクチュエータ３５Ａは、仰角θが変化するように燃料噴射器３１Ａの姿勢を変化させることと、投影ベクトル６１の向きが変化するように燃料噴射器３１Ａの姿勢を変化させることとが可能である。すなわち、アクチュエータ３５Ａは、噴射方向ベクトル６０をＺ方向に首振りさせることと、噴射方向ベクトル６０をＸ方向に首振りさせることとができる。アクチュエータ３５Ｂ〜３５Ｄによる燃料噴射器３１Ｂ〜３１Ｄの姿勢変化もアクチュエータ３５Ａによる燃料噴射器３１Ａの姿勢変化と同様である。

本実施形態によるスクラムジェットエンジン１１において、噴射角度制御部３３が噴射口３２Ａ〜３２Ｄの向きを変化させるため、燃料噴射方向が可変である。スクラムジェットエンジン１１の運転中において、燃料噴射量の調節による燃焼制御に加え、燃料噴射方向の調節による燃焼制御を実現できる。例えば、燃料の噴射量、燃焼部４０内の圧力、燃焼部４０内の温度、空気圧縮部２０に流入する空気の速度、又は機体１０の加速度に基づいて噴射口３２Ａ〜３２Ｄの向きを変化させることで、燃焼部４０における燃焼状態を所望の状態に近づけることができる。

更に、燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄは、圧縮空気の気流７０が流れる領域に面した壁面３７の開口３８Ａ〜３８Ｄから噴射口３２Ａ〜３２Ｄが露出するように設けられる。したがって、燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄは、壁面３７から少ししか突き出さないか、又は、壁面３７から突き出さないように設けられる。そのため、気流７０の流れ場の中に障害物が設けられず、エネルギ損失が生じにくい。

更に、噴射角度制御部３３が燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄの姿勢（噴射口３２Ａ〜３２Ｄの向き）を独立に変化させることができるため、燃料の噴射流８０Ａ〜８０Ｄを自由に組み合わせることが可能である。

例えば、燃料の噴射流８０Ａ〜８０Ｄを組み合わせて図５の方法と同様の保炎効果を実現することが可能である。その他にも、燃料の噴射流どうしを衝突させることにより燃料と空気との混合を促進することができる。燃料の噴射流どうしを衝突させることによる燃料と空気との混合促進は、例えば、スクラムジェットエンジン１１の始動時に好ましい。

図１０は、燃料の噴射流どうしを衝突させる例を示す。図１０に示すように、噴射口３２Ａの向きを示す噴射方向ベクトルの壁面３７に対する仰角が小さくなり、噴射口３２Ｂの向きを示す噴射方向ベクトルの壁面３７に対する仰角を大きくなるように燃料噴射器３１Ａ及び３１Ｂの姿勢を変化させることで、噴射口３２Ａからの噴射流８０Ａと噴射口３２Ｂからの噴射流８０Ｂとを衝突させる。噴射流８０Ａと噴射流８０Ｂとの衝突により、圧縮空気の気流７０中に燃料の拡散膜８５が生成される。拡散膜８５により、空気と燃料との混合が促進される。

図１１は、燃料の噴射流どうしを衝突させる他の例を示す。図１１に示すように、噴射口３２Ａからの噴射流８０Ａと噴射口３２Ｃからの噴射流８０Ｃとが衝突するように燃料噴射器３１Ａ及び３１Ｃの姿勢を変化させることで、圧縮空気の気流７０と同じ方向に移動する中心を持つ燃料の渦８６を形成する。渦８６により、空気と燃料との混合が促進される。尚、噴射口の向きの組合せや噴射量の組合せによって渦８６の強さや方向の制御が可能である。

更に、噴射口３２Ａ〜３２Ｄがそれぞれ球面に設けられていることは、噴射口３２Ａ〜３２Ｄを任意の方向に向けるために好ましい。尚、噴射口３２Ａ〜３２Ｄの向きをＺ方向のみに首振り可能とする場合、又は、噴射口３２Ａ〜３２Ｄの向きをＸ方向のみに首振り可能とする場合、噴射口３２Ａ〜３２Ｄは、それぞれ、燃料噴射器３１Ａ〜３１Ｄが備える円筒面に形成されてもよい。

上述の燃料噴射部３０は、超音速の気流中で燃焼が行われるスクラムジェットエンジンに適用したときに費用対効果が特に大きい。ただし、本発明によるジェットエンジンはスクラムジェットエンジンに限定されず、スクラムジェットエンジン以外のジェットエンジンでもよい。

１０…機体
１１…スクラムジェットエンジン
２０…空気圧縮部
３０…燃料噴射部
３１Ａ〜３１Ｄ…燃料噴射器
３２Ａ〜３２Ｄ…噴射口
３３…噴射角度制御部
３４・・・コントローラ
３５Ａ〜３５Ｄ…アクチュエータ
３６Ａ〜３６Ｄ…制御信号
３７…壁面
３８Ａ〜３８Ｄ…開口
４０…燃焼部
５０…ノズル
６０…噴射方向ベクトル
６１…投影ベクトル
θ…仰角
７０…圧縮空気の気流
８０Ａ〜８０Ｄ…燃料の噴射流
８５…燃料の拡散膜
８６…燃料の渦
１０１…壁面
１０２…ランプ
１０３…気流
１１１…壁面
１１２…ストラット
１１３…気流
１２１…壁面
１２２…ステップ
１２３…気流
１３１…壁面
１３２…キャビティ
１３３…気流
１４１…壁面
１４２…噴射口
１４３…気流

Claims

空気を圧縮して圧縮空気を生成する空気圧縮部と、
前記圧縮空気中に燃料を噴射する燃料噴射部と、
前記燃料が燃焼する燃焼部と
を具備し、
前記燃料噴射部は、前記燃料を噴射する第１噴射口の向きを変化させる噴射角度制御部を備える
ジェットエンジン。
請求項１に記載のジェットエンジンであって
前記燃料噴射部は、前記第１噴射口が設けられた第１燃料噴射器を備え、
前記第１燃料噴射器は、前記圧縮空気が流れる領域に面した壁面に形成された第１開口から前記第１噴射口が露出するように設けられ、
前記噴射角度制御部は、前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させる
ジェットエンジン。
請求項２に記載のジェットエンジンであって、
前記噴射角度制御部は、前記第１噴射口の向きを示す第１噴射方向ベクトルの前記壁面に対する仰角が変化するように前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させる
ジェットエンジン。
請求項２に記載のジェットエンジンであって、
前記噴射角度制御部は、前記第１噴射口の向きを示す第１噴射方向ベクトルを前記壁面に投影した第１投影ベクトルの向きが変化するように前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させる
ジェットエンジン。
請求項２に記載のジェットエンジンであって、
前記噴射角度制御部は、前記第１噴射口の向きを示す第１噴射方向ベクトルの前記壁面に対する仰角が変化するように前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させ、前記第１噴射方向ベクトルを前記壁面に投影した第１投影ベクトルの向きが変化するように前記第１燃料噴射器の姿勢を変化させ、
前記第１燃料噴射器は、前記第１噴射口が設けられた球面を備える
ジェットエンジン。
請求項１乃至５のいずれかに記載のジェットエンジンであって、
前記制御角度制御部は、前記燃料を噴射する第２噴射口の向きと前記第１噴射口の向きとを独立に変化させる
ジェットエンジン。
請求項１乃至６のいずれかに記載のジェットエンジンであって、
前記噴射角度制御部は、前記燃料の噴射量、前記燃焼部内の圧力、前記燃焼部内の温度、前記空気圧縮部に流入する空気の速度、又は前記ジェットエンジンが設けられた機体の加速度に基づいて、前記第１噴射口の向きを変化させる
ジェットエンジン。
請求項１乃至７のいずれかに記載のジェットエンジンであって、
前記ジェットエンジンはスクラムジェットエンジンである
ジェットエンジン。
空気圧縮部と、燃料噴射部と、燃焼部とを備えるジェットエンジンの運転方法であって、
前記空気圧縮部が空気を圧縮して圧縮空気を生成するステップと、
前記燃料噴射部が前記圧縮空気中に燃料を噴射するステップと、
前記燃焼部において前記燃料が燃焼するステップと
を具備し、
前記燃料を噴射する前記ステップは、
前記燃料噴射部が備える第１噴射口が前記燃料を噴射するステップと、
前記第１噴射口の向きを変化させるステップと
を含む
ジェットエンジンの運転方法。
請求項９のジェットエンジンの運転方法であって、
前記燃料を噴射する前記ステップは、
前記燃料噴射部が備える第２噴射口が前記燃料を噴射するステップと、
前記第１噴射口の向きと前記第２噴射口の向きとを独立に変化させるステップと
を含む
ジェットエンジンの運転方法。
請求項９のジェットエンジンの運転方法であって、
前記燃料を噴射する前記ステップは、
前記燃料噴射部が備える第２噴射口が前記燃料を噴射するステップと、
前記第１噴射口が噴射する前記燃料の噴射流と前記第２噴射口が噴射する前記燃料の噴射流とを衝突させるステップと
を含む
ジェットエンジンの運転方法。
請求項９乃至１１に記載のジェットエンジンの運転方法であって、
前記第１噴射口の向きを変化させる前記ステップにおいて、前記燃料の噴射量、前記燃焼部内の圧力、前記燃焼部内の温度、前記空気圧縮部に流入する空気の速度、又は前記ジェットエンジンが設けられた機体の加速度に基づいて前記第１噴射口の向きを変化させる
ジェットエンジンの運転方法。