JPH06280679A - 燃焼器とその保炎方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃焼器とその保炎方法に係り、熱閉塞の回
避、噴射モーメントの十分な確保を行いつつ、燃焼を促
進して推力の向上を図る。 【構成】 超音速空気流４が形成されるダクト１内にス
トラット１１を設け、その後流に形成される亜音速域５
において保炎させる燃焼器１０であって、ストラット１
１の側方に、衝撃波１７ｂを亜音速域５に入射させる衝
撃波形成手段１２が配設されており、衝撃波１７ｂによ
って亜音速域５に圧力上昇を発生させ、超音速空気流４
内における亜音速域５の占める割合を拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音速で飛行する機体
のエンジンに使用される燃焼器とその保炎方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、超音速で飛行する航空機のエンジ
ンとして、スクラムジェットエンジンの開発が行われて
いる。該スクラムジェットエンジンは、高速で流入する
際のラム圧力によって空気を圧縮するエンジンであるた
め、その構造が簡単であり、しかも、飛行速度の増加と
ともに、燃焼効率を向上することができるので、将来の
超音速航空機用のエンジンとして注目されている。

【０００３】従来、スクラムジェットエンジンに使用さ
れる燃焼器としては、例えば、図２に示すように、方形
断面を有する筒状のダクト１の壁面１ａに後ろ向きステ
ップ２を形成したものや、図３に示すように、ダクト１
の一対向面を連結する柱状部材であるストラット３を配
した構造のものがある。

【０００４】後ろ向きステップ２を設けた構造のものに
おいては、ダクト１内に超音速状態の空気が流通させら
れると、該ステップ２の後流に超音速空気流４が剥離さ
れた亜音速状態の領域５（以下、亜音速域という。）が
形成され、さらに、その内部に、空気が局部的に循環す
る領域６（以下、再循環域という。）が形成される。そ
して、この再循環域６に、燃料を噴射して点火すること
により、亜音速域５内において、燃焼状態を保持するこ
とができるようになっている。

【０００５】上記構造の燃焼器７には、燃料の噴出方法
として、後ろ向きステップ２の後流位置に配されるダク
ト１の壁面１ａから超音速空気流４に対して垂直に噴出
する方法と、後ろ向きステップ２の超音速空気流４に垂
直に配される面から後方に向けて超音速空気流４に平行
に噴出する方法とがある。

【０００６】第１の方法によれば、噴出された燃料によ
って超音速空気流４が攪拌されるため再循環域５が拡大
され、空気と燃料とが効率よく混合されるので、燃焼が
促進されることになる。しかし、飛行マッハ数が低いと
きは、燃焼が急激に実施されることになるために、ダク
ト１内部の圧力が過度に上昇して、強い衝撃波が現れて
超音速空気流４が損われる状態（以下、熱閉塞とい
う。）が発生する傾向がある。そして、熱閉塞が発生し
た場合には、エンジン内に空気を十分に吸い込めず、推
力が著しく低下する。また、高マッハ数における飛行時
においても、燃焼器７から噴出される噴流による噴射モ
ーメントを推力として生かすことができないという不都
合がある。

【０００７】第２の方法によれば、上記方法における不
都合は改善されるが、その反面、燃料が超音速空気流４
を乱すことなく噴出されるために、燃料と空気との混合
が満足に行われず、また、再循環域６が拡大されないた
めに、燃焼状態を維持する性能（以下、保炎性とい
う。）を向上することができないという問題点がある。

【０００８】また、図３の燃焼器７は、楔型断面形状の
ストラット３の鋭角部３ａを上流側に向けて配すること
により、超音速空気流４を２つに分流させるとともに、
ストラット３の後縁３ｂにおいて剥離させることによ
り、亜音速域５および再循環域６をストラット３の後流
に形成する。そして、ストラット３の後端面３ｃに設け
た燃料ノズル８から再循環域６内に燃料を噴出させるこ
とにより空気と燃料とを混合させて保炎性を向上させる
ようになっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この燃焼器７は、基本
的に図２に示す後ろ向きステップ２を設けた燃焼器７の
第２の方法と同様であるが、燃焼器７からの噴流による
噴射モーメントを得ることができるとともに、熱閉塞を
生じる不都合もない。しかしながら、亜音速域５は、ス
トラット３の後端面３ｃから超音速空気流４の下流に向
けてその幅を漸次縮小するようにして、超音速空気流４
に対して平行流を形成するため、空気と燃料とを効率よ
く混合することが困難であって燃焼による推力を十分に
発生させることができないという問題点がある。

【００１０】本発明は、上述した事情に鑑みてなされた
ものであって、熱閉塞の回避、噴射モーメントの十分な
確保を行いつつ、燃焼を促進して推力を向上することが
できる燃焼器とその保炎方法を提供することを目的とし
ている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、次の３つの手段を提案している。第１の
手段は、超音速空気流が形成されるダクト内に該超音速
空気流を横断するストラットを配設してなり、該ストラ
ットの後流に形成される亜音速域において保炎させる燃
焼器であって、前記ストラットの側方に、衝撃波を発生
させかつ該衝撃波を前記亜音速域に入射させる衝撃波形
成手段が配設されている燃焼器を提案している。第２の
手段は、ストラットが、超音速空気流の上流側に鋭角部
を有しダクトの流路断面積を下流に向かって漸次縮小し
てから急激に拡大させる略楔型断面形状に形成されると
ともに、その後端面に下流に向かって開口する凹部を設
けてなり、該凹部に、亜音速域に燃料を噴出する燃料噴
射口と、噴射された燃料に着火させる点火栓とが配設さ
れるとともに、ストラットを貫通して凹部を超音速空気
流に連通させる連通穴が形成されている燃焼器を提案し
ている。また、第３の手段は、超音速空気流内部に形成
される亜音速域において燃焼を実施する際に、亜音速域
に衝撃波を入射する燃焼器の保炎方法を提案している。

【００１２】

【作用】本発明の第１の手段に係る燃焼器によれば、ダ
クト内に形成されている超音速空気流に、該超音速空気
流を横断するストラットが設けられることによって、そ
の後流に亜音速域が形成されており、該亜音速域内にお
いて燃焼が実施される。そして、ストラットの側方に設
けられた衝撃波形成手段により発生させられた衝撃波が
亜音速域に入射されると、衝撃波の後流における圧力上
昇に伴って亜音速域内の圧力が上昇させられることにな
り、その結果、亜音速域が拡大されることになる。ま
た、第２の手段に係る燃焼器によれば、ダクト内に形成
されている超音速空気流が略楔型断面形状のストラット
の鋭角部によって分流され漸次縮小する流路断面積のダ
クト内を流通させられる。そして、ストラットの後縁に
おいて流れに剥離を発生させることにより、ストラット
の後流に亜音速域が形成されることになる。ストラット
の後端面には、下流に向かって開口する凹部が形成さ
れ、該凹部にストラットを貫通して超音速空気流に連通
する連通穴が形成されているので、該連通穴を通して超
音速空気流の一部が凹部内に取り入れられ、燃料噴射口
から噴射された燃料と空気とが予混合されることにな
る。ストラット後端面においては、ダクトの流路面積が
急激に拡大されることになるので、膨張波が発生させら
れており、亜音速域および凹部内の圧力が超音速空気流
と比較して低くなる。この圧力差によって、連通穴を通
じて凹部への空気取り入れが行われ、予混合が促進され
ることになる。また、第３の手段に係る燃焼器の保炎方
法によれば、超音速空気流内に形成される亜音速域に衝
撃波を入射することにより、超音速空気流を攪拌するこ
となく亜音速域を拡大することができ、該亜音速内にお
いて実施される燃料の燃焼が促進されることになる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係る燃焼器の一実施例につい
て、図１を参照して説明する。なお、本実施例において
図２および図３に示す従来例と共通する箇所に同一符号
を付し、説明を簡略化する。本実施例の燃焼器１０は、
方形断面を有するダクト１内に１個のストラット１１を
配設したものである点で、図３に示す従来例と共通して
いる。しかし、本実施例の燃焼器１０は、ストラット１
１の構成、および、該ストラット１１の側方に配される
ダクト１の壁面１ａに、該壁面１ａに沿って流通してき
た超音速空気流４をダクト１の内方に向けて偏向させる
凹角部１２（衝撃波形成手段）が形成されている点にお
いて、従来例と相違している。

【００１４】本実施例の燃焼器１０に配設されているス
トラット１１は、二等辺三角形の楔型断面形状を有する
柱状部材であって、鋭角部１１ａを上流側に向けるとと
もに、該鋭角部１１ａからの垂線がダクト１の壁面１ａ
と平行になるように、ダクト１の略中央位置に配置さ
れ、ダクト１の一対向側面を連結するように形成されて
いる。該ストラット１１の後端面１１ｂには、後流側に
向かって開口するリセス１３（凹部）がストラット１１
の長手方向全長に亘って形成されている。

【００１５】該リセス１３は、超音速空気流４に対して
ストラット１１の背後に配置され、かつ、ストラット１
１の側面１１ｃを衝立とすることにより、超音速空気流
４の影響を受けることなく、ストラット１１の後縁１１
ｄによって剥離された超音速空気流４をその内部で澱ま
せる領域、すなわち、再循環域６の一部を形成するよう
になっている。該リセス１３には、ストラット１１内部
を流通されてきた燃料をリセス１３内部に噴出するため
の燃料噴出口１４と、該燃料噴出口１４の近傍に配され
る点火栓１５とが設けられているとともに、ストラット
１１を貫通して、該ストラット１１の側面に連通する連
通穴１６が形成されている。該連通穴１６は、例えば、
ストラット１１の長手方向に間隔をおいて複数配設され
ており、超音速空気流４の一部をリセス１３内に取り込
むことができるようになっている。

【００１６】前記凹角部１２は、例えば、ストラット１
１の側方位置に配されるダクト１の壁面１ａに、流路面
積を縮小する段部を形成することにより構成されてい
る。すなわち、前記段部の前面をダクト１の長手方向に
沿って徐々に流路面積を縮小する傾斜面１２ａとするこ
とにより、該傾斜面１２ａとその前方に位置するダクト
１壁面１ａとの境界位置に凹角部１２を形成するように
している。そして、この凹角部１２によって形成される
斜め衝撃波１７ｂをその斜め後方に形成されているスト
ラット１１後方の亜音速域５に入射することができるよ
うになっている。

【００１７】このように構成された燃焼器１０を使用し
た場合について、以下に説明する。上記燃焼器１０を搭
載した航空機の飛行速度が超音速となると、ダクト１内
には、超音速空気流４が形成されることになる。該超音
速空気流４は、ダクト１内に配されるストラット１１の
先端の鋭角部１１ａによって２つに分流され、それぞれ
がストラット１１の側方に形成されている徐々に縮径す
る流路を挿通させられた後に、ストラット１１の後縁１
１ｄ位置において開放され急激に流路を拡大させられ
る。この際に、２つの超音速空気流４は、即座に合流す
ることができず、それぞれがストラット１１の後縁１１
ｄにおいて剥離されることにより、ストラット１１の後
流に帯状の亜音速域５を形成する。また、該亜音速域５
内のストラット１１近傍および前記リセス１３内には、
空気が循環する再循環域６が形成される。そして、該再
循環域６に燃料を噴射することにより燃料と空気が混合
され、点火栓の作動によって点火が容易に実施されるこ
とになる。

【００１８】この場合にあって、ストラット１１の鋭角
部１１ａおよびダクト１の凹角部１２においては、ダク
ト１の壁面１ａに対して平行に形成されていた超音速空
気流４が、ストラット１１の側面１１ｃおよび段部の傾
斜面１２ａによって偏向させられるために、斜め後方に
向かう斜め衝撃波１７ａ・１７ｂが形成されることにな
る。該斜め衝撃波１７ａ・１７ｂは、流路面積縮小に伴
う圧縮波であるため、その後方における圧力が上昇させ
られる。特に、本実施例の燃焼器１０においては、凹角
部１２によって形成された斜め衝撃波１７ｂは、ストラ
ット１１の後流に形成されている亜音速域５に入射させ
られるように配置されているため、亜音速域５に圧力上
昇が発生させられる。そして、亜音速域５の圧力が上昇
した場合であると、該亜音速域５内全体の圧力が上昇
し、その結果、亜音速域５のダクト１内に占める割合が
拡大されることになる。また、これに伴って、亜音速域
５内に形成されている再循環域６も拡大されるため、空
気と燃料との混合性が向上されて、燃焼の保炎性が向上
されることになる。

【００１９】また、ストラット１１の後縁１１ｄにおい
ては、流路面積が急激に拡大されるために、該後縁１１
ｄから斜め後方に向けて膨張波１８が形成される。この
膨張波１８は、その後方の圧力を低下させるため、該膨
張波１８の前後に配される領域間、特に、該膨張波１８
前方の超音速空気流４内とリセス１３内との間に圧力差
が発生する。そして、この圧力差によって、超音速空気
流４の一部がストラット１１に設けられた連通穴１６を
通してリセス１３内に吸引されるようにして取り込ま
れ、再循環域６において燃焼前に燃料に予混合される空
気を効率良く供給することができることになる。

【００２０】このように、本実施例の燃焼器１０によれ
ば、ストラット１１の後縁１１ｄに形成される膨張波１
８を利用して、リセス１３内の予混合を促進することに
より、再循環域６における燃料と空気との混合性を向上
するとともに、ストラット１１の後方に形成される亜音
速域５に衝撃波１７ｂを入射して、燃料が燃焼し得る亜
音速域５およびその内部の再循環域６を拡大することに
より、燃料の燃焼による推力を効率良く発生させること
ができる。しかも、亜音速域５の拡大に際して、超音速
空気流４を攪拌しないので、噴射モーメントを必要以上
に損う虞がなく、高マッハ数における飛行時においても
十分な推力を確保することができる。

【００２１】なお、本発明の燃焼器１０とその保炎方法
においては、以下の技術を採用することができる。 ストラット１１をダクト１の中央位置１箇所に設け
ることとしたが、これに代えて、間隔を空けて配される
複数のストラット１１を採用すること。 衝撃波形成手段１２を凹角部としたが、これに代え
て、ストラット１１と同様の鋭角部１１ａを有する楔型
断面形状の部材とすること。 ストラット１１を複数配設する場合に、隣合うスト
ラット１１の鋭角部１１ａを衝撃波形成手段１２として
利用すること。 ストラット１１を二等辺三角形の楔型断面形状とし
たが、これに代えて、先端に超音速空気流４を偏向させ
る鋭角部１１ａを有しかつ亜音速域５を形成することが
できる任意の概略楔型断面形状とすること。 点火栓１５をリセス１３内に設けることとしたが、
これに代えて、再循環域６内の任意位置に配設するこ
と。

【００２２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の第１の手
段に係る燃焼器は、超音速空気流が形成されるダクト内
にストラットを設け、その後流に形成される亜音速域に
おいて保炎させる燃焼器であって、ストラットの側方
に、衝撃波を亜音速域に入射させる衝撃波形成手段が配
設されているので、以下の効果を奏する。 入射させられた衝撃波によって亜音速域の圧力を上
昇させ、亜音速域を拡大することにより、燃料の燃焼し
得る領域を拡大して、燃焼による推力を効率良く引出す
ことができる。 亜音速域の拡大を超音速空気流の攪拌を伴わずに実
施することができるので、噴射モーメントを必要以上に
損うことや、熱閉塞による超音速空気流の失速を発生す
ることがないので、低マッハ数から高マッハ数までの広
い範囲の飛行速度において、十分な推力を確保すること
ができる。 また、本発明の第２の手段に係る燃焼器は、ストラット
が、超音速空気流の上流側に鋭角部を配しダクトの流路
断面積を下流に向かって漸次縮小してから急激に拡大す
る略楔型断面形状に形成されるとともに、その後端面に
下流に向かって開口する凹部に、亜音速域に燃料を噴出
する燃料噴射口と、噴射された燃料に着火させる点火栓
と、ストラットを貫通して凹部を超音速空気流に連通さ
せる連通穴とが設けられているので、第１の手段に係る
燃焼器の効果に加えて、ストラットがその後縁において
発生する膨張波によって、超音速空気流と凹部内との間
に圧力差を発生させ、凹部への空気の取り込みを促進し
て燃料と空気との混合性を向上することができるという
効果を奏する。さらに、本発明の第３の手段に係る燃焼
器の保炎方法は、超音速空気流内部に形成される亜音速
域において燃焼を実施する際に、亜音速域に衝撃波を入
射するものであるので、衝撃波による圧力上昇によって
亜音速域を拡大することにより、超音速空気流を攪拌す
ることなく燃料の燃焼する領域を拡大し、熱閉塞の発生
や噴射モーメントの低下を回避しつつ燃焼効率を向上す
ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃焼器の一実施例を示す縦断面図
である。

【図２】後ろ向きステップを有する燃焼器の従来例を示
す縦断面図である。

【図３】ストラットを有する燃焼器の従来例を示す縦断
面図である。

【符号の説明】

１ ダクト ４ 超音速空気流 ５ 亜音速域 ６ 再循環域 １０ 燃焼器 １１ ストラット １１ａ 鋭角部 １１ｂ 後端面 １２ 凹角部（衝撃波形成手段） １３ リセス（凹部） １４ 燃料噴射口 １５ 点火栓 １６ 連通穴 １７ａ 斜め衝撃波 １７ｂ 斜め衝撃波（衝撃波） １８ 膨張波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新岡 嵩 宮城県名取市大手町５丁目８番２号 (72)発明者 小林 秀昭 宮城県仙台市太白区三神峯１丁目３番２号

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音速空気流が形成されるダクト内に該
   超音速空気流を横断するストラットを配設してなり、該
   ストラットの後流に形成される亜音速域において保炎さ
   せる燃焼器であって、前記ストラットの側方に、衝撃波
   を発生させかつ該衝撃波を前記亜音速域に入射させる衝
   撃波形成手段が配設されていることを特徴とする燃焼
   器。
2. 【請求項２】 ストラットが、超音速空気流の上流側に
   鋭角部を配しダクトの流路断面積を下流に向かって漸次
   縮小してから急激に拡大させる略楔型断面形状に形成さ
   れるとともに、その後端面に下流に向かって開口する凹
   部を設けてなり、該凹部には、亜音速域に燃料を噴出す
   る燃料噴射口と、噴射された燃料に着火させる点火栓と
   が配設されるとともに、ストラットを貫通して凹部を超
   音速空気流に連通させる連通穴が形成されていることを
   特徴とする請求項１記載の燃焼器。
3. 【請求項３】 超音速空気流内部に形成される亜音速域
   において燃焼を実施する際に、亜音速域に衝撃波を入射
   することを特徴とする燃焼器の保炎方法。