JPH06346793A - 超音速燃焼器と超音速気流の混合促進方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 着火／保炎性、混合／燃焼性、閉塞性、及び
噴射モーメントの４つの課題を満たすことができる超音
速燃焼器と超音速気流の混合促進方法を提供する。 【構成】 超音速空気流１に平行な第１の内面１１を有
するフロントダクト１２と、フロントダクトの下流側に
設けられ、フロントダクトと段差１３を有し、超音速空
気流に平行かつフロントダクトより広い第２の内面１４
を有するリヤダクト１５と、燃料２を段差から超音速空
気流の下流に向けてリヤダクトに沿って噴射する燃料噴
射口１６と、を備える超音速燃焼器において、フロント
ダクトの内面に設けられ、超音速空気流の一部をリヤダ
クトに向けて流すように段差より上流側に膨張波４、５
を発生させる膨張波発生装置２０を備える。

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超音速燃焼器と超音速気流の混
合促進方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】飛行マッハ数が６を越える超音速で飛行
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
(Supersonic Combustion Ramjet)が有望視されている。
これは、通常のラムジェットにおいて燃焼室内の流速を
超音速に保つことにより、垂直衝撃波の発生に伴う全圧
損失や温度回復に伴う熱解離による損失を抑えるとも
に、温度や圧力の上昇に伴うエンジン構造材への応力と
熱負荷を低減しようとするものである。また、このスク
ラムジェットエンジンは、大気中の酸素を酸化剤として
利用するため、搭載酸素を大幅に減少でき、比推力をロ
ケットより大幅に改善することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】スクラムジェットエン
ジンの実用化にあたり、超音速気流中の確実な着火と
保炎（着火／保炎性）、安全かつ効率の良い混合と燃
焼の達成（混合／燃焼性）、低マッハ数で生じ易い熱
閉塞の回避（閉塞性）、高マッハ数で重要な噴射モー
メントの推力利用（噴射モーメント）、の４つの課題を
達成する必要がある。

【０００４】図４は、スクラムジェットエンジンに使用
される従来公知の超音速燃焼器の燃料噴射方式を比較し
たものである。この図から明らかなように、ステップ平
行噴射方式の超音速燃焼器は、上記４つの課題のうち、
の閉塞性との噴射モーメントについては優れている
が、の着火／保炎性と、の混合／燃焼性について
は、他の燃料噴射方式に比較して劣っている問題点があ
った。すなわち、ステップ平行噴射方式の超音速燃焼器
では超音速気流と燃料とが互いに平行に流れるので、両
者間の混合領域は狭く、従って混合／燃焼性が低い問題
点があった。また、混合／燃焼性が低く混合領域が狭い
ため、燃料と空気との接触部が少なく保炎領域が狭いた
め、着火／保炎性も低い問題点があった。

【０００５】本発明は、かかる問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、着
火／保炎性、混合／燃焼性、閉塞性、及び噴射モーメン
トの４つの課題を満たすことができる超音速燃焼器と超
音速気流の混合促進方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、超音速
空気流に平行な第１の内面を有するフロントダクトと、
該フロントダクトの下流側に設けられ、フロントダクト
と段差を有し、前記超音速空気流に平行かつフロントダ
クトより広い第２の内面を有するリヤダクトと、燃料を
前記段差から超音速空気流の下流に向けて前記リヤダク
トに沿って噴射する燃料噴射口と、を備える超音速燃焼
器において、前記フロントダクトの内面に設けられ、前
記超音速空気流の一部を前記リヤダクトに向けて流すよ
うに前記段差より上流側に膨張波を発生させる膨張波発
生装置を備える、ことを特徴とする超音速燃焼器が提供
される。

【０００７】本発明の好ましい実施例によれば、前記膨
張波発生装置は、前記第１内面から内方に延びるフロン
トテーパ面と、該フロントテーパ面から前記超音速空気
流に平行に延びる平行面と、該平行面から前記段差まで
外方に延びるリヤテーパ面と、を有する。更に、本発明
によれば、超音速空気流に平行な第１の内面を有するフ
ロントダクトと、該フロントダクトの下流側に設けら
れ、フロントダクトと段差を有し、前記超音速空気流に
平行かつフロントダクトより広い第２の内面を有するリ
ヤダクトと、燃料を前記段差から超音速空気流の下流に
向けて前記リヤダクトに沿って噴射する燃料噴射口と、
を備える超音速燃焼器に用いる超音速気流の混合促進方
法において、前記超音速空気流の一部を前記リヤダクト
に向けて流すように膨張波を発生させる、ことを特徴と
する超音速気流の混合促進方法が提供される。

【０００８】

【作用】上記本発明の装置及び方法によれば、膨張波が
発生し、超音速空気流の一部がリヤダクトに向けて流れ
るので、段差より下流で超音速空気流の一部と前記燃料
噴射口から噴射する燃料との混合が促進される。すなわ
ち、超音速空気流が燃料と平行に流れる従来のステップ
平行噴射方式の超音速燃焼器に比較して、超音速空気流
の一部が燃料の流れに向かって流れるので、混合層が成
長し、混合効率を高めることができる。

【０００９】また、混合層の成長と混合効率の上昇によ
り、燃料と空気との接触が促進され、かつ保炎領域も拡
大するので着火／保炎性を向上させることができる。更
に、超音速空気流は依然として燃料とほぼ平行に流れる
ので、飛行マッハ数の低いときでも急激な燃焼が起こり
にくく、熱閉塞が起こりにくい。また、高マッハ数にお
ける飛行時においても、燃料噴射口からの噴流による噴
射モーメントを推力として有効利用することができる。
更に、燃料流は壁面に沿う流れであるので、燃料噴射口
近傍の過加熱を防ぎ、冷却負荷を低減することができ
る。

【００１０】更に、前記第１内面から内方に延びるフロ
ントテーパ面と、該フロントテーパ面から前記超音速空
気流に平行に延びる平行面と、該平行面から前記段差ま
で外方に延びるリヤテーパ面とを有する膨張波発生装置
を用いることにより、フロントテーパ面で超音速空気流
の流路面積が縮小されることにより第１内面とフロント
テーパ面の境界線で斜め衝撃波が発生するが、平行面と
リヤテーパ面で流路面積が拡大されるので平行面の前縁
と後縁で斜め膨張波が発生する。従って、衝撃波はその
後流の２つの膨張波ですぐに消されるため、衝撃波によ
る超音速空気流の損失は小さい。また、この膨張波はリ
ヤテーパ面が前記段差まで外方に延びているため、途中
に衝撃波が生じることがなく、超音速空気流の一部を燃
料の流れに向かって流すことができ、混合層を成長さ
せ、混合効率を高めることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付して使用する。図１は、本発明による超
音速燃焼器を示す側面断面図である。この図において、
超音速燃焼器１０は、超音速空気流１に平行な第１の内
面１１を有するフロントダクト１２と、フロントダクト
１２と段差１３（ステップ）をもった第２の内面１４を
有するリヤダクト１５と、燃料２を段差１３から超音速
空気流１の下流に向けて噴射する燃料噴射口１６とを備
えている。リヤダクト１５は、フロントダクト１２の下
流側に設けられている。また、フロントダクト１２の内
面１４は、超音速空気流１に平行であり、かつ前記段差
１３に相当するだけフロントダクト１２より広くなって
いる。更に、燃料２は、リヤダクト１５に沿って噴射さ
れる。燃料２は水素であるのがよい。以上の構成は、従
来のステップ平行噴射方式の超音速燃焼器と同様であ
り、閉塞性と噴射モーメントが優れている。なお、図示
の超音速燃焼器は上下反対に設けてもよく、また矩形の
ダクトの上下面に対で設けてもよく、更に円筒形のダク
トの内面に軸対称に設けてもよい。

【００１２】更に本発明の超音速燃焼器１０は、超音速
空気流１の一部をリヤダクト１５に向けて流すようにな
った膨張波発生装置２０を備えている。この膨張波発生
装置２０は、段差１３より上流側のフロントダクト１２
の第１内面１１に設置され、段差１３より上流側に膨張
波を発生させるようになっている。すなわち、超音速空
気流１の一部をリヤダクト１５に向けて流すように膨張
波を発生させることにより超音速空気流１と燃料との混
合を促進するようになっている。

【００１３】かかる構成により、後述する膨張波が発生
し、超音速空気流１の一部がリヤダクト１５に向けて流
れるので、段差１３より下流で超音速空気流１の一部
と、燃料噴射口１６からリヤダクト１５に沿って超音速
空気流１の下流に噴射する燃料２との混合が促進され
る。すなわち、超音速空気流１が燃料２と平行に流れる
従来のステップ平行噴射方式の超音速燃焼器に比較し
て、超音速空気流１の一部が燃料２の流れに向かって流
れる（偏流する）ので、混合層が成長し、混合効率を高
めることができる。

【００１４】また、混合層の成長と混合効率の上昇によ
り、燃料と空気との接触が促進され、かつ保炎領域も拡
大するので着火／保炎性を向上させることができる。更
に、超音速空気流は依然として燃料とほぼ平行に流れる
ので、飛行マッハ数の低いときでも急激な燃焼が起こり
にくく、熱閉塞が起こりにくい。また、高マッハ数にお
ける飛行時においても、燃料噴射口からの噴流による噴
射モーメントを推力として有効利用することができる。

【００１５】図１において、膨張波発生装置２０は、フ
ロントダクト１２の第１内面１１から内方に延びるフロ
ントテーパ面２１と、フロントテーパ面２１から超音速
空気流１に平行に延びる平行面２２と、平行面２２から
段差１３まで外方に延びるリヤテーパ面２３とを有して
いる。かかる構成により、フロントテーパ面２１で超音
速空気流１の流路面積が縮小されることにより第１内面
１１とフロントテーパ面２１の境界線で斜め衝撃波３が
発生し、平行面２２とリヤテーパ面２３で流路面積が拡
大されるので平行面２２の前縁と後縁で斜め膨張波４、
５が発生する。従って、衝撃波３はその後流の２つの膨
張波４、５ですぐに消されるため、衝撃波による超音速
空気流の損失は小さい。また、膨張波５はリヤテーパ面
２３が段差１３まで外方に延びているため、途中に衝撃
波が生じることがなく、超音速空気流１の一部を燃料の
流れに向かって流す（偏流させる）ことができ、混合層
を成長させ、混合効率を高めることができる。

【００１６】使用において、上述した超音速燃焼器１０
を備えた航空機が例えばマッハ数４〜５、温度２２０Ｋ
で空気中を飛行すると、空気導入ダクト（図示せず）で
圧縮された空気は、マッハ数約２．５、温度１５００〜
２０００Ｋの超音速空気流１となって超音速燃焼器１０
に導入される。この超音速空気流１により、第１内面１
１とフロントテーパ面２１の境界線で斜め衝撃波３が発
生し、平行面２２の前縁と後縁で斜め膨張波４、５が発
生するが、膨張波５の下流には衝撃波は生じない。従っ
て、膨張波４、５により、超音速空気流１の一部がリヤ
ダクト１５に向けて流れ、超音速空気流１の一部と、燃
料噴射口１６からリヤダクト１５に沿って噴射する燃料
２との混合が促進され、高温（１５００〜２０００Ｋ）
の超音速空気流１との接触により噴射した燃料（例えば
水素）が直ちに自己着火する。

【００１７】図２は、上述した超音速燃焼器１０におけ
る混合層の成長の様子を示す図である。この図において
右軸は、段差１３に設けられた燃料噴射口１６からの下
流側の距離（Distance from slot injector)、縦軸はリ
ヤダクト１５の第２内面１４からの距離(Distance from
wall)を示している。また図中●は、本発明による膨張
波発生装置のない従来のステップ平行噴射方式の超音速
燃焼器、■は、上述した膨張波発生装置２０を備えた超
音速燃焼器１０を示している。この図から明らかなよう
に、本発明による超音速燃焼器１０は、混合層の厚さが
従来の超音速燃焼器に比べて下流側の全域で大きくなっ
ており、混合層が成長している。

【００１８】図３は、上述した超音速燃焼器１０におけ
る混合効率の分布を示す図である。この図において右軸
は、図２と同じ燃料噴射口１６からの距離（Distance f
romslot imjector)であり、縦軸は混合効率(Mixing eff
iciency) を示している。また記号●、■は、図２と同
様である。この図から明らかなように、本発明による超
音速燃焼器１０は、混合効率が従来の超音速燃焼器に比
べて下流側の全域で高くなっている。

【００１９】

【発明の効果】上述したように本発明の装置及び方法に
よれば、膨張波が発生し、超音速空気流の一部がリヤダ
クトに向けて流れるので、段差より下流で超音速空気流
の一部と、前記燃料噴射口からリヤダクトに沿って超音
速空気流の下流に噴射する燃料との混合が促進され、混
合層が成長し、混合効率を高めることができる。

【００２０】また、混合層の成長と混合効率の上昇によ
り、燃料と空気との接触が促進され、かつ保炎領域も拡
大するので着火／保炎性を向上させることができる。更
に、超音速空気流は依然として燃料とほぼ平行に流れる
ので、飛行マッハ数の低いときでも急激な燃焼が起こり
にくく、熱閉塞が起こりにくい。また、高マッハ数にお
ける飛行時においても、燃料噴射口からの噴流による噴
射モーメントを推力として有効利用することができる。
更に、燃料流は壁面に沿う流れであるので、燃料噴射口
近傍の過加熱を防ぎ、冷却負荷を低減することができ
る。

【００２１】従って、本発明の超音速燃焼器と超音速気
流の混合促進方法は、着火／保炎性、混合／燃焼性、閉
塞性、及び噴射モーメントの４つの課題を満たすことが
できる優れた効果を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音速燃焼器を示す側面断面図で
ある。

【図２】本発明の超音速燃焼器１０における混合層の成
長の様子を示す図である。

【図３】本発明の超音速燃焼器１０における混合効率の
分布を示す図である。

【図４】スクラムジェットエンジンに使用される超音速
燃焼器の代表的な燃料噴射方式を比較した図表である

【符号の説明】

１ 超高速空気流 ２ 燃料 ３ 斜め衝撃波 ４、５ 斜め膨張波 １０ 超音速燃焼器 １１ 第１内面 １２ フロントダクト １３ 段差 １４ 第２内面 １５ リヤダクト １６ 燃料噴射口 ２０ 膨張波発生装置 ２１ フロントテーパ面 ２２ 平行面 ２３ リヤテーパ面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米澤 克夫 東京都田無市向台町３丁目５番１号 石川 島播磨重工業株式会社田無工場内 (72)発明者 安 昭八 東京都田無市向台町３丁目５番１号 石川 島播磨重工業株式会社田無工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音速空気流に平行な第１の内面を有す
   るフロントダクトと、該フロントダクトの下流側に設け
   られ、フロントダクトと段差を有し、前記超音速空気流
   に平行かつフロントダクトより広い第２の内面を有する
   リヤダクトと、燃料を前記段差から超音速空気流の下流
   に向けて前記リヤダクトに沿って噴射する燃料噴射口
   と、を備える超音速燃焼器において、 前記フロントダクトの内面に設けられ、前記超音速空気
   流の一部を前記リヤダクトに向けて流すように前記段差
   より上流側に膨張波を発生させる膨張波発生装置を備え
   る、ことを特徴とする超音速燃焼器。
2. 【請求項２】 前記膨張波発生装置は、前記第１内面か
   ら内方に延びるフロントテーパ面と、該フロントテーパ
   面から前記超音速空気流に平行に延びる平行面と、該平
   行面から前記段差まで外方に延びるリヤテーパ面と、を
   有することを特徴とする請求項１に記載の超音速燃焼
   器。
3. 【請求項３】 超音速空気流に平行な第１の内面を有す
   るフロントダクトと、該フロントダクトの下流側に設け
   られ、フロントダクトと段差を有し、前記超音速空気流
   に平行かつフロントダクトより広い第２の内面を有する
   リヤダクトと、燃料を前記段差から超音速空気流の下流
   に向けて前記リヤダクトに沿って噴射する燃料噴射口と
   を備える超音速燃焼器に用いる超音速気流の混合促進方
   法において、 前記超音速空気流の一部を前記リヤダクトに向けて流す
   ように膨張波を発生させる、ことを特徴とする超音速気
   流の混合促進方法。