JPH09511321A - 保炎器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特にラムジェットエンジンおよびターボジェットエンジンのアフターバーナー用の保炎器であって、エンジンの中心軸線と同軸かつ円周状に離間して配置した多数の薄い壁の金属製ガイドベーン(4)を設けた環状体(2)を具え、上流に燃料ノズル(1)を取り付け、かつ下流に乱流による燃焼安定化領域を形成し、前記ガイドベーン(4)を中空かつ相対的に大容積とし、またこれを必要に応じてその内部に空気流を通過させることにより冷却し、さらに前記ガイドベーン(4)をセラミック材料により保護する。前記ガイドベーン内部への燃料−空気の混合物の侵入による、前記ガイドベーン内部のクラックの発生と、それによるガイドベーン内部での混合気の破壊的な燃焼を避けるため、本発明ではセラミック材料を閉じた箱状の挿入体(3)として作製し、これをガイドベーン内部の空洞内に配置し、挿入体の外表面全体をガイドベーン壁の内面に亘って密着するように配置し、空気流を通過させることにより冷却を行う場合に、挿入体を中空とするか、あるいは挿入体にガイドベーン壁部の空気の流れる開口部と一致するように開口部を設ける、または挿入体を多孔質のセラミック材料を内部に詰める、あるいは全体を多孔質材料で形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 保炎器 本発明は、保炎器、特にラムジェットエンジンおよびターボジェットエンジン のアフターバーナー用の保炎器に関するものであり、エンジンの中心軸線に対し て同軸かつ内側に円周状に離間して配置した多数の薄い壁の金属製ガイドベーン を設けた環状体を具え、上流に燃料ノズルを取り付け、かつ下流に乱流による燃 焼安定化領域を形成し、前記ガイドベーンを中空かつ相対的に大容積とし、また 前記ガイドベーンを、必要に応じてその内部に気流を通過させることにより冷却 し、さらに前記ガイドベーンをセラミック材料により保護するものである。 保炎器の機能は、特にジェットエンジンのアフターバーナーのみならず、宇宙 推進用のラムジェットエンジンのような他種のエンジンにおいて、気流に乱れと 伴流を生成するものである。乱流域において、燃料と空気の混合ガスは、エンジ ンから流出する前の着火時間を有する。これによってエンジン内での燃焼が保た れ、付加的な推力が備わる。保炎器は、高温かつ急速に温度が変化する高速ガス 流にさらされる。火炎からの熱放射は、直接下流に非常に高い表面温度をもたら す。タービン出口から流出する中心部のエンジンガスの温度は約 900℃になる。 さらに、冷たい燃料を燃料ノズルを通して直接保炎器の上流に供給すると、熱衝 撃効果が生じる。今日、保炎器は、ZrO₂からなる、熱的に絶縁させる表面層を有 する金属材料から作られる。 保炎器の耐用年数は、熱機械的疲労(thermo-mechanical fatigue)と組合わさ った高温腐食と酸化により決まる。保炎器の耐用年数を増加させるため、モータ ーによるファンからの空気の補助による冷却を行う。このことは、国際特許出願 公開WO 92/21872に記載されている。より良い、または改善された耐用年数を得 るために、全体をセラミック複合材料で作製した保炎器が提案され、試験が行わ れている。しかし、セラミック材料の不確定な物性データと脆性のため、こうし た形式の保炎器は、従来のものよりも信頼性が劣っている。 保炎器は、Ｖ字型の断面形状を有する環状の本体、または気流がらせん運動す るように案内するガイドベーンから作製してもよい。ガイドベーンに関する限り 、これらはしばしば大きな内容積を有し、内部は閉鎖されている、あるいは冷却 用のタービン出口ガスの流れが通過するようになっている。冷却用の液体燃料か ら受ける熱ショックによりガイドベーンの前縁に割れが生じたため、燃料−空気 の混合ガスがガイドベーン内に入り込み、ガイドベーン内部で燃焼し始めること がありうる。これは前記ガイドベーンの急速な破壊的燃焼をもたらし、そのため 火炎を保持する機能は、もはや保証されない。 米国特許第 2,964,907号の、ジェットエンジンのアフターバーナー用保炎器は 公知であり、この保炎器はＶ字型の断面形状を有し、このＶ字型の入口部を冷却 するために取り付けた、29個のセラミック材料からなる本体を円周状に離間して 配置する。米国特許第2,964,907号の、ガイドベーンの設計もまた公知であり、 ここではガイドベーン全体をセラミック材料で作製する。最後に、スイス特許第 559,882号の、多孔質セラミック材料の充填物を具える燃焼器の設計もまた公知 である。 したがって、本発明の主な目的は、従来の構造の欠陥を取り除いた保炎器を提 案することである。本発明によれば、これは、ガイドベーンの空洞内に、セラミ ック材料を、閉じた箱状の挿入体として作製することにより実質的に達成され、 挿入体の表面をガイドベーンの内壁表面の全てにおいて密着して配置し、かつ挿 入体を中空にする、または空気流により冷却を行う場合には、挿入体が、ガイド ベーン壁の空気が通過する開口部と一致する開口部を有する、或いはガイドベー ン内部に多孔質材料を詰める、またはガイドベーン全体を多孔質材料で形成する 。本発明により、金属製ガイドベーン壁に割れが生じた場合に、燃料−空気の混 合ガスが前記壁の内部に侵入し、そこで燃焼することを効果的に避けることが可 能となる。 実施例により、本発明を添付の図面を参照してさらに述べる。図１は、本発明 に係るアフターバーナー用保炎器を有するジェットエンジンを、一部を断面で示 す立面図であり、図２は、図１に示す保炎器の断面を拡大して示すものである。 図３は、本発明に係るガイドベーンの断面および端面を示し、図４は本発明に係 る、図３に示すガイドベーンを具える保炎器の斜視図である。図５は、本発明に 係る保炎器における金属とセラミックスの、種々の可能な組み合わせを示すもの である。図６および７は、本発明に係るガイドベーンの、空気による冷却の形態 を、長手方向の図および断面図でそれぞれ示すものである。 図１は、ターボジェットエンジンを、その内部に配置したアフターバーナー部 を図示するために、一部を断面とした横立面図を示す。前記アフターバーナー部 においては、エンジンの中心軸線と同軸に、Ｖ字型の断面を有する環状の保炎器 ２が取り付けられている。保炎器２の上流には、アフターバーナー部に含まれる パイロットノズル１が配置され、また保炎器の環状の本体には、薄い壁の金属製 ガイドベーン４が、多数円周状に配置されている。本発明によれば、ガイドベー ン内側の空洞部には、繊維強化セラミック材料からなる、閉じた箱状の挿入体３ が配置されている。前記挿入体の外表面は、本質的に前記内側空洞部の境界壁の 外形に沿ったものであり、挿入体自身を中空にすることができる。 図３および４より、保炎器が、どのように円周状に配置した多数のガイドベー ン４を具えるか、がより明確になる。図３の端面図より最も明確になるように、 前記ガイドベーンは広がった翼形状を有し、したがってその内容積は大きくなり 、本発明によれば、前記容積は、それ故、ガイドベーン壁の内側表面全体に密着 して配置する、周縁形状を有する繊維強化セラミック体３を収容する。 上述した繊維強化セラミック体は、ここでは、保炎器の破壊的な燃焼の危険性 を本質的に減少させるために設けられ、これは、既に公知で、かつ現存している シート状金属構造の保炎器に使用することが可能である。この場合、繊維強化セ ラミック体は、金属構造の内部に完全に埋め込まれ、荷重を受ける構造要素とし て働く必要はない。それ故、本発明に係る保炎器は非常に信頼性が高い。 本発明に係る装置で使用可能なセラミック材料は、第一に、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃ またはムライト（または他の炭化物、窒化物、酸化物または硼化物）の連続的 な繊維を、同じ材料グループのセラミック製マトリックス中に有するセラミック 複合材料である。使用可能なセラミック複合材料の例として、SiC_f／Si₃N₄、SiC_f ／Al₂O₃およびSiC_f／SiC がある。ここで、添字ｆは繊維を意味する。また、繊 維強化しない、モノリシック状のセラミックを使用してもよい。図５ａに示す例 は、保炎器のガイドベーン４のためのセラミック挿入体３を示すもの である。 さらに実施可能な例を図５ｂに示すが、これは、通常約80％の多孔度(porosit y)を有する、多孔質の真空成型した繊維強化体３を、図２に示すようなガイドベ ーン内部に完全に詰めたものである。前記繊維強化体３は、例えばAl₂O₃、SiO₂ 、ムライト、ZrO₂、またはアルミニウムケイ酸塩ガラス(aluminium silicate gl ass)（または、もう一種類の酸化物、炭化物、窒化物または硼化物）の緩く織っ た(loose-wool type)繊維を含み、SiO₂ゾルのような無機バインダーと共に真空 成型したものである。こうした形式の材料は、オーブンや宇宙船での熱防護とし ての使用により、以前に公知となっているものである。 セラミック挿入体３と多孔質の繊維強化体とを組み合わせることもまた可能で ある。セラミック挿入体は、このとき、図３および図５ｃに示すように、最も荷 重のかかるガイドベーン４の表面を支持する。 本発明においては、高温でのセラミック材料の形状安定性(form stability)が 、前記セラミック材料を、通常の動作条件での荷重を受ける部材として依存せざ るを得なくなることなしに使用する。 図６および７は、ガイドベーンの実施例を示し、このガイドベーンは、その内 部を通過する熱い空気流によって冷却される。この場合、挿入体３は中空であり 、前記空気流のための適切な流入口および流出口を設ける。この流入口および流 出口は、上流側の流入部９および下流側の火炎域10での、ガイドベーン壁の周囲 の対応する開口部と一致するものである。 以下に、本発明の適用試験例を述べる。例１． 図３に示す形状を有するセラミック挿入体を、セラミック複合材料で作製した 。この複合材料は、米国デュポン ランザイド コンポジット Ｉｎｃ．(DuPon t Lanxide Composites，Inc.，USA)によるDimox 法により製造したSiC ファイバ ー／Al₂O₃マトリックスである。前記挿入体を、図３および４に示すように保炎 器のガイドベーン内部に配置した。ガイドベーンは、セラミック挿入体無しに製 造した場合と同様な方法で、溶接およびろう付けを行った。金属製ケーシングは 全く開口部を有さない、すなわち、非冷却のものである。またセラミック挿入体 も、開口部または孔無しに製造する。この保炎器をターボジェットエンジンのア フターバーナー部に取り付けた。エンジン試験の結果、保炎器用ガイドベーンの 耐用年数および形状安定性が本質的に増加することが示された。例２． 図３に示す形状を有するセラミック挿入体を、セラミック複合材料で作製した 。この複合材料は、米国デュポン ランザイド コンポジット Ｉｎｃ．による Dimox 法により製造したSiC ファイバー／Al₂O₃マトリックスである。前記挿入 体を、図３に示すように保炎器のガイドベーン内部に配置した。ガイドベーンは 、セラミック挿入体無しに製造した場合と同様な方法で、溶接およびろう付けを 行った。金属製ケーシングを、ケーシングの連通孔にタービンの排気ガスを流す ことにより冷却した。この保炎器をターボジェットエンジンのアフターバーナー 部に取り付けた。エンジン試験の結果、保炎器用ガイドベーンの耐用年数および 形状安定性が本質的に増加することが示された。例３． 図３に示す形状を有するセラミック挿入体を、セラミック複合材料で作製した 。この複合材料は、スウェーデンＡＢＢ セラマ ＡＢ(ABB Cerama AB，Sweden )による、熱間静水圧プレス法（ＨＩＰ）により製造したＣファイバー／Si₃N₄マ トリックスである。前記挿入体を、図３に示すように保炎器のガイドベーン内部 に配置した。ガイドベーンは、セラミック挿入体無しに製造した場合と同様な方 法で、溶接およびろう付けを行った。金属製ケーシングは全く開口部を有さない 、すなわち、非冷却のものである。またセラミック挿入体も、孔または開口部無 しに製造する。この保炎器をターボジェットエンジンのアフターバーナー部に取 り付けた。エンジン試験の結果、保炎器用ガイドベーンの耐用年数および形状安 定性が本質的に増加することが示された。例４． 図３に示すセラミック挿入体を、ガイドベーン側壁のみの形状に、セラミック 複合材料で作製した。この複合材料は、米国デュポン ランザイド コンポジッ ト Ｉｎｃ．によるDimox 法により製造したSiC ファイバー／Al₂O₃マトリック スである。ガイドベーンの中心部に、米国カーボランダム社(Carborundum，USA) の"Fiberfrax"と呼ばれるアルミニウムケイ酸塩ガラスとムライトの複合材の、 ファイバーを分離させたブロックを詰めた。この挿入体を、図３に示すような保 炎器のガイドベーン４内に配置した。ガイドベーン４を、セラミック挿入体が無 い場合と同様な方法で溶接およびろう付けした。前記金属製ケーシングは開口部 を有さない、すなわち、非冷却のものである。保炎器をターボジェットエンジン のアフターバーナー部に取り付けた。エンジン試験の結果、保炎器用ガイドベー ンの耐用年数および形状安定性が本質的に増加することが示された。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 入体を多孔質のセラミック材料を内部に詰める、あるい は全体を多孔質材料で形成する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特にラムジェットエンジンおよびターボジェットエンジンのアフターバーナ ー用の保炎器であって、エンジンの中心軸線と同軸かつ円周状に離間して配置し た多数の薄い壁の金属製ガイドベーン(4)を設けた環状体(2)を具え、上流に燃料 ノズル(1)を取り付け、かつ下流に乱流による燃焼安定化領域を形成し、前記ガ イドベーン(4)を中空かつ相対的に大容積とし、また前記ガイドベーン(4)を必要 に応じてその内部に空気流を通過させることにより冷却し、さらに前記ガイドベ ーン(4)をセラミック材料により保護する保炎器において、セラミック材料を閉 じた箱状の挿入体(3)として作製し、ガイドベーンの空洞部内に、該挿入体の外 表面全体がガイドベーン内壁に密着するように配置し、挿入体自体が中空である 、または空気流により冷却する場合に、挿入体にガイドベーン壁部の空気の流れ る開口部と一致するように開口部を設け、または挿入体を多孔質のセラミック材 料を内部に詰める、あるいは全体を多孔質材料で形成することを特徴とする保炎 器。