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公開番号2025062456
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-14
出願番号2023171548
出願日2023-10-02
発明の名称正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター
出願人江蘇大学
代理人SK弁理士法人,個人,個人
主分類F02K 9/52 20060101AFI20250407BHJP(燃焼機関;熱ガスまたは燃焼生成物を利用する機関設備)
要約【課題】気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクターを提供する。
【解決手段】ピントルロッド1とピントルロッド1の外側周囲に同軸的で順次配列した内側スリーブ2及び外側スリーブ3を設ける。また、ピントルロッド1の頭部端面には超小孔径の噴射孔11を設ける。ピントルロッド1は液体の非旋回流動を提供し、内側スリーブ2及び外側スリーブ3は、気体の旋回流動を提供する。内側スリーブ2及び外側スリーブ3には旋回流方向が逆である2本の径方向多層旋回流構造を配置することで内側と外側に層が分けられた気相旋回流を形成する。気相旋回流の内側がピントルロッド1の頭部の径方向の液体噴流と衝突して噴霧を強化し、気相旋回流の外側は噴霧の霧化の周方向の不均一さを減少する。超小孔径の噴射孔11からの噴射霧化による液滴の蒸発吸熱作用はピントルをアブレーションから保護する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
気液ピントルインジェクターであって、前記気液ピントルインジェクターは、ロケット推進設備に用いられ、ピントルロッド（１）、ピントルロッド（１）の外側周囲に同軸的であり且つ順次配列した内側スリーブ（２）及び外側スリーブ（３）が設けられ、当該ピントルロッド（１）は、液体の非旋回軸方向流動を提供するために用いられ、当該内側スリーブ（２）及び外側スリーブ（３）は、気体の旋回軸方向流動を提供するために用いられる正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクターにおいて、
内側スリーブ（２）及び外側スリーブ（３）内には、旋回流方向が逆である２本の径方向多層旋回流が配置され、それにより旋回流方向が逆である内側と外側に層が分けられた気相旋回流構造が形成され、当該気相旋回流の内側がピントルロッド（１）の頭部の径方向の液体噴流と衝突することで、噴霧を強化し、当該気相旋回流の外側は、噴霧の霧化の周方向の不均一さを弱めることができ、前記ピントルロッド（１）の頭部の端面に超小孔径の噴射孔（１１）が開設され、前記超小孔径の噴射孔（１１）から噴射して形成される霧化液滴の蒸発吸熱作用で、ピントルロッド（１）をアブレーションから保護し、前記ピントルロッド（１）の頭部の径方向の液体噴流がピントルロッド（１）の頭部に円周アレイに配列した開口形状を矩形とする噴射孔（７）から噴出される、ことを特徴とする正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
続きを表示（約 2,700 文字）【請求項２】
前記ピントルロッド（１）の中心にピントルロッド内流路（１０）が開設され、ピントルロッド（１）と内側スリーブ（２）との間に環状の軸方向の内側スリーブ内流路（８）が設けられ、内側スリーブ（２）と外側スリーブ（３）との間に環状の軸方向の外側スリーブ内流路（９）が設けられ、当該内側スリーブ内流路（８）と外側スリーブ内流路（９）の出口端は、同じ高さであり、且つピントルロッド内流路（１０）の出口端は、内側スリーブ内流路（８）と外側スリーブ内流路（９）の出口端の外側に設定距離だけ突出する、ことを特徴とする請求項１に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
【請求項３】
前記設定距離は、ピントルロッド（１）の外径に等しく、好ましくは、１２ｍｍであるが、これに限定されない、ことを特徴とする請求項２に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
【請求項４】
当該気液ピントルインジェクターは、軸方向に沿って上から下に順次、ピントルロッド（１）、内側スリーブ（２）、及び外側スリーブ（３）の３つの部分を含み、ピントルロッド（１）には、液体の非旋回流動を提供するための液体径方向入口（４）及び径方向入口集液チャンバー（４－１）が設けられ、当該径方向入口集液チャンバー（４－１）は、ピントルロッド内流路（１０）に接続され、内側スリーブ（２）には、気体の旋回流動を提供するための気体正旋回接線入口（５）及び正旋回接線入口集気チャンバー（５－１）が設けられ、当該正旋回接線入口集気チャンバー（５－１）が前記内側スリーブ内流路（８）に接続され、外側スリーブ（３）には、気体の旋回流動を提供するための気体逆旋回接線入口（６）及び逆旋回接線入口集気チャンバー（６－１）が設けられ、当該逆旋回接線入口集気チャンバー（６－１）が前記外側スリーブ内流路（９）に接続され、前記ピントルロッド（１）と内側スリーブ（２）との間、内側スリーブ（２）と外側スリーブ（３）との間は、それぞれフランジにより接続され、前記正旋回は、平面視で時計回り方向に回転させることであり、前記逆旋回は、平面視で反時計回り方向に回転させることである、ことを特徴とする請求項２に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
【請求項５】
前記旋回流方向が逆である内側と外側に層が分けられた気相旋回流構造は、ピントルロッド（１）、内側スリーブ（２）、外側スリーブ（３）、内側スリーブ（２）に開設された気体正旋回接線入口（５）及び正旋回接線入口集気チャンバー（５－１）、外側スリーブ（３）に開設された気体逆旋回接線入口（６）及び逆旋回接線入口集気チャンバー（６－１）、及びピントルロッド（１）と内側スリーブ（２）との間の内側スリーブ内流路（８）、内側スリーブ（２）と外側スリーブ（３）との間の外側スリーブ内流路（９）により形成され、前記気体正旋回接線入口（５）と気体逆旋回接線入口（６）とは、接線入口が互いに平行であり且つ方向が逆である、ことを特徴とする請求項４に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
【請求項６】
前記ピントルロッド内流路（１０）の長さは、好ましくは、８０～１００ｍｍであるが、これに限定されず、内側スリーブ内流路（８）の長さは、好ましくは、６５～７５ｍｍであるが、これに限定されず、外側スリーブ内流路（９）の長さは、好ましくは、５０～６０ｍｍであるが、これに限定されない、ことを特徴とする請求項２に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
【請求項７】
当該気液ピントルインジェクターは、２成分推進剤で噴射し、２成分推進剤は、液体推進剤Ａと気体推進剤Ｂに分けられ、前記ピントルロッド内流路（１０）は、前記液体径方向入口（４）を介して液体推進剤Ａの供給システムに接続され、前記内側スリーブ内流路（８）及び前記外側スリーブ内流路（９）は、それぞれ、気体正旋回接線入口（５）及び気体逆旋回接線入口（６）を介して気体推進剤Ｂに接続される、ことを特徴とする請求項４に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
【請求項８】
前記内側スリーブ内流路（８）の出口気流の噴射速度は、好ましくは、１５０～２５０ｍ／ｓであるが、これに限定されず、外側スリーブ内流路（９）の出口気流の噴射速度は、好ましくは、１５０～２５０ｍ／ｓであるが、これに限定されず、ピントルロッド内流路（１０）の開口形状を矩形とする噴射孔の出口の液体噴射速度は、好ましくは、２０～４０ｍ／ｓであるが、これに限定されない、ことを特徴とする請求項２に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
【請求項９】
前記ピントルロッド（１）の頭部の端面に超小孔径の噴射孔（１１）が開設され、これらの超小孔径の噴射孔（１１）は、設定された各半径の異なる周方向に均一に分布し、且つ設定された各半径の異なる周方向に均一に分布する超小孔径の噴射孔の数が互いに等しい、ことを特徴とする請求項１に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。
【請求項１０】
前記ピントルロッド（１）の頭部の端面に開設された超小孔径の噴射孔（１１）の数と直径は、液体推進剤Ａの質量流量を可能な限り少なく消費及び影響すると同時に、液滴の蒸発吸熱作用でピントルをアブレーションから保護できることを設定基準とし、前記ピントルロッド（１）の頭部の端面における超小孔径の噴射孔（１１）の直径は、好ましくは、０．０６～０．１ｍｍであるが、これに限定されない、ことを特徴とする請求項１に記載の正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクター。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本願は、回収可能な可変流量調節式ロケット推進設備の技術分野に属し、具体的には、正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクターに関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
本発明は、ロケット推進技術に関し、燃料が気／液噴射の形を採用し、特に長期貯蔵可能な環境配慮型の常温燃料系（例えば過酸化水素／灯油、亜酸化窒素／プロパン）に適用し、低温液体酸素燃料を使用するシステムの複雑性を回避し、現在の小流量ロケットの開発要求を満たし、インジェクター頭部の噴霧冷却の多層旋回流を採用して噴霧燃焼を強化する気／液ピントルインジェクターである。ピントルインジェクターは、その構造がシンプルで、流量の連続的な調節可能、及び燃焼安定性などの一連の優位性により、公知のロケット可変推力の好適な選択である。
【０００３】
気／液噴射（一般的には、気体は、軸方向に噴射する）は、液／液噴射よりも、高速で噴射された気体による剪断作用が液体燃料噴流をより容易に分裂できるという優位性を有する。先行授権特許の「旋回流により霧化を補助し且つ旋回流度の調節可能な気／液ピントルインジェクター」には、従来の（軸方向）気／（径方向）液ピントルインジェクターに対する改良により、従来の気／液ピントルインジェクターの軸方向の気体の噴射速度が大きすぎることに起因する噴霧分布特性の悪さを効果的に解決できるという問題が記載され、軸方向の気体は、旋回流噴射を採用し、軸方向の運動量を減少させて噴霧の円錐角を増加させるとともに、旋回流の周方向の剪断作用を利用して霧化を補助する一方、内側スリーブ及び外側スリーブによりそれぞれ形成される軸方向の流路に基づいて、それぞれの流量を合理的に分配することにより、気相旋回流度の調節可能なことを実現し、最適な噴霧の円錐角及び霧化特性を実現し、噴射面積及び噴射速度の構造パラメータ設計に対する適合要求を簡略化し、さらに、気相旋回流により形成される中心気核低圧領域を利用し、径方向の液体噴流の一部を外側スリーブに引き込み、噴流の根元部の分裂を促進し、気体により霧化を補助することを実現する。
【０００４】
しかしながら、当該発明は、原理設計、構造設計及び実際の燃焼室シーンでの応用設計において、以下の不足が存在し、
１つ目は、軸方向旋回流気体は、単一の接線孔入口を採用し、当該旋回流は、１つの回転方向のみを有し、ピントルの軸方向の長さ又は気体の軸方向の流路が十分に長くない場合に、配管内の旋回流が十分に進行せず、気体速度が環状隙間出口の周方向に不均一となり、それにより、気体がピントル頭部の径方向噴流と衝突した後に、噴霧形態が非軸対称と非均一な空間分布を呈し、これが燃焼室の噴霧燃焼に影響を与え、
２つ目は、旋回流気体を採用して霧化を補助すると、噴霧特性が改善されるが、噴流の径方向及び軸方向の分裂距離が小さくなり、噴霧高濃度領域及びその後の噴霧燃焼領域がピントル頭部に近づき、ピントル頭部のアブレーションが発生しやすく及び耐用年数に影響を与える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来技術に存在する不足に対し、正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクターを提供し、１つ目の目的は、従来技術の一方向旋回流気体がピントルロッド頭部の径方向噴流と衝突することによる噴霧形態が非軸対称と非均一な空間分布を呈し、及び燃焼室の噴霧燃焼に悪影響を与えるという問題を解決することであり、２つ目の目的は、噴流の径方向及び軸方向の分裂距離が小さくなり、噴霧高濃度領域及びその後の噴霧燃焼領域がピントルロッド頭部に近づき、ピントル頭部のアブレーションが発生しやすく及び耐用年数に影響を与えるという問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願は、その技術的問題を解決するために以下の技術的解決手段を採用し、
正逆旋回流により噴霧燃焼を強化して気液ピントルインジェクターのピントルロッドの頭部を冷却する気液ピントルインジェクターであって、当該気／液ピントルインジェクターは、ロケット推進設備に用いられ、ピントルロッド、ピントルロッドの外側周囲に同軸的であり且つ順次配列した内側スリーブ及び外側スリーブが設けられ、当該ピントルロッドは、液体の非旋回流動を提供するために用いられ、当該内側スリーブ及び外側スリーブは、気体の旋回流動を提供するために用いられ、
内側スリーブ及び外側スリーブ内には、旋回流方向が逆である２本の径方向多層旋回流が配置され、それにより内側と外側に層が分けられた気相旋回流構造が形成され、当該気相旋回流の内側がピントルロッド頭部の径方向の液体噴流と衝突することで、噴霧を強化し、当該気相旋回流の外側は、噴霧の霧化の周方向の不均一さを弱めることができ、前記ピントルロッド頭部の端面に超小孔径の噴射孔が開設され、超小孔径の噴射孔から噴射して形成される霧化液滴の蒸発吸熱作用で、ピントルをアブレーションから保護し、前記ピントルロッド頭部の径方向の液体噴流がピントルロッド頭部に円周アレイに配列した開口形状を矩形とする噴射孔から噴出されることを特徴とする。
【０００７】
さらに、前記ピントルロッドの中心にピントルロッド内流路が開設され、ピントルロッドと内側スリーブとの間に内側スリーブ内流路が開設され、内側スリーブと外側スリーブとの間に外側スリーブ内流路が設けられ、当該内側スリーブ内流路と外側スリーブ内流路の出口端は、同じ高さであり、且つピントルロッド内流路の出口端は、内側スリーブ内流路と外側スリーブ内流路の出口端の外側に設定距離だけ突出する。
【０００８】
さらに、前記ピントルロッド内流路の出口端は、内側スリーブ内流路と外側スリーブ内流路の出口端の外側に設定距離だけ突出し、当該設定距離は、ピントルロッドの外径に等しく、好ましくは、１２ｍｍであるが、これに限定されない。
【０００９】
さらに、当該気液ピントルインジェクターは、軸方向に上から下に順次、ピントルロッド１、内側スリーブ、及び外側スリーブという３つの部分を含み、ピントルロッドには、液体の非旋回流動を提供するための液体径方向入口及び径方向入口集液チャンバーが設けられ、且つ当該径方向入口集液チャンバーは、ピントルロッド内流路に接続され、内側スリーブには、気体の旋回流動を提供するための気体正旋回接線入口及び正旋回接線入口集気チャンバーが設けられ、且つ当該正旋回接線入口集気チャンバーが前記内側と外側に層が分けられた気相旋回流構造内側の内側スリーブ内流路に接続され、外側スリーブには、気体の旋回流動を提供するための気体逆旋回接線入口及び逆旋回接線入口集気チャンバーが設けられ、且つ当該逆旋回接線入口集気チャンバーが前記内側と外側に層が分けられた気相旋回流構造外側の外側スリーブ内流路に接続され、前記ピントルロッドと内側スリーブとの間、内側スリーブと外側スリーブとの間は、それぞれフランジにより接続され、前記正旋回は、平面視で時計回り方向に回転させることであり、前記逆旋回は、平面視で反時計回り方向に回転させることである。
【００１０】
さらに、前記旋回流方向が逆である内側と外側に層が分けられた気相旋回流構造は、ピントルロッド、内側スリーブ、外側スリーブ、内側スリーブに開設された気体正旋回接線入口及び正旋回接線入口集気チャンバー、外側スリーブに開設された気体逆旋回接線入口及び逆旋回接線入口集気チャンバー、及びピントルロッドと内側スリーブとの間の内側スリーブ内流路、内側スリーブと外側スリーブとの間の外側スリーブ内流路からなり、前記気体正旋回接線入口と気体逆旋回接線入口とは、接線入口が平行であり且つ方向が逆である。
（【００１１】以降は省略されています）

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