JP4196477B2

JP4196477B2 - 触媒式ガス発生器を利用したエキスパンダサイクルエンジン

Info

Publication number: JP4196477B2
Application number: JP13669399A
Authority: JP
Inventors: 彰吾藁科
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2019-05-18
Also published as: JP2000329004A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒式ガス反応器を備えたロケットエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体燃料と液体酸素を用いたロケットエンジンは、ガス押し方式とターボポンプ方式に大別することができる。ガス押し方式は、液体燃料及び液体酸素を加圧タンク内に収容し、ガス圧で燃焼器に供給して燃焼させる形式のロケットエンジンであり、構造がシンプルであるが、加圧タンクの肉厚が厚くなり、かつ大量の押しガスを必要とする加圧システムが必要になることから大型ロケットの場合全体重量が大きくなる欠点がある。これに対して、ターボポンプ方式は、液体燃料及び液体酸素を低圧タンク内に収容し、ターボポンプを用いて加圧して燃焼器に供給することから、タンクを軽量にでき、かつ加圧に必要なガス量は少量ですむことから、大型ロケットでも全体重量を小さくできる特徴がある。
【０００３】
ターボポンプ方式のロケットエンジンは、（ａ）エキスパンダサイクル、（ｂ）ＧＧサイクル、（ｃ）２段燃焼サイクルの３方式に大別できる。（ａ）のエキスパンダサイクルは、図２（Ａ）に模式的に示すように、２台のターボポンプ１，２と冷却ジャケット３ａを有する燃焼器３を備え、ターボポンプ１で加圧した液体燃料を燃焼器３の冷却ジャケット３ａ内で気化させ、このガスでターボポンプ１，２を回転駆動し、ガス化した燃料と液体酸素を燃焼器３に供給して燃焼ガスを発生させるようになっている。このサイクルは、比較的低推力（例えば１０〜１５トン）のエンジンに特に適している。
【０００４】
（ｂ）のＧＧサイクルは、図２（Ｂ）に模式的に示すように更にガスゼネレータ（ＧＧ）を備え、ターボポンプ１，２で加圧した液体燃料の一部を液体酸素の一部で燃焼させて高温ガス（例えば約９００℃）を発生させ、このガスでターボポンプ１，２を回転駆動し、残りの液体燃料と液体酸素を燃焼器３に供給して燃焼ガスを発生させるようになっている。
更に（ｃ）の２段燃焼サイクルは、図２（Ｃ）に模式的に示すように、補助燃焼器４（ガス発生器又はプリバーナと呼ぶ）を備え、冷却ジャケット３ａ内で気化した燃料ガスを少量の酸素で一旦燃焼させ、この燃焼で発生したガスでターボポンプ１，２を回転駆動し、その排ガスと余剰酸素を主燃焼器３に供給して燃焼ガスを発生させるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＧＧサイクルと２段燃焼サイクルは、エキスパンダサイクルに比較して大出力（例えば５０トン以上）に適するが、以下の問題点があった。
（１）２段燃焼サイクルでは補助燃焼器４にも点火システムが必要となりシステムが複雑になると同時に主燃焼器３との着火タイミングの合わせが困難であり、着火時に激しい温度ピークが発生し、タービンに損傷を与えるおそれがあった。また、適切な弁の選択／シーケンスが難しい問題点があった。
（２）ＧＧサイクルも着火時の温度ピーク発生のおそれが同様にあり、かつターボポンプ１，２を駆動した排ガスの圧力が低く、そのまま外部に排気するので、エンジン全体の性能が低く問題点があった。
【０００６】
（３）一方、エキスパンダサイクルは、これらの問題がなく、かつシンプルで信頼性が高いが、大出力化が困難である問題点があった。すなわち、図３に模式的に示すように、推力を大きくするほど、燃焼器の出口温度が低下する傾向を示し、ターボポンプ１，２の駆動に必要なガス温度が得られなくなる問題点があった。
言い換えれば、エキスパンダサイクルにおいてターボポンプ１，２を駆動するガス温度は、通常４００〜５００Ｋであるが、大型化するほど燃焼器の冷却で得られる熱量が不足し、このガス温度が低下するため、ターボポンプ１，２を充分に駆動できなくなる問題点があった。
【０００７】
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、ターボポンプに供給するガス温度を必要に応じて高めることができ、これにより、大型のターボポンプを駆動して大出力化が容易にできるエキスパンダサイクルエンジンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、液体燃料を加圧する燃料ターボポンプ（１２）と、液体酸素を加圧する酸素ターボポンプ（１４）と、燃料ターボポンプで加圧したガスをガス化する冷却ジャケット（１６ａ）を有する燃焼器（１６）と、ガス化した燃料ガスの一部を酸化して加熱する触媒式ガス発生器（１８）と、該触媒式ガス発生器に酸素を供給する酸素供給ライン（２０）とを備え、酸素供給ラインの酸素流量を調節して触媒式ガス発生器で加熱されるガス温度を制御し、該発生ガスにより、燃料ターボポンプ及び酸素ターボポンプを回転駆動する、ことを特徴とするエキスパンダサイクルエンジンが提供される。
【０００９】
上記本発明の構成によれば、燃料ターボポンプ（１２）で加圧し冷却ジャケット（１６ａ）でガス化した燃料ガスの一部を酸化して加熱する触媒式ガス発生器（１８）と、この触媒式ガス発生器に酸素を供給する酸素供給ライン（２０）とを備え、酸素供給ラインの酸素流量を調節して触媒式ガス発生器で加熱されるガス温度を制御し、この発生ガスにより、燃料ターボポンプ及び酸素ターボポンプを回転駆動するので、酸素供給ラインの酸素流量を増やして触媒式ガス発生器における燃料ガスの酸化を促進することにより、その出口ガスの温度を自由に高めることができる。従って、これにより、大型のターボポンプを駆動して大出力化が容易にできる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記触媒式ガス発生器（１８）は、内部に白金触媒を備える。この構成により、従来の補助燃焼器４のように点火システムは不要となり、酸素供給ラインの酸素流量により触媒式ガス発生器における反応量を自由に調節することができる。従って、酸素流量を徐々に増加させ、或いは必要最小限に保持することにより、反応開始時の温度上昇を穏やかにでき、タービンの損傷を防ぐことができる。
【００１１】
また、前記酸素供給ライン（２０）に、酸素流量を調節する流量調節器（２１）を備えることが好ましい。例えば、流量調節器として流量調節弁を用いることにより酸素流量を徐々に増減させて常に必要な温度を保持することができる。また、流量調節器として固定オリフィスを設けることにより、必要な熱バランスを達成できる温度以上にガス温度を保持することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態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、重複した説明を省略する。
図１は、本発明によるエキスパンダサイクルエンジンの全体系統図である。この図に示すように、本発明のエキスパンダサイクルエンジン１０は、燃料ターボポンプ１２、酸素ターボポンプ１４、燃焼器１６及び触媒式ガス発生器１８を備えている。
【００１３】
燃料ターボポンプ１２は、ポンプ１２ａとこれを回転駆動するタービン１２ｂとからなり、ポンプ１２ａで液体燃料（例えば液体水素、液化メタン）を加圧し、液体燃料ライン６ａを介して燃焼器１６の冷却ジャケット１６ａに供給するようになっている。
酸素ターボポンプ１４は、ポンプ１４ａとこれを回転駆動するタービン１４ｂとからなり、ポンプ１４ａで液体酸素を加圧し、液体酸素ライン７を介して燃焼器１６および触媒式ガス発生器１８に供給し、酸化剤として使用するようになっている。なお、図１で９ａ，９ｂ，２１はオリフィス又は弁或いはこれらの組合せである。
【００１４】
燃焼器１６は、このエンジンの主燃焼器であり、ガス化した燃料ガスを酸化剤（酸素）で燃焼させ、高温ガス（例えば約３０００℃）を発生させてこれを噴射し推力を得るようになっている。また、この燃焼器１６は、燃焼室を囲む冷却ジャケット１６ａを有し、この内部に供給する液体燃料により燃焼器本体を許容温度以下に保持するとともに、その熱で液体燃料を加熱してガス化し、燃料ガスライン６ｂを介して触媒式ガス発生器１８に供給するようになっている。
燃焼器１６の冷却ジャケット１６ａを出た燃料ガスの温度は、従来の小推力のエキスパンダサイクルエンジンでは４００〜５００Ｋであるが、大型化するほど燃焼器の冷却で得られる熱量が不足するため、例えば３００〜４００Ｋ程度である。
【００１５】
触媒式ガス発生器１８は、内部に反応触媒、例えば白金触媒を備えている。また、この触媒式ガス発生器１８に液体酸素ライン７から酸素を供給する酸素供給ライン２０を備える。更に、このライン２０には、酸素流量を調節する流量調節器２１が設けられている。この流量調節器２１は、例えば固定オリフィス或いは流量調節弁であるのがよい。
この構成により、流量調節器２１で流量を制御して酸素を供給することにより、触媒式ガス発生器１８における触媒反応（酸化反応）の反応量を自由に調節することができる。従って、酸素流量を徐々に増加させ、或いは必要最小限に保持することにより、反応開始時の温度上昇を穏やかにでき、タービンの損傷を防ぐことができる。
【００１６】
なお、図１の例では、液体酸素を直接触媒式ガス発生器１８に供給しているが、酸素供給ライン２０の一部を燃焼器１６のまわりに設置し、液体酸素をガス化して供給するようにしてもよい。これにより、触媒式ガス発生器１８での触媒反応をより効率よく行うことができる。
【００１７】
本発明のエキスパンダサイクルエンジン１０は、更に、触媒式ガス発生器１８を出た高温の燃料ガスを燃料ターボポンプ１２及び酸素ターボポンプ１４のタービン１２ｂ，１４ｂに供給する燃料ガスライン８ａと、タービン１２ｂ，１４ｂを通過した燃料ガスを燃焼器１６に供給する燃料ガスライン８ｂとを備える。この構成により、触媒式ガス発生器１８で加熱された燃料ガスでタービン１２ｂ，１４ｂを回転駆動し、圧力が下がった燃料ガスを燃料ガスライン８ｂを介して燃焼器１６に供給し、酸化剤（酸素）で燃焼させ、高温ガス（例えば約３０００℃）を発生させて推力を得ることができる。
【００１８】
上述した本発明の構成により、エキスパンダエンジンとしてマッチングがとれている運転状態の時に触媒式ガス発生器１８に酸素供給ライン２０を介して少量の酸素を送り込むことにより、白金による触媒反応によりタービン駆動ガスの温度が上昇する。この温度上昇によりタービンの駆動能力が増加し、エンジン全体がパワーアップされる。従って、これにより、従来方式ではエネルギーバランスの制約から実現できなかったエキスパンダエンジンの大型化が可能となる。また２段燃焼サイクルエンジンに比べシステムが簡単である。更に姿勢制御用のパルスエンジンへの展開も可能である。
【００１９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明のエキスパンダサイクルエンジンは、ターボポンプに供給するガス温度を必要に応じて高めることができ、これにより、大型のターボポンプを駆動して大出力化が容易にできる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエキスパンダサイクルエンジンの全体系統図である。
【図２】従来のターボポンプ方式のロケットエンジンの系統図である。
【図３】推力と燃焼器の出口温度との関係図である。
【符号の説明】
１，２ターボポンプ
３燃焼器（主燃焼器）
３ａ冷却ジャケット
４補助燃焼器（ガス発生器又はプリバーナ）
６ａ液体燃料ライン
６ｂ燃料ガスライン
７液体酸素ライン
８ａ，８ｂ燃料ガスライン
９ａ，９ｂオリフィス
１０エキスパンダサイクルエンジン
１２燃料ターボポンプ
１４酸素ターボポンプ
１６燃焼器
１６ａ冷却ジャケット
１８触媒式ガス発生器
２０酸素供給ライン
２１流量調節器

Claims

液体燃料を加圧する燃料ターボポンプ（１２）と、液体酸素を加圧する酸素ターボポンプ（１４）と、燃料ターボポンプで加圧した流体をガス化する冷却ジャケット（１６ａ）を有する燃焼器（１６）と、ガス化した燃料ガスの一部を酸化して加熱する触媒式ガス発生器（１８）と、該触媒式ガス発生器に酸素を供給する酸素供給ライン（２０）とを備え、酸素供給ラインの酸素流量を調節して触媒式ガス発生器で加熱されるガス温度を制御し、該発生ガスにより、燃料ターボポンプ及び酸素ターボポンプを回転駆動する、ことを特徴とするエキスパンダサイクルエンジン。
前記触媒式ガス発生器（１８）は、内部に白金触媒を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のエキスパンダサイクルエンジン。
前記酸素供給ライン（２０）に、酸素流量を調節する流量調節器（２１）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のエキスパンダサイクルエンジン。