JPS6022962B2 - 蒸気発生器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、噴射ヘッドから水素ガス及び酸素ガスを燃焼
室へ導入してそこで燃焼させることができ、また燃焼室
に水噴射口を設けた、水蒸気を発生させるための蒸気発
生器に関するものである。

このような蒸気発生器はドイツ特許第１３０１８２１号
から公知である。このような蒸気発生器の燃焼室では原
則として完全には凝縮不能な推進剤を燃焼させ、燃焼ガ
スを燃焼室から排出口にむかつて流動させる。流路に沿
って導路縮径部の高さに設けた燃焼室側壁の孔から燃焼
ガス中へ水を噴射すると、燃焼ガスの高温で水が蒸発す
る。この装置で得られる高温蒸気は特に高度シミュレー
ション装置を操作するためのェゼクタ駆動に利用される
。このようなロケットエンジン燃焼室はまた、夕−ビン
に利用できる蒸気の発生にも好適である。

この場合、燃焼室から発生するガスが完全凝縮可能であ
ることが必要条件であり、燃焼残留ガスがあってはなら
ない。この条件か、燃焼ガスとして、化学量論的な比率
で配分された水素及び酸素を使用すれば極めて効用的に
満たすことができる。即ち、完全燃焼すれば水が発生す
るからである。高温燃焼ガスに水を添加することにより
燃焼ガスの温度が同時に低下するから、９００℃程度の
タービン駆動に適した温度になる。このような燃焼室の
効率は、噴射される水を高温の燃焼ガスとできるだけ均
等に接触させることができれば好ましい蒸発速度が得ら
れるから当然高くなる。

本発明の目的は、高温燃焼ガス中に蓄積されている熱エ
ネルギーを極めて有効に利用できる蒸気発生器を提案す
ることにある。

この目的は、本発明により、燃焼室長手軸線と直交する
平面内に、少なくとも１本の管から構成される管組立体
を配置し、この管組立体の各管の内部を壁により噴射ヘ
ッド側の第１部分室及び噴射ヘッドとは反対側の第２部
分室に区分したことと、第１部分室に冷水餅聯合導管及
び冷水排出導管を設けることにより第１部分室に冷水を
貫流させ得るようにしたことと、第２部分室に給水導管
を且つ噴射ヘッドとは反対の側に孔を設けることにより
第２部分室を介して燃焼室へ水を噴射させ得るようにし
たことを特徴とする頭書のような蒸気発生器によって達
成される。

このように構成すれば、特に燃焼室内部が高圧の場合、
燃焼室の全口径に亘つて燃焼ガスに水を導入することが
でき、また噴射ヘッドに冷水を通すことで燃焼室へ突出
している管を充分に冷却することができる。

好ましくは、第２部分室を閉止自在な給水導管を介して
第１部分室の冷水排出導管と蓮通させる。

この場合、管の冷却に利用されて加熱された水は噴射水
として利用できる。更にまた別の実施態様では、複数の
管を組合わせて１つの管細立体を構成し、個々の管の間
に燃焼ガスが貫流するための場所を残すことができる。

例えば管組立体を互いに直交する２本の管、または燃焼
中心に集合され且つそれぞれ１２００ずつずれた３本の
管で構成することができる。管組立体を複数の平行な管
及び直交する複数の管で構成することも可能である。好
ましくは、噴射ヘッドに競結金属から成る噴射板を設け
、この噴射板を酸素噴射導路及び必要に応じて水噴射導
路が貫通するように構成し、前記噴射板により水素供給
導管と蓮適する噴射ヘッド空洞を燃焼室に対して閉止す
るようにする。

即ち、このように構成すれば水素が燃焼室の全断面に百
つて極めて均等に燃焼室へ導入され、燃焼ガスが充分に
混合される。燃焼板によって形成されるガスクッション
は断熱作用をも果す。即ち、噴射板を高温の燃焼ガスか
ら遮断する。以下添付図面に従って本発明の好ましい実
施例を詳述する。

第１図には蒸気発生器を示してあり、これはケーシング
２に囲まれた燃焼室１を含む。

燃焼室１の断面は円形であることが好さしい。燃焼室は
一端を噴射ヘッド３によって閉鎖され、このヘッドには
導管４と接続する水素分配室５及び導管６と接続する酸
素分配室７が形成されている。両分配室５，７はそれぞ
れ連携の取入れ口を介して噴射ヘッド３と接続するから
、分配室からの水素及び酸素が燃焼室に達することがで
きる。図示実施例ではケーシング２をセグメント状に、
即ち、別々のセグメント８，９６，１０，９６，１２，
９６，１４を順次接続して構成した。

こおような構成は実験のための蒸気発生器構成変更を容
易にするが、燃焼室を利用する上では必須の条件ではな
く、例えばケーシングを一対的に構成してもよい。噴射
ヘッド３に隣接するセグメント８にはパイロット点火室
１５が設けられ、これは燃焼室１と接続関係にあって且
つ水素供給導管１６及び酸素供給導管１７に開口してい
る。

更に、このパイロット点火電極１８を配置する。第１図
では燃焼室を出口側が中断された形で示してある。

この場合、燃焼室は例えばタービン車室に閉口させるこ
とができる。第１図に図示の燃焼室を利用する際には、
後述のような水噴射を補足することにより燃焼ガスに均
一に水を添加し、すぐれた蒸発効率が得られるようにし
なければならない。

パイロット点火室１５は燃焼室の円滑な始動をも可能に
する。

パイロット点火室へ水素及び酸素ガスを供給しながらこ
のパイロット点火室内で燃焼させ、これと同時に主要燃
焼室への水素及び酸素供給を抑制することができる。即
ち、パイロット点火室から燃焼室へ流入する燃焼ガスが
燃焼室内のガスを点火させるが、出力側に後続されてい
るタービンを損傷するような急激な圧力増大は起こらな
い。燃焼室に燃焼が起こったら直ちに燃焼室へのガス供
給を標準流量に設定することにより全域に亘つて燃焼を
進行させる。次に、第２図及び第３図に従って本発明に
よる燃焼ガス中への水噴射のためのシステムを説明する
。

第２図には、導管９４及び９５を介して反応ガスとして
水素及びそ酸素がそれぞれ供給される９１をケーシング
９２及び噴射ヘッド９３と共に簡略化して示してある。
ケーシソグ９２のセグメント９６に冷却用空洞９７を形
成し、冷水供給導管９８及び９９（第３図）を介してこ
の冷却用空洞９７へ冷水を勤入することができる。冷却
用空洞９７は円周方向の環状導路の形に形成され、また
燃焼室９１を直径方向に貫通する管１００と蓮通関係に
ある。この管は隔壁１０１により２つの部分室１０２及
び１０３に区分されている。第１部分室１０２は冷却用
空洞９７と運通し、反対端に冷水排出導管１０４を具備
する。他方の部分室１０３は端板１０５により冷却用空
洞９７に対して閉鎖され、反対端で給水導管１０６と蓮
通関係にある。冷水排出導管１０４は切摸弁１０７を介
して給水導管１０６と接続しており、この切換弁によっ
て冷水排出導管は選択的に給水導管１０６または図示し
ない放流管と蓮通させられる。噴射ヘッド９３とは反対
の側で管壁に複数の孔１０８を設けることにより、部分
室１０３を燃焼室９１と運速させる。使用時、冷水供給
導管９８及び９９を介して冷却用空洞９７へ流入する冷
水は、先ず燃焼室ケーシング９２を冷却し、次いで部分
室１０２の断面積が比較的小さいからそれまでよりも高
い速度でこの部分を貫流する。

この場合の燃焼ガスの作用を受ける管を極めて有効に冷
却することができる。冷水排出導管１０４から出る冷水
はその全部を放流管へ案内してもよいが、一部を給水導
管１０６を介して部分室１０３へ流入させ、孔１０８を
介して燃焼室９１へ噴射させてもよい。この場合、噴射
は燃焼室の全径に亘って行われるから燃焼室軸線付近の
燃焼室にも水を添加することができる。以上の水噴射シ
ステムは管組立体が燃焼室を直径方向に貫通する単一の
管１００で構成されている場合を例にとって説明したが
、管組立体は複数の管から構成することもできる。

種々の管組立体の実施例を第４図から第６図に簡略化し
て示した。第４図の実施例では管組立体は互いに直交し
て燃焼室を直径方向に貫通する２本の管１１０及び１１
１を含み、第５図の実施例では管組立体は燃焼室の中心
において集合し互いに１２０ｏずつずれている３本の管
１２０，１２１，１２２から成る。第６図の実施例では
管組立体は互いに直交する多数の管１３０から成り、こ
れらの管の間に燃焼ガスが貫流できる間隔１３１が残さ
れている。どの管組立体においても、管組立体の噴射ヘ
ッド側に高速度で冷水を貫流させることにより冷却効果
を高めねばならない。噴射は反対側、即ち、下流に向っ
て行われる。セグメント９６の各々にこのような水噴射
機構を設ける。

この場合、燃焼室軸線に沿って噴射機構の間隔を次第に
大きくすることができる。それは、燃焼ガスの温度が順
次液状の水を添加されることで低下し、従って次の水噴
射機構までの蒸発経過が緩慢になるからである。第７図
には蒸気発生器の他の実施例を簡略化して示した。

この実施例でも燃焼室７１は冷水導路７３を含むケーシ
ング７２によって囲まれている。噴射ヘッド７４には酸
素供給導管７７及び水素供給導管７８とそれぞれ接続す
る２つの空洞７５及び７６がある。

燃焼室７１に近い空洞７６は、焼結金属から成る噴射板
７９により燃焼室から遮断される。前記噴射板は例えば
加熱及び加圧下で特殊鋼球から製造され、気体水素が空
洞７６から燃焼室７１へ流入できるように多孔性である
。空洞７６を隔離する隔壁８川ま、空洞７６及び噴射板
７９を貫通して燃焼室７１に達する軸線方向の孔から成
る酸素噴射導路８２を有する管状延長部８１を含む。こ
の延長部８１により酸素が燃焼室７１に流入することが
できる。第８図にはこの延長部を拡大して示してある。
これから明らかなように、延長部によって燃焼室７１へ
導入される酸素は導入位置の範囲において、多孔性噴射
板７９を貫流する水素と密接に混合し、その結果、燃焼
室内に極めて均質な混合物が得られる。第７図の実施例
では第１図の実施例におけるパイロット点火室１５とほ
ぼ同様なパイロット点火室８３を設設ける。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気発生器の略示断面図、第２図は燃焼室を貫
通する水噴射管を含む蒸気発生器の略示断面図、第３図
は第２図中の３−３線における断面図、第４図は水噴射
管組立体の好ましい実施例の部分断面図、第５図は水噴
射管組立体の好ましい実施例の第４図と同様な部分断面
図、第６図は水噴射管組立体の別の好ましい実施例の第
４図と同様な部分断面図、第７図は蒸気発生器の噴射ヘ
ッドの部分断面図、第８図は第７図中の符号Ｂで示す範
囲の拡大図である。 １・・・燃焼室、２…ケーシング、３・・・噴射ヘッド
、４…導管、５・・・水素分配室、６・・・導管、７・
・・酸素分配室、８，１０，１２，１４・・・セグメン
ト、１５・・・パイロット点火室、１６・・・水素供給
導管、１７・・・酸素供給導管、１８・・・点火電極、
７１・・・燃焼室、７２・・・ケーシング、７３・・・
冷水導路、７４…噴射ヘッド、７５・・・７６・・・空
洞、７７・・・酸素供給導管、７８・・・水素供給導管
、７９…噴射板、８０・・・隔壁、８１・・・延長部、
８２・・・酸素噴射導路、９１・・・燃焼室、９２・・
・ケーシング、９３・・・噴射ヘッド、９４，９５・・
・導管、９６・・・セグメント、９７・・・冷却用空洞
、９８，９９・・・冷水供給導管、１００・・・管、１
０１・・・隔壁、１０２，１０３・・・部分室、１０４
・・・冷水排出導管、１０６・・・給水導管、１０７・
・・功換弁、１０８・・・孔、１ １０，１１１，１２
０，１２１，１２２，１３０・・・管、１３１・・・間
隔。 功 Ｆｉｇ．２ Ｆｉｇ．３ Ｆｉ９‐ム Ｆｉ９．５ Ｆｉｇ．６ Ｆｉｇ．７ Ｆｉ９．８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 噴射ヘツドから水素ガス及び酸素ガスを燃焼室へ導
   入してそこで燃焼させることができ、また燃焼室に水噴
   射口を設けた水蒸気を発生させるための蒸気発生器であ
   って、燃焼室長手軸線と直交する平面内に、少なくとも
   １本の管１００；１１０，１１１；１２０，１２１，１
   ２２；１３０から構成された管組立体を配置し、この管
   組立体の各管の内部を壁１０１により噴射ヘツド９３側
   の第１部分室１０２及び噴射ヘツド９３とは反対側の第
   ２部分室１０３に区分したことと、第１部分室１０２に
   冷水供給導管９８，９９及び冷水排出管１０４を設ける
   ことにより第１部分室に冷水を貫流させ得るようにした
   ことと、第２部分室１０３に給水導管１０６を且つ噴射
   ヘツド９３とは反対の側に孔１０８を設けることにより
   第２部分室を介して燃焼室９１へ水を噴射させ得るよう
   にしたことを特徴とする水蒸気を発生させるための蒸気
   発生器。 ２ 第２部分室１０３が閉止自在な給水導管１０６を介
   して第１部分室１０２の冷水排出導管１０４と連通関係
   にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   蒸気発生器。 ３ 第１部分室１０２が当該第１部分室へ水を導入する
   ための燃焼室壁の冷却用空洞９７と連通関係にあること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載
   の蒸気発生器。 ４ 複数の管１１０，１１１；１２０，１２２；１３０
   を組み合わせて前記管組立体を構成し、個々の管の間に
   燃焼ガスが貫流するための場所を残すことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載の蒸
   気発生器。 ５ 管組立体が、任意の角度で互いに交差する２つの管
   １１０，１１１を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第４項に記載の蒸気発生器。 ６ 管組立体が、燃焼室の中心に集まって合流し且つそ
   れぞれが同じ角度ずつ順次ずれている複数の管１２０，
   １２１，１２２を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第４項に記載の蒸気発生器。 ７ 管組立体が、複数の平行な管１３０及びこれと直交
   する複数の管１３０から成ることを特徴とする特許請求
   の範囲第４項に記載の蒸気発生器。 ８ 噴射ヘツド７４が焼結金属から成る水素ガス透過性
   の噴射板７９を含み、この噴射板を酸素噴射導路８２が
   貫通していることと、噴射板７９が水素供給導管７８と
   連通する噴射ヘツド空洞７６を燃焼室７１に対して閉止
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項から第７項
   のいずれか１項に記載の蒸気発生器。