研究課題/領域番号 |
25420849
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研究種目 |
基盤研究(C)
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研究機関 | 横浜国立大学 |
研究代表者 |
石井 一洋 横浜国立大学, 工学研究院, 教授 (20251754)
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研究分担者 |
片岡 秀文 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10548241)
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研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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キーワード | 推進 / エンジン / デトネーション / 衝撃波 |
研究概要 |
回転デトネーションエンジンは、環状燃焼器の周方向にデトネーションを回転・定在させるものであるが、安定な回転デトネーションの成立条件ならびに燃焼器内で複数の回転伝播モードが存在する要因は明らかになっていない。本研究では、燃料・酸化剤供給圧力、点火・起動方法が、回転デトネーションの伝播挙動に及ぼす影響を実験的に調べ、安定な回転デトネーション成立条件を解明することを目的としている。 平成23年度は、迅速に回転デトネーションに至らしめる点火・起動方法の検討ならびにRDE環状燃焼器の設計・製作を行った。点火・起動方法については、現有の衝撃波管の管端部に環状燃焼器を設置し、反射衝撃波により高圧となった可燃性気体をオリフィスプレートを通じて燃焼器内に導いた。点火には、(1)燃焼器内へのデトネーション導入、(2)燃焼器壁面での火花点火、の2種類を試した。前者では、デトネーションは確実に起動するものの、オーバードリブン状態による高圧力発生により上流側に逆火することが多かった。一方、火花点火では燃焼器内が高速で流動していることもあり、短距離でデトネーションに遷移し、起動初期の高圧発生も少なかった。これより、デトネーション起動は火花点火で行うことに決定した。また、燃焼室下流のノズル形状の影響を調べた結果、流路断面を一端絞って燃焼室内圧力調整を図るよりも、ストレートノズルとした方が燃焼ガスの速やかな排気には効果的であることがわかった。 なお、上述の逆火を防ぐためには、燃料噴射孔径を消炎距離以下にする必要があるが、圧力損失の増大と充填効率の低下を招き、現実的ではない。本研究では燃料噴射孔径は1 mmとし、72個の噴射孔から燃料を導き、燃焼器外周方向から導入された酸化剤と衝突・混合させるRDE環状燃焼器の設計・製作し、燃料・酸化剤導入配管システムを構築した。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究で実施する回転デトネーションエンジンは連続燃焼であり、デトネーションによる燃焼ガス圧力よりも高い圧力で燃料ならびに酸化剤を燃焼器上流側から流す必要がある。点火に失敗すると高圧かつ大流量の可燃性混合気が下流に排出されることとなり、またデトネーション起動時の高圧状態は一時的に燃料・酸化剤の供給を遮断することになりかねない。実験実施時の安全確保から、確実な点火と逆火防止は必須であり、これらを衝撃波管と環状燃焼器を組み合わせたクローズド・システムにて実験的に検討することを優先させた。このとき、衝撃波管の破膜タイミングと燃焼器内の点火タイミングとの調整に時間を要した。その一方で、燃焼器内で混合気に点火してデトネーション遷移するまでの時間短縮とそのばらつきは当初懸念した程ではないことがわかった。 なお、RDE燃焼器の設計・製作は当初計画通りに実施し、燃料噴射孔径の検討、混合気供給システムの構築などを行った。懸案事項であった点火の問題は解決し、逆火防止対策も一応の目処がついた。以上より、本研究は「やや遅れている」と判断した
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今後の研究の推進方策 |
RDEでは回転デトネーション伝播速度がCJ速度よりも大幅に低下することが知られている。この理由としては、燃焼器内での燃料・酸化剤の混合不均一性、燃焼器下流における燃焼ガスの急激な膨張に李生じた膨張波の影響、等の説明がされている。前者は、混合を敢えて阻害することで確認可能であるが、後者の場合はデトネーションというよりは衝撃波誘起燃焼もしくは高速デフラグレーションとなっている。また、実験条件によってはデトネーション波面が複数存在することが確認されているものの、これらが過渡的な状態であるのか、安定状態であるのかは分かっていない。 本研究では、安定な回転デトネーションの成立条件の解明を主眼としており、燃料・酸化剤供給圧力、点火・起動方法がデトネーションの伝播挙動に及ぼす影響を系統的に調べることを行う。とくに、今後はこれまで把握されていない伝播モードについての知見を得ることに注力する。なお、平成25年度にRDE燃焼器の構築は終了しているので、起動試験ならびに連続燃焼試験を行にて、下記の事項を予定している。(1)燃料および酸化剤の供給圧力を変化させて、RDE燃焼器にて起動可能な条件を調べる。(2)回転伝播モードを分類して各モードの実験条件に対するマッピングを行う。(3)点火位置を積極的に変化させてデトネーション起動過程を調べ、安定な回転デトネーション成立のための条件を提示する。(4)回転デトネーションの各伝播モードに対して、ZNDモデルに基づく一次元解析を行い、推進機用燃焼器としての性能計算を行う。
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次年度の研究費の使用計画 |
平成25年度は、燃料噴射孔について、孔径と供給量圧力を変化させて流量検定を行う予定であったが、衝撃波管と環状燃焼器を組み合わせたクローズド・システムの実験において、孔径2 mmにおいても逆火が生ずることが判明した。過度な孔径の現象は過大な圧力損失を招くことから、燃料噴射孔径は1 mmと設定し、クローズド・システムの実験に時間を要したことから、流量検定試験は延期することとした。そのため、流量検定に用いる機材分の費用分として次年度使用額が発生した 次年度使用額は、平成25年度に実施ができなかった流量検定試験を行うことに充当し、燃料噴射孔径1 mmに対して燃料供給圧力を変化させた場合の流量を測定することとする。
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