ES2226300T3 - Estructura de proteccion termica. - Google Patents
Estructura de proteccion termica.Info
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UNA ESTRUCTURA DE PROTECCION TERMICA (1) QUE INCLUYE MEDIOS (4A) DE REFRIGERACION POR EXPULSION, QUE EXPULSAN UN PRIMER FLUIDO DE REFRIGERACION AL EXTERIOR DE DICHA ESTRUCTURA Y/O UNA BARRERA TERMICA QUE FORMA AL MENOS UNA PARTE DE LA PARED EXTERIOR DE LA MENCIONADA ESTRUCTURA (1), ESTANDO DICHA BARRERA TERMICA (2) PERFORADA DE MANERA QUE PERMITA LA EXPULSION DEL PRIMER FLUIDO CITADO DE REFRIGERACION Y/O UNOS MEDIOS (4B) DE ENFRIAMIENTO POR CONVECCION, QUE INCLUYEN UN SEGUNDO FLUIDO DE REFRIGERACION QUE CIRCULA EN EL INTERIOR DE LA ESTRUCTURA (1) CON RELACION A DICHA BARRERA TERMICA (2), DERIVANDOSE LOS CITADOS FLUIDOS PRIMERO Y SEGUNDO DE REFRIGERACION DE UN MISMO FLUIDO.
Description
Estructura de protección térmica.
La presente invención se refiere a unas
estructuras de protección térmica.
Aunque no exclusivamente, una tal estructura de
protección térmica es más particularmente apropiada para la
construcción de elementos que tengan que ser sometidos a
temperaturas muy altas y en particular a la construcción de cámaras
de combustión, en particular estatorreactores o de placas externas
de protección térmica de aparatos volantes de velocidades elevadas,
por ejemplo superiores a Mach 10 ó Mach 12.
Para poder ser utilizada en dichas aplicaciones,
esta estructura debe presentar ciertas características, en
particular:
- -
- una masa y un espesor reducidos; y
- -
- si utiliza un fluido de refrigeración, la más débil resistencia hidráulica posible y una utilización reducida de este fluido.
Se conocen diferentes soluciones para realizar
una estructura de protección térmica destinada a dichas
aplicaciones.
Una primera solución conocida consiste en
utilizar material ablativo, cuyas finas capas superficiales se
erosionan en el curso de su utilización como estructura de
protección. Sin embargo, esta solución usual presenta en particular
los inconvenientes siguientes:
- -
- se modifican la superficie del material y por lo tanto la forma de la estructura cuando se utilizan, lo que puede ser molesto, en particular cuando la forma tiene una incidencia en el funcionamiento del aparato o del dispositivo provisto de dicha estructura;
- -
- esta estructura no es reutilizable; y sobre todo
- -
- se precisa un espesor elevado de material ablativo, lo que supone una masa importante.
Una segunda solución conocida consiste en
utilizar medios de refrigeración por convección. Estos medios
comportan un fluido de refrigeración, por ejemplo hidrógeno, que
circula en un conducto.
Una pared de dicho conducto que está en contacto
con el entorno externo caliente está realizada en un material muy
buen conductor térmico y poco espeso de manera que lleve el calor a
dicho fluido de refrigeración que se regenera continuamente. Dicho
modo de realización necesita por lo tanto una cantidad de fluido
importante y un caudal elevado. A este efecto, se aumenta
generalmente la presión de dicho fluido, por lo que se necesita
reforzar las paredes del conducto lo que provoca así un aumento del
coste, de espesor y/o de la masa. Además, debido a una diferencia
importante de la expansión lineal entre dicha pared térmicamente
conductora y el resto de la estructura, existen riesgos de que se
fisure y, por consiguiente, se destruya dicha estructura.
Una tercera solución conocida consiste en
utilizar unos medios de refrigeración por eyección, que comportan
una pared porosa permeable al fluido y un fluido de refrigeración
que es eyectado, a través de dicha pared porosa, en el entorno
externo caliente. Esta eyección permite que se cree, al exterior de
la estructura, una capa limite de gas de temperatura reducida, que
permite proteger térmicamente dicha estructura. Sin embargo, esta
solución, generalmente, sólo es eficaz localmente. Además, se
pierde naturalmente el fluido de refrigeración eyectado, lo que es
molesto cuando dicho fluido está presente en una cantidad reducida
o, sobre todo, cuando dicho fluido corresponde al combustible, por
ejemplo hidrógeno, de un aparato volante provisto de dicha
estructura, lo que puede conllevar una limitación o una caída del
empuje de dicho aparato volante.
Además, es conocida una cuarta solución para
proteger térmicamente un elemento, utilizando una barrera térmica.
Esta solución que representa una protección pasiva utiliza un
material impermeable y térmicamente aislante. Sin embargo, esta
solución generalmente sólo es eficaz para una duración
limitada.
Por otra parte, además de los inconvenientes ya
mencionados, ninguna de las soluciones citadas está en condiciones
de proteger eficaz y suficientemente una cámara de combustión de un
estatorreactor para vuelos de más de Mach 12.
Por la patente FR-2 752 916, se
conoce una camisa de protección térmica para una cámara de
combustión de turborreactor. Esta camisa de protección térmica
comprende:
- -
- una virola que está revestida de una pluralidad de anillos dispuestos cabeza con cabeza y constituidos cada uno por una pluralidad de tejas;
- -
- unos medios de refrigeración por convección, que comportan un aire de refrigeración que circula en dicha virola; y
- -
- unos medios de refrigeración por impacto, que eyectan el aire de refrigeración al exterior de dicha virola.
La presente invención tiene por objeto remediar
dichos inconvenientes. Se refiere a una estructura de protección
térmica, de realización sencilla y económica, y sobre todo
extremadamente eficaz, pudiendo ser utilizada en una cámara de
combustión o un reactor a altas temperaturas, en particular en una
cámara de combustión de un estatorreactor con velocidades de vuelo
elevadas, o como protección térmica de superficies externas de
aeronaves o de naves espaciales.
A este efecto, según la invención, dicha
estructura de protección térmica del tipo que comporta:
- -
- unos medios de refrigeración por eyección, que eyectan un primer fluido de refrigeración al exterior de dicha estructura;
- -
- una barrera térmica que forma al menos una parte de la pared externa de dicha estructura, estando dicha barrera térmica perforada de manera que permita la eyección de dicho primer fluido de refrigeración; y
- -
- unos medios de refrigeración por convección, que comportan un segundo fluido de refrigeración que circula en el interior de la estructura en relación con dicha barrera térmica, procedentes dichos primer y segundo fluidos de refrigeración de un mismo fluido,
es notable porque comporta además:
- -
- al menos un conducto en el cual circula dicho fluido que comporta al menos uno de dichos primer y segundo fluidos de refrigeración; y
- -
- unos medios para regular la presión de dicho fluido en el interior de dicho conducto.
Se observará que la barrera térmica, que se
realiza generalmente de modo impermeable, está perforada en la
estructura según la invención. Aunque dicha utilización sea
contraria al estado de la técnica, el efecto de protección térmica
obtenido por esta barrera térmica no se reduce, debido a su
combinación con dichos medios de refrigeración por eyección que
eyectan un fluido frío a través de los orificios de dicha barrera
térmica e impiden así el paso del calor a través de estos
orificios.
Además, el flujo del fluido se divide entonces en
un flujo longitudinal de dicho segundo fluido de refrigeración (en
dicha estructura) y en un flujo transversal de dicho primer fluido
de refrigeración (en el exterior de dicha estructura).
Gracias a la utilización de un mismo y único
fluido:
- -
- se simplifica dicha estructura;
- -
- se permite, con una sola regulación de la presión y/o del caudal, regular las dos partes de fluido, como se verá más abajo; y
- -
- se permite optimizar el flujo de dicho fluido.
Se observará además que se va igualmente en
contra del estado de la técnica que preconiza que los medios de
refrigeración por convección deben comportar una pared externa
térmicamente muy conductora. El caso es que, en la mencionada
estructura, dicha pared externa está formada por la barrera térmica
que produce una bajada de la temperatura.
Por consiguiente, se reduce la bajada de
temperatura suplementaria que deban producir dichos medios de
refrigeración por convección. Esto permite en particular ser menos
exigente en lo que se refiere a las propiedades y la eficacia de
dichos medios de refrigeración y en particular del fluido de
refrigeración utilizado.
Por otra parte, dicha estructura de protección
térmica que comporta simultáneamente los tres elementos precitados,
a saber, los medios de refrigeración por eyección, los medios de
refrigeración por convección y la barrera térmica, permite además
optimizar dichos elementos, en particular por una minimización del
caudal de fluido y de la masa de las paredes de la estructura, sin
dejar de asegurar la integridad y las resistencias mecánica y
térmica de esta última.
Por otra parte, ventajosamente, dichos medios
para regular la presión de dicho fluido en el interior de dicho
conducto generan una presión que está en función de la presión
existente en el exterior de dicha estructura, por ejemplo una
presión que es superior o igual al doble de la presión externa
máxima.
Por otra parte, ventajosamente, dichos medios de
refrigeración por convección comportan una red de hilos
térmicamente conductores, siendo dicha red permeable a dicho fluido
y dispuesta de preferencia en dicho conducto en contacto con al
menos una de sus paredes. Esto permite optimizar el intercambio
térmico entre el fluido de refrigeración y la o las paredes
(calientes) de dichos medios de refrigeración.
Con el fin de optimizar el flujo del fluido, de
forma ventajosa:
- -
- dicha barrera térmica está perforada de manera que presente una resistencia hidráulica que está en función de la resistencia hidráulica en el interior de dicho conducto. De preferencia, la resistencia hidráulica de dicha barrera térmica es inferior o igual a la décima parte de la resistencia hidráulica interna de dicho conducto; y/o
- -
- la estructura comporta además unos medios para ajustar el caudal de dicho fluido en dicho conducto.
Se deducirá de las figuras del dibujo adjunto
como puede realizarse la invención. En estas figuras, referencias
idénticas designan elementos semejantes.
La figura 1 ilustra esquemática y parcialmente
una estructura según la invención y muestra además un diagrama que
ilustra la presión en el exterior de dicha estructura.
La figura 2 es una sección esquemática según la
línea II-II de la figura 1.
La estructura 1 según la invención y representada
esquemáticamente en las figuras 1 y 2 es una estructura de
protección térmica susceptible de asegurar una protección contra
temperaturas muy elevadas.
Puede ser utilizada, en particular, en una
cámara de combustión o un reactor a altas temperaturas, en
particular en una cámara de combustión de un estatorreactor con
velocidades de vuelo elevadas (destinado a realizar por ejemplo un
vuelo hipersónico de larga duración) o como protección térmica de
superficies externas de aeronaves o de naves espaciales.
En el ejemplo representado, dicha estructura 1 se
realiza bajo forma de un panel de forma general plana.
Naturalmente, en el ámbito de la presente invención, la estructura
de protección térmica puede igualmente presentar una forma
diferente, por ejemplo una forma curva. Dicha estructura según la
invención, puede ser utilizada, en particular, como borde de ataque,
en particular de un plano de deriva o de una hélice.
Según la invención, dicha estructura 1
comporta:
- -
- una barrera térmica 2, de tipo conocido, que forman la pared externa sometida a una temperatura elevada de dicha estructura 1. Dicha barrera térmica 2 está provista de unas orificios pasantes 3;
- -
- unos medios 4A de refrigeración por eyección, que eyectan un primer fluido de refrigeración al exterior de dicha estructura 1, a través de dichos orificios pasantes 3 de la barrera térmica 2, como se ilustra por las flechas 5A. Este fluido eyectado forma, generalmente, una capa límite de temperatura reducida en la cara externa 6 de la barrera térmica 2; y
- -
- unos medios 4B de refrigeración por convección, que comportan un segundo fluido de refrigeración que circula en dicha estructura 1, como se ilustra por las flechas 5B y en particular en un conducto 7 realizado bajo forma de una cámara paralelepipédica, cuya pared externa está formada por la barrera térmica 2 y que presenta una pared interna 8.
Según la invención, dichos primer y segundo
fluidos con flujos respectivos transversales y longitudinales,
ilustrados por unas flechas 5A y 5B, proceden de un mismo fluido,
cuyo flujo está representado por unas flechas 5. Por ello, dichos
medios 4A y 4B comportan un mismo y único circuito 9 de alimentación
de fluido, descrito a continuación.
Así, gracias a la invención, se obtiene una
protección térmica particularmente eficaz, debido en particular a
los efectos conjugados de los elementos de protección térmica 2, 4A
y 4B combinados. La estructura 1 puede por lo tanto cumplir
perfectamente todas las exigencias requeridas en las citadas
aplicaciones.
Además, gracias a dicha combinación antes citada
según la invención de dichos elementos 2, 4A y 4B, dicha estructura
1 tiene un modo de realización particularmente sencillo, compacto y
económico.
Por otro lado, según la invención, dicho circuito
9 de alimentación de fluido que desemboca en el conducto 7 por unas
aberturas 10 y 11 comporta:
- -
- unos medios 12, de tipo conocido, para regular la presión de dicho fluido en dicho circuito 9, y en particular en el conducto 8; y
- -
- unos medios 13, de tipo conocido, para regular el caudal de dicho fluido en dicho circuito 9, y por lo tanto, igualmente en dicho conducto 7.
En la figura 1, se ha representado además un
gráfico que muestra una curva C que ilustra la presión P existente
en la cara externa 6 de la estructura 1 a lo largo de su dirección
longitudinal X-X.
Según la invención, los medios 12 regulan la
presión de manera que se genere, en el conducto 7, una presión que
esté en función de la presión P existente en el exterior de dicha
estructura 1.
En un modo de realización particular, generan una
presión que es superior o igual al doble de la presión externa
máxima PO.
Dicha diferencia de presión permite una eyección
supercrítica, o al menos crítica, de dicho primer fluido de
refrigeración en el exterior de la estructura 1.
Por consiguiente, cuando el entorno externo
caliente comprende un flujo de fluido caliente, por ejemplo en el
caso de un motor, dicha eyección impide cualquier contacto entre
este fluido caliente y la cara externa 6 de la estructura 1, lo que
permite protegerla mecánicamente.
Dichos medios 4B comportan además una red 14 en
tres dimensiones, formada por una estructura tramada de hilos
metálicos 15 buenos conductores térmicos. Dicha red 14 está
dispuesta en dicho conducto 7 en contacto con sus paredes 2 y 8 y
permite que aumente el intercambio térmico entre el fluido de
refrigeración (flechas 5B) y dichas paredes 2 y 8. Además, dicha
red 14 es muy permeable, de modo que sólo presenta una resistencia
hidráulica reducida al flujo de dicho fluido (flechas 5B).
Esto permite reducir el espesor de la pared 8 y
la masa de dichos medios 4B.
Según la invención, los orificios 3 (en
particular su número, tamaño y distribución) y dicha red 14 están
adaptados recíprocamente de manera que se obtenga una relación
determinada de sus resistencias hidráulicas respectivas. De
preferencia, se trata de obtener una resistencia hidráulica de la
barrera térmica 2 que sea inferior o igual a la décima parte de la
resistencia hidráulica de dicha red 14.
Esto permite regular con precisión las
proporciones entre la cantidad de fluido eyectado (flechas 5A) y la
cantidad de fluido que vuelve a circular (flechas 5B) y que sirve
para la refrigeración por convección.
Se observará además que la eficacia operacional
de la estructura 1 está determinada en particular por los dos
parámetros siguientes, que son ajustables según la invención:
- -
- el flujo del fluido; y
- -
- la relación entre la cantidad de fluido eyectado y la cantidad de fluido utilizado para la convección,
estando estos dos parámetros
regulados a unos valores reducidos para la puesta en práctica de
la presente
invención.
Por otra parte, en el caso de que la estructura 1
esté dispuesta en un aparato volante no representado, que quema
combustible, por ejemplo hidrógeno, se puede utilizar dicho
combustible como fluido de refrigeración, ya que la cantidad de
fluido eyectado es reducida y que así la estructura 1 según la
invención no reduce el empuje y las prestaciones de dicho aparato
volante.
Claims (8)
1. Estructura de protección térmica, comportando
dicha estructura:
- -
- unos medios (4A) de refrigeración por eyección, que eyectan un primer fluido de refrigeración al exterior de dicha estructura (1);
- -
- una barrera térmica (2) que forma al menos una parte de la pared externa de dicha estructura (1), estando dicha barrera térmica (2) perforada de manera que permita la eyección de dicho primer fluido de refrigeración; y
- -
- unos medios (4B) de refrigeración por convección, que comportan un segundo fluido de refrigeración que circula en el interior de la estructura (1) en relación con dicha barrera térmica (2), estando provistos dichos primer y segundo fluidos de refrigeración de un mismo fluido,
caracterizado porque
comporta
además:
- -
- al menos un conducto (7) en el cual circula dicho fluido que comporta al menos uno de dichos primer y segundo fluidos de refrigeración; y
- -
- unos medios (12) para regular la presión de dicho fluido en el interior de dicho conducto (7).
2. Estructura según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos
medios (12) para ajustar la presión en el interior de dicho
conducto (7) generan una presión que está en función de la presión
(P) existente en el exterior de dicha estructura
(1).
3. Estructura según la reivindicación 2,
caracterizada porque dichos
medios (12) generan una presión que es superior o igual al doble de
la presión máxima (PO) existente en el exterior de dicha estructura
(1).
4. Estructura según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3,
caracterizada porque dichos
medios (48) de refrigeración por convección comportan una red (14)
de hilos (15) térmicamente conductores, siendo dicha red (14)
permeable a dicho
fluido.
5. Estructura según la reivindicación 4,
caracterizada porque dicha
red (14) está dispuesta en dicho conducto (7) y está en contacto
con al menos una de las paredes (8) de dicho conducto
(7).
6. Estructura según una de las reivindicaciones 1
a 5,
caracterizada porque dicha
barrera térmica (2) está perforada de manera que presente una
resistencia hidráulica que está en función de la resistencia
hidráulica en el interior de dicho conducto
(7).
7. Estructura según la reivindicación 6,
caracterizada porque la
resistencia hidráulica de dicha barrera térmica (2) es inferior o
igual a la décima parte de la resistencia hidráulica en el
interior de dicho conducto
(7).
8. Estructura según una de las reivindicaciones 1
a 7,
caracterizada porque
comporta además unos medios (13) para regular el caudal de dicho
fluido en dicho conducto
(7).
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