FR2664650A1 - Perfectionnements pour empecher la formation de glace dans les admissions de propulseurs aerospatiaux. - Google Patents
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Abstract
Une admission (10) d'air adaptée à un propulseur aérospatial comprend une conduite (11) qui contient en série un premier échangeur de chaleur (16), un séparateur (22) d'eau et un injecteur (27) cryogène ainsi qu'un second échangeur de chaleur (26). L'air entrant dans l'admission (10) est refroidi par le premier échangeur de chaleur (16) de sorte que la majeure partie de la vapeur d'eau dans l'air se condense sous forme de gouttelettes d'eau. Les gouttelettes d'eau sont ensuite éliminées de l'écoulement d'air par le séparateur (22) d'eau. L'injecteur (27) cryogénique réduit encore les températures de l'écoulement d'air au point que toute l'eau restant dans l'écoulement d'air est changée en petits cristaux secs de glace qui n'obstruent pas le second échangeur de chaleur (26).
Description
Cette invention se rapporte à la prévention de la formation de glace dans
les admissions de propulseurs aérospatiaux et a particulièrement trait aux admissions adaptées à être utilisées avec le type de propulseur aérospatial divulgué dans la
demande de brevet britannique 84-30157.
Un procédé courant pour empêcher la formation de glace dans la zone d'admission d'un moteur à turbine à gaz consiste à prélever de lair chaud au niveau d'un étage convenable du compresseur du moteur et à utiliser cet air pour préchauffer certains éléments de la zone d'admission tels que les traverses et les aubes directrices
d'entrée Cette technique est utilisée avec des moteurs fonctionnant à basse altitude.
L'eau composant la glace y est en effet sous forme de gouttelettes surrefroidies ou de
vapeur très froide qui donne lieu à de la coalescence.
A haute altitude, on peut encore rencontrer de la glace, mais sous une forme moins aléatoire Dans de telles conditions, la cristallisation a en effet déjà eu lieu et la glace est sous forme d'une "poussière" de cristaux très secs et très froids Les cristaux
peuvent s'entrechoquer et heurter des surfaces métalliques sans qu'il y ait coalescence.
Puis ils transversent la zone d'admission du moteur.
Dans le cas d'un compresseur d'un moteur à turbine à aéro-gaz conventionnel, il existe un endroit du compresseur o les cristaux se subliment et deviennent de la vapeur d'eau Pour autant qu'on le sache, ce processus n'est pas nuisible pour les
composants du compresseur.
En termes de thermodynamique, le processus est même bénéfique puisque ses effets sont comparables à ceux d'un refroidisseur intermédiaire du compresseur en raison du processus associé de transfert de chaleur latente Ainsi, si la vapeur d'eau peut être transformée en de petits cristaux secs de glace, le passage de ces cristaux à
travers le moteur est possible sans dépôt ni coalescence.
Le propulseur décrit et revendiqué dans la demande de brevet britannique 84-
30157 comprend un compresseur basses pressions qui reçoit de l'air via deux échangeurs de chaleur disposés en série Les deux échangeurs de chaleur reçoivent un fluide de refroidissement sous la forme d'hydrogène liquide à hautes pressions Les écoulements du fluide de refroidissement sont utilisés pour refroidir lair à l'entrée du compresseur basses pressions et l'amener à une température adaptée à un
fonctionnement efficace du moteur.
Dans certaines zones de la trajectoire de vol du propulseur évoqué cidessus, lair chaud et humide peut être refroidi dans les échangeurs de chaleur au point qu'il peut se produire un dépôt considérable de glace sur les échangeurs de chaleur, particulièrement sur réchangeur de chaleur amont Au cours d'un intervalle de temps très court, le dépôt de glace peut être à la vérité si important que le fonctionnement efficace du
propulseur est compromis.
Le système de compression de l'air du propulseur ne peut pas être utilisé pour fournir des moyens de chauffage En effet, même si le processus de compression augmente la température de l'air, cette température reste probablement en dessous de 00 C et, à la sortie du compresseur basses pressions, la température de l'air sera très en dessous de 00 C. La présente invention a pour objet de fournir une admission d'air de propulseur aérospatial ayant au moins un système d'échangeurs de chaleur dans lequel le dépôt de
glace à rintérieur de l'admission est pour ressentiel évité.
Conformément à la présente invention, une admission d'air adaptée à un propulseur aérospatial comprend une conduite ayant une extrémité amont pour recevoir un écoulement d'air et une extrémité aval pour délivrer ledit écoulement d'air audit propulseur, ladite conduite contenant en série un échangeur de chaleur et un injecteur cryogène, ledit échangeur de chaleur étant adapté à permettre un échange de chaleur entre ledit écoulement d'air à travers ladite conduite et un fluide dont la température est en fonctionnement inférieure à celle dudit écoulement d'air à lamont dudit échangeur de chaleur, ledit échangeur de chaleur étant disposé de façon que ledit fluide dudit échangeur de chaleur abaisse la température dudit écoulement d'air suffisamment pour amener la majeure partie de la vapeur d'eau dans ledit écoulement d'air à travers ledit échangeur de chaleur à se condenser sous forme de gouttelettes liquides, ledit injecteur cryogène étant adapté pour diriger en fonctionnement un réfrigérant au sein dudit écoulement d'air et entraîner la conversion de l'eau dans ledit écoulement d'air à l'aval
dudit séparateur en particules discrètes de glace sèche.
L'invention va à présent être décrite au moyen d'exemples en regard des dessins joints sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'une admission d'air vue de côté d'un propulseur aérospatial conformément à la présente invention, la figure 2 est une coupe similaire d'une autre forme d'admission d'air d'un
propulseur aérospatial conformément à la présente invention.
D'après la figure 1, une admission d'air portant la référence générale 10 est adaptée à un propulseur aérospatial (non représenté) du type de celui décrit dans la demande de brevet britannique 84-30157 L'admission 10 comprend une conduite 11 ayant une extrémité amont 12 o est disposée une entrée 13 d'air, et une extrémité aval
14 qui délivre à un propulseur aérospatial récoulement d'air à travers l'admission 10.
En fonctionnement, l'air ambiant pénètre dans la conduite 11 par l'entrée 13 d'air comme cela est indiqué par les flèches 15, puis il passe à travers un échangeur de chaleur 16 L'échangeur de chaleur 16 reçoit un flux d'hydrogène liquide par une alimentation 17 et permet que l'hydrogène liquide échange de la chaleur avec l'écoulement d'air dans la conduite 11 L'hydrogène est ensuite évacué de l'échangeur de chaleur 16 par une évacuation 18 L'alimentation 17 et l'évacuation 18 de l'échangeur de chaleur sont reliées par une dérivation 19 pourvue d'une vanne de contrôle 20 du débit La vanne de contrôle 20 du débit et la température de l'hydrogène liquide introduit dans l'échangeur de chaleur 16 sont choisies de telle sorte que le flux d'hydrogène liquide à travers léchangeur de chaleur 16 soit suffisant pour réduire la température de rair s'écoulant à travers léchangeur de chaleur 16 à une valeur telle que la majeure partie de la vapeur d'eau dans rair se condense sous forme de gouttelettes liquides Ainsi, dans un cas typique o la température de lair ambiant est 30 C et l'hydrogène liquide introduit dans léchangeur de chaleur 16 est à une température entre 100 C et 160 C, lécoulement d'air est refroidi à une valeur entre 50 C et 15 'C, la valeur la plus faible étant préférable Dans de telles circonstances, la température de lhydrogène évacué de l'échangeur de chaleur 16 est aux alentours de 40 C Ces valeurs supposent que la glace ait une température de 00 C au niveau du sol Toutefois, dans des termes plus généraux, léchangeur de chaleur 16 devrait refroidir l'écoulement d'air à une température entre la température de saturation de lair dans les conditions
locales de l'entrée 13 d'air et approximativement 15 WC au-dessus de cette température.
Le degré de refroidissement de l'air produit par l'échangeur de chaleur 16 a une importance critique dans la mesure o, si le refroidissement est insuffisant, une condensation inappropriée a lieu tandis que, si le refroidissement est excessif, léchangeur de chaleur 16 provoque la congélation de la vapeur d'eau condensée et
s'obstrue éventuellement par le dépôt de glace sur lui.
Dans le propulseur aérospatial décrit dans la demande de brevet britannique 84-
30157, sont prévus deux échangeurs de chaleur adaptés à de l'hydrogène liquide et situés à l'amont de l'entrée d'air du propulseur Lors de l'adaptation de l'admission d'air selon la présente invention au propulseur aérospatial décrit dans la demande de brevet britannique 8430157, un des échangeurs de chaleur de ce propulseur, en particulier l'échangeur de chaleur amont, pourrait commodément être disposé de façon
à être l'échangeur de chaleur 16.
L'écoulement d'air sortant de l'échangeur de chaleur 16 transporte les gouttelettes 21 d'eau provenant de la condensation de la vapeur d'eau à rintérieur de léchangeur de chaleur 16 A cet endroit, la température de l'air se trouve entre 50 C et
13 'C et donc, les gouttelettes sont sous forme liquide.
A l'aval de l'échangeur de chaleur 16 est placé un séparateur 22 d'eau Le séparateur 22 qui est montré schématiquement, comprend plusieurs plateaux 23 qui ont une forme générale sinueuse La forme sinueuse de chaque plateau permet que, lorsque l'air chargé de gouttelettes d'eau passe à travers le séparateur 22, les gouttelettes frappent les plateaux 23 et s'y agglutinent L'eau agglutinée s'écoule ensuite le long des plateaux 23 jusqu'à ce qu'elle rencontre une gouttière 24, chaque plateau 23 en étant pourvu de deux Les gouttières 24 collectent reau et la dirgie vers un drain 25
qui, à son tour, dirige l'eau hors de la conduite 11.
Bien qu'un séparateur 22 d'eau du type séparateur à plateaux sinueux soit utilisé dans la présente forme de réalisation de l'invention, on comprendra que d'autres types
de séparateur adapté puissent être utilisés si on le désire.
Le séparateur 22 sert à retirer la majeure partie de l'eau transportée par récoulement d'air dans la conduite 11 Toutefois, à l'aval du séparateur 22, se trouve un second échangeur de chaleur 26 qui, comme le premier échange de chaleur 16, permet réchangeur de chaleur entre de l'hydrogène liquide et lécoulement d'air dans la conduite 11 Le second échangeur de chaleur 26, qui correspond au second échangeur de chaleur situé à l'amont de rentrée d'air du propulseur décrit dans la demande de brevet britannique 84-30157, abaisse la température de l'écoulement d'air à une température telle que toute eau dans l'écoulement d'air serait congelée à l'intérieur de léchangeur de chaleur 26 et l'obtrurait Afin d'éviter ce phénomène, un injecteur 27 cryogène est prévu à l'amont du second échangeur de chaleur 26 L'injecteur 27 est muni d'une alimentation 28 en réfrigérant qui, dans le cas présent, est de l'oxygène liquide Plusieurs gicleurs 29 ménagés sur l'injecteur 27 dirigent l'oxygène liquide au sein de lécoulement d'air dans la conduite 11 o il sert à réduire la température de l'air aux alentours au moins de -50 'C Cette rapide réduction de la température de l'air amène l'eau restant dans l'écoulement d'air à se cristalliser rapidement en petits cristaux secs de glace qui sont suffisamment petits pour passer à travers la matrice du
second échangeur de chaleur 26 sans fondre sous l'impact.
La fonte sous l'impact s'appelle "recongélation" et se produit si l'énergie cinétique des cristaux de glace est supérieure à la chaleur nécessaire pour élever la température de la glace jusqu'à 00 C Elle entraîne aussi une fonte partielle des cristaux de glace aux points d'impact Nous avons constaté que, si la température de l'air résultant de rinjection du réfrigérant est au-dessus de -50 'C, une certaine recongélation est encore possible En conséquence, le risque demeure que l'échangeur de chaleur 26 puisse être obstrué par la glace A des températures inférieures à -500 C, il y a un taux
satisfaisant de formation des petits cristaux secs de glace souhaités.
L'oxygène liquide est le réfrigérant idéal pour rinjection dans l'écoulement d'air
à travers la conduite 11, car il enrichit l'alimentation en air du propulseur aérospatial.
On comprendra toutefois que d'autres réfrigérants convenables puissent être utilisés si nécessaire. Il est inévitable que quelques petits cristaux secs de glace parmi ceux entrant dans le second échangeur de chaleur 26 pénètrent dans des zones de stagnation à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 26 Toutefois, tant que léchangeur de chaleur 26 fonctionne normalement, c'est-à-dire avec un fluide de refroidissement circulant dedans, les cristaux de glace qui se fixent à rintérieur de léchangeur de chaleur, sont soumis à une sorte de contrainte thermique et de traînée aérodynamique et sont éventuellement
dispersés de façon périodique.
Comme indiqué ci-dessus, le premier et le second échangeurs de chaleur 16 et 26 sont alimentés en hydrogène liquide Toutefois on comprendra que d'autres fluides de
refroidissement convenables puissent être utilisés si nécessaire tels du méthane liquide.
En outre, bien que le premier et le second échangeurs de chaleur 16 et 26 décrits possèdent des alimentations séparées en hydrogène liquide, il peut être commode dans certaines circonstances de diriger lhydrogène sortant du second échangeur de chaleur 26 vers rentrée du premier échangeur de chaleur 16, le second échangeur de chaleur 26 fonctionnant normalement à une température plus basse que le premier échangeur de
chaleur 16.
Si le propulseur muni d'une admission d'air conforme à la présente invention doit fonctionner dans des zones géographiques o l'atmosphère présente un faible taux d'humidité, il peut être possible de se passer du séparateur 22 d'eau Une telle admission d'air est présentée sur la figure 2, des numéros de référence communs étant utilisés pour des composants communs Ainsi, toute vapeur d'eau dans latmosphère sera déjà condensée par léchangeur de chaleur 16 comme dans la forme de réalisation de la figure 1 Toutefois, le débit d'oxygène liquide à travers l'injecteur 27 est contrôlé de sorte que les gouttelettes 21 d'eau condensée se cristallise rapidement en petits cristaux secs de glace qui sont suffisamment petits, comme cela est décrit ci-dessus,
pour passer à travers la matrice du second échangeur de chaleur.
Claims (8)
1. Admission d'air adaptée à un propulseur aérospatial comprenant une conduite ayant une extrémité amont pour recevoir un écoulement d'air et une extrémité aval pour délivrer ledit écoulement d'air audit propulseur, caractérisée en ce que ladite conduite contient, en série dans le sens de lécoulement, un échangeur de chaleur ( 16) et un injecteur ( 27) cryogène, ledit échangeur de chaleur ( 16) étant adapté à permettre réchange de chaleur entre ledit écoulement d'air à travers la conduite ( 11) et un fluide dont la température est en fonctionnement inférieure à celle dudit écoulement d'air à l'amont dudit échangeur de chaleur ( 16), ledit échangeur de chaleur ( 16) étant adapté à réduire suffisamment la température dudit écoulement d'air pour amener la majeure partie de la vapeur d'eau contenue dans ledit écoulement d'air à travers ledit échangeur de chaleur ( 16) à se condenser sous forme de gouttelettes liquides, ledit injecteur cryogène ( 27) étant adapté à diriger en fonctionnement un réfrigérant au sein dudit écoulement d'air pour provoquer la conversion de l'eau dudit écoulement d'air en
particules discrètes de glace sèche.
2 Admission d'air selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite conduite contient en outre un séparateur ( 22) d'eau placé à l'aval dudit échangeur de chaleur ( 16) et à ramont dudit injecteur ( 27) cryogène, ledit séparateur ( 22) d'eau étant
adapté à retirer la majeure partie desdites gouttelettes d'eau dudit écoulement d'air.
3. Admission d'air selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur ( 16) est adapté de sorte qu'il abaisse en fonctionnement la température dudit écoulement d'air à une valeur située entre la température de saturation dudit air dans les conditions locales de l'extrémité amont de
ladite conduite ( 11) et approximativement 150 C au-dessus de cette température.
4. Admission d'air selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur ( 16) abaisse la température dudit écoulement d'air à une valeur
entre 50 C et 13 'C.
S. Admission d'air selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisée en ce que des moyens ( 20) sont prévus pour moduler le débit dudit fluide à basse température s'écoulant en fonctionnement à travers ledit échangeur de chaleur ( 16) et échangeant par ledit échangeur de chaleur ( 16) de la chaleur avec ledit
écoulement d'air.
6. Admission d'air selon lune quelconque des revendications précédentes,
caractérisée en ce que ledit réfrigérant injecté en fonctionnement dans ledit écoulement d'air abaisse la température dudit écoulement d'air à au moins -500 C. 7. Admission d'air selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit séparateur ( 22) d'eau comprend plusieurs plateaux ( 23) sinueux qui sont disposés et configurés de sorte que lesdites gouttelettes d'eau le frappent et s'y condensent, chacun desdits plateaux ( 23) sinueux étant munis d'éléments de gouttière ( 24) adaptés à collecter ladite eau condensée et à diriger ladite eau vers des moyens ( 25) la drainant
hors de ladite conduite ( 11).
8. Admission d'air selon lune quelconque des revendications précédentes,
caractérisée en ce qu'un second échangeur de chaleur ( 26) se trouve dans ladite conduite ( 11) à l'aval dudit injecteur ( 27) cryogène, ledit second échangeur de chaleur ( 26) étant adapté pour être alimenté en fonctionnement avec un fluide qui abaisse encore la température dudit écoulement d'air avant que ledit écoulement d'air ne soit
évacué par lextrémité aval de ladite conduite ( 11).
9. Admission d'air selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit second échangeur de chaleur ( 26) est relié en série audit premier échangeur de chaleur ( 16) de sorte que ledit fluide basse température évacué dudit second échangeur de chaleur ( 26) est dirigé à l'intérieur de l'entrée dudit premier échangeur de chaleur ( 16), ledit fluide basse température échangeant ainsi deux fois de la chaleur avec ledit écoulement d'air
s'écoulant en fonctionnement à travers ladite conduite ( 11).
10. Admission d'air selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisée en ce que ledit fluide des échangeurs de chaleur est de lhydrogène.
11. Admission d'air selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisée en ce que ledit réfrigérant injecté en fonctionnement au sein dudit écoulement d'air est de l'oxygène liquide
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