FR2744174A1 - Agencement de paroi pour des parois de propulseurs refroidies par circulation de propergols - Google Patents
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Abstract
Agencement de paroi pour des parois de propulseurs, refroidies par circulation de propergols, comprenant une structure de refroidissement 4 avec une paroi intérieure 10 sollicitée par les gaz chauds, une paroi extérieure espacée 13 de cette paroi intérieure et une multitude d'entretoises ou cloisons 16 reliant les deux parois et subdivisant en canaux de refroidissement l'espace entre lesdites deux parois, et une structure de support 7 constituée au moins par une enveloppe extérieure 25 mécaniquement solide. La structure de refroidissement 4 est fendue de l'extérieur dans la zone de chaque entretoise 16, les fentes 22 menant à travers la paroi extérieure 13 et le milieu des entretoises 16 jusque dans la zone de la paroi intérieure 10. La structure de support 7 est, au moins dans la zone contiguë de la structure de refroidissement 4, réalisée de manière à céder élastiquement et/ou se trouve à distance de la structure de refroidissement 4. Application: notamment aux parois de chambres de combustion et de tuyères de poussée, de moteurs-fusées, refroidies par circulation de propergols cryogènes.
Description
Agencement de paroi pour des parois de propulseurs refroidies par
circulation de propergols.
Agencement de paroi pour des parois de propulseurs refroidies par circulation de propergols, en particulier pour des parois de chambres de combustion et de tuyères de poussée de moteurs-fusées, refroidies par circulation de propergols cryogènes, comprenant une structure de refroidissement qui se compose d'une paroi intérieure sollicitée par les gaz chauds pendant le fonctionnement d'une paroi extérieure qui est espacée de la paroi intérieure et qui est plus froide que cette dernière pendant le fonctiffonnement, ainsi que d'une multitude d'entretoises ou cloisons reliant la paroi intérieure à la paroi extérieure et subdivisant en une multitude de canaux de refroidissement l'espace entre lesdites deux parois, et une structure de support qui entoure la paroi extérieure et qui comprend au moins une enveloppe extérieure mécaniquement solide. Un tel agencement de paroi pour des chambres de combustion et tuyères de poussée de moteurs-fusées à propergols liquides est connu par exemple par le brevet DE-17 51 691. Dans l'agencement de paroi décrit dans ce document, les canaux de refroidissement sont ménagés dans un corps de base monopièce en un matériau bon conducteur de la chaleur, de préférence du cuivre, de sorte que la paroi intérieure située côté gaz chauds et les entretoises ou cloisons radiales entre les canaux de refroidissement, sont réalisées d'une seule pièce à partir du même matériau. En tant que paroi extérieure mince, on forme par électrodéposition, sur les entretoises, de l'extérieur, une couche réalisée dans le même matériau que celui du corps de base. Cette couche sert également de couche d'adhérence pour l'enveloppe extérieure/enveloppe de pression relativement épaisse, formée par la suite par électrodéposition à partir d'un matériau à haute résistance
mécanique, mauvais conducteur de la chaleur, de préférence du nickel.
Cette enveloppe extérieure supporte également, en passant par les entretoises et la mince paroi extérieure, essentiellement les sollicitations dues à la pression intérieure de la chambre de
combustion ou de la tuyère.
Les phénomènes décrits ci-après se déroulent pendant le fonctionnement dans un tel agencement de paroi. Les canaux de refroidissement sont traversés par exemple par de l'hydrogène froid se trouvant entre 30 et 200 K, l'enveloppe extérieure de support adoptant à peu près cette température et subissant de ce fait une contraction, donc une diminution de diamètre. Cet effet est encore renforcé par des effets de couches dans le propergol, lequel s'échauffe sur le fond interne des canaux, c'est-à-dire sur la paroi intérieure, mais reste relativement froid dans les zones extérieures. La paroi intérieure qui, en vue d'un bon transfert de chaleur au propergol, est mince, s'échauffe sous les sollicitations thermiques que la chambre de combustion ou la tuyère subit du fait des gaz de combustion chauds et a donc tendance à se dilater, mais cette dilatation est empêchée par la contre-pression exercée par la paroi extérieure froide et rigide, en passant par les entretoises. De ce fait, le matériau de la paroi
intérieure flue en direction des zones de raccordement aux entretoises.
Cet effet est d'autant plus intense que la durée de combustion est plus longue. Il ne s'arrête que lorsque les tensions induites par voie thermique ont baissé jusqu'à la limite d'élasticité. L'épaisseur de paroi radiale de la paroi intérieure déjà mince diminue donc encore à peu
près au milieu entre les entretoises.
En fin de combustion du propulseur, pour des raisons de sécurité, la combustion dans la chambre de combustion est d'abord arrêtée par fermeture de l'arrivée d'oxygène, tandis que l'hydrogène qui traverse également les canaux de refroidissement continue de s'écouler pendant une courte période. En raison de sa faible capacité thenrmique, la paroi intérieure mince subit alors immédiatement un refroidissement intense,
ce qui provoque des contraintes de traction élevées dans cette paroi.
Tout au moins après plusieurs démarrages et des durées de combustion prolongées, cela peut entraîner assez rapidement une formation de fissures dans les zones médianes affaiblies de la paroi intérieure, mettant en danger le fonctionnement de la chambre de combustion ou
tuyère et pouvant conduire jusqu'à une destruction complète.
Le brevet DE 21 37 109 décrit la fabrication d'une chambre de combustion moteur-fusée à refroidissement par régénération, par électrodéposition sur un noyau d'électrodéposition. La structure de refroidissement ainsi produite présente une mince paroi intérieure, une paroi extérieure épaisse et solide et une multitude d'entretoises ou cloisons s'étendant radialement entre la paroi intérieure et la paroi extérieure, subdivisant l'espace intermédiaire en une multitude de canaux de refroidissement et supportant mécaniquement la paroi intérieure. En vue d'une réduction des contraintes thermiques dans la zone paroi intérieure/entretoises, des fentes débouchant en direction du côté des gaz chauds s'étendent à travers la paroi intérieure et le milieu des entretoises jusque dans la zone de la paroi extérieure. La paroi intérieure ainsi subdivisée en une multitude de bandes étroites et de "fentes de dilatation" intermédiaires, peut se dilater et contracter relativement librement, c'est-à-dire s'adapter aux contraintes thermiques. Il convient cependant de remarquer que les gaz chauds peuvent pénétrer au moins temporairement dans les fentes, de sorte que chaque canal de refroidissement est sollicité par les gaz chauds non pas depuis un côté, mais depuis trois côtés (1 x par la paroi intérieure, 2 x par l'entretoise). Il en résulte des sollicitations thermiques au moins passagèrement accrues de la structure de refroidissement. Les zones des angles entre la paroi intérieure et les entretoises sont particulièrement critiques du point de vue construction. Compte tenu des faibles dimensions des sections des canaux de refroidissement (quelques millimètres en hauteur et en largeur), il n'est ici pratiquement pas possible de travailler avec des épaisseurs de paroi, rayons d'arrondi, etc., exactement constants. De ce fait, des points faibles sont involontairement "préprogrammés", avec le risque d'un percement allant jusqu'à une défaillance complète de la structure. Pour palier ce danger, il faudrait de nouveau augmenter les épaisseurs de paroi médianes ou améliorer la précision de fabrication. Il est évident que l'avantage que ce mode de construction était initialement censé apporter se trouve tout au moins
largement compensé par les inconvénients mentionnés.
Compte tenu des solutions connues et de leurs inconvénients, le but de la présente invention est de créer un agencement de paroi pour des parois de propulseurs refroidies par circulation de propergols, agencement qui, par une réduction sensible des contraintes induites par voie thermique, et moyennant des dépenses modestes, procure une
durée de vie et sécurité de fonctionnement notablement accrues.
Ce but est atteint, selon l'invention, dans le cas d'un agencement de paroi du type défini en préambule, par le fait que la structure de refroidissement est fendue de 1 extérieur dans la zone de chaque entretoise, les fentes s'étendant à travers la paroi extérieure et les milieux des entretoises jusque dans la zone de la paroi intérieure, et par le fait que la structure de support, tout au moins dans la zone contiguë à la structure de refroidissement, est réalisée de manière à pouvoir céder élastiquement et/ou se trouve à distance de la structure
de refroidissement.
La structure de refroidissement de l'agencement de paroi conforme à l'invention, est fendue depuis le côté extérieur, c'est-à-dire depuis le côté froid, de sorte que la paroi intérieure, côté gaz chauds, est conservée sous forme de contour lisse, non interrompu, pour le
guidage de l'écoulement des gaz chauds.
Considérée isolément, la structure de refroidissement peut se dilater et se contracter essentiellement sans contraintes, du fait que la paroi extérieure à fentes multiples et les entretoises fendues ne gênent pas sensiblement les mouvements thermiques de la paroi intérieure mince, critique. En combinaison avec la structure de support qui, au moins par zone, peut céder élastiquement et/ou est espacée de la structure de refroidissement, les changements dimensionnels de la structure de refroidissement, induits par voie thermique et mécanique (pression des gaz chauds) ne sont restreints/entravés que dans la mesure nécessaire pour supporter et limiter les contraintes. Les tensions induites sont ainsi maintenues dans des limites acceptables, des déformations permanentes et des fluages de matériau dans la
structure de refroidissement étant essentiellement évités.
Dans le cas o une distance définie est prévue initialement entre la structure de refroidissement et la structure de support, cette distance est avantageusement dimensionnée de manière que la structure de refroidissement puisse porter, pendant le fonctionnement, c'est-à-dire en cas de dilatation thermique et sous charge, de tous les côtés sans interstice contre la structure de support, de sorte que cette
dernière puisse remplir pleinement sa fonction de support mécanique.
Pendant les conditions de fonctionnement transitoires, de faible durée, pendant lesquelles une distance existe entre la structure de refroidissement et la structure de support, c'est-à-dire pendant lesquelles l'effet de support est inexistant ou est restreint, il faut veiller à ce que la structure de refroidissement ne subisse pas de
sollicitation mécanique excessive.
L'enveloppe extérieure peut être disposée directement ou par l'intermédiaire d'une mince couche de séparation thermiquement isolante sur la paroi extérieure de la structure de refroidissement et être constituée par un matériau ou un matériau composite susceptible
de céder élastiquement.
L'enveloppe extérieure peut également être réalisée rigidement, une couche intermédiaire en un matériau ou en un matériau composite susceptible de céder élastiquement étant disposée entre la paroi
extérieure et l'enveloppe extérieure.
L'enveloppe extérieure peut également être réalisée rigidement et être disposée à distance de la paroi extérieure, l'espace entre la paroi extérieure et l'enveloppe extérieure présentant au moins une liaison volumétrique, avec transmission de pression, avec l'espace contenant
les gaz chauds.
L'enveloppe extérieure peut être constituée avantageusement par un matériau composite renforcé de fibres, par exemple une résine synthétique renforcée de fibres de verre et/ou de fibres d'aramide, présentant un module d'élasticité d'environ 10.000 à 20.000 N/mm2, et la couche de séparation thermiquement isolante peut être constituée avantageusement par un matériau à base de polytétrafluoréthylène (PTFE) ou d'une matière plastique ayant une résistance à la chaleur comparable. La couche intermédiaire peut présenter un module d'élasticité d'environ 10.000 à 20.000 N/mm2 et être constituée par exemple de
mousse de métal.
Les éléments de paroi de la structure de refroidissement (paroi intérieure, entretoises, paroi extérieure) peuvent être avantageusement constitués de cuivre et/ou d'un alliage de cuivre, par exemple avec les
constituants cuivre, argent et zirconium.
L'enveloppe extérieure peut être constituée avantageusement d'acier inoxydable, nickel ou un alliage de nickel, par exemple Inconel. De préférence, la géométrie de la structure de refroidissement t+s peut répondre à l'inégalité b / 2 > 4, avec si à peu près égal à sa, b/2 o t désigne la hauteur des canaux de refroidissement (distance paroi intérieure-paroi extérieure), sa désigne l'épaisseur de la paroi extérieure, b désigne l'épaisseur des entretoises, et
si désigne l'épaisseur de la paroi intérieure.
L'invention sera décrite plus en détail ci-après à l'aide des dessins annexés qui représentent de façon simplifiée, hors échelle, plusieurs modes de réalisation de l'invention; sur les dessins: la figure 1 est une coupe partielle d'un agencement de paroi avec enveloppe extérieure élastique, non espacée; la figure 2 est une coupe partielle d'un agencement de paroi avec couche intermédiaire élastique non espacée et enveloppe extérieure rigide; la figure 3 est une coupe partielle d'un agencement de paroi avec
enveloppe extérieure rigide espacée.
Les coupes partielles selon les trois figures montrent pour plus de simplicité des agencements de paroi avec des contours extérieurs, intérieurs et intermédiaires plans. Bien entendu, dans la réalité, ces contours sont en règle générale incurvés, de préférence sous la forme de cercles concentriques. Sur chaque figure, le côté des gaz chauds
(côté intérieur) est situé en bas, le côté froid (côté extérieur) en haut.
L'agencement de paroi 1 suivant la figure 1 peut être subdivisé en deux zones fonctionnelles, à savoir la structure de refroidissement 4 et la structure de support 7. La première comprend le système de canaux de refroidissement et donc la paroi intérieure 10, la paroi extérieure 13 fendue, les entretoises ou cloisons 16, les fentes 22 et les canaux de refroidissement 19. Pour des raisons de résistance à la chaleur et de conductibilité thermique, la structure de refroidissement 4 est constituée de préférence de cuivre ou d'un alliage de cuivre. Les fentes 22 s'étendent entre les canaux de refroidissement 19 de l'extérieur (depuis le haut) jusque dans la zone de la paroi intérieure 10 o elles se terminent avec un contour arrondi favorable du point de vue contraintes. Les entretoises 16 peuvent donc être considérées, soit sous forme d'entretoises simples profondément fendues, soit sous forme d'entretoises doubles étroitement contiguës, la première considération étant ici préférée. Cela est cependant sans importance du
point de vue technique.
La structure de support 7 est ici réalisée en deux couches et comprend une enveloppe extérieure 25 portante, pouvant être sollicitée mécaniquement, et une couche de séparation 28 thermiquement
isolante. Toutes les couches se trouvent en contact sans interstice.
L'enveloppe extérieure 25 est constituée d'un matériau composite de fibres, par exemple d'une résine synthétique renforcée de fibres de verre et/ou d'aramide, avec un module d'élasticité d'environ 10.000 à 20. 000 N/mm2 du matériau composite. Elle présente ainsi, d'une part, une élasticité suffisante pour ne pas trop limiter les variations dimensionnelles/déformations induites par voie thermique dans la structure de refroidissement, et possède, d'autre part, une résistance mécanique suffisante pour supporter les sollicitations résultant de la pression des gaz chauds. La couche de séparation 28 est constituée par exemple de PTFE et sert de barrière thermique. En fonction des caractéristiques du matériau de l'enveloppe extérieure 25, cette couche de séparation peut également être supprimée. Sur le bord de droite de la figure 1, on a indiqué des valeurs typiques des températures de fonctionnement. La température de fonctionnement moyenne de la paroi intérieure 10 s'élève ainsi à environ 685 K (805+565). La différence de température par rapport à la paroi extérieure 13 est donc de 620 K (685-65). Il est évident que cette grande différence conduirait, en cas de réalisation rigide de la paroi extérieure ou de la structure de support, à des tensions thermiques élevées dans la zone de la paroi intérieure, tension que la présente invention permet
précisément d'éviter.
Sur la moitié de gauche de la figure 1, on a indiqué des cotes correspondant aux conditions géométriques dans la structure de refroidissement 4. En l'occurence, la définition des différents symboles est la suivante: a = largeur d'un canal de refroidissement t = hauteur d'un canal de refroidissement b/2 = épaisseur d'entretoise de part et d'autre de la fente 22 si = épaisseur de la paroi intérieure 10
Sa = épaisseur de la paroi extérieure 13.
Dans la réalité, les dimensions typiques seraient par exemple: si = 0,6 + 1 mm Sa = 0,6 + 1 mm a = 1 + 2 mm t _ 2 mm b = 1 ± 2mm Pour si = sa, la géométrie de la structure de refroidissement devrait répondre à l'inégalité suivante afin que les contraintes de flexion dans les entretoises fendues soient maintenues faibles t+Sa b/2 > 4 L'agencement de paroi 2 suivant la figure 2 comprend une structure de refroidissement 5 avec paroi interne 11, paroi extérieure 14, entretoises 17, fentes 23 et canaux de refroidissement 20, la
réalisation étant la même que suivant la figure 1.
La différence essentielle par rapport à la figure 1 réside dans la conception de la structure de support 8 qui se compose ici d'une enveloppe extérieure 26 relativement rigide et d'une couche intermédiaire 29 susceptible de céder élastiquement. L'enveloppe extérieure 26 est constituée de préférence de métal massif à module d'élasicité élevé, par exemple nickel, alliage de nickel ou acier inoxydable. La couche intermédiaire 29 doit par contre présenter un module d'élasticité de seulement environ 10.000 à 20.000 N/mm2 et peut être constituée par exemple de mousse de métal. Il existe donc ici une certaine répartition des fonctions qui, tout en procurant un meilleur support/meilleure conservation de forme, permet des conditions de contraintes encore plus favorables. Toutefois, il faut prendre en compte une augmentation de l'épaisseur de la structure et le
cas échéant du poids de la structure.
Tel que cela apparaît sur la figure, toutes les couches sont ici
également en contact sans interstice.
Par contre, la figure 3 illustre un agencement de paroi 3 dans lequel une fente A définie existe entre la structure de refroidissement
6 et la structure de support 9.
La structure de refroidissement 6 avec paroi intérieure 12, paroi extérieure 15, entretoises 18, fentes 24 et canaux de refroidissement
21, est conformée exactement comme sur les deux figures précédentes.
La structure de support 9 se compose uniquement d'une enveloppe extérieure 9 rigide, par exemple métallique, laquelle, lorsque l'agencement de paroi 3 est à l'état inactif, non sollicité, se trouve à
une distance A définie par rapport à la paroi extérieure 15 fendue.
Cette distance A est choisie de manière qu'elle devienne égale à "zéro" en fonctionnement, c'est-à-dire que la structure de refroidissement 6
s'applique de tous côtés contre l'enveloppe extérieure 27 de support.
Les conditions de fonctionnement peuvent temporairement être telles que la structure de refroidissement 6 soit fortement sollicitée mécaniquement par les pressions des gaz chauds, alors qu'elle n'est pas encore (n'est plus) en appui contre la structure de support 9. Pour ces cas, il faut veiller à ce que la structure de refroidissement 6 ne subisse pas de dilatation excessive permanente, c'est-à-dire plastique. Dans l'exemple représenté, une communication volumétrique 30 entre la zone des gaz chauds et l'espace compris entre la paroi extérieure 15 et l'enveloppe extérieure 27, est prévue à cet effet. De cette manière, la même pression P règne des deux côtés de la structure de refroidissement 6, en l'occurence ici au-dessus et en dessous, de sorte qu'il n'existe pratiquement pas de tendance à la dilatation en direction circonférentielle, sous l'effet de la pression des gaz chauds. Les contraintes mécaniques dues à la pression interne des canaux de refroidissement, sont moins critiques à ce sujet et sont en plus réduites par le fait que les canaux de refroidissement sont sollicités par pression de l'extérieur pratiquement de tous les côtés (la pression P
agit également dans les fentes 24).
Enfin, il convient de remarquer que dans le cadre de l'invention, l'homme du métier peut combiner de manière appropriée les
différentes solutions suivant les figures 1, 2 et 3.
Claims (9)
1. Agencement de paroi pour des parois de propulseurs, refroidies par circulation de propergols, en particulier pour des parois de chambres de combustion et de tuyères de poussée, de moteurs-fusées, refroidies par circulation de propergols cryogènes, comprenant une structure de refroidissement qui se compose d'une paroi intérieure sollicitée par les gaz chauds pendant le fonctionnement, d'une paroi extérieure qui est espacée de cette paroi intérieure et est plus froide que cette dernière pendant le fonctionnement, ainsi que d'une multitude d'entretoises ou cloisons reliant la paroi intérieure à la paroi extérieure et subdivisant en une multitude de canaux de refroidissement l'espace entre lesdites deux parois, et une structure de support entourant la paroi extérieure et constituée au moins par une enveloppe extérieure mécaniquement solide, caractérisé par le fait que la structure de refroidissement (4, 5, 6) est fendue de l'extérieur dans la zone de chaque entretoise (16, 17, 18), les fentes (22, 23, 24) menant à travers la paroi extérieure (13, 14, 15) et le milieu des entretoises jusque dans la zone de la paroi intérieure (10, 11, 12), et que la structure de support (7, 8, 9), au moins dans la zone contiguë de la structure de refroidissement (4, 5, 6), est réalisée de manière à céder élastiquement et/ou se trouve à une distance (A) de la structure
de refroidissement (4, 5, 6).
2. Agencement de paroi suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enveloppe extérieure (25) est disposée directement ou par l'intermédiaire d'une mince couche de séparation (28) thermiquement isolante sur la paroi extérieure (13) de la structure de refroidissement (4) et est constituée par un matériau ou un matériau composite
susceptible de céder élastiquement.
3. Agencement de paroi suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enveloppe extérieure (26) est rigide et qu'une couche intermédiaire (29) en un matériau ou un matériau composite susceptible de céder élastiquement est disposée entre la paroi
extérieure (14) et l'enveloppe extérieure (26).
4. Agencement de paroi suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'enveloppe extérieure (27) est rigide et est disposée à distance (A) de la paroi extérieure (15), et que l'espace entre la paroi extérieure (15) et l'enveloppe extérieure (27) présente au moins une liaison (30) volumétrique, avec transmission de pression, avec l'espace contenant les gaz chauds.
5. Agencement de paroi suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que l'enveloppe extérieure (25) est constituée par un matériau composite à fibres, par exemple une résine synthétique renforcée de fibres de verre et/ou de fibres d'aramide, ce matériau présentant un module d'élasticité d'environ 10.000 à 20.000 N/mm2 et que la couche de séparation (28) thermiquement isolante est constituée par un matériau à base de polytétrafluoréthylène (PTFE) ou d'une matière plastique ayant
une tenue à la chaleur comparable.
6. Agencement de paroi suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la couche intermédiaire (29) présente un module d'élasticité d'environ 10.000 à 20.000 N/mm2 et est constituée par exemple de
mousse de métal.
7. Agencement de paroi suivant l'une quelconque des revendications
1 à 6, caractérisée par le fait que les éléments de paroi de la structure de refroidissement (4, 5, 6) (paroi intérieure, entretoises, paroi extérieure) sont constitués de cuivre et/ou d'un alliage de cuivre, par exemple avec
les composants cuivre, argent et zirconium.
8. Agencement de paroi suivant l'une quelconque des revendications
1, 3, 4, 6, 7, lorsque cette dernière revendication n'est pas rattachée aux
revendications 2 ou 5, caractérisé par le fait que l'enveloppe extérieure
(26, 27) est constituée d'acier inoxydable, nickel ou un alliage de nickel,
par exemple Inconel.
9. Agencement de paroi suivant l'une quelconque des revendications
1 à 8, caractérisée par le fait que la géométrie de la structure de refroidissement répond à l'inégalité t + sa > 4 avec si à peuprès égal à sa, o t désigne la hauteur des canaux de refroidissement (distance paroi intérieure-paroi extérieure), Sa désigne l'épaisseur de la paroi extérieure (13, 14, 15), b désigne l'épaisseur des entretoises (16, 17, 18), et
si désigne l'épaisseur de la paroi intérieure (10, 11, 12).
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