FR2773850A1 - Chambre de combustion pour un moteur de forte puissance et tuyeres - Google Patents
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Abstract
Chambre de combustion pour un moteur de forte puissance et une tuyère d'engin volant, notamment de fusée, comprenant une enveloppe de pression extérieure et une paroi intérieure en contact avec les gaz chauds, et ayant un grand nombre de canaux de refroidissement, caractérisée en ce qu'entre l'enveloppe de pression (9) et la paroi intérieure (10), il y a une couche intermédiaire (2) en un matériau ayant des caractéristiques de mémoire de forme.
Description
La présente invention concerne une chambre de combustion pour un moteur de forte puissance et une tuyère d'engin volant, notamment de fusée, comprenant une enveloppe de pression extérieure et une paroi intérieure en contact avec les gaz chauds, et ayant un grand nombre de canaux de refroidissement.
Le document DE 35 35 779, décrit une tuyère pour un moteur de forte puissance par exemple pour une fusée porteuse ou un engin spatial récupérable, ayant un contour offrant une symétrie de rotation. La section circulaire va en diminuant à partir de la chambre de combustion en direction de la section correspondant au col, pour s'élargir de nouveau ensuite. Un tel contour offrant une symétrie de rotation, est simple à fabriquer et permet de recevoir efficacement les efforts développés par les gaz.
Etant donné les températures élevées de l'ordre de 30000C, il faut néanmoins refroidir efficacement la tuyère. Cela se fait dans le cas de la tuyère connue composée d'une enveloppe d'un alliage de cuivre en ce que l'enveloppe intérieure comporte dans la direction périphérique ou dans la direction axiale, des canaux de refroidissement traversés par un fluide de refroidissement par exemple l'hydrogène liquide que brûle le réacteur et qui assure ainsi le refroidissement.
De plus, cette enveloppe intérieure est entourée sans laisser d'intervalle par une enveloppe de support recevant les efforts de pression développés par les gaz. Cette enveloppe de support doit offrir une grande résistance à la traction alors que sa résistance thermique présente une importance moindre du fait de son refroidissement interne.
I1 existe des tendances pour développer des avions hypersoniques qui sont également équipés d'un tel réacteur. Ces réacteurs doivent offrir un rendement élevé pour générer la poussée et pour cela on juxtapose plusieurs tels réacteurs. Pour satisfaire aux exigences, on a déjà proposé des tuyères dont le contour de la section passe d'une section circulaire au niveau de la chambre de combustion à une section rectangulaire au niveau de la sortie de la tuyère et même de la section rétrécie de la tuyère.
Cela signifie que la paroi de la tuyère présente une forme à courbure compliquée. D'une part, il faut que l'enveloppe intérieure relativement souple présente un contour intérieur de forme précise pour permettre un écoulement optimum et d'autre part il faut que l'enveloppe d'appui soit rigide pour des raisons de résistance, ce qui ne permet pas son adaptation à la forme de l'enveloppe intérieure. La réalisation des deux enveloppes avec une précision de forme aussi élevée pour qu'une géométrie complexe corresponde toutefois à une fabrication très coûteuse.
Un autre inconvénient est qu'après la réunion des deux enveloppes, il subsiste éventuellement des cavités qui provoquent des déformations et des fissures au fonctionnement et peuvent ainsi conduire à une défaillance.
Selon le document DE 40 15 204, pour éviter ces inconvénients, on connaît une tuyère pour un moteur d'avion avec une enveloppe intérieure munie d'un certain nombre de canaux de refroidissement, ayant une grande conductivité thermique, et qui est entourée de l'extérieure par une enveloppe de support rigide ; entre l'enveloppe intérieure et l'enveloppe de support, on a coulé une couche intermédiaire.
On compense ainsi les tolérances de fabrication de l'enveloppe intérieure et de l'enveloppe de support ce qui permet de réduire les exigences relatives à la précision de la forme des deux enveloppes.
Le document DE 41 15 403, décrit une paroi de tuyère pour les rampes d'expansion et les tuyères à gaz chauds, ayant une structure de support extérieur non tournée vers les gaz chauds et une structure intérieure à plusieurs couches avec des canaux de refroidissement tournés vers les gaz chauds et écartés les uns des autres. Pour obtenir une poussée importante et une commutation simple entre les différents modes de fonctionnement du moteur, il faut des tuyères ayant une structure rectangulaire. Les parois de telles tuyères sont néanmoins exposées à des pressions élevées et à des températures importantes. Contrairement à des parois de tuyères de section circulaire, les efforts de pression exercés sur les parois planes de tuyères rectangulaires ou de cham bres de combustion, sont exposés à des couples de flexion élevés. Cela peut engendrer des déformations ou des gonflements au niveau de la tuyère ne permettant plus leur fonctionnement correct. De plus, l'effet de bimétal complique le problème à cause des différences de température dans la paroi à plusieurs couches. Pour éviter les pertes de poussée et les courants de fuite, il faut pour cela des parois refroidies ayant une forme stable.
Une telle paroi de tuyères, connue, présente une structure interne formée d'une couche conductrice de chaleur exposée aux gaz chauds et une couche de glissement, réfractaire ; les canaux de refroidissement sont intégrés dans la couche conductrice de chaleur et celle-ci est reliée élastiquement à la structure de support par plusieurs éléments de fixation traversant la couche de glissement. La couche de glissement peut être formée de granulés de céramique alors que la couche conductrice de chaleur est en cuivre.
Les éléments de fixation peuvent se présenter sous la forme de petits tubes mais du fait d'une résistance minimale, nécessaire, on ne dispose d'aucun trajet de dilatation suffisant si la tuyère est exposée à des contraintes thermiques extrêmes, usuelles pour des moteurs de forte puissance. Du fait des tensions induites, thermiques, importantes, avec des dilatations plastiques considérables, cela limite considérablement la durée d'utilisation.
Cette limitation repose sur une défaillance par exemple une formation de fissures dans la paroi de la chambre de combustion après un nombre limité de cycles de mise en charge et une déformation plastique correspondante ainsi que le fluage sous l'effet des dilatations thermiques, contrariées, c'est-à-dire des contraintes secondaires liées aux tensions thermiques d'induit, intenses (environ 80 % de la charge totale).
Cela limite non seulement très fortement les possibilités de réemploi, mais également augmente le coût total du système de support ; les pertes impulsionnelles et les sollicitations excessives des composants du moteur (y compris des turbopompes connues) entraînent pendant le fonctionnement du moteur, la formation de fissures.
Même si l'on utilise d'autres matières intermédiaires entre la paroi de gaz chauds et la structure extérieure, comme par exemple de l'aluminium fritté ou de l'aluminium en mousse, susceptible d'absorber les déformations importantes, on rencontre des déformations irréversibles dans le domaine plastique ce qui ne conduit qu'à un concept d'emploi unique.
Les matériaux connus pour des éléments d'appui prévus entre la paroi de gaz chauds et la structure extérieure qui l'entoure, et provoquant par des dilatations transversales, un mouvement de retrait, défini pendant le fonctionnement du moteur à haute puissance, ces moyens ne présentent pas de dilatation élastique suffisante.
La présente invention a pour but de développer une chambre de combustion pour un moteur de forte puissance et des tuyères d'engins volants augmentant considérablement la durée d'utilisation, pour permettre un fonctionnement pendant un nombre important de cycles thermiques de la chambre de combustion avec une meilleure fiabilité et une meilleure aptitude au fonctionnement.
Partant d'une chambre de combustion du type défini ci-dessus, ce problème est résolu par une chambre de combustion caractérisée en ce qu'entre l'enveloppe de pression et la paroi intérieure, il y a une couche intermédiaire en un matériau superélastique ou un matériau ayant des caractéristiques de mémoire de forme.
La couche intermédiaire peut être formée, soit de fils parallèles, soit d'une ou plusieurs bandes.
Les matériaux connus ayant des caractéristiques de mémoire de forme, et qui sont par exemple du NiTi, CuZnAl, ou autres.., constituent des matériaux super élastiques commandés, permettant de réaliser des structures élastiques de chambre de combustion ; lorsqu'on prévoit des fentes dans la paroi intérieure munie des canaux de refroidissement en cuivre, on peut augmenter considérablement la durée d'utilisation de la chambre de combustion du fait de la com mande partielle du comportement en dilatation dans les plages de contraintes extrêmes (par exemple au niveau du col) grâce à une variation commandée de la forme de la couche intermédiaire.
La variation de forme très élastique de la couche intermédiaire réalisée en un matériau ayant des caractéristiques de mémoire de forme offre un potentiel important d'utilisation du comportement élastique de la structure de la chambre de combustion.
En utilisant des matériaux cryogènes pour la couche intermédiaire et dont les températures de fonctionnement se situent dans la plage cryogène (par exemple -1000C), on peut ainsi réaliser des canaux de refroidissement qui sont refroidis de préférence au voisinage de H2.
La possibilité de réaliser des variations de forme les plus différentes (allongement, raccourcissement, flexion, torsion, ou autres...) présente l'avantage d'un spectre étendu d'une conversion constructive, notamment pour des géométriques très complexes de la chambre de combustion.
A côté du nombre important de cycles thermiques permis par une chambre de combustion selon l'invention, on réalise également une grande fiabilité des caractéristiques de reproductibilité de la variation de forme et ainsi un degré d'aptitude au fonctionnement, élevé de l'ensemble du système.
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés montrant deux exemples de réalisation avantageux. Ainsi - la figure 1 montre une partie d'une chambre de combustion
d'un moteur de forte puissance ou d'une tuyère de fusée en
phase de coupure dans les conditions normales, - la figure 2 montre une piece pendant la phase de démarrage
et en fonctionnement stationnaire, - la figure 3 montre une partie de réalisation différente
d'une chambre de combustion en phase de coupure et dans les
conditions normales, - la figure 4 montre cette partie en phase de démarrage et en
mode stationnaire.
d'un moteur de forte puissance ou d'une tuyère de fusée en
phase de coupure dans les conditions normales, - la figure 2 montre une piece pendant la phase de démarrage
et en fonctionnement stationnaire, - la figure 3 montre une partie de réalisation différente
d'une chambre de combustion en phase de coupure et dans les
conditions normales, - la figure 4 montre cette partie en phase de démarrage et en
mode stationnaire.
La figure 1 montre avec la référence 9, l'enveloppe de pression extérieure d'une chambre de combustion ; la référence 10 désigne la paroi intérieure dont la face inférieure 7 est en contact avec les gaz chauds ; cette paroi est munie d'un grand nombre de canaux de refroidissement 11, parallèles. La référence 1 désigne une chambre de dilatation partielle entre l'enveloppe de pression et la paroi intérieure ; la référence 2 désigne la couche intermédiaire selon l'invention. Cette couche est réalisée en un matériau ayant les caractéristiques de mémoire de forme, c'est-à-dire un métal à mémoire de forme ; cette couche intermédiaire 2 de l'exemple de réalisation représenté aux figures 1 et 2 est formée d'un grand nombre de fils parallèles ou juxtaposés.
La figure 1 montre la phase de coupure et l'état dans les conditions normales, la couche intermédiaire 2 est soumise à une force de traction indiquée par les trois flèches du côté gauche de la figure 1. Pendant la phase de démarrage et en vol stationnaire (figure 2), cette direction des efforts s'inverse car la couche intermédiaire portant la référence 5, subit une variation de forme du fait du dépassement de sa température de seuil.
La référence 3 selon la figure 1 désigne des fentes de dilatation qui s'élargissent en direction de la couche intermédiaire 5 comme le laisse apparaître l'état stationnaire représenté à la figure 2.
Dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 3 et 4, la couche intermédiaire 4, 5 se compose soit d'une ou plusieurs bandes juxtaposées ou d'une coquille qui couvrent pour l'essentiel toute la surface de contact entre l'enveloppe de pression et la paroi intérieure.
Claims (1)
- 20) Chambre de combustion pour un moteur de forte puissance et une tuyère d'engin volant, notamment de fusée, comprenant une enveloppe de pression et une paroi intérieure en contact avec les gaz chauds, et ayant un grand nombre de canaux de refroidissement, caractérisée en ce qu' entre l'enveloppe de pression (9) et la paroi intérieure (10), il y a une couche intermédiaire (2, 5 ; 4, 8) en un matériau superélastique.3 ) Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche intermédiaire présente des fils disposés parallèlement.4 ) Chambre de combustion selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche intermédiaire présente une ou plusieurs bandes juxtaposées.5 ) Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans la paroi intérieure (10), entre les canaux de refroidissement (11), il y a des fentes (3, 6) s'étendant perpendiculairement à la couche intermédiaire (2, 5 ; 4, 8), sur une partie de l'épaisseur de la paroi intérieure.
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