FR2873407A1 - Procedes et dispositifs pour produire une poussee d'un turbomoteur - Google Patents
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Abstract
Procédés et dispositifs pour produire une poussée à partir d'un turbomoteur à l'aide d'un système de détonation (100) par impulsions. Le turbomoteur comprend un ensemble de soufflante et un conduit de dérivation (36) acheminant de l'air jusqu'à un ensemble haute pression (23) et au système de détonation par impulsions. Le procédé comprend les étapes consistant à injecter une charge de carburant dans un tube de détonation par impulsions (102) qui est couplé radialement vers l'extérieur par rapport à l'ensemble haute pression (23), et à réguler une alimentation en air depuis la soufflante (112) vers le tube de détonation par impulsions (102) via une ouverture (112) dans l'extrémité d'entrée (104) du tube de détonation par impulsions (102) à l'aide d'une valve rotative (124) placée radialement à l'extérieur de l'ensemble haute pression (23).
Description
PROCEDES ET DISPOSITIFS POUR PRODUIRE UNE POUSSEE D'UN
TURBOMOTEUR
La présente invention est relative aux turbomoteurs et, plus particulièrement, à un système de détonation par impulsions pour un turbomoteur.
Au moins certains turbomoteurs selon la technique antérieure comprennent une soufflante frontale, un ensemble haute pression et une turbine de travail. L'ensemble haute pression comprend au moins un compresseur qui fournit de l'air sous pression à une chambre de combustion dans laquelle l'air se mélange au carburant et s'enflamme pour produire des gaz de combustion à haute température. Les gaz de combustion sont canalisés vers l'aval jusqu'à une ou plusieurs turbines qui en extraient de l'énergie pour faire fonctionner le compresseur et produire un travail utile, par exemple en fournissant de l'énergie à un aéronef. La poussée permise par au moins certains turbomoteurs de la technique antérieure peut limiter la vitesse de fonctionnement de l'aéronef correspondant à un nombre supérieur de Mach d'environ deux.
Un réacteur à détonation par impulsions peut produire une poussée supplémentaire en comparaison d'autres turbomoteurs selon la technique antérieure en utilisant une série de détonations répétitives d'un mélange carburant/air à l'intérieur d'une chambre de détonation. Chaque détonation produit une onde qui se propage à des vitesses supersoniques. Chaque onde comprime le fluide présent dans la chambre de détonation, ce qui accroît la pression, la densité et la température du fluide. A mesure que l'onde est acheminée vers l'extrémité arrière ouverte du réacteur, une poussée est créée. Le cycle de détonation par impulsions se répète ensuite. Un tel réacteur peut être apte à permettre à l'aéronef correspondant d'atteindre des nombres de Mach supérieurs à celui d'un turbomoteur, par exemple Mach 4 ou plus. Cependant, il peut être malcommode et/ou trop coûteux d'équiper un aéronef de multiples combinaisons de différents types de réacteurs.
Dans une forme de réalisation est proposé un procédé pour produire une poussée à partir d'un turbomoteur à l'aide d'un système de détonation par impulsions. Le turbomoteur comprend un ensemble de soufflante, et un conduit de dérivation canalisant de l'air vers un ensemble haute pression et le système de détonation par impulsions.
Le procédé comprend les étapes consistant à injecter une charge de carburant dans un tube de détonation par impulsions qui est couplé radialement à l'extérieur de l'ensemble haute pression, et à commander un envoi d'air depuis la soufflante dans le tube de détonation par impulsions via une ouverture à l'extrémité d'entrée du tube de détonation par impulsions à l'aide d'une valve rotative placée radialement à l'extérieur de l'ensemble haute pression.
Dans une autre forme de réalisation est proposé un turbomoteur. Le turbomoteur comprend un ensemble de soufflante, un ensemble haute pression couplé en communication d'écoulement et en aval de l'ensemble de soufflante, un conduit annulaire de dérivation radialement extérieur entourant l'ensemble haute pression, le conduit de dérivation s'étendant en communication d'écoulement en aval de l'ensemble de soufflante, et au moins un tube de détonation par impulsions couplé en aval et radialement à l'extérieur de l'ensemble haute pression.
Dans encore une autre forme de réalisation est proposé un ensemble de turbomoteur. Le turbomoteur comprend un ensemble de soufflante, un ensemble haute pression couplé en communication d'écoulement avec et en aval de l'ensemble de soufflante, un conduit de dérivation annulaire radialement extérieur entourant l'ensemble haute pression, le conduit de dérivation s'étendant en communication d'écoulement en aval de l'ensemble de soufflante, et une pluralité de tubes de détonation par impulsions espacés sur le pourtour intérieur du conduit de dérivation autour d'un axe longitudinal de l'ensemble haute pression. Chaque tube de détonation par impulsions comporte une extrémité d'entrée pour recevoir de l'air de la soufflante, une extrémité d'échappement pour refouler des gaz de combustion depuis celle-ci, et une valve rotative comportant un disque formant rotor pourvu d'au moins une ouverture ménagée dans celui-ci et d'au moins une partie pleine, le disque formant rotor étant entre les différents tubes de détonation par impulsions et le conduit de dérivation, le disque formant rotor pouvant tourner pour réguler l'écoulement d'air par l'ouverture vers les différents tubes de détonation par impulsions pendant une première partie de la rotation, et le disque formant rotor tournant en outre de façon que la partie pleine se place au-dessus de l'extrémité d'entrée de l'un des différents tubes de détonation par impulsions pendant une deuxième partie de la rotation afin que le carburant et l'air présents à l'intérieur de l'un des différents tubes de détonation par impulsions puissent être amenés à détoner sous l'effet du système d'allumage et/ou de la chaleur résiduelle dans le tube de détonation par impulsions, le disque formant rotor étant entraîné en rotation par un moteur électrique et/ou un moteur pneumatique et/ou un moteur hydraulique.
Ledit au moins un tube de détonation par impulsions peut s'étendre au moins partiellement à l'intérieur dudit conduit de dérivation.
Chaque tube de détonation par impulsions peut comprendre au moins un bossage d'entrée de carburant conçu pour introduire du carburant dans ledit tube de détonation à impulsions.
Ladite pluralité de tubes de détonation par impulsions peuvent être espacés dans la direction circonférentielle par paires dans ledit conduit de dérivation autour 1 o d'un axe longitudinal dudit ensemble haute pression, chaque dite paire de tubes de détonation par impulsions comportant une chambre de détonation pourvue d'une extrémité d'entrée pour recevoir de l'air venant de ladite soufflante, et une paire d'extrémités d'échappement pour refouler des gaz de combustion via ladite paire de tubes de détonation par impulsions.
Ladite chambre de détonation peut comporter en outre: au moins un bossage d'entrée de carburant monté dans ladite chambre de détonation pour introduire du carburant dans ladite chambre de détonation; et un bossage de système d'allumage monté dans ladite chambre de détonation pour faciliter la détonation du mélange d'air et de carburant.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels: la Fig. 1 est une illustration schématique d'un exemple de forme de réalisation d'un turbomoteur; la Fig. 2 est une vue en perspective d'un exemple de système de détonation par impulsions utilisable avec le turbomoteur; la Fig. 3 est une vue en perspective d'un autre exemple de forme de réalisation de système de détonation par impulsions utilisable avec le turbomoteur représenté sur la Fig. 1.
La Fig. 1 est une illustration schématique d'un exemple de forme de réalisation d'un turbomoteur 10 comprenant un ensemble de soufflante 12, un accélérateur 22, un compresseur haute pression 14 et une chambre de combustion 16. Le turbomoteur 10 comprend également une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 20. Le compresseur haute pression 14, la chambre de combustion 16 et la turbine haute pression 18 définissent un ensemble haute pression 23. L'ensemble de soufflante 12 comporte une série d'aubes 24 de soufflante s'étendant radialement vers l'extérieur depuis un disque formant rotor 26. Le turbomoteur 10 a un côté admission 28 et un côté échappement 30. Le compresseur 14 et la turbine 18 sont couplés par un premier arbre 31 de rotor, et l'ensemble de soufflante 12 et la turbine 20 sont couplés par un deuxième arbre 32 de rotor. Le compresseur 14, la turbine 18, l'ensemble de soufflante 12 et la turbine 20 sont sensiblement coaxiaux autour d'un axe longitudinal 34. Un conduit annulaire de dérivation radialement extérieur entoure au moins partiellement l'ensemble haute pression 23 depuis le côté admission 28 vers le côté échappement 30.
Pendant le fonctionnement, de l'air passe dans l'ensemble de soufflante 12, et une partie de l'air comprimé dans la soufflante 12 est fournie au compresseur haute pression 14, et le reste est dérivé autour de l'ensemble haute pression 23 via le conduit de dérivation 36. L'air fortement comprimé est délivré à la chambre de combustion 16. Le courant d'air (non illustré sur la Fig. 1) issu de la chambre de combustion 16 entraîne les turbines 18 et 20, et la turbine 20 entraîne l'ensemble de soufflante 12 par l'intermédiaire de l'arbre 32.
La Fig. 2 est une vue en perspective d'un exemple de système de détonation 100 par impulsions utilisable avec le turbomoteur 10 (représenté sur la Fig. 1). Le système de détonation 100 par impulsions comprend au moins un tube de détonation 102 par impulsions qui comporte une partie d'extrémité d'entrée 104 et une partie d'extrémité de sortie 106, un corps 108 de forme globalement cylindrique et un alésage 110 traversant celui-ci. Chaque partie d'extrémité d'entrée 104 comporte une ouverture d'extrémité d'entrée 112, un bossage 114 de système d'allumage et au moins un bossage 116 d'injecteur de carburant. Dans l'exemple de forme de réalisation, chaque tube de détonation 102 par impulsions est illustré avec deux bossages 116 d'injecteurs de carburant, cependant il doit être entendu qu'un nombre plus grand ou plus petit de bossages 116 d'injecteurs de carburant peut être utilisé pour faciliter la création d'un rapport air/carburant optimal et d'une distribution optimale de carburant et d'air dans le tube de détonation 102 par impulsions. Dans l'exemple de forme de réalisation, un axe longitudinal 118 du bossage 116 d'injecteur de carburant est incliné suivant un angle 120 par rapport à un axe longitudinal 122 du tube de détonation 102 par impulsions. Chaque bossage 116 d'injecteur de carburant peut être incliné suivant un angle différent par rapport à chaque autre bossage 116 d'injecteur de carburant. Chaque angle peut être choisi pour faciliter la création d'un rapport air/carburant optimal et d'une répartition optimale de carburant et d'air dans le tube de détonation 102 par impulsions. Dans une forme de réalisation, le bossage 116 d'injecteur de carburant comporte une rotule de façon que l'angle 120 puisse être choisi de manière variable.
Dans l'exemple de forme de réalisation, huit tubes de détonation 102 par impulsions sont espacés dans la direction circonférentielle autour de l'ensemble haute pression, par groupes de deux tubes de détonation 102 par impulsions. Les tubes de détonation 102 par impulsions sont disposés dans le conduit de dérivation 36 de façon que l'axe longitudinal 122 soit radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal 34. Chaque paire de tubes de détonation 102 par impulsions est couplée à une valve rotative 124 qui facilite la régulation de l'écoulement de l'air depuis la soufflante 12 vers le tube de détonation 102 par impulsions. La valve rotative 124 comprend un corps (non représenté), un disque formant rotor 126 ayant au moins une ouverture 128 de disque et au moins une partie pleine 130. La valve rotative 124 est placée de façon que le disque formant rotor 126 soit placé entre l'ouverture d'extrémité d'entrée 112 et le conduit de dérivation 36. Le disque formant rotor 126 peut tourner de façon que, pendant une première partie d'une rotation du disque formant rotor 126, l'ouverture 128 du disque soit placée de manière sensiblement alignée avec l'ouverture d'extrémité d'entrée 112 pour permettre à l'air venant du conduit de dérivation 36 de pénétrer dans un tube de détonation par impulsions respectif 102. Pendant une deuxième partie de la rotation du disque formant rotor 126, la partie pleine 130 est placée au-dessus de l'ouverture d'extrémité d'entrée 112 de façon que la carburant et l'air à l'intérieur du tube de détonation par impulsions respectif 102 puissent détoner sous l'effet de l'inflammation du mélange à l'aide d'un système d'allumage (non représenté) ou à l'aide de la chaleur résiduelle dans le tube de détonation 102 par impulsions. Le disque formant rotor 126 peut être entraîné en rotation par un moteur 132, par exemple mais de façon nullement limitative un moteur électrique, un moteur pneumatique ou un moteur hydraulique. Dans l'exemple de forme de réalisation, le moteur 132 est un moteur pneumatique tel qu'une turbine à air qui reçoit de l'air de prélèvement provenant de l'ensemble haute pression 23 afin de produire une force motrice de rotation pour faire tourner le disque formant rotor 126. Le moteur 132 est également placé dans le conduit de dérivation 36 de façon que l'axe géométrique central du moteur 132 soit décalé radialement par rapport à l'axe longitudinal 34.
La Fig. 3 est une vue en perspective d'un autre exemple de forme de réalisation d'un système de détonation 200 par impulsions utilisable avec le turbomoteur 10 (représenté sur la Fig. 1). Le système de détonation 200 par impulsions comprend une pluralité de tubes de détonation 202 par impulsions qui comportent chacun une partie d'extrémité d'entrée 204, une partie d'extrémité de sortie 206, un corps 208 de forme globalement cylindrique et un alésage 210 traversant celui-ci. Chaque partie d'extrémité d'entrée 204 comporte une ouverture d'extrémité d'entrée (non représentée) qui est couplée en communication d'écoulement avec un compartiment de sortie 212 d'une chambre de détonation 214.
Dans l'exemple de forme de réalisation, chaque compartiment de sortie 212 comporte un corps en U ayant deux branches de sortie 216. Chaque branche de sortie comporte une ouverture de sortie (non représentée) couplée en communication d'écoulement avec l'ouverture d'extrémité d'entrée (non représentée) des tubes de détonation 202 par impulsions. Chaque compartiment de sortie 212 comporte une ouverture d'entrée (non représentée) située à proximité d'un sommet 218 des branches de sortie 216 du corps en U du compartiment de sortie 212. L'ouverture d'entrée de chaque compartiment de sortie 212 est couplée en communication d'écoulement avec une ouverture de sortie (non représentée) de la chambre de détonation 214. Chaque chambre de détonation 214 comporte une ouverture d'extrémité d'entrée 220, un bossage 224 de système d'allumage et au moins un bossage 226 d'injecteur de carburant. Dans l'exemple de forme de réalisation, chaque chambre de détonation 214 est illustrée avec deux bossages 226 d'injecteurs de carburant, cependant il doit être entendu qu'un nombre plus grand ou plus petit de bossages 226 d'injecteurs de carburant peut être utilisé pour faciliter la création d'un rapport air/carburant optimal et d'une répartition optimale de l'air et du carburant dans la chambre de détonation 214. Dans l'exemple de forme de réalisation, l'axe longitudinal 228 du bossage 226 d'injecteur de carburant est incliné suivant un angle 230 par rapport à un axe longitudinal 232 de la chambre de détonation 214. Chaque bossage 226 d'injecteur de carburant peut être incliné suivant un angle différent par rapport à chaque autre bossage 226 d'injecteur de carburant. Chaque angle peut être choisi pour faciliter la création d'un rapport air/carburant optimal et d'une répartition optimale du carburant et de l'air dans la chambre de détonation 214. Dans une forme de réalisation, le bossage 226 d'injecteur de carburant comporte une rotule de façon que l'angle 230 puisse être choisi de façon variable.
Dans l'exemple de forme de réalisation, huit tubes de détonation 202 par impulsions sont espacés sur le pourtour de l'ensemble haute pression 23, par groupes de deux tubes de détonation 202 par impulsions. Les tubes de détonation 202 par impulsions sont disposés dans le conduit de dérivation 36 afin que l'axe longitudinal 232 soit radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal 34. Chaque paire de tubes de détonation 202 par impulsions est couplée à une valve rotative 234 par l'intermédiaire de compartiments de sortie respectifs 212. La valve rotative 234 facilite la régulation de l'écoulement de l'air depuis la soufflante 12 (représentée sur la Fig. 1) vers la chambre de détonation 214. La valve rotative 234 comprend un corps (non représenté), un disque formant rotor 236 ayant au moins une ouverture 238 de disque et au moins une partie pleine 240. La valve rotative 234 est placée de façon que le disque formant rotor 236 soit placé entre l'ouverture d'extrémité d'entrée 220 et le conduit de dérivation 36. Le disque formant rotor 236 peut tourner afin que, pendant une première partie d'une rotation du disque formant rotor 236, l'ouverture 238 du disque soit placée sensiblement dans l'alignement de l'ouverture d'extrémité d'entrée 220 pour permettre à l'air venant du conduit de dérivation 36 de pénétrer dans la chambre de détonation respective 214. Pendant une deuxième partie de la rotation du disque formant rotor 236, la partie pleine 240 est placée par-dessus l'ouverture d'extrémité d'entrée 220 afin que le carburant et l'air présents à l'intérieur de la chambre de détonation respective 214 puissent détoner sous l'effet de l'inflammation du mélange au moyen d'un système d'allumage (non représenté) ou à l'aide de la chaleur résiduelle dans la chambre de détonation 214. Le disque formant rotor 236 peut être entraîné en rotation par un moteur 242, par exemple mais de manière nullement limitative un moteur électrique, un moteur pneumatique ou un moteur hydraulique. Dans l'exemple de forme de réalisation, le moteur 242 est un moteur pneumatique tel qu'une turbine à air qui reçoit de l'air de prélèvement issu de l'ensemble haute pression 23 afin de produire une force motrice de rotation pour faire tourner le disque formant rotor 236. Le moteur 142 est également placé à l'intérieur du conduit de dérivation 36 afin que l'axe géométrique central du moteur 142 soit décalé radialement par rapport à l'axe longitudinal 34.
Les procédés et dispositifs décrits ci-dessus sont rentables et très fiables pour créer une poussée à partir d'un turbomoteur à l'aide d'un système de détonation par impulsions. En particulier, le fait qu'un ou plusieurs tubes de détonation par impulsions soient placés dans un conduit de dérivation d'un turbomoteur de telle manière que les tubes de détonation par impulsions sont radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe géométrique central du turbomoteur facilite l'augmentation de la poussée pour le turbomoteur et crée un écoulement d'air depuis une soufflante existante en réduisant de ce fait l'installation d'équipements supplémentaires dans le turbomoteur. Une valve rotative mue par un moteur permet des détonations à une fréquence sensiblement supérieure à celle permise par les valves selon la technique antérieure. Le fait d'utiliser la valve rotative pour réguler uniquement l'entrée de l'air dans le tube de détonation par impulsions et de commander séparément l'injection du carburant facilite une régulation relativement améliorée du mélange et de la répartition de l'air et du carburant. Les procédés et dispositifs décrits ici facilitent, 1 o d'une manière rentable et fiable, la création d'une poussée à partir d'un turbomoteur à l'aide d'un système de détonation par impulsions.
Des exemples de formes de réalisation de turbomoteurs utilisant des procédés et des pièces de dispositifs de détonation par impulsions sont décrits en détail plus haut. Les pièces ne se limitent pas aux formes spécifiques de réalisation décrites ici, mais au contraire des pièces de chaque dispositif peuvent être utilisées de manière indépendante et séparée des autres pièces décrites ici. Chaque turbomoteur utilisant un procédé et une pièce de dispositif de détonation par impulsions peut également être utilisé en combinaison avec d'autres turbomoteurs utilisant des procédés et des pièces de dispositifs de détonation par impulsions.
LISTE DES REPERES
turbomoteur 10 ensemble de soufflante 12 accélérateur 22 compresseur haute pression 14 chambre de combustion 16 turbine haute pression 18 turbine basse pression 20 ensemble haute pression 23 aubes 24 de soufflante disque formant rotor 26 côté admission 28 côté échappement 30 arbre 31 de rotor arbre 32 de rotor axe longitudinal 34 conduit de dérivation 36 système de détonation par impulsions 100 tube de détonation par impulsions 102 partie d'extrémité d'entrée 104 partie d'extrémité de sortie 106 corps 108 alésage 110 ouverture d'extrémité d'entrée 112 bossage 114 de système d'allumage bossage d'injecteur de carburant 116 axe longitudinal 118 angle 120 axe longitudinal 122 valve rotative 124 disque formant rotor 126 ouverture 128 de disque partie pleine 130 moteur 132 système de détonation 200 par impulsions tubes de détonation par impulsions 202 partie d'extrémité d'entrée 204 partie d'extrémité de sortie 206 corps 208 alésage 210 compartiment de sortie 212 chambre de détonation 214 branches de sortie 216 sommet 218 ouverture d'extrémité d'entrée 220 bossage 224 de système d'allumage axe longitudinal 228 angle 230 axe longitudinal 232 valve rotative 234 disque formant rotor 236 ouverture 238 du disque partie pleine 240 moteur 242
Claims (9)
1. Turbomoteur (10), comprenant: un ensemble de soufflante (12) ; un ensemble haute pression (23) couplé en communication d'écoulement avec et en aval dudit ensemble de soufflante; un conduit de dérivation annulaire radialement extérieur (36) entourant ledit ensemble haute pression, ledit conduit de dérivation s'étendant en communication d'écoulement en aval dudit ensemble de soufflante; et au moins un tube de détonation (102) par impulsions couplé en aval et radialement vers l'extérieur par rapport audit ensemble haute pression.
2. Turbomoteur selon la revendication 1, comprenant en outre une valve rotative (124) conçue pour réguler un écoulement d'air depuis le conduit de dérivation jusque dans au moins un tube de détonation par impulsions.
3. Turbomoteur selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un tube de détonation par impulsions s'étend au moins partiellement à l'intérieur dudit conduit de dérivation.
4. Turbomoteur selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un tube de détonation par impulsions comporte une pluralité de tubes de détonation par impulsions espacés sur le pourtour intérieur dudit conduit de dérivation.
5. Turbomoteur selon la revendication 4, dans lequel ladite pluralité de tubes de détonation par impulsions sont espacés sur le pourtour dans ledit conduit de dérivation autour d'un axe longitudinal (34) dudit ensemble haute pression, chaque dit tube de détonation par impulsions comprenant: une ouverture d'extrémité d'entrée (112) pour recevoir de l'air venant de ladite soufflante; une extrémité d'échappement (106) pour refouler depuis celle-ci des gaz de combustion; et au moins un bossage (116) d'entrée de carburant conçu pour introduire du carburant dans ledit tube de détonation à impulsions.
6. Turbomoteur selon la revendication 4, comprenant en outre une valve rotative comportant un disque formant rotor (126) pourvu d'au moins une ouverture (128) ménagée dans celui-ci et au moins une partie pleine (130), ledit disque formant rotor étant entre ladite pluralité de tubes de détonation par impulsions et ledit conduit de dérivation, ledit disque formant rotor pouvant tourner pour réguler l'écoulement de l'air passant par ladite ouverture et entrant dans ladite pluralité de tubes de détonation par impulsions et réguler la détonation dans ladite pluralité de tubes de détonation par impulsions.
7. Turbomoteur selon la revendication 6, dans lequel ledit disque formant rotor est entraîné en rotation par un moteur électrique (132) et/ou un moteur pneumatique (132) et/ou un moteur hydraulique (132).
8. Turbomoteur selon la revendication 4, dans lequel ladite pluralité de tubes de détonation par impulsions sont espacés dans la direction circonférentielle par paires dans ledit conduit de dérivation autour d'un axe longitudinal dudit ensemble 1 o haute pression, chaque dite paire de tubes de détonation par impulsions comportant une chambre de détonation (214) pourvue d'une extrémité d'entrée (220) pour recevoir de l'air venant de ladite soufflante, et une paire d'extrémités d'échappement (216) pour refouler des gaz de combustion via ladite paire de tubes de détonation par impulsions.
9. Turbomoteur selon la revendication 8, dans lequel ladite chambre de détonation comporte en outre: au moins un bossage (226) d'entrée de carburant monté dans ladite chambre de détonation pour introduire du carburant dans ladite chambre de détonation; et un bossage (224) de système d'allumage monté dans ladite chambre de détonation pour faciliter la détonation du mélange d'air et de carburant.
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