FR2915521A1 - Generateur de tourbillons d'ecoulement de fluide caloporteur pour un moteur-fusee - Google Patents
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Abstract
Procédé de refroidissement d'un ensemble formant chambre de poussée (12) comportant un ruban/fil torsadé d'une forme quelconque parmi de nombreux types de formes transversales, situé à l'intérieur d'un passage de refroidissement (40) de l'ensemble formant tuyère pour diriger le fluide caloporteur de façon à ce qu'il s'écoule d'une manière tourbillonnante pour déclencher un mélange et une désintégration de la couche limite dans le passage (40) de fluide caloporteur afin d'accroître le transfert de chaleur par convexion.
Description
GÉNÉRATEUR DE TOURBILLONS D'ÉCOULEMENT DE FLUIDE CALOPORTEUR POUR UN
MOTEUR-FUSÉE
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION La présente invention concerne un système de refroidissement, et plus particulièrement un système de refroidissement pour un ensemble formant chambre de poussée de moteur-fusée. Au cours du fonctionnement d'un moteur-fusée, des turbopompes alimentent en combustible et en comburant, tel que l'hydrogène et l'oxygène, la chambre de combustion. L'oxygène et hydrogène sont dilatés dans la chambre de combustion et brûlés pour produire des gaz chauds sous pression. On fait s'écouler les gaz chauds sous pression à de grandes vitesses vers la tuyère d'échappement. La tuyère d'échappement permet une dilatation supplémentaire des gaz pour augmenter la vitesse des gaz avant que les gaz ne sortent du moteur, ce qui augmente de ce fait la poussée du moteur-fusée. L'ensemble formant tuyère moteur est habituellement fabriqué à partir de tubes à paroi mince ou de canaux usinés qui sont effilés et façonnés de façon à former le contour de tuyère requis. On utilise le combustible en tant que fluide caloporteur et on le fait s'écouler à travers ces tubes pour refroidir par convexion les tubes et chauffer par récupération le combustible. Le refroidissement par convexion garantit que la température des tubes est cohérente avec les limites de température requises pour l'intégrité structurelle de la tuyère. Certain cycles du moteur-fusée, tel que le cycle de dilatation, reposent sur la chaleur transférée entre les gaz de combustion et le fluide caloporteur pour faire fonctionner le moteur. La quantité de transfert de chaleur vers le fluide caloporteur est un facteur significatif pour ce qui est des limitations de la quantité de puissance, ou de poussée, qu'un moteur en cycle de dilatation peut générer. La fiabilité de la charnbre de combustion dépend également fortement de l'efficacité du circuit caloporteur. Par conséquent, il est souhaitable de mettre à disposition un système de refroidissement efficace pour un ensemble formant chambre de poussée qui accroît le transfert de chaleur par convexion.
RESUME DE L'INVENTION Le système de refroidissement selon la présente invention comporte un ruban/fil torsadé de tout type quelconque de forme transversale situé à l'intérieur d'un passage d'écoulement de refroidissement d'ensemble formant tuyère le long de la totalité du passage ou dans des sections spécifiques du passage. Le ruban/fil torsadé force le fluide caloporteur à s'écouler d'une manière tourbillonnante, ce qui déclenche un mélange et désintègre la couche limite dans le passage de fluide caloporteur pour accroître le transfert thermique par convexion. Ceci se traduira par un refroidissement accru des parois de la chambre et augmentera la température du fluide caloporteur pour fournir une énergie additionnelle au moteur, précisément la turbopompe. L'écoulement tourbillonnant minimise également la possible stratification des températures à l'intérieur d'un passage de fluide caloporteur particulier. La fiabilité du moteur est accrue grâce à des mises en fonctionnement avec une paroi de chambre plus froide qui augmente la capacité de résistance du matériau et réduit la sensibilité de la paroi de la chambre aux traînées chaudes provoquées par des irrégularités dans le circuit caloporteur ou l'environnement de combustion. Un refroidissement plus efficace de la paroi de la chambre facilite le fonctionnement du moteur à un rapport de puissance ou de mélange comburant/ combustible plus élevé. La présente invention met donc à disposition un système de refroidissement efficace pour un ensemble formant chambre de poussée qui accroit le transfert de chaleur par convexion.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les diverses caractéristiques et les divers avantages de celte invention apparaîtront aux hommes du métier à la lecture de la description détaillée suivante du mode de réalisation actuellement décrit. Les dessins qui accompagnent la description détaillée peuvent être brièvement décrits comme suit : La Figure 1 est une vue en perspective générale d'un exemple de mode de réalisation de moteur-fusée pour une utilisation avec la présente invention ; La Figure 2A est une vue en perspective schématique d'un ensemble formant chambre de poussée de la présente invention ; La Figure 2B est une vue agrandie de l'ensemble formant chambre de poussée illustrant les passages de fluide caloporteur ; La Figure 3A est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un type de générateur de tourbillons d'écoulement ; et La Figure 3B est une vue en perspective d'un autre type de générateur de tourbillons d'écoulement.
DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PRESENTF; La Figure 1 illustre une vue schématique générale d'un moteur- fusée 10. Le moteur 10 comporte de manière générale un ensemble formant chambre de poussée 12, un système d'alimentation en combustible 14, un système d'alimentation en comburant 16 et un système d'allumage 18. Le système d'alimentation en combustible 14 et. le système d'alimentation en comburant 16 prévoient un système d'alimentation en propergol gazeux du moteur-fusée 10, cependant, d'autres systèmes d'alimentation en propergol fluide, tel qu'un liquide, sont également utilisables avec la présente invention. L'ensemble formant chambre de poussée 12 est défini par une paroi refroidie par fluide 20 autour d'un axe de poussée A. La paroi refroidie par fluide 20 définit une section de tuyère 22, une chambre de combustion 24 en amont de la section de tuyère 22, et un col 26 de chambre de combustion entre elles. L'ensemble formant chambre de poussée 12 comporte un injecteur 12A avec une face 28 d'injecteur qui contient une multitude d'éléments 30 d'injecteur de carburant/comburant (représentés de manière quelque peu simplifiée) qui reçoivent le combustible, qui passe tout d'abord à travers la pa:-oi refroidie par fluide 20, délivré par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation en combustible 14A du système d'alimentation en combustible 14 et un comburant, tel que de l'Oxygène Gazeux (GOx) par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation en comburant 16A du système d'alimentation en comburant 16.
Le système d'allumage 18 comporte de manière générale une alimentation en puissance 32 et un système de conditionnement électrique 33 pour faire fonctionner un dispositif d'allumage 34 monté à l'intérieur de l'injecteur 12A pour allumer l'écoulement de propergol combustible/ comburant provenant des éléments 30 d'injecteur de combustible/comburant. Le comburant est délivré au dispositif d'allumage par l'intermédiaire d'une conduite dédiée 16B dans ce mode de réalisation, et le combustible est également délivré à la torche d'allumage par l'intermédiaire d'une conduite dédiée 14B. L'allumage de l'écoulement de propergol combustible/comburant provenant des éléments 30 d'injecteur de combustible/comburant avec le dispositif d'allumage 34 est classique et n'a pas ici besoin d'être décrit de manière plus détaillée. On se réfère à la Figure 2A, sur laquelle la paroi refroidie par fluide 20 de l'ensemble formant chambre de poussée 12 (ensemble formant tuyère) comporte de multiples passages 40 définis dans celle-ci (également illustrés sur la Figure 213). Les multiples passages 40 à l'intérieur de la paroi refroidie par fluide 20 forment une section d'un système de refroidissement 42 (illustrés de manière simplifiée), qui utilise du combustible en tant que fluide caloporteur par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation en combustible 14A du système d'alimentation en combustible 14. Il faut comprendre que bien que les passages 40 soient généralement parallèles à l'axe A et illustrés à l'intérieur de la chambre de combustion 24, d'autres dispositifs basés sur un phénomène de combustion, tels qu'un dispositif de propulsion, une fusée, un dispositif hypersonique, et d'autres ainsi que n'importe laquelle de ces sections, telle que la section de tuyère 22 et/ou le col 26 de chambre de combustion, peuvent également comporter la paroi refroidie par fluide 20 de la présente invention.
Certains, ou tous, parmi les multiples passages 40 comportent un générateur de tourbillons d'écoulement 44 le long de la totalité du passage ou clans des sections spécifiques des passages 40. Le générateur de tourbillons d'écoulement 44 comporte de manière générale un faisceau de ruban et/ou de fil torsadé de l'une quelconque parmi les diverses formes transversales (Figures 3A, 3B). Le générateur de tourbillons d'écoulement 44 adopte une forme généralement hélicoïdale qui est essentiellement une courbe tridimensionnelle s'enroulant autour d'un axe. Il faut en outre comprendre que le générateur de tourbillons d'écoulement 44 peut adopter diverses formes torsadées mettant en rotation le fluide caloporteur mais qui ne nécessitent pas de répondre exactement à la définition mathématique d'une "spirale" ou "hélice." Le générateur de tourbillons d'écoulement 44 force le fluide caloporteur à s'écouler d'une manière tourbillonnante, ce qui déclenche un mélange et désintègre la couche limite dans les passages de fluide caloporteur 40 pour accroître le transfert de chaleur par convexion. Ceci accroît le refroidissement de la paroi refroidie par fluide 20 et augmente la température du fluide caloporteur pour fournir une énergie additionnelle au moteur, précisément la ou les turbine(s) de turbopompe. L'écoulement tourbillonnant minimise également le risque de stratification de température à l'intérieur d'un passage de fluide caloporteur particulier. La fiabilité du moteur est accrue grâce à la mise en fonctionnement avec un ensemble formant chambre de poussée à température inférieure 12 qui augmente la capacité de résistance du matériau de telle sorte que la paroi refroidie par fluide 20 soit moins sensible aux traînées chaudes provoquées par des irrégularités dans le circuit caloporteur ou l'environnement de combustion. Un refroidissement plus efficace de la paroi refroidie par fluide 20 facilite le fonctionnement du moteur à un rapport de puissance ou de mélange comburant/combustible plus élevé.
Il faut comprendre que des termes de position relative tels que "à l'avant", "à l'arrière", "supérieur", "inférieur", "au-dessus", " au-dessous", et "analogues" font référence à l'orientation en fonctionnement normal du véhicule et ne doivent pas sinon être considérés comme limitatifs.
Il faut comprendre que bien qu'un agencement de composant particulier soit décrit dans le mode de réalisation illustré, d'autres agencements profiteront de la présente invention. Bien que des séquences d'étape particulières soient représentées, décrites, et revendiquées, il faut comprendre que les étapes peuvent être accomplies dans n'importe quel ordre, séparées ou combinées sauf indication contraire et qu'elles profiteront toujours de la présente invention.
La description susdite est exemplaire plutôt que définie par les limitations qu'elle comporte. De nombreuses modifications et variantes de la présente invention sont possibles à la lumière des enseignements ci-dessus. Les modes de réalisation décrits de cette invention ont. été décrits, cependant, l'homme du métier constatera que certaines modifications pourraient être apportées dans le cadre de cette invention. Il faut donc comprendre que dans le cadre des revendications annexées, l'invention peut être mise en pratique autrement que de la façon décrite précisément. Pour cette raison, les revendications suivantes devront être étudiées pour déterminer la véritable portée et le véritable contenu de cette invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci--dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Claims (16)
1. Paroi refroidie par fluide (20) pour ensemble formant chambre de poussée (12) comprenant : une paroi ayant au moins un passage (40) ; et un générateur de tourbillons d'écoulement (44) situé à l'intérieur dudit au moins un passage (40).
2. Paroi refroidie par fluide (20) selon la revendication 1, dans laquelle ledit au moins un passage (40) comporte de multiples passages (40).
3. Paroi refroidie par fluide (20) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit au moins un passage (40) est défini de manière généralement parallèle par rapport à un axe (A) du moteur.
4. Paroi refroidie par fluide (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit au moins un passage (40) est formé le long d'une chambre de combustion (24).
5. Paroi refroidie par fluide (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle ledit au moins un passage (40) est formé le long d'une chambre de poussée (12).
6. Paroi refroidie par fluide (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit générateur de tourbillons d'écoulement (44) est de forme torsadée.
7. Paroi refroidie par fluide (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle ledit générateur de tourbillons d'écoulement (44) est de forme hélicoïdale.
8. Moteur-fusée comprenant : un ensemble formant chambre de poussée (12) ayant une pa:-oi avec au moins un passage (40) dans celle-ci ; et un générateur de tourbillons d'écoulement (44) situé à l'intérieur dudit au moins un passage (40).
9. Moteur-fusée (10) selon la revendication 8, dans lequel ledit ensemble formant chambre de poussée (12) comporte une chambre de combustion (24).
10. Moteur-fusée (10) selon la revendication 8 ou 9, comprenant en outre un système de refroidissement qui fait. passer un fluide caloporteur à travers ledit au moins un passage (40).
11. Moteur-fusée (10) selon la revendication 10, dans lequel ledit fluide caloporteur comporte un combustible.
12. Moteur-fusée (10) selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel ledit au moins un passage (40) comporte de multiples passages (40) généralement parallèles à un axe (A) du moteur.
13. Procédé de refroidissement d'un ensemble formant chambre de poussée (12) de moteur-fusée (10) comprenant les étapes suivantes : (A) faire passer un fluide caloporteur à travers au moins un passage (40) dans une paroi d'ensemble formant chambre de poussée (12) ; et (B) faire tourbillonner le fluide caloporteur à l'intérieur dudit au moins un passage (40).
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel ladite étape (A) comprend en outre l'étape suivante : faire passer du combustible en tant que fluide caloporteur.
15. Procédé selon la revendication 13 ou :14, dans lequel ladite étape (B) comprend en outre l'étape suivante : déclencher un mélange dans l'au moins un passage de fluide caloporteur (40).
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, dans lequel ladite étape (B) comprend en outre l'étape suivante : désintégrer une couche limite à l'intérieur d'au moins un passage de fluide caloporteur (40).
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