FR2963063A1

FR2963063A1 - Chambre de combustion munie d'un element tubulaire

Info

Publication number: FR2963063A1
Application number: FR1056104A
Authority: FR
Inventors: Dominique Indersie; Didier Guichard
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-01-27
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: DE112011102511T5; FR2963063B1; US20130219901A1; WO2012022889A1; US9759163B2

Abstract

L'invention concerne le domaine des chambres de combustion comportant un divergent. La chambre de combustion (10) s'étend selon un axe longitudinal (A) et comporte un injecteur (11) de fluide en aval duquel s'étend une paroi (30) présentant un col (15) et un divergent (20) situé en aval de ce col (15). La chambre (10) est munie d'un élément tubulaire (40) entourant au moins partiellement la paroi (30) et apte à reprendre la plupart des efforts générés lors du fonctionnement de la chambre (10) sur l'extrémité aval (25) de la paroi (30) pour les transférer sur une structure située en amont de la chambre (10).

Description

La présente invention concerne une chambre de combustion comportant un divergent. Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal des fluides dans la chambre de combustion le long des parois de cette chambre. Les termes "interne" et "externe" indiquent la région située à (ou dirigée vers) l'intérieur et l'extérieur de la chambre de combustion, respectivement. L'invention concerne plus particulièrement une chambre de combustion s'étendant selon un axe longitudinal et comportant un injecteur de fluide en aval duquel s'étend une paroi présentant un col et un divergent situé en aval de ce col. On considère en particulier une chambre de combustion de moteur fusée s'étendant dans une direction longitudinale définie par son axe de symétrie, la chambre de combustion possédant donc sensiblement une symétrie de révolution. L'axe de symétrie est donc contenu dans la chambre de combustion, par opposition au cas des chambres de combustions annulaires. Dans de telles chambres de combustion, les ergols (combustible et fluide oxydant, par exemple de l'hydrogène liquide et de l'oxygène liquide) sont injectés à une extrémité 11 de la chambre 10 par des injecteurs. La figure 1 montre une telle chambre de combustion 10. La réaction de combustion des ergols produit des gaz de combustion (par exemple de la vapeur d'eau) qui sont expulsés par un col 15 situé à l'opposé des injecteurs. En aval du col 15 (lieu de la chambre de combustion de section la plus faible), la chambre s'évase par un divergent 20, ce qui permet d'augmenter la vitesse des gaz de combustion expulsés au travers du col 15, et donc la poussée délivrée par le moteur. Ce divergent 20 de la chambre 10 se prolonge en aval par un divergent 80 du moteur fusée. Ce divergent 80 du moteur est fixé à l'extrémité aval 25 du divergent 20 de la chambre 10, et est une partie du moteur fusée qui est distincte de la chambre de combustion 10. Durant le fonctionnement du moteur fusée, les parois de la chambre de combustion 10, y compris la paroi 30 du divergent 20 de la chambre 10, sont portées à des températures très élevées (les gaz de combustion peuvent être à une température de l'ordre de 3500 K en amont du col 15 dans le cas d'une combustion d'oxygène et d'hydrogène) et doivent être refroidies (leur température au niveau du col ne doit pas dépasser 1000 K)

afin de conserver leurs propriétés mécaniques. La méthode la plus courante pour effectuer ce refroidissement consiste à faire circuler un des ergols dans ou au contact de la paroi 30 du divergent 20 de la chambre 10 car ces ergols sont à une température très basse (par exemple ce sont des gaz liquéfiés). Cette circulation s'effectue par exemple dans des tubes, soit noyés dans la paroi 30 soit qui recouvrent la paroi 30. Alternativement, cette circulation s'effectue dans des canaux ouverts qui sont soit creusés dans la paroi 30 soit rapportés sur la face radialement externe de la paroi 30, ces canaux étant refermés par un dépôt ou une coque.

Lors du fonctionnement du moteur, l'expulsion à haute vitesse des gaz génère des efforts très importants sur le divergent 80 du moteur, qui sont transférés à la paroi 30 sous forme d'efforts longitudinaux s'exerçant à l'extrémité aval de la chambre de combustion 10. De plus, les efforts aérodynamiques subis en vol, ainsi que par exemple les efforts de braquage du moteur transmis par des vérins à la chambre 10, ou les efforts transmis par d'autres organes fixés sur la chambre 10, induisent des efforts transverses et longitudinaux, en particulier à l'extrémité aval de la chambre de combustion 10, qui entraînent des contraintes élevées sur la chambre 10 et en particulier au niveau du col 15.

En outre, la paroi 30 est soumise à des efforts radiaux dûs à la combustion des gaz dans la chambre 10. Pour éviter une rupture de la chambre 10, il est nécessaire de renforcer la chambre 10 en augmentant l'épaisseur de ses parois. Cependant, cette augmentation d'épaisseur a pour effet de bloquer la dilatation thermique de la partie chaude de la paroi 30 et donc de diminuer sa durée de vie, à moins de modifier le dispositif de refroidissement de la chambre 10 pour refroidir la paroi 30 plus rapidement. De plus, cette solution entraîne une forte augmentation du poids du moteur 10, ce qui est préjudiciable, spécialement dans le cas d'un moteur fusée dont le poids doit être le plus faible possible. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer une chambre de propulsion dont le poids est réduit tout en conservant sa tenue mécanique en fonctionnement et sa durée de vie.

Ce but est atteint grâce au fait que la chambre est munie d'un élément tubulaire entourant au moins partiellement la paroi et apte à reprendre la plupart des efforts générés lors du fonctionnement de la chambre sur l'extrémité aval de la paroi pour les transférer sur une structure située en amont de la chambre. Grâce à ces dispositions, c'est la' structure située en amont de la chambre qui supporte directement les efforts longitudinaux et transverses (efforts externes appliqués par l'environnement et les autres organes supportés par la chambre), la chambre elle-même ne supportant plus que les efforts radiaux dus à la combustion des gaz. Ces efforts radiaux étant beaucoup plus faibles que les autres efforts, en particulier ceux pouvant générer une flexion du col de la chambre, les parois de la chambre peuvent être dimensionnées avec une épaisseur moindre que s'ils devaient en plus supporter l'ensemble des efforts. Il en résulte un poids moins élevé du moteur. De plus, la chambre est également moins rigide, spécialement au niveau du col, ce qui lui confère une durée de vie en service plus importante. Avantageusement, la surface externe de la chambre est entourée sur au moins une partie de sa longueur dans la direction longitudinale par un manchon, ce manchon recouvrant et épousant la paroi. Ainsi, le manchon est apte à contenir les efforts radiaux s'exerçant sur la paroi 30, ce qui permet de diminuer l'épaisseur de la paroi, et donc de minimiser le poids total du moteur. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1, déjà décrite, est une vue d'ensemble en coupe longitudinale d'un moteur fusée, la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une chambre de combustion selon l'invention. La figure 2 montre une coupe longitudinale de la chambre de combustion 10 selon l'invention du moteur fusée de la figure 1. Compte tenu de la symétrie de révolution de la chambre de combustion 10 autour de l'axe longitudinal A, seule la moitié de la chambre de combustion 10 est représentée. La vapeur d'eau, produit de la combustion des ergols injectés

par les injecteurs 11, est éjectée par le col 15 puis le divergent 20, et circule donc de la gauche (amont) vers la droite (aval) sur la figure 2, sensiblement dans la direction de l'axe A. La face externe de la paroi 30 du divergent 20 est refroidie par un système de refroidissement 35. Par exemple, ce système de refroidissement est un circuit régénératif dans lequel circule un liquide cryogénique. Cette circulation s'effectue dans des tubes noyés dans la paroi 30, comme représenté sur la figure 2, ces tubes formant le système de 10 refroidissement 35. Ces tubes peuvent également recouvrir la face radialement externe de la paroi 30. Alternativement, cette circulation s'effectue dans des canaux ouverts qui sont soit creusés dans la paroi 30 soit rapportés sur la face 15 radialement externe de la paroi 30, ces canaux étant alors refermés par un dépôt, par exemple un dépôt électro-déposé tel que du nickel ou du cuivre ou un de leurs alliages. Ces canaux peuvent également être refermés par une coque, par exemple une coque en métal. Dans tous les cas, ces canaux sont ainsi recouverts pour former un conduit fermé sur sa 20 longueur et ouvert à ses extrémités. Le divergent 80 est soumis à des efforts longitudinaux dirigés de l'aval vers l'amont, de par l'éjection à haute vitesse des gaz par ce divergent 80. Ces efforts tendent à comprimer longitudinalement le divergent 80. Il subit également des efforts transverses provenant d'une 25 part des efforts aérodynamiques qui s'exercent sur un lanceur propulsé par ce moteur fusée pendant la phase atmosphérique, d'autre part des efforts d'inertie générés lors des braquages du moteur effectués pour le pilotage du lanceur. Des efforts transverses peuvent également être générés pendant les transitoires de démarrage et d'arrêt du moteur liés à 30 des phénomènes de décollement non symétrique du jet de gaz chaud. Ces efforts sont transmis au divergent 20 de la chambre 10, sur lequel le divergent 80 s'appuie, et s'exercent sur toute la circonférence de l'extrémité aval 25 du divergent 20 de la chambre 10. En effet, c'est cette extrémité aval 25 qui est l'interface entre le divergent 20 de la chambre 10 35 et le divergent 80. Les efforts longitudinaux sont représentés par la force F sur la figure 2 (de la droite vers la gauche) selon l'axe A. Les efforts

transverses sont représentés par la force T et le moment de flexion M sur la figure 2. Ces deux types d'effort (longitudinaux et transverses) étant générés par des sources extérieures à la chambre, ils seront regroupés sous l'appellation efforts externes.

Un élément tubulaire 40 entoure au moins partiellement la chambre 10, et prend appui à la fois sur l'extrémité aval 25 du divergent 20 de la chambre 10 (par exemple sur une collerette annulaire située à cette extrémité aval 25, comme représenté sur la figure 2), et sur une structure placée en amont de la chambre 10.

Ainsi, les efforts externes sont transmis directement sur cette structure, et ne s'exercent donc pas sur la chambre de combustion 10. Cette structure peut être par exemple la tête d'injection comprenant les injecteurs, et située à l'extrémité amont 11 de la chambre 10. Dans ce cas, la tête d'injection est soumise aux efforts externes.

Alternativement, cette structure peut être située plus en amont que la tête d'injection. Dans ce cas, avantageusement, la tête d'injection ne supporte pas les efforts externes et peut donc être allégée. L'élément tubulaire 40 est un tube entourant la chambre 10 sur toute sa longueur et sa circonférence, et à distance de la paroi 30 (hormis au niveau de l'extrémité aval 25) comme représenté sur la figure 2. Alternativement, l'élément tubulaire 40 est une portion de tube, qui entoure la chambre 10 sur une partie seulement de sa circonférence, par exemple sur la moitié de sa circonférence ou sur plusieurs secteurs angulaires. Alternativement, l'élément tubulaire 40 peut être constitué de plusieurs barres longitudinales formant entretoises et réparties autour de la chambre 10, ces barres étant éventuellement réunies à leurs extrémités amont par un anneau, et/ou réunies à leurs extrémités aval par un anneau. Sur la figure 1, l'élément tubulaire 40 a une forme cylindrique, c'est- à-dire que son rayon par rapport à l'axe longitudinal A est constant dans la direction longitudinale. L'élément tubulaire 40 peut avoir, par rapport à l'axe longitudinal A, un rayon non-constant, c'est-à-dire avoir une forme globalement conique ou tronconique.

Ainsi, la chambre 10 est soumise essentiellement aux efforts radiaux (dirigés selon un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal A), qui sont dus

à la combustion des gaz. Etant donné que ces efforts radiaux peuvent être beaucoup plus faibles que les efforts externes, il n'est nécessaire de dimensionner le renforcement de la chambre 10 que pour supporter ces efforts radiaux, et non pas pour supporter les efforts radiaux et les efforts externes. Ce renforcement s'effectue en enveloppant la chambre 10 de combustion sur au moins une partie de sa longueur dans la direction longitudinale par un manchon 50. Le manchon 50 épouse la paroi 30 de la chambre 10 de façon à être apte à contenir les efforts radiaux s'exerçant sur la paroi 30, et présente une épaisseur la plus faible possible afin de minimiser le poids de la chambre 10. Avantageusement, le manchon 50 est constitué d'un matériau dont la rigidité spécifique (rapport de sa rigidité E sur sa densité p) et la limite élastique spécifique (rapport de sa limite élastique, c'est-à-dire sa contrainte maximale dans le domaine élastique ay, sur sa densité p) sont supérieures respectivement à la rigidité spécifique et à la limite élastique spécifique du matériau constituant les parois 30 de la chambre 10 et, le cas échéant, du matériau constituant le système de refroidissement 35 (tubes ou canaux). Ainsi, on obtient un gain de poids pour la chambre 10 munie du manchon 50, l'ensemble étant cependant apte à supporter les efforts radiaux et, le cas échéant, la faible partie des efforts externes qui n'ont pas été repris par l'élément tubulaire 40. Avantageusement, le manchon 50 entoure la chambre 10 sur toute sa longueur. Ainsi, la chambre 10 est plus solide. Par ailleurs, les tubes (ou canaux) du système de refroidissement 35 sont soumis à une pression interne de par l'écoulement du fluide de refroidissement en leur intérieur. Ils doivent donc posséder une épaisseur minimale afin de résister à cette pression interne. Avantageusement, le manchon 50 recouvre et épouse le système de refroidissement 35. Ainsi, lorsque le système de refroidissement est constitué de tubes noyés dans la paroi 30, le manchon 50 épouse la face radialement externe de la paroi 30, comme représenté sur la figure 2.

Lorsque le système de refroidissement 35 est constitué de tubes ou de

canaux fermés situés sur la face radialement externe de la paroi 30, le manchon 50 épouse la face radialement externe de ces tubes ou canaux. Le terme "épouser" signifie qu'il existe un contact intime entre les éléments sur la majeure partie de leur surface.

Ainsi, dans tous les cas, le manchon 50 fournit un support radial au système de refroidissement 35. Lorsque ce système de refroidissement 35 est constitué de canaux, l'épaisseur minimale des canaux peut donc être réduite sans qu'ils se rompent. Il en résulte une diminution du poids des canaux, et donc du poids global du moteur 10.

Par exemple, le manchon 50 est un matériau composite constitué de fibres noyées au moins partiellement dans une matrice. Avantageusement, la matrice est une matrice polymère, et les fibres sont des fibres continues enroulées autour de la paroi 30 de telle sorte que les fibres sont essentiellement sollicitées en tension sous l'influence de la pression interne de la chambre 10. Ce mode de fabrication confère une grande résistance à la chambre 10 munie de ce manchon 50 puisque les fibres couramment utilisées dans les composites à matrice polymère ont une grande rigidité et résistance en tension. Par exemple ces fibres sont des fibres de carbone ou des fibres de verre, ou des fibres de kevlar. En outre, la faible densité (inférieure à 2 g/cm3) des composites à matrice organique comprenant de telles fibres permet d'alléger le poids de la chambre de combustion 10. Les fibres peuvent également être des fibres métalliques. Le bobinage de la chambre 10 s'effectue de façon connue par enroulement de fibres continues autour de la chambre 10 selon une direction par exemple circonférentielle, puis densification de la préforme par la matrice de façon à former un manchon 50 rigide. Alternativement, on peut s'effectuer un tissage ou un tressage de fibres autour de la chambre 10 de façon à obtenir une préforme fibreuse, qui est ensuite densifiée. Le procédé de tissage ou de tressage autour d'une forme de révolution est en soi connu. On peut placer un insert au niveau du col 15 destiné à combler le creux du rétrécissement de la chambre 10 au niveau du col 15, de façon à faciliter la fabrication du manchon 50 par un des procédés ci-dessus.

On peut prolonger le manchon 50 longitudinalement vers l'amont de façon à ce qu'il entoure en outre la tête d'injection du moteur située en amont de la chambre de combustion 10. Cette solution confère plus de solidité au moteur, et est spécialement adaptée aux moteurs les plus petits. Lors des phases de fonctionnement du moteur, la circulation du fluide cryogénique dans le système de refroidissement 35 conduit à une contraction en direction radiale de la chambre 10, et donc à une diminution de son diamètre, au moins dans certaines portions.

Si cette diminution est importante au point de conduire à un délaminage à l'interface entre la paroi 30 et le manchon 50 lors du fonctionnement du moteur, le manchon 50 est précontraint lors de son placement sur la chambre de combustion 10, c'est-à-dire qu'il exerce une contrainte de compression sur la chambre 10 une fois placé sur cette chambre 10. Ainsi, lorsque la chambre diminue légèrement de diamètre, le manchon 50 reste en contact avec la paroi 30, et continue à soutenir radialement la paroi 30 et le système de refroidissement 35.

Claims

REVENDICATIONS1. Chambre de combustion (10) s'étendant selon un axe longitudinal (A) et comportant un injecteur (11) de fluide en aval duquel s'étend une paroi (30) présentant un col (15) et un divergent (20) situé en aval de ce col (15), ladite chambre (10) étant caractérisé en ce qu'elle est munie d'un élément tubulaire (40) entourant au moins partiellement ladite paroi (30) et apte à reprendre la plupart des efforts générés lors du fonctionnement de ladite chambre (10) sur l'extrémité aval (25) de ladite paroi (30) pour les transférer sur une structure située en amont de ladite chambre (10).
2. Chambre de combustion (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface externe de ladite chambre (10) est entourée sur au moins une partie de sa longueur dans la direction longitudinale par un manchon (50), ledit manchon (50) recouvrant et épousant ladite paroi (30).
3. Chambre de combustion (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite paroi (30) est munie d'un système de refroidissement (35) apte à refroidir ladite paroi (30), ledit manchon (50) recouvrant et épousant ledit système de refroidissement (35).
4. Chambre de combustion (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit système de refroidissement (35) est un circuit régénératif dans lequel circule un liquide cryogénique.
5. Chambre de combustion (10) selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que ledit manchon (50) entoure la chambre (10) sur toute sa longueur.
6. Chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que ledit manchon (50) est précontraint lors de son placement sur ladite chambre (10).
7. Chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que ledit manchon (50) entoure en outre la tête d'injection du moteur située en amont de ladite chambre de combustion (10).
8. Chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que ledit manchon (50) est unmatériau composite constitué de fibres noyées au moins partiellement dans une matrice.
9. Moteur fusée comportant une chambre de combustion (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et un divergent 5 (80) situé en aval de ladite chambre (10).