FR3003904A1 - Moteur de propulsion avec generateur de gaz annulaire - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moteur de propulsion comprenant une chambre de combustion (50), une tuyère (60) prolongeant cette chambre de combustion (50), une première turbopompe (10) qui est apte à amener du combustible dans cette chambre de combustion (50) et qui comporte une première turbine (15) et un premier carter (11) qui constitue l'enveloppe radialement externe de la première turbine (15) de la première turbopompe (10), une deuxième turbopompe (20) qui est apte à amener du comburant dans cette chambre de combustion (50) et qui comporte une deuxième turbine (25) et un deuxième carter (21) qui constitue l'enveloppe radialement externe de la deuxième turbine (25) de la deuxième turbopompe (20), et un ensemble générateur de gaz qui est apte à faire fonctionner la première turbopompe (10) et la deuxième turbopompe (20). Soit l'ensemble générateur de gaz comprend un générateur de gaz (40, 80) annulaire qui épouse une section longitudinale choisie entre une section longitudinale (13) du premier carter (11) et une section longitudinale (23) du deuxième carter (21) et qui est apte à faire fonctionner la première turbopompe (10) et la deuxième turbopompe (20) lorsque la deuxième turbopompe (20) est placée en série par rapport à la première turbopompe (10), soit l'ensemble générateur de gaz comprend un premier générateur de gaz (40) annulaire qui épouse une section longitudinale (13) du premier carter (11) et qui est apte à faire fonctionner la première turbopompe (10), et comprend un deuxième générateur de gaz (80) annulaire qui épouse une section longitudinale (23) du deuxième carter (21) et qui est apte à faire fonctionner la deuxième turbopompe (20) lorsque la deuxième turbopompe (20) est placée en parallèle par rapport à la première turbopompe (10)

Description

03 904 1 La présente invention concerne le domaine des moteurs de propulsion avec générateur de gaz. L'invention concerne plus particulièrement un moteur de propulsion comprenant une chambre de combustion, une tuyère prolongeant la chambre de combustion, une 5 première turbopompe qui est apte à amener du combustible dans la chambre de combustion et qui comporte une première turbine et un premier carter qui constitue l'enveloppe radialement externe de la première turbine de la première turbopompe, une deuxième turbopompe qui est apte à amener du comburant dans la chambre de combustion et 10 qui comporte une deuxième turbine et un deuxième carter qui constitue l'enveloppe radialement externe de la deuxième turbine de la deuxième turbopompe, et un ensemble générateur de gaz apte à faire fonctionner la première turbopompe et la deuxième turbopompe. Dans certains moteurs de propulsion existants, par exemple certains 15 moteurs de propulsion fusée tel que représenté sur les figures 3A et 3B, qui représente l'art antérieur, un générateur de gaz 140 est nécessaire pour actionner (faire tourner) la turbine 115 d'une première turbopompe 110 qui alimente la chambre de combustion 150 en carburant, et la turbine 125 d'une deuxième turbopompe 120 qui alimente la chambre de 20 combustion 150 en comburant. Ces turbopompes sont nécessaires pour forcer l'arrivée du combustible et du comburant dans la chambre de combustion 150, car cette chambre de combustion 150 fonctionne à haute pression. Les produits de la réaction combustible/comburant sont expulsés par une tuyère 160 prolongeant la chambre de combustion 150, 25 cette expulsion générant la poussée du moteur. Dans la figure 3A la turbine 115 de la première turbopompe 110 et la turbine 125 de la deuxième turbopompe 120 sont alimentées en série par le générateur de gaz 140. Dans la figure 3B la turbine 115 de la première turbopompe 110 et la 30 turbine 125 de la deuxième turbopompe 120 sont alimentées en parallèle par le générateur de gaz 140. Les liaisons entre le générateur de gaz 140 et les turbines (115, 125) de ces turbopompes (110, 120) s'effectuent au moyen de tuyauteries et de composants mécaniques (cardans, brides, joints statiques). 35 Ces liaisons sont complexes à fabriquer et à intégrer au moteur, et entrainent donc des coûts importants, qui sont indésirables. De plus, ces liaisons sont génératrices de pertes conduisant à une dégradation des performances du moteur. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un moteur de propulsion qui permette 5 d'améliorer les performances du moteur et de simplifier sa structure tout en diminuant son coût. Ce but est atteint grâce au fait que soit l'ensemble générateur de gaz comprend un premier générateur de gaz annulaire qui épouse une section longitudinale choisie entre une section longitudinale du premier carter et 10 une section longitudinale du deuxième carter et qui est apte à faire fonctionner la première turbopompe et la deuxième turbopompe lorsque la deuxième turbopompe est placée en série par rapport à la première turbopompe, soit l'ensemble générateur de gaz comprend un premier générateur de gaz annulaire qui épouse une section longitudinale du 15 premier carter et qui est apte à faire fonctionner la première turbopompe, et comprend un deuxième générateur de gaz annulaire qui épouse une section longitudinale du deuxième carter et qui est apte à faire fonctionner la deuxième turbopompe lorsque la deuxième turbopompe est placée en parallèle par rapport à la première turbopompe. 20 Grâce à ces dispositions, les liaisons entre le premier générateur de gaz et la première turbine et la deuxième turbine et le cas échéant entre le deuxième générateur de gaz et la deuxième turbine sont simplifiées, voire supprimées, et les pertes de transmission entre le premier générateur de gaz et le deuxième générateur de gaz d'une part et la 25 première turbine et la deuxième turbine d'autre part sont donc minimisées. De plus, le moteur est plus compact, et sa masse est diminuée. Avantageusement, le premier générateur de gaz épouse la section longitudinale du premier carter sur la totalité de la circonférence de ce 30 premier carter, et alimente la première turbine de façon uniforme sur toute sa circonférence. Ainsi, l'alimentation de la première turbine est plus homogène et plus efficace. Avantageusement, le deuxième ensemble annulaire épouse la section 35 longitudinale du deuxième carter sur la totalité de la circonférence de ce 3003 904 3 deuxième carter, et alimente la deuxième turbine de façon uniforme sur toute sa circonférence. Ainsi, l'alimentation de la deuxième turbine est plus homogène et plus efficace.

Avantageusement, l'élément d'alimentation en carburant, l'élément d'alimentation en comburant, et les injecteurs, sont découplés de la turbine sur laquelle est situé l'ensemble annulaire du générateur de gaz par un séparateur. Le fonctionnement de cette turbine est alors plus efficace.

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 1A représente schématiquement un moteur de propulsion selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 1B représente schématiquement un moteur de propulsion selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 2A est une vue en perspective et en coupe du premier générateur de gaz et de la première turbine du moteur de propulsion selon l'invention, - la figure 2B est une vue en perspective et en coupe du deuxième générateur de gaz et de la deuxième turbine du moteur de propulsion selon l'invention, - la figure 3A représente schématiquement un moteur de propulsion selon l'art antérieur, - la figure 3B représente schématiquement un autre moteur de propulsion selon l'art antérieur. L'invention est décrite ci-dessous dans le cas d'un moteur de propulsion fusée à générateur de gaz. Cependant, l'invention s'applique à 30 tout moteur de propulsion à générateur de gaz. La figure 1A représente schématiquement un moteur de propulsion selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce moteur comprend une chambre de combustion 50, une tuyère 60 prolongeant la chambre de combustion 50. Un combustible et un comburant sont amenés dans cette 35 chambre de combustion 50, et les produits de la réaction combustible/comburant sont expulsés par une tuyère 60, cette expulsion générant la poussée du moteur. Le moteur comprend également une première turbopompe 10 qui amène du combustible dans la chambre de combustion 50 pendant le fonctionnement du moteur, et une deuxième turbopompe 20 qui amène du comburant dans la chambre de combustion 5 50 juste avant et pendant le fonctionnement du moteur. La première turbopompe 10 comprend une première turbine 15, la deuxième turbopompe 20 comprend une deuxième turbine 25. Ces turbopompes sont cylindriques. Ces turbopompes sont nécessaires pour forcer l'arrivée du combustible et du comburant dans la chambre de combustion 50, car 10 cette chambre de combustion 50 fonctionne à haute pression. La première turbopompe 10 comporte un premier carter 11 de turbine qui constitue l'enveloppe radialement externe de la première turbine 15 de la première turbopompe 10. La deuxième turbopompe 20 comporte un deuxième carter 21 de turbine qui constitue l'enveloppe 15 radialement externe de la deuxième turbine 25 de la deuxième turbopompe 20. Le moteur comprend également un ensemble générateur de gaz, dont la fonction est d'entraîner la première turbine 15 et la deuxième turbine 25. Dans le premier mode de réalisation, cet ensemble comprend 20 un premier générateur de gaz 40. Ce premier générateur de gaz 40 est alimenté en combustible et en comburant prélevés en aval des pompes de combustible et de comburant, et est le siège d'une réaction chimique entre le combustible et le comburant qui produit des gaz qui sont acheminés par des liaisons jusqu'à la première turbine 15 de la première 25 turbopompe 10 et la deuxième turbine 25 de la deuxième turbopompe 20 pour y faire tourner respectivement la première turbine 15 et la deuxième turbine 25. La deuxième turbopompe 20 et la première turbopompe 10 sont placées en série, c'est-à-dire que les gaz produits par le premier générateur de gaz 40, après avoir commencé à faire tourner la première 30 turbine 15, sont acheminés par une conduite jusqu'à la deuxième turbopompe 20 pour y faire tourner la deuxième turbine 25. L'ensemble ne comprend donc qu'un seul générateur de gaz, le premier générateur de gaz 40. Ainsi, la deuxième turbopompe 20 est placée en série par rapport à 35 la première turbopompe 10, et le générateur de gaz est un premier générateur de gaz 40 annulaire.

Selon l'invention, le premier générateur de gaz 40 est annulaire et est situé autour du premier carter 11 de la première turbopompe 10 et est intégré à ce premier carter 11. Le premier générateur de gaz 40 épouse une section longitudinale 13 (visible sur la figure 2A) du premier carter 11 sur une partie ou la totalité de la circonférence de cette section. Une section longitudinale du premier carter 11 est une section perpendiculaire à l'axe longitudinal Al de la première turbopompe 10. L'axe longitudinal Al est l'axe de rotation de la première turbine 15. Ainsi, le générateur de gaz 40 entoure et est en contact direct avec la première turbopompe 10. Les liaisons entre le générateur de gaz 40 et la première turbine 15 sont simplifiées, voire supprimées, et les pertes de transmission entre le générateur de gaz 40 et la première turbine 15 sont donc minimisées. De plus, le moteur est plus compact, et sa masse est diminuée.

Avantageusement, le générateur de gaz 40 est annulaire et épouse la section longitudinale 13 du premier carter 11 sur la totalité de la circonférence de ce premier carter 11, et alimente la première turbine 15 de la première turbopompe 10 de façon uniforme sur toute sa circonférence. Ainsi, on obtient une alimentation homogène de la turbine 15 de la première turbopompe 10, et donc un fonctionnement plus efficace de la première turbopompe 10. Le générateur de gaz 40 comprend un élément d'alimentation en carburant 41, un élément d'alimentation en comburant 42, et une série d'injecteurs 43 qui injectent le carburant et le comburant dans un espace de combustion 44 qui est relié à l'intérieur de la turbine 15 de la première turbopompe 10 par un premier conduit 17 (visibles sur la figure 2A). Le générateur de gaz 40 est alors axisymétrique par rapport à l'axe longitudinal Al. Par exemple, l'élément d'alimentation en carburant est un tore primaire 41, l'élément d'alimentation en comburant est un tore secondaire 42, et les injecteurs 43 sont répartis uniformément tout le long de la circonférence de la section longitudinale 13. Par exemple, ces injecteurs sont orientés selon l'axe longitudinal Al. Avantageusement, le premier conduit 17 présente des circonvolutions qui allongent le trajet entre l'espace de combustion 44 et la première turbine 15.

3003 904 6 Les calculs réalisés par les inventeurs ont montré que la qualité de la combustion était dépendante de la longueur de l'espace de combustion 44 et que l'efficacité du fonctionnement de la première turbine 15 est amélioré lorsque le trajet des gaz à travers l'espace de combustion 44 et 5 le conduit 17 est maximisé. Ainsi, il est bénéfique que ce trajet soit le plus long possible, car le mélange du carburant avec le comburant est alors plus homogène. Cependant, la longueur du trajet est limitée par l'espace disponible pour le conduit 17 et l'espace de combustion 44.

10 Avantageusement, la première virole 18 qui entoure la première turbine 15 est séparée de l'élément d'alimentation en carburant 41, de l'élément d'alimentation en comburant 42, et des injecteurs 43 par un premier séparateur 19. En effet, la première virole 18 (visible sur la figure 2A) est plus 15 chaude (d'au moins 500°C) que l'élément d'alimentation en carburant 41, l'élément d'alimentation en comburant 42, et les injecteurs 43, et le premier séparateur 19 (visible sur la figure 2A), en agissant comme une barrière thermique, permet de conserver un fonctionnement plus efficace de la première turbine 15 de la première turbopompe 10.

20 Le premier séparateur 19 est par exemple annulaire. Le premier générateur de gaz 40 est également relié à la deuxième turbopompe 20 afin de l'alimenter tel que représenté sur la figure 1A. La configuration représenté sur la figure 1B nécessite un second générateur de gaz annulaire 80 de conception équivalente au générateur de gaz 25 annulaire 40. La configuration ci-dessus est illustrée en figure 2A et en figure 1A, et correspond à un premier mode de réalisation de l'invention. On décrit maintenant un deuxième mode de réalisation de l'invention, en référence à la figure 1B et aux figures 2A et 2B.

30 Dans ce cas, le moteur comprend un ensemble générateur de gaz qui comprend à la fois un premier générateur de gaz 40 et un deuxième générateur de gaz 80. Le premier générateur de gaz 40 est alimenté en combustible et en comburant prélevés en aval des pompes de combustible et de comburant, et est le siège d'une réaction chimique 35 entre le combustible et le comburant qui produit des gaz qui sont acheminés par des liaisons jusqu'à la première turbine 15 de la première 3003 904 7 turbopompe 10 pour y faire tourner la première turbine 15. Le deuxième générateur de gaz 80 est alimenté en combustible et en comburant prélevés en aval des pompes de combustible et de comburant, et est le siège d'une réaction chimique entre le combustible et le comburant qui 5 produit des gaz qui sont acheminés par des liaisons jusqu'à la deuxième turbine 25 de la deuxième turbopompe 20 pour y faire tourner la deuxième turbine 25. La deuxième turbopompe 20 et la première turbopompe 10 sont placées en parallèle, c'est-à-dire que les gaz produits par le premier générateur de gaz 40 ne font tourner que la première 10 turbine 15, et les gaz produits par le deuxième générateur de gaz 40 ne font tourner que la deuxième turbine 25. Le deuxième générateur de gaz 80 est annulaire et est situé autour du deuxième carter 21 de la deuxième turbopompe 20 et est intégré à ce deuxième carter 21.

15 La description ci-dessus dans le cas de la première turbopompe 10 est alors transposée à la deuxième turbopompe 20. Ainsi, comme représenté en figure 2B, le deuxième générateur de gaz 80 épouse une section longitudinale 23 du deuxième carter 21 sur une partie ou la totalité de la circonférence de ce deuxième carter 21. Une 20 section longitudinale du deuxième carter 21 est une section perpendiculaire à l'axe longitudinal A2 de la deuxième turbopompe 20. L'axe longitudinal A2 est l'axe de rotation de deuxième turbine 25. Ainsi, le générateur de gaz 80 entoure et est en contact direct avec la deuxième turbopompe 20. Les liaisons entre le générateur de gaz 80 et 25 la deuxième turbine 25 sont simplifiées, voire supprimées, et les pertes de transmission entre le générateur de gaz 80 et la deuxième turbine 25 sont donc minimisées. De plus, le moteur est plus compact, et sa masse est diminuée. Avantageusement, le deuxième générateur de gaz 80 est annulaire 30 et épouse la section longitudinale 23 du deuxième carter 21 sur la totalité de la circonférence de ce deuxième carter 21, et alimente la deuxième turbine 25 de la deuxième turbopompe 20 de façon uniforme sur toute sa circonférence. Ainsi, on obtient une alimentation homogène de la turbine 25 de la deuxième turbopompe 20, et donc un fonctionnement plus 35 efficace de la deuxième turbopompe 20.

3003 904 8 Le deuxième générateur de gaz 80 comprend un élément d'alimentation en carburant 81, un élément d'alimentation en comburant 82, et une série d'injecteurs 83 qui injectent le carburant et le comburant dans un espace de combustion 84 qui est relié à l'intérieur de la turbine 25 5 de la deuxième turbopompe 20 par un deuxième conduit 27. Le générateur de gaz 80 est alors axisymétrique par rapport à l'axe longitudinal A2. Par exemple, l'élément d'alimentation en carburant est un tore primaire 81, l'élément d'alimentation en comburant est un tore secondaire 10 82, et les injecteurs 83 sont répartis uniformément tout le long de la circonférence de la section longitudinale 23. Par exemple, ces injecteurs sont orientés selon l'axe longitudinal A2. Avantageusement, le deuxième conduit 27 présente des circonvolutions qui allongent le trajet entre l'espace de combustion 84 et 15 la deuxième turbine 25. Avantageusement, la deuxième virole 28 qui entoure la deuxième turbine 25 est séparée de l'élément d'alimentation en carburant 81, de l'élément d'alimentation en comburant 82, et des injecteurs 83 par un deuxième séparateur 29.

20 Le deuxième séparateur 29 est par exemple annulaire. Dans le premier mode de réalisation de l'invention, l'ensemble générateur de gaz comprend un seul générateur de gaz. Dans la description ci-dessus du premier mode de réalisation de l'invention, ce générateur de gaz est le premier générateur de gaz 40 qui épouse une 25 section longitudinale du premier carter 11 de la première turbopompe 10, et qui alimente en série la première turbopompe 10 et la deuxième turbopompe 20. Le fonctionnement de l'ensemble générateur de gaz est alors plus efficace. Alternativement, dans ce premier mode de réalisation, le seul 30 générateur de gaz de l'ensemble est le deuxième générateur de gaz 80 qui épouse une section longitudinale du deuxième carter 21 de la deuxième turbopompe 20, et qui alimente en série la deuxième turbopompe 20 et la première turbopompe 10.

35 Dans chacun des modes de réalisation ci-dessus, des calculs réalisés par les inventeurs ont montré que le fonctionnement du générateur à gaz est plus efficace lorsque les éléments d'injection sont plus nombreux et répartis de manière uniforme, la longueur de l'espace de combustion est suffisante vis-à-vis de la longueur de flamme et le trajet des gaz est suffisamment important pour obtenir une bonne homogénéité en entrée turbine. Le seuil d'efficacité qui caractérise le terme « suffisant » ci-dessus ne peut être quantifié de manière générale, car il dépend du fonctionnement et de la géométrie du générateur à gaz, qui varient d'un générateur à l'autre.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Moteur de propulsion comprenant une chambre de combustion (50), une tuyère (60) prolongeant ladite chambre de combustion (50), une première turbopompe (10) qui est apte à amener du combustible dans ladite chambre de combustion (50) et qui comporte une première turbine (15) et un premier carter (11) qui constitue l'enveloppe radialement externe de la première turbine (15) de ladite première turbopompe (10), une deuxième turbopompe (20) qui est apte à amener du comburant dans ladite chambre de combustion (50) et qui comporte une deuxième turbine (25) et un deuxième carter (21) qui constitue l'enveloppe radialement externe de la deuxième turbine (25) de ladite deuxième turbopompe (20), et un ensemble générateur de gaz qui est apte à faire fonctionner ladite première turbopompe (10) et ladite deuxième turbopompe (20), ledit moteur étant caractérisé en ce que soit ledit ensemble générateur de gaz comprend un générateur de gaz (40, 80) annulaire qui épouse une section longitudinale choisie entre une section longitudinale (13) dudit premier carter (11) et une section longitudinale (23) dudit deuxième carter (21) et qui est apte à faire fonctionner ladite première turbopompe (10) et ladite deuxième turbopompe (20) lorsque ladite deuxième turbopompe (20) est placée en série par rapport à la première turbopompe (10), soit ledit ensemble générateur de gaz comprend un premier générateur de gaz (40) annulaire qui épouse une section longitudinale (1.3) dudit premier carter (11) et qui est apte à faire fonctionner ladite première turbopompe (10), et comprend un deuxième générateur de gaz (80) annulaire qui épouse une section longitudinale (23) dudit deuxième carter (21) et qui est apte à faire fonctionner ladite deuxième turbopompe (20) lorsque ladite deuxième turbopompe (20) est placée en parallèle par rapport à ladite première turbopompe (10) .
2. 2. Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite deuxième turbopompe (20) est placée en série par rapport à la première turbopompe (10), et ledit générateur de gaz est un premier générateur de gaz (40) annulaire qui épouse une section longitudinale (13) dudit premier carter (11).
3. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit premier générateur de gaz (40) épouse ladite section longitudinale (13) 3003 904 11 dudit premier carter (11) sur la totalité de la circonférence de ce premier carter (11), et alimente ladite première turbine (15) de façon uniforme sur toute sa circonférence.
4. 4. Moteur selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit 5 premier générateur de gaz (40) comprend un élément d'alimentation en carburant (41), un élément d'alimentation en comburant (42), et une série d'injecteurs (43) qui injectent le carburant et le comburant dans un espace de combustion (44) qui est relié à l'intérieur de ladite turbine (15) de ladite première turbopompe (10) par un premier conduit (17). 10
5. 5. Moteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit élément d'alimentation en carburant est un tore primaire (41), ledit élément d'alimentation en comburant est un tore secondaire (42), et lesdits injecteurs (43) sont répartis uniformément tout le long de la circonférence de la section longitudinale (13) dudit premier carter (11). 15
6. 6. Moteur selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que ledit premier conduit (17) présente des circonvolutions qui allongent le trajet entre ledit espace de combustion (44) et ladite première turbine (15).
7. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit deuxième générateur de gaz (80) épouse la 20 section longitudinale (23) dudit deuxième carter (21) sur la totalité de la circonférence de cette section, et alimente ladite deuxième turbine (25) de façon uniforme sur toute sa circonférence.
8. 8. Moteur selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit deuxième générateur de gaz (80) comprend un élément d'alimentation en 25 carburant (81), un élément d'alimentation en comburant (82), et une série d'injecteurs (83) qui injectent le carburant et le comburant dans un espace de combustion (84) qui est relié à l'intérieur de ladite deuxième turbopompe (20) où est située ladite deuxième turbine (25) par un deuxième conduit (27). 30
9. 9. Moteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que ledit élément d'alimentation en carburant est un tore primaire (81), ledit élément d'alimentation en comburant est un tore secondaire (82), et lesdits injecteurs (83) sont répartis uniformément tout le long de la circonférence de la section longitudinale (23) dudit deuxième carter (21).
10. 10. Moteur selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que ledit deuxième conduit (27) présente des circonvolutions qui allongent le trajet entre ledit espace de combustion (84) et ladite deuxième turbine (25).
11. 11. Moteur selon l'une quelconque des revendications 4, 5, 6, 8, 9, ou 10 caractérisé en ce que ledit élément d'alimentation en carburant (41, 81), ledit élément d'alimentation en comburant (42, 82), et lesdits injecteurs (43, 83), sont séparé de ladite turbine (15, 25) sur laquelle est situé ledit générateur de gaz (40, 80) par un séparateur (19, 29). 10