FR3031393A1 - Dispositif pour la mesure du rayonnement dans les chambres de combustion - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif (1) pour la mesure du rayonnement dans les chambres à combustion, qui comprend un corps de base (2) oblong avec un passage (3) traversant ledit corps de base (2) axialement et définissant à un extrémité axiale une section de réception (4), ainsi qu'une baguette de saphir (5) venant s'insérer dans la section de réception (4) en formant un interstice annulaire (6), l'interstice annulaire (6) étant étanchéifié à l'aide d'un produit d'étanchéité (7), le produit d'étanchéité (7) étant étanche à l'hélium.

Description

DESCRIPTION Dispositif pour la mesure du rayonnement dans les chambres de combustion La présente invention concerne un dispositif pour la mesure du rayonnement dans les chambres à combustion, qui comprend un corps de base oblong avec un passage traversant ledit corps de base axialement et définissant à un extrémité axiale une section de réception, ainsi qu'une baguette de saphir venant s'insérer dans la section de réception en formant un interstice annulaire, l'interstice annulaire étant étanchéifié à l'aide d'un produit d'étanchéité. Dans l'état actuel de la technique, les dispositifs de ce genre prennent plusieurs formes et servent à mesurer le rayonnement émis par la combustion de carburant dans des chambres à combustion. La chambre à combustion a comme tâche de maintenir le gaz en combustion qu'elle contient à un volume défini et d'empêcher qu'il ne s'échappe de façon incontrôlée dans l'air. La combustion peut être atmosphérique ou par compression, auquel cas la chambre à combustion doit être en mesure d'enregistrer la force engendrée par la pression tout en maintenant à un niveau raisonnable celle engendrée par l'expansion des gaz à combustion. Parce qu'elles sont généralement fabriquées en métal, les parois de telles chambres à combustion ne laissent pas passer la lumière, ce qui rend difficile toute mesure du rayonnement des flammes par l'extérieur. C'est pourquoi la mesure efficace du rayonnement nécessite un accès optique à la chambre de combustion qui sera en mesure de capter le rayonnement électromagnétique dans le domaine spectral souhaité tout en empêchant le gaz contenu dans la chambre de combustion de s'échapper.

Or, on peut créer un tel accès optique à la chambre de combustion en introduisant une fenêtre donnant dans cette dernière. Le verre de quartz s'est révélé un matériau adéquat pour la composition d'une telle fenêtre à chambre de combustion, car il demeure transparent sur une longue plage de longueur d'onde comprenant notamment le domaine UV, qui est d'importance pour l'analyse de la combustion. L'inclusion d'une telle fenêtre de chambre de combustion nécessite de réaliser, dans la paroi de la chambre, une ouverture dans laquelle la fenêtre pourra être montée en prenant soin de sceller l'interstice entre la paroi de la chambre de combustion et la fenêtre. Il importe alors de s'assurer d'une part que le mécanisme de fixation est suffisamment étanche et stable, et d'autre part que la pression sur la fenêtre n'est pas importante au point de briser cette dernière. Surtout avec les chambres de combustion à refroidissement actif, le montage (notamment durable) de fenêtres à chambre de combustion est difficile et dispendieux, car il faut pour ce faire démonter et refaire les canaux de refroidissement circulant dans la paroi de la chambre de combustion. Par ailleurs, il est impossible de refroidir la fenêtre avec des canaux de refroidissement. Au lieu de cela, il faut faire appel au refroidissement par film, qui consiste en la réalisation d'un film de refroidissement fait à partir d'un gaz relativement froid sur la fenêtre même, la protégeant ainsi d'une contrainte thermique trop élevée. Un tel film de refroidissement peut être composé de gaz inertes, mais également de carburant rendu incombustible par l'absence de comburant, ce qui n'est pas généralement souhaitable pour la combustion, car son effet sur cette dernière et sur les résultats de mesure escomptés est significatif.

Ces désavantages disparaissent avec les sondes optiques grâce à la structure compacte de ces dernières. Le brevet DE 44 02 310 Al dévoile une sonde optique pour la mesure du rayonnement dans des chambres de combustion de moteurs à combustion. Par conséquent, elle satisfait aux critères habituels quant aux paramètres d'opération des moteurs de combustion usuels. Les chambres de combustion de moteurs-fusées, qui peuvent utiliser comme carburant du kérosène, du méthane ou de l'hydrogène, opèrent cependant dans des conditions fondamentalement différentes, ce pourquoi les sondes optiques devront répondre à des exigences spéciales. La présente invention vise la production d'un dispositif de mesure du 5 rayonnement dans les chambres de combustion pouvant également servir dans la chambre de combustion d'un moteur-fusée. Cela est rendu possible avec un dispositif du type énoncé précédemment par le fait que le produit d'étanchéité est étanche à l'hélium. 10 Cette invention repose sur l'idée de remplir l'interstice annulaire entre la baguette de saphir et la paroi interne de la section de réception avec un produit d'étanchéité étanche à l'hélium. Aux termes de la présente invention, on entend par « étanchéité à l'hélium » un débit de fuite égal 15 ou inférieur à 1*10-6 (Pa*m3)/s pour une différence de pression de 4*105 Pa. La cible en matière d'étanchéité à l'hélium rend admissible le dispositif conforme à l'invention à l'utilisation dans des chambres de combustion qui utilise de l'hydrogène comme carburant. 20 De préférence, le produit d'étanchéité est un agglutinant étanche à l'hélium ou présente un agglutinant étanche à l'hélium. Les agglutinants sont particulièrement adhésifs et peuvent être posés sur des surfaces de différentes formes. 25 Idéalement, l'agglutinant étanche à l'hélium est une résine époxyde à haute résistance thermique remplie d'aluminium. Une telle résine époxyde offre non seulement une étanchéité à l'hélium, elle conserve cette propriété même à température élevée, comme cela survient dans la chambre de combustion d'un moteur-fusée. L'aluminium contenu favorise 30 le transfert de la chaleur de la baguette de saphir au corps de base du dispositif.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la baguette de saphir et la section de réception du passage sont configurés de sorte que l'interstice annulaire entre la baguette de saphir et une paroi intérieure du passage présente une largeur définie de 0,04 à 0,06 mm, plus précisément de 0,05 mm. Une série d'expériences en la matière a démontré que l'étanchéité à l'hélium du produit d'étanchéité arrive à se maintenir même aux températures usuelles dans les chambres de combustion de moteurs-fusées si la largeur de l'interstice annulaire varie le moins possible de 0,05 MM.

Idéalement, la baguette de saphir s'insère complètement dans la section de réception. En outre, la longueur de la section de réception est choisie de sorte que la baguette de saphir insérée dans la section de réception est à fleur avec la section de réception. Le côté frontal de la section de réception peut être muni d'un embout annulaire de façon à donner à la baguette de saphir une position en retrait par rapport à ce dernier. Préférablement, le passage présente une section de connexion qui s'enfiche axialement dans la section de réception et possède un diamètre inférieur à celui de la section de réception, formant ainsi un épaulement radial entre la section de connexion et la section de réception contre lequel vient se placer la baguette de saphir. Poussée contre l'épaulement radial, la baguette de saphir est en position axiale dans la section de réception et ne peut se rétracter dans la section de connexion sous la force d'une pression de gaz trop élevée dans la chambre de combustion. De cette façon, le produit d'étanchéité est dépouillé des forces de cisaillements que la baguette de saphir exercerait dans le cas contraire sur le produit d'étanchéité sous l'impulsion de la pression engendrée par l'expansion du gaz de combustion dans la chambre de combustion.

Dans un modèle de l'appareil conforme à l'invention, l'extrémité axiale du passage qui est opposée à la section de réception définit une section de douille servant à accueillir un connecteur branché axialement dans la section de connexion. Un connecteur sert à brancher un câble de fibre optique au dispositif afin d'acheminer au détecteur de rayonnement le rayonnement capté par la baguette de saphir et la section de connexion. En guise de détecteur de rayonnement, on peut par exemple utiliser un photomultiplicateur, une photodiode ou un CCD (charge-coupled device). De préférence, le connecteur est branché de façon amovible au corps de base dont la broche de contact est positionnée dans la section de douille. La connexion amovible entre le dispositif et le câble à fibre optique permet de simplifier la manipulation et, selon le dispositif de mesure, d'utiliser différentes longueurs de câbles à fibre optique. Idéalement, la broche de contact du connecteur est formée en tube capillaire accueillant une fibre optique. La fibre de verre de verre est ainsi dirigée jusqu'à la section de connexion en passant par la section de douille, ce qui permet au rayonnement émanant de la section de connexion de pénétrer immédiatement dans la fibre de verre. Une forme privilégiée de la présente invention, le corps de base présente, au moins dans la zone de la section de réception, une surface externe cylindrique comprenant au moins une rainure annulaire périphérique pour accueillir un anneau d'étanchéité afin d'étanchéifier un interstice annulaire entre le corps de base et une ouverture dans la paroi de la chambre de combustion.

Dans un modèle alternatif, la surface externe cylindrique du corps de base comprend une multitude de rainures circulaires périphériques espacées axialement l'une de l'autre pour accueillir les anneaux d'étanchéité. Il est plus simple de réaliser des rainures circulaires sur une surface externe de l'appareil que sur la surface interne d'un alésage dans une paroi de la chambre de combustion. Plusieurs rainures circulaires permettent en outre de disposer les anneaux d'étanchéité de sorte qu'ils soient suffisamment éloignés de la chambre de combustion, ce qui les protège de la chaleur.

Le corps de base doit être fabriqué de préférence en métal, ou plus précisément en acier inoxydable. Les métaux, et notamment l'acier inoxydable, jouissent d'une excellente résistance thermique en plus d'être faciles à poser sur une tour. Dans un modèle de la présente invention, le corps de base présente un diamètre externe maximal de 5 mm. Une telle miniaturisation permet la juxtaposition étroite de plusieurs dispositifs conformes à l'invention dans une même paroi de chambre de combustion, permettant ainsi d'obtenir des prises de mesure dans plusieurs sections ou direction de la chambre de combustion. Pour profiter de cet avantage, il faut recourir à des connecteurs spéciaux qui diffèrent des connecteurs standard LWL du point de vue de leur expansion radiale tout en présentant également un diamètre externe maximal de 5 mm. La section ci-dessous se veut une explication plus en profondeur de la présente invention à l'appui d'exemples de réalisation en référence au dessin technique suivant. Dans le dessin apparaît à la : Fig. 1 une vue transversale d'une forme de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention ; Fig. lA un détail du dispositif illustré à la figure 1 ; Fig. 2 une vue transversale du dispositif illustré à la figure 1 sans connecteur ; Fig. 3 une vue transversale de trois dispositifs étroitement juxtaposés illustrés à la figure 2 ; Fig. 4 une vue transversale d'une seconde forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention ; Fig. 5 une vue transversale de deux dispositifs illustrés à la figure 4 dans une variante raccourcie, l'un installé à la verticale et l'autre obliquement ; Fig. 6 une vue transversale d'une troisième forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention ; Fig. 7 une vue transversale de deux dispositifs illustrés à la figure 6 dans une variante raccourcie, l'un installé à la verticale et l'autre obliquement ; Fig. 8 une vue transversale d'une quatrième forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention ; Fig. 9 une vue transversale de deux dispositifs illustrés à la figure 8 dans une variante raccourcie, l'un installé à la verticale et l'autre obliquement ; Fig. 10 une vue transversale partielle du dispositif illustré à la figure 1, muni d'un adaptateur refroidi à l'eau placé dans un passage pour les mesures thermiques. Les figures 1 à 3 illustrent une première forme de réalisation du dispositif 1 conforme à l'invention servant à la mesure du rayonnement des chambres de combustion. Le dispositif comprend un corps de base 2 oblong avec un passage 3 traversant ledit corps de base axialement. Le passage 3 définit à son extrémité axiale une section de réception 4 dans laquelle une baguette de saphir 5 vient s'insérer. La baguette de saphir 5 est complètement insérée dans la section de réception 4 en plus d'être à fleur avec la section de réception. Simultanément, la section de réception 4 et la baguette de saphir 5 sont posées avec un jeu de tolérance de façon à engendrer un interstice annulaire 6 en forme d'enveloppe cylindrique.

L'interstice annulaire 6 est rempli d'un produit d'étanchéité 7 étanche à l'hélium, le produit d'étanchéité 7 utilisé étant un agglutinant étanche à l'hélium, notamment une résine époxyde à haute résistance thermique et remplie d'aluminium. Dans cette forme de réalisation, l'interstice annulaire 6 présente une largeur de 0,05 mm. Avec l'agglutinant choisi, la tolérance entre la baguette de saphir 5 et la section de réception 4 est optimale en ce qui concerne une étanchéité durable à l'hélium lorsque le diamètre de la baguette de saphir 5 est de 1,2 mm +0,02/-0,00 mm et que le diamètre interne de la section de réception est de 1,3 H7. Avec d'autres produits d'étanchéité 7, il faudrait peut-être cependant ajuster le jeu de tolérance afin d'obtenir une étanchéité durable à l'hélium. Le passage 3 présente une section de connexion 8 qui s'enfiche axialement dans la section de réception 4 et qui possède un diamètre inférieur à celui de la section de réception 4, formant ainsi un épaulement 9 radial entre la section de connexion 8 et la section de réception 4. La baguette de saphir 5 contenue dans la section de réception 4 touche à cet épaulement 9. À son extrémité axiale opposée à la section de réception 4, le passage 3 définit une section de douille 10 qui dispose d'une connexion axiale à la section de connexion 8. Un connecteur 12 est branché de façon amovible au corps de base 2 dont la broche de contact 11 est positionnée dans la section de douille 10. La broche de contact 11 du connecteur 12 est formée comme un tube capillaire 13 dans lequel est introduite une fibre optique 14.

Le corps de base 2 du dispositif 1 présente une surface externe cylindrique. Il est placé dans une ouverture 16 adéquate dans la paroi d'une chambre de combustion 17. Le corps de base 2 est alors à fleur avec la surface interne 18 de la paroi d'une chambre de combustion 17. La surface externe 15 du corps de base 2 est pourvue de plusieurs rainures circulaires périphériques 19 espacées axialement l'une de l'autre et dont deux servent à accueillir un anneau d'étanchéité 20 afin d'étanchéifier un interstice annulaire 21 entre le corps de base 2 et l'ouverture dans la chambre de combustion 16. La position de l'anneau d'étanchéité 20 doit convenir aux dimensions et au gradient de température de la paroi de la chambre de combustion 17, et elle est choisie de façon à assurer l'étanchéité de l'interstice annulaire 21 entre le corps de base 2 du dispositif 1 et la surface interne 18 de l'ouverture dans la paroi de la chambre de combustion 16 même en cas d'opération prolongée de la chambre de combustion, et ce sans risquer que l'anneau d'étanchéité soit endommagé sous l'action de la chaleur.

Le corps de base 2 du dispositif 1 ainsi que le tube capillaire 13 du connecteur 12 sont fabriqués en métal, notamment en acier inoxydable. Le corps de base 2 peut être intégrée à une tour à l'aide de deux mandrins de serrage. Le montage du passage 3 nécessite un procédé d'érosion de trous de départ en raison du diamètre du passage 3 faible par rapport à la longueur. Dans la première forme de réalisation du dispositif 1 conforme à l'invention, le diamètre externe du corps de base 2, tout comme le connecteur 12, ne saurait dépasser une valeur maximale de 5 mm. Cela permet la juxtaposition étroite de plusieurs dispositifs conformes à l'invention dans une même paroi de chambre de combustion 17, afin de capter des prises de mesures dans directives positions et directions de la chambre de combustion. Ce montage de plusieurs dispositifs 1 conformes à l'invention dans une même paroi de chambre de combustion 17 est illustré à la figure 3, sur laquelle on peut voir que les dispositifs 1 conformes à l'invention peuvent même être en retrait par rapport à la surface interne 18 de la paroi de chambre de combustion 17. Les figures 1 à 3 illustrent une paroi de chambre de combustion 17 enveloppant entièrement le corps de base 2 en raison de son épaisseur. C'est pourquoi l'ouverture dans la paroi de chambre de combustion 16 présente une section de connecteur 23 sur la surface externe 22 de la paroi de chambre de combustion 17, afin de permettre l'introduction au moins partielle du connecteur 12 dans l'ouverture de la paroi de chambre de combustion 16. Au connecteur 12 est rattaché un câble à fibre optique 14 relié à un détecteur de rayonnement non illustré dans la présente, par exemple un photomultiplicateur, un spectromètre, une photodiode ou un CCD en vue de la prise de mesures. Lors de la prise de mesures pendant que fonctionne la chambre de combustion, la pression et la température du gaz peuvent être très élevés. Le contact entre la baguette de saphir 5 et l'épaulement 9 épargne au produit d'étanchéité 7 d'avoir à contrecarrer les forces de cisaillement qui exercés par la baguette de saphir 5 en fonction de la pression. Le produit d'étanchéité 7 doit donc idéalement disposer de bonnes qualités de résistance à la température et d'étanchéité à l'hélium. Des séries d'expérience ont révélé que le dispositif conforme à l'invention conserve son étanchéité à l'hélium à une pression de 80 bars dans la chambre de combustion si la température de cette dernière demeure sous les 1 600 K. Durant la combustion, le rayonnement émanant de la chambre de combustion parvient, en passant par la baguette de saphir 5, la section de connexion et la fibre optique 14 se trouvant dans le tube capillaire 13 du connecteur 12, jusqu'à un détecteur de rayonnement qui en mesure la distribution d'intensité temporelle et, le cas échéant, spectrale, des domaines spectraux spécifiques étant alors découpés du rayonnement émis par la chambre de combustion par des filtres correspondants. Sur le tracé lumineux entre le chambre de combustion et le détecteur de rayonnement, la section de connexion agit en raison de son diamètre plus faible de collimateur optique, limitant l'angle visuel de la sonde à environ 2 °. Un angle de capture aussi faible permet de réaliser un volume d'observation pratiquement linéaire de la chambre de combustion. Cela permet la définition libre de l'effet de collimation de la section de connexion 8 par l'ajustement de sa longueur à l'intérieur de limites sûres. Les figures 4 et 5 illustrent une deuxième forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention qui présente des dimensions géométriques différentes en comparaison avec la première forme de réalisation. Elle comprend une baguette de saphir 5 plus courte enveloppée dans une section de réception 4 également plus courte. Pour une même longueur totale du corps de base 2 et de la section de douille 10, la section de connexion 8 est quant à elle plus longue. En outre, seules deux rainures annulaires 19 espacées axialement sont disposées sur la surface externe 22 du corps de base 2, et elles avoisinent de près la section de réception 4. Cette disposition des rainures annulaires 19 permet de monter le dispositif 1 conforme à l'invention soit verticalement, soit obliquement dans une paroi 17 relativement mince de la chambre de combustion, tel que l'illustre la figure 5, ou permet de disposer la section de connecteur 23 de l'ouverture 16 dans la paroi de chambre de combustion plus en profondeur, tel qu'illustré à la figure 4. Une section de connexion 8 plus longue engendre une réduction de l'angle de capture du dispositif 1.

Les figures 6 et 7 illustrent une troisième forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention. Cette dernière se distingue de la deuxième forme de réalisation en ce que la rainure circulaire 19 n'est pas disposée sur la paroi externe 15 du corps de base 2, mais plutôt sur le côté opposé à la chambre de combustion d'une saillie 24 entourant la surface externe 22 du corps de base 2 et touchant à l'épaulement radial 25 de l'ouverture 16 dans la chambre de combustion. Les figures 8 et 9 illustrent une quatrième forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention qui se distingue de la seconde en ce que le côté frontal de la section de réception 4 comporte un embout annulaire donnant à la baguette de saphir 5 une position en retrait. En outre, le corps de base 2 est en retrait par rapport à la surface interne 18 de la paroi 17 de chambre de combustion, de sorte qu'il n'est pas à fleur avec la surface interne 18. La figure 10 illustre finalement la première forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention, qui fonctionne avec un adaptateur 26 dans une ouverture 16 dans la paroi de chambre de combustion destinée en fait à des thermocouples. Un tel adaptateur 26 permet d'utiliser les ouvertures 16 dans la paroi de chambre de combustion également pour le dispositif 1 conforme à l'invention.5 Liste des signes de référence 1 Dispositif 2 Corps de base 3 Passage 4 Section de réception 5 Baguette de saphir 6 Interstice annulaire 7 Produit d'étanchéité 8 Section de connexion 9 Épaulement 10 Section de douille 11 Broche de contact 12 Connecteur 13 Tube capillaire 14 Fibre optique 15 Surface externe 16 Ouverture dans paroi de chambre de combustion 17 Paroi de chambre de combustion 18 Surface interne 19 Rainure circulaire 20 Anneau d'étanchéité 21 Interstice annulaire 22 Surface externe 23 Section de connecteur 24 Saillie 25 Épaulement 26 Adaptateur

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif pour la mesure du rayonnement dans les chambres à 5 combustion, qui comprend un corps de base (2) oblong avec un passage (3) traversant ledit corps de base (2) axialement et définissant à un extrémité axiale une section de réception (4), ainsi qu'une baguette de saphir (5) venant s'insérer dans la section de réception (4) en formant un interstice annulaire (6), l'interstice annulaire (6) étant étanchéifié à l'aide 10 d'un produit d'étanchéité (7), caractérisé en ce que le produit d'étanchéité (7) est étanche à l'hélium.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit d'étanchéité (7) est un agglutinant étanche à l'hélium ou présente 15 un agglutinant étanche à l'hélium, l'agglutinant étanche à l'hélium étant notamment une résine époxyde à haute résistance thermique remplie d'aluminium.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la baguette 20 de saphir (5) et la section de réception (4) du passage (3) sont configurés de sorte que l'interstice annulaire (6) entre la baguette de saphir (5) et une paroi intérieure du passage (3) présente une largeur définie de 0,04 à 0,06 mm, plus précisément de 0,05 mm. 25
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la baguette de saphir (5) est positionée complètement à l'intérieur de la section de réception (4).
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 30 en ce que le passage (3) présente une section de connexion (8) qui s'ensuit axialement à la section de réception (4) et possède un diamètre inférieur à celui de la section de réception (4), formant ainsi unépaulement (9) radial entre la section de connexion (8) et la section de réception (4) contre lequel vient se placer la baguette de saphir (5).
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité axiale du passage (3) opposée à la section de réception (4) définit une section de douille (10) servant à recevoir un connecteur (12) qui l'ensuit axialement à la section de connexion (8), le connecteur (12) étant enfiché de façon amovible dans le corps de base (2) dont la broche de contact (11) est positionnée dans la section de douille (10).
7. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la broche de contact (11) du connecteur (12) est formée comme un tube capillaire (13) dans lequel est introduite une fibre optique (14).
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de base (2) présente, au moins dans la zone de la section de réception (4), une surface externe cylindrique (15) comprenant au moins une rainure annulaire périphérique (19) pour accueillir un anneau d'étanchéité (20) afin d'étanchéifier un interstice annulaire (21) entre le corps de base (2) et une ouverture (16) dans la paroi de la chambre de combustion, une multitude de rainures circulaires (19) étant disposées sur la surface externe cylindrique (15) du corps de base (2) afin d'accueillir des anneau d'étanchéité (20).
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de base (2) est en métal, notamment en acier inoxydable.
10. 10. Dispositif selon les revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le 30 corps de base (2) présente un diamètre externe maximal de 5 mm.