FR3068766A1

FR3068766A1 - Systeme d'allumage ou de stabilisation de combustion

Info

Publication number: FR3068766A1
Application number: FR1700729A
Authority: FR
Inventors: Axel Vincent-Randonnier
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-11

Abstract

Un système (10) d'allumage ou de stabilisation de combustion comprend une chambre secondaire (5) qui est destinée à être installée dans une paroi (100) de chambre de combustion, et deux électrodes (1, 2). Les deux électrodes sont disposées sur deux bords opposés d'un orifice de sortie (S) de la tuyère. Une décharge électrique (DE) qui est entretenue entre les deux électrodes est projetée dans la chambre de combustion par un fluide (F) qui est injecté dans ladite chambre de combustion par l'intermédiaire de la tuyère. Un tel système procure une fiabilité d'allumage d'un réacteur, qui est accrue par rapport à une bougie.

Description

SYSTEME D’ALLUMAGE OU DE STABILISATION DE COMBUSTION

La présente invention concerne un système d’allumage ou de stabilisation de combustion, ainsi qu’un réacteur à combustion aérobie ou à ergols qui incorpore un tel système.

De façon connue, l’allumage et la combustion dans un foyer aéronautique sont favorisés par des valeurs de pression et de température élevées à l’intérieur de la chambre de combustion. Or, dans les cas de turbomachines de propulsion d’avions et de turbomachines d’hélicoptères, la pression et la température dans la chambre de combustion chutent considérablement si la combustion s’interrompt, puisque l’air qui est admis dans la chambre n’est plus comprimé par le compresseur, le compresseur n’étant plus entraîné par la turbine. En effet, lorsque l’avion est en condition de croisière, par exemple autour de 10 000 m (mètre) - 11 000 m d’altitude, les pression et température atmosphériques ne sont plus que de 0,25 bar et -56°C (degré Celsius), respectivement. Dans de telles conditions de croisière, le rallumage du moteur peut donc devenir difficile. Il est d’autant plus difficile que la température à l’intérieur de l’injecteur du carburant peut être proche du point de congélation du carburant, environ égal à -47°C pour du kérosène Jet-A1. La viscosité du carburant est alors importante, ce qui inhibe son atomisation, ou «spraying» en anglais, sa vaporisation et son mélange avec l’air. Pour favoriser un rallumage de la turbomachine, c’est-à-dire une reprise de la combustion continue dans la chambre de combustion, il est préconisé de réduire l’altitude de l’avion, de sorte que la pression et la température de l’air qui pénètre dans la chambre de combustion remontent.

Usuellement, l’allumage d’une chambre de combustion est assuré par des bougies d’allumage qui sont installées dans la paroi de la chambre, et qui produisent des étincelles. Des caractéristiques courantes d’alimentation électrique pour ces bougies sont des tensions de décharge de l’ordre de 5 à 10kV (kilovolt), pendant des durées de décharge de l’ordre de 10 ps (microseconde), et avec une fréquence de répétition de 2 à 5 Hz (hertz). Chaque décharge électrique crée localement un plasma dans la chambre de

-2combustion, qui est destiné à initier l’inflammation du mélange de combustion. Mais à cause des conditions défavorables de pression et de température, et de la vitesse d’écoulement du mélange de combustion, c’est-à-dire de l’air et du carburant pour un réacteur d’avion, la reprise de la combustion n’est pas systématique.

Le document FR 2 859 272 décrit de disposer des électrodes de part et d’autre d’un venturi d’admission d’air à l’entrée d’une chambre de combustion, afin de créer un plasma de type étincelle («spark-type plama» en anglais) qui chauffe le mélange de combustion et génère des espèces actives dans le mélange de combustion. Un tel système est intégré aux moyens d’introduction du mélange de combustion dans la chambre combustion.

A partir de cette situation, un but de l’invention consiste à proposer un nouveau système d’allumage pour réacteur à combustion, qui permette de redémarrer la combustion dans la chambre du réacteur avec un niveau de fiabilité amélioré.

Un but supplémentaire de l’invention est de proposer un tel système qui puisse être installé à la place d’une bougie d’allumage.

Un autre but de l’invention est de proposer un système d’allumage qui puisse être adapté à des écoulements dans la chambre de combustion qui soient subsoniques, transsoniques ou supersoniques.

Un autre but encore consiste à proposer un système d’allumage qui soit robuste, pour être compatible avec les conditions de température, de pression et de vibration qui existent dans une chambre de combustion de réacteur de propulsion.

Encore un autre but est que le système d’allumage puisse être adapté à différents types de réacteurs, y compris des turbomachines et des moteurs de fusée.

Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou d’autres, un premier aspect de l’invention propose un système d’allumage ou de stabilisation de combustion, qui comprend :

- une chambre secondaire, qui est destinée à être installée dans une paroi de chambre de combustion, la chambre secondaire ayant un volume interne, un orifice d’entrée qui est adapté pour introduire un fluide, notamment un gaz, sous pression dans le volume interne, et ayant un orifice de sortie qui est destiné à déboucher dans la chambre de combustion, à travers la paroi de celle-ci, pour permettre un écoulement du fluide sous pression à partir du volume interne de la chambre secondaire jusque dans la chambre de combustion ;

- deux électrodes, qui sont disposées sur deux bords opposés de l’orifice de sortie ;

- des moyens de support de l’une au moins des électrodes, qui sont adaptés pour maintenir fixement les deux électrodes à distance l’une de l’autre, en les isolant électriquement l’une de l’autre ; et

- des moyens pour connecter électriquement l’une au moins des électrodes à une source de courant électrique, de façon à générer et maintenir une décharge électrique entre les deux électrodes pendant que le fluide s’écoule de la chambre secondaire à travers l’orifice de sortie.

Grâce à une telle structure du système d’allumage ou de stabilisation de la combustion, la décharge électrique qui est générée à travers le fluide en écoulement est étirée dans la chambre de combustion à partir de l’orifice de sortie, par effet de soufflage du fluide sur la décharge électrique lorsque cette dernière est entretenue par la source de courant électrique, et pendant que le fluide pénètre dans la chambre de combustion par l’orifice de sortie. Autrement dit, la décharge électrique qui est mise en œuvre selon l’invention est de type arc soufflé.

Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, l’orifice de sortie de la chambre secondaire possède une aire de section de passage pour le fluide, qui est inférieure à 1 cm².

La chambre secondaire du système de l’invention peut être indépendante de moyens d’introduction du mélange de combustion dans la chambre de combustion. Autrement dit, l’injection de fluide dans la chambre de

-4combustion, par le système de l’invention, peut être indépendante de l’introduction du mélange de combustion dans la chambre de combustion, avec des sections de passage qui sont beaucoup plus petites pour le fluide. Chaque chambre secondaire d’un système conforme à l’invention peut en outre présenter des dimensions qui sont suffisamment petites pour qu’elle puisse être installée à la place d’une bougie d’allumage dans la paroi de la chambre de combustion, possiblement à plusieurs endroits distincts dans cette paroi.

Le fluide sous pression qui est injecté dans la chambre de combustion par l’intermédiaire de la chambre secondaire du système d’allumage ou de stabilisation de la combustion, peut être un combustible, notamment un carburant ou de l’hydrogène, un comburant ou un fluide qui contient un comburant, ou encore un gaz plasmagène tel que de l’argon. De façon générale, selon le type de réacteur auquel le système de l’invention est destiné, ce système peut être adapté pour que le fluide qui est injecté dans la chambre de combustion par l’intermédiaire de la chambre secondaire soit liquide ou gazeux, ou un mélange hétérogène.

Un système selon l’invention permet de projeter un noyau de plasma qui est créé par la décharge électrique, sur une distance en direction d’une zone centrale de la chambre de combustion. La probabilité de réussite d’un rallumage du réacteur est augmentée pour cette raison.

En outre, la décharge électrique qui est produite entre les deux électrodes peut être du type décharge continue, c’est-à-dire qu’elle peut être entretenue par un courant électrique de signe constant qui est délivré aux deux électrodes pendant une durée contrôlée, par opposition aux décharges par étincelles telles que produites par des bougies, qui sont instantanées. Grâce à une telle alimentation électrique de type continu, le système de l’invention peut redémarrer un réacteur avec une fiabilité qui est améliorée dans une mesure supplémentaire.

Dans des configurations préférées de systèmes conformes à l’invention, les deux électrodes peuvent être coaxiales. En particulier, un bord périphérique de l’orifice de sortie peut être conducteur électrique, et former l’une des deux électrodes, dite électrode périphérique. L’autre électrode, dite

-5électrode axiale, peut alors être superposée à un axe de l’orifice de sortie. Le système peut en outre être agencé avantageusement pour que l’électrode périphérique soit en prolongement continu avec la paroi de la chambre de combustion, et qu’une extrémité de l’électrode axiale soit située sensiblement à niveau avec la paroi de la chambre de combustion, lorsque la chambre secondaire est installée dans cette paroi. Une telle configuration présente plusieurs avantages, parmi lesquels :

- la décharge électrique est projetée avec un maximum d’efficacité dans la chambre de combustion, puisque le système est affleurant avec la paroi de la chambre de combustion, sans retrait et sans constituer un obstacle à l’écoulement du mélange de combustion ;

- les moyens de support d’électrodes peuvent être limités à des moyens de support de l’électrode axiale, l’électrode périphérique pouvant être supportée par la paroi de la chambre de combustion du réacteur, dans laquelle la chambre secondaire est installée ;

- l’électrode périphérique peut être en contact électrique avec la paroi de la chambre de combustion, qui est généralement métallique et connectée à une masse électrique ; et

- une ou plusieurs portion(s) solide(s) isolante(s) électriquement qui est (sont) utilisée(s) pour supporter l’électrode axiale en l’isolant de l’électrode périphérique, peu(ven)t ne pas être exposée(s) à l’écoulement du mélange de combustion à l’intérieur de la chambre de combustion, notamment en étant située(s) dans le système de l’invention en amont de l’orifice de sortie.

Dans des premiers modes de réalisation de l’invention, la chambre secondaire peut constituer une tuyère en direction de l’orifice de sortie, cette tuyère possédant une forme déprimogène qui est adaptée pour accélérer le fluide dans une partie aval du volume interne jusqu’à l’orifice de sortie. Le fluide dans une telle tuyère du système d’allumage ou de stabilisation de combustion, jusqu’à ce qu’il débouche dans la chambre de combustion, acquiert ainsi une vitesse d’écoulement qui projette la décharge électrique, avec le noyau de plasma qu’elle génère, plus loin vers le centre de la chambre de combustion. De cette façon, la fiabilité d’un rallumage du réacteur est améliorée.

-6L’écoulement du fluide dans la tuyère peut être subsonique ou transsonique. Dans ce dernier cas, qui est préféré pour projeter la décharge électrique encore plus loin dans la chambre de combustion, la tuyère peut posséder un profil tel qu’une aire de section de passage du fluide présente un minimum en suivant l’écoulement du fluide dans la tuyère jusqu’à l’orifice de sortie. Alors, l’écoulement du fluide peut atteindre Mach 1 au niveau du minimum de l’aire de section de passage, puis la vitesse du fluide peut continuer à augmenter entre ce minimum de l’aire de la section de passage et l’orifice de sortie de la chambre secondaire, jusqu’à une vitesse de sortie qui est supersonique.

Des modes préférés de réalisation de l’invention peuvent combiner une forme déprimogène de la tuyère qui accélère le fluide jusqu’à l’orifice de sortie, et une configuration coaxiale des électrodes dans laquelle l’électrode périphérique est formée par le bord périphérique de l’orifice de sortie. Alors, une surface périphérique du volume interne de la chambre secondaire au niveau de la tuyère peut être séparée de l’électrode axiale par un écart radial qui présente un minimum en suivant l’écoulement du fluide dans la tuyère jusqu’à l’orifice de sortie, lorsqu’il est mesuré perpendiculairement à l’axe de l’orifice de sortie. Ce minimum est situé à distance en amont de l’orifice de sortie, de façon à former un col déprimogène qui accélère le fluide en direction de l’orifice de sortie, pour produire un écoulement transsonique du fluide dans la tuyère.

La décharge électrique peut alors se produire entre l’électrode axiale et une partie de l’électrode périphérique qui est située entre le col déprimogène et l’orifice de sortie, ou à l’un de ces deux endroits. Elle peut ainsi être initiée à l’écart de l’écoulement du mélange de combustion dans la chambre de combustion, si bien que la probabilité qu’elle génère un noyau de plasma qui devienne assez important pour provoquer un rallumage de la combustion, est supérieure. En effet, ce noyau de plasma est préservé de la dilution jusqu’à ce qu’il soit expulsé au-delà de l’orifice de sortie.

Dans d’autres modes de réalisation de l’invention, la chambre secondaire peut être limitée en aval par un diaphragme qui constitue l’orifice de

-7sortie.

De façon générale pour l’invention, une partie de la chambre secondaire qui est en amont de l’orifice de sortie, par rapport à l’écoulement du fluide, peut comprendre une section en matériau isolant électriquement. Alors, les moyens de support de l’électrode axiale peuvent être situés en amont de la section en matériau isolant, ou faire partie de cette section en matériau isolant. Dans les deux cas, l’électrode axiale peut s’étendre à travers la section de tuyère en matériau isolant. L’électrode périphérique est alors destinée à être maintenue au potentiel électrique de la paroi de la chambre de combustion, par contact avec cette paroi de chambre de combustion lorsque la chambre secondaire y est installée.

Le système d’allumage ou de stabilisation de l’invention peut comprendre en outre une source de courant électrique, qui est connectée électriquement entre les deux électrodes du système. Cette source de courant électrique est alors adaptée pour alimenter les électrodes en courant de signe constant avec une tension électrique qui est comprise entre 0,1 kV et 100 kV, en valeur absolue. Ainsi, la tension électrique peut être supérieure à la tension de claquage entre les deux électrodes, en présence du fluide, pour initier la décharge électrique. Le courant «de signe constant» est dit «continu» dans le jargon de l’Homme du métier, même s’il n’est maintenu que pendant une durée limitée et que son intensité varie pendant cette durée.

Avantageusement aussi, la source de courant électrique peut être adaptée pour entretenir la décharge électrique à travers le fluide pendant une durée qui est supérieure ou égale à 100 ps. Autrement dit, la décharge électrique est prolongée temporellement, par opposition à des décharges telles que produites par des bougies, qui ont des durées inférieures à 100 ps.

Un second aspect de l’invention propose un réacteur à combustion aérobie ou à ergols, qui comprend une chambre de combustion, des moyens d’alimentation de la chambre de combustion en combustible et en comburant, et qui comprend en outre :

- un système d’allumage ou de stabilisation de combustion, qui est conforme au premier aspect de l’invention ; et

- une source de fluide sous pression, qui est connectée à l’orifice d’entrée de la chambre secondaire du système d’allumage ou de stabilisation de combustion.

Le fluide qui est introduit sous pression dans la chambre secondaire peut comprendre du comburant ou du combustible, qui est destiné à participer à la combustion produite dans la chambre de combustion après que le fluide s’est écoulé par l’orifice de sortie de la chambre secondaire.

De préférence, des dimensions de l’orifice de sortie de la chambre secondaire et une valeur de la pression du fluide qui est introduit dans celle-ci, sont telles que le trajet de la décharge électrique à travers le fluide en écoulement soit étiré dans la chambre de combustion à partir de l’orifice de sortie, d’une longueur d’étirement qui est supérieure à 0,1 cm (centimètre), de préférence supérieure à 1 cm, et inférieure à 20 cm.

Un réacteur qui est conforme au second aspect de l’invention peut former une partie d’une turbomachine, notamment d’un moteur d’avion, ou une partie d’un moteur de fusée, ou une partie d’un moteur de propulsion d’un engin volant sans pilote, ou une partie d’un moteur d’hélicoptère. Dans le cas d’une turbomachine, la source de courant électrique peut avantageusement être adaptée pour entretenir la décharge électrique à travers le fluide pendant une durée qui est supérieure ou égale à une période de précession d’un vortex d’écoulement du mélange de combustion dans la chambre de combustion. De cette façon, un noyau de plasma qui est produit par le système de l’invention, peut être entraîné par le vortex dans la chambre de combustion pour propager l’initiation de la combustion, quel que soit l’instant auquel la décharge électrique a été déclenchée par rapport à la précession du vortex. La fiabilité du rallumage peut ainsi être encore augmentée.

D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est une vue générale d’un réacteur qui est équipé d’un système d’allumage ou de stabilisation de combustion conforme à l’invention ;

- les figures 2a et 2b sont des sections axiales de deux systèmes d’allumage ou de stabilisation de combustion conformes à l’invention ; et

- les figures 3a et 3b sont deux diagrammes de caractéristiques géométriques et de fonctionnement, qui sont relatifs à un système d’allumage ou de stabilisation de combustion conforme à l’invention.

Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.

Conformément à la figure 1, un réacteur 1000 comprend une chambre de combustion CH, qui est limitée par sa paroi 100, des moyens d’alimentation en combustible 401, et des moyens d’alimentation en comburant 402. Le combustible peut être un carburant, de l’hydrogène ou une composante réductrice d’ergol. Le comburant peut être de l’air, dans le cas d’une combustion aérobie, ou une composante oxydante d’ergol. Le combustible et le comburant, après avoir été introduits dans la chambre CH, forment le mélange de combustion qui fournit de l’énergie lorsque la combustion se produit. Cette énergie peut notamment être utilisée pour propulser un engin volant, un avion, une fusée, ou pour mettre en rotation un rotor d’hélicoptère. Mais un tel réacteur peut aussi être utilisé pour d’autres applications, telles que la fourniture d’électricité.

De façon connue, la paroi 100 comprend une partie latérale et une partie de fond de chambre, à travers laquelle peuvent être disposés des orifices d’admission des moyens d’alimentation 401 et 402. En général, la paroi 100 de la chambre de combustion CH est en alliage métallique, et connectée électriquement à une borne de potentiel électrique de référence, appelée masse électrique et notée G.

Lorsque le réacteur 1000 est une partie de turbomachine, par exemple d’un turboréacteur d’avion, le mélange de combustion possède un mouvement tourbillonnaire dans la chambre de combustion CH, dont le noyau, appelé

- 10vortex et noté VX dans la figure 1, possède lui-même un mouvement de précession autour d’un axe longitudinal L-L de la chambre CH.

Le système d’allumage ou de stabilisation de combustion, référencé 10, peut être installé dans la paroi 100, par exemple dans la partie latérale de celle-ci par rapport à l’axe longitudinal L-L. Toutefois, le système 10 peut aussi être installé dans la partie de fond de chambre de la paroi 100. De préférence, plusieurs systèmes 10 chacun conformes à l’invention peuvent être installés à divers endroits de la paroi 100, bien qu’un seul système soit décrit dans la suite.

En référence à la figure 2a, chaque système 10 comprend une chambre secondaire 5, dont une surface périphérique S2 limite un volume interne V. La chambre secondaire 5 possède un orifice d’entrée E qui est connecté à une source de fluide sous pression 300. Elle possède en outre un orifice de sortie S, qui est destiné à libérer dans la chambre de combustion CH le fluide F qui provient de la source 300. Le fluide F est de préférence gazeux et homogène. Ce peut être une composante gazeuse ou vaporisée de combustible, une composante de comburant, ou un gaz plasmagène tel que de l’argon.

La chambre secondaire 5 est destinée à être installée dans la paroi 100, de façon à être en continuité de surface à cette dernière, c’est-à-dire sans constituer de proéminence significative vers le centre de la chambre de combustion CH, ni être en retrait, par rapport à la paroi 100.

Une partie aval de la chambre secondaire 5 qui entoure l’orifice de sortie S, comprenant le bord de cet orifice, est avantageusement conductrice électriquement, par exemple en alliage métallique, et en contact électrique avec la paroi 100. Cette partie aval de la chambre secondaire 5 constitue alors une électrode 2, dite électrode périphérique, qui est au potentiel électrique de la masse G dans le cas de la présente description. De préférence, la chambre secondaire 5 et l’orifice de sortie S sont symétriques par révolution autour d’un axe commun A-A, qui peut être perpendiculaire à la paroi 100 à l’endroit d’installation de la chambre secondaire 5.

Une électrode axiale 1, aussi en matériau conducteur électriquement,

-11 est disposée le long de l’axe A-A, fixement par rapport à la chambre secondaire 5. Pour cela, la chambre secondaire 5 peut comprendre, en plus de sa partie aval qui constitue l’électrode périphérique 2, une section en matériau isolant 4, et un fond 3 qui maintiennent rigidement l’électrode axiale 1. L’électrode périphérique 2, la section 4 et le fond 3 sont solidaires rigidement. Le fond 3 constitue alors les moyens de support de l’électrode axiale 1, cités dans la partie générale de la présente description. Toutefois, la section 4 et le fond 3 peuvent être réunis en une portion unique, isolante électriquement, qui constitue alors les moyens de support de l’électrode axiale 1. L’électrode axiale 1 est aussi avantageusement symétrique par révolution autour de l’axe A-A. Si désigne la surface périphérique de l’électrode axiale 1, qui est en contact avec le volume interne V de la chambre secondaire 5.

Par exemple, les électrodes 1 et 2 peuvent être en acier inoxydable (inox) ou en un métal ou alliage métallique réfractaire, tel que du tantale. De façon générale, le matériau des électrodes 1 et 2 peut être sélectionné notamment en fonction de la durée d’alimentation électrique, celle-ci pouvant être comprise entre quelques millisecondes et une seconde environ, à titre d’exemple.

Le fluide F pénètre sous pression dans le volume interne V par l’orifice d’entrée E, puis s’écoule en direction de l’orifice de sortie S entre les surfaces Si et S2. La variation le long de l’axe A-A, de l’aire de section de passage entre les surfaces Si et S2 détermine l’accélération qui est subie par le fluide F avant d’être libéré dans la chambre de combustion CH à travers l’orifice de sortie S. Une réduction progressive de cette aire de section de passage produit une accélération du fluide F, tant que la vitesse du fluide F reste inférieure à la vitesse du son pour les conditions de pression, température et masse volumique qui existent dans la chambre secondaire 5. La présence d’un minimum pour l’aire de section de passage, à un endroit de l’axe A-A qui est situé en amont de l’orifice de sortie S, peut permettre de continuer à accélérer le fluide F au-delà de la vitesse du son, lorsque le fluide F a atteint la vitesse du son à cet endroit d’aire minimale. Dans le jargon de l’Homme du métier, une telle chambre secondaire constitue une tuyère à col, qui est adaptée pour que l’écoulement du fluide F puisse être transsonique. Dans le mode de réalisation

-12de l’invention qui est représenté à la figure 2a, la chambre secondaire possède une partie amont qui peut être cylindrique à section constante d’axe A-A, et une partie aval en forme de tuyère. Pour raison de simplicité, la partie cylindrique à section constante de la chambre secondaire est directement référencée 5 dans cette figure, et la partie en forme de tuyère est référencée 6.

Le diagramme de la figure 3a indique les distances radiales entre l’axe A-A et chacune des surfaces Si et S₂, pour un exemple de réalisation de l’invention. L’axe horizontal repère une position longitudinale qui est mesurée parallèlement à l’axe A-A, notée x et exprimée en millimètres (mm). L’axe vertical repère la distance radiale, notée r et exprimée aussi en millimètres, entre chacune des surfaces Si et S₂ et l’axe A-A, et mesurée radialement, c’est-à-dire perpendiculairement à cet axe A-A. Comme cela apparaît dans le diagramme, la chambre secondaire possède la partie amont 5 à surfaces cylindriques de rayons constants, pour x inférieur à -6 mm, un canal faiblement divergent en direction de l’orifice de sortie S pour x compris entre 0 mm et mm, une zone intermédiaire de raccordement convergent, pour x compris entre -6 mm et 0 mm, et un évasement terminal pour x compris entre 9 mm et mm. Plus précisément, le canal divergent possède les caractéristiques dimensionnelles suivantes : la surface S₂ de l’électrode périphérique 2 possède un rayon de 1,50 mm en x=0, et un rayon de 1,60 mm en x=9 mm, alors que l’électrode axiale 1 forme un cylindrique droit entre x=-10 mm et x=9 mm, avec un rayon qui est constant sur cet intervalle et égal à 1,00 mm. Ainsi, la partie en tuyère 6 de la chambre secondaire s’étend entre les positions x=-6 mm et x=10 mm. Dans ce mode de réalisation, l’évasement terminal de la tuyère, au niveau de l’orifice de sortie S, est formé par l’extrémité arrondie de l’électrode axiale 1.

Le diagramme de la figure 3b reprend l’axe horizontal de la figure 3a. La courbe qui est notée «gap» est la différence entre les distances à l’axe A-A des deux surfaces Si et S₂, telles que ces distances à l’axe sont caractérisées par la figure 3a. La localisation du col de tuyère en x=0 apparaît clairement.

La courbe qui est notée «Mach» dans la figure 3b indique la vitesse de l’écoulement du fluide F dans la tuyère de la chambre secondaire de la figure

-133a, exprimée en nombre de Mach. Cette courbe «Mach» doit aussi être lue en référence à l’axe vertical de la partie gauche du diagramme, mais pris en unité de Mach. Le fluide F est de l’air dans cet exemple. L’écoulement est transsonique, avec la vitesse du son (Mach=1,0) qui est franchie au col (x=0).

La courbe qui est notée Ps illustre les variations de la pression statique du fluide F le long de l’axe A-A, associées aux variations de nombre de Mach. Cette pression diminue en direction de l’orifice de sortie S, avec une réduction de pente absolue au niveau du col. La pression du fluide F au niveau de l’orifice d’entrée E peut être supérieure à 1,5 fois la pression au niveau de l’orifice de sortie S. De façon générale dans le cadre de la présente invention, on entend par forme déprimogène de la tuyère 6, y compris le cas particulier d’une forme en col déprimogène, une variation de l’aire de section de passe du fluide dans la tuyère 6 qui est adaptée pour accélérer le fluide sous l’effet de la pression qui existe au sein de ce fluide, cette pression diminuant en direction de l’orifice de sortie S.

Enfin, la courbe qui est notée Ub illustre les variations de la tension de claquage entre les deux électrodes 1 et 2, exprimée en valeur absolue et en kilovolts (kV) en référence avec l’axe vertical de la partie droite du diagramme, le long de l’axe A-A. La tension de claquege Ub a été calculée selon la loi de Paschen lorsque le fluide F est de l’air, en fonction de la distance entre les deux surfaces Si et S2, donnée par la courbe «gap» et de la pression statique Ps, pour chaque position x le long de l’axe A-A. La tension de claquage décroît en se déplaçant dans la tuyère 6 en direction de l’orifice de sortie S, indiquant qu’une décharge électrique serait initiée à proximité de cet orifice. En outre, l’évasement de la tuyère 6 étant très important entre x=9 mm et x=10 mm, la décharge électrique va être initiée en x=9 mm. Au sens de la présente invention, on entend par bord de l’orifice de sortie S l’endroit de la tuyère 6 où la décharge électrique est initiée, qui peut être en amont de la surface externe de la tuyère 6, elle-même étant en continuité de surface avec la paroi 100 de la chambre de combustion CH. Dans le mode de réalisation des figures 3a et 3b, le bord de l’orifice de sortie S est indiqué par la lettre B, en x=9 mm. De façon générale, le bord B peut être à proximité immédiate ou au niveau de la surface externe de la chambre secondaire qui est en continuité de surface avec la paroi

- 14100, ou bien être en retrait par rapport à celle-ci. La position exacte du bord B peut notamment résulter d’un compromis entre, d’une part un but de projeter la décharge électrique plus loin en direction du centre de la chambre de combustion CH, et d’autre part un risque d’extinction de la décharge électrique dans le flux du mélange de combustion à l’intérieur de la chambre CH, si le noyau de plasma que la décharge électrique a généré n’est pas encore assez développé avant d’émerger par l’orifice de sortie S.

Les dimensions qui sont indiquées dans les figures 3a et 3b pour la chambre secondaire montrent qu’elle peut être de petite taille. En particulier, elle peut être adaptée pour remplacer une bougie d’allumage telle qu’utilisée actuellement dans un réacteur, sans modifier la chambre de combustion de celui-ci.

Une source de courant électrique 200 est connectée électriquement entre l’électrode axiale 1 et l’électrode périphérique 2. De préférence, la source 200 est du type source continue, qui est capable de délivrer un courant de signe constant pendant une durée supérieure à 100 ps (microseconde). De façon générale pour l’invention, la durée d’alimentation électrique des électrodes 1 et 2 par la source 200 est très supérieure à une durée de décharge de bougie, cette dernière étant usuellement de l’ordre de 10 ps environ. La borne négative de la source 200 peut être connectée à l’électrode axiale 1, et sa borne positive à l’électrode périphérique 2, possiblement par l’intermédiaire de la paroi 100 avec laquelle l’électrode périphérique 2 est en contact électrique. Possiblement, les bornes négative et positive de la source 200 peuvent être échangées entre les deux électrodes 1 et 2. Préférablement, et comme dans le mode de réalisation qui est décrit ici, l’électrode périphérique 2 peut être reliée électriquement à la masse G, et la source 200 est connectée entre la masse G et une extrémité postérieure 1c de l’électrode axiale 1.

Typiquement, la puissance instantanée de décharge électrique peut être de l’ordre de quelques kilowatts. L’alimentation en courant électrique des électrodes 1 et 2 par la source 200 peut alors être avantageusement limitée à des périodes de durée prédéterminée, pour éviter un échauffement excessif de la tuyère 6 et de l’électrode axiale 1, que pourrait provoquer une décharge

-15électrique prolongée. Dans ce cas, l’alimentation des électrodes 1 et 2 en courant de signe constant peut être limitée à des durées qui sont inférieures à quelques millisecondes, et être répétée plusieurs fois par seconde.

Lorsque le réacteur 1000 est un foyer de turbomachine, le vortex VX de l’écoulement tourbillonnaire du mélange de combustion dans la chambre CH peut décrire une précession autour de l’axe L-L (figure 1 ), à une fréquence de l’ordre de 1 kHz (kilohertz). Pour assurer qu’un noyau de plasma qui est généré pendant une durée continue de décharge électrique, soit entraîné efficacement par convection dans la chambre de combustion CH, et augmenter ainsi la probabilité d’allumage réussi, il est préférable que chaque durée continue d’alimentation des électrodes 1 et 2 en courant électrique soit supérieure ou égale à la période de précession du vortex VX. Typiquement, chaque durée continue d’alimentation en courant électrique peut être supérieure à 500 ps, et possiblement dépasser 1 seconde. Cette durée continue d’alimentation pourrait même dépasser 1 minute, à condition que les électrodes 1 et 2 résistent à réchauffement que provoque une telle décharge électrique continue.

La source 200 doit être capable de fournir, à chaque début de durée d’alimentation en courant, une tension électrique qui est supérieure à la tension de claquage entre les électrodes 1 et 2 en présence du fluide F qui s’écoule de la tuyère 6 dans la chambre de combustion CH. D’après la courbe Ub de la figure 3b, cette tension doit être supérieure à 4 kV pour le mode de réalisation considéré. De façon générale, cette tension électrique de claquage est comprise entre 0,1 kV et 100 kV, en valeur absolue, et le plus souvent inférieure à 20 kV. Une fois que la décharge électrique a été initiée au début d’une durée continue d’alimentation des électrodes 1 et 2, la tension électrique que doit maintenir la source 200 entre les deux électrodes, pour éviter une interruption de la décharge électrique, est en général inférieure à la tension de claquage Ub.

Lorsque la source 200 génère la décharge électrique, notée DE sur la figure 2a, alors que le fluide F s’écoule à travers la tuyère 6, la décharge DE est projetée, ou soufflée, dans la chambre de combustion CH jusqu’à une

-16certaine distance de la paroi 100. Cette distance est notée I. Elle est recherchée pour être grande, tout en permettant à la décharge électrique DE de se prolonger sur toute la durée d’alimentation qui est voulue. Dans la pratique, la longueur I est comprise entre 1 mm et 20 cm, souvent de l’ordre de 1 à quelques centimètres. Etant donné la géométrie centrale de l’électrode axiale 1, et annulaire de l’électrode périphérique 2, le trajet de la décharge électrique DE dans le fluide F peut être un filament étendu en forme de boucle, mobile autour de l’axe A-A.

La figure 2b correspond à la figure 2a pour une géométrie alternative de la chambre secondaire 5. La partie à variation progressive de la section de passage du fluide F en direction de l’orifice de sortie S est remplacée par un diaphragme 6’. Celui-ci est constitué par une paroi rigide qui est perpendiculaire à l’axe A-A, et qui est pourvue d’un trou de fuite formant l’orifice de sortie S. L’électrode périphérique 2 est alors constituée par le diaphragme 6’, et l’électrode axiale 1 peut avoir la même configuration que celle décrite en référence à la figure 2a. Autrement dit, l’aire de la section de passage du fluide F dans la chambre secondaire 5 présente une réduction discontinue juste avant l’orifice de sortie S.

Dans d’autres variantes de réalisation de l’invention, l’électrode axiale 1 peut avoir une extrémité en pointe, pour réduire la tension de claquage U b lorsque la décharge électrique DE se produit à partir de cette extrémité d’électrode. Dans ce cas, l’extrémité de l’électrode axiale 1 peut encore être située au niveau du prolongement par continuité de surface de la paroi 100, ou en retrait.

Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires de celle-ci par rapport aux modes de réalisation qui viennent d’être décrits, mais en conservant certains des avantages qui ont été cités. En particulier, le fluide F peut être sous forme liquide dans la chambre secondaire. Il est alors vaporisé soudainement au niveau de l’orifice de sortie

S. La décharge électrique DE se produit alors en aval de l’endroit de vaporisation du liquide F.

Claims

1. Système (10) d’allumage ou de stabilisation de combustion, comprenant :

- une chambre secondaire (5), destinée à être installée dans une paroi (100) de chambre de combustion (CH), la chambre secondaire ayant un volume interne (V), un orifice d’entrée (E) qui est adapté pour introduire un fluide (F), notamment un gaz, sous pression dans le volume interne, et ayant un orifice de sortie (S) qui est destiné à déboucher dans la chambre de combustion (CH), à travers la paroi (100) de ladite chambre de combustion, pour permettre un écoulement du fluide sous pression à partir du volume interne de ladite chambre secondaire jusque dans ladite chambre de combustion, ledit orifice de sortie de la chambre secondaire ayant une aire de section de passage pour le fluide, qui est inférieure à 1 cm² ;

-deux électrodes (1, 2), qui sont disposées sur deux bords opposés de l’orifice de sortie (S) ;

- des moyens (3) de support de l’une au moins des électrodes, qui sont adaptés pour maintenir fixement les deux électrodes (1, 2) à distance l’une de l’autre, en isolant électriquement lesdites deux électrodes l’une de l’autre ; et

-des moyens (1c) pour connecter électriquement l’une au moins des électrodes (1, 2) à une source de courant électrique (200), de façon à générer et maintenir une décharge électrique (DE) entre lesdites deux électrodes pendant que le fluide (F) s’écoule de la chambre secondaire (5) à travers l’orifice de sortie (S), de sorte que la décharge électrique (DE) à travers le fluide (F) en écoulement, soit étirée dans la chambre de combustion (CH) à partir de l’orifice de sortie (S), par effet de soufflage du fluide sur la décharge électrique lorsque ladite décharge électrique est entretenue par la source de courant électrique (200)

-18pendant que le fluide pénètre dans la chambre de combustion par l’orifice de sortie.

2. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel les deux électrodes (1, 2) sont coaxiales.

3. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel un bord périphérique de l’orifice de sortie (S) est conducteur électrique et forme l’une des deux électrodes, dite électrode périphérique (2), et l’autre électrode, dite électrode axiale (1), est superposée à un axe (A-A) de l’orifice de sortie, le système étant agencé pour que l’électrode périphérique soit en prolongement continu avec la paroi (100) de la chambre de combustion (CH), et qu’une extrémité de l’électrode axiale soit située sensiblement à niveau avec ladite paroi de la chambre de combustion, lorsque la chambre secondaire (5) est installée dans ladite paroi.

4. Système (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la chambre secondaire (5) constitue une tuyère (6) en direction de l’orifice de sortie (S), ladite tuyère possédant une forme déprimogène qui est adaptée pour accélérer le fluide (F) dans une partie aval du volume interne (V) jusqu’à l’orifice de sortie (S).

5. Système (10) selon la revendication 4, dans lequel la tuyère (6) possède un profil tel qu’une aire de section de passage du fluide (F) présente un minimum en suivant l’écoulement du fluide dans la tuyère jusqu’à l’orifice de sortie (S).

6. Système (10) selon la revendication 3 et la revendication 4 ou 5, dans lequel une surface périphérique (S₂) du volume interne (V) au niveau de la tuyère (5) est séparée de l’électrode axiale (1) par un écart radial qui présente un minimum en suivant l’écoulement du fluide (F) dans la tuyère jusqu’à l’orifice de sortie (S), en étant mesuré perpendiculairement à l’axe dudit orifice de sortie, ledit minimum étant situé à distance en amont dudit orifice de sortie de façon à former un col déprimogène qui accélère le fluide en direction de l’orifice de sortie, pour produire un écoulement transsonique dudit fluide dans la tuyère.

7. Système (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la chambre secondaire (5) est limitée en aval par un diaphragme (6’) qui constitue l’orifice de sortie (S).

8. Système (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une partie de la chambre secondaire (5) qui est en amont de l’orifice de sortie (S) par rapport à l’écoulement du fluide (F), comprend une section (4) en matériau isolant électriquement, et dans lequel des moyens de support de l’électrode axiale (1) sont situés en amont de la section en matériau isolant, ou font partie de ladite section en matériau isolant, l’électrode axiale s’étendant à travers ladite section en matériau isolant, et l’électrode périphérique (2) est destinée à être maintenue à un potentiel électrique de la paroi (100) de la chambre de combustion (CH), par contact de ladite électrode périphérique avec ladite paroi de la chambre de combustion lorsque la chambre secondaire (5) est installée dans ladite paroi.

9. Système (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre :

- une source (200) de courant électrique, qui est connectée électriquement entre les deux électrodes (1, 2) du système (10) d’allumage ou de stabilisation de combustion, ladite source (200) de courant électrique étant adaptée pour alimenter les électrodes (1, 2) en courant de signe constant avec une tension électrique qui est comprise entre 0,1 kV et 100 kV, en valeur absolue.

10. Système (10) selon la revendication 9, dans lequel la source (200) de courant électrique est adaptée pour entretenir la décharge électrique (DE) à travers le fluide (F) pendant une durée qui est supérieure ou égale à 100 ps.

11. Réacteur (1000) à combustion aérobie ou à ergols, comprenant une chambre de combustion (CH), des moyens (401-402) d’alimentation de la chambre de combustion en combustible et en comburant, et comprenant en outre :

-un système (10) d’allumage ou de stabilisation de combustion, qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes ; et

- une source (300) de fluide sous pression, qui est connectée à l’orifice d’entrée (E) de la chambre secondaire (5) du système (10) d’allumage ou de stabilisation de combustion.

12. Réacteur (1000) selon la revendication 11, dans lequel le fluide (F) qui est introduit sous pression dans la chambre secondaire (5) comprend du comburant ou du combustible, destiné à participer à une combustion produite dans la chambre de combustion (CH) après que ledit fluide s’est écoulé par l’orifice de sortie (S) de la chambre secondaire (5).

13. Réacteur (1000) selon la revendication 11 ou 12, dans lequel des dimensions de l’orifice de sortie (S) de la chambre secondaire (5) et une valeur de la pression du fluide (F) qui est introduit dans ladite chambre secondaire, sont telles que le trajet de la décharge électrique (DE) à travers le fluide en écoulement soit étiré dans la chambre de combustion (CH) à partir de l’orifice de sortie, d’une longueur d’étirement qui est supérieure à 0,1 cm, de préférence supérieure à 1 cm, et inférieure à 20 cm.

14. Réacteur (1000) selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, formant une partie de turbomachine, notamment d’un moteur d’avion, ou une partie d’un moteur de fusée, ou une partie d’un moteur de propulsion d’un engin volant sans pilote, ou une partie d’un moteur d’hélicoptère.

15. Réacteur (1000) selon la revendication 14, formant une turbomachine et dans lequel la source de courant électrique (200) est adaptée pour entretenir la décharge électrique (DE) à travers le fluide (F) pendant une durée qui est supérieure ou égale à une période de précession d’un vortex (VX) d’écoulement d’un mélange de combustion dans la chambre de combustion (CH).