ITTO940464A1 - Dispositivo di scarico di residui di combustione. - Google Patents

Abstract

La presente invenzione riguarda un dispositivo di scarico di residui di combustione di un propulsore, che comprende da una parte una camere di combustione destinata a ricevere un propellente solido e dall'altra parte un ugello che realizza l'evacuazione dei gas di propulsione e che è collegato al fondo di questa camera lasciando uno spazio anulare (24) nel quale si accumulano i residui liquidi della combustione del propellente. Questo dispositivo comprende almeno un tubo (30) fissato al convergente (14) dell'ugello mediante dei mezzi di fissaggio (32-38), questo tubo comprende una prima estremità (300a) immersa nella massa liquida formata dal residui di combustione, ad una determinata distanza j dal fondo della camera, e una seconda estremità (300b) che sporge al livello dell'estremità superiore del convergente, leggermente arretrata rispetto al collo dell'ugello (12).(Fig. 1).

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

"Dispositivo di scarico di residui di combustione"

La presente invenzione riguarda un dispositivo di scarico di residui di combustione destinato principalmente ad essere utilizzato in un motore con propellente solido.

In modo classico, quando è desiderabile disporre di un motore con propellente solido che ha un ugello di espulsione orientabile, si monta questo ugello su una articolazione flessibile la cui parte fissa è solidale con la parete della camera di combustione del motore. Per facilitare questo montaggio e per permettere l'integrazione dell'ugello nella camera, l'estremità posteriore di questo ugello presenta generalmente una forma specifica, detta a fondo di bottiglia, che sfortunatamente, .definendo una gola anulare tra la parete dell'ugello e quella della camera, crea un volume chiuso nel quale dei corpi solidi o liquidi si possono depositare durante il volo del propulsore.

Ora bruciando il propellente solido provoca la formazione di residui di combustione. Nel caso dei propellenti solidi che contengono alluminio, uno di questi residui è l'allumina. Al momento della combustione del propellente (che si produce a temperature superiori al punto di fusione dell'allumina), questa allumina si trova in uno stato liquido, sotto la forma di sottili goccioline. Queste goccioline, le cui dimensioni dipendono essenzialmente dalla granulometria del propellente (ad esempio da 20 a 120 μm), vengono normalmente trascinate dal flusso gassodo di propulsione contemporaneamente agli altri prodotti della combustione e si solidificano durante l'espansione prima della loro evacuazione sotto forma solida attraverso l'ugello.

Tuttavia più la dimensione di queste goccioline diventa grande, più il loro trascinamento verso l'ugello, sotto l'azione del flusso gassoso di propulsione, si rivela difficile. Ciò si verifica in particolare per le goccioline dell'ordine di 100 μm che, invece di essere evacuate attraverso l'ugello, si depositano nel volume sopra citato in cui finiscono col formare una pozzanghera di allumina liquida. Questa pozzanghera, tenuto conto delle masse messe in gioco, si comporta allora come una zavorra che è all'origine di una perdita di carico utile (per la messa in orbita) particolarmente significativa, 250 tonnellate di propellente potendo cosi produrre una massa residua di 2 tonnellate di allumina.

Così uno scopo dell'invenzione è quello di realizzare un motore con propellente solido che, per una data massa di propellente, permette, senza alcuna modifica fondamentale della sua struttura, di caricare un maggior carico utile Secondo la presente invenzione viene proposto un dispositivo di scarico dei residui di combustione che realizza l'evacuazione, durante la combustione del propellente, dei residui liquidi accumulati nel fondo del propulsore.

Più particolarmente questo dispositivo di scarico di residui di combustione di un propulsore, che comprende da una parte una camera di combustione destinata a ricevere un propellente solido e dall'altra parte un ugello che realizza l'evacuazione dei gas di propulsione e che è collegato al fondo di questa camera lasciando uno spazio anulare nel quale si accumulano i residui liquidi della combustione del propellente, è caratterizzato dal fatto che esso comprende almeno un tubo fissato sul convergente dell'ugello mediante dei mezzi di fissaggio, questo tubo comprendendo una prima estremità immersa nella massa liquida formata dai residui di combustione, ad una determinata distanza j dal fondo della camera, e una seconda estremità che sporge al livello dell'estremità superiore del convergente, leggermente arretrata rispetto al collo dell'ugello.

Mediante questa struttura specifica, i residui liquidi presenti al fondo del propulsore, grazie alla differenza di pressione che esiste fra la pressione esistente nella camera di combustione e quella, inferiore, esistente al livello del convergente dell'ugello, risultano aspirati nei tubi di scarico e sono così espulsi all'esterno con il flusso di propulsione.

Ciascun tubo di scarico comprende, su una determinata parte della sua lunghezza, delle zone di attacco per permettere il suo agganciamento al convergente mediante i mezzi di fissaggio.

Infatti è importante che questi tubi non siano espulsi con il flusso di propulsione, ciò che richiede dei mezzi di fissaggio in numero sufficiente. Così i mezzi di fissaggio comprendono più primi elementi di collegamento tra una prima zona di attacco e la parte interna del convergente e più secondi elementi di collegamento fra una seconda zona di attacco e la parte esterna di questo convergente.

Preferibilmente ciascuno dei secondi elementi di collegamento comprende un tirante collegato da una parte alla parte esterna del convergente, per mezzo di un primo organo di bloccaggio, e dall'altra parte ad una zona di attacco del tubo per mezzo di un secondo organo di bloccaggio.

Tenuto conto,-'delle temperature esistenti, ciascun tubo di scarico sarà realizzato in un materiale composito con matrice e con rinforzo di carbonio. La stessa cosa si verifica per i primi elementi di collegamento e per i secondi organi di bloccaggio.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione^appariranno meglio dalla descrizione seguente, fatta a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 illustra un dispositivo di scarico secondo l'invenzione disposto al livello del fondo di un propulsore,

la figura 2 è una vista secondo la sezione II-II della figura 1, che illustra una sezione del dispositivo, e

la figura 3 è una vista che illustra nella parte sinistra una sezione secondo Illa della figura 1 e nella parte destra una sezione secondo Illb. In questa vista sono rappresentati i mezzi di collegamento del dispositivo di scarico secondo l'invenzione con il corpo del propulsore.

La figura 1 rappresenta in sezione una vista parziale di un motore con propellente solido munito di un dispositivo di scarico secondo l'invenzione. L’ugello di un propulsore è in modo classico costituito da un divergente 10 che prolunga un collo 12 nel quaJLe termina un convergente 14. Tenuto conto degli sforzi e delle temperatura esistenti, ciascuno di questi elementi è anche costituito in modo classico da due parti, una interna in contatto con il gas di propulsione, che garantisce il bloccaggio della struttura rispetto alla temperatura, (indicata con la lettera A), e l’altra esterna che consente la sua tenuta meccanica (indicata con la lettera B). Il convergente 14, che costituisce l'estremità posteriore dell'ugello, comprende un'estremità superiore collegata al collo 12 e un'estremità inferiore rialzata la cui parte esterna 14B è collegata, attraverso un'articolazione flessibile 18, a una parete 20 che prolunga questa estremità rialzata del convergente e che forma, con la parete laterale della camera di combustione 22 alla quale ■ è solidalmente fissata, il fondo di questa camera. Questo fondo, che si presenta così con una forma detta a fondo di bottiglia, lascia comparire uno spazio anulare 24 fra l'estremità del convergente e la parete della camera, il quale spazio, inizialmente rimepito in parte dal solo propellente solido, si caricherà con i residui man mano che la combustione procede fino a formare una pozzanghera liquida costituita in particolare da allumina nel caso di un propellente che comprende alluminio.

La richiedente ha potuto constatare che, nel caso di un propellente solido che contiene all'incirca il 20^ di alluminio, il volume della pozzanghera di allumina risultante, che dipende essenzialmente ma non esclusivamente dalla granulometria del propellente (fra l'altro intervenendo anche l’accelerazione assiale del propulsore), poteva raggiungere proporzioni non trascurabili poiché, con una massa iniziale di propellente di 230 tonnellate e considerando solo una piccola accelerazione di 1 g, questo spazio poteva contenere una massa di circa 2 tonnellate di allumina che corrispondono ad una perdita di carico utile per la messa in orbita di circa 300 kg.

Cosi la presente invenzione si propone di evacuare questi residui accumulati al fondo del propulsore mediante un dispositivo di scarico che comprende una serie di tubi 30 fissati alla parete interna 14A del convergente dell'ugello del propulsore, una delle estremità 300A di questi tubi essendo immersa nella pozzanghera di residui liquidi lasciando un gioco j determinato e sufficiente per permettere l'oscillazione dell'ugello sulla sua articolazione 18, senza che questa estremità venga in appoggio sul fondo della camera, mentre l'altra 300B sporge al livello dell'estremità superiore del convergente, leggermente arretrata rispetto al collo dell’ugello 12 su un cerchio con diametro superiore a quello del collo.

Le figure 2 e 3 illustrano in modo più preciso la struttura di un tubo 30 e il suo assemblaggio sul convergente 14. Ad eccezione di una zona di attacco del tubo al convergente, questo tubo di scarico presenta un corpo omogeneo 300 munito di un condotto interno 310. Nell'esempio di attuazione illustrato questo tubo comprende vantaggiosamente una sezione circolare, ma evidentemente questa forma non è in alcun modo limitativa. Nella zona di attacco, che si estende preferibilmente, a partire dall'estremità superiore del tubo 3003, per una distanza determinata e sufficiente per evitare l’espulsione del tubo durante la combustione, il corpo del tubo è prolungato da zampe 320, 330 diametralmente opposte che formano una aletta una cui superficie di appoggio 340 è destinata a venire in contatto con il convergente. Il collegamento solidale fra il tubo di scarico e il convergente viene ottenuto mediante dei mezzi di fissaggio 32, 34, 36, 38 disposti fra la zampa e la parte interna e quella esterna del convergente. Così dei primi elementi di collegamento 32 possono essere montati fra una prima zona di attacco del tubo, formata dalla zampa 320, e la parte interna del convergente 14A. Nello stesso modo dei secondi elementi di collegamento 34, 36, 38 possono essere montati fra la seconda zona di attacco, formata dalla zampa 330, e la parte esterna del convergente 14B. Dato che questo collegamento con la parte esterna del convergente richiede un passaggio attraverso la sua parte interna, i secondi elementi di collegamento comprendono un tirante 34 che attraversa questa parte interna del convergente e che è fissato da una parte ad una zona di attacco del tubo 330 e dall'altra parte alla parte esterna del convergente 14B.

Il funzionamento del dispositivo di scarico secondo l'invenzione 3arà descritto qui di seguito. A questo scopo è importante notare che i residui liquidi presenti al fondo del propulsore sono sottoposti alla pressione statica che esiste nella camera di combustione, mentre la pressione statica che esiste nel collo dell'ugello è inferiore a quella che esiste nella camera. Ora ciascuno dei tubi 30, le cui dimensioni e il cui numero dipende dalla portata dei residui da evacuare, presenta una delle sue estremità immersa nella massa liquida e l'altra posizionata al livello del convergente e leggermente arretrata dal collo dell'ugello. Si crea allora, a causa di questa differenza di pressione fra le sue due estremità, una depressione nel tubo sufficiente per aspirare i residui liquidi dal fondo della camera verso il convergente e dunque verso l'esterno. Prima della formazione di questi residui, questa depressione ha il solo effetto di trasferire i gas caldi presenti al fondo della camera verso l'ugello, ciò che non provoca alcun disturbo di funzionamento. Il tecnico dell'arte è in grado di determinare senza difficoltà l'ubicazione preferenziale (al livello del convergente) dell'estremità superiore del tubo con un rapporto di sezione tale da garantire una pressione sufficiente per compensare gli effetti dell'accelerazione sulla colonna di residui liquidi che salgono nel tubo e tale da evitare un* aspirazione a scatti intervallata da bolle. Nello stesso modo è facile per questo tecnico dell'arte determinare la distanza j sufficiente per permettere una oscillazione dell'ugello sulla sua articolazione senza che l'estremità inferiore del tubo venga in contatto con il fondo della camera.

L'applicazione numerica seguente è un esempio di calcolo approssimativo delle dimensioni del tubo nel caso di un propulsore con combustibile solido che contiene il 18% di alluminio. Si può supporre che, durante un volo di 60 secondi, un deposito di allumina di 5100 kg tenderà ad accumularsi al fondo della camera di combustione di questo propulsore. La portata da evacuare è dunque di 5100/60= 85 kg/s cioè ancora di 21 l/s. Ammettendo una velocità di transito di 5 cm/s (velocità che dipende dalla viscosità dell'allumina), la sezione di evacuazione necessaria dovrebbe essere di 21000/5=4200 cm<2>, ciò che, tenuto conto di un diametro di colio di ugello di 90 cm, permette di prevedere la posa di dieci tubi con un diametro interno di circa 23 cm. Evidentemente questo calcolo rapido viene fornito semplicemente a titolo esplicativo e costituisce solo un ordine di grandezza delle dimensioni che possono avere questi tubi.

Allo scopo di resistere alle temperature raggiunte durante la combustione del propellente solido, i tubi di scarico sono realizzati in un materiale composito di tipo classico con matrice e rinforzo di carbonio, come il Sepcarb<(R) >tipo Novoltex<(R) >della richiedente. I primi elementi di collegamento fra questo tubo di materiale composito e la parte interna del convergente, anch'essa di materiale composito, sono anch'essi realizzati in materiale composito e sono costituiti ad esempio da viti di carbonio-carbonio. I secondi elementi di collegamento fra il tubo di materiale composito e la parte esterna del convergente, costituita da una struttura metallica, comprendono un tirante di materiale composito carbonio-carbonio fissato al tubo mediante un dado di carbonio-carbonio e fissato alla parte esterna del convergente mediante una vite metallica.

Evidentemente la regolazione del tirante sulla parte interna del convergente sarà realizzata in modo tale che esso permetta la tenuta al passaggio dei gas, allo scopo di non sovraccaricare la parte metallica esterna del convergente.

Si potrà notare che, nell'ambito dell'esempio applicai tivo precedente, dato che l'allumina reagisce con il carbonio, sarà necessario prevedere un sovraspessore per i tubi di scarico che compensa la decomposizione in contatto con l'allumina del materiale composito di carbonio-carbonio che forma il tubo, decomposizione che si è potuta constatare dell’ordine di 1 a 2 mis al minuto.

Naturalmente diverse modifiche, in particolare nei mezzi di fissaggio, e diverse aggiunte possono essere apportate dal tecnico dell'arte al dispositivo descritto in precedenza senza uscire dall'ambito dell 'invenzione.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di scarico di residuo di combustione di un propulsore, che comprende da una parte una camera di combustione destinata a ricevere un propellente sòlido e dall’altra parte un ugello che realizza l'evacuazione dei gas di propulsione e che è collegato al fondo di questa camera lasciando uno spazio anulare (24) nel quale si accumula no i residui liquidi della combustione del propellente, caratterizzato dal fatto che esso comprende almeno un tubo (30) fissato al convergente (14) dell’ugello mediante dei mezzi di fissaggio (32-38), questo tubo comprendendo una prima estremità (300A) immersa nella massa liquida formata dai residui di combustione, ad una determinata distanza J dal fondo della camera, ed una seconda estremità (300B) che sporge al livello dell'estremità superiore del convergente, leggermente arretrata dal collo dell'ugello (12).
2. 2. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il tubo (30) comprende, su una determinata parte della sua lunghezza, delle zone di attacco (320, 330) per permettere il suo agganciamento al convergente (14) mediante i mezzi di fissaggio (32-38).
3. 3. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i mezzi di fissaggio comprendono più primi elementi di collegamento (32), fra una prima zona di attacco (320) e la parte interna del convergente (12A), e più secondi elementi di collegamento (34, 36, 38) fra una seconda zona di attacco (330) e la parte esterna di questo convergente (12B).
4. 4. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 3j caratterizzato dal fatto che ciascuno dei secondi elementi di collegamento comprende un tirante (34) collegato da una parte alla parte esterna del convergente per mezzo di un primo organo di bloccaggio (38) e dall'altra parte ad una zona di attacco del tubo (30) per mezzo di un secondo organo di bloccaggio (36).
5. 5. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 3 e la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che i primi elementi di collegamento (32) e i secondi organi di bloccaggio (36) sono realizzati in un materiale composito con matrice e con rinforzo di carbonio.
6. 6. Dispositivo di spurgo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il tubo (30) è realizzato in un materiale composito con matrice e con rinforzo di carbonio.