Brevet FR2043647A1 — publié le 19710219

X 2043647 70 09558 la présente invention concerne un procédé d'exploitation de chambre de combustion et une chambre appropriée contenant . notamment à des statoréacteurs-fusées et dans lesquels on fait brûler le combustible avec l'oxygène de l'air. 5 Dans les statoréacteurs de type connu, l'air pris à des vitesses supersoniques élevées et décéléré dans le diffuseur d'entrée afflue sous forme comprimée à la chambre de combustion , où. le combustible, en "brûlant, lui apporte de la chaleur et par conséquent de l'énergie# les chambres abordées à 10 grande vitesse par l'air de combustion posent des problèmes particuliers quant à la stabilisation centrale du coeur, ou dard, chaud de la flamme, dans lequel a lieu la combustion. On ajoute de l'air aux gaz de combustion chauds de ce dard, la combustion s'effeetuant ainsi avec un fort excès d'air, afin d'éviter la 15 destruction thermique de la chambre de combustion et de la tuyère d'éjection ou turbine qui la suit, le dard est stabilisé par ce que l*on appelle des accrocheurs de flamme : ils se présentent généralement sous la forme de corps de perturbation annulaires que l'on plaee sur le trajet de l'air dans la zone antérieure de 20 la chambre de combustion et à partir desquels le combustible est en même temps injecté. Ces accrocheurs de flamme mécaniques déterminent une zone de reflux ou tout au moins en favorisent la formation, et ils engendrent des tourbillons secondaires afia d'intensifier le brassage de l'air et du combustible. Mais ils 25 causent eux aussi des difficultés, du fait que la zone chaude de reflux du dard les sôumet à de fortes contraintes thermiques et qu'en outre, par leur fixation dans la chambre, où. l'air de combustion entre à différentes vitesses,ils ne garantissent pas une stabilisation optimale du dard dans toute la gamme des vites-30 ses» les eentres d'essai de statoréacteurs ont bien cherché à remédier à ces inconvénients en rendant les accrocheurs de flamme déplaçables en direction axiale, mais les dispositifs de déplacement à commande manuelle ou automatique correspondants sont compliqués et coûteux, et surtout ils sont sujets à des dérangements, 35 ee qu'il faut éviter à tout prix dans les engins. On a aussi cherché à s'affranchir des inconvénients de ces accrocheurs de flamme mécaniques en substituant à ces derniers des stabilisateurs de flamme fluidodynamiquea déterminant un ralentissement de flux ou un reflux central par injec-40 tion d'air transversale ou opposée ou injection de combustible ^ 2043647 . -70 09558 . . transversale, par rapport à l'afflux de l'air de combustion,, L'invention a pour objet un procédé d'exploitation du genre précité dans lequel une stabilisation de flamme fluidodynamique agisse favorablement à la fois sur le rendement 5 de combustion et sur le volume de la chambre de combustion» Ce procédé est caractérisé par le fait que l'on brûle comme combustible desgaz obtenus par décomposition cata-lytique de l'hydrazine et/ou de dérivés de celle-ci, ou encore d'un ergol équivalent, une première part de ces gaz étant ia-]_0 troduite, de manière connue, axialement ou coaxialement dans la chambre de combustion et une deuxième étant injectée dans cette même chambre, au-delà du plan d'entrée de la première, en direction opposée de celle d'afflux de l'air de combustion et de 3a première part de gaz ou transversalement, en particulier sous 15 une certaine obliquité vers l'avant. les avantages ainsi recueillis sont multiples : on obtient une zone centrale de reflux dans laquelle le dard chaud est établi et stabilisé par voie fluidodynamique ; la deuxième part de gaz dirigée transversalement ou plutôt obliquement « 20 ou face à la première, affluant elle-même en position centrale, autorise une plus forte vitesse d'entrée de l'air de combustion et de cette première part, d'où un accroissement du débit et par conséquent de la puissance spécifique de la chambre de combustion ; en outre, la deuxième part de gaz, agissant localement en 25 courant retardateur ou perturbateur sur la position de l'air de combustion entrant et de la part.de gaz centrale, raccourcit le trajet de combustion, ce qui permet aussi de diminuer le volume de la chambre ; enfin, l'air de combustion qui afflue se trouve mis en contact aveo des gaz de décomposition combustibles, ou 30 pénétré et brassé par ceux-ci, à la fois sur ses surfaces limites intérieure et extérieure» La deuxième part des: gaz de décomposition peut être injectée par des buses placées dans ou sur la. paroi de la chambre de coKbust&on en plusieurs rangées qui se suivent en di-35 rection longitudinale de ladite chambre. Le courant de perturba» tion, étant émis dans plusieurs plans transversaux ou obliques N • de la chambre de oombustion, agit ainsi dans une zone étirée axialement sur l'air de combustion et la première part de gaz, aï? fluant tous deux en direction axiale, peur dévier ou inverser 4q leurs courants#. Gette addition échelonnée axialement de la -ifc 8^D ORIGINAL ■ 3 2043647 70 0955S deuxième part de gaz au courant d'air de combustion donne plusieurs rangées parallèles d'un grand nombre de foyers, lesquelles accélèrent 1*ensemble de la combustione On intensifie encore cet effet en faisant varier l'énergie d'injection des diverses ran-5 gées de buses» Il en résulte, dans l'espace, un réseau de foyers ou zones de combustion distincts qui s'étend en directions axiale et radiale» On obtient les mêmes avantages en disposant pour la deuxième part de gaz plusieurs rangées de tubes à buse 10 d'injection qui pénètrent à des profondeurs différentes dans le courant d'afflux d'air de combustion, la deuxième part des- gaz de décomposition se trouve ainsi répartie par couches avec échelonnement axial et radial d'une manière précise et imposée mécaniquement. 15 La profondeur de pénétration des tubes à buse d*injection des diverses rangées dans le courant d'air de combustion va de préférence en diminuant dans le sens d'écoulement de celui-ci. Tout en assurant une distribution optimale de la deuxième part des gaz de décomposition à l'intérieur du courant 20 d'air, les divers tubes à buse d'injection placés les uns derrière les autres se trouvent ainsi dans des couches d'écoulement qui sont toutes relativement froides, si bien qu'ils sont soumis à de moins fortes contraintes thermiques» Les buses ou tubes à buse d'injection peuvent 25 dépasser dans la chambre de combustion la face intérieure de la paroi de cette dsrnière d'une hauteur au moins telle qu'un voile d'air frais aussi peu perturbé que possible se maintienne sur la dite face jusqu'au col de la tuyère d'éjection» Les tubes à buse d'injection peuvent en même 30 temps être agencés en accrocheurs de flamme supplémentaires en vue d'engendrer en particulier des tourbillons secondaires,, une fraction de la deuxième part des gaz de décomposition étant alors expulsée à travers des alésages de la paroi desdits tubes en a-méliorant encore le mélange du combustible et de l'air» =r 35 Suivant un mode de réalisation préféré, le gé nérateur des gaz de décomposition est placé, de- manière connue, dans le corps d'étranglement de l'admission d'air» Le-s gaz de décomposition catalytique sont alors utilisables en gaz propulseurs engendrant la poussée de- démarrage dans - une tuyère appro-40 pïiée placée à la sortie de la chambre à. gaz de' décomposition. I BAD ORIGINAL 70 09558 4- 2043647 L'alimentation en gaz de décomposition des hases oa tabès à buse d'injection placés dans ou sur la chambre de combustion est assurée par des conduites qui les relient à la chambre à gaz de décomposition, placée derrière le cataly-5 seur, par l'intérieur de l'enveloppe du statoréacteur, ou de la chambre de combustion, puis à travers des étais du corps d'étranglement» Un corps central peut être placé dans la sortie de la chambre à gaz de décomposition afin de créer une zone 10 centrale de reflux ou de favoriser la formation d'une telle zone» Il est possible d'augmenter, notamment à titre temporaire, la puissance de la ehambre de combustion en utilisant 1?énergie d'écoulement que présentent les gaz de décompe— 15 sition de la deuxième part ou des deux parts, première et deuxième, pour introduire dans la chambre de combustion, par effet d'injecteur et sous pulvérisation simultanée, un ou plusieurs autres agents de propulsion, en particulier des combustibles, en sorte que ces autres agents ne nécessitent pas d'énergie ou 20 de source d'énergie de transport particulière» Suivant une autre particularité de l'invention le débit de la deuxième part des gaz de décomposition est réglable par le fait que la section d'écoulement de la première part soit elle-aême réglable, notamment en fonction de la pres-25 sion dynamique réelle de l'air de combustion admis, en sorte que l'on paisse agir aussi sar la stabilisation du dard en fonction de la vitesse de vol» l'inventiôB:sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris 30 comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé* sur lequel : la figure 1 est une coupe longitudinale axiale d*un statoréacteur-fusée comportant des buses d'injeetion dans la paroi de sa chambre de combustion ; 35 la figure 2 est une coupe également longitu dinale axiale d'un statoréacteur—fusée comportant des tubes à buse d'injection sur la paroi de sa chambre de combustion 5 la figure 3 représente sehématiquement des tubes à buse d'injection agencés en .accrocheurs de flamme sup-40 plémentaires ; 70 09558 5 2043647 la figure 4 représente schématiquement des injecteurs d'ergol supplémentaire placés dans la paroi de la chambre de combustion0 Gomme on le voit sur les figures 1 et 2, un 5 générateur catalytique de gaz est placé dans le corps d'étranglement central 1 d'une entrée supersonique 2 o Ce générateur comprend essentiellement un réservoir d'alimentation 3 compressible élastiquement, renfermant l'hydrazine décomposable par catalyse et relié par des soupapes de réglage 4 à un autre ré-10 servoir 5 qui le.précède et renferme un gaz comprimé destiné à chasser l'hydrazine. ladite hydrazine, finement dispersée par un dispositif de pulvérisation 6, parvient à un catalyseur 7 dans lequel se forment des gaz de décomposition recueillis à la sortie 15 par une chambre 8. Une partie des gaz de décomposition, dénommée ci-après deuxième part B, est dérivée de cette chambre 8 et amenée à des buses 13 ou tuyaux à buse 113 pour combustible par des conduites 9 qui traversent (Les étais 10 du corps d'étranglement 1 et se poursuivent dans l'enveloppe 11 du statoréacteur 20 jusqu'à la chambre de combustion 12 . les buses ou tuyaux à buse 13 ou 113 sont disposés en plusieurs rangées 13a, 13b et 13o ou 113a, 113b, 113e et 113d alterné» en quinconce.La chambre de combustion 12 reçoit, outre la part de gaz B, de l'air de combustion oomprimé 1 formant un courant annulaire à travers l'ad-25 r.missio* 2 et une première part des gaz de décomposition : les gaz de cette première part arrivent dans l'exemple de la figure 1, en tant que courant supersonique central Al de section continue à travers une tuyère supersonique 14 et, dans l'exemple de la figure 2, en tant que courant annulaire coaxial A 2 à travers 30 une tuyère subsonique 15 à corps central 16. la chambre de combustion 12 est suivie d'une tuyère d'éjection principale 17. Ci-dessous l'exposé du fonctionnement, l'injection de la part de gaz dérivé B dans la chambre de combustion 12 en oblique par rapport à la direction 35 d'afflux de l'air de combustion 1 et de la part de gaz A assure la stabilisation de la flamme sans accrocheur, c'est-à-dire par voie fluidodynamique, à de relativement grandes vitesses des deux courants A et L« Le dard, ou coeur de flamme, c'est-à-dire la zone de combustion stoechiométrique ou complète, est ainsi con- 40 eentré , dans l'espace, sua? un court trajet et maintenu écarté 70 09558 6 2043647 des parois de la chambre de combustion, parois sensibles à la chaleur» la répartition en plusieurs rangées des buses 13 ou tubes à buse 113 d'injection provoque en plusieurs couch'es une inversion.de direction des courants A et 1 : il en résulte, sur-5 tout si l'injeetion de la part de gaz B par les buses 13 ou les tubes à buse 113 et leur pénétration radiale dans le courant d'air I varient d'une rangée à l'autre, un dard à plusieurs enveloppes comparables aux peaux d'un oignono Il résulte de la figure 3 que les tubes à buse 10 d'injection 113 peuvent être agencés en accrocheurs de flamme, ou corps de perturbation, supplémentaires, donnant naissance à autant de voies de tourbillonnement secondaires en vue de mélanger intimement l'air de combustion I et la part de gaz B. Il est également possible d'expulser au même effet une fraction de 15 la deuxième part de gaz B à travers des alésages supplémentaires 18 divergents entre eux, oenx des tubes à buse de chaque rangée 113a, 113b, 113e ne portant en direction radiale que {jusqu'au niveau de l'embouchure des tubes de la rangée immédiatement suivante 113b, 113c, 113d, Bans ces conditions , les tubes 113 des 20 rangées suivantes ne risquent pas d'être détruits par la chaleur et surtout le courant d'air L est abordé par les gaz de décomposition comme à travers un grillage dans tout l'espace. Dans l'exemple de la figure 4, les buses d'injection 13 font partie d'injecteurs 19 permettant d'introduire 25 en même temps dans la chambré de combustion 12, en particulier à titre temporaire en face d'une demande de puissance maximale, un autre ergol, notamment un combustible de fort pouvoir énergétique, à partir d'un réservoir 20 et par l'intermédiaire de conduits 21 ainsi que d'une soupape de réglage ou d'arrêt 22, cela à débit 30 réglé. On peut remarquer de plus sur la figure 2, à l'extrémité de la tuyère d'éjection 15» des volets 23 modifiant la section de sortie de celle-ei. Ils sont déplaçables par le courant d'air de combustion L en sorte que cette section et par 35 suite la part de gaz A diminuent en cas de fort débit, c'est-à-dire de forte pression dynamique, de l'air et que, la pression de la chambre à gaz de décomposition 8 augmentant de ce fait , la part B s'accroisse en même temps. X1 an résulte alors dans le 70 09558 7 2043647 processus de combustion à l'intérieur de la chambre 12 l'intervention d'une plus forte énergie de ralentissement et de stabilisation destinée à compenser l'accroissement de vitesse d'entrée, ou l'accroissement relatif de puissance d'afflux, 5 des courants A et L» Les volets de commande 23 sont sollicités dans le sens d'ouverture vers butée par un ressort de torsion 23a. Le statoréacteur-fusée démarre progressivement sous l'action des gaz de décomposition catalytique jusqu'à 10 une certaine vitesse à partir de laquelle on peut le faire fonctionner en statoréacteur proprement dit. 70 09558 8 2043647 REVENDICATIONS lo Procédé d'exploitation de chambre de oomïmstion, notamment pour statoréacteurs-fusées, où l'on fait brûler le combustible avec l'oxygène de l'air caractérisé par le 5 fait que l'on brûle comme combustible des gaz obtenus par décomposition catalytique de l'hydrazine ou de dérivés de celle-ci,ou encore d'hydrazine et de tels dérivés, une première part de ces gaz étant introduite axialement ou coaxialement dans la chambre de combustion et une deuxième étant injectée dans cette même lo chambre , au-delà du plan d'entrée de la première, en direction opposée de celle d'afflux de l'air de combustion et de la première part des gaz ou transversalement, en particulier sous une certaine obliquité vers 1'.avant» 2. Chambre de combustion, notamment pour 15 statoréacteurs-fusées, où. l'on fait brûler le combustible avec l'oxygène de l'air caractérisée par son exploitation selon la revendication lo 3» Chambre de combustion selon la revendication 2 caractérisée par le fait que la deuxième part des gaz 20 de décomposition est injectée par des buses placées dans ou sur la paroi de ladite chambre de combustion en plusieurs rangées qui se suivent en direction longitudinale de cette même chambre» 4. Chambre de combustion selon la revendication 3 caractérisée par le fait que l'énergie d'injection des 25 buses diffère d'une rangée à l'autre, notamment en augmentant de proche en proche vers la sortie» 5* Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 2ou 4 caractérisée par le fait que la deuxième part des gaz de décomposition est injectée par des tu-30 bes à buse qui sont disposés en plusieurs rangées successives par rapport à la direction longitudinale de ladite charnière et pénétrent à des profondeurs différentes dans le courant d'afflux d'air de combustion. 6. Chambre de combustion selon la revendi-35 cation 5 caractérisée par le fait que la profondeur de pénétration des tubes à buse d'injection des diverses rangées dans le courant d'air de combustion va en diminuant dans le sens d'écoulement de celui-ci» 7. Chambre de combustion selon l'une quel-40 conque des revendications 5 ou 6 caractérisée par le fait que les 70 09558 9 2043647 tubes à buse d'injection dans ladite chambre dépassent la face intérieure de la paroi de cette dernière d'une hauteur suffisante pour qu'un voile d'air frais non rencontré par les gaz de décomposition se maintienne sur ladite face intérieure, notamment 5 jusqu'à la section la plus étroite de la tuyère d'éjection® 8. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisée par le fait que les tubes à buse d'injection pénétrant dans le courant d'air de combustion sont en même temps agencés en accrocheurs de flamme 10 supplémentaires. 9. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 caractérisée par le fait qu'une fraction des. gaz de décomposition de la deuxième part est expulsée des tubes à buse d'injection d'une des rangées ou de toutes 15 les rangées à travers des alésages de la paroi de ces tubes. 10. Chambre de combustion selon la revendication 9 caractérisée par le fait que les alésages de la paroi des tubes à buse d'injection de chaque rangée ne vont, de l'embouchure de buse vers le pied, que jusqu'au niveau radial de 20 l'embouchure de buse des tubes de la rangée immédiatement suivante. 11. Chambre de combustion selon une ou plusieurs des revendications 3 à 10 caractérisée par le fait que le générateur de gaz de décomposition est placé dans le corps d'é** 25 tranglement de l'admission d'air et des conduites d'alimentation affectées à la deuxième part de gaz relient, par 18 intérieur de l'enveloppe du statoréacteur, ou de la paroi d© la chambre de combustion, puis à travers des étais, les buses ou tubes.à buse d'injection placés ou insérés dans ladite paroi à la chambre à 30 gaz de décomposition se trouvant derrière le catalyseur. 12. Chambre de combustion selon la revendication 11 caractérisée par le fait qu'un corps central est placé à la sortie de la chambre à gaz de décomposition dans la tuyère d'éjection de celle-ci. 35 13# Procédé d'exploitation selon la revendication 1 de la chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 2 à 12 caractérisé par le fait qu'au moyen d'une part ou des deux parts des gaz de décomposition, on amène à la chambre de combustion, par effet d'injecteur de ces gaz,un ou plusieurs autres 70 09558 10 2043647 agents de propulsion, notamment des combustibles0 14o Procédé d'exploitation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 13 de la chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 2 à 12 carac-5 térisé par le fait que l'on règle le débit des gaz de décomposition de la deuxième part en faisant varier, notamment en fonction de la pression dynamique réelle de l'air de combustion admis, la section de sortie de la tuyère d'éjection de démarrage affectée aux gaz de la première part»