Brevet FR2065621A1 — publié le 19710730

i 2065621 La présente invention se rapporte à un dispositif d'émission d'un jet de gaz à haute vitesse sortant d'une ihambre à arc électrique par une tuyère. Divers domaines de la technique présente né— 5 cessitent des courants de plasma à vitesse supersonique. De tels courants servent par exemple à reproduire dans des souffleries dites hypersoniques les conditions d'écoulement que rencontrent les fusées ou missiles en vol à de grands nombres de Mach, par exemple égaux ou supérieurs à 10, ou bien ils sont mis en oeuvre 10 dans des statoréacteurs de fusée» On connaît par le "brevet allemand 1080 324 un dispositif de production de courants gazeux ionisés à vitesse supersonique qui se compose d'un carter résistant à la pression, dit chambre sous pression, équipé d'un générateur d'arc électrique et, à sa sortie, d'une tuyère de Laval. 15 Une des électrodes entre lesquelles jaillit l'arc peut être agencée en électrode en godet à partir de laquelle ledit arc brûle, sous amenée de gaz tangentielle, vers l'intérieur d'une électrode cylindrique, La Revue "IEEE Transactions on Kuclear Science", janv. 1964, p. 41-46^ traite de 20 tels brûleurs à plasma. Il se forme dans leur zone axiale une colonne d'écoulement continue jusque dans l'électrode cylindrique. Ces conditions d'écoulement font que l'arc électrique est stabilisé aux gaz. Des bobines magnétiques placées autour des électrodes permettent de faire tourner cet arc. 25 Le brevet allemand 1 271 852 définit une chambre à arc électrique dans laquelle l'électrode en godet est déplaçable suivant la direction axiale commune de ladite chambre et du jet de gaz. L'électrode en godet peut comporter un conduit central d'amenée de gaz» On obtient une grande vi-30 tesse d'écoulement du jet de gaz par une forte différence entre la capacité thermique du gaz en amont de la tuyère et celle qu'il présente en aval, c'est-à-dire après expansion. Les brûleurs à plasma connus destinés à chauffer l'air au moyen d'arcs électriques stabilisés aux tour-35 billons fonctionnent dans de bonnes conditions, avec des températures moyennes de l'air atteignant jusqu'à 6000°K et des durées de vie utile des électrodes de l'ordre de 25 heures, aux débits d'air compris entre 30 et 100 g/s. Aux plus faibles dé-bitSj de l'ordre de 1 à 10 g/s par exemple, il est par contre 40 difficile de transmettre à l'air une puissance électrique 70 39276 2 2065621 suffisamment élevée, car les dimensions des électrodes deviennent trop faibles par rapport au diamètre de l'arc et le rapport entre surface et le volume de la zone de combustion augmente trop» le rendement diminue en conséquence. Cette 5 puissance électrique et ce rendement faibles donnent de basses températures de l'air et une vitesse des gaz proportionnellement affaiblie» On connaît aussi, par le brevet allemand 685 455? un dispositif d'adduction à une pièce d'un courant 10 gazeux chaud dont l'enveloppe extérieure froide est détachée par des écrans déviateurs placés à une certaine- distance en amont de la tuyère, à l'extérieur de la chambre à arc. Ce dispositif de détachement d'enveloppe ne permet donc pas d'agir sur la vitesse du jet de ,gaz s les tourbillons formés en aval 15 des écrans déviateurs ont au contraire pour effet de diminuer la vitesse et de perturber l'écoulement gazeux. On peut dériver, selon le brevet autrichien 128 301, une partie du courant gazeux à l'intérieur de la chambre à arc, faire passer le courant partiel ainsi obtenu à tra-20 vers des alésages disposés à une distance prédéterminée de l'embouchure de la tuyère, puis lui faire rejoindre le courant principal, au moyen de tôles appropriées, après la sortie de la tuyère. Ce courant partiel est chargé de protéger ladite tuyère » 25 On connaît en outre, par exemple par le brevet britannique 958 375, des dispositifs à double tuyère dans lesquels un gaz porteur chargé d'une poudre est amené soit entre les deux tuyères élémentaires, montées en série dans la direction du jet de gaz, soit à travers un alésage de 1^ tuyère 30 d'amont, dite tuyère secondaire» Le brevet allemand 1 085 353 est relatif à un accélérateur de plasma pour production d'écoulements à vitesse supersonique dans lequel un fluide supplémentaire est amené à la chambre à arc pour augmenter la densité du plasma et 35 limiter celui-ci à un jet mince. La partie non consommée du fluide peut s'échapper par des fentes de dérivation voisines de la tuyère» Ce dispositif nécessite donc un fluide supplémentaire, que l'on évacue à nouveau en partie par lesdites fentes. Le brevet américain 3 226 592 concerne, lui 40 aussi, une tuyère double, mais ea disposition coaxiale. Elle 70 39276 3 2065621 est destinée à aspirer un fluide ionisé et l'on change à une fréquence élevée la polarité du potentiel de ses deux parties coaxiales afin que les ions et électrons arrivent chaque fois à des instants différents dans la chambre à arc» 5 Le dispositif d'émission de jet de gaz à haute température selon l'invention est caractérisé quant à lui par le fait qu'il comporte comme tuyère d'écoulement une double tuyère^ en disposition concentrique, de laquelle le jet de gaz sort par l'embouchure de la tuyère élémentaire inté-10 rieure. Le col de celle-ci sélectionne et accélère la quantité d'air nécessaire à partir du coeur chaud de l'écoulement tour-billonnaire s elle ne représente qu'une partie, par exemple 1/3 à 1/10, du débit total du jet de gaz. Les couches extérieures, généralement plus froides, de l'écoulement tourbillonnaire 15 sont dérivées vers l'extérieur par l'autre tuyère élémentaire, plus grande et de forme annulaire, puis par un ou plusieurs tubes, de préférence refroidis par un liquide. Ces tubes d'évacuation sont autant que possible tangentiels à l'écoulement de gaz. 20 Le gaz d'évacuation peut être refroidi à de faibles températures dans un radiateur et dégagé dans l'atmosphère ambiante à travers une soupape servant avantageusement .. elle-même à commander ou régler le courant partiel de gaz détaché du courant total. L'air sortant de la tuyère extérieure 25 peut aussi être évacué par un courant d'air froid circulant a-xialement tout autour de la chambre à arc et agissant ainsi à . la manière d'un éjecteur sur ledit courant partiel. On peut en outre ré&ler ce dernier par translation axiale des deux buses élémentaires, la fente annulaire de celle de l'extérieur se 30 trouvant ainsi agrandie ou rétrécie. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir des arcs de grande puissance électrique, car leurs racines pénètrent profondément dans les électrodes. Cette grande puissance d'arc jointe à un faible rapport entre la surface et 35 le volume de la chambre de combustion assure au brûleur un bon rendement avec fort débit d'air. On peut donc engendrer un jet de gaz à faible débit d'air au moyen d'un brûleur relativement grand, avec lequel on obtient une température élevée de l'air, du fait que l'on détache du jet de gaz chauffé le coeur, lequel 40 est à la température maximale. Le rendement global, résultant 70 39276 4 *2065621 du rendement de combustion ^ et du rapport entre la puissance ÏF^. du coeur séparé et la puissance totale (N-g- + Ng), dans laquelle H désigne la puissance de l'air s'écoulant par la tu- 3 yère extérieure, a pour expression s 5 ' % V = b v+T ° ' K a Il est au moins du même ordre de grandèur, ou d'un ordre plus élevée que dans un brûleur à petites électrodes» Une grande é-10 lectrode réservant aussi à l'arc électrique une portée intérieure étendue, la durée de vie utile de telles électrodess est augmentée dans une mesure correspondante» Le cuivre ou l'oxyde de cuivre enlevés ou consumés à la racine de l'arc sont emportés vers la tuyère extérieure par le courant tourbillon-15 naire6 Le courant utile traversant la tuyère intérieure ne renferme dope pas de telles particules de métal enlevé, si bien que ladite tuyère ne peut pas s'obstruer et qu'un modèle placé dans une soufflerie faisant suite à celle-ci n'est aucunement influencé par elleso Ces mêmes particuless qui se trouvent dans la 20 partie extérieure du jet de gaz, ou du courant tourbillonnaire,. présentent un moment d'impulsion maximal8 car ladite partie extérieure est le siègs de la composante azimutale de vitesse et de la densité les plus fortes» Cette partie du jet de gaz étant détachée par la tuyère extérieure, les particules de gaz sortant 25 de la tuyère intérieure n'ont plus qu^n moment d'impulsion négligeable et ce jet de gaz de sortie suit donc un cours axial sensiblement uniforme » Au-cours de la combustion d'une électrode froide,, la majeure partie de l'eau de réfrigération qui pénètre 30 dans la chambre^ et surtout les gouttes d'eau non vaporisées^ sont évacuées avec le gaz en tourbillonnement par la tuyère extérieure» Le courant utile peut être réglé, à courant total constants au moyen, du courant partiel détaché de ce dernier» Contrairement à la régulation du débit d'un petit brûleur.» cette régulation 35 indirecte n®entraîne pas de variation de la puissance électrique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée ds deux modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés'par le dessin annexé, sur lequel g 4-0 ' ; la figure 1 est 'une vue en coupe axiale 70 39276 5 2065621 schématique d'un dispositif selon ladite invention ? la figure 2 est une coupe transversale d'une soupape régulatrice du courant gazeux détaché % la figure 3 représente schématiquement un 5 dispositif analogue dans lequel le courant gazeux détaché est évacué à l'aide d'une circulation d'air agissant comme dans un électeur. Selon la figure 1, la chambre à arc électrique 2 est entourée d'une paroi 3 et fermée par une plaque de 10 fond 4 et un couvercle 5» le dispositif d'entraînement 8 d'une électrode en godet 10 déplaçable de préférence suivant l'axe de la chambre à arc traverse la plaque de fond 4 ? mais on s'est abstenu de représenter le mécanisme correspondante le fond de l'électrode 10 peut en outre présenter, de façon connue, un alé-15 sage central pour l'adduction d'un courant de gaz» Une électrode cylindrique 12 est placée en face de l'ouverture de l'électrode en godet, dans l'axe de la chambre à arc 2. Cette dernière peut être agencée de façon connue s il n'a pas été jugé nécessaire d'en représenter les diverses parties» le gaz entré dans l'élec-20 trode en godet 10 est chauffé par un arc électrique 14 qui brûle entre les électrodes 10 et 12» Une tuyère de sortie, consistant selon l'invention en une tuyère double dont les deuxparties 16, 18 sont de préférence déplaçables suivant l'axe du jet de gaz, fait suite à l'ouverture de la chambre, dans le sens du mouve-25 ment de ce dernier, la tuyère élémentaire intérieure 16 est refroidie de façon indépendante, et de préférence par un liquide tel que l'eau, le réfrigérant arrive par un raccord 20 et sort par un raccord correspondant 21» la tuyère élémentaire extérieure comporte de môme une entrée et une sortie de liquide 23 et 30 24» l'ouverture de sortie 26 de la tuyère intérieure a la forme de section d'une tuyère de lavai» l'ouverture annulaire de- sortie 28 de la tuyère extérieure peut également- être agencée, de façon favorable à l'écoulement, en tuyère de lavai. Un ou plusieurs canaux de sortie 30, de préférence tangentiels à l'écou-35 lement, assurent l'évacuation de la partie détachée du courant de gaz» Il peut être avantageux de donner à l'ouverture de la tuyère extérieure une forme telle que la vitesse ne varie pas notablement à la sortie du jet de gaz0 40 les tuyères élémentaires intérieure et 70 39276 6 2065621 extérieure doivent être déplaçables l'une par rapport à l'autre en direction axiale de la chambre à arc, et par conséquent du jet de gaz, ce que l'on a indiqué sur la figure par le fait qu'une partie de la paroi extérieure de la tuyère 18 est entou-5 rée par la paroi extérieure 32 de l'autre tuyère 16<> Les joints assurant comme nécessaire l'é-tanchéité aux gaz de ce recouvrement ne sont pas représentés. Le mode de construction des tuyères élémentaires déplaçables, tel qu'il ressort de la figure, n'a qu'une 10 valeur d'exemple, car on peut concevoir diverses variantes aussi efficaces» Ces tuyères peuvent par exemple comporter une môme paroi extérieure cylindrique, contre laquelle l'une des deux au moins soit déplaçable en translation axiale. La figure 1 ne donne qu'une représentation 15 schématique du dispositif» Aussi ne comporte~t~elle pas certains détails tels que ceux qui concernent l'isolation électrique des parties conductrices du courante Un ou plusieurs des canaux de sortie de la partie détachée du courant gazeux peuvent présenter une section 20 réglable en étant délimités, conformément à la figure 2, par deux éléments de paroi 32 et 36, le second agencé en tiroir. Le déplacement de ce tiroir 36 perpendiculairement à la direction d'écoulementj c'est-à-dire à la direction axiale du canal de sortie 30, a pour effet de modifier la section de ce dernier 25 et de faire varier par conséquent la partie détachée du courant de gaz» Ledit tiroir 36 comporte de préférence un circuit de refroidissement par eau que.l'on a indiqué sur la figure par des flèches d'entrée et de sortie par rapport au canal correspondant 38» L'autre paroi, 32, du ou des canaux de sortie 30 30 réglables peut comporter elle aussi un refroidissement supplémentaire» Le tiroir 36 doit être rendu étanche vis-à-vis de cette dernière par des joints 39 et 40 que l'on peut protéger en faisant arriver, près d'eux, de l'air froid dans le canal 30 par un orifice 42« 35 Lans le dispositif selon la figure 3, une paroi extérieure 50, de forme générale cylindrique, constitue un conduit d'écoulement autour de la chambre à aro 2 renfermant les électrodes 10 et 12 ainsi que la tuyère 16, 18» Le courant partiel sortant à haute vitesse de la chambre à arc 2 par la 40 tuyère extérieure 28 entraîne, comme dans un éjecteur, l'air 70 39276 7 2065621 de ce conduit et est refroidi ainsi par lui» Le mélange gazeux refroidi est évacué à nouveau par une tubulqre 52» Les deux tuyères élémentaires 16 et 18, la tuyère extérieure 18 surtoutj peuvent être agencées en sorte que l'on obtienne un bon effet 5 d'éjection* Le coeur du jet de gaz sort de l'ouverture 26 de la tuyère intérieure 16 à peu près sans forces de tourbillonnement axiales, si bien que l'on obtient un écoulement essentiellement axial, en direction du jet, sur le trajet de gaz 54- d'une soufflerie raccordée à ladite tuyère» 10 Le courant d'aiï de refroidissement peut être renforcé par une soufflante si la pression intérieure de la chambre à arc 2 et, par conséquent, la vitesse du courant partiel de gaz qui sort de la tuyère 28 sont relativement faibles,, 70 39276 s 2065621 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'émission, à travers une tuyère centrale de sortie,d'un jet de gaz à haute vitesse à partir d'une chambre a àr.c électrique caractérisé par le fait qu'il comporte 5 uïle tuyère de sortie supplémentaire, de forme annulaire qui est * disposée coaxialement au jet de gaz et à la tuyère centrale de sortie. - 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'embouchure de la tuyère centrale de sortie a 10 la forme d'une tuyère de Laval. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'embouchure de la tuyère de sortie supplémentaire annulaire a la forme d'une tuyère de Laval. 4. Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 prises 15 dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'embouchure de la tuyère de sortie supplémentaire annulaire s'achève dans un ou plusieurs canaux de sortie. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que le ou les canaux de sortie sont disposés radia- 20 lement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé par le fait qu'un ou plusieurs des canaux de sortie ont une section variable. 7» Dispositif selon la revendication 6 caractérisé 25 par le fait que de l'air de refroidissement est amené à un ou plusieurs des canaux de sortie afin de protéger les joints d'étan-chéité d'un tiroir formant une partie de la paroi du ou desdits canaux. '8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-30 tions 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de déplacement relatif des deux tuyères en direction axiale du jet de gaz. 9. Dispositif /selon l'une quelconque des revendications l à 9 caractérisé par le fait qu'il est refroidi, .dans son 35 ensemble ou dans certaines parties5 par un liquide. . 10. Dispositif selon 13line quelconque des revendica tions 1 à 9 caractérisé par le f*aii que la partie du jet de gaz qui sort par 1 «embc-ucizure de la tuyère de sortie supplémentaire annulaire entraîne s à la rL^_ïi?.ère d'un éjecteur, un courant de gaz ko de direction essentiellement axiale autour de la chambre àg^£pORIGINAL