Brevet FR2128867A1 — publié le 19721020

i 2128867 L'invention est relative à la fois au refroidissement de moteurs à combustion interne et à 11 amortissement acoustique du bruit produit par les gaz de combustion. L'utilisation d'une pellicule de liquide pour protéger les 5 parois d'un moteur fusée à commencé avec des tentatives effectuées sur les moteurs fusées allemands des engins V2. Depuis cette époque on a eu besoin de techniques de refroidissement perfectionnées! à la suite de la mise en oeuvre de propergols à haute énergie» à température de combustion élevée» de pressions-10 chambre élevées et de la nécessité d'augmenter la durée de vie des moteurs. Des rendements de refroidissement supérieurs à 30 % ont été rarement obtenus dans des expériences de transmission thermique effectuées en laboratoire» du fait que la pellicule de liquide est soumise à des contraintes de cisaillement 15 très dures» qui se traduisent par un décollement ondulatoire» dans des conditions qui se rencontrent de façon typique dans un moteur fusée. Le décollement ondulatoire est la formation-de crêtes dans la pellicule» ce qui annihile les propriétés de refroidissement. Le refroidissement par pellicule de liquide 20 pour les moteurs fusées est considéré en général comme un procédé inefficace pour protéger la paroi de la chambre de combustion. Des conditions de fonctionnement très dures se rencontrent dans la zone de combustion d'un moteur fusée et» par conséquent» sa position thermique devient de la plus haute importance. 25 Toutefois le procédé et le dispositif décrits ici peuvent s'appliquer facilement à d'autres genres de moteurs à combustion interne. Le moteur à réaction constitue l'exemple principal d'un moteur à combustion interne qui exige un refroidissement» soit 30 de la zone de combustion» soit de la tuyère d'échappement» soit des deux. La technique de refroidissement d'un moteur fusée exposée ic.i> est applicable aux moteurs à réaction et à l'échappement de moteurs alternatifs à pistons. En plus du problème thermique attaché à la combustion,se 35 pose également le problème du bruit engendré par le processus de combustion auquel s'ajoute parfois le bruit engendré par les mécanismes mobiles associés à ce processus. Un cas très important de réduction du bruit qui a été récemment posé concerne 1'industrie aéronautique. En aviation 1'augmentation 40 des exigences» des moteurs de puissances toujours plus grandes» 72 08543 2 2128867 a entraîné une augmentation des difficultés en matière d'aérodynamique » relatives au bruit. De très grands progrès ont été faits dans la connaissance théorique de la source de tels bruits. Des tentatives pour atténuer les difficultés dues au bruit ont 5 porté sur l'utilisation de tuyères multiples» de tuyères à pointes» de tuyères fendues et de conduits traités intérieurement du point de vue acoustique. Un exemple d'une telle tentative de résoudre ce problème est le moteur à turbine à double flux dans lequel de l'air secondaire est injecté pour effectuer un 10 mélange des couches de cisaillement. D'autres moyens pour atténuer le bruit des réacteurs ont été proposés» qui comprennent l'injection d'eau et de particules solides dans l'échappement des réacteurs. Les résultats» quant à l'atténuation du bruit» ont été insuffisants pour les quantités de matériau injectées. 15 Un ensemble d'injection de fluides dans les gaz de combus tion de moteurs à réaction est décrit dans le brevet américain n° 2.927.423. Une tentative plus récente pour résoudre le problème du bruit est représentée par le brevet américain n° 3.442.350 dans lequel un ensemble de tubulures distributri-20 ces sont dirigées radialement autour de la sortie d'échappement d'un moteur d'avion et sont disposées à une certaine distance de celle-ci. L'air est mélangé avec de l'eau savonneuse pour produire une couche annulaire de bulles qui entoure les gaz d'échappement. La couche annulaire est immédiatement séparée 25 des gaz d'échappement par l'aspiration d'air ambiant entre chaque tubulure et la tubulure d'échappement. Bien que le brevet américain 3.442.350 fournisse ainsi une importante contribution à la technique de la réduction du bruit» on peut obtenir des résultats encore supérieurs par la mise en oeuvre des prin-30 cipes conformes à l'invention. Un but de l'invention est donc de fournir pour la protection thermique et l'amortissement acoustique des caractéristiques de bruit associées aux produits de combustion» dans des moteurs à combustion interne» un procédé et un mécanisme qui ne 35 présentent pas les difficultés ni les inconvénients de la technique antérieure. Un autre but de 1'invention est de fournir un procédé et un mécanisme» pour assurer le refroidissement par une pellicule des caractéristiques thermiques et l'amortissement acoustique 40 des caractéristiques de bruit associées aux produits de combus 72 03543 3 2128867 tion» dans lesquelles une mousse à base de liquide est injectée à l'intérieur de la zone limite des gaz des produits de combustion. L'invention a pour objet à la fois un procédé et un dispo-5 sitif pour assurer le refroidissement par une pellicule des parois de la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne^ aussi bien que pour assurer l'amortissement acoustique du bruit associé au processus de combustion. On a découvert que diverses mousses à base de liquide présentent d'excellentes 10 propriétés d'isolation thermique et d'amortissement acoustique» lorsqu'elles sont injectées dans la zone limite des gaz de combustion» soit dans la couche limite située sur la paroi de la chambre de combustion ou au voisinage de cette paroi» soit dans la couche limite du jet libre de gaz de combustion. Le dispo-15 sitif comporte un générateur de mousse» de type chimique ou mécanique» pour produire une solution de mousse à partir de l'une de diverses compositions appropriées. L'invention a» en outre» pour objet des moyens pour injecter la solution de mousse directement dans la zone limite du gaz de combustion et peut 20 comporter une tubulure distributrice et un certain nombre de conduits aboutissant essentiellement dans la zone limite du gaz de combustion. Cette tubulure distributrice et ces conduits ou orifices peuvent être placés en l'une quelconque de diverses positions axiales le long du courant de gaz de combustion» soit 25 à l'intérieur de la zone de combustion des moteurs soit à l'intérieur de la tubulure d'échappement. L'invention est expliquée plus en détail ci-après à l'aide de divers de ses modes de réalisation» pris à titre illustratif mais nullement limitatif» en se référant aux dessins annexés 30 dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement» en coupe partielle» un moteur fusée dans lequel est injecté, au voisinage de la surface de l'injecteur» une couche de mousse provenant d'un générateur de mousse» ceci conformément à l'invention» 35 - la figure lai représente schématiquement» en coupe partielle» une variante de réalisation de moyens pour engendrer et injecter une solution de mousse dans un moteur fusée, - la figure lb_ représente un autre mode de réalisation des moyens générateurs et injecteurs de mousse des figures 1 et Ici» 40 - la figure 2 représente schématiquement» en coupe partielle» 72 08543 4 2128867 une variante de réalisation» conforme à l'invention» dans laquelle de la mousse est injectée à l'intérieur des tubulures d'échappement d'un moteur à réaction. Les figures» plus particulièrement la figure 1» représen-5 tent d'une manière générale un moteur fusée 10 comportant une tuyère de sortie 11» un étranglement 12» une chambre de combustion 13 et un ensemble d'injection 14. L'ensemble d'injection 14 comporte un tube distributeur central 15 auquel peut être amené le combustible et qui l'introduit dans la zone de combus-10 tion 16 où il est distribué radialement vers l'extérieur par un déflecteur 17. Le tube distributeur 15 et la paroi extérieure 18 de l'ensemble d'injection 14 forment un passage annulaire auquel peut être amené un oxydant et qui l'introduit dans la zone de combustion 16 où il se mélange avec le combustible. Un 15 ensemble d'injection de ce genre est généralement appelé ensemble coaxial. Ce moteur fusée est un exemple de moteur à combustion interne sur lequel l'invention peut être mise en oeuvre. La figure 1 montre en outre des moyens d'injection qui comportent une tubulure distributrice 20» qui communique avec la 20 zone de combustion 16 par un certain nombre d'orifices 21. De même la figure 1 montre un générateur de mousse qui comporte une arrivée de gaz 22. Ce gaz peut être amené à une cuve d'alimentation en liquide 23 et à une cuve d'alimentation en agent moussant 24» qui sont raccordées chacune à une chambre de mé-25 lange 25 dans laquelle le gaz» le liquide et l'agent moussant sont combinés pour former une solution de mousse destinée à être amenée à la tubulure distributrice 20 et refoulée ensuite sous pression à travers les orifices 21. La mousse sera entraînée le long des parois par les gaz de combustion et se trouvera 30 ainsi efficacement introduite dans la zone limite des gaz de combustion. La désignation "zone limite des gaz de combustion" se rapporte ici aussi bien à la couche limite du gaz» telle qu'elle existe entre le gaz et une limite rigide telle que les parois du moteur fusée» qu'à la limite du jet libre des gaz 35 d'échappement. Le débit d'injection de la solution de mousse est réglé de manière à fournir une pellicule continue de solution de mousse sur les parois du moteur fusée. Comme on l'expliquera plus loin, l'avantage de la solution de mousse sur un liquide pur utilisé comme pellicule de refroidissement est que 40 la solution de mousse a une viscosité essentiellement plus 72 08543 5 2128867 grande» qui fait que la pellicule résiste mieux au cisaillement des gaz de combustion et présente une tension superficielle bien supérieure à celle du liquide pur» ce qui permet à la pellicule de mieux résister à l'action de décollement ondulatoire exercée 5 par le gaz. Des expériences effectuées avec un moteur fusée d'environ 45 kg de poussée» ont effectivement montré que lorsque la mousse était placée sur la paroi de la chambre de combustion au niveau de l'extrémité de l'injecteur» comme le montre la figure 1» la 10 mousse était entraînée à travers les régions subsoniques» trans-soniques et supersoniques de la tuyère. On a observé aussi que la quantité de combustible consacrée au refroidissement par pellicule était fortement réduite. Dans les moteurs fusées où du combustible brut est introduit le long des parois de la chambre 15 de combustion pour servir de pellicule de refroidissement» il faut de 30 à 40 % en poids de combustible pour refroidir efficacement le moteur par pellicule. Les expériences mentionnées ci-dessus montrent que 3 à 5 % en poids de combustible» utilisé comme liquide dans le générateur de mousse» convenaient bien. 20 L'un des phénomènes lié aux moteurs fusées est celui de la brutalité de combustion provoquée par les perturbations ou ondes de pression de combustion. Cette brutalité de combustion se constate facilement par les variations du niveau de bruit associé au fonctionnement du moteur fusée. Au cours des expériences pré-25 cédentes le moteur fusée a fonctionné avec et sans refroidissement par pellicule. Avec de la mousse injectée sur les parois du moteur fusée on a constaté une réduction d'environ 40 % des variations. Crête à crête» de la brutalité de combustion» ce qui montrait que la mousse servait bien à l'amortissement acous-30 tique. La figure la représente une variante du mode de réalisation précédent et montre une façon parmi d'autres de produire la solution de mousse. Sur la figure la la mousse est produite en utilisant l'injecteur coaxial dans lequel l'agent moussant est 35 introduit directement dans l'arrivée principale de combustible. Dans ce mode de réalisation de l*invention» le combustible additionné d'agent moussant est introduit dans la zone de combustion où il réagit avec le courant d'oxydant introduit par le tube distributeur 15 de l'ensemble d'injection pour former un front 40 de flamme 26. Les débits de propergol sont réglés de telle ma 72 08543 6 2128867 nière qu'une partie de la combinaison d'agent moussant et de combustible traverse la zone de réaction primaire ou flamme 26 et arrive sur la paroi de la chambre de combustion où la combinaison de combustible et d'agent moussant réagit avec des 5 gaz relativement frais. Ces gaz frais sont captés dans le liquide pour former une solution de mousse qui s'écoule ensuite le long de la paroi de la chambre de combustion. La figure IId représente une autre variante du mode de réalisation principal. Dans cette variante un agent moussant et un liquide» qui peut être le propergol de la fusée» sont introduits à travers un certain nombre d'orifices 21. A chacun des orifices 21 est associé un tube ou conduit d'aspiration 27 à travers lequel des gaz relativement frais sont aspirés à travers les orifices 21» où les gaz sont captés dans le courant ■^5 de liquide» l'agent moussant servant à stabiliser la solution de mousse. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1» la solution de mousse est injectée le long des parois de la chambre de combustion 16. Tous ces modes de réalisation utilisent le principe consistant à produire une solution de mousse 2o La figure 2 représente une variante du mode de réalisation conforme à l'invention» appliquée à un moteur à réaction. Ce 30 moteur à réaction 30 est de conception classique bien connue dans la technique et comporte une tubulure d'échappement 31 destinée à diriger les gaz d'échappement résultant du fonctionnement du moteur à réaction. A la tubulure d'échappement 31 est associée une tubulure distributrice 32 qui est reliée 35 par un conduit d'alimentation 33 à un générateur de mousse 34. Le générateur de mousse peut comporter les divers éléments composants décrits à propos de la figure 1. Une solution de mousse produite par le générateur de mousse est amenée par le conduit 33 à la tubulure distributrice 40 32 et à un certain nombre d'orifices 35. La solution de mousse 72 08543 7 2128867 ainsi amenée sera efficacement introduite ou injectée dans la zone limite des gaz de combustion à leur traversée de la tubulure d'échappement 31. Une solution de mousse injectée de la manière représentée sur la figure 2 fournit un moyen efficace de refroidissement de la tubulure d'échappement aussi bien que d'amortissement acoustique du bruit associé au fonctionnement du moteur à réaction. On peut facilement remarquer qu'au moteur à réaction 30» on peut substituer un moteur alternatif à pistons ou tout autre genre de moteur à combustion interne. La technique de production de mousses date d'un certain nombre d'années. L'application principale des mousses» ces dernières années» a été dans la lutte contre l'incendie et la majeure partie de la bibliographie porte sur cette application. La technique de production des mousses comporte l'étude de l'interaction entre les caractéristiques chimiques superficielles et les forces mécaniques existant à l'intérieur de la mousse et tendant à la conservation ou à sa destruction. Le type d'agent moussant» sa concentration» le pouvoir d'expansion de la mousse» la contrainte maximale de cisaillement et les constituants du gaz sont tous des éléments variables dans la production de la mousse et en pratique doivent être déterminés empiriquement en fonction des applications particulières envisagées . Des études relatives à la déformation et à l'écoulement typiques de solutions de mousse ont montré que la viscosité globale de la mousse est très supérieure à celle des liquides. La conductance thermique effective de la mousse est inférieure à celle des liquides dont elle est issue» du fait que des gaz» de très faible conductibilité y sont captés formant ainsi un matelas isolant. La tension superficielle effective de la mousse est supérieure à celle des liquides en raison des caractéristiques géométriques des bulles qui y sont emprisonnées et de leur enchevêtrement mécanique. La densité de la mousse est bien inférieure à celle du liquide constituant. Ces diverses, propriétés de la mousse ont pour conséquence une grande augmentation de la stabilité de la mousse et de sa résistance au décollement par le jet de gaz libre. Par suite de ces propriétés avantageuses la quantité de matière nécessaire à la protection interne contre la transmission thermique peut être réduite à une valeur considérablement inférieure à celle néces 72 08543 8 2128867 saire pour le refroidissement par pellicule de liquide pur» pratiquement proportionnellement aux densités- Un poids nominal de 30 à 40 % de combustible est normalement nécessaire dans les petits moteurs fusées pour un refroidissement efficace par pelli-5 cule de liquide ; avec la mousse il suffit de 3 à 5 % en poids de combustible pour assurer le refroidissement» En ce qui concerne l'amortissement acoustique» il faut s'attendre principalement à deux modes de dissipation de l'énergie. En premier lieu» sur la surface de la mousse la rupture 10 des bulles gazeuses contenues dans la mousse met en jeu une certaine quantité de travail due à des variations de volumes et une certaine quantité de travail d'extension due à la tension superficielle. En second lieu» et du fait que le matériau est compressible et est de structure visqueuse» une énergie supplé-15 mentaire est dissipée par viscosité. On sait qu'une bulle de gaz de la mousse tend à prendre une forme sphérique et qu'un travail doit être effectué pour augmenter sa surface qui présente une résistance à l'extension et possède une énergie superficielle. Des résultats expérimentaux ont également montré que la résonan-20 ce d'une bulle est caractérisé par une violente activité dans un liquide dans lequel se propage une onde sonore intense. Dans ces conditions on peut déduire que la résonance des bulles joue un rôle prépondérant dans la détermination des caractéristiques d'amortissement acoustique. En règle générale pour le choix 25 des mousses» il y a lieu de noter que le pouvoir d'expansion de la mousse doit être choisi de telle manière que les dimensions moyennes des bulles permettent la résonance à la fréquence prédominante à laquelle on a affaire. De même les viscosités efficaces doivent être aussi grandes que possible et la mousse 30 doit être distribuée à proximité de la source productrice de bruit. Le type d'agent mousseux qui s'est révélé le plus intéressant est un hydrolysat de protéine réalisé à partir de matériaux tels que de la poudre de sabot ou de corne» de soja et de sang animal. D'autres types d'agents moussants ont été mis 35 au point et commercialisés» tels qu'une pellicule polymère produite en agitant avec de l'air une solution d'eau et d'un polymère linéaire à bas poids moléculaire» réagissant en outre avec un catalyseur en présence d'air. Cette mousse a été spécialement mise au point pour la lutte contre le feu. Un autre agent mous-40 seux important est du type détergent synthétique qui» lorsqu'il 72 08 b43 9 2128867 est additionné à de l'eau» est capable de former une mousse de grande expansion» d'environ 1.000 parties» en volume d'air pour une partie de liquide. La concentration de l'agent moussant agit sur la stabilité 5 et la résistance à la chaleur de la mousse. L'effet fondamental de l'agent moussant est de réduire la tension superficielle du liquide. Le rapport du volume de mousse au volume de liquide est un autre paramètre fondamental et est appelé facteur d'expansion. Les propriétés physiques telles que la conductibilité 10 thermique et la viscosité de la mousse varient fortement avec le facteur d'expansion. Les dimensions des bulles de gaz» pour un rapport d'expansion donné» déterminent la contrainte maximale au cisaillement qui est une mesure de la résistance de la mousse dans des conditions statiques. La résistance à la chaleur d'une 15 mousse tend à augmenter nettement lorsque la contrainte maximale au cisaillement augmente. Des essais ont montré qu'eu égard à la résistance à la chaleur de la mousse» un rapport d'expansion d'environ 16/1 semblait optimal. Des études aussi bien de transmission calorifique que 20 d'atténuation de bruits ont fourni des résultats positifs avec l'utilisation de l'injection de mousse. L'absorption acoustique interne aussi bien qu'externe se révèlent des moyens pratiques d'amortissement acoustique. Dans les moteurs à réaction» les possibilités d'application sont nombreuses. Relativement 25 au sifflement du compresseur l'application superficielle intérieure de mousse semble avantageuse pratiquement. Le générateur de mousse peut être commandé automatiquement de manière à assurer le silence de fonctionnement du moteur à réaction uniquement au décollage d'un avion» à l'atterrissage et au cours du 30 vol à faible altitude à proximité des zones résidentielles afin de réduire la quantité de liquide qu'il serait nécessaire d'embarquer à bord de l'avion pour la production de mousse. L'invention fournit donc un procédé et un dispositif simples pour assurer la protection thermique et 1'amortissement 3 5 acoustique des caractéristiques de bruit associées aux produits de combustion de moteurs à combustion interne. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède» l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement 40 envisagés; elle en embrasse» au contraire» toutes les variantes. 72 08543 10 2128867 REVENDICATIONS 1. Dispositif associé à un moteur à combustion interne pour le refroidissement de ce moteur à combustion interne et l'amortissement acoustique du bruit produit par les gaz de combustion» 5 caractérisé en ce qu'il comporte» en combinaison : a) un générateur de mousse pour produire une solution de mousse, b) des moyens d'injection» communiquant avec ce générateur de mousse et la zone limite des gaz de combustion du moteur» pour introduire la solution de mousse directement dans la zone limite 10 des gaz de combustion. 2. Dispositif selon la revendication 1» caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur fusée et que les moyens d'injection comportent : a) une tubulure distributrice» entourant essentiellement l'extré-15 mité de l'injecteur du moteur fusée et présentant une admission reliée directement à la sortie du générateur de mousse» b) un certain nombre d'orifices répartis autour du pourtour de l'injecteur et communiquant chacun avec la tubulure distributrice» chaque orifice étant aligné de telle manière que de la mous- 20 se injectée à travers celui-ci sera dirigée directement le long des parois de la chambre de combustion du moteur fusée» injectant ainsi la mousse dans la couche limite des gaz de combustion. 3. Dispositif selon la revendication 1» caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur fusée et en ce 25 que le générateur de mousse comporte des moyens pour injecter un agent moussant a l'intérieur du conduit d'amenée de combustible du moteur fusée à un débit prédéterminé, de telle manière qu'une partie du mélange de combustible et d'agent moussant se combine avec les gaz de combustion pour former une solution de 30 mousse le long des parois de la chambre de combustion. 4. Dispositif selon la revendication 1» caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent un certain nombre d'orifices situés à proximité de la paroi de la chambre de combustion et à l'extrémité de l'injecteur et en ce que le générateur de 35 mousse comporte -des moyens pour amener un liquide à chaque orifice» des moyens pour amener un agent moussant à chaque orifice, au moins un tube d'aspiration assurant la communication entre ces orifices et un emplacement de la surface de l'injecteur 40 fournissant une source de gaz de combustion relativement frais» 72 08543 2128867 grâce à quoi un liquide et un agent moussant peuvent être combinés avec les gaz de combustion pour former une solution de mousse qui s'écoule a travers ces orifices jusque dans la zone limite des gaz de combustion. 5 5. Dispositif selon la revendication 1» caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur à réaction présentant une tubulure d'échappement et en ce que les moyens d'injection comportent un conduit reliant le générateur de mousse et la tubulure d'échappement du moteur à réaction» grâce à 10 quoi de la mousse peut être injectée dans la zone limite des gaz traversant la tubulure d'échappement. 6. Dispositif selon la revendication 5» caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent en outre : a) une tubulure distributrice entourant la tubulure d'échappe-15 ment du moteur et à laquelle tubulure distributrice est raccordé le conduit précité» b) un certain nombre d'orifices ménagés dans la paroi de la tubulure d'échappement du moteur» chacun de ces orifices étant en communication avec la tubulure distributrice» grâce à quoi 20 de la mousse peut être injectée dans la zone limite des gaz d * échappement. 7. Procédé fournissant des propriétés de refroidissement et d'absorption du son pour les gaz de combustion» lequel procédé est caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes : 25 a) mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne, b) production d'une solution de mousse à base de liquide et c) injection de la solution de mousse directement dans la zone limite des gaz de combustion.