Brevet FR2213429A1 — publié le 19740802

Les statoréacteurs couramment utilisés à des fins diverses se présentent sous une forme simple comprenant essentiellement un tube de mélange ou diffuseur et une buse d'injection disposée centralement. Par la suite, l'amplification de poussée obtenue doit etre considérée comme primordiale pour les possibilités d'application variées d'un tel dispositif. Dans ce genre d'application, le jet moteur sortant de la buse d'injection à grande vitesse accélère l'air environnant et l'air se trouvant en aval se mélange à lui et forme après un trajet d'une certaine longueur un jet de mélange de vitesse approximativement uniforme. Une comparaison avec le jet moteur primaire montre en effet généralement une augmentation de la poussée S = m. v, avec cependant une perte relativement importante de l'énergie cinétique E = 1 m. v2. Le processus de mélange se déroule de façon que le jet sortant sous la forme d'un cône entrasse la formation d'une zone de mélange s'élargissant constamment, accélère les particules d'air du jet secondaire à une vitesse très élevée, se mélange à elles et enfin après diffusion complète quitte le statoréacteur sous forme de jet mixte. Le processus de mélange entrain la fol mation d 'un tourbillon qui absorbe de l'énergie et qui, avec les pertes par frottements, doit etre pris en considération comme cause de mauvais rendement. Pour augment er le rendement, on connait actuellement deux mé thodes qui toutes les deux tendent à améliorer le processus de mélange, mais qui cependant mettent en oeuvre des moyens complèteme nt différents. Dans le premier cas, on utilise un pot de mélange en forme de tambour dans lequel le jet primaire suit un trajet giratoire sur la face interne du tambour et effectue de plus un échange d'énergie avec le jet secondaire. L'autre méthode met en oeuvre l'électricité de frottement et d'autres moyens de charge éIectrique du courant de gaz en mouvement sur lequel on agit dans le sens désiré par l'intermédiaire d'un champ magnétique. Ci-après, on indique un mode de réalisation de statoréacteur conforme à l'invention dans lequel à l'aide d'éléments simples, on obtient une améliora- tion du processus de mélange ainsi qu'unie diminution des pertes par frottement. Selon l'invention, l'amélioration du processus de mélange est obtenue du fait que le jet moteur est envoyé à travers une buse extérieure agencée tangentiellement sur le diffuseur et à travers une ouverture pratiquée dans la paroi dudit diffuseur, l'axe de la buse formant un angle compris entre O et 90 avec l'axe du diffuseur, du fait que de plus, pour l'ionisation superficielle du jet moteur nécessaire à la diminution des pertes par frottement une certaine partie, ou certaines parties, ou la totalité de la face intérim re du diffuseur sont garnies d'une couche superficielle pour la diminution du travail d'extraction et du fait que, pour obtenir la température d'émission de cette couche superficielle, on utilise la chaleur du jet moteur et/ou on prévoit un chauffage ohmique, la face interne du diffuseur étant portée à un potentiel électrique négatif de blocage. Le jet moteur sortant suit la paroi du diffuseur et s'applique étroitement sur celle-ci avec.un léger épanouissement. Il en résulte un courant de paroi giratoire en hélice, qui entraîne le courant- secondaire dans le diffuseur suivant le meme mouvement giratoire et donne naissance à un courant axial avec torsion. A cause du rapide mouvement giratoire, une force centrifuge est exercée sur l'air en mouvement, cette force d'une part contrecarrant la diffusion du jet et d'autre part pressant le courant secondaire contre le jet moteur, ce qui donne lieu à un transfert intensif de l'énergie de mouvement. L'échange d'énergie s'effectue sur un trajet relativement court, de sorte qu'une relativement faible longueur de diffuseur est nécessaire pour procurer un mélange suffisant du courant primaire et du courant secondaire. Meme si avec les méthodes connues décrites on pouvait obtenir un mélange avantageux du jet moteur avec l'air secondaire, cet avantage serait accompagné de pertes considérablement plus importantes à cause du frottement du jet primaire contre les parois. Cet effet nuisible concomitant doit alors être contrecarré par une répulsion électrostatique des particules. A cette fin, on fait usage de l'effet connu en électrotechnique sous le nom d'ionisation superficielle, après quoi des ions négatifs sont formés par fixation d'électrons sur des molécules de gaz neutres. I1 est déjà connu d'émettre des électrons au moyen de métaux fortement chauffés. Pour obtenir une émission suffisante avec une faible dépense de chaleur, on a déjà fabriqué de nombreux revetements d'oxydes. Par exemple, un revêtement d'oxyde de baryum est particulièrement avantageux et il délivre un courant d'émission de 2 A/cm2 pour un chauffage d'environ 2 W/cm2. La température nécessaire à l'émission est de 1000"K ou 727" C. (Pour abaisser le travail d'extraction, on utilise aussi d'autres métaux alcalino-terreux ou des terres rares ainsi que des alliages ou des mélanges de ceux-ci).Quand la paroi interne du diffuseur est pourvue d'une telle couche chauffée à la température correspondante, les particules élémentaires extraites de cette couche entraient une ionisation du courant balayant la paroi du diffuseur. Si de plus un potentiel négatif est appliqué à la paroi interne du diffuseur, celuici entrasse l'extraction de particules et empeche le contact direct avec la paroi et donc le frottement contre celle-ci. Sur les figures du dessin annexé, on a représenté schématiquement des formes de réalisation de l'agencement selon l'invention, les figures 1 a 5 montrant cet agencement appliqué à un statoréacteur. La figure 1 est une représentation axonométrique d'un statoréacteur. La figure 2 est une coupe transversale du diffuseur par un plan passant par la buse d injection. La figure 3 est une vue en bout du diffuseur. La figure 4 est une coupe agrandie, transversale à l'axe, de la paroi du diffuseur. La figure 5 est une coupe agrandie longitudinale de la paroi du diffuseur. Les figures 6 à 8 montrent schématiquement l'application de l'invention à la réalisation d'un joint pour piston cylindrique. La figure 6 montre les parois extérieures du piston avec deux bandes d'émission. La figure 7 est une coupe radiale agrandie d'une partie de piston avec une bande d'émission. La figure 8 montre une variante de réalisation du joint de la figure 7. Dans le statoréacteur à buse tangentielle pour jet moteur chaud, conforme à l'invention et montré par la figure 1, la buse 2 est montée sur le diffuseur 1 de façon que le jet moteur pénètre tangentiellement à la paroi interne du diffuseur, à travers l'ouverture 3. La buse 2 forme un angle 5 compris entre 0 et 90" avec la génératrice 4 du diffuseur, de sorte-que le jet moteur décrit un trajet en hélice 6 à l'intérieur du diffuseur. L' air secondaire 8 pénètre dans le diffuseur par l'ouverture 7 et se mélange au jet moteur, qui sur la figure 1 n'est matérialisé que par la ligne médiane 6. A la sortie du diffuseur, des ailettes de guidage 9 fournissent un jet de sortie axial, sans torsion. Pour obtenir l'adaptation du courant secondaire 8 au processus d!écoulement à l'intérieur du diffuseur 1, on pourrait également prévoir une telle couronne d'ailettes de guidage (non représentée) du côté de. l'entrée 7. De plus, l'introduction de gaz moteur pourrait étre divisée par deux ou plusieurs buses 2, qui seraient agencées de façon adéquate à la périphérie du diffuseur 1, pour obtenir une répartition plus uniforme. Deux états de fonctionnement différents, suivant que le courant secondaire 8 doit etre accéléré depuis une vitesse nulle ou une certaine vitesse initiale, pourraient être pris en compte en prévoyant la ou les buses 2 orientables. en rotation, de façon que le centre de rotation se trouve à la pointe d'entrée du jet moteur et que la position du jet moteur reste tangentielle par rapport a. la paroi du diffuseur. Pour obtenir la température d'émission nécessaire, on peut prévoir à cet effet un jet moteur chaud, comme par exemple dans les turbines. Avec un tel jet moteur, l'échauffement nécessaire est produit sur une certaine longueur de jet, avant que la température baisse à cause du mélange avec l'air frais extérieur. L'écoulement le long de la trajectoire en hélice se produit de façon turbulente sous l'influence du processus de mélange jusque dans le domaine de. la couche limite ; toutefois, au voisinage immédiat de la paroi se produit un mince écoulement laminaire qui suffit au maintien de l'ionisation superficielle. A cet effet, il est également nécessaire pour la production d'une ionisation suffisante, de ne chauffer qu'une zone initiale limitée. Pour un chauffage additionnel, on pourrait prévoir différents moyens. La figure 5 montre par exemple des moyens de chauffage électrique par résistance. cette figure représente, en coupe longitudinale, une partie de paroi du diffuseur 1 comportant une couche superficielle 10, une couche isolante 12 et un fil ehauffant Il noyé dans celle-ci, ce fil entourant en hélice la zone du diffuseur à chauffer. Pour accélérer le chauffage dans la zone initiale ou pour prolonger la zone chaude, on pourrait agencer également des ailettes de protection qui maintiendraient le jet secondaire froid écarté, sur une certaine longueur, du jet moteur. On pourrait égalenient obtenir un agrandissement de -la zone chaude en introduisant un gaz moteur chaud additionnel, réparti le long de la trajectoire du courant. En ce qui concerne les dépenses énergétiques des mesures décrites ci-dessus, on remarquera qu'une consommation notable d'énergie électrique n'est pas à redouter pour la charge du diffuseur, puisqu'il n'y a pas d'écoulement de courant. L'échauffement immédiat du diffuseur constitue naturellement une source de perte puisque de la chaleur est transmise à l'environnement. On peut toutefois prévoir un isolement approprié d'autant plus que les zones à chauffer sont relativement petites. Une application particulièrement simple de l'agencement décrit ci-dessus pour la diminution du frottement de paroi d'un courant de gaz chaud se trouve dans les aubes de turbines, lorsque les parties superficielles des aubes exposées à l'écoulement de gaz sont préparées en vue d'un faible travail d'extraction d'électrons. Puisqu'il s'agit à chaque fois dans ce cas d'écoulement suffisamment chaud qui se maintient uniformément pendant le fonctionnement de la turbine, on peut compter sur une émission uniforme qui se produit sur la totalité de la surface léchée par le gaz moteur. La meme chose vaut également pour les aubes de guidage. Du fait que le contact immédiat de la matière des aubes avec les gaz chauds est empêché, on peut s'attendre à une certaine diminution de l'échauf- fement des aubes, de sorte que l'on obtient une décharge thermique souhaitable. Sous la condition antérieure que les surfaces des aubes exposées au courant de gaz soient revêtues d'une couche superficielle appropriée, non seulement un chauffage auxiliaire peut être supprimé dans tous les cas, mais encore on s'évite l'application d'une tension négative L'agencement d'une couche superficielle sur toutes les surfaces exposées au gaz est en-tous cas nécessaire par ce que dans ce cas l'écoulement est très turbulent. Une autre application semblable peut etre faite aux buses pour gaz chauds. Dans ce cas, il n'y a qu'a prévoir un revêtement superficiel pour la- surface interne de la buse, l'échauffement nécessaire à une émission suffisante étant ici assurée automatiquement. Les figures 6 à 8 illustrent l'application de l'invention à un joint d'étanchéité sans contact pour un piston. L'agencement d'étanchéité est formé par une bande d'émission qui comporte une couche superficielle 10, telle que décrite ci-dessus, et un seuil à potentiel 15. L'exigence d'un échauffement suffisant de la bande d'émission est remplie car l'agencement est placé dans une zone de fort échauffement du piston, à la partie supérieure de celui-ci près de la chambre de combustion. De plus, pour améliorer cet échauffement, la matière sur laquelle est rapportée la couche superficielle 10 peut être choisie avec conduction thermique relativement faible et la bande d'émission 10 peut être prévue avec une digue thermique 16 par rapport au piston 14. En ménageant une petite fente d'air entre la bande d'émission 10 et la paroi du cylindre 17, le fluide de travail peut être entièrement ionisé dans cette fente. Si la sortie de la fente est munie d'un seuil de potentiel 15, approximativement en foi me d'arête 18 soumise à une haute tension et dirigée vers la fente et la paroi 17, le fluide de travail peut être maintenu sous hautes pressions sans pertes de gaz. Pour limiter ce potentiel de blocage du seuil 15 à cette valeur, celui-ci est, sur la figure 7, isolé par l'intermédiaire de 12. Ainsi, comme dans les dispositifs d'étanchéité connus à segments, on peut prévoir deux ou plusieurs dispositifs d'étanchéité selon l'invention. Au démarrage de la machine, jusqu'a l'obtention de la température d'émission nécessaire, soit on s'accommode de pertes de gaz, soit on prévoit un préchauffage des joints, par exemple sous la forme d'un chauffage électrique par résistance, comme le montre la figure 8. La bande d'émission 10 est la aussi agencée dans une couche isolante plus épaisse, et dans cette dernière, juste derrière la bande d'émission 10, est noyée une résistance électrique de chauffage, représentée en coupe sous forme de fils de chauffage 12. Pour compenser l'affaiblissement de la section dans cette région, le piston peut comporter un renfort de paroi 19, montré en pointillés sur la figure 8. Un tel chauffage d'appoint offre l'avantage de shunter toutes les variations de température pendant le processus de travail. Le chauffage peut diminuer sans qu'il y ait à reduter des dépenses de chauffage excessives. Dès qu'un faible écoulement de gaz pénètre dans la fente d'étanchéité, il en résulte dans celle-ci une petite émission pour une ionisation durable. Une charge des particules de gaz ionisées sur la paroi de cylindre 17 peut être évitée par l'application d'une charge négative 13, comme le montre la figure 7. Si, comme sur la figure 8, une tension négative 13 est appliquée à la paroi du cylindre 17 et au piston 14, on peut obtenir une force directrice dans le cas représenté d'un piston cylindrique, force par laquelle le contact de la paroi 17 par le piston 14 est empêché à cause de la grande répulsion électrique qui se produit alors. A cause des charges de même polarité du piston 14 et du cylindre 17, on peut sans peine appliquer des tensions de valeurs élevées. REVENDICATIONS 1 - Agencement pour diminuer le frottement de paroi d'un écoulement gazeux chaud, caractérisé en ce que les parois sont munies d'une couche superficielle qui, lors d'un échauffement, diminue fortement le travail d'extraction des ions et en ce que les parois sont chauffées 2 - Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une tension électrique négative est appliquée aux parois chauffées. 3 - Statoréacteur caractérisé en ce que la paroi interne du diffuseur est revetue au moins en partie d'une couche superficielle spécifiée sous l'une des revendications 1 ou 2 et en ce que des moyens de chauffe de cette couche sont prévus. 4 - Statoréacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chaleur du jet moteur est utilisée pour le chauffage de la -couche superficielle. 5 - Statoréacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on prévoit des moyens de chauffage électrique par résistance pour le chauffage de la couche superficielle. 6 - Statoréacteur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que, pour l'introduction du jet moteur, sont prévues une buse extérieure agencée tangentiellement sur le diffuseur et une ouverture de la paroi de celui-ci, l'axe de la buse formant un angle compris entre 0 et 90" avec l'axe du diffus eur. 7 - Statoréacteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que deux ou plusieurs buses sont réparties sur la paroi extérieure du diffuseur. 8 - Joint d'étanchéité entre une partie mobile d'une machine thermique et son espace de travail comportant un agencement selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que les surfaces servant à l'étanchéité sont pourvues, au moins en partie, d'une couche superficielle pour laquelle un chauffage diminue sensiblement le travail d'extraction des électrons. 9 - Joint selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un seuil a potentiel électrique est prévu à la sortie de la fente d'étanchéité: