Brevet FR2518174A1 — publié le 19830617

* ' 2518174 La présente invention concerne un appareil propulsif pour engins sousmarins, torpilles en particulier, comprenant, outre un généra-beur de gaz qui est alimenté en un mélange propulseur à deux composants indépendant de l'oxygène de l'air à partir de deux r 4- servoirs, l'un pour combustible liquide, l'autre pour oxydant li- quide, et dont les gaz agissent sur une turbine de puissance utile à un ou plusieurs étages, une injection d'eau, comme réfrigérant et agent de travail supplémentaire, dans les gaz propulseurs chauds avant ladite turbine et aussi un condenseur qui est parcouru par les gaz d'échappement encore chauds de cette même turbine et dans lequel ces derniers se condensent au moins partiellement avant de sortir dans l'eau ambiante. Les propulseurs de torpille doivent être le plus possible compacts, légers, rapides ' agir, exempts de bulles, indépendants de l'immersion quant à leur puissance, non sujets ' des perturbations plusieurs fois réutilisables-k des fins d'exercice et néanmoins doués d'une forte puissance et d'une longue portée. sa Par/construction compacte et relativement simple ainsi que par sa puissance massique extrêmement élevée, la turbine est toute désignée comme moteur pour un-appareil propulsif devant satisfaire à des exigences aussi varïéçs, et en partie contradictoires: elle a en-conséquence été largement utilisée comme telle de bonne heure dé 4 à, par exemple dans la "torpille Walter", au cours de la Seconde Guerre mondiale. Après celle-ci, les-propulseurs à turbine pour torpilles ont cependant cessé presque complètement de servir dans la pratique et l'évolution a'suivi d'autres voies Cela tient sans doute au fait que les turbines présentent, à côté de leurs avantages indéniables, par exemple de forte puissance massique et de faible encombrement, des caractéristiques constituant de graves défauts pour l'utilisa- tion dans des propulseurs de torpille C'est ainsi que le rendement des turbines est relativement faible et, de même que leur puissance, fonction en outre de l'immersion et diminuant lorsque celle-ci aug- mente, ne peut être accru, tout au moins pas suffisamment, dans des propulseurs à turbine par des moyens connus jusqu'à présent et moyennant une dépense acceptable En effet l'accroissement de la vitesse est limité par la résistance à celle-ci des paliers et des roues de turbine tout comme celui de la pression et/ou de la 2518174. température des gaz propulseurs l'est par la capacité de charge mé- canique et thermique de la matière constitutive du générateur de gaz et de la turbine Il faut ajouter que les appareils propulsifs de torpille doivent fonctionner sans bulles afin de ne pas trahir l'arrivée de la torpille par un tel sillage ni perturber son propre appareil de recherche du but, lequel fonctionne d'après le son. Ces données rendent à peu près impossible la découverte d'un mélange satisfaisant à toutes les exigences d'appareils propulsifs de torpille ayant une turbine comme moteurs c'est-à-dire la découver- te d'un système liquide qui soit extrêmement riche en énergie et fournisse des quantités de gaz propulseurs extrêmement grandes, par rapport aussi bien à son poids qu'à son volume, lesquelles ne mènent pas à une surcharge thermique du générateur de gaz et/ou de la tur- binxi et puissentaprès leur sortie de la turbine, être évacuées dans l'eau de mer ambiante sans donner de bulles et, autant que possible, une- pour activité d'exercice illimitée en temps de paix, sans nuire à 1 'environnement. Pour mesurer les difficultés que réserve la mise au point d'appareils propulsifs de torpille avec des turbines comme moteurs et le-caractèredéfectueux de la plupart des appareils connus de ce genre, il suffit de considérer par exemple l'appareil propulsif pour engins sous-marins, notamment torpilles, connu d'après le brevet américain N 2 31 34353 Les gaz propulseurs obtenus à partir de peroxyde d'hydrogène décomposé catalytiquement y agissent sur une turbine de puissance utile dont les gaz dé sortie, composés d'un mélange de vapeur d'eau et-d'oxygène, sont refroidis dans un échan- geur thermique et mélangés, sous élimination concomitante de l'oxy- gène gazeux par combustion ou absorption, à l'eau entrant dans une tuyère de poussée hydraulique constituant l'organe de propulsion proprement dit, pour éviter pendant la trajectoire sous-marine la sortie de bulles de gaz qui se marqueraient à la surface de la mer par un sillage révélateur de la présence de la torpille Cet appa- reil propulsif connus destiné à servir une seule fois, en particu- lier sur des torpilles, présente surtout les défauts suivants: Le composant peroxyde d'hydrogène ne-possède, par rapport à sa densité, qu'une teneur moyennement élevée en énergie et n'est stable au stockage que de façon limitée De plus, l'élimination de l'oxygène que renferment les gaz de sortie nécessite une installa- tion particulière co Qteuse. Les inconvénients du dispositif propulsif précité n'épargent qu'un seul appareil, appartenant par ailleurs au type annoncé ei mis au point il n'y a que quelques années sur la base du brevet al- lemand N 2 1 285 352 On y utilise comme combustible de l'hydrogène liquide, et comme oxydant de l'oxygène liquide, on injecte avant la turbine de puissance utile de l'eau obtenue, à bord même, dans une installation de dessalement d'eau de mer, afin de refroidir les gaz propulseurs, trop chauds pour ladite turbine, produits par la com- bustion de ce mélange riche en énergie et d'augmenter en même temps la quantité de ces gaz, et l'on condense, au moins en partie, par refroidissement indirect à l'eau de mer dans un échangeur thermique, les gaz de sortie de cette même turbine Cet appareil est, sans aucun doute, très supérieur aux autres appareils propulsifs connus pour torpilles dans lesquels on utilise des turbines de puissance utile comme moteurs et n'est en particulier pas affecté de leurs défauts les plus graves, car le gaz oxhydrique constitue un système propulseur très riche en énergie et l'élimination de l'oxygène des gaz de sortie n'a plus de raion d'être Il ne donne cependant tou- jours pas entière satisfaction, cela pour les raisons suivantes -: le système propulseur est cryogène, donc instable au stocka- ge et manipulable seulement au prix d'une relativement grande com- plication; la production par dessalement d'eau de mer de l'eau N 6 ces- saire à la fois au refroidissement des gaz propulseurs et comme agent de travail supplémentaire nécessite une installation particu- libre relativement coûteuse; enf Ln, l'échangeur thermique servant de condensateur de gaz de sortie est relativement cofteux aussi, manque de souplesse dans ses conditions de fonctionnement et n'est pas suffisamment compact. L'invention a pour objet un appareil propulsif, du type annoncé, amélioré en sorte qu'il offre les mêmes avantages que cet appareil à turbine motrice connu comme le meilleur par rapport à d'autres appareils de torpilles k turbines de puissance utile sans présenter les inconvénients de ce même appareil. Compte tenu de cette découverte surprenante que même des tur- bines de puissance utile animées de grandes vitesses et soumises k de fortes charges thermiques peuvent fonctionner de façon répétée, sans dommages ni troubles de fonctionnement d'origine corrosive ou mécanique, avec des gaz propulseurs engendrés, à partir d'une solution aqueuse hautement concentrée d'acide perchlorique ou de perchlorate d'hydroxylammonium comme oxydant et d'un combustible liquide à base d'hydrocarbure et/ou d'alcool, dans un générateur de gaz dans lequel on injecte, comme réfrigérant et comme agent de travail supplémentaire, de l'eau de mer non dessalée, cet appareil propulsif est caractérisé par le fait qu'il comporte: des réser- voirs sous pression d'eau de mer pour le combustible et l'oxydant; un générateur de gaz à injection d'eau de mer alimenté en un com- bustible connu en soi, à base d'hydrocarbure et/ou d'alcool, et en une solution aqueuse hautement concentrée, et connue également en soi comme oxydant, d'acide perchlorique et/ou de perchlorate d'hy- droxylammonium; comme condenseur d'aval de la turbine de puissance utile, un condenseur à injection avec refroidissement direct par l'eau de mer. L'établissement de l'appareil propulsif selon l'invention pour le fonctionnement avec la combinaison spéciale de combustible et d'oxydant précitée, laquelle sans doute était' connue en soi, d'après le brevet américain N 9 3 700 393 comme système propulseur riche en énergie et stable au stockage pour appareils propulsifs sous-marins, mais était considérée comme impropre à des systèmes propulsifs comportant des turbines comme moteurs k combustion, cela par suite de la haute température de combustion et de la corrosivité des gaz propulseurs résultants, permet non seulement de se passer d'une installation électrolytique propre de décomposition d'eau'de mer et de liquéfaction de gaz dépendante d'un moteur de croisière, de procéder au-plein des réservoirs k un instant quelconque avant la mise en action et de ne munir d'aucun isolement coûteux les ré- servoirs et dispositifs d'amenée, comme ce serait au contraire nécessaire avec l'emploi de composants cryogènes, mais aussi d'uti- liser de nouveaux réservoirs sous pression d'eau de met pour l'oxy- dant et le combustible. L'utilisation de tels réservoirs permet de maintenir constant, même sans dispositifs régulateurs spéciaux, le débit des dispositifs d'injection de combustible et d'oxydant en cas de chan- gements de pression commandés par l'immersiondans le générateur de gaz En d'autres termes, dans les réservoirs sous pression d'eau de mer qui caractérisent l'appareil propulsif selon l'invention, la pression s'exerçant sur les composants qu'ils renferment est obliga- toirement, et indépendamment de l'immersion, égale à la pression extérieure qu'il faut surmonter lors de l'expulsion des gaz de sor- tie de la turbine entièrement ou partiellement condensés hors des co condenseur a injection, si bien que la puissance absorbée par les pompes d'injection de combustible et d'oxydant n'augmente pas ou presque pas quand, à immersion croissante, one élève la pression du générateur de gaz de façon à maintenir constante la différence de pression entre ce dernier et le condenseurhà injection, et par con- séquent aussi constant le taux d'expansion, lequel détermine le puissance cédée par la turbine de puissance utile. Un autre avantage des réservoirs sous pression d'eau de mer selon l'invention par rapport aux réservoirs classiques réside - dans l'économie de poids due à des parois de réservoirs plus légères, du fait que la pression intérieure exercée sur lesdites parois est aussi élevée que la pression extérieure. Un avantage essentiel de l'appareil propulsif selon l'in- vention résulte de ce qu'il comporte un générateur de gaz dans lequel on injecte purement et simplement de l'eau de mer, au lieu d'eau de mer dessalée, ce qui supprime l'installation de dessalement d'eau de mer qui était nécessaire d'après le niveau de la technique et permet non seulement de réaliser une économie de poids et d'espace, mais aussi de simplifier l'ensemble de l'appareil propulsif et de le rendre ainsi moins sujet à des perturbations La possibilité de cette simplification infirme la conception antérieure des spécia- listes en la matière, lesquels étaient-prisonniers de leur préjugé, non fondé comme l'a montré l'invention, selon lequel les résidus de sel subsistant lors de la vaporisation de l'eau de mer conduiraient à' des dommages corrosifs et mécaniques dans des turbines soumises à une forte charge thermique et mécanique. Enfin, le refroidissement et la condensation des gaz de sortie, assurés selon l'invention par échange thermique direct et non plus indirect avec l'eau de mer,contribuent dans une bonne me- sure à la franche supériorité de l'appareil propulsif selon l'in- vention même par rapport au meilleur appareil connu jusque là dans le genre en question, char les condenseurs-à injection caractérisant l'invention, y compris les dispositifs à injection qui leur sont nécessaires, sont plus compacts et plus légers que les-échangeurs thermiques à même effet de refroidissement et, de plus, ils permet- tent, par la quantité d'eau de mer injectée par unité de temps, une régulation beaucoup plus simple et plus souple de la quantité de chaleur retirée par unité de temps des gaz de sortie à refroidir que des échangeurs thermiques dont l'effet de refroidissement est déterminé dans la plus large mesure par la-surface d'échange ther- mique, non modifiable sans complications, ou dépenses, inacceptables. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'appareil comporte un retour d'eau du condenseur à injection au dispositif d'injection d'eau de mer du générateur de gaz. Selon une autre particularité possible de l'invention, le générateur de gaz et/ou le corps de la turbine sont agencés et disposés en sorte que leurs parois 'extérieures soient entourées ou baignées d'eau de mer communiquant avec les flots-environnants, eau par laquelle elles sont non seulement refroidies, mais aussi continuellement soumises de toutes parts à une pression extérieure correspondant à l'ambiante, si bien que la sollicitation effective de pression diminue lorsque -l'on fait varier la pression intérieure en fonction de l'immersion de telle façon que le taux d'expansion reste constant. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip- tion détaillée d'un-mode de réalisation pris comme exemple non li- mitatif et illustré schématiquement par le dessin annexé, schéma de'circuits d'un appareil propulsif selon l'invention dont a négli- gé les parties, telles que vannes ou autres, non indispensables à la compréhension de celle-ci. Les éléments principaux dudit appareil propulsif selon l'invention sont deux réservoirs 1 et 2 sous pression d'eau de mer, respectivement pour le combustible et pour l'oxydant, un généra- teur de gaz 3, une turbine de puissance utile 4 et un condenseur à injection 5. Les réservoirs 1 et 2 renferment chacun, pour le logement du combustible ou de l'oxydant, une vessie souple la, 2 ai-compres- sible au moyen d'eau de mer à partir d'une dérivation 6 a, 6 b, d'une conduite princeale 6 alimentée par l'eau de la mer ambiante De telles vessies seraient inutilisables dans des réservoirs pour composants cryogènes, car tous les matériaux généralement envisa- geables deviennent cassants aux températures extrêmement basses des composants cryogènes. Du combustible ou de l'oxydant sont soutires des vessies la, 2 a par des conduites 7, 8 et injectés dans le générateur à gaz 3 à travers des conduites 11, 12 par une pompe appropriée 9 ou 10. Dans les gaz propulseurs chauds dégagés par la combustion du mélange propulseur dans le générateur de gaz 3-est injectée de l'eau de mer s'écoulant de la conduite principale 6, par une dérivation 6 c, vers une première pompe à eau de mer 13 et refoulée par celle-ci dans le générateur de gaz 3 par une première conduite d'injection d'eau de mer 6 d Les gaz propulseurs engendrés dans le générateur 3, et constitués essentiellement de vapeur d'eau et d'anhydride carbonique, se dirigent par une conduite 14 vers la tubine de puissance utile 4. Les gaz de sortie de ladite turbine de puissance utile 4 sont amenés par une conduite 15 au condenseur à injection 5,dans-lequel ils se condensent, tout au moins en partie, par l'effet d'eau de mer injec- tée qui arrive de la conduite principale 6 audit condensateur 3 par une autre dérivation d'eau de mer-6 e, une deuxième pompe à eau de mer 16 et une deuxième conduite d'injection d'eau de mer 6 f Le condensat formé dans le condenseur à injection 5 est expulsé dans l'eau de mer environnante par une conduite 17 en même temps que l'eau de mer injectée et éventuellement que des parties non con- densées des gaz de sortie. La turbine de puissance utile 4 entraîne par un arbre 18 et une transmission 19 non seulement un arbre do propulsion 20, mais aussi les pompes 9, 10, 13 et 16. REVENDICATIONS 1 Appareil propulsif pour engins sous-marins, torpilles en particulier, comprenant, outre un générateur de gaz qui est ali- menté en un mélange propulseur à deux composants indépendant de l'oxygène de l'air à partir de deux réservoirsj l'un pour combus tible liquide, l'autre pour oxydant liquide, et dont les gaz agis- sent sur une turbine de puissance utile à un oa plusieurs étages, une injection d'eau, comme réfrigérant et agent de travail supp 14- mentaire, dans les gaz propulseurschauds avant ladite turbine et aussi un condenseur qui est parcouru par les gaz d'échappement encore chauds de la turbine et dans lequel des derniers se conden- sent au moins partiellement avant de sortir dans l'eau ambiante, appareil caractérisé par le fait qu'il comporte: des réservoirs -sous pression d'eau de mer pour le combustible et l'oxydant; un générateur de gaz à injection d'eau de mer alimenté en un bombus- tible connu en soi à base d'hydrocarbure ou d'alcool ou des deux a la lois, et en une solution aqueuse hautement concentrée, et également connue en soi, en tant qu'oxydant, d'acide perchlorique ou de perchlorate d'hydroxylammonium ou des deux à la fois;-comme condenseur d'aval de la turbine de puissance utile, un condenseur - à injection à refroidissement direct par eau de mer. 2 Appareil propulsifselon la revendication 1 caractéri- sé par le fait qu'il comporte un retour d'eau du condenseur à in- jection au dispositif d'injection d'eau de mer du générateur de gaz. 3 Appareil propulsif selon l'une quelconque des reven- dications I ou 2 caractérisé par le fait que le générateur de gaz ou le corps de la turbine ou les deux-à la fois sont agencés et disposés en sorte que leurs parois extérieures soient entourées ou baignées d'eau de mer communiquant avec les flots environnants, eau par laquelle elles sont non seulement refroidies, mais aussi continuellement soumises de toutes parts à une pression extérieure correspondant à l'ambiante, en sorte que la sollicitation effecti- ve de pression soit diminuée lorsque l'on fait varier la pression intérieure en fonction de l'immersion de telle façon que le taux d'expansion reste constant.